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贝加莱工业自动化(中国)有限公司
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  • 绿色可持续-贝加莱能源领域的应用概览
  • 发布时间:2023/10/27 9:56:21   修改时间:2023/10/27 9:56:21 浏览次数:4212
  •   能源一直伴随着产业的发展,今天,随着 "双碳"在全球的共识达成。发展更为高效、绿色清洁能源,是整个社会的追求。借助于先进控制技术、数字化技术,提升能源效率,并大力发展稳定可靠的可再生能源。

    图1-广泛的能源领域应用

      作为自动化领域的技术领导企业,贝加莱一直为能源领域提供专业的产品、技术与解决方案。在传统水力发电机组励磁调速系统、热电联产(CHP)、生物质发电有多年的积累(如图1)。并且逐渐成为了可再生能源领域的先锋军。业务从风力发电、光伏、潮汐与波浪能,也延伸到储能、氢能的应用领域。
      贝加莱为能源领域开发的共性产品技术
      在每个垂直领域,对于控制系统,都有其独特的需求。能源系统对于自动化的需求是天然有着高要求,因为它的连续性生产需要稳定可靠的自动控制系统保障。能源行业还有其自身独特的需求,包括海装对于船级社、高可用性设计、复杂算法、通信协作、中央管理等多个方面的需求。而贝加莱深耕其中,也针对该领域开发了独特的软硬件产品与技术,包括以下几个方面:
      ->船级社认证的控制系统
      在可再生能源领域,如海装风力发电机组、潮汐与波浪能场景中。海上的盐雾腐蚀会影响系统的长期有效工作。因此,系统须满足这一严苛环境要求,并经由船级社认证。

    图2-贝加莱X20系统经过船级社认证

      贝加莱的X20控制系统(如图2),在获得了德国劳埃德船级社(GL)的认证后,又新增挪威船级社(DNV)、韩国船级社(KR)、劳氏船级社(LR)和美国船级社(ABS)的认证。
      X20组件中带涂层的型号现在还适用于更宽的工作温度范围。它们甚至可以在低至-40°C的启动温度下安全地使用。扩大温度范围有利于其在冷藏设施和极地环境中使用。X20涂层模块是电路板经过特殊涂层处理的X20标准模块,以此可以保护它们免受冷凝、有害气体和其它环境因素的影响。
      ->冗余支持的需求:电力行业对于高可用性的需求是先天的,因为确保持续的电力供应无论对于医院、数据中心还是商业与住宅都是非常重要的。因此,发电机组的运行必须处于高可靠的设计下。
      X20CPU能够为电力系统提供冗余的支撑,如图3。

    图3-贝加莱冗余系统支持

      这里的冗余包括了主控制器、网络的冗余,其通过POWERLINK可以达到μS级的冗余性能,确保快速的切换。不仅包括X20 PLC,也包括APC系列的工业PC支持冗余,这些作为操作员站、工程师站、数据服务器站的基础设施,同样提供高可用性的服务。
      ->电力测量与同步专用的模块
      对于发电需要与输配电系统并网,它需要一个测量和同步。因此,贝加莱开发了专为电力系统测量与并网同步的专业模块,这款型号为X20CM0985的模块被广泛应用于电力领域的测量与并网。
      X20CM0985的常规测量包括对线电压、相电压、频率的测量(如图4)。以及发电侧相电流、电流/动态电流均值、中线电流,线电压、相电压、视在功率、有功/无功功率的测量。

    图4-X20CM0985-电力测量与同步模块

      该模块最大的特点是具有同步并网功能,两路同步主网端口可同时监测电网侧和发电机侧的电压、相位、频率、相角差、电压差等参数。模块内部可比较判断同步条件是否具备,当网侧和发电侧的电压幅值、相位差、频率差满足一定条件时,激活并网功能,输出脉冲信号触发并网开关,使发电机回路输出电能馈送到电网上。并对热过流、不平衡负载、短路电流、电压不平衡、励磁等进行监测。
      ->reACTION
      每个涡轮机的一个重要测量值是转速。相关控制器必须能够对任何速度变化做出快速而精确的响应。凭借1 ?s的极速应用程序响应时间。reACTION技术被证明非常适合这类应用,因为测量,预处理以及必要时的响应都可以在I/O模块中直接实现。

      reACTION技术支持:
      ● 极速I/O响应
      ● 面向低端和高端系统
      ● 完全集成
      ● 开放的IEC 61131技术
      ● 集中的软件管理
      ● 分布的程序执行
      ->APROL系统

