本文最初发表于2018年3月7日，作为《自动化世界》3月刊的一部分。欲了解通用电气为塔塔电力公司优化可再生能源和热能资产所做的最新工作，请阅读“印度热能和可再生能源数字化”。
像风能和太阳能这样的可再生能源行业在过去的几年里经历了起起落落，市场的变化是由多种因素驱动的——政府的支持和当前化石燃料的价格在其中尤为重要。尽管对电网兼容性和能源储存存在担忧，可再生能源似乎已经进入了自己的时代，与传统能源正面竞争。
这对可再生能源来说是个好消息。但如果他们打算继续在能源市场上获利，那将不是因为任何保护我们地球的理想。这是因为它们是满足我们能源需求的最具成本效益的技术。
自动化中扮演着相当重要的角色不仅降低成本的太阳能电池板和风力涡轮机的初始生产,而且还帮助建立了基础设施获得最大的能量可能现有的assets-increasing可靠性和正常运行时间,和优化的生产和交付这些资产产生的能量。
“对他们来说，获得更好回报的最便宜的方式是在他们已经投资的基础上获得更好的回报，”Dan Sylawa说，可再生能源业务发展经理菲尼克斯．
西拉瓦指出，近年来，这种对话发生了一些变化。“工业界意识到，这不仅仅是一个太阳能阵列或风力发电场。它是一个发电厂，必须运行20年，”他说。“这一切都是为了优化资产绩效——现在更是如此，因为行业已经认识到了这一点。我们现在有足够多的风能和太阳能发电。”
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一个连接更紧密、动态和适应性更强的风能系统有助于优化风力涡轮机的生产和安装后的运行。来源:通用电气 |
优化现有资产
该公司控制平台总经理Rich Carpenter表示，现有资产的效率始终是可再生能源最关键的因素通用电气动力. “从理论上讲，可再生能源是免费的。基础设施的建设有固定的成本。因此，获得电力的效率至关重要，”他说。“控制在提高设备效率方面起着非常重要的作用。”
就太阳能而言，这种控制可能相对简单。如果今天和明天都是晴天，但明天的产出比今天少，那么你就得明白是什么导致了这种差异。卡彭特说:“也许是太阳能板上有只鸟，然后什么东西断开了。”“你越快找出产出减少的原因，就能越快解决问题。”
风能就不那么稳定了，需要更多的控制来优化效率。卡彭特说:“在风力发电场中，并非所有元素都以相同的方式获得相同的风力。”他指出，例如，前面的风车可能会影响后面的风车获得的风力。“控制的重点是获得桨叶的倾斜和方向来捕捉风。在农场层面上，前线部队如何告诉后方部队发生了什么，让他们知道会发生什么?”
通用电气的数字风电场创建了一个更紧密、动态和适应性更强的风能系统，优化了涡轮机的生产和安装后的运行。在生产过程中，GE使用数字双胞胎建模系统，在风电场的每个独特位置建立多达20个不同的涡轮机配置，根据周围环境以最高效率发电。数字双胞胎还可以实时分析涡轮机运行情况，并做出调整，以提高运行效率。
在风力发电场，连接在涡轮机上的传感器收集数据，并通过GE的Predix软件进行实时分析，使运营商能够监控涡轮机、涡轮机或整个车队的性能数据。这些数据提供了有关温度、涡轮失调或振动等可能影响性能的信息。
尽管大多数人可能认为云不是太阳能的朋友——尤其是当云阻挡了阳光，使电池板无法发电时——霍尼韦尔是太阳能云的重要支持者。
例如，霍尼韦尔的Bob Ell说，通过云计算可以更容易地了解现有资产。对于刚刚成立的太阳能企业来说，利用云技术可以为构建和配置系统提供更好的技术。“他们拥有由霍尼韦尔管理的现代技术和基础设施，”他说。“他们不用担心升级或软件问题，可以使用标准的电信和网络安全技术。”
目前控制所面临的一个巨大挑战是风力涡轮机的规模不断扩大。卡彭特说:“这些单元越来越大，越来越高，叶片也越来越长，这给叶片带来了很大的压力，但它们可以产生大量的电力。”这是一个基于模型的控制问题，需要大量复杂的数学运算。“你反应得越好，就越能优化功率，同时降低损坏设备本身的风险。”
