基于PLC的風(fēng)力發(fā)電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制方法研究

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

0 引 言

由于環(huán)境污染愈發(fā)嚴(yán)重，迫切需要一種新型無污染的能源。風(fēng)力發(fā)電作為一種對環(huán)境無污染的新型可再生能源受到人們的追捧。而由于受到復(fù)雜的地理環(huán)境和氣象環(huán)境的影響，風(fēng)電輸出功率具有比較強(qiáng)的隨機(jī)性和波動(dòng)性，因此風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模并入電網(wǎng)將會(huì)產(chǎn)生不利的影響[1-2]。怎樣降低風(fēng)電的波動(dòng)性滿足并網(wǎng)條件就成了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，儲(chǔ)能技術(shù)是當(dāng)前平滑風(fēng)電功率波動(dòng)最有效的方式之一。儲(chǔ)能設(shè)備成本快速下降、性能大幅度提升，使得儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電的平抑輸出功率波動(dòng)性上的應(yīng)用趨于熱門。利用蓄電池和超級(jí)電容各自的優(yōu)缺點(diǎn)形成互補(bǔ)性，基于PLC的核心控制作用于蓄電池和超級(jí)電容器，使其吞吐能力起到了平抑風(fēng)電功率波動(dòng)性的目的，即風(fēng)力發(fā)電輸出功率快速增大時(shí)，PLC控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收功率；反之則控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放功率[1-5]。

隨著工業(yè)控制領(lǐng)域的快速發(fā)展，PLC作為一種可編程的存儲(chǔ)器，用于內(nèi)部存儲(chǔ)程序、執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)與算術(shù)等指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的工業(yè)生產(chǎn)過程[5]。PLC具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、編程簡單、功能強(qiáng)大、成本低廉等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域中。總結(jié)上面所述優(yōu)勢，將PLC應(yīng)用在以蓄電池和超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，能快速響應(yīng)調(diào)節(jié)混合儲(chǔ)能的充放電，平抑風(fēng)電的輸出功率，使蓄電池和超級(jí)電容器的SOC荷電狀態(tài)穩(wěn)定在可靠范圍之內(nèi)，避免蓄電池和超級(jí)電容器過充過放，延長其使用壽命。

1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 控制要求

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以PLC為核心控制器，將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)分為儲(chǔ)能階段和釋能階段，由電力采集模塊將風(fēng)力發(fā)電輸出功率的采集信息傳到PLC控制器中，與滿足電網(wǎng)要求的功率設(shè)定值進(jìn)行比較：當(dāng)采集值大于設(shè)定值時(shí)，即風(fēng)力發(fā)電輸出功率大于并網(wǎng)需求功率時(shí)，向混合儲(chǔ)能中輸入功率；當(dāng)采集值小于設(shè)定值時(shí)，即風(fēng)力發(fā)電輸出功率小于并網(wǎng)需求功率時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率。

1.2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成

除了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和AC/DC變換器外，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括PLC主控制器、電力參數(shù)采集模塊、DC/AC變換器、通信模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、顯示屏。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)將PLC作為控制器把各個(gè)模塊連接起來，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 控制過程

采用蓄電池和超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電輸出功率進(jìn)行平抑的控制方法，是將風(fēng)力發(fā)電的輸出功率分為高頻與低頻部分，用蓄電池與超級(jí)電容器進(jìn)行功率補(bǔ)償[4]。

在研究混合儲(chǔ)能的控制方法時(shí)，風(fēng)電機(jī)組接收到的風(fēng)速是平均風(fēng)速，由于國網(wǎng)調(diào)度的需要，在進(jìn)行功率的參考值設(shè)定時(shí)，一定時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)調(diào)度需要的功率是穩(wěn)定不變的[3-5]。

