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【机电一体化毕业论文】服务于制冷行业的高职机电类人才培养模式研究—以山东华宇职业技术学院机电一体化特色专业为例

2014年12月29日 机电一体化毕业论文 ⁄ 共 13448字 ⁄ 字号 暂无评论 ⁄ 阅读 4,324 views 次

摘要:机电类专业是制造业的基础,任何一个工业企业必须要有机电类专业的人才,各个工科院校都设有机电类的专业。然而,通过调研发现,在制冷空调企业的实际工作需求中,非常需要懂制冷与空调方面的理论和技能背景的机电类人才。因此,我们大力推进培养制冷与空调行业所需的机电类人才。

关键词:制冷行业 机电类 人才培养

机电类专业是制造业的基础,任何一个工业企业必须要有机电类专业的人才,各个工科院校都设有机电类的专业。然而,通过调研发现,在制冷空调企业的实际工作需求中,非常需要懂制冷与空调方面的理论和技能背景的机电类人才。因此,我们大力推进培养制冷与空调行业所需的机电类人才,这类人才具有自动化、电气、机械等方面的知识与技能,同时掌握了制冷与空调的相关知识与技能,所以能满足制冷与空调设备的维修、调试、控制系统的设计、控制系统的安装与调试等工作,具有一定的不可替代性,实践证明这类人才在企业中具有明显的竞争优势。

一、研究背景

在国外,对机电一体化人才培养方面的研究,相对国内来说比较超前,如在德国,学生初中毕业后,如对机电感兴趣,以后想从事这方面工作的学生可直接进入企业和职业学校接受“双元制”职业教育培训。法律赋予职业教育证书与普通学历证书同等的地位,实行培训与考核相分离的办法,学校、企业负责培训,机电行业协会出题考试。接受职业教育的学生要获得国家统一颁发的资格证书并不容易,除口试、笔试外,更重视技能操作考核。作为职业教育的主体之一,企业投入非常积极,它们往往利用现成的生产设备对学生进行技能培训,除了负担培训设施、器材等费用外,还必须支付学生在整个培训期间的津贴。

在日本,职业教育的最大特点,在于其发达的企业职业教育,而学校职业教育却并不发达,企业所需要的技术工人,大部分都由企业自己招收高中毕业生进行培养。日本没有全国统一的职业教育标准,而是在企业与雇佣员工签订的劳动合同的框架内实施。所以,企业职业教育的教学目标主要指向与该企业有关的技术后备力量的培养,其教学形式既包括在该企业内部统一组织的课堂教学和车间教学,也包括企业内的在岗培训。其教学内容直接与该企业相应的工作岗位的要求和技术密切相关。当然,企业承担了对职业教育的大部分投资费用。

在美国,职业教育和培训的目标很明确.就是使受教育者在学习期间即具备从事机电专业某个岗位所必须的实际工作能力。课程设置都是围绕培养学生专门技能,提高、发掘学生的素质和潜在能而进行的。其师资的组成上也体现这一特点,每个学校都有30 ~50 不等的兼职教师,他们来自工作第一线,具有丰富的实践经验和很强的动手能力。

在国内,机电一体化产业以其独有的技术带动性和广泛适用性,逐渐发展成为高新技术产业中的主导产业,成为现代经济发展的主要支柱。在此背景下,各高职院校纷纷开设机电一体化专业,以满足社会对该专业人才的需求。据初步调查,山东省内工科类的高职院校纷纷设置了机电一体化专业。同时,“高薪招聘机电类专业人才”的招聘广告处处可见,从市场反馈回来的大量信息表明,我国对高素质、高技能机电一体化专业人才的需求量很大。

目前德州工业体系完整,特色产业明显,在原有装备制造、化工、食品加工、纺织服装四大传统产业的基础上形成了新能源、生物技术、新材料、体育装备、节能环保设备五大新兴产业。“中国太阳城”、“中国功能糖城”、“中国中央空调城”三大城市品牌效应正在凸显,尤其以中央空调产业的发展最具代表性,目前德州中央空调相关生产企业已达到105家,从业人员12.5万人, 2011年实现销售收入过210亿元,预计2015年可超过400亿元。占有市场份额在长江以北达到25%、全国达12%。亚太集团获得“中国驰名商标”。家用中央空调制造业以亚太、中大、格瑞德三家企业为龙头,目前占全市额份的50%。依托龙头企业,带动一批专业化协作企业快速发展,加快扩大中央空调生产能力,不断提升产品科技含量,大力拓展产品市场领域,形成全国重要的中央空调生产基地。而且在整个产业的产业链发展过程中都需要机电一体化专业人才,而且需求量正在逐年升高。

