基于PLC的光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)的研究*

黃小華

(云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203)

黨的十九屆五中全會(huì)把碳達(dá)峰、碳中和作為“十四五”乃至2035國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，積極開(kāi)發(fā)無(wú)污染、可再生的清潔能源是21世紀(jì)能源發(fā)展的方向。太陽(yáng)能因其儲(chǔ)量的無(wú)限性、存在的普遍性、利用的清潔性以及實(shí)用的經(jīng)濟(jì)性，越來(lái)越被人們所青睞。大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)、積極開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能，在全球范圍內(nèi)得到了空前重視，已成為各國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。此外，為協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式發(fā)電之間的矛盾，微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。然而，為了保證微電網(wǎng)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效地運(yùn)行，智能控制系統(tǒng)必不可少[1-2]。

光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)以西門子S7-1200PLC控制器為核心，開(kāi)發(fā)PLC控制程序，結(jié)合觸摸屏及力控組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)本地控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)對(duì)光伏微電網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不僅可以掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提前采取措施避免一些故障的發(fā)生，有利于保證光伏微電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行[3-4]。

1 光伏微電網(wǎng)的控制方案

1.1 整體控制方案

光伏微電網(wǎng)是將分布式光伏發(fā)電設(shè)備、負(fù)荷、DC/AC變換器、儲(chǔ)能設(shè)備和控制與保護(hù)裝置等環(huán)節(jié)相結(jié)合，而構(gòu)成一個(gè)可控的獨(dú)立供電系統(tǒng)[5]。本控制系統(tǒng)以PLC控制器為核心，與PC機(jī)、光伏工程環(huán)境模擬平臺(tái)、光伏管控平臺(tái)、觸摸屏等相結(jié)合，通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、采集、顯示、控制等功能而構(gòu)成一個(gè)可控的獨(dú)立供電系統(tǒng)，整體控制方案如圖1所示。

1.2 離網(wǎng)運(yùn)行方案

離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)又稱為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要由模擬光源、光伏組件、直流電壓電流組合表、光伏控制器、蓄電池、直流負(fù)載、配置智能離網(wǎng)微逆變系統(tǒng)，將光伏發(fā)電的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為交流負(fù)載供電。離網(wǎng)運(yùn)行框圖如圖2所示。

圖2 離網(wǎng)運(yùn)行框圖

根據(jù)光伏側(cè)出力情況進(jìn)行判斷，若滿足離網(wǎng)發(fā)電要求，即執(zhí)行如下模式的離網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行方案。

1)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)-蓄電池模式：將光伏發(fā)電的電能經(jīng)過(guò)光伏控制器給蓄電池供電。

2)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)-光伏組件模式：光伏組件所發(fā)電能直接供直流負(fù)載，并可經(jīng)過(guò)智能離網(wǎng)微逆變系統(tǒng)，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，給交流負(fù)載供電(即發(fā)即用)。

光伏控制器是離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心，可以為離網(wǎng)逆變發(fā)電系統(tǒng)提供合適功率源，具有防止蓄電池過(guò)充電保護(hù)、防止蓄電池過(guò)放電保護(hù)、極性反接保護(hù)、短路保護(hù)、夜間防反充保護(hù)等功能[6]。

1.3 并網(wǎng)運(yùn)行方案

光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)主要包括模擬光源、光伏組件、直流電壓電流組合表、并網(wǎng)逆變器、單相電能表、雙向電能表、隔離變壓器和負(fù)載等。并網(wǎng)運(yùn)行框圖如圖3所示。

圖3 并網(wǎng)運(yùn)行框圖

根據(jù)光伏側(cè)出力情況進(jìn)行判斷，若滿足并網(wǎng)發(fā)電要求，即執(zhí)行如下模式的并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行方案。

1)全額上網(wǎng)模式：以并網(wǎng)逆變器為核心，將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，經(jīng)單相電能表反饋到雙相電能表，進(jìn)而經(jīng)過(guò)隔離變壓器將光伏發(fā)電的電能傳輸給市電電網(wǎng)，這樣就可接入公共電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)全額上網(wǎng)。

