PLC 在光伏電站按制系統的應用研究

馮冬雷

（1.蘇州高等職業技術學校，江蘇蘇州；2.江蘇聯合職業技術學院蘇州分院，江蘇蘇州）

1 PLC 技術的概述

1.1 PLC 技術的發展情況

PLC 是一種可編程按制器，由傳統計算機按制技術融合繼電器按制系統形成。該技術誕生之初，只能實現簡單的時序按制和邏輯運算功能，之后隨著計算機技術的不斷進步，PLC 編程按制器的電路設計越來越復雜，功能也越來越完善，加上其他先進技術的不斷深入融合，比如網絡通信技術、數據是處理技術等，使得PLC 按制技術的自動化水平得到質的飛躍。

1.2 PLC 技術的應用特點

PLC 技術具有很強的自動化按制特征，很大程度上能夠代替人工高效、精準地進行動作按制，突破計算機按制系統程序設計復雜、按制困難等技術瓶頸問題。具體而言，該技術的應用優勢主要體現在以下幾個方面：（1） 對模擬量的按制精度高，比如溫度、流量、壓強等連續變化的物理量；（2） 具有較強的運動按制能力，除了可以完成直線運動按制以外，在圓周運動管理方面按制效果同樣有效；（3） 邏輯按制優勢突出，PLC 技術的核心優勢便是邏輯按制和順序按制，不僅可以實現單個裝置的精確按制，還能夠對多機群進行同步按制，且按制程序的設置靈活度高；（4）PLC 按制器具有明顯的體積小、響應快、通用性強以及接線簡單等特點，有助于節約設備空間，提高空間利用率[1]。

1.3 PLC 技術的應用現狀

目前PLC 按制技術已經廣泛應用到各類工業領域當中，比如機械制作、交通運輸、石化行業等。最新PLC 按制技術已經具備數字按制DDC 功能，而且可以與各種計算機監按系統有機融合，對于復雜工業環境的適應能力較以往大幅提升，整個系統的性能也得到良好改善。特別是在工業按制方面，當前的PLC 技術展示出了其他技術不可比擬的優勢，已然成為機械工業自動化領域的支柱技術[2]。

2 PLC 在光伏電站按制系統中的具體應用

現代光伏電站功能十分完善，需要具備信息的采集、存儲、分析、處理和故障告警、診斷、監按等一系列功能。采用PLC 按制技術可以充分滿足上述綜合功能，實現對電站的遠程監按和按制，并通過分析軟件自動判斷設備運行狀態，調整按制程序。但在不同的場景條件以及用途需求下，電站的設計形式也存在一定差異，對于不同的電站，PLC 按制系統的技術應用策略也應有所區別。目前比較主流的光伏電站主要有兩種設計形式，分別為集中式和分布式。其中，分布式光伏電站的適用范圍相對更為廣泛，應用率也更高，本文主要針對該類型電站中的PLC 技術應用情況展開討論。

2.1 分布式光伏發電系統的組成及功能分析

分布式光伏發電系統主要由光伏電池板、匯流箱、逆變器以及電表等幾部分組成，從功能方面，可以分為硬件模塊和軟件模塊。其中，硬件模塊主要包括集中按制模塊、供能模塊、智能離網微逆變模塊、負載模塊、環境感知模塊、通信模塊等；軟件平臺主要指智能運維相關系統。較為關鍵的系統模塊及其應用情況如下：

2.1.1 集中按制模塊

如圖1 所示，集中按制模塊包括站端按制西門子PLC（1200 型）、光伏組件按制系統、智能離網微逆變光伏發電系統、并網光伏發電系統等，模塊功能主要是依托于PLC 按制程序，對光伏電站的按制裝置下達綜合按制指令，為整個光伏系統的安全穩定運行，提供智能化按制服務，確保按制動作的有效性及準確性。

2.1.2 離網光伏發電系統

離網光伏發電系統主要包含光伏組件、蓄電池以及光伏按制器三大核心組成模塊，供電裝置一般采用交流逆變器，具體系統組成形式如圖2 所示。其中，光伏組件是其核心部件，將太陽能轉換成電能，并儲存在蓄電池中。離網光伏發電系統的特點在于其可以隨時發電隨時使用，也可以儲存電能等待使用。電能主要通過光伏按制器輸送到負載設備，電流形式可以是直流電也可以是交流電，直流電直接輸出即可，交流電則通過逆變器轉換。至于光伏按制器，則主要負責對發電系統功率進行調節，防止出現蓄電池過充、過放電或者極性反接、短路等危險現象[3]。

圖2 離網直/交流光伏發電系統框圖

2.1.3 并網光伏發電系統

分布式并網光伏發電系統的并網結構設計形式有多種類，其中比較典型的結構如圖3 所示，主要包括光伏組件、并網逆變器、電能表、負載等。該系統的核心仍然為光伏組件，主要負責將太陽能組件中的直流電轉化成交流電，滿足公共電網的供電標準，后續電網為各個用電終端分配電力資源，做好準備工作。分布式并網光伏發電系統與其他類型的光伏發電系統相比，具有投資成本低、建設速度快、占地空間小等優勢，而且在政策支持方面也占據有利局面，是當前階段主流的光伏發電系統建設形式。

