小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的搭建

摘要：概述了小型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，闡述了系統(tǒng)各模塊的組成和作用;分析了上位機監(jiān)控系統(tǒng)的搭建方法、組態(tài)畫面的設(shè)計思路，并介紹了一種上位機與PLC和各接口板卡、智能儀表之間通信的配置方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)光互補;監(jiān)控系統(tǒng);發(fā)電系統(tǒng)

0? ? 引言

隨著能源的匱乏和科技的進步，可再生能源的利用已經(jīng)成為目前的研究熱點。光伏和風(fēng)電作為清潔無污染的可再生能源，深入研究風(fēng)光互補發(fā)電的理論框架和整體解決方案，對于電力行業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級和能源轉(zhuǎn)變具有重要的推進作用。合理開發(fā)太陽能與風(fēng)能，安裝小型的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，對我國廣大偏遠農(nóng)村的可持續(xù)發(fā)展具有一定的促進作用。

1? ? 系統(tǒng)設(shè)計

1.1? ? 系統(tǒng)組成

如圖1所示，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電裝置、光伏發(fā)電控制器、風(fēng)力發(fā)電控制器、風(fēng)力發(fā)電裝置、蓄電池組件、逆變裝置組成。光伏電池是光伏發(fā)電裝置的基本組成單元，可以將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?，運行過程中會受到光照強度、光照角度、溫度、濕度等因素的影響。風(fēng)力發(fā)電裝置主要依靠風(fēng)力發(fā)電機，根據(jù)空氣動力學(xué)將流動的風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵觥９夥l(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能儲存在蓄電池中，通過逆變系統(tǒng)將蓄電池中的直流電變?yōu)榻涣麟?，供給負載使用。

1.2? ? 模塊介紹

光伏發(fā)電裝置主要由光伏電池板、光線傳感控制器、水平和俯仰運動機構(gòu)、可編程邏輯控制器、接近開關(guān)、微動開關(guān)、底座支架等設(shè)備和器件組成;光伏電池板接收太陽光照，通過光線傳感控制器對光照方位的檢測自動調(diào)節(jié)水平和俯仰運動機構(gòu)，使光伏電池板輸出最大電能。

風(fēng)力發(fā)電裝置主要由風(fēng)力發(fā)電機、可編程邏輯控制器、測速儀、測風(fēng)偏航機構(gòu)、微動開關(guān)、接近開關(guān)、塔架和基礎(chǔ)等組成;風(fēng)力發(fā)電機利用尾舵實現(xiàn)被動迎風(fēng)偏航，測速儀檢測到風(fēng)速過大時，測風(fēng)偏航機構(gòu)自動調(diào)節(jié)尾舵角度，從而使風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速變慢或進入制動狀態(tài)。

光伏發(fā)電控制器和風(fēng)力發(fā)電控制器分別用于采集光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的輸出信息、蓄電池的工作狀態(tài)信息，實現(xiàn)對蓄電池組件的充放電功能。

逆變裝置主要由逆變控制器組成，逆變控制器接收蓄電池組件輸入的直流電，并將其變?yōu)?20 V、50 Hz的交流電輸出。

1.3? ? 設(shè)計要素

本文主要針對小型化的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，在功能實現(xiàn)的前提下，盡可能考慮經(jīng)濟性指標。蓄電池組件可選擇閥控密封式鉛酸蓄電池，容量12 V/18 Ah/20 HR，尺寸345 mm×195 mm×20 mm，可編程邏輯控制器可以選用西門子的S7-200 CPU。正常情況下，風(fēng)力發(fā)電機在風(fēng)速為3 m/s時進入運行狀態(tài)，平穩(wěn)工作時可以輸出電壓12 V，電流小于20 mA，由于風(fēng)能和太陽能的互補作用，陰雨天亦可工作。

2? ? 監(jiān)控系統(tǒng)

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)除了上述裝置以外，還可以搭建光伏輸出顯示模塊、風(fēng)力輸出顯示模塊、逆變輸出顯示模塊，實現(xiàn)對電壓、電流信號的采集，同時可以由計算機和組態(tài)軟件進行上位機組態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)對風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

2.1? ? 設(shè)備通信

監(jiān)控系統(tǒng)所用到的設(shè)備如下：光伏電流表、光伏電壓表、風(fēng)力電流表、風(fēng)力電壓表、逆變電流表、逆變電壓表;光伏控制器、風(fēng)力控制器、逆變控制器;光伏PLC、風(fēng)力PLC。根據(jù)選用的設(shè)備不同，可以選擇不同的通信方式。這里給出一種較為經(jīng)濟的方案，可供選擇。

上位機與6塊電表之間可選用RS485通信方式，通信接口為COM1;選用西門子S7-200 CPU，上位機與2塊PLC之間采用RS485通信方式，通信接口為COM2;上位機與3塊控制器之間采用RS232通信方式，通信接口分別為COM3、COM4、COM5，如表1所示。

2.2? ? 組態(tài)設(shè)計

監(jiān)控界面主要由風(fēng)光互補總控界面、供電系統(tǒng)監(jiān)控界面、逆變系統(tǒng)監(jiān)控界面、能源系統(tǒng)管理界面組成。風(fēng)光互補總控界面實現(xiàn)對系統(tǒng)的整體監(jiān)控，供電系統(tǒng)監(jiān)控界面實現(xiàn)對風(fēng)光互補發(fā)電電壓、電流信號的監(jiān)控，逆變系統(tǒng)監(jiān)控界面實現(xiàn)對逆變器參數(shù)的設(shè)置和逆變電壓、電流信號的監(jiān)控，能源系統(tǒng)管理界面實現(xiàn)電壓、電流值的數(shù)據(jù)查詢、曲線繪制和發(fā)電功率監(jiān)控。

3? ? 結(jié)語

風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)以太陽能和風(fēng)能兩種清潔能源為基礎(chǔ)，利用兩種能源的優(yōu)勢互補，實現(xiàn)了能源的分布式應(yīng)用。針對晝夜天氣變化，最大化利用光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的互補性，降低了工程造價和發(fā)電成本，提高了發(fā)電的資源效益和經(jīng)濟效益，為綠色供電系統(tǒng)的發(fā)展提供了思路。

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收稿日期：2020-05-27

作者簡介：朱高偉（1988—），男，河南洛陽人，講師，研究方向：自動化分析、機器學(xué)習(xí)等。