基于PLC控制的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模擬系統(tǒng)研究

劉志云

（阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程科技學(xué)院 安徽阜陽 236031）

隨著煤、石油、天然氣等常規(guī)能源存儲(chǔ)量的日益減少，以及常規(guī)能源對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響，諸如太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿惹鍧嵉目稍偕茉丛絹碓绞苋藗兊那嗖A，他們不僅是清潔能源，還是大自然中取之不盡的可再生能源，且無污染，基于太陽能、風(fēng)能發(fā)電的廣闊前景，大量的太陽能電站、風(fēng)力發(fā)電場如雨后春筍般冒了出來。但是，盡管太陽能輻射面積廣，輻射總量大，由于單位面積上的太陽輻射量有限，且難于收集，一般的太陽能電站對(duì)太陽的利用率還不足30%，同樣，風(fēng)能發(fā)電由于風(fēng)力大小和刮風(fēng)時(shí)間的不確定性，也難以保證足夠的發(fā)電量。因此，該設(shè)計(jì)提出把兩種能源放在同一系統(tǒng)發(fā)電，能有效實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，而且，采用PLC控制光伏電池陣列和風(fēng)力發(fā)電裝置方向和位置的方法，提高發(fā)電效率和系統(tǒng)可靠性。

一、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)硬件組成部件包括光源、光伏電池組件、模擬風(fēng)源、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、DSP控制器、西門子PLC、蓄電池、逆變器和負(fù)載，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

硬件設(shè)計(jì)的特色：模擬日光燈和模擬風(fēng)源是可動(dòng)的，形象地模擬真實(shí)發(fā)電現(xiàn)場，光伏陣列可水平和垂直兩個(gè)方向移動(dòng)，使光伏陣列更準(zhǔn)確地追蹤光源，軸流風(fēng)機(jī)尾翼可偏轉(zhuǎn)，有效防止狂風(fēng)來臨對(duì)風(fēng)機(jī)的損壞。系統(tǒng)智能體現(xiàn)在：光伏供電裝置中的模擬日燈運(yùn)動(dòng)、光伏陣列追日控制以及風(fēng)力供電中的模擬風(fēng)場控制、側(cè)風(fēng)偏航控制[1]。這些智能化控制均采用西門子公司的S7-200系列PLC編程控制。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于模擬風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，它由風(fēng)力發(fā)電部分、光伏發(fā)電部分、逆變部分、遠(yuǎn)程監(jiān)控四部分組成。光伏發(fā)電部分包括光伏供電裝置和光伏供電控制，光伏供電裝置的光源和光伏電池組件由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使光伏組件追隨日光移動(dòng)，從不同角度采集太陽能，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括風(fēng)力供電裝置和風(fēng)力供電系統(tǒng)，風(fēng)力供電裝置的模擬風(fēng)場的風(fēng)力強(qiáng)度用變頻器設(shè)置，風(fēng)向由電機(jī)圓周運(yùn)動(dòng)改變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)尾翼偏移由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而兩個(gè)供電裝置的運(yùn)動(dòng)以及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)指示燈均采用西門子PLC控制，逆變系統(tǒng)將直流電轉(zhuǎn)換成工頻交流電供負(fù)載使用，監(jiān)控系統(tǒng)通過HMI界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

