在太阳能发电领域,从原材料的生产到发出的电并到电网,自动化产品应用比较广泛,而这其中,又以逆变器为目前主要应用产品。以下即从逆变器开始阐述自动化产品在太阳能发电行业的广泛应用。
A. 逆变器的应用
目前我国光伏发电系统主要是直流系统,即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电,而蓄电池直接给负载供电,如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单,成本低廉,但由于负载直流电压的不同(如12V、24V、48V等),很难实现系统的标准化和兼容性,特别是民用电力,由于大多为交流负载,以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另外,光伏发电最终将实现并网运行,这就必须采用成熟的市场模式,今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。
在应用中对逆变器的要求:
1.要求具有较高的效率。由于目前太阳电池的价格偏高,为了最大限度地利用太阳电池,提高系统效率,必须设法提高逆变器的效率。
2.要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区,许多电站无人值守和维护,这就要求逆变器具有合理的电路结构,严格的元器件筛选,并要求逆变器具备各种保护功能,如输入直流极性接反保护,交流输出短路保护,过热、过载保护等。
3.要求直流输入电压有较宽的适应范围,由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化,蓄电池虽然对太阳电池的电压具有重要作用,但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动,特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大,如12V蓄电池,其端电压可在10V~16V之间变化,这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作,并保证交流输出电压的稳定。
4.在中、大容量的光伏发电系统中,逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中,若采用方波供电,则输出将含有较多的谐波分量,高次谐波将产生附加损耗,许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备,这些设备对电网品质有较高的要求,当中、大容量的光伏发电系统并网运行时,为避免与公共电网的电力污染,也要求逆变器输出正弦波电流。
逆变器将直流电转化为交流电,若直流电压较低,则通过交流变压器升压,即得到标准交流电压和频率。对大容量的逆变器,由于直流母线电压较高,交流输出一般不需要变压器升压即能达到220V,在中、小容量的逆变器中,由于直流电压较低,如12V、24V,就必须设计升压电路。
中、小容量逆变器一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种,推挽电路,将升压变压器的中性插头接于正电源,两只功率管交替工作,输出得到交流电力,由于功率晶体管共地边接,驱动及控制电路简单,另外由于变压器具有一定的漏感,可限制短路电流,因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低,带动感性负载的能力较差。
全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点,功率晶体管调节输出脉冲宽度,输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路,即使对感性负载,输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地,因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外,为防止上、下桥臂发生共同导通,必须设计先关断后导通电路,即必须设置死区时间,其电路结构较复杂。
逆变器的主要分类:
并网发电方式介绍:
目前,太阳能光电建筑的发电系统设计容量可以从几千瓦到几百千瓦,甚至上兆瓦,由于国内的光伏与建筑结合形式各种各样,设备的选型需根据光伏阵列安装的实际情况(如组件规格、安装朝向等)进行优化设计,大致可分为两种并网发电方式。
(1) 集中式并网发电
这种并网方式适合于在建筑物上安装朝向相同且规格相同的光伏阵列,在电气设计时,采用单台逆变器集中并网发电方案实现联网功能。
(2) 分布式并网发电
这种并网方式适合于在建筑物上安装不同朝向或不同规格的的光伏阵列,在电气设计时,可将同一朝向且规格相同的光伏阵列通过单台逆变器集中并网发电,采用多台逆变器分布式并网发电方案实现联网功能。
B.自动化产品在追日系统的应用
目前追日系统在国内的应用尚属于起步阶段,绝大多数太阳能板在安装好以后,角度是固定的,不能随着太阳的位置变化而改变角度。而增加了追日系统的太阳能板,由于其对日角度可以随着太阳的位置而调整,时刻保证对阳光的最大吸收,因此其发电功率比一般的太阳能系统提高了35%以上,而成本只比一般系统高出5%~10%。此外,追日系统还可以在天气恶劣的情况下对太阳能板进行角度调整,以保证太阳能板不被受损。
追日系统的组成如下,根据角度是否可以左右摆动或者上下俯卧,可以把追日系统分为一维和二维追日系统。
C.自动化产品在多晶硅制造中的应用
在多晶硅制造领域,最主要的自动化产品是DCS和现场仪表。从自动化厂商的角度,多晶硅制造属于过程自动化领域,现场需要控制的模拟量很多,而且有相对复杂的控制算法和控制精度,对自动化的程度要求也较高,因此DCS在多晶硅制造领域应用非常普遍。从技术上看,目前DCS在国内的多晶硅制造应用已经成熟。以西门子和霍尼韦尔的DCS产品应用居多。
D.自动化产品在光伏建筑以及光伏水泵系统的应用
在光伏并网,光伏建筑以及光伏水泵系统领域,自动化产品也应用广泛。最关键的应用产品是监控软件。通常一个光伏电站或者光伏水泵系统,会有多到上千个太阳能电池板发电系统,需要对这些电池板的工作状态进行监控,因此需要灵活的通信方式和专业的监控软件。常用的通信方式包括串口、以太网或者GPRS无线通信。典型的监控系统入下图所示:
E、基本业务模式
如果自动化产品供应商希望把自己的产品推进太阳能市场,针对不同的领域,其业务模式也是完全不同的。
针对多晶硅制造领域,在项目确立以后,对于究竟采用什么品牌的DCS系统,通常由最终用户、设计院和系统集成商联合决定。这其中,最终用户的意见通常最重要,可以占到60%的比重,而设计院所和系统集成商,也有一定的话语权。如下图所示:
而对于逆变器和PLC等产品,一个基本的业务模式如下图所示, 基本上是由自动化产品供应商----太阳能设备生产商/系统集成商----太阳能电站投资商的模式。
F、主要自动化产品供应商列表
按照不同自动化产品的分类,我们列出太阳能行业主要自动化产品供应商的名单如下: