基于S7—200PLC光伏供電自動(dòng)切換控制系統(tǒng)

孟彥京+劉青

摘 要： 光伏發(fā)電在實(shí)際應(yīng)用中用戶端的負(fù)載是不斷變化的，當(dāng)一臺(tái)變壓器下有多個(gè)用戶且只有單個(gè)用戶使用光伏時(shí)，如果光伏輸出電流大于負(fù)載消耗時(shí)，會(huì)發(fā)生逆流現(xiàn)象，這種現(xiàn)象不利于同一變壓器下各個(gè)用戶之間電費(fèi)的結(jié)算。為了解決這一問(wèn)題，通過(guò)S7?200PLC設(shè)計(jì)一套自動(dòng)切換系統(tǒng)，采集負(fù)載端的電流信號(hào)，根據(jù)電流變化情況通過(guò)PLC控制并網(wǎng)逆變器的輸出負(fù)載對(duì)象，最終達(dá)到了光伏并網(wǎng)逆變器和負(fù)載之間的最佳匹配，消除逆流現(xiàn)象，便于用戶之間電費(fèi)的結(jié)算。此系統(tǒng)正式投入使用以來(lái)一直處于正常運(yùn)行狀態(tài)，并且達(dá)到了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電； PLC控制； 負(fù)載消耗； 自動(dòng)切換； 消除逆流； 并網(wǎng)逆變器

中圖分類號(hào)： TN830.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）02?0107?04

Abstract： In practical application of photovoltaic power generation， the load in the client side changes constantly. When a transformer controls multiple users and only one user is using the photovoltaic power， reversal current phenomenon may occur if the photovoltaic output current is greater than the load consumption. This phenomenon is not conductive to electricity settlement among the individual users controlled by the same transformer. To resolve this problem， an automatic switching system based on S7?200PLC is designed to collect current signals in the load side. The output load object of the grid?connected inverter is controlled by PLC according to current change. Finally the best match between the photovoltaic grid?connected inverter and the load is reached and the reversal current phenomenon is eliminated， which facilitates the settlement of users′ electric charge. The system has been in normal operation and has achieved the expected effect since it was put into use.

Keywords： photovoltaic power generation； PLC control； load consumption； automatic switch； reversal current elimination； grid?connected inverter

0 引 言

光伏發(fā)電由于受到天氣影響，輸出功率變化范圍較大。通常為了充分發(fā)揮太陽(yáng)能的效益，自發(fā)自用的光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量一般遠(yuǎn)小于用戶的總用電量。但是對(duì)于擁有兩個(gè)以上變壓器和三相不平衡的用電情況，對(duì)于光伏發(fā)電[1?3]來(lái)說(shuō)，可能出現(xiàn)由于接入負(fù)載某時(shí)段小于光伏發(fā)電量以及三相不平衡導(dǎo)致光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)逆向供電，即所謂逆流現(xiàn)象。實(shí)際上對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，總的負(fù)荷是小于光伏發(fā)電量的，由于不能充分利用太陽(yáng)能的裝機(jī)容量，因此實(shí)際上就造成了額外的經(jīng)濟(jì)損失。另外由于太陽(yáng)能發(fā)電變換器的輸出通常是設(shè)計(jì)成三相平衡和功率因數(shù)[4]為1的工作狀態(tài)[5]，所以當(dāng)三相不平衡供電時(shí)，還可能造成三相中某一相或兩相向電網(wǎng)逆流的問(wèn)題，同時(shí)配置不合理還有可能造成網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)下降。本文針對(duì)用戶為多個(gè)變壓器供電和光伏發(fā)電多個(gè)并網(wǎng)逆變器[6]并聯(lián)的情況設(shè)計(jì)了一種由PLC為控制中心，通過(guò)電流檢測(cè)和平衡性判斷進(jìn)行自動(dòng)切換的控制系統(tǒng)解決光伏發(fā)電的逆流和充分利用問(wèn)題。包括負(fù)載的切換和逆變器的切換在內(nèi)，防止逆流發(fā)生，同時(shí)也使功率因數(shù)得到提高。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)配置情況

本光伏系統(tǒng)配置情況，由一個(gè)500 kW并網(wǎng)逆變器與三個(gè)100 kW并網(wǎng)逆變器組成，總輸出功率為800 kW。

供電對(duì)象為陜西某建材市場(chǎng)，該市場(chǎng)與另外一建材市場(chǎng)共用一個(gè)高壓電表，如圖1所示，高壓電表下的1，2，3號(hào)高壓柜為該建材市場(chǎng)所用，1，2，3號(hào)負(fù)載則為光伏供電負(fù)載，其負(fù)載功率分配分別為：1號(hào)負(fù)載總功率為519.662 kW；2號(hào)負(fù)載總功率為271.766 kW；3號(hào)負(fù)載總功率為519.860 kW。