    图5-APROL DCS系统架构

      APROL是一个建构在SUSE-Linux平台的DCS系统(如图5),它融合了DCS在控制算法、模型预测、先进过程控制等方面的能力外。并连接开放的数据库、Web发布系统、报表、趋势分析、智能算法的集成。APROL可以为发电机组提供整个机组单机控制,以及由多个机组构成的电场,包括像风力发电、光伏电站、沼气发电/燃气轮机机组群构成的电场。
      ->数字化的能力
      除了能源电力所需的硬件软件平台,贝加莱还在数字化,包括对于IEC61850规约、IEC104规约、OPC UA通信架构、云平台、MQTT等通信与数字连接、分析工具软件的支持。也使得贝加莱可以在数字时代更好的让能源系统实现集成。基于Hypervisor+exOS的进行IT的大数据采集与基于数据的数据分析,实时分析,基于人工智能的优化参数下发给PLC。实现一个工控机,实时控制+IT数据智能分析的同时运行。
      贝加莱能源行业解决方案
      分布式能源,包括采用活塞式机组、燃气轮机(Gas Turbine)、沼气(Biogas)组成的热电联产(CHP)。CHP可以将能源利用效率提升至60%甚至以上。在船舶、医院、园区等需要提供电力及制冷/热需要的区域,采用活塞式/燃气轮机控制的机组构成了独立的系统。

    图6-针对燃气轮机组的单机控制系统

      如图6所示,贝加莱为CHP提供了完整的控制系统:
      ->发动机管理,包括机器的状态、策略、趋势、报警等;
      ->电力测量、同步与保护:如前所述,X20CM0985确保这个任务的完成;
      ->各种采样,除了电力采样,也包括机组的转速、振动、进出口温度、腔室压力等关键参数;
      ->借助于SiteManager,机组可以被远程监测,提供快速的服务。

    图7-来自MTU的机组配备贝加莱控制系统。

      在全球知名的燃气轮机机组制造商MTU Onsite Energy(如图7),它的机组可以采用天然气、沼气等发电。机组从120kW-2.5MW。贝加莱提供的机组控制可以直接安装于机体,提供电力测量与保护。
      沼气发电
      来自德国的Agrikomp是知名的生物气体发电站运营公司。目前已经运行了大约800个沼气电站,如图8。
      他们采用了贝加莱的APROL作为管理整个发电机组和电厂的系统。
      APROL可以管理各种I/O、第三方仪表与分析仪器、执行机构,支持HART、FF等协议。
      APROL为机组及整厂提供工程组态、控制算法、连接、数据呈现的完整DCS能力。

    图8-沼气发电机组

      潮汐与波浪能发电
      采用潮汐涡轮机(Tidal Turbine)发电也正在兴起,在涨潮时蓄水,退潮利用这个水的势能驱动水轮机组发电,如图9。
      由于潮汐发电需要工作在海岸线,因此,其对于控制系统的耐腐蚀性有着严格的要求。另一方面,考虑到系统的高可靠运行,同样也需要在系统里支持冗余技术。
      ANDRITZ采用贝加莱系统,在苏格兰建设了一个潮汐发电站。项目1期采用了3组1.5MW的潮汐发电机组。这个项目自2017年投入运用,一直处于"免服务运行",即使出现模块失效。采用控制器、总线、传感器冗余/共享机制的系统,确保了它的高可靠性运行。

    图9-潮汐发电机组运行现场

      图10为贝加莱的冗余架构,可以支持在I/O、电源、控制器几个方面的冗余。

    图10-X20的冗余控制系统支撑潮汐发电机组运行

      当然,前面所述的电力采样与同步、船级社认证的控制系统,同样适用于潮汐发电机组及其管理。
      而另一种发电模式为波浪能,来自Pelamis的波浪能发电,采用了180米长,4米直径,1350吨的蛇形波浪发电机组。它可以提供750kW的发电能力,如图11。
      PELAMIS通过自己开发的POWERLINK从站控制着液压单元。
      这个机组可以支持非常高可靠的运行,由带有总线冗余的控制站连接。独立的单元连接到中控室。
      它的设计使得这个机组在系统故障时,仍然处于可靠运行状态。

