基于S7—200PLC光伏供電自動切換控制系統

孟彥京+劉青

摘 要： 光伏發電在實際應用中用戶端的負載是不斷變化的，當一臺變壓器下有多個用戶且只有單個用戶使用光伏時，如果光伏輸出電流大于負載消耗時，會發生逆流現象，這種現象不利于同一變壓器下各個用戶之間電費的結算。為了解決這一問題，通過S7?200PLC設計一套自動切換系統，采集負載端的電流信號，根據電流變化情況通過PLC控制并網逆變器的輸出負載對象，最終達到了光伏并網逆變器和負載之間的最佳匹配，消除逆流現象，便于用戶之間電費的結算。此系統正式投入使用以來一直處于正常運行狀態，并且達到了預期的效果。

關鍵詞： 光伏發電； PLC控制； 負載消耗； 自動切換； 消除逆流； 并網逆變器

中圖分類號： TN830.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）02?0107?04

Abstract： In practical application of photovoltaic power generation， the load in the client side changes constantly. When a transformer controls multiple users and only one user is using the photovoltaic power， reversal current phenomenon may occur if the photovoltaic output current is greater than the load consumption. This phenomenon is not conductive to electricity settlement among the individual users controlled by the same transformer. To resolve this problem， an automatic switching system based on S7?200PLC is designed to collect current signals in the load side. The output load object of the grid?connected inverter is controlled by PLC according to current change. Finally the best match between the photovoltaic grid?connected inverter and the load is reached and the reversal current phenomenon is eliminated， which facilitates the settlement of users′ electric charge. The system has been in normal operation and has achieved the expected effect since it was put into use.

Keywords： photovoltaic power generation； PLC control； load consumption； automatic switch； reversal current elimination； grid?connected inverter

0 引 言

光伏發電由于受到天氣影響，輸出功率變化范圍較大。通常為了充分發揮太陽能的效益，自發自用的光伏發電系統裝機容量一般遠小于用戶的總用電量。但是對于擁有兩個以上變壓器和三相不平衡的用電情況，對于光伏發電[1?3]來說，可能出現由于接入負載某時段小于光伏發電量以及三相不平衡導致光伏系統向電網逆向供電，即所謂逆流現象。實際上對于用戶來說，總的負荷是小于光伏發電量的，由于不能充分利用太陽能的裝機容量，因此實際上就造成了額外的經濟損失。另外由于太陽能發電變換器的輸出通常是設計成三相平衡和功率因數[4]為1的工作狀態[5]，所以當三相不平衡供電時，還可能造成三相中某一相或兩相向電網逆流的問題，同時配置不合理還有可能造成網側功率因數下降。本文針對用戶為多個變壓器供電和光伏發電多個并網逆變器[6]并聯的情況設計了一種由PLC為控制中心，通過電流檢測和平衡性判斷進行自動切換的控制系統解決光伏發電的逆流和充分利用問題。包括負載的切換和逆變器的切換在內，防止逆流發生，同時也使功率因數得到提高。

1 光伏發電系統配置情況

本光伏系統配置情況，由一個500 kW并網逆變器與三個100 kW并網逆變器組成，總輸出功率為800 kW。

供電對象為陜西某建材市場，該市場與另外一建材市場共用一個高壓電表，如圖1所示，高壓電表下的1，2，3號高壓柜為該建材市場所用，1，2，3號負載則為光伏供電負載，其負載功率分配分別為：1號負載總功率為519.662 kW；2號負載總功率為271.766 kW；3號負載總功率為519.860 kW。

2 防逆流的光伏發、供電系統設計

由于負載通常情況下是變化的，在光伏發電并網時會出現當前負載的功率小于當前光伏并網的輸出功率，因此在滿足負載消耗之后，所剩余的電量則會發生逆流現象；同時，光伏并網逆變器輸出始終保持在三相平衡，并且功率因數為1的狀態[7]，而負載的分配如果是三相不平衡的，就有可能會出現三相中一相或兩相是處于光伏供電狀態，另外兩相或一相處于逆流狀態；如果當市電的高壓電表下的負載都是同一用戶，則影響不大，但實際上有兩個用戶同時用電，則逆流會增加各個用戶和電網之間以及各個用戶內部電量計量的難度，因此必須防止逆流現象發生。endprint

為了防止逆流的發生，就必須保持光伏的并網輸電功率小于負載的消耗功率，為此設計一種用PLC控制的光伏供電自動切換控制系統，根據當前不同線路的用電情況選擇投入不同功率的并網逆變器，其供電示意圖如圖2所示，現結合實際用電情況將四個并網逆變器分成三組，即500 kW并網逆變器單個為500 kW功率輸出，兩個100 kW逆變器輸出端并聯組成200 kW功率輸出，剩余一個100 kW逆變器為100 kW功率輸出，將三組并網逆變器的輸出端分別接在高壓柜1和高壓柜3的低壓側，通過閉合不同的交流接觸器來切換并網逆變器的輸出對象。高壓柜2停用，其2號負載與1號負載并聯，通過高壓柜1供電，因此，只要根據當前負載的消耗情況投入輸出功率小于負載消耗功率的并網逆變器即可防止逆流發生。但必須注意的是，同一并網逆變器不能同時接通兩路負載，防止高壓柜中變壓器并聯而發生意外。

