10 MVA 風(fēng)力發(fā)電機試驗臺的自動(dòng)化

  德國能源行業(yè)目前主要關(guān)注以下兩大問(wèn)題：風(fēng)力發(fā)電機組中電力電子器件的使用壽命如何？哪些環(huán)境和負荷因素會(huì )影響這些器件的壽命？不來(lái)梅大學(xué)電氣驅動(dòng)、電力電子設備學(xué)院（IALB）的科研人員正在與弗勞恩霍夫風(fēng)能及能源系統技術(shù)研究院 （IWES）密切合作，共同尋找這些問(wèn)題的答案。該項目使用的數據集由一個(gè)配備了倍�；�于 PC 的自動(dòng)化技術(shù)的巨型試驗臺提供。
  電力電子器件故障是造成風(fēng)力發(fā)電機組故障的主要原因之一。環(huán)境應力和電氣運行負荷相結合，會(huì )對電力電子器件的使用壽命產(chǎn)生很大影響，因此也會(huì )影響整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機組的使用壽命。因此，預測這些多模式負載的影響對避免現場(chǎng)故障，確保產(chǎn)品長(cháng)期運行具有重要意義。

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

  為了確定故障原因，不來(lái)梅大學(xué)建造了一個(gè)最大功率為 10.8 MVA（由四個(gè) 2.7 MV 變頻器產(chǎn)生）的全尺寸試驗臺，它隸屬于由德國聯(lián)邦經(jīng)濟事務(wù)和氣候行動(dòng)部（BMWK）共同資助的“風(fēng)力發(fā)電機組大功率電力電子器件的多維負荷（HiPE-Wind）”項目。該項目在真實(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)電機組動(dòng)力柜，以期找到以下重要問(wèn)題的答案：
  變流器系統長(cháng)期處于待機狀態(tài)并在此期間積聚水汽后，啟動(dòng)時(shí)的表現如何？
  是否會(huì )出現冷凝現象？
  變流器通過(guò)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�！辈粊�(lái)梅大學(xué)電氣驅動(dòng)、電力電子設備學(xué)院的 Bernd Orlik 教授解釋道。無(wú)論是過(guò)去還是現在，我們的目標都是研究?jì)?yōu)化電力電子器件穩定性的方案，尤其是針對海上風(fēng)力發(fā)電機組的方案，然后通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行測試�！暗�到目前為止，人們對電力電子器件所處的特殊環(huán)境條件和運行條件如何影響其使用壽命知之甚少�！盢ando Kaminski 教授（來(lái)自 IALB）補充道：“我們的初步研究結果表明，水汽含量對功率半導體器件來(lái)說(shuō)尤為關(guān)鍵。腐蝕等電化學(xué)反應會(huì )迅速導致器件失效�！�
  “電力電子器件是風(fēng)力發(fā)電機的核心部件，用于控制風(fēng)力發(fā)電機的電能流動(dòng)，承受著(zhù)來(lái)自不斷變化的風(fēng)況和電網(wǎng)負荷的巨大壓力�！眮�(lái)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。歸根結底，各自系統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�！白兞髌饔袝r(shí)需要在非常寒冷的條件下工作，有時(shí)又需要在高溫高濕度環(huán)境中工作�！盉ernd Orlik 說(shuō)道。同時(shí)，研究人員也會(huì )根據需求仿真“正�！钡碾娏ω摵梢约肮收虾拖到y的相互作用。同樣，科研人員可以在人工氣候室中復制現場(chǎng)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構和配置變化的影響，這樣做的好處是可以把這些缺陷和潛在問(wèn)題消滅在開(kāi)發(fā)階段。

 
  不來(lái)梅大學(xué) IALB 研究所主任 Wilfried Holzke解釋說(shuō)道：“我們若想出具可靠的使用壽命報告，最重要的就是要高精度、同步記錄測試樣機、人工氣候室和負載換相變流器的所有測量值和設定值�！�

  用人工氣候箱再現海上環(huán)境條件
  任何一個(gè)站在 10 MW 風(fēng)力發(fā)電機組面前的人都會(huì )對其所使用的電力電子器件的尺寸有一個(gè)清晰的概念。人工氣候室體積也非常大，超過(guò) 170 立方米，準確地說(shuō)，是 7.5 x 5.3 x 4.3 米�？蒲腥藛T將電力電子器件與控制柜組裝在一起，并將其連接到負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(kāi)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 的溫度范圍內相對濕度在 10-95% 之間的濕冷或濕熱條件。動(dòng)態(tài)、可重復的電力負荷曲線(xiàn)使得電力電子器件在相應的氣候條件下加速老化。
  要實(shí)現這一切，首先要做大量工作：試驗臺由帶四個(gè)變頻器的負載系統、帶相應制冷/空調和安全技術(shù)的氣候室以及與功率相匹配的配電系統構成。最后，研究人員以高達 9000 A（4 x 2250 A）和 0 至 1000 V 之間的電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)負載仿真�！氨仨毻瑫r(shí)控制所有組件，以保證測試結果的準確性和可重復性�！辈粊�(lái)梅大學(xué) HiPE-LAB 研究室主任 Wilfried Holzke 博士在解釋一開(kāi)始遇到的自動(dòng)化挑戰時(shí)說(shuō)道。這是因為各種組件必須通過(guò)不同的總線(xiàn)系統（Ethernet、PROFINET、Modbus RTU、Modbus TCP 和 CANopen）和不同的協(xié)議進(jìn)行控制。安全系統必須易于集成到整個(gè)系統中。只有靈活、高性能的自動(dòng)化系統才能實(shí)現這一切�！氨陡；�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(xiàn)系統和協(xié)議，以及可輕松集成 HMI 和數據庫�！盬ilfried Holzke 博士指出。這讓我們可以輕松選擇先前創(chuàng )建的電氣負荷和氣候負荷順序，并通過(guò) PLC 將它們傳輸給負載系統、氣候室和測試樣機。
  試驗臺通過(guò)第三方測量技術(shù)以高達 2 MS/s 的速度采集超過(guò) 72 個(gè)電壓和電流通道的數據。氣候室中的溫度、濕度和空氣流量（總共 64 個(gè)通道）以高達 20 kS/s 的速度采集。通過(guò) EtherCAT 的分布式時(shí)鐘功能能夠高精度和同步采集所有通道數據。EtherCAT 端子模塊（IEEE 1588/PTP 同步）EL6688 將這一功能進(jìn)一步擴展到位于試驗臺上的所有測量系統中，并在所有應用中建立統一的時(shí)基。

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

  集中控制氣候室、
  測試樣機和負載換相變流器
  測試流程代碼在 TwinCAT 3 中開(kāi)發(fā)。測試樣機通過(guò)一臺控制器（CX5130 嵌入式控制器）連接，并通過(guò)一個(gè) EL669x EtherCAT 橋接端子模塊控制。Wilfried Holzke 博士說(shuō)道：“這樣做的好處是，程序可以單獨適應測試樣機，而無(wú)需修改主控制器（C5102 19 英寸機架安裝式工業(yè) PC）。由于測試樣機不斷變化，通信端子模塊也必須隨之變化�！彼�指出了 EtherCAT 和基于 PC 的控制技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢。由于 EtherCAT 組件種類(lèi)豐富，因此可以采用 POV/多模光纖完成大部分的布線(xiàn)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(gè)測試設施，包括預試驗臺和測試工站，共使用了 10 臺控制器。除了三臺 C5102 19 英寸機架安裝式工業(yè) PC（主控系統、預測試平臺和測試工站），還有六臺用于測試樣機的 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(gè)通用演示裝置中，用于控制變流器。安裝了幾乎所有種類(lèi)的 EtherCAT 端子模塊，包括數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊及編碼器模塊。設施的安全運行通過(guò) EL1904 和 EL2904 等 TwinSAFE 端子模塊監控，總共有 620 多個(gè)安全通道。10 個(gè) TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 用于控制整個(gè)系統內的 TwinSAFE 項目。
  EtherCAT 熱連接允許在系統啟動(dòng)前或運行期間從數據流中移除或添加預配置部分。這為在測試樣機附近有危險的情況下部分關(guān)閉或修改帶來(lái)了進(jìn)一步的優(yōu)勢。EtherCAT 的分布式時(shí)鐘功能在這里也提供了巨大的發(fā)展潛力�！斑@將能夠實(shí)現從主控制到脈沖模式發(fā)生器的完整和連續的同步�！盬ilfried Holzke 博士在概述項目的下一步發(fā)展目標時(shí)透露道。