基于PLC控制的風光互補發電模擬系統研究

劉志云

（阜陽職業技術學院工程科技學院 安徽阜陽 236031）

隨著煤、石油、天然氣等常規能源存儲量的日益減少，以及常規能源對生態環境的不利影響，諸如太陽能、風能、地熱能等清潔的可再生能源越來越受人們的青睞，他們不僅是清潔能源，還是大自然中取之不盡的可再生能源，且無污染，基于太陽能、風能發電的廣闊前景，大量的太陽能電站、風力發電場如雨后春筍般冒了出來。但是，盡管太陽能輻射面積廣，輻射總量大，由于單位面積上的太陽輻射量有限，且難于收集，一般的太陽能電站對太陽的利用率還不足30%，同樣，風能發電由于風力大小和刮風時間的不確定性，也難以保證足夠的發電量。因此，該設計提出把兩種能源放在同一系統發電，能有效實現互補，而且，采用PLC控制光伏電池陣列和風力發電裝置方向和位置的方法，提高發電效率和系統可靠性。

一、風光互補發電系統總體架構

該系統硬件組成部件包括光源、光伏電池組件、模擬風源、風力發電機、DSP控制器、西門子PLC、蓄電池、逆變器和負載，系統框圖如圖1所示。

圖1 光伏發電系統框圖

硬件設計的特色：模擬日光燈和模擬風源是可動的，形象地模擬真實發電現場，光伏陣列可水平和垂直兩個方向移動，使光伏陣列更準確地追蹤光源，軸流風機尾翼可偏轉，有效防止狂風來臨對風機的損壞。系統智能體現在：光伏供電裝置中的模擬日燈運動、光伏陣列追日控制以及風力供電中的模擬風場控制、側風偏航控制[1]。這些智能化控制均采用西門子公司的S7-200系列PLC編程控制。

該實驗系統用于模擬風光互補發電，它由風力發電部分、光伏發電部分、逆變部分、遠程監控四部分組成。光伏發電部分包括光伏供電裝置和光伏供電控制，光伏供電裝置的光源和光伏電池組件由電機驅動，使光伏組件追隨日光移動，從不同角度采集太陽能，風力發電系統包括風力供電裝置和風力供電系統，風力供電裝置的模擬風場的風力強度用變頻器設置，風向由電機圓周運動改變，風力發電機尾翼偏移由電機驅動，而兩個供電裝置的運動以及系統運行狀態指示燈均采用西門子PLC控制，逆變系統將直流電轉換成工頻交流電供負載使用，監控系統通過HMI界面實現遠程控制。

該裝置模擬風能和太陽能發電，按照系統功能，可分成能產生電能的風力發電裝置和太陽能發電裝置，能控制蓄電池充放電的DSP控制器，能存儲電能的鉛酸蓄電池，能變換交流電的逆變器以及負載六部分，其系統結構圖如圖2所示。整個系統的光伏發電和風力發電在產生電能之前是相互獨立的，對能量采集的智能化調節都有自己的PLC控制系統和信號檢測系統，其中光伏供電裝置設置了光線傳感器、微動開關、接近開關、按鈕為PLC提供信號，風力供電裝置設置了微動開關、接近開關、風速儀為PLC提供信號，蓄電池組用來存儲兩種新能源產生的直流電能，達到互補的目的，蓄電池的電能通過逆變器轉變成交流電，監控系統通過串行通信接口，將光伏和風力發電系統里的電壓表、電流表的數據以及PLC輸入/輸出端信息鏈接到力控組件，實現非現場控制[2]。該系統既實現風能發電又實現太陽能發電，兩種發電技術互補利用，而且能用PLC智能控制，是一個功能強大的新能源發電系統。

