盡管替代能源行業(yè)的政府補貼有所波動，美國政府將繼續(xù)支持使用單風力發(fā)電機項目利用風能的措施。在許多情況下，運營商利用投資稅收來抵免 1 兆瓦以下的風力發(fā)電項目。這個細分市場在 2013 年取得了特別強勁的增長，預計 2014 年將持續(xù)保持增長，該市場也是風力發(fā)電機組專家 Renewtech LLC 公司最擅長的領(lǐng)域。
Renewtech 總部位于明尼蘇達州 Elbow Lake，主要經(jīng)營99千瓦失速型風力發(fā)電機組。公司的服務(wù)范圍包括系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計、機艙和控制單元組裝到轉(zhuǎn)子和風力發(fā)電塔筒的生產(chǎn)。Renewtech 還利用其經(jīng)驗豐富的專家團隊的實力來改造和監(jiān)測現(xiàn)有的系統(tǒng)。在美國，許多 50 到 150 千瓦范圍內(nèi)的風力發(fā)電機組都建于上世紀 80 年代和 90 年代，以今天的標準來看，它們的技術(shù)已經(jīng)變得不再可靠且低效。“我們看到了整修和更換等方面的巨大需求，Renewtech 有能力維護其中許多設(shè)施。”Renewtech 公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Jackie Chelemedos 解釋道。例如，典型的 Renewtech 項目是由公共機構(gòu)（如學校和大學）以及農(nóng)場和牧場運營的風力發(fā)電機組。
傳統(tǒng)風力發(fā)電機組控制不再能夠滿足需求
Renewtech 的風力發(fā)電機組有 20 年的質(zhì)保期，可在七到十二年內(nèi)收回成本，這取決于每個特定地點的利用率。長質(zhì)保期的基礎(chǔ)是公司采用高品質(zhì)的元件以及它的容量余量，遠遠超出了常規(guī)風力發(fā)電機組的峰值需求。這在可能有大風的地區(qū)尤為關(guān)鍵。“對于我們的 99 千瓦系統(tǒng)，我們使用了專為 150 千瓦設(shè)計的齒輪，齒輪比約為 2.3，使它們能夠在高峰期時處理超過 300 千瓦。”Renewtech 公司的高級調(diào)試技術(shù)員 Matt Kugler 解釋說道。“此外，Renewtech 的風力發(fā)電機組可以操作兩個發(fā)電機，而不是一個。盡管系統(tǒng)具有高可靠性和冗余性，對于 Renewtech 及其客戶來說，具有遠程訪問和診斷功能是一個關(guān)鍵優(yōu)勢：“我們記錄每個風力發(fā)電機和整個風電場的數(shù)據(jù)。我們還會在我們總部存儲所有風電場數(shù)據(jù)。我們可以從這里遠程監(jiān)控所有的風力發(fā)電機組。“Kugler 解釋道。
2012 年，Renewtech 進入了系統(tǒng)開發(fā)的下一階段，對其 99 千瓦的風力發(fā)電機組的控制進行批判性分析。事實證明，當時使用的平臺面臨一些限制，如受限的廠商支持、系統(tǒng)與標準媒介和網(wǎng)絡(luò)的連接有問題以及不靈活的軟件。簡而言之，公司需要為其風力發(fā)電機組尋求一個新的控制平臺。“我們知道，Beckhoff 公司在全球風力發(fā)電機組市場上一直非常成功，它的技術(shù)非常適合我們的 99 千瓦系統(tǒng)。”Renewtech 公司運營總監(jiān) Steve Martineau 回憶道。在隨后的開發(fā)和測試階段，Beckhoff 的應(yīng)用工程師幫助 Renewtech 為新一代風力發(fā)電機組進行了重新編程。此后不久，公司認為基于 PC 的控制技術(shù)和 EtherCAT 作為通信系統(tǒng)能夠最佳滿足其需求。
