基于PLC的船用光伏并網(wǎng)能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉雄航，胡克容

( 1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063； 2.中汽研汽車檢驗(yàn)中心(武漢)有限公司，湖北 武漢 430056)

為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染，各航運(yùn)大國(guó)不斷探索新能源技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用，以達(dá)到節(jié)能減排的效果。其中光伏發(fā)電技術(shù)因獨(dú)特的能源和環(huán)保優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為最具潛力的綠色船舶技術(shù)之一[1]。

隨著光伏滲透率的提高，光伏發(fā)電技術(shù)在船舶平臺(tái)的應(yīng)用已逐漸由離網(wǎng)型向并網(wǎng)型發(fā)展[2]，而在船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用上還存在幾個(gè)問(wèn)題：①光伏系統(tǒng)各設(shè)備安裝布局上較分散，運(yùn)行數(shù)據(jù)需集中進(jìn)行監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ)，以便后期分析光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行性能；②光伏發(fā)電功率具有間歇性，會(huì)給船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，需結(jié)合儲(chǔ)能設(shè)備的使用控制其輸出功率；③船舶電力系統(tǒng)對(duì)安全性要求較高，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需具有故障檢測(cè)、報(bào)警輸出和保護(hù)功能[3-4]。

某汽車滾裝船的船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能設(shè)備。本文針對(duì)這套光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，以可編程邏輯控制器(PLC)為核心，設(shè)計(jì)研發(fā)一套船用光伏并網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)的集中監(jiān)測(cè)和能量管理，提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能和使用效率。

1 船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。由光伏陣列、光伏控制器、光伏逆變器、超級(jí)電容及CMS、雙向DC/DC變換器和船用光伏能量管理系統(tǒng)組成。光伏電池陣列采用18串10并2組分進(jìn)2個(gè)控制器的方式(光伏組件峰值功率102.6 kW)，逆變器采用2臺(tái)50 kW并聯(lián)輸出。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，光伏陣列將光能轉(zhuǎn)化為電能，由光伏控制器進(jìn)行降壓及最大功率跟蹤輸出；超級(jí)電容經(jīng)雙向DC/DC變換器連接至直流母線；光伏并網(wǎng)逆變器將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姾笸ㄟ^(guò)升壓變壓器并入船舶電站匯流排。能量管理系統(tǒng)采集光伏各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，集中管理顯示并輸出信號(hào)控制雙向DC/DC變換器和逆變器的運(yùn)行。

圖1 船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 能量管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

能量管理系統(tǒng)選用ABB AC500系列PLC為控制器，CPU為PM583，根據(jù)實(shí)際需求包含2個(gè)模擬量采集模塊，1個(gè)數(shù)字量輸入輸出模塊、1個(gè)數(shù)字量輸入模塊和1個(gè)RS485擴(kuò)展通訊模塊[5]，能量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。PLC通過(guò)通訊方式分別與CMS、雙向DC/DC變換器、光伏控制器和光伏逆變器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。人機(jī)界面采用Beijer觸摸屏，通過(guò)以太網(wǎng)通訊方式接收PLC發(fā)送的光伏系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)并予以顯示，同時(shí)管理人員可通過(guò)其控制界面設(shè)定能量管理策略的控制參數(shù)[6]。

圖2 能量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 能量管理系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

能量管理系統(tǒng)是使光伏逆變器并網(wǎng)功率按照設(shè)定速率追隨光伏控制器輸出變化，降低逆變器輸出功率突變對(duì)船舶電網(wǎng)的影響，控制器及逆變器間的能量差額由超級(jí)電容充放電補(bǔ)償。因此對(duì)控制器功率的追蹤和逆變器功率的設(shè)定尤為關(guān)鍵[7]。

3.1 控制器功率追蹤及逆變器功率設(shè)定

為防止控制器輸出功率突變?cè)斐傻淖粉櫿`判，程序?qū)刂破鬏敵龉β什蓸訛V波處理，以提高對(duì)控制器輸出功率追蹤的精度。

為使并網(wǎng)功率能夠更加精確地追蹤到控制器輸出功率，同時(shí)盡可能減小超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用，將控制器輸出功率劃分為10個(gè)區(qū)間，然后基于超級(jí)電容的SOC值對(duì)逆變器的功率進(jìn)行設(shè)定，見(jiàn)表1。