三、研究过程

山东华宇职业技术学院机电一体化技术专业前身是德州中山应用电子学校机电一体化专业,该专业设置于1997年。2003年,德州华宇学校成立并设置机电一体化专业,经德州市教育局协调,德州中山应用电子学校的机电一体化专业并入华宇学校,2004年成立“照东方机电班”,2005年成立“亚太机电班”,2006年设置高职机电一体化技术专业,2008、2009年作为学院重点建设专业投入553.2万元进行建设, 2009、2011、2013年该专业的六门课程被评为省级精品课程,2012年机电一体化专业被评为省级特色专业。该专业办学历史近14年,其发展历程与历史沿革如下:

1、2003年-2006年,以“订单培养”为主体,探索校企合作发展模式,为本专业人才培养奠定了实践基础。

2003年设置了中职机电一体化专业,2004年,我院和山东照东方纸业集团有限公司签订协议,合作成立中职“照东方机电一体化专业订单培养班”;2005年,与投资方亚太集团合作,成立“亚太机电班”,通过订单人才培养,逐步探索校企合作发展的模式,积累了大量的经验,为该专业后续往更高层次的发展奠定了基础。从2003年到2006年,该专业共招收学生860余人,为企业订单培养420余人,为地方经济的发展做出了一定贡献。

2、2006年-2008年初,抓机遇,提层次,培育高职机电一体化专业办学特色

2006年,为适应德州及其周边地区经济发展需求,及时申报了高职机电一体化技术专业,这一阶段,继续深化校企合作,推进专业教学改革,但专业的课程体系仍缺乏先进,专业建设侧重于课程建设,而课程建设偏向于理论教学,专业面向主要是工程应用中机电产品设计、维修的岗位,因教学内容与工作岗位对接不直接,影响了学生就业的对口率。

3、2008年初-2009年,全面推进人才培养模式创新,构建了基于工作过程系统化的专业课程体系

在这个阶段,职业教育改革的步伐加快,专业课程体系按照工作过程系统化进行重构,创新人才培养模式,深化教学模式改革,《电子线路分析与应用》、《电机控制与PLC实践》、《数控机床控制系统故障诊断与维修》、《机电一体化设备安装与调试》等专业核心课程均采用“教、学、做”一体化教学实施教学,由于专业培养方向符合岗位的需求,培养的学生动手能力强,受到社会普遍欢迎。

4、2009年-2013年,抓住德州“中央空调城”的区域优势,依托德州龙头制冷企业,创建校企共同体,对接行业,培养服务于制冷行业的机电一体化专业人才,进入特色发展阶段

从2009年开始,机电一体化技术专业在前期建设的基础上,继续深化校企合作,创新校企合作模式,与本区域制冷行业龙头企业德州亚太集团合作,创建校企共同体(详细见特色部分),推动机电一体化专业与行业的对接,因德州地区在制冷行业企业众多,技术和规模在全省领先,通过市场调研,这些企业对懂得制冷与空调知识的机电类人才需求非常大,因此,机电一体化专业实施了“中央空调”特色的机电一体化专业人才培养模式创新区实践,培养了大量具有制冷与空调知识的机电一体化人才,并与《制冷与冷藏技术》《数控技术》等专业有机组合,服务于制冷行业,逐步形成服务于行业的专业集群,形成鲜明特色,并深入推进与发展。

三、服务于制冷行业的高职机电类人才培养特点

山东华宇职业技术学院办学定位是:立足德州,面向山东,辐射周边,服务区域经济和社会发展。主动适应山东省蓝黄经济发展战略和产业结构调整的需要,紧紧围绕新兴产业、支柱产业和特色产业需求,重点面向先进的制造业、战略性新兴产业。

