西门子PLC模块6ES7515-2UM01-0AB0详细说明

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15年前，只有几百个电站向德国电网送电，而在未来，德国将有数百万个发电厂，这些太阳能电站、风电场、生物质发电厂和小型热电联产电厂将构成一个多元化的电网。为充分利用各类能源资源，德国电力公司RWE和慕尼黑电力公司基于西门子的技术，建立了虚拟发电厂。

顺应德国向可再生能源转型的相关计划要求德国在2050年之前将可再生能源发电的占比提高到80%。风能、光伏发电和生物质发电的快速发展，要求建立全新的电网基础设施输配电能。眼下德国的电力主要来自数量有限的大型电厂，但将来，德国将有数以百万的小型分布式发电站并网发电。这将对当前的电力市场带来冲击。任何人只要在房顶装上几片光伏电池板，就可以成为“产消者"——既是发电者，也是用电者。

分布式能源管理系统（DEMS）处理天气、实时电价和用户需求数据，然后为电厂生成预测数据和生产计划。

这进而要求新的软件系统来控制和协调如此复杂的基础设施。在这方面，目前业界流行一个炙手可热的新词“虚拟电厂"，它是指将一些小型发电站整合起来，集体发挥一座大型电厂的作用，从而克服单一风电和光伏发电设施特有的发电量时高时低问题。咨询公司普华永道（PwC）的一项研究显示，虚拟电厂在向可再生能源转型的过程中将是的要素。

虚拟电厂的特点一如其名，它并不像传统意义上的发电厂一样存在于现实世界。虚拟电厂只是整合一系列小型电厂，利用先进的软件运营这些小电厂，使它们如同一家大型电厂一般集体运转。此类虚拟电厂可汇聚不计其数的风电场、光伏电站、生物质发电厂和热电联产电厂所生产的电能，因而未来将在向可再生能源转型的过程中发挥举足轻重的作用。德国大型电力公司RWE敏锐地认识到了虚拟电厂的战略重要性，已于2008年开始在多特蒙德运营一个虚拟电厂。该电厂的“大脑"是西门子提供的“分布式能源管理系统"（DEMS）。DEMS可处理天气数据、的电价信息和用户需求数据，然后每小时为组成虚拟电厂的发电设施生成预测数据和生产计划。

如今这座以风电场为主、光伏电站和生物质发电厂为辅的虚拟电厂的总装机容量已达到15万千瓦。RWE代表电厂运营商在莱比锡的欧洲能源交易市场（EEX）或者以平衡电力供需为目的现货市场上出售这些电能。在这两个市场中，如果买方需要加急供应，卖方则可以获得较高的电价。单个发电站本身由于规模过小而无法在EEX市场上交易电能，但是通过上述方式，它们可以享受高于德国《可再生能源法》规定的常规入网电价。

将来，虚拟电厂不仅可以汇聚电力生产，还可以整合电力消耗，也就是不同的用电负荷。从电网的角度讲，从电网中撤出部分负荷（例如关闭冷藏仓库中的某个冷藏设备）与在电网中加入某台发电机（例如启动备用柴油发电机）并没有什么不同，其结果都是有更多电能可供其他用户使用。“将来我们会看到专门用于管理可开关负荷的虚拟电厂。"设在德国纽伦堡的西门子基础设施与城市业务领域智能电网集团的虚拟电厂产品经理Thomas Werner博士表示。

协调多元化的电力结构。慕尼黑电力公司也在运营一个较小的虚拟电厂，这个电厂同样采用了DEMS系统。该公司整合的电厂总装机容量超过两万千瓦，整合的电厂包括该公司自有的伊萨河水电站、五座热电联产电厂、一座风电场、一座光伏电站和几台备用柴油发电机。小的发电设备的产能仅为30千瓦时。接下来将加入该虚拟电厂的有一座生物质发电厂、一座地热发电厂和若干可开关负荷的设备（例如大型泵机和冷藏仓库）。据慕尼黑电力公司虚拟电厂项目负责人Markus Henle介绍，此项目的初衷并非实现大规模运营。其首要任务是在多类能源发电的协调，以及组织与运营流程的日常管理方面积累经验。DEMS提高了预测和规划工作的可靠性，由于计划内电力生产在电力市场上可以带来更高的收益，因而DEMS带来了创造价值的新机会。

