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摘要：德国Multibrid公司专为海上风电设计的M5000风机，已成功应用于德国第一个海上风电场。从样机到批量生产，Multibrid 通过与 Beckhoff 紧密合作，为M5000打造了一个集成平台控制方案，使系统管理更简单，而且其开放性便于未来的深度开发。
德国Multibrid 公司成立于2000年，主要开发和建造M5000海上风力发电机。他们与供应商合作，有一支专家团队负责不断开发重要的系统组件。同时，通过挂靠Prokon Nord公司，Multibrid能够利用他们在风电场工程建设中长期积累的经验。工程规划公司Prokon Nord很早就已进军海上风力发电领域，在北海和诺曼底海岸设计了三个风电场，在后者共安装了181个风机，每个风机的功率为5MW。
早在 2004年，Multibrid公司就开发了海上风力发电机组样机，但三年之后才正式投入批量生产。2007年中旬，Multibrid开始在位于德国不来梅港的工厂安装风轮直径为 16米、轮毂高90米的Multibrid M5000风力发电机。
从样机到批量生产
当项目经理Bernd Zickert于2005年加盟该公司时，他就发现了这样一个很常见的技术现状：用于风力机的控制和自动化系统并不是基于一个集成的平台，硬件组件来自四个不同的制造商，这意味着Multibrid工程师必须熟悉不同的系统，组件和数据采集的协调也是个问题。
对于 Multibrid样机，这种内部差异很有意义，因为它可以显示出设计的弹性，并为较终决定批量生产奠定基础。为此，公司必须试验各种选件。两年前，他们完成了M5000的首次现场试验，试验表明方案基本可行。Multibrid所面临的另一个挑战是，必须为批量生产和海上风电场运行做好准备。
通过对风机所承受各种环境影响的模拟仿真，Multibrid实现了样机的试验，包括各种可能的故障和故障场景。“针对仿真，我们为所有系统接口创建了一个精确的模型，”Bernd Zickert 说道，“我们能够进行深度开发来提升系统性能。开发的重点主要集中在系统生产、安装、运行及维修方面的可行性。2008年，Multibrid打算建造13个系统，其中6个计划用于 Alpha Ventus海上风电场。Alpha Ventus是德国首座海上风电场。它是一个具有开创性意义的合作项目，E.ON Climate & Renewables、EWE和Vattenfall Europe New Energy都有参与该项目。
低磨损技术降低系统故障
Multibrid的设计显示出他们的雄心壮志。与其它大部分风机制造商不同，Multibrid使用的是永磁同步发电机。大部分的电力供应商使用的都是同步发电机，而风电行业更倾向于使用异步（感应）发电机。Multibrid决定使用一个带环设计的多极同步发电机，这表示，它以成熟的技术为基础，同时还具有磨损极低的优点。这一点特别是对海上风电场运行来说是个极大的优点，在海上风电场中，服务、维护及维修比陆上更加困难，特别是在天气很恶劣的时候。任何不容易出现故障的设备或性能特点都会让风力机更为可靠。
重量轻 便于建造和安装
为了便于运输并确保安全和快速安装，M5000的一个重要设计要求是减少机舱和风轮的重量。Multibrid在风轮和发电机之间放置了一个减速比为10:1的单级减速机。发电机通过一个四象限逆变器连接至电网，通过该逆变器，可以实现变速运行。同时，它满足电网调度员为高级风力机所规定的要求。采用这一设计方案后，Multibrid将风轮、轮毂和机舱的总重量减少到约310吨。
尽管Multibrid风力机的额定功率较高，但其外形却极为紧凑：机舱尺寸仅为7米高、10米长，与其它同类产品相比，该系统更加小巧、轻便。这样可带来很多优点：用三角架基础支撑的管状钢塔可给定不同的尺寸。机舱可在陆地上预装配，然后在海上作为成套设备安装。
海上风电场运行的重要要求就是机舱的密封性：空气处理系统从环境空气中分离出盐和水粒子，在机舱内生成正压，避免具有侵蚀性的海洋大气进入，保护易受损的控制元件免受侵蚀。
集成控制平台使系统管理更简单
自动控制系统的改造工作由Bernd Zickert实施，他们的团队负责对系统进行简化。控制器数量从5台减少为2台。除了塔筒中的主控计算机之外，还有一台轮毂中的计算机，用于提供冗余功能，并防止通过滑环连接数据传输的丢失。
整个硬件平台都由Beckhoff组件替换，建立了一个集成的控制系统，提供协调、简单的处理、连接和数据流。系统处理500多个数字量和模拟量信号。这使维修和维护更简单：维修技师仅需熟悉一个运行操作指导系统即可，大大减少培训和调试成本。
开放式系统理念便于深度开发
为了减少可能的组件故障所带来的影响，传感器、执行器和辅助系统均使用冗余设计。这特别适用于空气处理、油品供应与液压系统以及轮毂和冷却系统的电池充电器。
基于PC的控制技术可确保系统的开放性。Multibrid工程师Zickert认为这是一个特别有意义的性能特点，因为它为自动化控制系统的深度开发提供了广阔的空间。“毕竟，我们所处的是一个具有高度动态性的领域，科学技术的发展日新月异。” 第三方设备可通过相应接口轻松集成到系统中。系统的开放性还将能够集成新功能的I/O模块。
基于WINOOWs标准操作系统的Beckhoff TwinCAT控制软件，简化了操作指导工作，确保与常规的用户界面兼容。这对由SCADA系统提供的数据流和信息的可视化也产生了积极影响。控制系统支持现场的安全访问，而在控制中心也可由多名用户同时进行访问。可对参数进行修改，以满足具体的应用要求。系统的故障分析能力得到很大提升。系统可通过因特网协议经由光缆实时监控。
一个集成的ORACLE数据库系统可以在离线状态下（例如，在系统通讯出现故障时）将需要传输给控制中心的文件保存50天之久。存储能力取决于所使用的闪存卡大小。系统存储所有与风电场管理相关的数据，包括运行数据（10分钟均值、跟踪、计数器）、错误日志分析、功率曲线、生产、无功功率、内部能耗及运行模式等数据。
(整理：电工培训学校)
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