高品质、成熟的控制组件在Vensys 风力发电机组中的应用 - Beckhoff

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风 力 发 电 | 中 国
中 国 最 大 的 风 力 发 电 机 组 整 机 制 造 商 金 风 科 采 用 了 Vensys 设 计 和 Beckhoff 基 于 PC 的 控 制 技 术
高 品 质 、 成 熟 的 控 制 组 件 在 Vensys
风 力 发 电 机 组 中 的 应 用

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风 力 发 电 | 中 国
Vensys 直 驱 风 力 发 电 机 组 的 主 要 特 点 是 操 作 简 单 , 品 质 出 众 。 该 风 力 发 电 机 组 的 成 功 研 发 说 明 : 仅 用 少 数 高 品 质 、 成 熟 的
组 件 就 足 以 打 造 出 一 流 的 风 力 发 电 变 流 器 。Vensys 70、77 和 82 系 列 风 力 发 电 机 组 的 容 量 为 1.5 MW, 有 多 种 轮 毂 高 度 和 风 轮
直 径 可 供 选 择 。 新 的 2.5 MW 级 机 型 将 于 2010 年 底 建 成 , 所 有 的 Vensys 风 力 发 电 机 都 采 用 了 Beckhoff 基 于 PC 的 控 制 技 术 。
迄 今 为 止 , 已 有 超 过 6200 套 由 Vensys 设 计 、 采 用 Beckhoff 技 术 的 风 力 发 电 机 组 销 往 世 界 各 地 。
Vensys 能 源 股 份 公 司 专 业 生 产 直 驱 风 力 发 电 机 组 。 除 了 在 诺 因
基 兴 ( 德 国 萨 尔 州 ) 的 工 厂 外 , 该 公 司 还 在 世 界 各 地 设 立 了 特
许 生 产 商 , 风 力 发 电 变 流 器 的 产 能 已 超 过 2000 套 。 其 子 公 司
Vensys Elektrotechnik GmbH 位 于 德 国 下 萨 克 森 州 的 迪 普 霍 尔 茨 ,
主 要 生 产 Vensys 风 力 发 电 机 组 中 使 用 的 变 频 器 、 低 压 配 电 板 和
变 桨 控 制 系 统 。
除 了 开 发 和 生 产 风 力 发 电 机 组 之 外 ,Vensys 还 采 用 特 许 经 营 的
方 式 在 全 球 各 地 建 立 销 售 网 络 , 销 售 其 专 业 技 术 。 特 许 者 有 权
生 产 和 销 售 由 Vensys 设 计 的 风 力 发 电 机 组 。 近 年 来 , 中 国 的 金
风 科 技 、 西 班 牙 的 Eozen 公 司 、 印 度 的 Regen 公 司 和 巴 西 的
Enerwind / IMPSA Wind 公 司 已 经 成 为 Vensys 的 特 许 合 作 伙 伴 。 在
世 界 各 大 主 要 的 新 兴 风 力 发 电 市 场 中 都 可 以 找 到 Vensys 风 力 发
电 机 组 的 身 影 。
Vensys 的 前 身 是 1990 年 成 立 的 德 国 萨 尔 布 吕 肯 大 学 的 风 能 研 究
小 组 (FGW)。 第 一 台 Vensys 70/77 型 1.5 MW 风 力 发 电 变 流 器
在 2007 年 春 季 开 始 运 行 。2009 年 9 月 ,Vensys 最 新 研 发 成 功 的
2.5 MW 风 力 发 电 机 面 市 , 它 的 设 计 以 成 熟 的 Vensys 技 术 为 基
础 : 直 驱 式 风 力 发 电 变 流 器 的 核 心 是 永 磁 同 步 发 电 机 , 它 由 风
轮 直 接 驱 动 。 直 接 驱 动 省 去 了 需 要 频 繁 维 护 且 容 易 出 现 故 障 的
齿 轮 箱 这 一 传 统 部 件 。Vensys 发 电 机 的 独 特 设 计 决 定 了 它 能 够
更 高 效 地 运 行 。 额 定 容 量 为 2.5 MW 的 Vensys 90 和 100 系 列 机
型 计 划 将 于 2010 年 底 推 向 市 场 。