卡彭特说，这些日益复杂的算法需要的是更强大的处理能力，使用多核处理器进行控制。当标准控制在一个核心中确定性地完成时，模型在另一个核心上的非确定性控制器中运行。作为一个数字孪生，它可以将命令传递给确定性方面，以优化涡轮机的运行方式。“大型车型需要很大的马力才能运行，”Carpenter补充道。“为了让它跑起来，我们在边缘增加了更多的马力。”
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串级监控提供了对太阳能阵列性能的可见性，帮助最大化电力生产和最小化维护成本。来源:菲尼克斯 |
提高资产运行时间
即使不考虑优化性能，单是停机时间就会让可再生能源付出高昂的代价。根据能源信息署(EIA)的数据，2016年，美国的风能增长了近20%，有超过52,000台风力涡轮机产生226太瓦时的能源。但根据最近的一份报告吸收该公司是一家预测分析初创公司，目前美国风力发电机组停机导致的未开发能量约为12太瓦时。即使供应量增加1%，每年也会增加2.4太瓦时的能源，足够为222000个家庭提供一年的清洁能源。
风能生产商的成本节约也很可观。Uptake负责可再生能源业务的副总裁Ray Blitstein表示:“在风力发电企业部署先进的分析技术后的几天内，通过预测主轴承故障，他们就能够节省大约25万美元的损失和停机时间。”“这是在冬季，这是一年中产量最高的季节之一，所以它对可用性和生产率有重大影响。”
在中西部的另一个机队运营商有一个无法产生能源的涡轮机，据报道，因为没有风。而它旁边的涡轮机却在发电。这个问题很难确定，“除非你有非常简单的工具和复杂的后端，”Blitstein说。由于他们能够从正确的数据中学习，一个校准错误的风速表使涡轮机无法产生能量，即使在有风的时候。
>>阅读杜克能源是如何使用的小型无人机系统用于检查太阳能和风力发电场．
向边缘移动的部分原因是资产上到处都有越来越多的传感器。冰探测、振动传感和弯曲力矩只是工业传感器激增所能实现的测量中的一小部分。
就像冰会对飞机的机翼造成问题一样，它也会对风力涡轮机的负载造成破坏。Sylawa解释说，涡轮机操作员可以从资产上获得实时数据，当叶片上结冰时，他们就会关闭涡轮机。然而，运营商没有一个很好的方法来知道冰什么时候融化，所以他们经常错过潜在的正常运行时间。传感器可以给他们提供所需的实时数据，以确定何时重新启动涡轮机。
希拉瓦说，涡轮磨损最严重的部件是齿轮箱。使用传感器来测量叶片的弯矩有助于了解涡轮上的负载以及它将如何影响变速箱。他说:“我们可以通过有效加载来优化变速箱的性能，延长变速箱的使用寿命。”“我们获得了更好的性能，并减少了维护的需要。”
特别是当风力涡轮机变得越来越大越来越高时，高度和暴露度使得它们能够很好地捕捉路过的风，也使得它们非常容易受到雷击的损害。Phoenix Contact风能产品组合中的一个重要产品是其雷电监测系统(LM-S)，该系统使用偏振传感来精确、准确地测量和分析雷电浪涌电流的全范围特性。
据凤凰社报道，闪电电流测量系统以前很难实施，或者提供的信息范围有限。希拉瓦说，派工人去现场检查涡轮机需要大量劳动力和成本，而且并不总是能够区分雷击和其他类型的损害。另一方面，偏振传感器由于其重量轻、体积小，易于安装在风力涡轮机上，可以安装在新的和翻新的应用中。
西拉瓦表示，太阳能行业的传感器也出现了同样的趋势。太阳能发电厂的性能不佳通常不是由电池本身造成的，而是由连接问题、云层或其他阴影问题等各种问题造成的。越来越多的连接传感器使公用事业公司能够从他们的太阳能电池板获得实时数据，以最大限度地提高发电量，最大限度地降低运营和维护成本，并最大限度地提高阵列的性能比。
Phoenix Contact技术可以监控到管柱水平，这可以帮助识别隐藏的阵列损耗，也可以帮助定位故障点。
