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10 MVA 風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)臺的自動化

德國能源行業(yè)目前主要關(guān)注以下兩大問題：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中電力電子器件的使用壽命如何？哪些環(huán)境和負(fù)荷因素會影響這些器件的壽命？不來梅大學(xué)電氣驅(qū)動、電力電子設(shè)備學(xué)院（IALB）的科研人員正在與弗勞恩霍夫風(fēng)能及能源系統(tǒng)技術(shù)研究院 （IWES）密切合作，共同尋找這些問題的答案。該項(xiàng)目使用的數(shù)據(jù)集由一個配備了倍福基于 PC 的自動化技術(shù)的巨型試驗(yàn)臺提供。

電力電子器件故障是造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障的主要原因之一。環(huán)境應(yīng)力和電氣運(yùn)行負(fù)荷相結(jié)合，會對電力電子器件的使用壽命產(chǎn)生很大影響，因此也會影響整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用壽命。因此，預(yù)測這些多模式負(fù)載的影響對避免現(xiàn)場故障，確保產(chǎn)品長期運(yùn)行具有重要意義。

通信接口必須易于適應(yīng)不斷變化的測試樣機(jī)。IALB 認(rèn)為，在這一點(diǎn)上，EtherCAT 熱連接和 EtherCAT POF 接口模塊 EK1561 提供了一個完美的解決方案。

為了確定故障原因，不來梅大學(xué)建造了一個最大功率為 10.8 MVA（由四個 2.7 MV 變頻器產(chǎn)生）的全尺寸試驗(yàn)臺，它隸屬于由德國聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和氣候行動部（BMWK）共同資助的“風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大功率電力電子器件的多維負(fù)荷（HiPE-Wind）”項(xiàng)目。該項(xiàng)目在真實(shí)的氣候條件下（陸上和海上）和不同的電荷下測試完整的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動力柜，以期找到以下重要問題的答案：

·  變流器系統(tǒng)長期處于待機(jī)狀態(tài)并在此期間積聚水汽后，啟動時的表現(xiàn)如何？

·  是否會出現(xiàn)冷凝現(xiàn)象？

·  變流器通過自身熱損耗進(jìn)行干燥的速度如何？

·  變流器控制柜中的哪些部件或區(qū)域特別關(guān)鍵？

“我們想要更好地了解影響電力電子器件使用壽命的因素。”不來梅大學(xué)電氣驅(qū)動、電力電子設(shè)備學(xué)院的 Bernd Orlik 教授解釋道。無論是過去還是現(xiàn)在，我們的目標(biāo)都是研究優(yōu)化電力電子器件穩(wěn)定性的方案，尤其是針對海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的方案，然后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試。“但到目前為止，人們對電力電子器件所處的特殊環(huán)境條件和運(yùn)行條件如何影響其使用壽命知之甚少。”Nando Kaminski 教授（來自 IALB）補(bǔ)充道：“我們的初步研究結(jié)果表明，水汽含量對功率半導(dǎo)體器件來說尤為關(guān)鍵。腐蝕等電化學(xué)反應(yīng)會迅速導(dǎo)致器件失效。”

“電力電子器件是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件，用于控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電能流動，承受著來自不斷變化的風(fēng)況和電網(wǎng)負(fù)荷的巨大壓力。”來自弗勞恩霍夫 IWES 的 Jan Wenske 教授解釋道。此外還有各種環(huán)境影響。歸根結(jié)底，各自系統(tǒng)中的荷載組合始終是影響電力電子器件可靠性和使用壽命的決定性因素。“變流器有時需要在非常寒冷的條件下工作，有時又需要在高溫高濕度環(huán)境中工作。”Bernd Orlik 說道。同時，研究人員也會根據(jù)需求仿真“正常”的電力負(fù)荷以及故障和系統(tǒng)的相互作用。同樣，科研人員可以在人工氣候室中復(fù)制現(xiàn)場真實(shí)的環(huán)境條件，并具體研究這些條件下組件的行為。這樣可以提前測試變流器的結(jié)構(gòu)和配置變化的影響，這樣做的好處是可以把這些缺陷和潛在問題消滅在開發(fā)階段。

不來梅大學(xué) IALB 研究所主任 Wilfried Holzke解釋說道：“我們?nèi)粝氤鼍呖煽康氖褂脡勖鼒?bào)告，最重要的就是要高精度、同步記錄測試樣機(jī)、人工氣候室和負(fù)載換相變流器的所有測量值和設(shè)定值。”

用人工氣候箱再現(xiàn)海上環(huán)境條件

任何一個站在 10 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組面前的人都會對其所使用的電力電子器件的尺寸有一個清晰的概念。人工氣候室體積也非常大，超過 170 立方米，準(zhǔn)確地說，是 7.5 x 5.3 x 4.3 米。科研人員將電力電子器件與控制柜組裝在一起，并將其連接到負(fù)載換相變流器和配備基于 PC 的控制技術(shù)的第三方控制裝置。然后才能在所有已知和可以想象的氣候條件開始實(shí)際測試：可能是 -40 到 +120°C 的干冷或干熱或者 +10 到 +95°C 的溫度范圍內(nèi)相對濕度在 10-95% 之間的濕冷或濕熱條件。動態(tài)、可重復(fù)的電力負(fù)荷曲線使得電力電子器件在相應(yīng)的氣候條件下加速老化。