我们在通过对德州及周边地区制冷行业和企业的广泛调研,分析该行业和企业中机电一体化专业的岗位设置情况,明确职业领域岗位群对各类型、各层次机电一体化人才的能力和素质要求,准确定位机电类专业群的培养目标,制定人才培养方案,以适应区域经济和行业发展需要。通过对职业领域岗位群分析,使人才培养更具有针对性,实现学校学生到企业员工的“零适应”角色的自然转换;通过“专业平台+专业方向”重构专业群,带动机电类专业群建设与调整,提升专业群聚集效应,提高办学效能;通过深化校企合作内涵,促进校企双方互惠互利;通过强化工学结合,引导课程建设、教材建设、师资队伍建设、实习实训基地建设,实现理论—实践双向有机互动,“教、学、工、训”一体化;通过对学生潜能分析挖掘,做到因材施教,改革教学模式,发展学生潜能和智慧;通过合理设计和参加相关技能竞赛,融入职场环境,实现第一、二课堂的有机对接,提升学生技能水平;通过建立“校外兼职辅导师”团队,与学校一道共同开展教学育人工作,提高学生的职业素养、就业能力以及认识社会能力,使培养的学生真正受到企业欢迎。通过建立校园文化和企业文化对接机制,实现学生——毕业生——准员工——企业员工的有机衔接。

1、“校企对接,四岗递进”高职机电一体化技术专业人才培养模式

遵循高等职业教育的基本规律,充分发挥我院校企一家的优势和特色,以提高质量为核心,以职业能力培养和职业素质养成为主线,跨专业整合优质实践教学资源,以工学结合为切入点,继续实施和探索“四岗递进”模式组织教学的有效途径。“四岗”指识岗、学岗、熟岗、顶岗,通常分“三段”组织实施,第一阶段是“识岗”,这个阶段安排在第一学期,主要内容是安排学生到德州亚太集团等校外实训基地进行,以企业文化、岗位职业意识培养为主的企业随岗实习;第二阶段为“学岗”和“熟岗”,此阶段在第二、三、四学期进行,是以培养岗位能力为主的专业技能实习,开设与制冷机电控制相关的专业技术课程,以亚太集团、中大贝莱特集团等企业的技术改造、设备检修、设备保养等项目作为教学项目。第三阶段为“顶岗”,安排在第五、六学期,让学生以企业“准员工”的身份,参与到企业的工作,独立完成企业部分生产、技术岗位的工作。在实践中要全面调查“四岗递进”实施效果并及时改进。

2、高端技能型人才培养体系

以校企合作为平台,实施人才培养模式的改革工程,逐步完善高端技能型人才培养体系。

(1)优化课程体系,加大课程内容改革力度

按照系统化原则、平台模块化原则、职业化原则、多样化原则,以岗位职业技能和岗位适应能力培养为主旨,完善“三平台多模块”的课程体系,满足市场对人才多样化的需求。对接企业生产现场,以产品的生产过程来设计教学载体,优化课程内容。

(2)建立科学完善的实践教学体系,构建校内外实践教学平台

实践教学是职业教育的核心环节,建立完善的实践教学体系,构建校内外实践教学平台,是提高实践教学质量的根本保障。以提高学生核心职业能力和岗位适应能力为主旨,完善“分层次,活模块,能力递进”的实践教学体系,即:以强化“基本技能”训练为主的基础实践;以强化“专业技能训练”为主的专业实践;以“培养专业综合和创新能力”为主的综合与创新实践,设计实践教学体系;以“满足学生的个性需求”为主,通过灵活设置必修或选修模块而形成的多个实践模块。

(3)建立职业素质教育体系,促进学生职业素养与职业能力的提高

按照课内与课外相结合的思路,围绕思想政治与道德修养、社会实践与志愿服务、科技与创新创业、文化艺术与身心发展、社团活动与社会工作,以讲座、社团活动、课外科技活动、文体活动、社会调查、社会实践等形式开展丰富多彩的第二课堂活动。将第二课堂内容纳入人才培养方案,并进行考核。同时,组织开展各级各类的技能大赛,形成职业素质与职业能力提高体系,培养学生高尚的思想品德和良好的综合素质。以技能大赛为抓手,大力提升学生技能水平,建立完善的技能大赛组织训练体系,定期举办系、院级技能大赛,积极参加省、国家级技能大赛,实现技能大赛常规化、制度化。充分鼓励学生参加各级各类赛事,使学生通过大赛得到锻炼,促进职业素养和职业能力的提高。

3、校企合作,共同完善高职机电一体化技术专业教学质量监控保障与评价体系

在原有人才培养质量管理体系和质量监控体系的基础上,校企共同构建质量保障体系。根据全员参与、全过程控制、持续改进的理念,制定教育教学质量标准及与之配套的管理运行制度和实施细则。制定符合专业培养目标和人才培养方案实施的质量标准,完善现有的“多元化”评价体系 、“多证书”评价制度、就业服务质量评价体系、建立社会综合评价系统,通过各关键环节的信息采集,综合分析评价人才培养质量,优化教学质量保障体系。

