基于S7-1200PLC的光伏微電網管控系統功能設計與開發

摘" 要：以全國職業院校技能大賽“光伏電子工程的設計與實施”賽項為研究載體，根據任務書的要求完成安裝接線，并網、離網光伏系統搭建，網絡通信，實現光伏發電，并對光伏微電網進行環境數據采集、站端運行控制和遠程能量管理等。

關鍵詞：光伏微電網；并網；離網；管控系統；光伏發電

中圖分類號：TM615" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）28-0129-04

Abstract： Taking the National Vocational College Skills Competition \"Design and implementation of Photovoltaic Electronic Engineering\" as the research carrier， according to the requirements of the task book， complete installation and wiring， build grid-connected and off-grid photovoltaic systems， network communication， and realize photovoltaic power generation. And for the photovoltaic microgrid， environmental data acquisition， station-end operation control and remote energy management are implemented.

Keywords： photovoltaic microgrid; grid-connected; off-grid; management and control system; photovoltaic power generation

氣候變化是當今人類面臨的重大全球性挑戰。為積極應對氣候變化，2020年9月，我國宣布了二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和的目標[1]。為實現“雙碳”目標，就要積極開發清潔、可再生新能源，光伏發電作為新能源的一種，以其可靠性高，使用壽命長，不污染環境，既能獨立發電又能并網運行的特點，規模迅速擴大，截至2020年底，光伏發電的累計裝機達2.4億kW左右[2]。隨著光伏發電應用規模的不斷增加，光伏微電網管控系統功能的設計與開發顯得尤為重要。

為推進光伏工程技術、電子信息技術等戰略新興產業新能源領域專業的建設與發展，創造優質的教育供給環境，加快新能源產業急需的高質量高技術技能人才的培養[3]，全國職業院校技能大賽平臺引入“光伏電子工程的設計與實施”賽項。本文以“光伏電子工程的設計與實施”賽項為研究背景，以賽項設備為研究基礎，采用S7-1200PLC、人機界面（HMI）、力控通用組態軟件搭建一個光伏微電網智能控制系統，既可以提升教師在光伏微電網智能控制領域的技術技能，還可以讓學生學習到光伏微電網智能控制領域中較為前沿的技術技能，培育光伏產業人才。

1" 光伏微電網整體控制方案

光伏微電網是將分布式光伏發電設備、負荷、DC/AC變換器、儲能設備和控制與保護裝置等環節相結合，構成一個可控的獨立供電系統[4]。本控制系統以S7-1200PLC控制器為核心，與PC機、光伏工程環境模擬平臺、光伏管控平臺、觸摸屏等相結合，通過通信實現數據的傳輸、采集、顯示及控制等功能而構成一個可控的獨立供電系統，整體控制方案如圖1所示[5]。

2" 光伏微電網管控系統功能的開發

光伏發電系統分為離網光伏發電系統和并網光伏發電系統。

離網光伏發電系統又稱為獨立光伏發電系統，主要包括光伏組件、光伏控制器、蓄電池、離網逆變器和負載等。離網光伏發電系統框圖如圖2所示。工作原理為，太陽光經光伏組件轉化為直流電，又經光伏控制器變化后給直流負載供電，若有多余的電能，需經光伏控制器轉化，存儲在蓄電池中。若光照不足時，將蓄電池中的電能再經過光伏控制器、離網逆變器給交流負載供電。

并網光伏發電系統主要包括光伏組件、并網逆變器、電表和負載等。并網光伏發電系統框圖如圖3所示。其工作原理為太陽光經過光伏組件轉化為直流電，然后經過并網逆變器變化后給交流負載供電。

離網光伏發電系統與并網光伏發電系統的最大區別在于，并網光伏發電系統直接與公共電網相連接，因而光伏組件的電量盈余與并聯電網可以實行互補，省去了離網光伏發電系統中必需的蓄電池等儲能元件，不僅降低了系統成本，而且保證了系統的可靠性。同時，夏天太陽輻射強度大，光伏系統發電量多，可以對夏天電網的峰荷起到調節作用。隨著近年來太陽能光伏發電的大規模應用以及太陽能電池組件價格的迅速下降，并網系統無疑將得到更為廣泛的應用[6]。