3 系統硬件設計

3.1 PLC硬件設計

結合實際情況，選用S7?200PLC[8]即可實現并網逆變器在負載之間切換的功能，具體控制系統設計如圖3所示。控制系統采用中間繼電器控制外部交流接觸器，KA1～KA6表示繼電器線圈，KM1～KM6表示交流接觸器上的常開觸點，當外部交流接觸器線圈得電時，交流接觸器吸合，常開觸點閉合，常閉觸點斷開，接通并網逆變器與對應的變壓器，光伏對負載正常供電，并且通過常開觸點將輸出信號反饋給PLC的輸入端口I0.0～I0.5。

通過常閉觸點在KM1與KM2，KM3與KM4，KM5與KM6之間相互形成機械互鎖，具體實施是將KM1的常閉觸點串聯在KM2的接通回路中，同樣，將KM2的常閉觸點串聯在KM1的接通回路中；KM3與KM4，KM5與KM6之間亦是如此。

3.2 電流信號采集設計

控制系統對并網逆變器輸出線路的切換是依據當前電路變壓器低壓側的電流變化為條件的，因此需要采集此處的電流信號，因為原系統中低壓側有斷路器和電能表，二者均裝有電流互感器采集電流信號，因此無需再額外加入變流互感器，只需在原系統斷路器的電流采集電路中串進電流變送器，即可取出電流信號，如圖4所示。模擬量輸入模塊采用西門子SM231模塊，將采集到的電流模擬量傳入PLC中處理后轉化為實際值顯示在人機界面中。

3.3 人機界面設計

人機界面采用的是S7?200PLC的TD400C操作屏[9]，如圖5所示。TD400C操作屏是用于系統操作的主要設備，基本功能包括：系統狀態顯示、用戶手動切換、系統自動切換。其顯示功能依靠LCD顯示屏完成，操作功能依靠LCD屏旁邊的15個觸摸按鍵完成。圖中綠色區域為LCD顯示屏，顯示屏右側和下側為按鍵區。

4 控制系統軟件設計

控制系統分為手動控制和自動控制，自動控制狀態下，系統根據當前變壓器低壓側負載電流自動投入和斷開不同的并網逆變器，并且優先選擇負載，最大化光伏的輸出，使并網逆變器的輸出電流始終小于負載消耗電流；手動狀態下，用戶根據自身意愿，選擇并網逆變器的輸出對象，系統不會自動調整優先級。

4.1 信號采集處理

由于采集的電流信號為連續的，因此將三相電流的模擬量采集進來后使用滑動濾波[10]的方式進行處理，得到三相電流每相電流的平均值。并且比較取出1號負載和3號負載三相電流的最小值，分別為Imin1和Imin3，以供切換并網逆變器使用。

4.2 并網逆變器切換以及優先級設置

為了防止逆流的發生，必須保持并網逆變器的輸出電流小于當前負載消耗電流，而光伏并網逆變器的輸出有輸出上限，可以當作定值，因此只需根據當前1，3變壓器低壓側的負載電流大小來選擇投入的并網逆變器，當負載電流大于并網逆變器輸出定值時，投入對應的并網逆變器。當并網逆變器投入之后，從電網側輸入的電流必將減小，即互感器采集的三相電流值會小于并網逆變器的輸出定值，此時必須在程序中設置自鎖，否則會出現并網逆變器的接通、斷開…如此循環，程序自鎖設定當互感器采集電流值小于10 A時認為此時逆變器輸出已經大于負載消耗了，可以斷開當前輸出的并網逆變器，防止逆流發生。同時為了保證3號負載用電的優先級問題，只需對變壓器切換1號負載的程序中，加入3號負載的電流信號，當3號負載電流滿足逆變器切換條件時，逆變器則會首先斷開1號負載，如此就可以達到對于3號負載的優先供電，并且每次當負載電流條件滿足時，程序設定延遲30 s再接通逆變器，以防止變壓器并聯事故。

5 項目結果

表1為改造前的1#負載的用電情況，所有逆變器均只給1#負載供電，時間為每天9：00—17：00，抽取三天同時間段內三相電流的平均值。

從表1可以看出，隨著時間推移，光照強度增大，光伏系統發電量越來越多，由于1#負載三相不均衡，所以出現了兩相電流為零的情況，則表示光伏供電的電流滿足了負載消耗后，其余已經發生了逆流。

表2為改造后的1#負載的用電情況，僅有100 kW逆變器對1#負載供電，200 kW與500 kW給3#負載供電。

由表2可以看出，自從自動控制切換系統投入使用后，1#負載的三相電流并沒有逆流發生。

6 結 語

本文通過使用S7?200PLC控制光伏輸電切換系統，不僅可以防止逆流的發生，而且可以更加有效地利用光伏發電，也便于電網電量、光伏電量與各用戶用電量之間的結算。此系統于2016年8月23日正式投入使用，現一直處于正常運行狀態，并且達到了預期的效果。

注：本文通訊作者為劉青。

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