基于PLC 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)效率提升裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 鑰，梁 濤，魏 琪

（廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江 524088）

0 引 言

現(xiàn)階段，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)作為一項(xiàng)創(chuàng)新性的能源解決方案在可再生能源領(lǐng)域逐漸嶄露頭角，其將風(fēng)能和太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合，形成了一種高效、穩(wěn)定的能源利用模式，為能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的可能。為了更好地發(fā)揮風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的潛力，需要積極探索提高其整體效率的方案。

1 基于PLC 的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)效率提升裝置設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)效率提升裝置設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，其合理性直接關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需要明確系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和功能需求。考慮風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的特殊性，硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該以提高風(fēng)能和光能的捕捉效率為核心目標(biāo)，同時(shí)保證系統(tǒng)在復(fù)雜多變的環(huán)境中具有穩(wěn)定的運(yùn)行性能。

1.1.1 風(fēng)力部分硬件設(shè)計(jì)

在風(fēng)力部分的硬件設(shè)計(jì)中，首先需要選擇高性能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇應(yīng)基于風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)，確保在不同風(fēng)力條件下發(fā)電機(jī)都能夠穩(wěn)定產(chǎn)生電能。其次，需要設(shè)計(jì)有效的變槳機(jī)構(gòu)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片能夠根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，最大限度地捕捉風(fēng)能。電氣部分的硬件設(shè)計(jì)涉及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、發(fā)電機(jī)控制器等，可以確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出能夠被系統(tǒng)充分利用。

1.1.2 光伏部分硬件設(shè)計(jì)

在光伏部分的硬件設(shè)計(jì)中，選擇高效的太陽(yáng)能電池板是關(guān)鍵。太陽(yáng)能電池板的選用應(yīng)考慮其轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性以及適應(yīng)性，以適應(yīng)不同日照條件。光伏部分的電氣設(shè)計(jì)包括光伏逆變器（見(jiàn)圖1）、電池充電控制器等，確保太陽(yáng)能的電能可以高效地轉(zhuǎn)化為直流電，并且進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)[1]。

圖1 光伏逆變器

1.1.3 能量存儲(chǔ)與傳輸硬件設(shè)計(jì)

在能量存儲(chǔ)與傳輸部分的硬件設(shè)計(jì)中，首先需要選擇適用于系統(tǒng)的高性能儲(chǔ)能裝置，如鋰電池、超級(jí)電容器等。這些裝置能夠儲(chǔ)存多余的電能，以備不時(shí)之需。其次，設(shè)計(jì)合理的能量傳輸系統(tǒng)，確保風(fēng)力和光伏兩部分的電能能夠經(jīng)過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行整合和分配。最后，電氣部分的硬件設(shè)計(jì)還包括選擇適當(dāng)?shù)碾娎|、變壓器等，以確保電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性[2]。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)效率提升裝置中起著至關(guān)重要的作用。軟件設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系系統(tǒng)的控制邏輯、實(shí)時(shí)性能和穩(wěn)定性。在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)需要結(jié)合PLC 技術(shù)的特點(diǎn)，以智能化和靈活性為目標(biāo)，高效管理系統(tǒng)。

1.2.1 系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是確定系統(tǒng)的控制策略。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)外部環(huán)境的變化，調(diào)整風(fēng)力和光伏部分的工作狀態(tài)，以達(dá)到最佳的能源捕捉效果。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮風(fēng)力和光照的變化規(guī)律，制定出智能的控制算法，通過(guò)PLC 實(shí)時(shí)控制精準(zhǔn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。同時(shí)，在控制策略設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮風(fēng)力和光伏部分的輸出特性，通過(guò)合理的協(xié)同工作，使系統(tǒng)在不同工作條件下都能實(shí)現(xiàn)最佳的發(fā)電效果。例如，在光照較強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)可以優(yōu)先利用光伏發(fā)電，而在夜晚或光照較弱時(shí)，則側(cè)重利用風(fēng)力發(fā)電。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制外部環(huán)境，軟件設(shè)計(jì)了高效的數(shù)據(jù)采集與處理程序。通過(guò)PLC 與各種傳感器連接，如風(fēng)速傳感器（見(jiàn)圖2）、光照傳感器等，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集程序應(yīng)確保高精度、低延遲地獲取這些數(shù)據(jù)，并將其傳遞給控制算法進(jìn)行處理。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理程序需要能夠分析和計(jì)算大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以提取有用的信息。通過(guò)合理的數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地了解外部環(huán)境的狀況，為制定控制策略提供可靠的依據(jù)[3]。

