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★西門子（中國）有限公司鄭磊，王佳

關(guān)鍵詞：光伏；切片機(jī)；力矩同步；S120

1　光伏行業(yè)概述

目前全球電力市場中，可再生電力占總發(fā)電量的約16.6%。光伏發(fā)電占全球總發(fā)電量的約2%。全球總發(fā)電量在2018年達(dá)到峰值后，逐漸趨于平穩(wěn)。在2018年之后，化石資源發(fā)電的絕對數(shù)量開始下降。光伏發(fā)電和風(fēng)電的絕對數(shù)量穩(wěn)步上升。

平準(zhǔn)化度電成本LCOE（Levelized Costof Energy）通常用來衡量光伏發(fā)電的整個(gè)項(xiàng)目周期的單位發(fā)電成本。LCOE由初始投資、運(yùn)營成本、產(chǎn)值收益、稅費(fèi)、發(fā)電量等因素決定。相較于2010年的0.381美元/kWh，光伏平均LCOE已于2015年下降至火電平均LCOE波動(dòng)范圍（低于0.15美元/kWh），到2020年實(shí)現(xiàn)0.057美元/kWh的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，過去十年降幅約85.0%，遠(yuǎn)高于海上風(fēng)電48.1%和陸上風(fēng)電56.2%的降幅。相較全球，中國光伏度電成本較低，光伏發(fā)電性價(jià)比更優(yōu)，2022年已實(shí)現(xiàn)0.038美元/kWh。

太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最核心的器件。太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理，將太陽的輻射光，通過半導(dǎo)體材質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件。目前，技術(shù)最成熟，并最有商業(yè)價(jià)值的太陽能電池是硅太陽能電池。太陽能電池板的制造過程，包括硅原材料、硅棒、硅片（晶圓）、玻璃、模組等的生產(chǎn)過程。

圖1 光伏電池制造流程

（1）多晶硅：光伏產(chǎn)業(yè)鏈的最上游，原材料。通過還原二氧化硅得到硅單質(zhì)，但含有較高雜質(zhì)；

（2）硅錠：包括多晶硅錠和單晶硅錠。由多晶硅經(jīng)過再次提純之后，通過直接鑄錠法（多晶硅錠）或者提拉法（單晶硅錠）獲得；

（3）硅片：包括多晶硅片、單晶硅片。顧名思義，就是通過金剛線或其他方法將硅錠切成形狀規(guī)則、厚度均一的薄片（目前行業(yè)常用在180-200微米）；

（4）電池片：硅片經(jīng)過清洗、制絨、擴(kuò)散、減反射膜沉積、金屬電極絲網(wǎng)印刷等步驟之后，變成了可以在光照下產(chǎn)生電壓和電流的半導(dǎo)體器件，這時(shí)它就叫做太陽能電池片；

（5）組件、太陽能電池板：這兩個(gè)詞在許多語境里是可以等價(jià)互換的概念。把許多太陽能電池片串聯(lián)或并聯(lián)在一起，并封裝在防水、防潮的材料中，裝上邊框、接線盒等，就產(chǎn)生了光伏制造產(chǎn)業(yè)的最終產(chǎn)品，太陽能電池板或者叫太陽能組件。目前的單個(gè)組件的輸出功率在250W到500W之間；

（6）太陽能電站：把許多電池板按照發(fā)電需要，并聯(lián)或者串聯(lián)起來，通過逆變器將直流電變成交流電，或充電池，或直接輸送上電網(wǎng)，就得到了一個(gè)太陽能電站；根據(jù)規(guī)模可以分為家用（1-10kW）、商用（10-100kW）和大型電站（1MW以上）。

2　西門子伺服驅(qū)動(dòng)解決方案

切片機(jī)用于上文中從硅錠到硅片的加工環(huán)節(jié)，用于把方形的硅錠切成硅片。西門子的S120伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過可靠的性能，為硅片切割設(shè)備提供了保障，滿足了硅片大尺寸化和薄片化所需的控制要求。西門子應(yīng)用于光伏切片機(jī)的SINAMICS S120系統(tǒng)，具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）高速力矩同步

通過將多根伺服主軸配置在同一個(gè)CU320控制單元內(nèi)，可以達(dá)到電機(jī)間的高速力矩同步，速度達(dá)到0.125ms。

（2）主動(dòng)能量回饋

切片機(jī)線網(wǎng)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下有巨大的動(dòng)能，在線網(wǎng)換向時(shí)，主動(dòng)型整流器，將制動(dòng)能量回饋到車間電網(wǎng)，以節(jié)省能量。

（3）直流母線電壓提升

S120驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)χ绷髂妇€電壓在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。通過將母線電壓提升到700V，能夠增加母線電容存儲(chǔ)的能量，并且能夠使伺服電機(jī)產(chǎn)生更大的功率。