該裝置模擬風(fēng)能和太陽能發(fā)電，按照系統(tǒng)功能，可分成能產(chǎn)生電能的風(fēng)力發(fā)電裝置和太陽能發(fā)電裝置，能控制蓄電池充放電的DSP控制器，能存儲(chǔ)電能的鉛酸蓄電池，能變換交流電的逆變器以及負(fù)載六部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)的光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電在產(chǎn)生電能之前是相互獨(dú)立的，對(duì)能量采集的智能化調(diào)節(jié)都有自己的PLC控制系統(tǒng)和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，其中光伏供電裝置設(shè)置了光線傳感器、微動(dòng)開關(guān)、接近開關(guān)、按鈕為PLC提供信號(hào)，風(fēng)力供電裝置設(shè)置了微動(dòng)開關(guān)、接近開關(guān)、風(fēng)速儀為PLC提供信號(hào)，蓄電池組用來存儲(chǔ)兩種新能源產(chǎn)生的直流電能，達(dá)到互補(bǔ)的目的，蓄電池的電能通過逆變器轉(zhuǎn)變成交流電，監(jiān)控系統(tǒng)通過串行通信接口，將光伏和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)里的電壓表、電流表的數(shù)據(jù)以及PLC輸入/輸出端信息鏈接到力控組件，實(shí)現(xiàn)非現(xiàn)場控制[2]。該系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電又實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電，兩種發(fā)電技術(shù)互補(bǔ)利用，而且能用PLC智能控制，是一個(gè)功能強(qiáng)大的新能源發(fā)電系統(tǒng)。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、系統(tǒng)組成及各部分的功能

（一）風(fēng)力發(fā)電部分。風(fēng)力供電裝置包括由軸流風(fēng)機(jī)支架、軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)保護(hù)罩、風(fēng)場護(hù)欄構(gòu)成的風(fēng)源裝置，由電容器、單相交流電動(dòng)機(jī)、風(fēng)場方向變換機(jī)構(gòu)、滾輪、連桿、萬向輪、接近開關(guān)和微動(dòng)開關(guān)等構(gòu)成的風(fēng)場方向控制運(yùn)動(dòng)裝置，由發(fā)電機(jī)、輪轂、葉片、機(jī)艙、尾舵、構(gòu)成的風(fēng)力發(fā)電裝置，由直流電動(dòng)機(jī)、側(cè)風(fēng)偏航控制裝置、風(fēng)速儀構(gòu)成的風(fēng)力檢測(cè)及發(fā)電機(jī)自控保護(hù)裝置。

風(fēng)力供電控制系統(tǒng)主要包括電源、西門子S7-200 PLC、風(fēng)電輸出顯示器、DSP充放電控制單元、觸摸屏、繼電器等部件，為使接線面板美觀，可加接線排，為保護(hù)裝置可加一個(gè)斷路器。

風(fēng)力機(jī)把風(fēng)能變成葉片的動(dòng)能，發(fā)電機(jī)磁芯電磁感應(yīng)產(chǎn)生電，然后電能充入蓄電池，而逆變器將產(chǎn)生的電能變成220V工頻交流電并網(wǎng)，以供220V交流負(fù)載使用。其核心部件的功能如下：

風(fēng)速器：用來檢測(cè)軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大小，在系統(tǒng)自動(dòng)工作方式下，風(fēng)速儀隨時(shí)反饋檢測(cè)到的信號(hào)給PLC，使系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速控制側(cè)風(fēng)偏航。

S7-200PLC：可控制整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)裝置。通過風(fēng)速儀、按鈕、微動(dòng)開關(guān)和接近開關(guān)等信號(hào)源，經(jīng)PLC內(nèi)部程序邏輯計(jì)算，去控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而模擬風(fēng)源的不同風(fēng)向，以及側(cè)風(fēng)偏航的啟動(dòng)或恢復(fù)。

側(cè)風(fēng)偏航控制機(jī)構(gòu)：側(cè)風(fēng)偏航控制裝置通過機(jī)械部件與尾舵連在一起，當(dāng)PLC輸出側(cè)風(fēng)偏航指示時(shí)，它受直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而偏轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)尾舵偏轉(zhuǎn)。尾舵偏轉(zhuǎn)的作用是：當(dāng)風(fēng)速過大，發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速過高時(shí)，啟動(dòng)側(cè)風(fēng)偏航裝置偏轉(zhuǎn)45°，而尾舵偏移使葉片正面受到風(fēng)力減小，從而避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)損壞。

軸流風(fēng)機(jī)：軸流風(fēng)機(jī)為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供一個(gè)可變的風(fēng)源，其風(fēng)力大小由變頻器頻率設(shè)置，風(fēng)力方向由單相直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)場運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)做順時(shí)針或逆時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)控制。