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在加州，可能已经使用了几十年的涡轮机缺乏远程监控系统，无法在需要时帮助它们减少或增加产量。来源:光电子22 |
工厂自动化
在关注优化现有资产的同时，重要的是，太阳能电池制造商不能忽视通过优化工厂生产所获得的效率收益。“如果没有重大投资，今天的太阳能解决方案将难以与化石燃料资源竞争，尤其是在目前价格较低的情况下，”丹·韦斯特(Dan west)说费斯托．
韦斯特说，费斯托特别专注于为动作需求创建一个完整的系统。“总的来说，太阳能制造需要找到一种灵活的自动化方式，比如电气自动化，这可以让产品变化时进行一些简单的转换，通过不为新生产线购买新的自动化设备来降低总体成本，”他说。
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工厂车间更灵活的自动化将帮助太阳能电池制造商优化生产效率。来源:费斯托 |
保持电网稳定
电池储能是可再生能源进入电网的最大挑战。卡彭特指出，当没有风或没有太阳照射时，能量负荷的减弱意味着系统的其余部分必须重新调整方向。
关于行业如何协调未来各种能源类型之间的舞蹈，有各种各样的想法，但如今许多电力公司使用的管理负荷的是峰值——只有在需求高(即高峰时期)时才运行的发电厂。
卡彭特说:“但你必须知道什么时候把它旋转起来。”他描绘了一幅相关场景的画面。“在7月4日的正午，天气非常热，每个人都开着空调。你已经有很好的可再生能源进入了电网，但突然间它变得阴云密布。然后有人会把一个不运转的燃气轮机启动，让它运转起来。”
未来的电网可能会自动实现这种控制，将天气数据、能源需求、可用资源等因素考虑在内。
在加州，获取所需的数据以了解运营资产的最佳时机尤其重要，可再生能源目前在该州的能源结构中占据了重要的一部分。“风力涡轮机在加州比较受欢迎，已经存在了30年，”Benson Hougland说，他是该公司营销和产品策略副总裁光电子的22．
虽然我们倾向于认为，如果风不刮，风能是不高效的，但把太多的风能放到电网中也会产生同样多的问题。“电网的可调度负荷存在问题——根据市场条件、天气、需求等各种原因开启或关闭负荷的能力，”Hougland解释说。
为了迫使风力涡轮机是可调度的，并保持能源水平的平衡，电力公司加州ISO已经开始操纵涡轮机发电的市场价格。Hougland说：“如果他们因为需求不足而需要抑制这种负荷，他们会把市场价格调低，调低。”。“如果他们需要关闭负荷，他们会将其转换为负市场价格。因此，如果你仍在旋转涡轮机并将能源投入电网，你就给他们开一张支票。”
在风能方面的长期成功意味着，加州的许多涡轮机都有几十年的历史，而且缺乏远程监控和控制系统，以帮助它们在需要时减少或增加产量。公用事业公司不得不24小时为风力发电场配备技术人员，在短短5分钟内启动或关闭单个涡轮机，否则将面临经济处罚。
相反,SCADA解决方案开发了WindCapture在线监测和控制系统，以远程监控和自动管理风力发电厂的发电，直至单个涡轮机。该系统使用Opto 22的SNAP PAC控制器监督每个涡轮机上的独立I/O控制器，一个用于通信的无线网状无线电网络，以及Opto 22用于移动设备的groov操作界面。
“光电子22的软件应用程序套件给了我们各种各样的接口和协议,能够推动OPC数据云,虽然groov允许客户访问现场涡轮机数据和控制这些涡轮机从智能手机或其他移动设备,”克雷格•VanWagner指出工程师SCADA解决方案。
该系统能够向加州ISO发出API调用，以确定该地区的位置边际价格(LMP)，并在必要时关闭涡轮机。“Cal ISO得到了他们想要的，业主/经营者也不用被迫开支票，”Hougland说。
可以肯定的是，对于传统能源公司来说，可再生能源在带来机遇的同时也带来了一些新的挑战。但根据Ell的说法，公用事业公司对新技术的倾听变得更加开放。“可再生能源的模式正在发生变化。这更像是西部大荒，”他说。“他们愿意倾听，愿意尝试过去可能没有的东西。”