2.1" 光伏微電網站端監控功能的開發

光伏微電網站端監控采用S7-1200PLC為控制核心，通過觸摸屏實現本地操作控制和數據監測[7]。下面是部分組態界面案例展示。

2.1.1" 并網PLC按鍵界面

并網PLC按鍵界面（圖4）包含急停按鈕、本地/遠程切換開關、K1～K7相關控件，實現并網光伏系統站端控制功能。

2.1.2" 離網狀態顯示界面

離網狀態顯示界面（圖5）分別顯示P2、P3、P4電表，傳感器、離網逆變器的通信狀態，藍色信號顯示正常狀態，灰色信號顯示不正常狀態。根據離網光伏發電系統原理圖，顯示當前接觸器、繼電器的狀態，綠色表示吸合，紅色表示斷開。

2.1.3" 并網狀態顯示界面

并網狀態顯示界面（圖6）分別顯示P2、P3電表，傳感器、單相電能表、雙向電能表和并網逆變器的通信狀態，綠色信號顯示正常狀態，紅色信號顯示不正常狀態。根據并網光伏發電系統原理圖，顯示當前負載狀態，其信號顏色與負載一致，顯示接觸器、繼電器的狀態，綠色表示吸合，紅色表示斷開。

2.2" 微電網遠程監控功能的開發

通過PC機，在力控組態軟件上進行光伏微電網并網和離網模式的遠程監控功能的設計、開發，實現數據采集與顯示、過程控制等功能[7]。下面是部分案例展示。

2.2.1" 操作界面

包括遠程監控系統圖（圖7）和操作盤（圖8）2個部分。遠程監控系統圖顯示光伏微電網系統原理，要求能夠動態顯示光伏發電系統的控制開關動作、能源流向、負載運行，且與設備運行情況一致。操作盤顯示光伏微電網系統原理圖中所有接觸器和繼電器的控制。

2.2.2" 監視界面

制作下拉框，包括設備上所有的電壓電流組合表；制作顯示框，要求只顯示下拉框中被選對象的相應數據：實時顯示交流電壓電流組合表的電壓、電流、功率和頻率的數值，并標注正確的單位，如圖9所示。

2.2.3" 數據報表界面

數據報表界面（圖10）可以對直流負載電壓、直流負載電流、直流負載功率、交流負載電壓、交流負載電流、交流負載功率及光伏輸入電壓共7個參數進行實時采集與顯示[5]。

2.3" 微電網站端控制功能的開發

通過S7-1200PLC控制程序的開發，實現微電網站端的控制功能[8]。如實現急停控制、本地/遠程切換開關、離網光伏送電自檢及光伏并網發電系統運行前自檢等。圖11至圖13是部分程序段展示。

3" 結論

項目涵蓋PLC控制技術、組態控制技術、網絡通信技術等多門課程，通過本項目的設計與開發，學生不僅掌握了光伏發電方面的知識，還將之前所學知識融會貫通，專業知識和技術技能水平得以提升。同時，對接全國職業院校技能大賽“光伏電子工程的設計與實施”賽項，實現“研、賽、教”共贏。

參考文獻：

[1] 中國氣象局氣象宣傳與科普中心.實現碳達峰、碳中和我們能做些什么？[Z].學習強國，2021.

[2] 全國科學技術名詞審定委員會.每日科技名詞-光伏發電系統[Z].學習強國，2021.

[3] 劉偉.光伏電子工程的設計與實施賽項研究[J].船舶職業教育，2019，7（3）：85-88.

[4] 趙磊.基于PLC分布式光伏發電控制系統的設計[J].電工技術，2019（10）：226.

[5] 黃小華.基于PLC的光伏微電網智能控制系統的研究[J].新技術新工藝，2022（4）：31-38.

[6] 薛禹勝.新能源與可再生資源[M].南京：東南大學出版社，2008.

[7] 廖常初.西門子人機界面（觸摸屏）組態與應用技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[8] 廖常初.S7-1200 PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2017.