直流電機(jī)：用以驅(qū)動(dòng)側(cè)風(fēng)偏航裝置運(yùn)動(dòng)。

單相交流電機(jī)：通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)讓風(fēng)場以連桿為半徑，做圓弧運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)模擬風(fēng)場的方向。

（二）光伏發(fā)電部分。光伏供電裝置包括由投射燈、擺桿、擺桿支架、擺桿減速箱、單相交流電動(dòng)機(jī)、電容器、微動(dòng)開關(guān)構(gòu)成的太陽模擬裝置，由光伏電池組件、直流電動(dòng)機(jī)、水平和俯仰方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、光線傳感器及控制電路、接近開關(guān)、底座支架構(gòu)成的光伏電池板及運(yùn)動(dòng)裝置。

光伏供電控制系統(tǒng)包括電源、西門子S7-200PLC、輸出顯示器、DSP充放電控制器、觸摸屏、繼電器、蓄電池等主要部件，也可加入斷路器做保護(hù)，加入可調(diào)電阻用于模擬不同阻值的負(fù)載、從而分析太陽能發(fā)電的伏安特性。

光伏供電控制系統(tǒng)的功能主要有：①用DSP控制模塊控制蓄電池的充電，防止過度充電和過度放電，從而保護(hù)蓄電池。②通過控制系統(tǒng)面板上的電表，讀出當(dāng)前光伏電池發(fā)電的電壓、電流、功率等參數(shù)。③通過光線傳感器、微動(dòng)開關(guān)、接近開關(guān)狀態(tài)的采集，能判斷當(dāng)前光伏組件與太陽光的位置是否垂直正對(duì)。④通過PLC對(duì)光伏組件運(yùn)動(dòng)裝置的控制，使光伏組件移動(dòng)到與太陽正對(duì)的位置，提高太陽能利用率。其核心部件功能如下：

光伏組件：硅電池由于“光生伏特”效應(yīng)，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。硅電池受太陽照射后，電池上下表面間會(huì)產(chǎn)生約0.5V的電壓差，雖然這個(gè)電壓值很小，但如果將36塊小硅電池串聯(lián)起來，電壓約達(dá)18V了。

光線傳感器及控制器：東西南北四個(gè)方向各一個(gè)光線傳感器用以檢測(cè)從四個(gè)方向射來的太陽照度，經(jīng)過傳感器控制盒計(jì)算出哪個(gè)方向光線強(qiáng)，從而使PLC控制電池板往光線強(qiáng)的一方移動(dòng)。

S7-200PLC：通過按鈕、光線傳感器、微動(dòng)開關(guān)、接近開關(guān)狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)PLC內(nèi)部程序邏輯計(jì)算，去控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而控制投射燈、光伏組件的運(yùn)動(dòng)。

（三）逆變系統(tǒng)。逆變系統(tǒng)分三部分：①直流升壓部分；②直流-交流逆變部分；③DSP控制部分，其中最關(guān)鍵的是直流-交流逆變部分，電路原理如圖3所示。逆變系統(tǒng)的功能是將12V直流蓄電池的電能轉(zhuǎn)換成220V、50Hz的工頻交流電，供給負(fù)載使用。DSP控制器的功能是通過內(nèi)部的閉環(huán)控制，使輸出電壓穩(wěn)定在220V不隨輸入電壓波動(dòng)而波動(dòng)，從而改善風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。

圖3 直流-交流逆變?cè)韴D

（四）監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)即在工控機(jī)上制作的MCGS組態(tài)軟件的工程頁面。[3]將發(fā)電系統(tǒng)面板上的電壓表、電流表等顯示儀表和PLC以串行通信方式與工控機(jī)建立連接，即可在MCGS的HMI界面上看到發(fā)電系統(tǒng)的當(dāng)前輸出電壓、電流等即時(shí)數(shù)據(jù)，還可查看歷史數(shù)據(jù)，輸出統(tǒng)計(jì)報(bào)表。同時(shí)還可以在控制頁面上設(shè)計(jì)相應(yīng)按鈕，去控制光伏電池組件和模擬太陽的相應(yīng)移動(dòng)，去改變風(fēng)源的角度、風(fēng)源的方向、側(cè)風(fēng)偏航的啟停。

