基于PLC分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的設計

河南機電職業(yè)學院 苗國耀

1 分布式太陽能發(fā)電系統(tǒng)

在設計階段，分布式光伏系統(tǒng)主要應用電子技術(shù)，例如信息運維、光伏工程和新能源電子工業(yè)技術(shù)。應用光伏發(fā)電原理將傳感器技術(shù)、信息和通信技術(shù)及模擬計劃技術(shù)相結(jié)合。軟硬件平臺是分布式光伏系統(tǒng)中的重要組成部分。硬件平臺的關(guān)鍵組成部分包括環(huán)境保護意識模塊、集中控制模塊、分布式PV 隔離系統(tǒng)和通訊模塊，其中PV 智能操作系統(tǒng)和仿真軟件是軟件平臺的關(guān)鍵組成部分。

1.1 集中控制模塊三菱FX5U-64MR

集中控制模塊包括并網(wǎng)光伏系統(tǒng)、離網(wǎng)光伏系統(tǒng)和光伏單軸光伏系統(tǒng)。繼電器和接觸器必須被PLC 進行控制以確保整個光伏系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)包括各種組件，如雙向電能表、太陽能電池組件、絕緣變壓器及并網(wǎng)逆變器，它們可在發(fā)電過程中直接轉(zhuǎn)換太陽能以發(fā)電，可使用直流電并可使用并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流以滿足電網(wǎng)的運行要求，并直接進入公共電網(wǎng)操作系統(tǒng)。分布式小規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)建設周期短、占地面積小，在并網(wǎng)太陽能發(fā)電中占有非常重要的位置，而無需投資大量的建設成本即可達到較好的發(fā)電效果[1]。

離網(wǎng)光伏系統(tǒng)。是一種相對獨立的發(fā)電系統(tǒng)，光伏控制器、電池和光伏組件都是離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的一部分。此外還應配置交流逆變器以方便交流電源。太陽能電池發(fā)電的核心組件是一塊太陽能電池板，可在發(fā)電過程中直接使用太陽能并將產(chǎn)生的電能存儲在電池中。在此期間主要使用PV 控制器。開機時需要直流負載且電池用于承載電能。電能一旦轉(zhuǎn)換為交流電源，便可使用交流逆變器為交流操作系統(tǒng)的運輸負載供電。由太陽能電池產(chǎn)生的電能易于使用，一旦產(chǎn)生或存儲在電池中就可使用。光伏控制器是離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的核心組件，光伏輸入、輸出和電池輸入均屬于其核心組件。并網(wǎng)逆變器發(fā)電系統(tǒng)可用于確保發(fā)電過程中有足夠的功率，防止電池過充電、過放電，防止反向充電，避免夜間短路等功能。

1.2 通訊模塊

由一系列組件構(gòu)成，PV 監(jiān)視模塊、收集器、兩個LoRa 通信模塊、照明模塊、溫度和濕度模塊等都是通信單元的一部分。某些模塊如PLC 和PV 監(jiān)視模塊在通訊過程中需使用開關(guān)。這兩個LoRa 通信模塊在采集環(huán)境中發(fā)送和接收傳感數(shù)據(jù)，并使用擴散頻譜技術(shù)連接到力控制配置軟件的串口通訊模塊，以實現(xiàn)超長距離遠程采集數(shù)據(jù)。光伏監(jiān)控模塊采集器采用串口通訊方式有效收集并網(wǎng)逆變器信息，為分布式光伏系統(tǒng)提供安全的傳輸電流，保證光伏系統(tǒng)正常運行。

1.3 分布式光伏系統(tǒng)的硬件、軟件設計

輸入設計。輸入模塊由一系列功能模塊組成，指令輸入信號及保護、位置輸入信號等都是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入信號。其中按鈕提供命令信號并在控制操作界面時執(zhí)行[2]；輸出設計。分布式光伏系統(tǒng)的輸出操作由一套系統(tǒng)組成，其中較主要的設備為接觸器和繼電器。在配置上述兩種主要的硬件時應嚴格參考相關(guān)標準，進行硬件設備的選型工作，以確保整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

光伏系統(tǒng)最重要的組件是軟件設計，主要是由離網(wǎng)光伏控制軟件系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏控制軟件系統(tǒng)、單軸光伏控制軟件系統(tǒng)、市電輸入控制軟件系統(tǒng)、接觸器和繼電器控制軟件系統(tǒng)構(gòu)成[3]。這些控制系統(tǒng)是相對獨立的，中間依靠上位機等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，保證整個控制軟件系統(tǒng)形成一個有機的整體。在電力系統(tǒng)的軟件架構(gòu)中，整個系統(tǒng)的控制都需依賴于可編程控制器。對于單軸光伏控制軟件系統(tǒng)，可通過按鈕來實現(xiàn)光源擺桿在垂直工作狀態(tài)與非垂直工作狀態(tài)間的切換。當按鈕切換至停止模式時光源進入垂直模式。在啟動按鈕后光源自動切換到垂直運行狀態(tài)，由此可實現(xiàn)按鈕開關(guān)對于光源的控制。在此期間可通過編程軟件或組態(tài)軟件等PLC 編程組件，通過組件的自由配置可方便的向工程師展示整個系統(tǒng)當前的狀態(tài)。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置監(jiān)控