功 能 多 样 、 性 能 可 靠 的 运 行 管 理 解 决 方 案 — 可 以 应 付 任 何 极
端 环 境 条 件
Vensys Elektrotechnik GmbH 与 Beckhoff 紧 密 合 作 , 在 迪 普 霍 尔 茨
为 所 有 Vensys 风 力 发 电 机 开 发 和 生 产 控 制 系 统 。 在 开 始 量 产 之
前 , 特 许 者 和 / 或 他 们 的 生 产 合 作 伙 伴 在 这 里 进 行 控 制 柜 和 系 统
的 试 生 产 。 若 要 在 国 际 市 场 上 获 得 成 功 , 风 力 发 电 机 制 造 商 们
需 要 高 性 能 和 灵 活 的 控 制 系 统 : 在 各 种 不 同 的 极 端 气 候 和 环 境
条 件 下 迅 速 改 变 系 统 状 态 给 控 制 系 统 提 出 了 复 杂 的 要 求 。 风 力
发 电 机 组 必 须 能 够 适 用 于 中 欧 低 地 的 地 理 条 件 和 诸 如 在 中 国 等
地 区 的 极 端 气 候 条 件 , 例 如 : 沙 漠 的 自 然 条 件 与 沿 海 或 山 区 的
条 件 都 很 不 相 同 。 控 制 系 统 必 须 能 够 承 受 高 温 、 寒 冷 、 潮 湿 、
沙 尘 、 大 风 、 紊 流 和 其 它 苛 刻 气 候 条 件 的 影 响 , 并 能 快 速 做 出
响 应 。 系 统 必 须 始 终 正 确 面 对 风 向 ; 必 须 收 集 和 评 估 相 关 数
据 ; 状 态 或 错 误 信 息 必 须 准 确 、 有 意 义 ; 并 网 必 须 正 确 且 支 持
电 网 。 所 有 这 些 都 需 要 一 个 高 性 能 、 高 适 应 性 控 制 系 统 。
简 洁 的 控 制 架 构 将 标 准 型 I/O 和 安 全 I/O 集 成 在 同 一 个 系 统 中
Vensys 系 统 设 计 仅 以 几 个 组 件 为 基 础 , 与 Beckhoff 仅 使 用 一 台
PC 的 “ 精 益 ” 控 制 方 案 相 得 益 彰 ( 见 拓 扑 结 构 图 )。 主 控 计 算
机 采 用 的 是 一 台 Beckhoff CX1020 嵌 入 式 控 制 器 , 通 过 PROFIBUS
连 接 塔 基 的 两 个 总 线 端 子 模 块 站 点 、 机 舱 中 的 两 个 站 点 和 轮 毂
中 的 变 桨 控 制 器 。 中 央 嵌 入 式 控 制 器 负 责 收 集 和 处 理 运 行 管 理
和 变 桨 控 制 器 数 据 、 控 制 并 网 并 通 过 以 太 网 与 控 制 室 通 讯 。 与
传 统 的 解 决 方 案 相 比 ,Beckhoff 基 于 PC 的 控 制 系 统 优 势 非 常
Vensys 直 驱 式 风 力 发 电 机 由 一 台 CX1020 嵌 入
式 控 制 器 进 行 控 制 。 迄 今 为 止 , 已 有 超 过 6200
套 由 Vensys 设 计 、 采 用 Beckhoff 技 术 的 风 力 发
电 机 组 销 往 世 界 各 地
在 特 许 者 和 / 或 其 合 作 伙 伴 开 始 量 产 前 ,Vensys
Elektrotechnik GmbH 在 位 于 德 国 迪 普 霍 尔 茨 的
生 产 基 地 进 行 控 制 柜 的 “ 试 生 产 ”

62 能 源 工 业 | 中 国
德 国 倍 福 自 动 化 有 限 公 司 总 裁 Hans Beckhoff 先 生
在 Vensys 风 力 发 电 机 上
额 定 功 率 风 轮 直 径
Vensys 70 1.500 kW 70 m (230 ft)
Vensys 77 1.500 kW 77 m (253 ft)
Vensys 82 1.500 kW 82 m (262 ft)
Vensys 90 2.500 kW 90 m (295 ft)
Vensys 100 2.500 kW 100 m (328 ft)
变 桨 控 制
总 线 端 子 模 块
控 制 器 BC3100
( 叶 片 1)
明 显 , 仅 用 一 台 计 算 机 即 可 实 现 控 制 和 数 据 连 接 。 总 线 端 子 模