(1)完善教学信息采集系统

健全教学信息网络,通过学生教学信息员反馈、问卷调查、不定期检查等方式广泛收集教学信息,及时了解教学动态;通过走访、问卷、检查顶岗实习日志等形式,及时掌握学生顶岗实习动态;建立校友网、联合社会机构如麦可思人力资源信息管理咨询公司开展毕业生调研,收集毕业生相关信息;通过企业调研,了解区域经济社会发展状况、技术发展趋势等信息;每年开展状态信息采集;将各类信息作为调控教学过程、改进教学工作和调整教学质量标准的重要依据。

(2)完善校企联合开展教学督导的机制

加大选聘行业企业专家作为兼职督导员的工作力度,发挥企业兼职督导员的优势,并向学院提出改进顶岗实习的意见和建议,使顶岗实习这一教学环节质量不断提高;转变教学督导方式,除继续开展课堂教学督导外,重点加强专业建设、课程建设、实训基地建设计划执行情况的督导,以提高学院专业、课程、实训基地的整体建设水平。

(3)构建符合工学结合要求、具有学院特色的专业评价体系

根据教育行政主管部门有关示范性高职院校、骨干高职院校和人才培养评估以及“质量工程”等建设的要求,结合学院工作实际,引入行业企业专家、教育专家共同制订符合工学结合要求、具有学院特色的专业评价指标体系,涵盖校企合作、课程、师资、实训基地建设、社会服务等内容,每年对专业评价一次。

(4)完善人才培养质量反馈体系

按照《人才培养各主要环节标准》和《教师教学工作规范》等文件中规定,课程组要在课程教学工作结束后,召开课程教学分析会,对课程教学(课程设置、内容选取、方法手段、考试考核等)进行总结。专业每年召开一次人才培养质量分析会,分析人才培养工作评估专家反馈意见、专业自检自查结果、毕业生调查报告、用人单位反馈意见等,及时调整人才培养目标、课程设计、教学内容,改进教学方法。

四、研究意义

1、学生综合素质与能力得到大幅度的提升

在人才培养的过程中,遵循了“首岗适应、多岗迁移、可持续发展”的培养理念,通过开展第二课堂、鼓励学生参加各级各类大赛等活动,按照“重构课堂、联通岗位、双师共育、校企联动”的教学改革思路,强化对学生创新意识、创新能力及创业能力的教育和培养,学生的综合素质和能力得到大幅度的提高,近几年来,在山东省及全国各级各类职业技能大赛中共获得一等奖两项,二等奖十五项,三等奖六项的优异成绩,遍布在省内外大中小型企业毕业生深受用人单位的欢迎,均能迅速适应工作岗位的要求,很多已成长为用人单位独挡一面的骨干,有些成为管理精英,在行业内特别是德州地区形成了良好的品牌效应。

2、学生就业质量得到大幅度的提高

校企的共融,专业的共建,人才的共育,最终受益的是学生。目前,机电一体化技术专业2011届、2012届、2013届毕业生的签约率已达99%,毕业生成了亚太集团及其他制冷行业企业的“香饽饽”,均为急需的高端技能型人才,学生工资水平普遍比其他院校同类专业的学生高出10%以上,学生的对口率和稳定度也得到了很大的改善。

3、教学改革成效突出

目前该专业教师已取得省级教育教学成果三等奖2项;完成省级科研立项2项、院级课题和横向课题25项,在研国家级教科研项目1项、省级教科研立项5项,发表科研论文94篇。建成《数控机床控制系统故障诊断与维修》、《电子线路分析与应用》、《电机控制与应用》、《PLC程序设计与实践》、《变频驱动装置调试与应用》、《自动化生产线安装与调试》六门省级精品课程。先后主编了《可编程控制器实训教程》、《电子线路分析与应用》、《数控设备与维修技术》、《电机控制与应用》等教材9部,自编实验(实训)指导书6本。特别是2009-2010山东省职业院校基础课程教学改革项目《<电子线路分析与应用>课程教学改革的研究与实践》,2011年经省教育厅组织专家验收,结论为优秀。2014年,《电子线路分析与应用》课程改革的研究与实践获山东省职业教育教学成果三等奖。

