Multibrid GmbH 從不會為陸上風電場而費心：5 MW 的 M5000 風力機從一開始就是專為海上風電應用而設計的。Multibrid 通過與 Beckhoff 緊密合作，為批量化生產(chǎn) M5000 提供了一個集成平臺的控制方案。
早在 2004 年，Multibrid 就開發(fā)了樣機，雖然在三年之后才正式投入了批量生產(chǎn)。2007 年中旬，Multibrid 開始在位于德國不來梅港的工廠安裝風輪直徑為 16 米、輪轂高 90 米的 Multibrid M5000。
當項目經(jīng)理 Bernd Zickert 于 2005 年加盟該公司時，他就發(fā)現(xiàn)了這樣一個很常見的技術現(xiàn)狀：用于風力機的控制和自動化系統(tǒng)并不是基于一個集成的平臺。硬件組件來自四個不同的制造商，這意味著Multibrid 工程師必須熟悉不同的系統(tǒng)。組件和數(shù)據(jù)采集的協(xié)調(diào)也是個問題。
對于 Multibrid 樣機，這種內(nèi)部差異很有意義，因為它可以顯示出設計的彈性，并為最終決定批量生產(chǎn)奠定基礎。為此，公司必須試驗各種選件。兩年前，他們完成了 M5000 的首次現(xiàn)場試驗。試驗表明方案基本可行。Multibrid 所面臨的另一個挑戰(zhàn)是，必須為批量生產(chǎn)和海上風電場運行做好準備。
通過對風力機所承受各種環(huán)境影響的模擬仿真實現(xiàn)樣機的試驗，包括各種可能的故障和故障場景。“針對仿真，我們?yōu)樗邢到y(tǒng)接口創(chuàng)建了一個精確的模型。”Bernd Zickert 說道。“我們能夠進行深度開發(fā)來提升系統(tǒng)性能。” 開發(fā)的重點主要集中在系統(tǒng)生產(chǎn)、安裝、運行及維修方面的可行性。2008 年，Multibrid 打算建造 13 個系統(tǒng)，其中 6 個計劃用于 Alpha Ventus 海上風電場。Alpha Ventus 是德國首座海上風電場。它是一個具有開創(chuàng)性意義的合作項目，E.ON Climate &Renewables、EWE 和 Vattenfall Europe New Energy 都有參與該項目。
M5000 規(guī)格
額定功率： 5 MW
風輪直徑： 116 m
風輪速度： 4.5 – 14.8 rpm
最大葉片速度： 90 m/s
海上輪轂高度： 90 m（樣機 102 m）
機頭重量/掃風面積： < 30 kg/m2
低磨損技術降低系統(tǒng)故障
Multibrid 的設計顯示出出他們的雄心壯志。與其它大部分風力機制造商不同，Multibrid 使用的是永磁同步發(fā)電機。大部分的電力供應商使用的都是同步發(fā)電機，而風電行業(yè)更傾向于使用異步（感應）發(fā)電機。Multibrid 決定使用一個帶環(huán)設計的多極同步發(fā)電機，這表示，它以成熟的技術為基礎，同時還具有磨損極低的優(yōu)點。這一點特別是對海上風電場運行來說是個極大的優(yōu)點，在海上風電場中，服務、維護及維修比陸上更加困難，特別是在天氣很惡劣的時候。任何不容易出現(xiàn)故障的設備或性能特點都會讓風力機更為可靠。
重量輕，便于建造和安裝
為了便于運輸并確保安全和快速安裝，M5000 的一個重要設計要求是減少機艙和風輪的重量。Multibrid 在風輪和發(fā)電機之間放置了一個減速比為 10:1 的單級減速機。發(fā)電機通過一個四象限逆變器連接至電網(wǎng)，通過該逆變器，可以實現(xiàn)變速運行。同時，它滿足電網(wǎng)調(diào)度員為高級風力機所規(guī)定的要求。采用這一設計方案后，Multibrid 將風輪、輪轂和機艙的總重量減少到約 310 噸。
盡管 Multibrid 風力機的額定功率較高，但其外形卻極為緊湊：機艙尺寸僅為 7 米高、10 米長，與其它同類產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)更加小巧、輕便。這樣可帶來很多優(yōu)點：用三角架基礎支撐的管狀鋼塔可給定不同的尺寸。機艙可在陸地上預裝配，然后在海上作為成套設備安裝。海上風電場運行的重要要求就是機艙的密封性：空氣處理系統(tǒng)從環(huán)境空氣中分離出鹽和水粒子，在機艙內(nèi)生成正壓，避免具有侵蝕性的海洋大氣進入，保護易受損的控制元件受到侵蝕。
