基于三菱PLC的微型分布式發(fā)電控制系統(tǒng)

高 銘，劉 楠，馮 源，黃燨元，楊智超

(1. 天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院；2. 天津理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，天津 300384)

我國風(fēng)電設(shè)備數(shù)量一直保持飛速增長，風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電雖然利于減少大氣污染，節(jié)約煤炭資源，但大型機組也具有占地面積大、成本高、噪聲污染嚴重的缺點。而利用微型分布式發(fā)電控制系統(tǒng)將有效解決以上問題。

1 實現(xiàn)過程

微電網(wǎng)控制系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和控制柜組成。風(fēng)力發(fā)電裝置由模擬風(fēng)力變頻器、三相異步電機、三相勵磁發(fā)電機、三相阻性負載組成，光伏發(fā)電裝置由光伏板、射燈、伺服電機、逆變器、蓄電池單相阻性負載組成；控制柜由PLC、變頻器、伺服驅(qū)動器組成，該設(shè)備主要實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)化存儲以及多余電量的并網(wǎng)。配置好控制柜部分，以及硬件部分的選型組裝是實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。然后編寫PLC程序，設(shè)置好伺服參數(shù)、變頻器參數(shù)，編寫屏幕程序后進行調(diào)試。該系統(tǒng)主要分為三個部分，即光伏發(fā)電及其并網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電及其并網(wǎng)和監(jiān)視部分。

光伏發(fā)電系統(tǒng)包含定位系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)、光伏逆變系統(tǒng)三個部分。運行過程中通過射燈運行和光伏跟蹤完成模擬。

圖1 微型分布式發(fā)電控制系統(tǒng)模型

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包含風(fēng)力模擬和風(fēng)電并網(wǎng)。首先用變頻器進行風(fēng)力模擬，再用 PLC 進行程序控制，從而實現(xiàn)所需的風(fēng)力條件。然后通過觀測三相同期表，采取手動同期并網(wǎng)。

監(jiān)視系統(tǒng)可對光伏電能和風(fēng)力電能進行監(jiān)視、報警顯示和投切功能，投切系統(tǒng)首先設(shè)計投切參數(shù)，根據(jù)監(jiān)測風(fēng)電和光電蓄電池是否達到投切值來檢測風(fēng)電系統(tǒng)供電、光電系統(tǒng)供電和市電系統(tǒng)供電之間的切換。

2 原理分析

2.1 風(fēng)力發(fā)電

設(shè)備將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，然后將機械能轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)力發(fā)電有離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩種類型。離網(wǎng)型的風(fēng)力發(fā)電規(guī)模較小，現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電設(shè)備為并網(wǎng)型，由控制器穩(wěn)定發(fā)電機發(fā)出的電能供給負載供電。

2.2 光伏發(fā)電

設(shè)備將光能轉(zhuǎn)化為電能，光伏發(fā)電時太陽發(fā)出的光線照射在半導(dǎo)體的p-n結(jié)上形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)內(nèi)部電場作用下，空穴由n流向p，電子由p流向n，接通電路后形成電流。設(shè)備還包含蓄電池用來收集產(chǎn)生的電能，以便于隨時對負載提供電能?？刂破鞅苊饬诵铍姵剡^度充、放電而損壞。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。

2.3 并網(wǎng)

獨立發(fā)電廠或小電力系統(tǒng)與相鄰電力系統(tǒng)發(fā)生電氣連接，進行功率交換的行為稱為并網(wǎng)。并網(wǎng)的步驟：根據(jù)電力系統(tǒng)進入同期允許的電壓差和頻率差的范圍，當(dāng)電壓差指針和頻率差指針反映兩個差值已到達該范圍時，將同期指示表中同期指示連接并網(wǎng)按鈕A、B接入電網(wǎng)，觀看同期指示指針的旋轉(zhuǎn)，后調(diào)節(jié)待并發(fā)電機電壓與頻率直到組合式同期表電壓差頻率差指針在平衡標線時，認為發(fā)電機已進入同期可并入電網(wǎng)運行。利用伺服放大器可以使光伏板隨太陽光線的變化進行跟蹤，完成高效發(fā)電。