2)自發(fā)自用余電上網(wǎng)模式：光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)的電既可以供給市電電網(wǎng)，也可供交流負(fù)載。

1.4 通信系統(tǒng)

1)無(wú)線通信：本系統(tǒng)有2個(gè)LoRa通信模塊，一個(gè)安裝于光伏環(huán)境模擬平臺(tái)，用于發(fā)送數(shù)據(jù)(如組件角度、光照度、溫濕度等)，另一個(gè)安裝于光伏管控平臺(tái)，用于接收光伏環(huán)境模擬平臺(tái)發(fā)送的數(shù)據(jù)，LoRa建立一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案。PLC以RS485通信方式采集光伏管控平臺(tái)LoRa通信模塊接收的數(shù)據(jù)，同時(shí)PLC通過(guò)PROFENET通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到力控組態(tài)軟件中，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集。

2)有線通信：以PLC作為交換機(jī)，通過(guò)PROFENET通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC機(jī)、觸摸屏的通信，通過(guò)RS485通信的方式實(shí)現(xiàn)與交流組合表、直流組合表、單相電能表、雙相電能表以及離網(wǎng)逆變器的有線數(shù)據(jù)通信。

2 光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)的輸入部分

光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)有2類：一類是指令性質(zhì)的輸入信號(hào)，另一類是保護(hù)和位置輸入信號(hào)[7-8]。指令性質(zhì)的輸入信號(hào)由觸摸屏相應(yīng)控件來(lái)提供，也可由力控上位機(jī)的操作界面來(lái)提供；而保護(hù)和位置輸入信號(hào)是由光伏單軸系統(tǒng)上5個(gè)限位開(kāi)關(guān)和2個(gè)光電傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)的輸出部分

光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)主要由11個(gè)繼電器和5個(gè)接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn)。西門子S7-1200PLC輸入分配表和繼電器、接觸器的分配定義分別見(jiàn)表1～表3。

表1 輸入分配表

表2 接觸器分配定義

表3 繼電器分配定義

3 光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是最重要的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為主程序和子程序(通信程序、控制程序、驅(qū)動(dòng)程序)兩個(gè)部分[9-10]。

1)主程序主要用來(lái)調(diào)用子程序、以及急停控制。

2)通信程序是本軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，首先要實(shí)現(xiàn)PLC與各類控制設(shè)備的數(shù)據(jù)通信，才可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。設(shè)計(jì)通信程序，編寫通信初始化程序，以及與各類控制設(shè)備的通信程序，實(shí)現(xiàn)PLC與光伏環(huán)境模擬平臺(tái)(組件角度、光照度、溫濕度)、光伏管控平臺(tái)(交流組合表、直流組合表、單相電能表、雙相電能表以及離網(wǎng)逆變器)的通信。

3)控制程序：主要開(kāi)發(fā)擺桿和光伏組件的逐日控制、離網(wǎng)、并網(wǎng)以及市電這4個(gè)系統(tǒng)的PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)中間變量的控制，開(kāi)啟“離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)-蓄電池模式、離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)-光伏組件模式、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)-自發(fā)自用余電上網(wǎng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)-全額并網(wǎng)”的4種發(fā)電模式。具體控制舉例如下。

a. K6按鈕按下，判斷當(dāng)前光伏側(cè)出力情況，若滿足離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)配置需求，則啟動(dòng)離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，交流負(fù)載運(yùn)行，啟動(dòng)離網(wǎng)PLC控制程序如圖4所示。

圖4 啟動(dòng)離網(wǎng)PLC控制程序

b. K7按鈕按下，判斷當(dāng)前光伏側(cè)出力情況，若滿足并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)配置需求，則啟動(dòng)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，交流風(fēng)扇運(yùn)行，啟動(dòng)并網(wǎng)PLC控制程序如圖5所示。

圖5 啟動(dòng)并網(wǎng)PLC控制程序

c. K8按鈕按下，判斷當(dāng)前光伏側(cè)出力情況，啟動(dòng)市電供電管理：若光伏側(cè)出力情況不滿足離網(wǎng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)配置需求，則啟動(dòng)市電供電，并啟動(dòng)交流燈；若光伏側(cè)處理情況滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)配置需求，則執(zhí)行相應(yīng)的發(fā)電方式，啟動(dòng)市電PLC控制程序如圖6所示。