德國不來梅港的生產(chǎn)車間直接坐落于港口，方便船只運輸
集成的控制平臺使系統(tǒng)管理更加簡單
自動控制系統(tǒng)的改造工作由 Bernd Zickert 實施，他們的團隊負責對系統(tǒng)進行簡化。控制器數(shù)量從 5 臺減少為 2 臺。除了塔筒中的主控計算機之外，還有一臺輪轂中的計算機，用于提供冗余功能，并防止通過滑環(huán)連接數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G失。
整個硬件平臺都由 Beckhoff 組件替換，建立了一個集成的控制系統(tǒng)，提供協(xié)調(diào)、簡單的處理、連接和數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)處理 500 多個數(shù)字量和模擬量信號。這在維修和維護時特別有好處：維修技師僅需熟悉一個運行操作指導系統(tǒng)即可，這樣可大大減少培訓和調(diào)試成本。
為了減少可能的組件故障所帶來的影響，傳感器、執(zhí)行器和輔助系統(tǒng)均使用冗余設計。這特別適用于空氣處理、油品供應與液壓系統(tǒng)以及輪轂和冷卻系統(tǒng)的電池充電器。
基于 PC 的控制技術可確保系統(tǒng)的開放性。Multibrid 工程師 Zickert 認為這是一個特別有意義的性能特點，因為它為自動化控制系統(tǒng)的深度開發(fā)提供了廣闊的空間。“畢竟，我們所處的是一個具有高度動態(tài)性的領域，科學技術的發(fā)展日新月異。” 第三方設備可通過相應接口輕松集成到系統(tǒng)中。系統(tǒng)的開放性還將能夠集成新功能的 I/O 模塊。
基于 Windows 標準操作系統(tǒng)的 Beckhoff TwinCAT 控制軟件，簡化了操作指導工作，確保與常規(guī)的用戶界面兼容。這對由 SCADA 系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)流和信息的可視化也產(chǎn)生了積極影響。控制系統(tǒng)支持現(xiàn)場的安全訪問，而在控制中心也可由多名用戶同時進行訪問?？蓪?shù)進行修改，以滿足具體的應用要求。系統(tǒng)的故障分析能力得到很大提升。系統(tǒng)可通過因特網(wǎng)協(xié)議經(jīng)由光纜實時監(jiān)控。
一個集成的 ORACLE 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以在離線狀態(tài)下（例如，在系統(tǒng)通訊出現(xiàn)故障時）將需要傳輸給控制中心的文件保存 50 天之久。存儲能力取決于所使用的閃存卡大小。系統(tǒng)存儲所有與風電場管理相關的數(shù)據(jù)，包括運行數(shù)據(jù)（10 分鐘均值、跟蹤、計數(shù)器）、錯誤日志分析、功率曲線、生產(chǎn)、無功功率、內(nèi)部能耗及運行模式等數(shù)據(jù)。
M5000 控制系統(tǒng)的控制結構
主控計算機：CX1020 嵌入式 PC，Windows XP 操作系統(tǒng)
輪轂計算機：CX9000 嵌入式 PC，Windows CE 操作系統(tǒng)
自動控制軟件：TwinCAT PLC
HMI
|嵌入式控制面板 CP6832
I/O
總線系統(tǒng)：EtherCAT（PROFIBUS，帶 EtherCAT 模塊）
I/O 系統(tǒng)：總線模塊 / EtherCAT 模塊
I/O 模塊：
–各種數(shù)字量 / 模擬量 I/O
–電力測量模塊
–繼電器模塊
– SSI 角度測量模塊
–增量編碼器接口模塊
–串口通訊模塊
Multibrid
Multibrid 成立于 2000 年。公司主要開發(fā)和建造 M5000 海上風力發(fā)電機。他們與供應商合作，有一支專家團隊負責不斷開發(fā)重要的系統(tǒng)組件，提升 Multibrid 技術。通過掛靠 ProkonNord 公司，Multibrid 能夠利用他們在風電場工程建設中長期積累的經(jīng)驗。