整合的能源形式越多，就越易于平衡供需关系。正因如此，眼下涌现出越来越多的电力整合商，它们将小型发电站整合起来，有时要通过提供大大高于《可再生能源法》强制规定的低入网电价的价格来吸引发电机构。这令政府颇为头痛，因为它意味着电厂运营商从中享受双重优待。德国计划2013年初出台的《可再生能源法》修订案将遏制上述现象，但这样一来，虚拟电厂市场的日子可能就要难过了。

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变频器输入端电源滤波器是采用高导磁率的铁氧体磁心及铁粉芯，配接一定的电容，构成LC滤波器，将变频器产生的高次谐波（在某一频带内的）滤掉，而使临近或同一电网工作的电器设备不受干扰，能够正常工作。其原理图如图1所示。

                                                            图1 输入滤波器电路原理图

  变频器输出端电源滤波器采用电感（L）滤波，抑制变频器输出的传导干扰和减少输出线上低频辐射干扰，使直接驱动的电机电磁噪声减小，使电机的铜损、铁损大幅减少。其原理图如图2所示。

 购买了该类滤波器后，我们去现场进行了调试。由于对该类现场接触较少，技术人员准备不太充分，虽然增加了滤波器，但滤波效果仍不理想，在重载时仍存在干扰，DCS系统不能正常工作，变频器仍无法运行。于是我们对问题做了具体的分析。

  变频器产生干扰的原因

                                                                    图3 变频器主电路图

  变频器主电路一般是交流—直流—交流模式见图3，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

  变频器干扰的主要传播途径

  变频器工作时，作为一个强大的干扰源，其干扰途径一般分为辐射、传导、电磁耦合、二次辐射和边传导边辐射等。主要途径如图4所示：

                                                        图4变频器干扰的主要传播途径

  从上图可以看出，变频器产生的辐射干扰对周围的无线电接收设备产生强烈的影响，传导干扰使直接驱动的电机产生电磁噪声，使得铜损、铁损大幅增加，同时传导干扰和辐射干扰对电源输入端所连接或邻近的电子敏感设备有很大的影响。

  针对这两次调试情况和变频器产生干扰及干扰的途径，我们联合电源滤波器生产厂商的工程师进行了分析总结，并与北京康拓生物工程有限公司的工程师多次进行了沟通，了解了其工作原理、布线情况，分析认为主要还是变频器输入端产生的高频谐波造成的干扰。因装变频器后，变频器的输入线在原动力线槽内，而输出线不在线槽内，离电机也比较近。再者，原布线系统不太合理，动力线槽与控制线槽距离较近，只有20cm，按规定应不少于50cm，且两线槽平行走线，这些都是比较忌讳的。变频器的地线接的也不太合理，接在了电源线的走线槽上，线槽的作用一是支撑电源线、二是起屏蔽的作用，变频器的干扰又通过地线到了线槽上。变频器产生的高次谐波通过变频器的输入线和地线辐射到其它设备的电源线和信号线上（尤其是比较敏感的传感器的信号线。这里强调一点：我们的变频器与DCS控制系统不是同一台变压器给电，可以排除直接传导干扰），干扰了控制系统的正常工作。

  分析这些问题，由于原布线系统已成定型，再动几乎是不可能，因此改变电源线和信号线布线的想法应予以排除，变频器地线可以另走，拉一根地线直接接至配电室电控柜的地线上，对变频器的输入端再加强滤波措施，按理论问题应于解决。

在现场原发酵罐停车后，我们在原滤波器基础上又增加了一套共模及差模磁环，在输入、输出每相线上各套二个差模环，在输入的三根相线上套两个共模磁环，并将地线接至配电室的地上。这样处理后开机运行，在电机空载的情况下运行正常，没有出现干扰报警现象。

  带载运行时，305、307罐出现干扰报警。将地线改至控制307罐（该罐已使用变频器，线槽内走的是该变频器的输出线）变压器的地线上，305罐不再干扰报警，但307罐仍间隔几分钟出现干扰报警现象，分析可能是两台变频器产生的共模干叠加所至，也可能是地线放在动力线槽内，走线较长引起的，于是在地线上加装地线滤波器，但效果也不太好。后来将地线拆除（经测量变频器整机漏电流很小，对人体不会造成危害，所以可以将地线拆除），效果好一些，但报警现象也是间断出现，这样分析应该不是地线引起的，还是输入端的滤波措施不够，没有将高频干扰滤除干净。因此停机，在输入的每相线上再加两只差模环，在三条输入相线上再套三个共模环，这样开机运行，工作正常，整个系统不再出现干扰现象。系统处理后的框图如图5所示。