蓄電池由于能量密度大，價(jià)格較低，經(jīng)常應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)中，但其功率密度小，不能應(yīng)用于大功率、頻繁的充放電場合。若單獨(dú)使用蓄電池充放電，會(huì)縮短蓄電池的使用壽命，因此將蓄電池應(yīng)用在平抑風(fēng)電輸出功率的低頻部分。而超級(jí)電容器由于功率密度大，充放電速度較快，將其應(yīng)用在平抑風(fēng)電輸出功率的高頻部分[6-8]。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償功率公式為

ΔΡ=ΡW-PK

式中：ΔP為蓄電池需要補(bǔ)償?shù)墓β剩籔W為風(fēng)力發(fā)電輸出功率；PK為電網(wǎng)調(diào)度需要輸入的穩(wěn)定不變功率。

若ΔP>0時(shí)，即風(fēng)力發(fā)電輸出功率大于電網(wǎng)調(diào)度需求功率，向混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量；ΔP<0時(shí)，即風(fēng)力發(fā)電輸出功率小于電網(wǎng)調(diào)度需求功率，則由混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行功率補(bǔ)償。低頻功率部分由蓄電池進(jìn)行補(bǔ)償，高頻部分由超級(jí)電容器進(jìn)行補(bǔ)償。為了使混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電能力得到保證，并發(fā)揮超級(jí)電容器反應(yīng)速度快和儲(chǔ)能電池容量大的特點(diǎn)，利用電池荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)分級(jí)優(yōu)化平抑混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電功率，此方法在實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電有功功率波動(dòng)平抑的同時(shí)，使混合儲(chǔ)能系統(tǒng)整體較高的充放電能力得以實(shí)現(xiàn)，充分利用超級(jí)電容器反應(yīng)速快和儲(chǔ)能電池容量大的特點(diǎn)，維持儲(chǔ)能器件SOC在合理范圍，避免了儲(chǔ)能設(shè)備的過充過放。

3 PLC模塊設(shè)計(jì)

平抑風(fēng)電功率的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)的數(shù)學(xué)計(jì)算以及分析，西門子生產(chǎn)的PLC控制器能滿足混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制要求。PLC控制器運(yùn)算速度快、邏輯分析準(zhǔn)確，其可靠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)性都為PLC應(yīng)用在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中提供了可能。

3.1 CPU模塊

當(dāng)前市場上大多數(shù)采用的PLC產(chǎn)品為PLC-200。PLC-200系列可靠性高，指令集豐富，便于學(xué)習(xí)，操作簡單，內(nèi)置集成功能豐富，通訊能力較強(qiáng)。PLC-200CPU模塊主要有CPU224CN、CPU221、CPU224-XP等，不同的CPU型號(hào)對應(yīng)的功能不同。為了所提控制要求，這里采用的CPU模塊為S7-224CN[6]。

3.2 I/O模塊

I/O模塊具有PLC與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換的功能，其將系統(tǒng)中各種數(shù)據(jù)與信息連接起來，并傳送到PLC控制器中進(jìn)行處理與傳出。PLC224CN型 CPU的I/O地址分配如表1所示，模擬量輸入地址分配如表2所示。

表1 I/O地址分配

表2 模擬量輸入地址分配

4 PLC軟件設(shè)計(jì)

PLC作為混合儲(chǔ)能平抑風(fēng)力發(fā)電輸出功率功能的核心控制器，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的過程中需要對重要的參數(shù)進(jìn)行初始化，使其滿足系統(tǒng)任務(wù)的設(shè)定；對I/O端口的設(shè)計(jì)，使其能夠準(zhǔn)確讀取參數(shù)傳送到PLC核心控制器中進(jìn)行處理，完成對混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制作用；對整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制作用進(jìn)行分析，寫出整個(gè)系統(tǒng)的控制主流程圖以及子流程圖；基于PLC任務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)控制程序，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，PLC應(yīng)能夠及時(shí)發(fā)送停機(jī)指令，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)安全的運(yùn)行。PLC工作方式采用循環(huán)掃描方式，在輸入采樣階段對所有的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，然后對被控制量執(zhí)行編程程序，在輸出階段根據(jù)執(zhí)行結(jié)果輸出到輸出接口。