    图11-波浪能发电

      风力发电
      风力发电作为一种清洁能源,一直处于快速的发展中。最近几年,海基的风力发电机组成为了关注的重点领域。
      风力发电机组对于控制系统有严格的环境需求。它需要进行高低温HALT测试,以确保其在低温环境(如零下40℃)下依然可以运行。而另一方面,海装设备的电气控制系统也要通过船级社的认证-如前所述,X20系列的PLC都已经获得了全球主要的船级社认证。

    图12-贝加莱海装风力发电机组控制系统

      功能安全系统
      在风力发电机组上,功能安全需要确保机组和人员的安全,它需要达到IEC61508的SIL3安全等级认证,以确保机组在"风速超速"、"通信中断"、"急停动作"等各种危险情况下的设备及人员安全,如图13位功能安全模块。

    图13-功能安全产品

      贝加莱有着完整的功能安全系统,包括SafeLOGIC,它提供安全逻辑的控制,它可以支持数字量/模拟量的安全信号采样。openSAFETY确保安全的通信连接,对于通信中潜在的数据丢包、失真、差值等进行处理。而SafeDesigner-为安全系统设计提供经过认证的工具与软件模块。
      在风力发电系统中,贝加莱的功能安全系统保障重值资产和人员的安全。
      光伏发电
      光伏发电正在成为新能源的主力军,而光伏本身的生产属于长流程制造业。贝加莱在光伏领域更多聚焦在光伏电池制造环节。从单晶硅炉拉制、开方切片、制绒/清洗、扩散、PECVD、丝网印刷、烧结到组件的组装。光伏涵盖了众多的设备制造。
      光伏领域随着钝化工艺从铝背场、PERC、HJT、TOPcon,以及组件技术的BC、IBC等,不断的提升着其发电效率。而更大、更薄的晶片等技术的进步,使得光伏制造的均量化度电成本(LCOE)持续下降。今天,光伏领域已经达到了较高的经济性,使得其在各个能源竞争中得以处在领先地位。
      贝加莱自2008年在中国进入光伏设备领域,借助于智能温控在单晶炉/扩散/PECVD领域、张力控制技术在多线切割领域的应用,也获得了该领域业务的长足进步。

    图14-光伏发电场

    图15-单晶炉结构简图

    图16-单晶炉控制系统功能设计

      在光伏拉单晶的过程中(如图15),需要有稳定的温度梯度控制,以确保长晶工艺过程的一致性。而在这个过程中对于晶体直径、重量的控制,也使得晶棒良好的生长,为后续加工提供可靠的品质保障。考虑到长晶过程的能耗,需要对温度进行有策略的控制,以避免不必要的能源消耗,以及内耗造成的损耗,图16是该系统的一些功能设计。

    图17-PECVD设备控制

      对于如图17的PECVD设备而言,它需要根据不同的配方提供不同的温度、压力控制,以获得最佳品质。温度的控制主要聚焦在如何提供温度的稳定性、斜变能力。气体压力高精度闭环,以及在电池的处理中配方的管理。针对不同的晶圆提供不同的沉积材料和工艺的控制。
      除此之外,贝加莱在光伏切片、激光焊接、电池的电路测试、电场的监测也同样有着应用。
      除了以上,贝加莱也在新兴的储能、制氢、燃料电池领域的生产,开始发力,在后续将针对锂电储能、制氢等进行应用方案的专题介绍。
  • 企业介绍
贝加莱是一个总部位于奥地利并拥有遍布全球分支机构的创新驱动型自动化企业,2017年7月,贝加莱成为ABB集团的机器人及离散自动化业务部的一个业务单元。作为全球工业自动化领域的领导者,贝加莱融合了前沿技术与先进的工程能力,为各个产业客…  更多>>
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贝加莱工业自动化(中国)有限公司

联系人:王琳

地址:上海市田林路487号宝石园21号楼

邮编:200233

电话:021-54644800

传真:021-33675666

公司网址:http://www.br-automation.com/zh

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