Technologie Beckhoff w energetyce odnawialnej

W Polsce i w Europie, głównie ze względu na warunki klimatyczne, podstawowym rodzajem instalacji energetyki odnawialnej są turbiny wiatrowe. Zazwyczaj są one łączone w farmy, które przekazują wytworzony prąd do sieci energetycznej. Ich sprawna praca wymaga koordynacji mechanizmów na kilku poziomach.

Budowa wieży wiatrowej

Na pojedynczą wieżę wiatrową składają się trzy podsystemy wymagające zaawansowanego sterowania elektronicznego. Pierwszy z nich kontroluje położenie łopatek wirnika. Ich kąt ustawienia musi być ciągle dopasowywany do siły i kierunku wiatru, tak by zmaksymalizować efektywność pracy turbiny. Tutaj bardzo dobrze sprawdzą się komputery wbudowane firmy Beckhoff, terminale EtherCAT i moduły EtherCAT Box. Można je montować na szynie DIN, a ich zaletą jest zintegrowana z automatyką obsługa systemów bezpieczeństwa TwinSAFE. Idealnie nadają się do sterowania pojedynczymi łopatkami lub wszystkimi jednocześnie.

Sieć EtherCAT warto także zastosować do połączenia z kolejnym elementem wieży, tj. z automatyką gondoli, która odpowiada za kontrolę pracy turbiny i decyduje o jej wyhamowaniu oraz reaguje na zmiany wskazań czujników wiatru. Często w gondoli umieszczany jest też panel operatorski. Wszystkie te funkcje, wraz z funkcjami bezpieczeństwa całej turbiny, można zrealizować za pomocą modułów EtherCAT I/O, pracujących zgodnie z technologią XFC (eXtreme Fast Control).

U podstawy wieży montuje się system konwersji energii, który przystosowuje jej parametry do wymagań sieci elektrycznej. Można go zrealizować za pomocą komputera przemysłowego z terminalami EtherCAT, doposażonego w kolejny panel operatorski i obsługującego adekwatne systemy bezpieczeństwa. System tego typu, oparty na odpowiednim IPC, ma wiele zalet i pozwala m.in. na zdalny dostęp do wskazań komputera poprzez bezpieczne połączenie sieciowe. Natomiast wybór sieci EtherCAT do komunikacji pomiędzy poszczególnymi elementami systemu ułatwia również rozwiązanie problemów, takich jak konieczność szybkiej synchronizacji lub przesył informacji wzdłuż przewodów energetycznych. EtherCAT, w sposób przejrzysty dla projektanta systemu, umożliwia stosowanie niewrażliwych na zakłócenia elektromagnetyczne światłowodów zamiast przewodów miedzianych.

Integracja farmy wiatrowej

Poszczególne wieże łączy się w farmę, która najczęściej ma jeden punkt centralny, służący do monitorowania całej instalacji. Światłowodowa technologia EtherCAT idealnie sprawdza się, gdy konieczne jest wykonanie takich połączeń. Przewody zgodne ze standardem 100BASE-FX w wersji wielomodowej pozwalają na komunikację na odległość do 2 km, a jednomodowe nawet do 20 km. EtherCAT nie wymaga stosowania kosztownych przełączników ani koncentratorów sieciowych. Integracja EtherCAT w terminalach pomiarowych sprawia, że dane na temat prądów i napięć mogą być odczytywane do 10 000 razy na sekundę i prezentowane w sposób zsynchronizowany z dokładnością do 1 µs. Tak duża szybkość komunikacji umożliwia błyskawiczne reagowanie np. na spadki napięcia w sieci elektrycznej, co jest niezbędne do zapewnienia ciągłości pracy dużych generatorów. Dzięki EtherCAT wystarczy jedna milisekunda, by zadać nowe parametry pracy wszystkim turbinom w ramach jednej farmy wiatrowej.

Jeśli jednak operatorowi farmy zależy na wykorzystaniu innej sieci komunikacyjnej lub na rozbudowie dotychczasowej instalacji, sprzęt i oprogramowanie firmy Beckhoff zaspokoi potrzeby większości tego typu systemów. Kontrolery Beckhoff obsługują sieci takie jak CANopen, Profibus i klasyczny Ethernet oraz są zgodne z wymaganiami normy IEC 61400-25, co ułatwia wymianę danych w systemach heterogenicznych.

Oprogramowanie

Budowa farmy wiatrowej to nie tylko instalacja sprzętu, ale też konieczność odpowiedniego jego zaprogramowania. Oprogramowanie TwinCAT zostało przygotowane pod kątem tworzenia tego typu systemów. Jest nie tylko zgodne ze standardem programowania IEC 61131-3, ale również wydajnie korzysta z zasobów komputerów wielordzeniowych oraz zawiera specjalne biblioteki, użyteczne w farmach wiatrowych.

Oprogramowanie TwinCAT 3 Wind Framework umożliwia producentom turbin wiatrowych łatwe programowanie systemów. Wszystkie funkcje są bowiem zintegrowane w ramach jednego pakietu: począwszy od zarządzania zdarzeniami, przez łączność z bazą danych, a kończąc nawet na obsłudze podzespołów hydraulicznych. Gotowe szablony skracają czas programowania, a możliwość integrowania kodu napisanego w różnych językach (w tym w C++ i Matlab/Simulink) pozwala na wykorzystanie fragmentów dotychczasowych projektów.

Sprawdzone technologie

Omówione systemy, pomimo że są nowe, bazują na technologiach, które od wielu lat sprawdzają się w energetyce odnawialnej. Oprogramowanie TwinCAT 3 Wind Framework powstało stosunkowo niedawno, ale systemy firmy Beckhoff pracują w turbinach wiatrowych od 17 lat, m.in. w oparciu o poprzednią generację pakietu, czyli TwinCAT 2 Wind Framework. Łącznie na świecie zbudowano już ponad 40 000 instalacji związanych z energetyką wiatrową, w których zastosowano komponenty firmy. Przykładem są ogromne farmy wiatrowe w Chinach, złożone z turbin o mocy 1,5–3 MW,
zarówno w wersjach z przekładniami, jak i bez. Popisowe instalacje obejmują natomiast instalowane m.in. na obszarach morskich w Niemczech turbiny o mocy 5 MW, które nie tylko należą do największych na świecie, ale też wymagają najwyższej klasy systemów sterowania i bezpieczeństwa.

Firma Beckhoff, dzięki oparciu swoich produktów na skalowalnych technologiach, spełniających wymagania norm przemysłowych, jest idealnym partnerem do realizacji kompleksowych systemów automatyki na potrzeby energetyki, a w tym dla elektrowni wiatrowych.

BECKHOFF AUTOMATION Sp. z o.o.
Żabieniec, ul. Ruczajowa 15
05-500 Piaseczno
tel. 22 750 47 00
fax 22 757 24 27
e-mail: info@beckhoff.pl
www.beckhoff.pl

źródło: Automatyka 9/2016