圖2 風光互補發電系統結構圖

二、系統組成及各部分的功能

（一）風力發電部分。風力供電裝置包括由軸流風機支架、軸流風機、風機保護罩、風場護欄構成的風源裝置，由電容器、單相交流電動機、風場方向變換機構、滾輪、連桿、萬向輪、接近開關和微動開關等構成的風場方向控制運動裝置，由發電機、輪轂、葉片、機艙、尾舵、構成的風力發電裝置，由直流電動機、側風偏航控制裝置、風速儀構成的風力檢測及發電機自控保護裝置。

風力供電控制系統主要包括電源、西門子S7-200 PLC、風電輸出顯示器、DSP充放電控制單元、觸摸屏、繼電器等部件，為使接線面板美觀，可加接線排，為保護裝置可加一個斷路器。

風力機把風能變成葉片的動能，發電機磁芯電磁感應產生電，然后電能充入蓄電池，而逆變器將產生的電能變成220V工頻交流電并網，以供220V交流負載使用。其核心部件的功能如下：

風速器：用來檢測軸流風機的風量大小，在系統自動工作方式下，風速儀隨時反饋檢測到的信號給PLC，使系統根據風速控制側風偏航。

S7-200PLC：可控制整個風電系統的運動裝置。通過風速儀、按鈕、微動開關和接近開關等信號源，經PLC內部程序邏輯計算，去控制電機的運轉，從而模擬風源的不同風向，以及側風偏航的啟動或恢復。

側風偏航控制機構：側風偏航控制裝置通過機械部件與尾舵連在一起，當PLC輸出側風偏航指示時，它受直流電動機驅動而偏轉，從而帶動尾舵偏轉。尾舵偏轉的作用是：當風速過大，發電機葉片轉速過高時，啟動側風偏航裝置偏轉45°，而尾舵偏移使葉片正面受到風力減小，從而避免風力發電機損壞。

軸流風機：軸流風機為風力發電系統提供一個可變的風源，其風力大小由變頻器頻率設置，風力方向由單相直流電動機驅動風場運動機構做順時針或逆時針圓周運動控制。

直流電機：用以驅動側風偏航裝置運動。

單相交流電機：通過電機的正反轉讓風場以連桿為半徑，做圓弧運動，從而調節模擬風場的方向。

（二）光伏發電部分。光伏供電裝置包括由投射燈、擺桿、擺桿支架、擺桿減速箱、單相交流電動機、電容器、微動開關構成的太陽模擬裝置，由光伏電池組件、直流電動機、水平和俯仰方向運動機構、光線傳感器及控制電路、接近開關、底座支架構成的光伏電池板及運動裝置。

光伏供電控制系統包括電源、西門子S7-200PLC、輸出顯示器、DSP充放電控制器、觸摸屏、繼電器、蓄電池等主要部件，也可加入斷路器做保護，加入可調電阻用于模擬不同阻值的負載、從而分析太陽能發電的伏安特性。

光伏供電控制系統的功能主要有：①用DSP控制模塊控制蓄電池的充電，防止過度充電和過度放電，從而保護蓄電池。②通過控制系統面板上的電表，讀出當前光伏電池發電的電壓、電流、功率等參數。③通過光線傳感器、微動開關、接近開關狀態的采集，能判斷當前光伏組件與太陽光的位置是否垂直正對。④通過PLC對光伏組件運動裝置的控制，使光伏組件移動到與太陽正對的位置，提高太陽能利用率。其核心部件功能如下：

光伏組件：硅電池由于“光生伏特”效應，將太陽能轉換成電能。硅電池受太陽照射后，電池上下表面間會產生約0.5V的電壓差，雖然這個電壓值很小，但如果將36塊小硅電池串聯起來，電壓約達18V了。

光線傳感器及控制器：東西南北四個方向各一個光線傳感器用以檢測從四個方向射來的太陽照度，經過傳感器控制盒計算出哪個方向光線強，從而使PLC控制電池板往光線強的一方移動。