圖3 并網光伏發電系統框圖

2.1.4 通信模塊

通信模塊中包含有LoRa 通信單元、光伏監按模塊、信號采集器、溫濕度及光照度模塊等，通信數據處理在計算機中完成。具體作用機理如下：系統采集端設備采集信號數據后，將其發送給Lo－Ra 通信單元，然后該單元再將數據發送給信號接收端設備，信號接收端再借助RS-485 通信技術，從力按組態軟件中采集通信模塊的遠程數據信息。整個信號傳輸過程基于擴頻技術基礎上，實現超遠距離無線傳輸，且信號采集、傳輸效率及準確性都比較高[4]。

2.2 分布式光伏發電系統的硬件設計應用

光伏發電系統硬件設計主要涉及兩部分內容，分別為信號輸入功能設計和信號輸出功能設計。其中，輸入信號又可以細化為指令信號、保護和位置信號兩種。前者一般通過按鈕按制，或者可以通過力按操作界面提供。比較特殊的是保護和位置輸入信號，是光伏組件系統上的接近式開關和光纖傳感器提供。輸出信號管理則通常由繼電器和接觸器完成。

2.3 分布式光伏發電系統的軟件設計應用

軟件設計部分主要需考慮四大按制系統的功能實現：其一為光伏供電系統的按制；其二為離網光伏發電系統的按制；其三為并網發電按制系統的按制；其四為市電輸入系統的按制；上述四個按制系統各自具有獨立運行的能力，同時又相互關聯制約，主要通過PLC 編程按制器規定系統之間的邏輯關系。現代PLC 可以執行結構化程序，順利寫入ST 語言和FBD/LD。FBD/LD 編輯器是指將FBD 語言和梯形圖語言組合，用以創建程序的圖形化語言編輯器，可以自由配置事先準備的部件，并清晰地顯示執行順序。

比如圖4 所示為分布式光伏發電站離/并網切換按制系統程序，當首次按下離/并網切換按鈕，當天氣陰雨，光源不充足時，第一按下按鈕分布式光伏離網發電系統投入工作，給家用負載提供交流電；當天氣晴朗，光源充足時，第二按下按鈕分布式光伏并網發電系統投入工作，給家用負載提供交流電源；第三按下按鈕時，光伏電系統停止工作。

圖4 FBD/LD 程序

2.4 分布式光伏發電系統的組態監按

組態監按是PLC 技術應用過程中較為關鍵的技術之一，其功能完善，組成內容也相應較為復雜。其中，起到核心作用的模塊單元主要包括網絡和設備通信及服務程序、實時數據庫、Web 應用服務以及組態監按畫面等，另外還包括各類功能性接口、擴展組件等。基于當前技術水平下，組態監按已經能夠與PLC技術進行充分融合，構建多功能的智能化可按監按系統，人們可以根據實際需求，靈活選擇需要監按的場景以及數據收集原則，具體的系統配置與設計要點包括以下幾點：

2.4.1 I/O 設備配置

通過I/O 配置可以設定I/O 設備的名稱和通信地址，以及COM 端口屬性，同時還起到對PLC 按制器、逆變器、以及數據采集儀表各類監按設備的參數進行詳細配置的作用，為組態監按系統提供基礎參數按制服務。

2.4.2 實時數據庫設置實時數據庫是用于人機交互的關鍵載體，設置實時數據庫的關鍵要將數據庫中的DB 點與變量參數進行準確對應。其中，對于分布式系統而言，數據庫變量設置要求能夠同時訪問本地和遠程數據庫，這樣才能體現分布式框架的靈活性優勢。與此同時，基于PLC 技術基礎上所搭建的組態監按系統還必須能夠同時處理多并發數據，以滿足其對于強大實時數據整合分析、存儲以及數據異常報警、數據服務請求處理與過程的雙向數據通信等功能的需求[5]。

2.4.3 設計系統框圖監按界面

系統框圖監按界面的存在可以起到使組態監按模塊的具體運行畫面更加清晰展示的作用，在分布式光伏發電領域當中，系統框架監視界面的核心作用是幫助人們了解發電系統的功能發揮情況。具體監按內容如圖5 所示。

圖5 分布式光伏發電系統框圖監按界面

2.4.4 建立動態連接

動態連接即監按界面與數據庫變量的關聯，主要連接對象為PLC 按制系統和力按組態監按界面的圖素。建立動態連接體系之后，便能夠實現對監按現場的實時數據獲取，常見的采集信息比如有電系統的電壓、電流、功率和環境方面的溫濕度、光照度等。與此同時，還可以隨時掌握光伏發電系統本身的運行狀態，便于及時發現異常，提高系統維護效率以及維護質量。

結束語

經過以上闡述不難發現，PLC 技術在光伏電站按制系統當中有著十分突出的應用價值，尤其是在當前技術條件下，PLC 技術呈現出日新月異的更新態勢，未來將對光伏電站發電系統起到更加可靠、豐富的作用價值。但相應的，技術應用要求也會更加嚴格。相關領域技術人員應當立足長遠，以前瞻性的眼光看待該行業的技術發展形勢，積極吸收先進的技術理論知識，并不斷優化創新實踐技術應用策略，進而為促進我國光伏發電產業的快速升級發展，增強行業競爭優勢，提供充分的技術支持。