圖2 風(fēng)速傳感器

1.2.3 控制算法程序設(shè)計(jì)

控制算法的設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的核心。基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)，控制算法程序需要能夠根據(jù)系統(tǒng)的控制策略做出合理的調(diào)控決策。例如，對(duì)于風(fēng)力部分，控制算法可以根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向的變化，調(diào)整葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；對(duì)于光伏部分，算法可以根據(jù)光照強(qiáng)度實(shí)時(shí)調(diào)整光伏板的角度。此外，在控制算法的設(shè)計(jì)中，需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用PLC 的高速運(yùn)算和實(shí)時(shí)控制能力，確保算法的快速響應(yīng)和高效執(zhí)行[4]。

1.2.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了方便操作與監(jiān)控，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)包括人機(jī)界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)合理的界面設(shè)計(jì)，操作人員可以直觀地了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、發(fā)電效率和環(huán)境參數(shù)。PLC 作為控制核心，可以通過(guò)人機(jī)界面遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)整系統(tǒng)。人機(jī)界面設(shè)計(jì)應(yīng)注重用戶友好性，使操作人員能夠輕松地掌握系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并在需要時(shí)進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)。同時(shí)，界面設(shè)計(jì)應(yīng)提供詳盡的運(yùn)行日志和報(bào)警信息，以幫助人們及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在問(wèn)題。

2 基于PLC 的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)效率提升裝置實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

在硬件實(shí)現(xiàn)階段，應(yīng)將系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為實(shí)際可用的物理設(shè)備，涉及傳感器、執(zhí)行器、PLC設(shè)備的采購(gòu)、安裝和調(diào)試等工作。

根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案，需要采購(gòu)一系列高性能的傳感器、執(zhí)行器和PLC 設(shè)備。對(duì)于傳感器，應(yīng)選擇先進(jìn)的氣象傳感器和光照傳感器，確保其精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。執(zhí)行器方面，需要考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳機(jī)構(gòu)和光伏板的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)，確保其響應(yīng)速度較快，精度較高。對(duì)于PLC 設(shè)備的選擇，應(yīng)關(guān)注其性能指標(biāo)、通信接口和可編程性，確保其能夠滿足系統(tǒng)的需求。在采購(gòu)到所需的設(shè)備后，需要進(jìn)行系統(tǒng)的硬件安裝和接線工作。工作人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)布局圖，確定傳感器和執(zhí)行器的安裝位置，保證其能夠充分捕捉自然資源并達(dá)到最佳的能源轉(zhuǎn)化效率。對(duì)于傳感器的安裝，需考慮其高度、角度等因素，確保其能夠準(zhǔn)確測(cè)量環(huán)境參數(shù)。執(zhí)行器的安裝需要根據(jù)其功能要求，例如風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片角度調(diào)整和光伏板的傾斜角度調(diào)整。同時(shí)，按照電氣連接圖進(jìn)行設(shè)備的接線工作，確保各個(gè)組件之間的連接正確且牢固[5]。

在完成硬件的安裝和接線后，需要進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試和測(cè)試。工作人員首先應(yīng)校準(zhǔn)傳感器，確保其輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，其次對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行功能測(cè)試，驗(yàn)證其響應(yīng)速度和精度，最后初始化和配置PLC 設(shè)備，確保其能夠正確讀取傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)輸出模塊控制執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)。在調(diào)試過(guò)程中，需要關(guān)注各個(gè)組件之間的協(xié)同工作，確保系統(tǒng)整體運(yùn)行流暢。

在完成系統(tǒng)的調(diào)試和測(cè)試后，進(jìn)行性能評(píng)估是確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。文章通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不同自然能源條件下的響應(yīng)，評(píng)估其能源轉(zhuǎn)化效率和發(fā)電性能。基于評(píng)估內(nèi)容優(yōu)化系統(tǒng)涉及控制算法的調(diào)整、傳感器位置的微調(diào)等。需注意，優(yōu)化過(guò)程需要反復(fù)測(cè)試和調(diào)整，將系統(tǒng)的性能調(diào)整為最佳狀態(tài)。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)階段，應(yīng)關(guān)注數(shù)據(jù)采集程序、控制算法、人機(jī)界面程序的編程工作，下載相關(guān)程序至PLC。下載相關(guān)程序后，需要進(jìn)行調(diào)試、測(cè)試、聯(lián)調(diào)，以確保整個(gè)軟件系統(tǒng)能夠協(xié)同工作并滿足系統(tǒng)的功能要求[6]。