参考文献

建筑光伏系统微电网共网控制装置研究

一、光伏微电网逆变控制装置发展现状

进入21 世纪以来,随着石油价格的日益上涨,世界范围内的能源供应持续紧张,合理开发利用绿色能源已经成为一个重要课题。开发利用清洁高效的可再生能源是解决未来世纪能源问题的主要出路。目前常见的几种新能源包括太阳能、风能、生物质能等,均为分布式电源(distributed energy resources,DERs)。相应的一些发电技术称为分布式发电技术(distributed generation,DG),又称分散式发电,也是新能源分布式并网发电。利用太阳能分布式并网发电我们可称之为PVDG, 指的是通过在配电网侧建立单独的太阳能并网发电单元来对用电负荷进行供电,并通过公共连接点(PCC)接入电网。分布式发电一般靠近负荷用户,同时又由于发电的位置离负荷距离较近,故还可以提高电能质量和供电的可靠性。大电网与太阳能分布式并网发电相结合,被欧美国家认为是降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式。综上所述,太阳能分布式并网发电PVDG主要有以下几个特点:

(1)利用新能源发电。

(2)减少污染排放,绿色环保。

(3)提高电能质量和供电的可靠性。

(4)减少了由于电能远距离传输所带来的线损和各种稳定方面的问题。

(5)延缓了由于负荷不断增长所造成的电网的不断膨胀。

(6) 用电高峰时削峰作用。

(7) 对电力不稳定地区提供稳定的电能。

尽管太阳能分布式并网发电PVDG有投资低、环保好、灵活性高等优点,但是我国现有政策对太阳能分布并网发电的支持力度很低,目前只允许以特许权方式在输电侧做太阳能集中式并网发电PVCG和在部分“金太阳工程”自发自用,除此之外太阳能分布式并网电PVDG项目要做防逆流装置,不允许太阳能电流逆向流入电网。如下图所示。同时并网标准的防孤岛保护功能做了规定:当电力系统发生故障时,PVDG必须马上退出运行。这就更加的限制了太阳能并网发电的充分发挥,也间接限制了对新能源的利用。为了能尽可能地利用分布式发电所带来的经济效益和对可靠性的改善,并尽量减少其对主网的冲击,我们提出了光伏微电网(PVMG)的概念。

光伏微电网PVMG是在现有的太阳能分布式并网发电PVDG系统基础上将双向共网逆变器、安全开关、储能单元等设备并联在交流总线上,直接接在变压器的用户侧。对于大电网来说,光伏微电网PVMG可被视为电网中的一个可控单元,当电网断电时,它可以在0.2秒钟内动作停止向电网供电;对用户来说,光伏微电网PVMG可以满足自发自用,即发即用要求,同时在电网因计划、自然灾害、事故等原因中断后,可以持续向重要负载供电的功能。并可增加本地可靠性、降低馈线损耗、保持本地电压稳定及提供不间断电源等。光伏微电网PVMG和大电网通过公共连接点(PCC)进行能量交换,双方互为备用,从而提高了供电的可靠性和新能源的利用率。为了方便对名称辨识,我们如下汇总:

名称 简写 能源组成类型 功率级别

分布式电源 DERS 燃气轮机、风能、太阳能、生物质能 100MW

分布式发电技术 DG 燃气轮机、风能、太阳能、生物质能 100MW

太阳能分布式并网发电技术 PVDG 太阳能 100MW

微电网 MG 燃气轮机、风能、太阳能、生物质能、小型水电、燃料电池、柴油发电机、储能单元、功率控制变换装置。 30MW

光伏微电网 PVMG

太阳能、燃料电池、柴油发电机、储能单元、功率控制变换装置。 100KWp(光伏)

建筑光伏微电网 BIPVMG 太阳能、柴油发电机(选配)、储能单元、双向逆变器等装置。 50KWp(光伏)

二、建筑光伏微电网技术及应用

与离网太阳能市场相比,并网市场规模巨大。由于并网市场的投资极大,因此有性价比很高的太阳能板和逆变器可供使用。这些产品对于小型的离网系统是不适合的,但可用于中等规模的系统,从几个到几十千瓦,典型的小型电网(Mini-grid)。并网逆变器输出端需连接交流电网,此电网可由双向逆变器(逆变充电一体机)建立。如果电压和频率在可接受的范围内,并网逆变器将会认可这就是电网,连接在这个孤岛系统的电网上,开始正常太阳能并网发电。