（4）豐富的電機(jī)產(chǎn)品

132軸高同步電機(jī)可達(dá)到額定功率79kW，最大功率140kW；

166軸高異步電機(jī)可達(dá)到額定功率100kW，最大功率180kW。

（5）CMS振動(dòng)檢測

切片機(jī)主軸和收放線軸工作在+5000到-5000的運(yùn)行環(huán)境中，通過振動(dòng)檢測裝置，能夠提前發(fā)現(xiàn)電機(jī)、主軸箱、輥?zhàn)拥葯C(jī)構(gòu)的問題。通過預(yù)防性維護(hù)，防患于未然，降低加工廠家的損失。

3　切片機(jī)結(jié)構(gòu)和電機(jī)選型

（1）切片機(jī)的結(jié)構(gòu)

切片機(jī)通常由切割系統(tǒng)、切削供液系統(tǒng)、上下料系統(tǒng)組成。金剛線的直徑大約45μm，金剛線纏繞在主軸間，形成線網(wǎng)。線網(wǎng)通過往復(fù)摩擦的方式，將硅棒切割成硅片。硅棒的長寬高分別為210mm×210mm×700mm。一根硅棒能夠切割成約2500片硅片。線網(wǎng)運(yùn)行速度為40m/s，加速時(shí)間4~6秒。

圖2 切片機(jī)結(jié)構(gòu)

· 主軸：目前常見為雙主軸或三主軸切片機(jī)，主軸電機(jī)功率在70~120kW之間。

· 放卷：有左右兩個(gè)線輪，在切割過程中一收一放。放卷轉(zhuǎn)速約4000轉(zhuǎn)，功率15kW。

· 張力軸：左右兩個(gè)張力擺桿，實(shí)現(xiàn)張力閉環(huán)控制。線張力4~15N，最大扭矩20Nm。

· 排線軸：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠，實(shí)現(xiàn)左右排線，電機(jī)功率750W。

· 硅棒進(jìn)給軸：驅(qū)動(dòng)送料平臺(tái)，切割時(shí)按配方要求送料，電機(jī)功率750W。

（2）主軸電機(jī)選型

選型過程包含，定義主軸機(jī)械數(shù)據(jù)，描述運(yùn)動(dòng)曲線，選擇電機(jī)等。其中，硅片切割過程的負(fù)載主要是摩擦力，因此比較準(zhǔn)確的摩擦力數(shù)據(jù)有助于選型。選擇電機(jī)需要考慮電機(jī)的勵(lì)磁方式、冷卻方式、軸承類型、額定轉(zhuǎn)速、扭矩常數(shù)、熱利用率、扭矩利用率等。

在40米/秒的切片機(jī)選型過程中，西門子有兩款1PH8電機(jī)可以選擇，同步水冷1PH8138和異步水冷1PH8166。該電機(jī)有更高轉(zhuǎn)速型號(hào)，可以匹配更高線速度的切片機(jī)。

4　電氣控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某切片機(jī)的PLC選擇西門子1515SP-PC2控制器，觸摸屏選擇西門子精致面板TP1200。由于S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在設(shè)備的左右兩個(gè)電柜中，因此兩部分的直流母線是獨(dú)立的。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5　切片機(jī)控制難點(diǎn)

5.1　主軸1的控制方式

主軸1決定了切片機(jī)的主速度。控制方式可以選擇位置控制方式或者速度控制方式。位置控制方式時(shí)，主軸1與虛擬主軸采用GEAR_IN命令進(jìn)行位置同步。該指令執(zhí)行后，位置環(huán)被激活。速度控制方式時(shí)，主軸1使用Move_velocity指令，通過刷新設(shè)定速度，來執(zhí)行速度同步。從切片機(jī)的需求角度來看，速度控制方式由于沒有開啟位置環(huán)，速度波動(dòng)更低，有利于避免出現(xiàn)速度、扭矩的震蕩。

圖4 主軸1的控制方式

5.2　主軸2的控制方式

主軸2的控制方式分為速度控制和力矩同步兩種。

（1）兩個(gè)主軸未建立剛性連接時(shí)，例如繞線過程中，主軸2使用速度控制方式。

（2）兩個(gè)主軸已經(jīng)建立剛性連接，線網(wǎng)左右兩邊都進(jìn)入“聯(lián)動(dòng)”狀態(tài)，主軸2使用扭矩同步方式。

（3）扭矩模式切換回速度方式的兩種條件，一是線網(wǎng)斷線檢測開關(guān)，檢測到線網(wǎng)斷線，二是主軸1和主軸2之間的速度差大于100RPM，也說明線網(wǎng)斷線。