表1 基于SOC的逆變器功率設(shè)定

3.2 基于超級(jí)電容SOC的逆變器協(xié)調(diào)控制

系統(tǒng)采取2臺(tái)逆變器并聯(lián)輸出的方式，因此根據(jù)當(dāng)前功率需求及超級(jí)電容的SOC值對(duì)2臺(tái)逆變器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

1)SOC處于正常范圍。SOC值處于正常范圍時(shí)(模式一)，逆變器協(xié)調(diào)控制流程見(jiàn)圖3。

圖3 SOC正常范圍時(shí)，逆變器協(xié)調(diào)控制流程

(1)逆變器達(dá)到啟動(dòng)條件(超級(jí)電容SOC大于50%，控制器輸出功率大于3 kW)，啟動(dòng)1#逆變器并進(jìn)行功率設(shè)定。

(2)判斷逆變器是否符合雙機(jī)運(yùn)行的條件(逆變器設(shè)定功率達(dá)到40 kW，超級(jí)電容SOC大于50%)，達(dá)到并機(jī)條件進(jìn)入(4)，否則進(jìn)入(3)。

(3)控制器當(dāng)前輸出功率小于3 kW時(shí)，停止1#逆變器運(yùn)行，逆變器停止前需緩慢降低功率，當(dāng)逆變器停止后，2臺(tái)逆變器命名對(duì)調(diào)(即1#逆變器命名為2#逆變器，2#逆變器命名為1#逆變器)。

(4)啟動(dòng)2#逆變器并機(jī)運(yùn)行，2臺(tái)逆變器設(shè)定功率均分，當(dāng)控制器當(dāng)前輸出功率小于20 kW時(shí)，停止1#逆變器，同時(shí)2臺(tái)逆變器命名對(duì)調(diào)，回到(2)繼續(xù)運(yùn)行。

2)SOC低于放電警戒值。超級(jí)電容SOC低于放電警戒值時(shí)，逆變器協(xié)調(diào)控制流程如圖4所示。

圖4 SOC低于放電警戒值時(shí)，逆變器協(xié)調(diào)控制流程

逆變器雙機(jī)運(yùn)行時(shí)，先停止1臺(tái)逆變器(采取先啟先停方式)，使另外1臺(tái)逆變器單機(jī)運(yùn)行，如果控制器輸出功率大于逆變器單機(jī)額定功率，則逆變器以額定功率運(yùn)行，多余能量對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，直至超級(jí)電容充電至SOC達(dá)到50%后回到模式一的運(yùn)行方式。當(dāng)逆變器單機(jī)運(yùn)行時(shí)，若超級(jí)電容的SOC值低至放電禁止值，則停止當(dāng)前運(yùn)行的逆變器，停機(jī)后切換2臺(tái)逆變器啟停順序，并對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，充電至SOC達(dá)50%進(jìn)入模式一待機(jī)。

3)SOC高于充電警戒值。SOC高于充電警戒值時(shí)，逆變器協(xié)調(diào)控制流程如圖5所示。

圖5 SOC高于充電警戒值時(shí)，逆變器協(xié)調(diào)控制流程

系統(tǒng)仍以模式一的工作方式進(jìn)行啟停并機(jī)，令超級(jí)電容緩慢放電，當(dāng)超級(jí)電容SOC低于50%時(shí)進(jìn)入模式一。如果超級(jí)電容SOC大于充電禁止值，則啟動(dòng)另外1臺(tái)逆變器并機(jī)，超級(jí)電容快速放電，直至SOC低至充電警戒值回到初始繼續(xù)運(yùn)行。

4 能量管理系統(tǒng)研發(fā)及測(cè)試分析

4.1 能量管理系統(tǒng)研發(fā)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)需求研發(fā)船用光伏并網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，操作人員可通過(guò)圖6的控制參數(shù)設(shè)置界面更改相關(guān)控制參數(shù)，方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理操作。