分布光伏控制系統(tǒng)人機交互主要功能是使用PLC 與HMI 界面來實現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)的功能模塊可通過區(qū)域數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)進行可靠擴展。界面和Web 服務器都是軟件的關(guān)鍵功能模塊。在操作過程中須將PLC技術(shù)和力控制配置軟件系統(tǒng)結(jié)合起來保證整個控制系統(tǒng)監(jiān)控的通用性。在遠程安全控制的基礎上可獲得實時運行數(shù)據(jù)，這些實時采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)可用于分析各個分布式設備的實時運行狀態(tài)，但現(xiàn)場運行方式需進一步優(yōu)化，增加一套能集中管理所有分布式設備的集中監(jiān)控系統(tǒng)，在一個界面上監(jiān)控所有分布式設備的狀態(tài)，并對其中的各種設備進行控。

I/O 設備配置。設備配置的關(guān)鍵是正確配置I/O設備類型、名稱和通信地址數(shù)據(jù)，并對監(jiān)視設備（如數(shù)據(jù)采集設備，控制器和離網(wǎng)逆變器）進行詳細配置，以執(zhí)行特定的數(shù)據(jù)信息。

實時數(shù)據(jù)庫設置。當設置數(shù)據(jù)庫中的配置數(shù)據(jù)時必須檢查數(shù)據(jù)，并確保PLC 中的地址塊數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的可變數(shù)據(jù)一一對應。作為人機接口與實時數(shù)據(jù)庫連接的主要橋梁，PLC 與上位機數(shù)據(jù)庫服務器間的網(wǎng)絡應時刻保持暢通狀態(tài)，以便于保證PLC與上位機的交互實時性及數(shù)據(jù)采集的完整性，有效發(fā)揮上位機數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)服務請求、歷史數(shù)據(jù)存儲和警報處理的功能。在分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，因此網(wǎng)絡設備硬件在整個系統(tǒng)中扮演著重要的中間傳遞角色，各種樣式的電表、包含交流與直流電表均為系統(tǒng)中的重要設備，須正確設置離網(wǎng)逆變器和控制器的數(shù)據(jù)設置。

設計系統(tǒng)監(jiān)控界面框圖。為清晰顯示系統(tǒng)實際運行功能的監(jiān)控界面，了解光伏系統(tǒng)的運行方式，在完成包括光伏系統(tǒng)在內(nèi)的系統(tǒng)框架圖的設計時會進行界面交互。需詳細列出用于發(fā)電的逆變器、用于并網(wǎng)光伏發(fā)電的逆變器、交流負載、單軸系統(tǒng)等。

建立動態(tài)連接。采集現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)，為保證實時數(shù)據(jù)與HMI 監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)一致，如操作系統(tǒng)的溫度和濕度，電壓、電流和功率值及實際的運行方式，對網(wǎng)絡傳輸?shù)姆€(wěn)定性提出了更加高的要求，要求整個系統(tǒng)的延遲做到盡可能的低。通過PLC 與HMI 間高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡總線技術(shù)，可實現(xiàn)人機界面與運行設備間的各類運行參數(shù)的雙向同步。

3 關(guān)于太陽能發(fā)電建設的建議

隨著國家智能制造2025規(guī)劃的提出，以分布式光伏技術(shù)為代表的一系列新型技術(shù)具備著很廣泛的應用場景與增長空間。分布式發(fā)電系統(tǒng)開始被電網(wǎng)廣泛采用到我國的電力系統(tǒng)中，大量應用也給分布式光伏技術(shù)的快速更新完善提供了基礎。因此，基于PLC 技術(shù)的分布式光伏控制系統(tǒng)的改進設計，是目前一個階段內(nèi)我國電力系統(tǒng)科研人員一個十分具有現(xiàn)實意義與理論意義的研究課題。除說明設計的具體要求外還應按照國家政策法規(guī)進行技術(shù)設計，以針對性提出綜合性的運行措施為目標，并為電網(wǎng)建設提供更好的支持。

電網(wǎng)質(zhì)量的提高在國民經(jīng)濟的發(fā)展中起著非常重要的作用，可更好地保證城市在發(fā)展過程中的用電需求。通過設計和分析分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)，將確保以安全性和可靠性為前提的光伏發(fā)電系統(tǒng)的未來發(fā)展，并通過充分利用太陽能資源來提供電力。電網(wǎng)公司需積極為分布式光伏項目提供便利，使其能連接到電網(wǎng)并為接入系統(tǒng)項目的建設打開綠色通道。與電網(wǎng)連接的分布式光伏項目對于優(yōu)化我國現(xiàn)有的能源供應模式，有效緩解我國電力生產(chǎn)與消費地域不匹配的問題有著十分重要的意義。分布式發(fā)電對于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進節(jié)能和減排等國家智能制造2025宏觀政策的有效落實十分重要。因為其相對傳統(tǒng)發(fā)電項目更加復雜的設計與更多的設備數(shù)量，分布式發(fā)電項目工程對于設計和施工標準都提出了更加嚴格的要求。

分布式光伏技術(shù)由于其明顯的優(yōu)勢而正在迅速發(fā)展。隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)的不斷引入，配電網(wǎng)絡的進步需不斷改進，并采用了新技術(shù)來不斷改進。因此基于PLC 的分布式光伏控制系統(tǒng)的設計是當今考慮的重要問題。需提出更高級別的綜合措施，以更好地適應基于PLC 的分布式光伏控制系統(tǒng)的當前設計要求。除技術(shù)水平外還需進一步加強和優(yōu)化國家政策、法律法規(guī)，為發(fā)電網(wǎng)絡的建設提供更強有力的支持。

4 結(jié)語

當前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設水平有了明顯的提高，從而保證了光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國的實用性。建設分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)時應完善設計流程，改進設計方法，嚴格按照規(guī)范要求進行操作，使光伏發(fā)電系統(tǒng)真正發(fā)揮其作用，促進我國社會經(jīng)濟的穩(wěn)定快速發(fā)展。