圖5 主軸2控制方式

速度方式的控制回路：主軸2在速度方式下，主軸1和主軸2的速度環(huán)都在工作，兩個(gè)主軸是并列關(guān)系。

圖6 主軸2速度控制方式

扭矩方式的控制回路：主軸2在扭矩方式下，主軸2的速度環(huán)沒有啟用。主軸2的扭矩設(shè)定值，來自主軸1的扭矩設(shè)定值r79^[1]。主軸2扭矩的比例由PLC擴(kuò)展報(bào)文的形式，發(fā)送給驅(qū)動(dòng)。依賴于S120高速的內(nèi)部通訊，扭矩設(shè)定值的刷新速度能夠達(dá)到0.125ms。

圖7 主軸2扭矩控制方式

速度控制、扭矩控制切換，驅(qū)動(dòng)側(cè)設(shè)置如下：

（1）采用控制字STW1.14位激活直接扭矩控制激活扭矩控制之后，速度環(huán)自動(dòng)關(guān)閉。

（2）從軸附加扭矩1，連接主軸的扭矩設(shè)定值r79[1]，濾波后的設(shè)定扭矩。

（3）主軸2相對于主軸1的扭矩系數(shù)，由PLC通過擴(kuò)展報(bào)文傳送，16#4000對應(yīng)100%。

圖8 速度控制、扭矩控制切換，驅(qū)動(dòng)側(cè)設(shè)置

速度控制、扭矩控制切換，PLC側(cè)設(shè)置如下：

（1）對于工藝對象，使用SET_AXIS_STW指令來修改控制字。

（2）扭矩生效的狀態(tài)字，在默認(rèn)變量表的ZSW1.14中“Torque control active”。

5.3　收卷和主軸的速度同步性

切片機(jī)的主軸、收放線軸都運(yùn)行在高線速度下，需要各電機(jī)保持高精度的速度同步。收卷使用Enable Interface功能來發(fā)送速度，使用軸倍率處理。主軸1使用MC_move命令。由于倍率的執(zhí)行速度比MC_move快，收放卷速度比主軸速度快2個(gè)位置環(huán)周期。通過設(shè)置主虛軸FollowingAxisDependentTime=4ms，則ExtrapolatedVelocity和SetVelocity一致。消除了主軸速度的滯后。

圖9 經(jīng)過外推后的主軸速度

5.4　斷電停車

（1）斷電停車的原理硅棒切割的時(shí)間長，每根硅棒的價(jià)值高。因此切片機(jī)需要具備當(dāng)工廠或車間斷電時(shí)，線網(wǎng)能夠不斷線停止的功能。DC24V UPS提供設(shè)備所需的控制電源。驅(qū)動(dòng)電源由電機(jī)制動(dòng)的能量產(chǎn)生。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器檢測到直流母線電壓低于判斷閾值時(shí)，觸發(fā)斷電停機(jī)程序。主軸在停止時(shí)采用MC_STOP命令，不考慮加速度。

（2）直流母線器件的選擇直流母線組件的構(gòu)成，包括制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻（峰值100kW）、外部電容。

·ALM能夠直接連接的電容最大為20mf。ALM和電機(jī)模塊總共6mf電容。可以再增加12mf的電容。

·選用耐壓450V的電容，先串聯(lián)后并聯(lián)。并增加均壓電阻和熔斷器。

·根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行功率45kW估算動(dòng)能，通過電容儲(chǔ)能功能計(jì)算電容壓降過程的能量。電容可以使用28ms。這段時(shí)間可以提高停機(jī)過程的安全系數(shù)，保證設(shè)備不斷線。

表1 電容儲(chǔ)能計(jì)算

（3）停機(jī)加速度的控制方法當(dāng)主軸電機(jī)使用同步電機(jī)時(shí)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)電壓PID控制器。使用直流母線電壓作為PID的反饋值，PID設(shè)定值是直流母線電壓。同步電機(jī)的扭矩比較準(zhǔn)確，可以在進(jìn)線電源斷開的情況下，將電壓調(diào)節(jié)得很平穩(wěn)，波動(dòng)小于10V。

當(dāng)主軸電機(jī)使用異步電機(jī)時(shí)，不宜使用電壓PID控制器。因?yàn)楫惒诫姍C(jī)的扭矩隨直流母線電壓而波動(dòng)。而扭矩波動(dòng)又會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓波動(dòng)。形成正反饋，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此我們選擇一種簡單的策略，使用固定減速度，12~15m/s，保證制動(dòng)能量能夠補(bǔ)充直流母線的消耗。此時(shí)母線電壓達(dá)到750V，制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻開始工作。因?yàn)殡妷耗軌蚍€(wěn)定在750V，電機(jī)的輸出扭矩比較平穩(wěn)。

6　總結(jié)

西門子S7-1500 PLC和SINAMICS S120伺服驅(qū)動(dòng)器的可靠性獲得市場認(rèn)可，成熟的控制方案保障了設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，面向未來更高速的45m/s和50m/s切片機(jī)，西門子也推出了轉(zhuǎn)速和功率更高的新款伺服電機(jī)，提出了具備競爭力的解決方案。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年6月刊