圖6 控制參數(shù)設(shè)置界面

4.2 能量管理系統(tǒng)測(cè)試

搭建的實(shí)物進(jìn)行測(cè)試時(shí)，以直流電源模擬光伏輸入，通過(guò)設(shè)置光伏控制器輸出電壓和電流模擬光伏控制器輸出功率突變，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)Beijer觸摸屏的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)記錄后導(dǎo)入MATLAB中繪圖分析。

1)SOC在正常范圍時(shí)測(cè)試結(jié)果，如圖7所示。50 s時(shí)增加控制器輸出功率，超級(jí)電容充電吸收控制器突增功率，隨后逆變器按照1 kW/s的速率跟隨控制器變化輸出；120 s時(shí)控制器輸出功率高于40 kW，自動(dòng)啟動(dòng)2#逆變器并機(jī)，并機(jī)后2臺(tái)逆變器功率均分；300 s時(shí)突降控制器輸出功率，此時(shí)超級(jí)電容迅速放電維持逆變器輸出功率穩(wěn)定，隨后逆變器輸出功率緩慢降低；當(dāng)控制器輸出功率降低至20 kW以下，1#逆變器降低額定功率停機(jī)，待下次控制器功率再高于40 kW時(shí)，1#逆變器自動(dòng)啟動(dòng)并機(jī)，隨后重復(fù)之前的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)了逆變器設(shè)定功率大于40 kW時(shí)并機(jī)，功率小于20 kW解列1臺(tái)的協(xié)調(diào)控制，并且遵循了啟停順序切換的原則，保證2臺(tái)逆變器在使用時(shí)間上盡可能趨向于一致，同時(shí)當(dāng)控制器功率發(fā)生突變時(shí)，超級(jí)電容能夠迅速響應(yīng)，使逆變器并網(wǎng)功率平緩輸出。

圖7 SOC在正常范圍時(shí)測(cè)試結(jié)果

2)SOC低于放電警戒值時(shí)測(cè)試結(jié)果，如圖8所示。初始雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，50 s時(shí)手動(dòng)調(diào)整參數(shù)設(shè)置界面SOC放電警戒值的數(shù)值，使其大于當(dāng)前SOC值，此時(shí)2#逆變器開(kāi)始降功率解列停機(jī)，超級(jí)電容由放電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，140 s時(shí)手動(dòng)設(shè)置使SOC放電禁止值的數(shù)值大于當(dāng)前SOC值，1#逆變器隨即緩慢降低功率停機(jī)，超級(jí)電容由緩慢充電過(guò)渡到快速充電狀態(tài)。

圖8 SOC低于放電警戒值時(shí)測(cè)試結(jié)果

3)SOC高于充電警戒值時(shí)測(cè)試結(jié)果，如圖9所示。保持控制器的輸出功率穩(wěn)定，90 s時(shí)手動(dòng)調(diào)整參數(shù)設(shè)置界面的數(shù)值，使SOC充電警戒值小于當(dāng)前SOC值，逆變器設(shè)定功率取區(qū)間最大值，超級(jí)電容由充電狀態(tài)變?yōu)榫徛烹姞顟B(tài)；160 s時(shí)再次手動(dòng)調(diào)整，使當(dāng)前SOC值大于充電禁止值，1#逆變器先緩增功率，使超級(jí)電容處于快速放電狀態(tài)，隨后啟動(dòng)2#逆變器啟動(dòng)并機(jī)均分功率。

圖9 SOC高于充電警戒值時(shí)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

光伏系統(tǒng)各能源在船舶上布局較為分散，各能量源間可靠高效的協(xié)調(diào)工作對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要。本文以ABB AC500 PLC為主控核心，設(shè)計(jì)研發(fā)了一套能量管理系統(tǒng)對(duì)船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的各能源進(jìn)行集中管理調(diào)度，搭建實(shí)物平臺(tái)對(duì)能量管理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果說(shuō)明能量管理系統(tǒng)能有效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)并對(duì)系統(tǒng)各設(shè)備間能量進(jìn)行管理。