块 直 接 与 嵌 入 式 控 制 器 连 接 , 使 PC 技 术 和 模 块 化 I/O 层 形 成 一
个 紧 密 的 整 体 。
安 全 功 能 也 直 接 集 成 在 总 线 端 子 模 块 系 统 中 ,TwinSAFE 端 子
模 块 被 分 配 给 不 同 的 I/O 站 点 。 中 央 TwinSAFE 逻 辑 端 子 模 块
KL6904 用 作 为 安 全 输 入 和 输 出 端 子 模 块 之 间 的 连 接 单 元 。 该 逻
辑 端 子 模 块 集 成 了 进 行 过 相 应 配 置 的 安 全 功 能 块 。 在 Vensys 风
力 发 电 机 组 中 , 超 速 继 电 器 、 振 动 传 感 器 和 急 停 按 钮 都 集 成 在
安 全 电 路 中 。
德 国 倍 福 吕 贝 克 分 公 司 的 风 电 专 家 Robert Müller 先 生 在 解 释 综
合 安 全 技 术 的 好 处 时 说 道 :“ 将 标 准 I/O 和 安 全 I/O 整 合 在 一
滑 环
OLM
发 电 机 运 行 控 制 和 管 理 ( 机 舱 )
PROFIBUS I/O 站 ( 安 全 集 成 )
光 纤
个 精 简 的 系 统 中 显 著 简 化 了 项 目 规 划 、 编 程 、 布 线 和 诊 断 等 工
作 。 使 用 TwinSAFE 总 线 端 子 模 块 可 以 连 接 所 有 常 用 的 安 全 传 感
器 和 执 行 器 。TwinSAFE 协 议 用 于 安 全 通 讯 , 这 使 得 安 全 相 关 的
数 据 可 以 通 过 任 何 介 质 传 输 。Vensys 系 统 使 用 的 是 PROFIBUS 来
传 输 安 全 信 号 。” 在 使 用 了 TwinSAFE 技 术 之 后 , 机 舱 和 塔 基 之
间 传 统 硬 接 线 安 全 链 所 需 的 多 芯 铜 缆 就 不 再 需 要 了 , 因 为 安 全
链 已 集 成 在 系 统 自 动 化 所 使 用 的 光 纤 中 。
紧 凑 型 变 桨 控 制 器 和 灵 活 的 IEC-61131 编 程
变 桨 控 制 器 通 过 滑 环 与 PROFIBUS 耦 合 , 每 个 风 轮 叶 片 都 配 有 一
个 Beckhoff BX3100 总 线 端 子 模 块 控 制 器 和 各 种 总 线 端 子 模 块 。
集 成 有 控 制 器 的 变 桨 控 制 柜 自 动 收 集 和 分 析 环 境 数 据 , 独 立 进
行 判 定 并 与 其 它 变 桨 控 制 柜 通 讯 , 以 协 调 初 始 化 动 作 。 与 此 同
时 , 数 据 被 传 输 到 机 舱 中 的 嵌 入 式 控 制 器 。 风 轮 叶 片 通 过 外 部
齿 形 带 调 节 变 桨 距 — 这 是 一 个 由 Vensys 内 部 自 行 开 发 并 令 开 发
人 员 引 以 为 傲 的 解 决 方 案 。
“ 选 择 Beckhoff 系 统 的 关 键 因 素 包 括 : 全 面 的 总 线 端 子 模 块 I/O
套 件 具 备 高 灵 活 性 、 控 制 器 和 I/O 系 统 结 构 紧 凑 、TwinCAT 自 动
化 软 件 实 现 的 编 程 简 单 性 , 从 而 大 大 降 低 系 统 成 本 。”Vensys
的 控 制 技 术 总 监 Frank Becker 先 生 如 是 说 。 选 择 Beckhoff 作 为 控
制 设 备 供 应 商 的 另 一 个 原 因 是 该 公 司 业 务 范 围 遍 布 全 球 60 多 个
国 家 , 在 包 括 中 国 在 内 的 诸 多 重 要 风 力 发 电 地 区 都 设 立 了 子 公
司 , 且 每 个 子 公 司 都 有 一 支 风 力 发 电 专 家 团 队 。
OLM
( 叶 片 )
发 电 机 运 行 控 制 和 管 理 ( 塔 基 )
( 叶 片 )
Vensys 风 力 发 电 机 的 控
制 系 统 拓 扑 结 构
嵌 入 式 控 制 器
总 线 端 子 模 块
站
( 安 全 集 成 )

63 能 源 工 业 | 中 国
德 国 倍 福 全 球 风 电 行 业 经 理 Dirk Kordtomeikel 先 生 与 Vensys Elektrotechnik