2.4 解列

將發(fā)電機有功功率調(diào)制零，無功負荷調(diào)至接近于零。發(fā)電機和系統(tǒng)的某一部分與系統(tǒng)其他部分失去同步且無法恢復(fù)同步時，它們之間會切斷，來使得系統(tǒng)正常運行，防止重大事故發(fā)生。

2.5 485總線通訊

RS485是雙向、半雙工通信協(xié)議，穩(wěn)定性強，比RS232通訊距離更長，可對多臺設(shè)備管理，最遠通訊距離可達1 200m，超出長度可用485中繼器。

3 系統(tǒng)組成與設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)的組成

3.1.1 電氣控制部分。三菱電機平臺提供了基本的控制裝置，由1個四相空氣開關(guān)、1個兩相空氣開關(guān)、1只24V開關(guān)電源、1臺A800變頻器、Q-PLC CPU模塊、Q-PLC電源模塊、輸入輸出模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、定位模塊、串行口通信模塊、人機界面、2個伺服放大器、8個中間繼電器、3個交流接觸器、2個端子排組成，將這些器件連接起來構(gòu)成電氣控制部分。

3.1.2 風(fēng)力發(fā)電部分。風(fēng)力發(fā)電部分由三相異步發(fā)電機、同步電機、三相阻性負載、變頻器組成，在此基礎(chǔ)上我們進行創(chuàng)新加入了三個電能表，他們可以分別測量風(fēng)力發(fā)電電壓電流功率、三相阻性負載電壓電流功率、三相并網(wǎng)連聯(lián)絡(luò)線電壓電流功率并與通信模塊QJ71P4N通信來達到監(jiān)視的目的。

3.1.3 光伏發(fā)電部分。光伏發(fā)電部分由光伏板、伺服電機、射燈、射燈滑動軌道、12V直流轉(zhuǎn)230V交流逆變器、蓄電池組成。安裝在光伏板上的光傳感器感應(yīng)射燈發(fā)出光的強弱，傳遞給PLC控制伺服電機根據(jù)光源的移動做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動來達到跟隨的目的。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。①設(shè)置三相異步電機的運行頻率后，電機速度勻速遞增或遞減到指定運行頻率。其中電機頻率給定通過設(shè)置Q62DAN模塊的通道一電壓輸出給變頻器，變頻器控制電動機轉(zhuǎn)速。②按下“停止”按鍵后，三相異步電機停止運行，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)停止發(fā)電。③按下“負載供電”按鍵后，繼電器接通相應(yīng)的接觸器KM2，接通發(fā)電機向負載供電。④根據(jù)手動準同期并網(wǎng)正確步驟，當(dāng)按下“并網(wǎng)”按鍵后，相應(yīng)繼電器KM3接通，三相電并入電網(wǎng)。⑤可由電能表測量并顯示發(fā)電機示模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流、功率；負載電壓、電流、功率；并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線電壓、電流、功率?？筛鶕?jù)解列正確步驟將系統(tǒng)從電網(wǎng)解列。

圖2 系統(tǒng)流程

3.2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)是由射燈運行及光伏運行部分組成。①按下“伺服開啟”按鍵伺服開啟。②設(shè)置好射燈單元啟動參數(shù)，當(dāng)按下射燈的手動左右移動按鍵時，射燈作相應(yīng)的動作；當(dāng)在自動運行狀態(tài)時，先要設(shè)置射燈左右平移周期，然后再按下射燈的“啟動”按鍵，PLC將射燈移動路程除以周期得到速度后，再將速度數(shù)據(jù)供給到伺服系統(tǒng)中來控制射燈的周期往復(fù)運動。③光伏單元啟動：當(dāng)按下 JOG+、JOG-時，光伏板作相應(yīng)的動作(左右擺動)；當(dāng)按 下“伺服跟蹤”按鍵，光伏板即會跟蹤射燈的運動。④按下“停止”按鍵后，跟隨停止，射燈停止運動，射燈周期清零，需要重新設(shè)置。⑤按下“光電負載”按鍵后，逆變器輸出230V給單相阻性負載供電。由電能表測得電壓電流功率并與QJ71P4N模塊通信。⑥按下“光電并網(wǎng)”按鍵后，繼電器接通并入電網(wǎng)。