圖6 啟動(dòng)市PLC控制程序

4)驅(qū)動(dòng)程序：通過(guò)中間變量來(lái)驅(qū)動(dòng)實(shí)際的輸出點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光伏微電網(wǎng)的控制功能。

4 光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控

光伏微電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控主要采用力控組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，該軟件是一款通用型的人機(jī)可視化監(jiān)控組態(tài)軟件，通過(guò)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。

4.1 力控I/O設(shè)備組態(tài)

I/O設(shè)備組態(tài)就是完成I/O設(shè)備的選擇、設(shè)置設(shè)備名稱、設(shè)置設(shè)備IP地址及設(shè)置COM口等。

4.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置

將力控組態(tài)軟件與遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)庫(kù)變量是聯(lián)系人機(jī)界面和現(xiàn)場(chǎng)的橋梁，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)變量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)、采集和監(jiān)控，可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些運(yùn)算處理，并提供報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，其他應(yīng)用程序或者功能模塊通過(guò)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)交互而實(shí)現(xiàn)其功能及擴(kuò)展。

4.3 力控人機(jī)界面與動(dòng)態(tài)連接

根據(jù)控制要求，制作相應(yīng)的力控人機(jī)界面。力控人機(jī)界面主要包括登錄界面、頂部窗口、操作界面、監(jiān)視界面、數(shù)據(jù)報(bào)表界面、趨勢(shì)曲線界面、系統(tǒng)框圖等。以操作界面為例，與PLC控制程序中的相應(yīng)變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連接。

操作界面包含急停按鈕、KA1～KA11、KM1～KM5、模擬光源的啟動(dòng)和復(fù)位、光伏組件的向東和向西運(yùn)行、離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池模式和光伏組件模式、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的自發(fā)自用模式和全額上網(wǎng)模式。操作界面如圖7所示[11]。

圖7 操作界面

5 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)視界面、數(shù)據(jù)報(bào)表界面、趨勢(shì)曲線界面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與顯示，驗(yàn)證本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

監(jiān)視界面監(jiān)視光伏逐日系統(tǒng)的運(yùn)行，且與設(shè)備運(yùn)行情況一致，能夠?qū)崟r(shí)顯示所有交直流電流電壓組合表采集的電壓、電流及計(jì)算的功率，能夠顯示光伏環(huán)境模擬平臺(tái)的溫度、濕度、光照度數(shù)據(jù)、光源運(yùn)行的方向、光伏組件運(yùn)行的角度及方向。監(jiān)視界面如圖8所示。

圖8 監(jiān)視界面

光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控圖如圖9和圖10所示，能夠動(dòng)態(tài)顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作、能源流向、負(fù)載的運(yùn)行等。

圖9 離網(wǎng)監(jiān)控圖

圖10 并網(wǎng)監(jiān)控圖

數(shù)據(jù)報(bào)表界面可以對(duì)直流負(fù)載電壓、直流負(fù)載電流、直流負(fù)載功率、交流負(fù)載電壓、交流負(fù)載電流、交流負(fù)載功率及光伏輸入電壓共7個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與顯示。數(shù)據(jù)報(bào)表顯示如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)報(bào)表顯示

“趨勢(shì)曲線”實(shí)時(shí)顯示電能表當(dāng)前總有功電能、顯示光伏側(cè)發(fā)電電壓。趨勢(shì)曲線如圖12所示。

圖12 趨勢(shì)曲線

6 結(jié)語(yǔ)

本光伏微電網(wǎng)智能控制系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏逐日、離網(wǎng)、并網(wǎng)、市電等相關(guān)功能間有序切換，對(duì)光伏環(huán)境模擬平臺(tái)(組件角度、光照度、溫濕度)、光伏管控平臺(tái)(交流組合表、直流組合表、單相電能表、雙相電能表以及離網(wǎng)逆變器)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，采集信息準(zhǔn)確，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性強(qiáng)，達(dá)到了光伏微電網(wǎng)信息智能控制的目的。