S7-200PLC：通過按鈕、光線傳感器、微動開關、接近開關狀態信號，經PLC內部程序邏輯計算，去控制電機的運轉，從而控制投射燈、光伏組件的運動。

（三）逆變系統。逆變系統分三部分：①直流升壓部分；②直流-交流逆變部分；③DSP控制部分，其中最關鍵的是直流-交流逆變部分，電路原理如圖3所示。逆變系統的功能是將12V直流蓄電池的電能轉換成220V、50Hz的工頻交流電，供給負載使用。DSP控制器的功能是通過內部的閉環控制，使輸出電壓穩定在220V不隨輸入電壓波動而波動，從而改善風光互補發電系統的供電質量。

圖3 直流-交流逆變原理圖

（四）監控系統。監控系統即在工控機上制作的MCGS組態軟件的工程頁面。[3]將發電系統面板上的電壓表、電流表等顯示儀表和PLC以串行通信方式與工控機建立連接，即可在MCGS的HMI界面上看到發電系統的當前輸出電壓、電流等即時數據，還可查看歷史數據，輸出統計報表。同時還可以在控制頁面上設計相應按鈕，去控制光伏電池組件和模擬太陽的相應移動，去改變風源的角度、風源的方向、側風偏航的啟停。

（五）DSP控制部分。DSP控制器的功能是采集風力發電機和光伏電池的輸出電壓值、電流值。且持續計算-比較-反饋，必要時切換蓄電池的充電電路，達到調節蓄電池組工作狀態的目的，調整后的電能可以直接送給直流或交流負載，供負載使用。DSP控制蓄電池的過程是：由于日照強度、風力大小的變化使光伏/風力電能輸出電壓變化[4]，當光伏組件或風力發電機輸出電壓低于蓄電池電壓時，蓄電池充電電路斷開，當負載增大，光伏電池或風力發電機發的電量不夠負載使用時，DSP控制器接通蓄電池和負載間的回路，蓄電池放電，使整個系統供電穩定且連續。

（六）蓄電池部分。由多塊鉛酸蓄電池組成，在系統中既能將風力發電機或光伏電池板發出的電以化學能的形式存儲起來，然后用逆變器將其轉換成220V50Hz的工頻交流電，供交流負載使用，也能直接為直流負載供電。

三、風光互補發電系統功能

由于風和太陽輻射并不是時時都有的，本模擬發電系統可工作在三種不同狀態，即：①光伏電池組件單獨向負載供電；②風力發電機單獨向負載供電；③風力發電機和光伏電池組件聯合向負載供電，第三種發電方案實現了兩種新能源互補。太陽能和風能發電均設計了手動和自動兩種工作方式，手動方式下，人為按動按鈕，光伏發電裝置和風力發電裝置做相應單一移動，通常用于系統故障診斷，也可設定該發電系統的單一控制步驟。自動工作方式是完全模擬發電廠的工作流程，根據供電光源的變化，光線傳感器采集的信號傳遞到PLC輸入端，經過PLC程序控制相應繼電器，間接的控制光伏組件的運動走向，從而使光源時刻正對光伏組件，提高系統的發電效率。風力發電部分，根據檢測到的風速儀的值，調節側風偏航裝置的角度。

四、總結

本風光互補發電模擬系統，包括太陽能和風能發電部分，電池儲能部分，直流電源逆變成220V工頻交流電部分，力控遠程監控部分，涵蓋了現實太陽能風能互補發電的全部內容，其中，太陽能發電部分設有兩個氖氣燈模擬太陽光強光和弱光模式、燈模擬太陽能自東向西移動，太陽能電池板能追蹤光源移動，這些均采用西門子S7-200PLC進行控制；風力發電部分用軸流風機模擬自然風場，能通過底座滑輪改變風的方向，風力發電機可通過傳動機構改變方向，以正對風場，同時，風力發電機設有可偏轉的尾翼，風源的方向和風力發電機尾翼的側風偏航，也采用西門子S7-200PLC進行控制，而風源的大小用變頻器控制。PLC具體控制方案將是后續研究的重心。