工程規(guī)劃公司 Prokon Nord 很早前就已進軍海上風力發(fā)電領域，在北海和諾曼底海岸設計了三個風電場，在后者中共安裝了 181 個風力機，每個風力機的功率為 5 MW。Prokon 的介入對 Multibrid 的幫助很大：由于市場的巨大需求，新的開發(fā)項目在經(jīng)濟上是可行的。法國能源公司 Areva 于 2007 年9月購買了 Multibrid 51％ 的股份，他們的介入為 Multibrid 提供了可靠的財力支持。公司能夠將好的理念實施到良好的商務活動中。同時，Multibrid 的生產(chǎn)正在進行中。
開放式系統(tǒng)理念便于深度開發(fā)
M5000 試驗臺主要用于減少功能試驗和調(diào)試時間，優(yōu)化操作步驟和控制過程
全面的仿真為質(zhì)量提供保障
由 Multibrid 團隊與 ISET（德國卡塞爾大學的太陽能供電研究院）密切合作開發(fā)的仿真軟件質(zhì)量尤為重要。該軟件通過 TwinCAT 可實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)交換的實時仿真。Beckhoff 負責提供相應的硬件，并參與到SCADA 系統(tǒng)的開發(fā)工作中。
試驗臺用于初步檢查理論假設、方案的合理性，也可用于員工和客戶培訓。此外，Multibrid 將其發(fā)展為一個高效的質(zhì)量保證工具：所有的系統(tǒng)控制組件都映射在試驗臺上。系統(tǒng)能夠仿真所有的執(zhí)行器和傳感器以及與風力機控制設備之間的通訊。這樣，控制系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的功能能夠在安裝前完全得到檢驗。與其在惡劣的海上條件下還要安裝帶未經(jīng)驗證功能的組件，不如在交付前就保證組件和子系統(tǒng)的質(zhì)量。這對實施更新和改造措施也非常有益，不再需要像測試版那樣進行現(xiàn)場試驗，但可在安裝時進行大量的功能試驗。
Alpha Ventus 主要數(shù)據(jù)
風力機數(shù)量： 12 臺
總功率： 60 MW
每年預計發(fā)電量：
約 220 GWh（= 可滿足 50,000 戶三口之家的電力消耗需求）
Alpha Ventus：德國首座海上風電場
Alpha Ventus 海上風電場是一個具有開創(chuàng)性意義的合作項目，E.ON Climate& Renewables、EWE 和 Vattenfall Europe New Energy 共同參與了該項目。該風電場座落在北海（距波爾庫姆島（Borkum）北部 45 公里，水深 30 米
（98.4 英尺））。Alpha Ventus 是德國首座真正意義上的海上風電場。Alpha Ventus 研發(fā)項目的設計、建造、運行和并網(wǎng)對未來海上風電場的商業(yè)化運營具有重大意義。在 2008 年的項目進度規(guī)劃中，他們要為風電場南部安裝六臺 Multibrid M5000 風力機，建造海上風電站。風電場有望于2008 年秋并網(wǎng)，并計劃于 2009 年夏在風電場南部再安裝六臺不同型號的風力機。
風力機各組件機艙、風輪葉片、塔筒組件及地基結構等預先獨立在陸上安裝，最終在海上裝配成為一臺完整的風力發(fā)電機組。
12 臺風力機分布在 4 平方公里的（1.5 平方英里）區(qū)域內(nèi)。這些風力機組成一個矩形，分為四個平行的行，每行有三臺風力機。在該網(wǎng)格狀結構中，風力機之間的距離約為 800 米（約 0.5 英里）。Multibrid M5000 風力機使用三角架固定。此處的水深大約為 30 米（98.4 英尺）。安裝面積達 255 m2 的三角形支架需要 56 人。一臺風力機重量約 1000 噸，相當于200 頭成年大象或 22 節(jié)火車車廂的重量。掃風面積約為一個半足球場的面積。在風輪最大轉速下，葉尖以每小時 300 公里（186 mph）的速度劃過空氣。
該風電場所處的位置平均風速為 10 米 / 秒，相當于蒲福風力等級 5 級（19 – 24 mph 或 39 km/h）。設計人員預計風電場每年能夠持續(xù)滿負荷運行 3800 小時。與陸上風電場相比： 地理位置優(yōu)越的陸上風電場：平均風速約為 5 米 / 秒，電場每年能夠持續(xù)滿負荷運行約 2200-2500 小時。