表1 基本系統(tǒng)硬件配置

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 風(fēng)力發(fā)電部分

設(shè)置好變頻器參數(shù)，編寫好變頻器程序，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)字量變?yōu)殡娏髂M量給變頻器，變頻器接收到模擬量后控制電機轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機發(fā)電給三相阻性負載供電。不斷調(diào)節(jié)變頻器頻率，使其在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，進而再調(diào)節(jié)勵磁電源，使發(fā)電機穩(wěn)定發(fā)出與電網(wǎng)幅值、頻率、相位相同的三相電，通過三相同期表觀測調(diào)試，當(dāng)滿足要求時并入電網(wǎng)。

4.2 光伏發(fā)電部分

設(shè)置好伺服放大器參數(shù)，編寫好射燈周期運行程序，首先設(shè)置射燈運行周期，模擬光照運行，然后啟動跟隨，光傳感器把光照模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給控制板，控制板經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)化為左右轉(zhuǎn)信號傳遞給PLC，PLC控制伺服電機跟隨射燈旋轉(zhuǎn)。光伏板產(chǎn)生的電能供給經(jīng)控制板整流后給蓄電池充電，經(jīng)逆變器整流逆變后給單相阻性負載供電，經(jīng)單相同期表觀測后當(dāng)符合幅值、頻率、相位要求時可并入電網(wǎng)。

4.3 監(jiān)視部分

包括風(fēng)力發(fā)電電壓、電流、功率的監(jiān)視，光伏發(fā)電電壓、電流、功率的監(jiān)視和并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的電壓、電流、功率的監(jiān)視。

風(fēng)力發(fā)電電壓電流功率，三相、單相阻性負載電壓電流功率，三相并網(wǎng)連聯(lián)絡(luò)線電壓電流功率由海恩德電能表測量并由485總線與通信模塊QJ71P24N采集通訊來進行監(jiān)視，并把監(jiān)視值顯示在觸摸屏上。光伏板電壓電流經(jīng)控制板把電流模擬量給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊Q64AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并顯示在觸摸屏上。

5 系統(tǒng)特性

5.1 能源清潔性

主要以利用分布式能源中的清潔能源為主，利用風(fēng)能、太陽能，能夠?qū)?nèi)部電源和負荷實現(xiàn)一體化運行，而且能夠滿足清潔能源電力轉(zhuǎn)換和并網(wǎng)消納，提高了清潔能源利用效率，實現(xiàn)供需平衡和經(jīng)濟運行，達到了電力與環(huán)境的和諧發(fā)展，有利于分布式發(fā)電技術(shù)的長遠發(fā)展。

5.2 高互動性

微電網(wǎng)在保證高可靠性的同時可以滿足與電網(wǎng)和用戶的良性交互，結(jié)合用戶對電網(wǎng)的參與管理，提高了用戶的積極性并獲得了真實的反饋。

5.3 靈活性

微電網(wǎng)不但可以實現(xiàn)分布式能源的廣泛接入，還能夠及時根據(jù)運行狀況來控制分布式電源的并網(wǎng)和解列，提供一個有效的途徑便于分布式電源的高效利用，微電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中作為單一受控元件，可以實現(xiàn)“即插即用”，還可根據(jù)用戶需求供應(yīng)不同等級的電能質(zhì)量。

6 結(jié)束語

在三菱Q系列PLC的平臺下，完成了微型分布式發(fā)電控制系統(tǒng)的模型構(gòu)建，讓光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定運行，基本實現(xiàn)了預(yù)期。

若該設(shè)備能廣泛運用，還要在不同環(huán)境測試它的工作狀況來進一步優(yōu)化，做到更加人性化、高效化、穩(wěn)定化。