GmbH 采 购 经 理 Nicole Grote 女 士 在 风 力 发 电 机 上
金 风 科 技 仰 赖 德 国 技 术
Vensys 风 力 发 电 变 流 器 的 主 要 特 许 使 用 者 是 总 部 位 于 中 国 乌 鲁
木 齐 的 新 疆 金 风 科 技 股 份 有 限 公 司 。 德 国 金 风 风 能 有 限 责 任 公
司 是 金 风 科 技 在 德 国 投 资 成 立 的 全 资 子 公 司 , 自 2008 年 4 月
起 , 德 国 金 风 成 为 Vensys 能 源 股 份 公 司 的 主 要 股 东 , 拥 有 公 司
70% 的 股 权 。 金 风 科 技 已 经 成 为 中 国 风 力 发 电 机 制 造 商 中 的
行 业 领 跑 者 , 且 仍 在 不 断 发 展 壮 大 , 其 主 要 业 务 包 括 风 力 发 电
机 组 的 研 发 、 制 造 及 销 售 , 同 时 还 为 风 电 场 运 营 商 和 投 资 者 就
风 力 发 电 机 的 建 造 和 运 行 方 面 的 问 题 提 供 全 面 的 技 术 和 咨 询 服
务 。 目 前 , 在 中 国 投 入 运 行 的 金 风 风 力 发 电 机 组 就 有 6000 多
套 。 在 2008 年 夏 季 奥 运 会 期 间 , 金 风 科 技 还 专 为 北 京 奥 林 匹 克
公 园 提 供 了 风 力 发 电 机 组 。 该 公 司 在 国 际 风 能 市 场 也 获 得 了 巨
大 成 功 :2010 年 2 月 , 他 们 对 在 美 国 明 尼 苏 达 州 的 UILK 风 电 场
中 第 一 批 并 网 的 1.5 MW 风 力 发 电 机 组 进 行 了 调 试 。
随 着 对 效 率 和 发 电 量 需 求 的 不 断 增 长 , 对 高 性 能 风 力 发 电 机
的 需 求 也 越 来 越 大 :1.5 MW 级 风 力 发 电 机 组 在 中 国 已 成 为 主
流 。2.5 MW 级 风 力 发 电 机 组 将 在 今 年 年 底 前 开 始 投 产 , 金 风 科
技 将 使 用 EtherCAT 取 代 PROFIBUS 作 为 通 讯 系 统 。
“ 风 力 发 电 机 所 需 要 的 控 制 算 法 越 来 越 复 杂 。” 宇 文 博 博 士 说
道 :“ 若 要 能 够 应 对 恶 劣 的 地 理 和 气 候 条 件 以 及 不 断 变 化 的 要
求 , 就 必 须 对 风 力 发 电 机 主 控 系 统 这 个 ‘ 大 脑 ’ 的 性 能 进 行 改
进 。”Beckhoff 的 嵌 入 式 控 制 器 能 够 完 成 非 常 复 杂 的 算 法 , 这
就 意 味 着 所 有 的 风 力 发 电 机 控 制 任 务 可 以 在 一 个 集 成 平 台 上 运
行 。
“ 多 年 以 来 , 金 风 科 技 与 倍 福 一 直 保 持 着 良 好 的 合 作 关 系 ,”
金 风 科 技 股 份 有 限 公 司 电 控 技 术 中 心 副 主 任 宇 文 博 博 士 表
示 :“ 倍 福 在 风 能 产 业 拥 有 丰 富 的 行 业 经 验 , 并 能 够 提 供 完 整
的 系 统 解 决 方 案 。 此 外 ,PC 控 制 技 术 在 编 程 上 具 有 很 大 的 灵 活
性 , 便 于 根 据 具 体 的 应 用 或 客 户 要 求 修 改 控 制 系 统 。”
Vensys Energy AG
www.vensys.de
Goldwind Science and Technology Co Ltd. www.goldwind.cn
Goldwind International
www.goldwindglobal.com
北 京 鹿 鸣 山 官 厅 风 电 场 海 拔 约 为 460 到 479 米 (1509 至
1572 英 尺 ), 占 地 面 积 6 × 14 公 里 (3.7 × 8.7 英 里 ),
总 装 机 容 量 为 49.5 MW。 官 厅 风 电 场 二 期 工 程 总 装 机 容 量
预 计 为 50 MW, 目 前 正 在 建 设 中