2 防逆流的光伏發(fā)、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于負(fù)載通常情況下是變化的，在光伏發(fā)電并網(wǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)當(dāng)前負(fù)載的功率小于當(dāng)前光伏并網(wǎng)的輸出功率，因此在滿足負(fù)載消耗之后，所剩余的電量則會(huì)發(fā)生逆流現(xiàn)象；同時(shí)，光伏并網(wǎng)逆變器輸出始終保持在三相平衡，并且功率因數(shù)為1的狀態(tài)[7]，而負(fù)載的分配如果是三相不平衡的，就有可能會(huì)出現(xiàn)三相中一相或兩相是處于光伏供電狀態(tài)，另外兩相或一相處于逆流狀態(tài)；如果當(dāng)市電的高壓電表下的負(fù)載都是同一用戶，則影響不大，但實(shí)際上有兩個(gè)用戶同時(shí)用電，則逆流會(huì)增加各個(gè)用戶和電網(wǎng)之間以及各個(gè)用戶內(nèi)部電量計(jì)量的難度，因此必須防止逆流現(xiàn)象發(fā)生。endprint

為了防止逆流的發(fā)生，就必須保持光伏的并網(wǎng)輸電功率小于負(fù)載的消耗功率，為此設(shè)計(jì)一種用PLC控制的光伏供電自動(dòng)切換控制系統(tǒng)，根據(jù)當(dāng)前不同線路的用電情況選擇投入不同功率的并網(wǎng)逆變器，其供電示意圖如圖2所示，現(xiàn)結(jié)合實(shí)際用電情況將四個(gè)并網(wǎng)逆變器分成三組，即500 kW并網(wǎng)逆變器單個(gè)為500 kW功率輸出，兩個(gè)100 kW逆變器輸出端并聯(lián)組成200 kW功率輸出，剩余一個(gè)100 kW逆變器為100 kW功率輸出，將三組并網(wǎng)逆變器的輸出端分別接在高壓柜1和高壓柜3的低壓側(cè)，通過(guò)閉合不同的交流接觸器來(lái)切換并網(wǎng)逆變器的輸出對(duì)象。高壓柜2停用，其2號(hào)負(fù)載與1號(hào)負(fù)載并聯(lián)，通過(guò)高壓柜1供電，因此，只要根據(jù)當(dāng)前負(fù)載的消耗情況投入輸出功率小于負(fù)載消耗功率的并網(wǎng)逆變器即可防止逆流發(fā)生。但必須注意的是，同一并網(wǎng)逆變器不能同時(shí)接通兩路負(fù)載，防止高壓柜中變壓器并聯(lián)而發(fā)生意外。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 PLC硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際情況，選用S7?200PLC[8]即可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器在負(fù)載之間切換的功能，具體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。控制系統(tǒng)采用中間繼電器控制外部交流接觸器，KA1～KA6表示繼電器線圈，KM1～KM6表示交流接觸器上的常開(kāi)觸點(diǎn)，當(dāng)外部交流接觸器線圈得電時(shí)，交流接觸器吸合，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，接通并網(wǎng)逆變器與對(duì)應(yīng)的變壓器，光伏對(duì)負(fù)載正常供電，并且通過(guò)常開(kāi)觸點(diǎn)將輸出信號(hào)反饋給PLC的輸入端口I0.0～I(xiàn)0.5。

通過(guò)常閉觸點(diǎn)在KM1與KM2，KM3與KM4，KM5與KM6之間相互形成機(jī)械互鎖，具體實(shí)施是將KM1的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在KM2的接通回路中，同樣，將KM2的常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在KM1的接通回路中；KM3與KM4，KM5與KM6之間亦是如此。

3.2 電流信號(hào)采集設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)對(duì)并網(wǎng)逆變器輸出線路的切換是依據(jù)當(dāng)前電路變壓器低壓側(cè)的電流變化為條件的，因此需要采集此處的電流信號(hào)，因?yàn)樵到y(tǒng)中低壓側(cè)有斷路器和電能表，二者均裝有電流互感器采集電流信號(hào)，因此無(wú)需再額外加入變流互感器，只需在原系統(tǒng)斷路器的電流采集電路中串進(jìn)電流變送器，即可取出電流信號(hào)，如圖4所示。模擬量輸入模塊采用西門(mén)子SM231模塊，將采集到的電流模擬量傳入PLC中處理后轉(zhuǎn)化為實(shí)際值顯示在人機(jī)界面中。

