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倍福TwinCAT 3 控制用于 10 兆瓦風機的 HALT 試驗臺

---風力發電 HALT 試驗臺實現嚴格測試

德國倍福自動化有限公司
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丹麥正在為風機組測試技術建立一項新的標準。丹麥林都海洋可再生能源中心(LORC)能夠測試風機機艙在其超過 25 年的使用壽命期間可能承受的所有風荷載和扭轉力矩。他們采用倍福的自動化技術實現試驗臺控制。

隨著風機的體積越來越大,造價越來越昂貴,對于在整個使用壽命期間最小化損壞風險的需求也逐步增加。這就需要在開始批量生產一款新一代風機之前在真正的風機上進行載荷測試。2017 年 12 月在丹麥蒙克博上線的全球最大的風機組(最大 10 兆瓦)試驗臺 LORC 的使命就是提供最嚴格的高加速壽命測試(HALT),大型風力模擬器使用機械功能、液壓功能和電動功能在 6 個月內生成風機在其整個 25 年使用壽命期間所要承受的壓力和應力。這類測試有助于識別設計和結構方面的缺陷,以便在批量生產風機之前能夠進行必要的修改。

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盡管試驗臺重達 4000 噸,但 TwinCAT 3 軟件仍然能夠快速實現控制并輕松集成高級仿真模型

擁有真實試驗環境條件的試驗臺

丹麥工程公司 R&D Test Systems 是此設施的交鑰匙供應商,負責實施整個項目:從設計和開發機械組件一直到編程和調試。復雜的開發和實施過程需要很多年才能完成。為了確保調試過程平穩進行,并保證試驗臺性能穩定可靠,必須對所有功能進行徹底的模擬和測試。仿真模型和測試結果用于進一步開發軟件以及給操作人員進行培訓。

在測試中心,根據來自世界各地的風場的風力和天氣數據對風機的機械部件進行真實的疲勞測試。倍福丹麥分公司的總經理 Michael Nielsen 解釋說:“模擬真實環境條件的能力對于風電及其它采用重型解決方案的行業來說越來越重要。從長遠來看,如果制造商們能夠知道風機在實際應用中會有怎樣的反應,就可以幫助他們節省許多資源。”倍福通過 TwinCAT 3 軟件、功能強大的工業 PC 和各種 EtherCAT I/O 端子模塊為所有測試場景的規范和監控提供了基礎。丹麥控制柜供應商 Tricon Electric A/S 安裝了這些組件。

每一臺新開發出來的風機都必須作為一個完整的系統進行測試。考慮到現代風機的尺寸龐大,想要進行測試非常困難,因此制造商們自己測試機艙,在試驗臺上盡可能逼真地模擬轉子、電路及其它環境條件的影響。為了映射影響主渦輪軸和機艙的所有力因數和扭矩因數,新的 HALT 試驗臺需要采用獨特的設計。建造這樣一個長 31 米,寬 8 米,高 13 米的設施,需要使用 310 噸鋼和 107 根混凝土柱(必須埋在地下 16 米深處)。試驗臺重達 4000 噸,采用液壓彎曲系統,可以對被測風機施加高達 25 MNm 的彎矩。它通過液壓缸產生這些力,一套扭矩為 14.5 Mnm 的驅動系統產生施加在轉子上的風力。

當風切、強風或者風擾對轉子產生沖擊時,會產生額外的彎矩和推力。試驗臺通過一個六自由度結構中的液壓缸重新產生這些力。然而,由于沒有風電塔筒和轉子,系統必須盡可能精確地模擬這些真實條件,因此仿真模型必須實時計算機艙和轉子之間的交互,并將相應的信號發送給液壓缸。系統能夠模擬各種運行條件,如機艙在起暴風時或在電網故障和急停后的行為。

秒級范圍內的模擬毫

在測試運行期間,傳感器必須能夠在最短時間內采集、處理和傳輸大數據量,因此在調試前,必須在 MATLAB®/Simulink® 中建模所有試驗臺組件和測試對象。R&D Test Systems 公司軟件經理 Allan Mogensen 說道:“因為軟件必須能夠盡快響應各種測試場景,所以我們希望盡可能縮短循環時間。通過比較,我們發現倍福的 TwinCAT 3 自動化軟件讓我們能夠實現 1 毫秒的循環時間,于是我們選擇了倍福系統。”

TwinCAT 3 中的 MATLAB®/Simulink® 軟件界面是另外一個優點,Allan Mogensen 補充道:“為了確保具有出色的性能和很強的可操作性,我們通過創建試驗平臺所有物理組件的 MATLAB®/Simulink® 模型以及 LORC 客戶實際想要的測試對象的方式模擬計算機上的所有功能。MATLAB® 模型模擬可用作真實物理機械系統后期真實測試的基準,不會對機械系統造成威脅。這讓我們能夠比原計劃更快地完成目標。”

Allan Mogensen 總結說道:“這座試驗臺是丹麥及丹麥風電行業的“燈塔工程”,我們交付了一個能夠更快、更高效地測試風機的 HALT 設施。是否具有足夠的計算能力對我們實施此項目有著重要影響。倍福的硬件和軟件可以理想地滿足這些要求。”Tricon Electric 公司的銷售工程師 Morten Hauge 同意 Allan 的觀點:“為這么大一個項目提供如此先進的解決方案是一件有趣而又富有挑戰的工作。倍福的硬件具有執行此類艱巨任務所需的智能水平。”

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倍福的硬件組件安裝在由 Tricon Electric 提供的六個控制柜中,通過功能強大的 EtherCAT 網絡相互通信


 

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