（五）DSP控制部分。DSP控制器的功能是采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池的輸出電壓值、電流值。且持續(xù)計(jì)算-比較-反饋，必要時(shí)切換蓄電池的充電電路，達(dá)到調(diào)節(jié)蓄電池組工作狀態(tài)的目的，調(diào)整后的電能可以直接送給直流或交流負(fù)載，供負(fù)載使用。DSP控制蓄電池的過程是：由于日照強(qiáng)度、風(fēng)力大小的變化使光伏/風(fēng)力電能輸出電壓變化[4]，當(dāng)光伏組件或風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓低于蓄電池電壓時(shí)，蓄電池充電電路斷開，當(dāng)負(fù)載增大，光伏電池或風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)的電量不夠負(fù)載使用時(shí)，DSP控制器接通蓄電池和負(fù)載間的回路，蓄電池放電，使整個(gè)系統(tǒng)供電穩(wěn)定且連續(xù)。

（六）蓄電池部分。由多塊鉛酸蓄電池組成，在系統(tǒng)中既能將風(fēng)力發(fā)電機(jī)或光伏電池板發(fā)出的電以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)起來，然后用逆變器將其轉(zhuǎn)換成220V50Hz的工頻交流電，供交流負(fù)載使用，也能直接為直流負(fù)載供電。

三、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)功能

由于風(fēng)和太陽輻射并不是時(shí)時(shí)都有的，本模擬發(fā)電系統(tǒng)可工作在三種不同狀態(tài)，即：①光伏電池組件單獨(dú)向負(fù)載供電；②風(fēng)力發(fā)電機(jī)單獨(dú)向負(fù)載供電；③風(fēng)力發(fā)電機(jī)和光伏電池組件聯(lián)合向負(fù)載供電，第三種發(fā)電方案實(shí)現(xiàn)了兩種新能源互補(bǔ)。太陽能和風(fēng)能發(fā)電均設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，手動(dòng)方式下，人為按動(dòng)按鈕，光伏發(fā)電裝置和風(fēng)力發(fā)電裝置做相應(yīng)單一移動(dòng)，通常用于系統(tǒng)故障診斷，也可設(shè)定該發(fā)電系統(tǒng)的單一控制步驟。自動(dòng)工作方式是完全模擬發(fā)電廠的工作流程，根據(jù)供電光源的變化，光線傳感器采集的信號(hào)傳遞到PLC輸入端，經(jīng)過PLC程序控制相應(yīng)繼電器，間接的控制光伏組件的運(yùn)動(dòng)走向，從而使光源時(shí)刻正對(duì)光伏組件，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。風(fēng)力發(fā)電部分，根據(jù)檢測(cè)到的風(fēng)速儀的值，調(diào)節(jié)側(cè)風(fēng)偏航裝置的角度。

四、總結(jié)

本風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電模擬系統(tǒng)，包括太陽能和風(fēng)能發(fā)電部分，電池儲(chǔ)能部分，直流電源逆變成220V工頻交流電部分，力控遠(yuǎn)程監(jiān)控部分，涵蓋了現(xiàn)實(shí)太陽能風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電的全部內(nèi)容，其中，太陽能發(fā)電部分設(shè)有兩個(gè)氖氣燈模擬太陽光強(qiáng)光和弱光模式、燈模擬太陽能自東向西移動(dòng)，太陽能電池板能追蹤光源移動(dòng)，這些均采用西門子S7-200PLC進(jìn)行控制；風(fēng)力發(fā)電部分用軸流風(fēng)機(jī)模擬自然風(fēng)場，能通過底座滑輪改變風(fēng)的方向，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變方向，以正對(duì)風(fēng)場，同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)有可偏轉(zhuǎn)的尾翼，風(fēng)源的方向和風(fēng)力發(fā)電機(jī)尾翼的側(cè)風(fēng)偏航，也采用西門子S7-200PLC進(jìn)行控制，而風(fēng)源的大小用變頻器控制。PLC具體控制方案將是后續(xù)研究的重心。