10 MVA 風力發電機試驗臺的自動化

  德國能源行業目前主要關注以下兩大問題：風力發電機組中電力電子器件的使用壽命如何？哪些環境和負荷因素會影響這些器件的壽命？不來梅大學電氣驅動、電力電子設備學院（IALB）的科研人員正在與弗勞恩霍夫風能及能源系統技術研究院 （IWES）密切合作，共同尋找這些問題的答案。該項目使用的數據集由一個配備了倍福基于 PC 的自動化技術的巨型試驗臺提供。
  電力電子器件故障是造成風力發電機組故障的主要原因之一。環境應力和電氣運行負荷相結合，會對電力電子器件的使用壽命產生很大影響，因此也會影響整個風力發電機組的使用壽命。因此，預測這些多模式負載的影響對避免現場故障，確保產品長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，不來梅大學建造了一個最大功率為 10.8 MVA（由四個 2.7 MV 變頻器產生）的全尺寸試驗臺，它隸屬于由德國聯邦經濟事務和氣候行動部（BMWK）共同資助的“風力發電機組大功率電力電子器件的多維負荷（HiPE-Wind）”項目。該項目在真實的氣候條件下（陸上和海上）和不同的電荷下測試完整的風力發電機組動力柜，以期找到以下重要問題的答案：
  變流器系統長期處于待機狀態并在此期間積聚水汽后，啟動時的表現如何？
  是否會出現冷凝現象？
  變流器通過自身熱損耗進行干燥的速度如何？
  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。”不來梅大學電氣驅動、電力電子設備學院的 Bernd Orlik 教授解釋道。無論是過去還是現在，我們的目標都是研究優化電力電子器件穩定性的方案，尤其是針對海上風力發電機組的方案，然后通過實驗進行測試。“但到目前為止，人們對電力電子器件所處的特殊環境條件和運行條件如何影響其使用壽命知之甚少。”Nando Kaminski 教授（來自 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說尤為關鍵。腐蝕等電化學反應會迅速導致器件失效。”
  “電力電子器件是風力發電機的核心部件，用于控制風力發電機的電能流動，承受著來自不斷變化的風況和電網負荷的巨大壓力。”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。“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境中工作。”Bernd Orlik 說道。同時，研究人員也會根據需求仿真“正常”的電力負荷以及故障和系統的相互作用。同樣，科研人員可以在人工氣候室中復制現場真實的環境條件，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題消滅在開發階段。

 
  不來梅大學 IALB 研究所主任 Wilfried Holzke解釋說道：“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境條件
  任何一個站在 10 MW 風力發電機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，并將其連接到負載換相變流器和配備基于 PC 的控制技術的第三方控制裝置。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。動態、可重復的電力負荷曲線使得電力電子器件在相應的氣候條件下加速老化。
  要實現這一切，首先要做大量工作：試驗臺由帶四個變頻器的負載系統、帶相應制冷/空調和安全技術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 之間的電壓進行動態負載仿真。“必須同時控制所有組件，以保證測試結果的準確性和可重復性。”不來梅大學 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時說道。這是因為各種組件必須通過不同的總線系統（Ethernet、PROFINET、Modbus RTU、Modbus TCP 和 CANopen）和不同的協議進行控制。安全系統必須易于集成到整個系統中。只有靈活、高性能的自動化系統才能實現這一切。“倍福基于 PC 的控制技術為此提供了許多優勢，比如支持各種總線系統和協議，以及可輕松集成 HMI 和數據庫。”Wilfried Holzke 博士指出。這讓我們可以輕松選擇先前創建的電氣負荷和氣候負荷順序，并通過 PLC 將它們傳輸給負載系統、氣候室和測試樣機。
  試驗臺通過第三方測量技術以高達 2 MS/s 的速度采集超過 72 個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 個通道）以高達 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據。EtherCAT 端子模塊（IEEE 1588/PTP 同步）EL6688 將這一功能進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 TwinSAFE 端子模塊檢測 620 多個安全相關的通道。

  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 中開發。測試樣機通過一臺控制器（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，程序可以單獨適應測試樣機，而無需修改主控制器（C5102 19 英寸機架安裝式工業 PC）。由于測試樣機不斷變化，通信端子模塊也必須隨之變化。”他指出了 EtherCAT 和基于 PC 的控制技術的另一個優勢。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 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 EL1904 和 EL2904 等 TwinSAFE 端子模塊監控，總共有 620 多個安全通道。10 個 TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6910 用于控制整個系統內的 TwinSAFE 項目。
  EtherCAT 熱連接允許在系統啟動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閉或修改帶來了進一步的優勢。EtherCAT 的分布式時鐘功能在這里也提供了巨大的發展潛力。“這將能夠實現從主控制到脈沖模式發生器的完整和連續的同步。”Wilfried Holzke 博士在概述項目的下一步發展目標時透露道。