要實(shí)現(xiàn)這一切，首先要做大量工作：試驗(yàn)臺由帶四個變頻器的負(fù)載系統(tǒng)、帶相應(yīng)制冷/空調(diào)和安全技術(shù)的氣候室以及與功率相匹配的配電系統(tǒng)構(gòu)成。最后，研究人員以高達(dá) 9000 A（4 x 2250 A）和 0 至 1000 V 之間的電壓進(jìn)行動態(tài)負(fù)載仿真。“必須同時控制所有組件，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。”不來梅大學(xué) HiPE-LAB 研究室主任 Wilfried Holzke 博士在解釋一開始遇到的自動化挑戰(zhàn)時說道。這是因?yàn)楦鞣N組件必須通過不同的總線系統(tǒng)（Ethernet、PROFINET、Modbus RTU、Modbus TCP 和 CANopen）和不同的協(xié)議進(jìn)行控制。安全系統(tǒng)必須易于集成到整個系統(tǒng)中。只有靈活、高性能的自動化系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)這一切。“倍福基于 PC 的控制技術(shù)為此提供了許多優(yōu)勢，比如支持各種總線系統(tǒng)和協(xié)議，以及可輕松集成 HMI 和數(shù)據(jù)庫。”Wilfried Holzke 博士指出。這讓我們可以輕松選擇先前創(chuàng)建的電氣負(fù)荷和氣候負(fù)荷順序，并通過 PLC 將它們傳輸給負(fù)載系統(tǒng)、氣候室和測試樣機(jī)。

試驗(yàn)臺通過第三方測量技術(shù)以高達(dá) 2 MS/s 的速度采集超過 72 個電壓和電流通道的數(shù)據(jù)。氣候室中的溫度、濕度和空氣流量（總共 64 個通道）以高達(dá) 20 kS/s 的速度采集。通過 EtherCAT 的分布式時鐘功能能夠高精度和同步采集所有通道數(shù)據(jù)。EtherCAT 端子模塊（IEEE 1588/PTP 同步）EL6688 將這一功能進(jìn)一步擴(kuò)展到位于試驗(yàn)臺上的所有測量系統(tǒng)中，并在所有應(yīng)用中建立統(tǒng)一的時基。

在如此高的電壓和電流情況下，安全是重中之重：系統(tǒng)通過 TwinSAFE 端子模塊檢測 620 多個安全相關(guān)的通道。

集中控制氣候室、測試樣機(jī)和負(fù)載換相變流器

測試流程代碼在 TwinCAT 3 中開發(fā)。測試樣機(jī)通過一臺控制器（CX5130 嵌入式控制器）連接，并通過一個 EL669x EtherCAT 橋接端子模塊控制。Wilfried Holzke 博士說道：“這樣做的好處是，程序可以單獨(dú)適應(yīng)測試樣機(jī)，而無需修改主控制器（C5102 19 英寸機(jī)架安裝式工業(yè) PC）。由于測試樣機(jī)不斷變化，通信端子模塊也必須隨之變化。”他指出了 EtherCAT 和基于 PC 的控制技術(shù)的另一個優(yōu)勢。由于 EtherCAT 組件種類豐富，因此可以采用 POV/多模光纖完成大部分的布線工作。光纖可以抵抗高電流和高頻率下不可避免的電磁干擾。

整個測試設(shè)施，包括預(yù)試驗(yàn)臺和測試工站，共使用了 10 臺控制器。除了三臺 C5102 19 英寸機(jī)架安裝式工業(yè) PC（主控系統(tǒng)、預(yù)測試平臺和測試工站），還有六臺用于測試樣機(jī)的 CX5130 嵌入式控制器，以及一臺 CX7080 嵌入式控制器。一臺適合控制柜安裝的 CP2916 多點(diǎn)觸控控制面板被集成在一個通用演示裝置中，用于控制變流器。安裝了幾乎所有種類的 EtherCAT 端子模塊，包括數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊及編碼器模塊。設(shè)施的安全運(yùn)行通過 EL1904 和 EL2904 等 TwinSAFE 端子模塊監(jiān)控，總共有 620 多個安全通道。10 個 TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 用于控制整個系統(tǒng)內(nèi)的 TwinSAFE 項(xiàng)目。

EtherCAT 熱連接允許在系統(tǒng)啟動前或運(yùn)行期間從數(shù)據(jù)流中移除或添加預(yù)配置部分。這為在測試樣機(jī)附近有危險的情況下部分關(guān)閉或修改帶來了進(jìn)一步的優(yōu)勢。EtherCAT 的分布式時鐘功能在這里也提供了巨大的發(fā)展?jié)摿Α！斑@將能夠?qū)崿F(xiàn)從主控制到脈沖模式發(fā)生器的完整和連續(xù)的同步。”Wilfried Holzke 博士在概述項(xiàng)目的下一步發(fā)展目標(biāo)時透露道。