基于 PC 的自動化技術(shù)推動力風力發(fā)電機組的現(xiàn)代化改造進程用于Renewtech的99千瓦的雙發(fā)電機系統(tǒng)的標準控制系統(tǒng)由一臺采用WindowsCE和裝有TwinCAT PLC Runtime的CX5020嵌入式控制器、一個TwinCAT SMS/ SMTP 服務(wù)器和 EtherCAT I/O 端子模塊組成。對于由50個風力發(fā)電機組構(gòu)成的風電場，C69xx 系列工業(yè) PC 也被用作為服務(wù)器。CX5020 用作風力發(fā)電機組的中央控制器。它監(jiān)測饋電情況、進行必要的風向?qū)省⒂涗洈?shù)據(jù)并生成故障消息。除了執(zhí)行 PLC、測量和通信功能之外，CX5020 運行 HMI 軟件，用于在風力發(fā)電機組上進行可視化并監(jiān)測在美國安裝的 Renewtech 系統(tǒng)的基礎(chǔ)。“憑借其 -25° 到 +60°C（-13° 到+ 140°F）的寬溫范圍，它也可以安裝在氣候炎熱的地區(qū)。”Steve Martineau 說道。
通過 EtherCAT 端子模塊靈活和經(jīng)濟地進行監(jiān)測Renewtech 系統(tǒng)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)。“三相電力測量端子模塊 EL3413 為我們提供了最重要的數(shù)據(jù)。例如，它讓我們能夠進行電力和頻率測量以及管理我們復雜的 480伏系統(tǒng)。”Matt Kugler 說道。“找到靈活、經(jīng)濟的并且容易整合的電力測量系統(tǒng)并不總是容易的。大多數(shù)設(shè)備都是獨立系統(tǒng)，它們需要特殊的硬件、軟件和其它層面的復雜性。它們也很昂貴。”帶 EL3413 端子模塊的系統(tǒng)通過EtherCAT和TwinCAT 收集所有 Renewtech 應(yīng)用的電力數(shù)據(jù)，并將獲取的狀態(tài)信息發(fā)送到 Elbow Lake 的公司總部。電力監(jiān)控報警簡單地通過電子郵件發(fā)送給 Renewtech 專家，它可以遠程解決故障或請求本地幫助。
“對我們來說，特別重要的是 EtherCAT 加/減計數(shù)器端子模塊 EL1502，它可以監(jiān)測兩臺發(fā)電機的主軸速度以及借助風速計測定風速。”Matt Kugler 解釋說。加/減計數(shù)器用于計算二進制脈沖，并以電氣隔離的形式將計數(shù)器數(shù)值傳輸?shù)缴嫌蔚淖詣踊O(shè)備中。“總之，可以肯定地說，Beckhoff擁有種類繁多的 EtherCAT I/O 特殊功能端子模塊，讓我們能夠跟上最新發(fā)展。”Kugler 補充說道。“例如，如果我們要在我們所有的風力發(fā)電機組上增加振動監(jiān)測功能，我們可以通過 EtherCAT CMS 端子模塊 EL3632 輕松集成這一功能。”
對于 Renewtech 來說，讓客戶滿意是一件輕而易舉的事“自從我們在我們的 Renewtech 風力發(fā)電機組中增加了Beckhoff的控制系統(tǒng)，其可靠性和可用性至少提升了 50%。”Steve Martineau 如是說。“而且，由于可用性是發(fā)電的前提條件，而發(fā)電為我們的客戶帶來利潤，其重要性怎么強調(diào)也不過分。”然而，在風力發(fā)電機組和風場網(wǎng)絡(luò)中使用 EtherCAT可以帶來額外的好處，Steve Martineau 說道：“轉(zhuǎn)向使用 EtherCAT 之后，我們只需要兩個易于處理的標準型連接器，而不是用于 80 個連接點的 40 根銅電纜。這為我們每臺風機節(jié)省了兩到三個工時的布線工作。”“根據(jù)我們的積極體驗，將來，我們將給我們所有的風力發(fā)電機組配備 Beckhoff控制器。”Jackie Chelemedos 總結(jié)道。