PLC結(jié)構(gòu)緊湊，編程指令豐富，性價(jià)比較高，抗干擾能力強(qiáng)大，PLC中程序?qū)⑼獠磕M量信號(hào)經(jīng)過邏輯運(yùn)算處理轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC的脈沖信號(hào)輸出[10-12]。將功能強(qiáng)大的PLC作為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心控制器，使混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)在平抑風(fēng)電輸出功率時(shí)可靠性高，系統(tǒng)維護(hù)方便，保證風(fēng)電輸出功率安全平穩(wěn)地輸出到電網(wǎng)中。

4.1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

由于整個(gè)控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，可采用模塊化的方式把一個(gè)復(fù)雜的程序，分解成兩個(gè)或若干個(gè)便于理解和調(diào)用的過程，使整個(gè)程序段變得簡單，每個(gè)模塊都具有各自的子功能。采用模塊化進(jìn)行系統(tǒng)編程，加上一定的運(yùn)行條件和邏輯判斷實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的功能。在進(jìn)行編程時(shí)，需要注意降低軟件編程的復(fù)雜性，提高理解能力和維護(hù)能力，模塊不能任意劃分，在分解時(shí)應(yīng)保證其具有獨(dú)立性。因此將控制程序分為主程序和子程序，主程序主要用于系統(tǒng)的初始化以及子程序的調(diào)用，子程序主要應(yīng)用于具有獨(dú)立功能的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制程序段。模塊化的程序設(shè)計(jì)有利于后期的系統(tǒng)調(diào)試以及程序的修改。主程序、混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)子程序流程如圖2、圖3所示。

圖2 主程序流程

圖3 子程序流程

程序初始化是對程序中準(zhǔn)備使用的寄存器設(shè)定初始值，因?yàn)镻LC有斷電保護(hù)作用，通電之后其數(shù)據(jù)分配被打亂，因此要對這些數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行清零與復(fù)位操作。程序初始化流程見圖4。

圖4 初始化流程

4.2 PLC編程軟件的設(shè)計(jì)

采用西門子公司PLC-200系列的編程軟件Step 7編寫PLC程序。PLC-200編程軟件常采用梯形圖以及語句表，梯形圖由于直觀、實(shí)用、形象，是當(dāng)前工業(yè)控制領(lǐng)域最為常用的PLC編程語言。梯形圖以網(wǎng)絡(luò)為單位，邏輯順序按從左到右、從上到下的順序進(jìn)行[9,12]。部分梯形圖如圖5所示。

5 仿真分析

將所提的以PLC為控制器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，對風(fēng)力發(fā)電的功率波動(dòng)控制策略在Matlab/Simulink中進(jìn)行仿真分析。以額定功率為0.5 MW的風(fēng)機(jī)輸出功率數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5 部分梯形圖

圖6 風(fēng)機(jī)輸出功率曲線和混合儲(chǔ)能平抑后功率曲線

圖7 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC狀態(tài)

由圖6可知，混合儲(chǔ)能結(jié)合了蓄電池和超級(jí)電容器兩者的優(yōu)點(diǎn)，蓄電池平抑風(fēng)電輸出功率的低頻部分，超級(jí)電容器平抑風(fēng)電輸出功率的高頻部分，兩者能夠很好地平抑風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)性。

由圖7可知以蓄電池和超級(jí)電容器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)工作于25%～75%之間，始終在可靠范圍之內(nèi)，避免了蓄電池與超級(jí)電容器的過充過放，保證了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性。

6 結(jié) 語

先是分析了風(fēng)力發(fā)電的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，以PLC作為控制器，利用PLC成熟的技術(shù)應(yīng)用在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電輸出功率波動(dòng)性的平抑上；再是設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主流程圖以及子流程圖，在PLC的編程軟件中設(shè)計(jì)了梯形圖。通過對整個(gè)控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，較好地解決了風(fēng)力發(fā)電在并網(wǎng)中的波動(dòng)性問題。