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德國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組制造商 DeWind 憑借其具有革命性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)再度成為新聞焦點(diǎn)。新型 DeWind D8.2 主要針對的是美國市場。Beckhoff 是自動化控制系統(tǒng)開發(fā)的主要合作伙伴。

 

 2007 年 1 月 7 日是 DeWind D8.2 風(fēng)力機(jī)在德國 Cuxhaven 試運(yùn)行的日子，DeWind 為此好好慶祝了一番。這不僅表明這家來自呂貝克的風(fēng)力機(jī)生產(chǎn)商在該行業(yè)的積極回歸，同時(shí)也展示出他們對其旗艦型風(fēng)力機(jī)實(shí)現(xiàn)了完全的革新。

從外觀上看，DeWind D8 并沒有什么改變，只有機(jī)艙頂部的窗戶比過去看的更清楚了。除此之外，還保留了精巧的保時(shí)捷設(shè)計(jì)：與所有大型風(fēng)力機(jī)相似，系統(tǒng)也是變槳控制的。輪轂高度（80 和 100 米）及風(fēng)輪直徑（80 米）與以前的型號相同。額定功率為 2 MW，功率仍保持不變。

然而，內(nèi)部的一切幾乎都經(jīng)過改變。原因是，DeWind 在將公司賣給一家英美投資商之后，重新定位了其風(fēng)力機(jī)的客戶方向，即主要針對美國市場。因此，必須考慮到美國能源供應(yīng)系統(tǒng)的特殊性。首先，美國電網(wǎng)頻率為 60 Hz，而歐洲則為 50 Hz。此外，美國供應(yīng)商通用電氣擁有風(fēng)力機(jī)磁場定向轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的專利權(quán)，這給他們進(jìn)入美國市場制造了障礙。

另辟蹊徑
DeWind 決定采用全新的設(shè)計(jì)，打破其自身的傳統(tǒng)技術(shù)。DeWind 自 1995年創(chuàng)立時(shí)起就開始使用變速系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，通過一個(gè)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和變流器確保穩(wěn)定電壓和高質(zhì)量電流。風(fēng)輪側(cè)風(fēng)速的強(qiáng)烈變化必須在電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換為恒定頻率。這種設(shè)計(jì)使得 DeWind 建造的系統(tǒng)能夠經(jīng)濟(jì)地在風(fēng)速相對較低的陸上區(qū)域使用。這種類型的系統(tǒng)在歐洲備受青睞。

DeWind D8.2 樣機(jī)，于 2007 年 1 月在德國的Cuxhaven 投入試運(yùn)行

 

DeWind D8.2，安裝在阿根廷安第斯山脈的海拔 4300 米處（超過14,100 英尺）

 

這項(xiàng)成熟的技術(shù)已在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)十年，特別是對操作可靠性、精確動態(tài)控制和低操作與維護(hù)耗費(fèi)要求較高的應(yīng)用場合。

若要進(jìn)軍美國市場，公司就必須找到一種新的解決方案。這些努力使得 Dewind 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開創(chuàng)了風(fēng)電領(lǐng)域的先河。新設(shè)計(jì)的核心部分是一個(gè)變速液壓齒輪箱。原先針對歐洲市場的 DeWind D8 使用的三級直齒行星齒輪減速機(jī)由兩級齒輪減速機(jī)取代。第三級由一個(gè) Voith Turbo 高動態(tài)機(jī)電一體化驅(qū)動系統(tǒng)WinDrive? 裝置取代。

借助 WinDrive?，DeWind D8.2 將風(fēng)輪的變速轉(zhuǎn)換為恒定速度，用于與電網(wǎng)直接相連的同步發(fā)電機(jī)。因而，在雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)中處理該任務(wù)的變流器將不再需要。這表示，精密的電子元器件由一個(gè)低磨損的傳動系統(tǒng)取代，無需任何功率電子設(shè)備。這樣，DeWind 所展現(xiàn)的技術(shù)與通用電氣專利技術(shù)有很大不同，從而能夠在美國市場自由銷售其系統(tǒng)，無需額外費(fèi)用。同時(shí)，DeWind 能夠完全 － 比競爭對手更有效地 － 滿足電網(wǎng)連接的當(dāng)前的最新規(guī)定。在德國，2007 年風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為國家電網(wǎng)饋入了約 400 億度電，相當(dāng)于德國總需求的 7％ 還要多。成功的同時(shí)，也要面對新的挑戰(zhàn)：風(fēng)力機(jī)必須整合到電網(wǎng)管理規(guī)劃中，這在出現(xiàn)故障、電壓跌落或短路等狀況時(shí)特別關(guān)鍵。帶同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)比帶其他發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)更適合用于該環(huán)境。超過 95％ 的電力是由同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的，這就是為什么專門為其固有故障特性設(shè)計(jì)了傳輸和保護(hù)系統(tǒng)。盡管有了精心打造的解決方案，但仍然很難讓變流器系統(tǒng)達(dá)到同步電機(jī)的電源諧波質(zhì)量。

一個(gè) 60 Hz 型的 DeWind D8.2，于 2008 年 3 月在德克薩斯州斯威特沃特（Sweetwater）建造

EtherCAT 和 TwinSAFE 為風(fēng)力機(jī)控制帶來新的技術(shù)亮點(diǎn)
若要重新設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)，還需要重新設(shè)計(jì)自動化控制系統(tǒng)。DeWind與 Beckhoff 通力合作，為 D8 研發(fā)了一種控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于 Beckhoff工業(yè) PC 和 TwinCAT 自動化軟件。應(yīng)用軟件由 DeWind 自行開發(fā)?？刂葡到y(tǒng)分析約 350 個(gè) I/O。實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求在 10 ms 或 1 ms 的固定周期時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)饋電或監(jiān)控。DeWind D8 已經(jīng)使用閃存驅(qū)動用于海量存儲，特別是在考慮到惡劣的操作環(huán)境時(shí)。Beckhoff 開放式控制系統(tǒng)可以通過所有商用 PC 接口進(jìn)行連接。