步驟一，編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集程序。編寫(xiě)的程序使PLC能夠?qū)崟r(shí)讀取傳感器數(shù)據(jù)，如風(fēng)速、風(fēng)向、太陽(yáng)輻射等。在編程過(guò)程中，需要考慮傳感器的不同輸出信號(hào)類型，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換，以確保PLC 能夠準(zhǔn)確獲取環(huán)境參數(shù)的信息。此階段的編程工作需要深入了解傳感器的工作原理和數(shù)據(jù)格式，以保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

步驟二，編寫(xiě)控制算法。根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案和性能要求，編寫(xiě)控制算法，使PLC 能夠根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)智能調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片角度和光伏板的傾斜角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然能源的最優(yōu)捕捉。優(yōu)化控制算法是軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，需要在考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，最大化提高發(fā)電效率。需注意，在編寫(xiě)算法時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度，確保系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)整工作狀態(tài)。

步驟三，編寫(xiě)人機(jī)界面程序。設(shè)計(jì)直觀、友好的用戶界面，使操作人員能夠方便地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、進(jìn)行參數(shù)設(shè)置等操作。編寫(xiě)界面程序需要考慮操作的便捷性和信息的清晰度，以確保操作人員能夠迅速而準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況。在界面設(shè)計(jì)中，可以添加實(shí)時(shí)圖表、報(bào)警信息等功能，以提升系統(tǒng)的可操作性和可維護(hù)性。

步驟四，將數(shù)據(jù)采集程序、控制算法和人機(jī)界面程序下載到PLC。在此階段，進(jìn)行初步的調(diào)試，檢查程序的正確性和完整性。通過(guò)PLC 編程軟件進(jìn)行在線調(diào)試，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集是否準(zhǔn)確、控制算法是否穩(wěn)定、人機(jī)界面是否正常顯示等。調(diào)試過(guò)程中，可能需要不斷修改和優(yōu)化程序，確保軟件系統(tǒng)能夠在實(shí)際硬件上正常運(yùn)行。

步驟五，進(jìn)行軟件測(cè)試與聯(lián)調(diào)。文章先獨(dú)立測(cè)試數(shù)據(jù)采集程序、控制算法和人機(jī)界面程序，驗(yàn)證各個(gè)程序模塊的功能，然后進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)測(cè)試，確保各程序模塊之間的協(xié)同工作。在測(cè)試中，需要模擬不同的環(huán)境條件，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)軟件測(cè)試與聯(lián)調(diào)，驗(yàn)證整個(gè)軟件系統(tǒng)的運(yùn)行效果和性能指標(biāo)是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.3 監(jiān)控與故障診斷

對(duì)于任何能源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，持續(xù)、有效的監(jiān)控和故障診斷是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和高效發(fā)電的關(guān)鍵。在基于PLC 的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，這一環(huán)節(jié)尤為重要。

監(jiān)控指持續(xù)跟蹤和記錄系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，包括風(fēng)速、光照強(qiáng)度、電池板溫度、儲(chǔ)能裝置狀態(tài)、輸出功率以及轉(zhuǎn)換效率等關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)監(jiān)控，操作人員可以實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)措施，從而確保系統(tǒng)有效運(yùn)行。故障診斷則是當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常時(shí)，能夠迅速定位問(wèn)題并給出解決方案的過(guò)程。PLC 控制器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和邏輯判斷能力，可以通過(guò)預(yù)設(shè)的算法和程序分析和判斷系統(tǒng)狀態(tài)，找出故障的原因和位置。同時(shí)，PLC可以與上位機(jī)軟件配合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷和修復(fù)，大大提高了系統(tǒng)的可用性和維護(hù)效率。在監(jiān)控與故障診斷的過(guò)程中，數(shù)據(jù)的收集、分析和存儲(chǔ)十分重要。通過(guò)分析和挖掘大量數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和優(yōu)化潛力，為后續(xù)的改進(jìn)和升級(jí)提供依據(jù)。

3 結(jié) 論

PLC 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)效率提升裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)不僅是技術(shù)創(chuàng)新的體現(xiàn)，更是對(duì)于可再生能源理念的踐行，為迎接更加清潔、可持續(xù)的能源未來(lái)指明了方向。希望這一技術(shù)的成功應(yīng)用能夠成為可再生能源領(lǐng)域的催化劑，引領(lǐng)更多創(chuàng)新和進(jìn)步，為地球的綠色未來(lái)貢獻(xiàn)更多力量。