并网逆变器普遍带MPPT功能,能将所有的太阳能发电回馈到电网上,使投资效益最大化。但在建筑光伏微电网系统里,情况有所不同,因为要达零逆流的状态,能量输出与负载消耗需要进行匹配。如果,太阳能发电比负载消耗多,多余的能量会充到蓄电池里。如果蓄电池满了,太阳能发电需要减少或停止或消费掉,避免蓄电池过充。能量管理可以通过由开关电路来进行(接通/断开发电源)和使用倾泻负载或其它控制方法(如通讯…)。这种对并网逆变器的管理,还可简单通过改变电网频率来实现,无需增加额外的器件。这种频率管理方式,就可以通过Xtender共网双向逆变器来实现。下面介绍了有关建筑光伏微型电网设计新的理念和相关一些概念。

3.1通过移动频率来管理并网逆变器的几种方式

3.1.1、移频调节ON/OFF(开关)方式

并网逆变器被设定成只接受,电网规定的极限频率范围内。比如德国可再生能源法相关指令要求是47.5到50.2Hz。共网双向逆变器管理其输出电网的电压和频率,电网频率可以被提高,当超过极限值时,并网逆变器就会自动关闭(防孤岛保护)。

系统运行的不同情形:

(1)、太阳能发电小于负载的耗电:并网逆变器进行最大功率跟踪,所有的太阳能发电只能满足负载一部分需要。

(2)、太阳能发电功率大于负载耗电:

a. 蓄电池没有充满:并网逆变器进行最大功率跟踪,所有的太阳能发电提供给负载,多余部分给蓄电池充电。

b. 蓄电池已充满:并网逆变器工作,并随着电网频率上升而关闭,对蓄电池进行顶部充电(恒压充电)。这种方式看起来像是慢速的PWM调节。

一台设置为德国电网模式(standard DE setting)的IG 20与Studer XTM2400-24进行测试。系统还包括一个恒功率负载和一个由直流电源模拟的恒功率输出的太阳能发电装置。当并网逆变器工作时,蓄电池在被充电(下图中正电流),关闭时蓄电池在放电。蓄电池组由一些旧的250安时铅酸蓄电池组成。Xtender系列双向逆变器带有数据采集功能,一天之中每分钟保存一个点,记录通过开关方式的管理系统,其运行状况可以清晰地展示出来。

如果系统中包含多个并网逆变器,而且防孤岛保护的最大频率可以进行设置,非常有意思的是,并网逆变器可以被设置成一个接一个关闭,例如第一个在50.2Hz停止工作,第二个在50.5Hz关闭。因此,我们可以分两步来调节太阳能板产生的能量。

3.1.2移频方式调节功率类似中压指令

在2009年,德国的可再生能源法(EEG)中电网规范已经设定新的要求,其中一条对于微型电网/交流并接的应用具有特别的吸引力。频率与动态的功率下降成函数关系。当频率上升时,并网逆变器不是简单的停机,而是其功率输出在50.2Hz到51.5Hz之间线性下调。

通过稍微改变其输出频率,双向逆变器(蓄电池逆变器)就能够在孤岛系统中,控制光伏组件发出的能量,从而保持发电-耗能-存储之间的平衡。与ON-OFF开关模式相比,这是一种更加精确的控制模式。

图2:频率决定功率输出。

目前这个规定只是针对高压和中压,还没有应用在低压的并网逆变器上。从技术方面来讲,这种控制方式在低压逆变器上实施不是很复杂,只是对控制软件进行简单的修改。然而截止到目前,各个逆变器制造商的兴趣不大,原因是离网市场的规模小,其中的微网市场更小。

图3: 测试台

但是,已经有一些品牌的并网逆变器当连接到低压的230V/50Hz电网上时,可以激活这个控制方式。频率从50.2上升到51.2Hz功率,逆变器功率输出下降一半,超过51.5Hz停止输出。这功能已经是一个很好的改进,随着频率上升,控制最大50%逆变器输出。举例,如果是1KW负载,一个IG20并网逆变器能降低其输出功率(额定1650W)到1KW,精确地匹配负载的耗能。这时,蓄电池已经被充满,并网逆变器的输出只是精确满足负载。

3.1.3移频方式线性功率调节

相比上面提及ON/OFF方式和部分功率降低BDEW模式,更加优化的控制方法是,并网逆变器的功率输出线性变化,由频率来控制。这需要并网逆变器具有这个功能,现在不是所有并网逆变器都可以做到。当这种控制模式被广泛应用时,将会非常有趣,并网逆变器可兼容离网系统里的部件。

图4:离网模式,具有移频方式线性功率调节

在达到参考的电网额定频率(例如50Hz)+1Hz之前,并网逆变器输出功率最大化,在电网频率达到+2Hz时,并网逆变器的输出降为零。在一个50Hz系统的典型应用,电网频率51Hz或小于时,太阳能发电达到最大,在51.5Hz时降到一半,达到52Hz或更大时,太阳能停止向电网馈电。