EtherCAT 被選擇作為通訊系統(tǒng)：DeWind D8.2 配備了兩個(gè)獨(dú)立的高速EtherCAT 通訊線路，用于系統(tǒng)和風(fēng)電場聯(lián)網(wǎng)。通訊通過光纖實(shí)現(xiàn)。系 統(tǒng)安全性和可靠性通過冗余配置得到保障。風(fēng)能應(yīng)用場合中通常使用 硬連線的安全鏈，則通過Beckhoff 的安全解決方案 TwinSAFE 一起集成 在自動化系統(tǒng)中。Beckhoff 通過先進(jìn)的擴(kuò)展和匹配選項(xiàng)使得安全系統(tǒng) 更具靈活性，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)不會降低系統(tǒng)可靠性。

 

推動 DeWind 快速發(fā)展
 DeWind 和 WinDrive? 驅(qū)動系統(tǒng)的供應(yīng)商 Voith Turbo 之間的啟動會議于 2005 年 10 月舉行。僅 12 個(gè)月后，也即 2006 年 10 月，在德國的 Cuxhaven 建造了一個(gè)樣機(jī)，并于 2007 年 1 月投入試運(yùn)行。DeWind對此非常滿意：從決定使用 Voith 的 WinDrive? 解決方案到系統(tǒng)試運(yùn) 行，僅僅花了一年的時(shí)間。如果沒有一個(gè)能力超凡、勇于開拓、大膽 創(chuàng)新的團(tuán)隊(duì)，這些都不可能實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，DeWind 建造了這種類型的兩個(gè)附加系統(tǒng)，其中一個(gè)安裝在阿根廷安第斯山脈海拔 4300 米處。第三個(gè)系統(tǒng)（60 Hz 型）于 2008 年 3 月在德克薩斯州斯威特沃特（Sweetwater）建造。

第三個(gè)系統(tǒng)由 DeWind 的戰(zhàn)略合作伙伴 Teco Westinghouse 在德克薩斯州的 Round Rock 合作建造。TecoWestinghouse 目前正在興建一條新的生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)每周 5 套系統(tǒng)的生產(chǎn)量。公司預(yù)期 2008 年在美國建造和安裝80 套系統(tǒng)。

EtherCAT 除了具有高性能和低系統(tǒng)成本的優(yōu)勢外，它所具備的靈活性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)也讓它成為同行業(yè)產(chǎn)品里的佼佼者。若采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜（100BASE-TX），兩個(gè)站點(diǎn)之間的最大距離可達(dá) 100 m（328 英尺）。通過新型的光纖模塊可以大大擴(kuò)展聯(lián)網(wǎng)距離，最遠(yuǎn)可達(dá) 2 km（1.24 英里）（100BASE-FX）

WinDrive，一種 Voith Turbo高動態(tài)機(jī)電一體化傳動系統(tǒng)，取代了 IGBT 變流器。這樣，DeWind 所展現(xiàn)的技術(shù)與通用電氣專利技術(shù)有很大不同，從而能夠在美國市場自由銷售其系統(tǒng)，無需額外費(fèi)用，同時(shí)還能夠完全滿足電網(wǎng)連接的當(dāng)前和最新規(guī)定  DeWind D8.2：一個(gè)成熟的解決方案，采用實(shí)時(shí)檢測環(huán)境
為了在如此短的時(shí)間內(nèi)完成 D8.2 項(xiàng)目，DeWind 決定走出  一條新的發(fā)展之路。風(fēng)力機(jī)和傳動系統(tǒng)的物理元器件在  最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)平臺上進(jìn)行模擬、檢測和適配。這樣，  在風(fēng)力機(jī)并電網(wǎng)之前，風(fēng)力機(jī)已在模擬環(huán)境下運(yùn)行了數(shù)百個(gè)小時(shí)，掌控所有可能的運(yùn)行情況。作為此次開發(fā)過  程的一部分，WinDrive? 配備了一個(gè)獨(dú)立的 Beckhoff 控制 系統(tǒng)，在整個(gè)試驗(yàn)階段，直接從仿真中下裝程序到該控 制系統(tǒng)。在檢測階段結(jié)束后，WinDrive? 控制系統(tǒng)被集成 到風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)中。
 在Beckhoff的支持下，開發(fā)團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)檢測環(huán) 境，用于模擬風(fēng)力機(jī)的受力狀態(tài)和風(fēng)力機(jī)真實(shí)的響應(yīng)：  D8.x 實(shí)時(shí)檢測環(huán)境（RTSim）。RTSim 的兩側(cè)由Beckhoff 組件構(gòu)成，正如真實(shí)的風(fēng)力機(jī)一樣，與風(fēng)力機(jī)控制端子模塊相連。有了 RTSim 后，在安裝和調(diào)試之前，即可實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)特性的模擬仿真。選擇在任何一點(diǎn)“解剖”模型的選項(xiàng)，以便檢測硬件回路中的各個(gè)元器件和設(shè)備，這是一個(gè)巨大優(yōu)點(diǎn)。仿真不僅取代了實(shí)際的試驗(yàn)操作，它還能夠在開始新的研發(fā)過程之前，將現(xiàn)有的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)考慮進(jìn)去，從而能夠檢測系統(tǒng)特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)。如此，實(shí)驗(yàn)性生產(chǎn)就會變的比以前更加可靠了。