3.3 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面采用的是S7?200PLC的TD400C操作屏[9]，如圖5所示。TD400C操作屏是用于系統(tǒng)操作的主要設(shè)備，基本功能包括：系統(tǒng)狀態(tài)顯示、用戶手動(dòng)切換、系統(tǒng)自動(dòng)切換。其顯示功能依靠LCD顯示屏完成，操作功能依靠LCD屏旁邊的15個(gè)觸摸按鍵完成。圖中綠色區(qū)域?yàn)長(zhǎng)CD顯示屏，顯示屏右側(cè)和下側(cè)為按鍵區(qū)。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，自動(dòng)控制狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前變壓器低壓側(cè)負(fù)載電流自動(dòng)投入和斷開(kāi)不同的并網(wǎng)逆變器，并且優(yōu)先選擇負(fù)載，最大化光伏的輸出，使并網(wǎng)逆變器的輸出電流始終小于負(fù)載消耗電流；手動(dòng)狀態(tài)下，用戶根據(jù)自身意愿，選擇并網(wǎng)逆變器的輸出對(duì)象，系統(tǒng)不會(huì)自動(dòng)調(diào)整優(yōu)先級(jí)。

4.1 信號(hào)采集處理

由于采集的電流信號(hào)為連續(xù)的，因此將三相電流的模擬量采集進(jìn)來(lái)后使用滑動(dòng)濾波[10]的方式進(jìn)行處理，得到三相電流每相電流的平均值。并且比較取出1號(hào)負(fù)載和3號(hào)負(fù)載三相電流的最小值，分別為Imin1和Imin3，以供切換并網(wǎng)逆變器使用。

4.2 并網(wǎng)逆變器切換以及優(yōu)先級(jí)設(shè)置

為了防止逆流的發(fā)生，必須保持并網(wǎng)逆變器的輸出電流小于當(dāng)前負(fù)載消耗電流，而光伏并網(wǎng)逆變器的輸出有輸出上限，可以當(dāng)作定值，因此只需根據(jù)當(dāng)前1，3變壓器低壓側(cè)的負(fù)載電流大小來(lái)選擇投入的并網(wǎng)逆變器，當(dāng)負(fù)載電流大于并網(wǎng)逆變器輸出定值時(shí)，投入對(duì)應(yīng)的并網(wǎng)逆變器。當(dāng)并網(wǎng)逆變器投入之后，從電網(wǎng)側(cè)輸入的電流必將減小，即互感器采集的三相電流值會(huì)小于并網(wǎng)逆變器的輸出定值，此時(shí)必須在程序中設(shè)置自鎖，否則會(huì)出現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的接通、斷開(kāi)…如此循環(huán)，程序自鎖設(shè)定當(dāng)互感器采集電流值小于10 A時(shí)認(rèn)為此時(shí)逆變器輸出已經(jīng)大于負(fù)載消耗了，可以斷開(kāi)當(dāng)前輸出的并網(wǎng)逆變器，防止逆流發(fā)生。同時(shí)為了保證3號(hào)負(fù)載用電的優(yōu)先級(jí)問(wèn)題，只需對(duì)變壓器切換1號(hào)負(fù)載的程序中，加入3號(hào)負(fù)載的電流信號(hào)，當(dāng)3號(hào)負(fù)載電流滿足逆變器切換條件時(shí)，逆變器則會(huì)首先斷開(kāi)1號(hào)負(fù)載，如此就可以達(dá)到對(duì)于3號(hào)負(fù)載的優(yōu)先供電，并且每次當(dāng)負(fù)載電流條件滿足時(shí)，程序設(shè)定延遲30 s再接通逆變器，以防止變壓器并聯(lián)事故。

5 項(xiàng)目結(jié)果

表1為改造前的1#負(fù)載的用電情況，所有逆變器均只給1#負(fù)載供電，時(shí)間為每天9：00—17：00，抽取三天同時(shí)間段內(nèi)三相電流的平均值。

從表1可以看出，隨著時(shí)間推移，光照強(qiáng)度增大，光伏系統(tǒng)發(fā)電量越來(lái)越多，由于1#負(fù)載三相不均衡，所以出現(xiàn)了兩相電流為零的情況，則表示光伏供電的電流滿足了負(fù)載消耗后，其余已經(jīng)發(fā)生了逆流。

表2為改造后的1#負(fù)載的用電情況，僅有100 kW逆變器對(duì)1#負(fù)載供電，200 kW與500 kW給3#負(fù)載供電。

由表2可以看出，自從自動(dòng)控制切換系統(tǒng)投入使用后，1#負(fù)載的三相電流并沒(méi)有逆流發(fā)生。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)使用S7?200PLC控制光伏輸電切換系統(tǒng)，不僅可以防止逆流的發(fā)生，而且可以更加有效地利用光伏發(fā)電，也便于電網(wǎng)電量、光伏電量與各用戶用電量之間的結(jié)算。此系統(tǒng)于2016年8月23日正式投入使用，現(xiàn)一直處于正常運(yùn)行狀態(tài)，并且達(dá)到了預(yù)期的效果。

注：本文通訊作者為劉青。

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