举例,功率下降与频率成正比的充电曲线:没有类似PWM方式的调节。三段式蓄电池充电曲线很规范。

3.2直流和交流并接进行混合模式

设计建筑光伏微电网和太阳能的农村电气化系统采取混合系统的解决方案,现在已经被广泛接受。目前,标准的配置是使用直流母线、或交流母线或是直流和交流母线混合。系统集成商对于每个独立的系统趋向于采取一个最佳的混合设计。我们将主要关注这种混合,有充分理由证明,不要采用只有直流或只有交流。采取所谓的“部分交流并接”概念。

考虑到效率,交流并接和直流并接是不一样的。

负载耗能曲线决定总的效率:

• 如果在白天有多余的太阳能而且必须存储在蓄电池里,直流并接具有更高的效率。

• 如果太阳能在白天被直接使用,采取交流并接可以减少一次能量转换损失

以下的计算用于估计比较两种设计

Grid inverter efficiency(并网逆变器效率):

Battery inverter efficiency(双向逆变器效率):

DC solar charger efficiency(MPPT充电控制器效率):

Battery storage efficiency(蓄电池储能效率):

前提是并网逆变器产生的能量必须存储在蓄电池里供晚上使用。当给负载供电时,蓄电池可用能量占到太阳能发电的初始能量 :

在白天,并网逆变器发出的能量被负载直接使用:

在白天,连接在直流蓄电池侧由MPPT充电控制器转换的能量,然后存储,稍后被使用

在白天,连接在直流蓄电池侧由MPPT充电控制器转换的能量,直接被负载使用

太阳能效率 DC-coupled

直流并接 AC-coupled

交流并接

存储在蓄电池里的能量(负载夜间用电) 70.6% 66.4%

直接被使用的能量(负载白天用电) 88.3% 96%

如果使用存储在蓄电池里的能量,交流和直流并接效率差别不是很大,相差3.5%。如果在白天,负载使用太阳能,效率差别就比较大,通过避免一次能量转换损失,交流并接具有8%的效率优势。

关于直流并接,以上效率比较是针对使用先进的MPPT充电控制器。如果使用传统的串联或并联调节的太阳能充电控制器,效率值将大大不同。目前业界广泛接受,在白天MPPT控制器比直连的控制器,能提高发电效率最高达30%(前提是蓄电池永远充不满)。因此,关于理想的设计是,交流并接让能量直接使用同时直流并接用于储能供晚上使用。但是在实际情况下,安装两个不同类型的太阳能系统不太现实。即使是丧失一点发电效率,安装商更喜欢只有一种设计理念的更简单的系统,

直流并接和交流并接进行混合的设计还具有另外一层含义:提高系统的可靠性。如果交流电网不存在,并网逆变器就不会工作。这是系统的一个弱点:太阳能系统的发电取决于双向逆变器(创建电网)的适当运行。现在可由两个部件来控制蓄电池充电,而不是一个。例如,经过几个阴雨天,蓄电池空了,双向逆变器停止输出,保护蓄电池。当出太阳时,如果没有交流电网,并网逆变器不会启动。交流并接系统在这种情形下会被锁住。如果在直流侧(蓄电池)有太阳能,出现晴天时可以给蓄电池充电,所有系统会重新启动。因此,我们建议交流并接系统在直流侧永远配置一部分太阳能,也就是“部分交流并接”。

3.3 与发电机并接

所有的柴油发电机有着不同的频率特性。通常来讲,功率由频率控制是固有特性,柴油发电机没有负载消耗时,频率就会升高。但不是绝对的,取决于发电机速度控制器的类型。并网逆变器将能量推向由发电机输出建立的电网上,对于所有类型的发电机,这种配置系统的效果无法预测。问题是并网逆变器和发电机如何配合。如果双向逆变器的交流输入端连接发电源,蓄电池会被充电,这永远对的。

如果有疑虑,当柴油机切入到交流母线上时,最好通过继电器关闭并网逆变器。双向逆变器的辅助继电器触点可以提供这个功能。并网逆变器连接到辅助继电器常闭触点,当双向逆变器启动柴油发电机,辅助继电器常闭触点就会变成常开。

图8:发电机的频率特性

带发电机的混合系统,通常的设计是发电机只运行一些时间。可以通过以下两种方式控制:

• 发电机只是偶尔使用,并且根据蓄电池电压启动/停机。

• 系统的容量设计基于发电机每天的发电量。如果这样的系统,最好规划好发电机启动的时间,并且使用自动控制 (蓄电池电压启动/停机)。

发电机最佳的启动时间是,按照时间表定期使用一段时间,在没有太阳但是有负载时,理想情况是晚上使用。与蓄电池供电然后充电相比,最好是负载直接使用发电机的输出能量。通过一个合适定期使用,可以避免能量在蓄电池里循环,获得最佳的发电效率并延长蓄电池寿命。

Xtender双向逆变器可以通过装置上地继电器触点管理发电机。时间表和蓄电池状态的条件,可以进行编程用于触发这些继电器触点。

图9:启动发电机的最佳时间:有负载没有太阳

3.4 微电网测试经验

本节提供了市场上各种不同品牌的并网逆变器实际测试的结果。首先测试并网逆变器和双向逆变器一起工作的稳定性,来评估系统的可靠性。很久以前我们就搭建了这个系统进行测试,测试的目的检验Solsafe方案,这是一个并网装置的备用系统。双向逆变器(带蓄电池)与并网逆变器在交流母线上并接并不是只存在理论上的概念,通过测试证明是可行的。在过去,我们观察到一个问题。因为电网防孤岛检测功能(ENS)导致并网逆变器经常断开。这种现象产生是因为,双向逆变器交流输出阻抗比公共电网要高。有点类似在公共电网上地末端效应。但是目前,对于孤岛效应的检测更加智能化和稳定化。新的测试模式允许并网逆变器与独立的双向逆变器(作为电压源)一起工作,没有问题。

我们进行了各种测试,采用Xtender双向逆变器和IG 30并网逆变器(奥地利Fronius公司)。并网逆变器采用默认设置(德国规则)没有做参数修改,系统工作良好,归功于更加智能和可靠的电网测试。类似的测试还包括与SunnyBoy1700和Powador 2002分别一起测试。可靠性的测试包括:负载启动、系统单元之间额外的阻抗、扰乱电压进行瞬间测试和修改线路上的阻抗。

图10展示了一个系统运行特性,并网逆变器和XTH5000-24由一根长40米额定10A的电缆连接起来,交流母线阻抗高(约1.2欧姆)。1KW负载启动通过打开一个卤素灯实现(当冷态的灯丝启动时电流很大)。电压曲线(黄色)畸变,造成原因是高阻抗的交流母线上大的启动电流,但是并网逆变器(电流黄色)持续工作几乎没有察觉到负载启动。

所有的并网逆变器没有相同的特性。举例,当蓄电池充满时,在出现了多个超频率错误信息后(并网逆变器试图恢复给电网馈电但发现频率过高),并网逆变器会停机20分钟。

总结测试经验,系统地各个部件的要求如下:

• 共网双向逆变器可以很灵活与并网逆变器进行交流并接。展现出来的理念,不仅仅是停留在理论上,市场上有真实的产品可用于测试和实施。通过很多测试已经找到这种,离网和并网逆变器一同使用的系统产生的局限性和问题。进行很多产品组合测试证明,系统是可靠的完全可以在实际系统中使用。

• 共网双向逆变器必须是双向的,能接受来自其交流输出端的“反向”能量。还必须具有能控制并网逆变器的功能,通过频率或继电器信号或通讯方式。

• 逆变充电一体机的功率必须等于或大于并网逆变器的功率,当没有负载消耗时,所有发电都会通过逆变充电一体机。

• 电网连接的测试标准,要比老的阻抗法更加的智能化,否则并网逆变器会打开-关闭很多次(终端效应)。因此,防孤岛功能(老的阻抗法测试)必须屏蔽。并网逆变器采取新的测试模式,无需屏蔽。

• .可靠性和效率的最佳设计,需要根据负载的表现情况,将太阳能板合理分配到直流母线端(通过太阳能控制器)和交流母线端(通过并网逆变器)。

• 部分交流并接在可靠性方面更好;至少有一部分太阳能直接连接在直流蓄电池侧会更加可靠。

可以在离网系统里使用标准的太阳能/风力并网逆变器,建立了太阳能板或风机与一个孤岛的交流微网的接口,这种接线模式简化了系统设计。举例,可以将太阳能板远离蓄电池,安装在不同的地方。直流的电缆要尽可能的短和粗,标准的蓄电池是低电压(12-24-48Vdc),不能远距离传输。

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