分布式光伏發電控制系統設計分析

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摘要：針對分布式光伏發電控制系統存在的自動化程度低、運行效率不高、穩定性差的問題，設計并實現基于PLC技術以及RS485通信技術的光伏發電控制系統。詳細分析分布式光伏發電控制系統結構，完成控制系統的硬件設計、軟件設計。利用力控組態軟件實現對分布式光伏發電控制系統的運行狀態、故障信息的實時監測，可在線設置、修改運行參數。該分布式光伏發電控制系統自動化程度高、提高了系統的運行效率和穩定性，能滿足預期設計目標。

關鍵詞：控制系統；PLC；分布式；RS485；監控平臺

引言

光伏發電是指利用光伏電池將太陽能直接轉換為電能。光伏發電系統在能量轉化率、設備成本以及實際應用等方面都有較好的發展前景。光伏發電具有無污染、無噪聲、設備建設周期短、維護簡單等特點，可進行大規模的推廣和應用［1］。光伏發電技術在德國、美國等發達國家比較成熟，推廣力度較大，如德國早在1990年即推出“1000太陽能屋頂計劃”；2002年美國光伏電池發電總量已達112．9MW，日本則近254．5MW，并每年以48．6％的速度增長。我國光伏發電技術起步于1970年，經過近50年的不斷努力，國內光伏發電技術與國外的差距在不斷縮小［2－4］。光伏發電系統按照傳送方式可分為獨立、并網、分布式光伏發電三種模式，其中分布式光伏發電是指在用戶用電現場分布并配置較小的光伏發電供電系統，以滿足特定用戶的用電需求，具有分散布置，集中管理的優勢。以分布式光伏發電控制系統為研究對象，分析其控制結構、軟硬件設計，以提升控制系統的自動化水平，提高系統運行效率，降低故障發生率。

1控制系統結構

分布式光伏發電控制系統結構框圖如圖1所示，按照功能可分為能源管理、變換／控制管理、負載優化管理三部分。能源管理部分為光伏電池陣列，為分布式光伏系統的電能來源；光伏電池經DC／AC變換器、光伏并網裝置、控制系統等變換／控制管理模塊處理后，為負載用公共電網提供連續、可靠的光伏電能。變換／控制管理部分是分布式光伏系統的核心，可實現對光伏電能交流、直流的自動切換；負載優化管理部分可實現對光伏電能的存儲、智能管理以及能量流向控制，可為用戶或者負載提供最優控制策略。

2硬件設計

分布式光伏發電控制系統核心硬件為PLC控制器，選用的型號為三菱FX5U－64MR。光伏發電控制系統的輸入信號主要分為指令信號和位置／保護信號兩類，指令信號有急停、復位、自動／手動等；位置／保護信號有方向旋鈕、擺桿限位信號等。該控制系統可控制擺桿沿東西、西東以及垂直方向移動；利用旋鈕可控制光伏組件向東、西、南、北四個方向旋轉，以獲得最多太陽光能。分布式光伏發電PLC控制器I／O輸入地址分配表詳情如表1I0．0～I0．7以及I1．0～I1．3所示。PLC控制器輸入信號還包括測量光伏組件傾角的傾角傳感器，為模擬量電流信號；溫度傳感器，用于檢測光伏組件的溫度；光照強度傳感器，用于檢測太陽光的光照強度［5－7］?？刂葡到y根據采集的溫度、光照強度數據，控制擺桿以及光伏組件自動移動或旋轉，利用傾角傳感器實時測量擺桿和光伏組件的傾角。光伏發電控制系統的輸出信號主要由繼電器和接觸器構成，如控制燈光色變的繼電器、控制蜂鳴器開關的繼電器、控制直流／交流電信號的繼電器，控制光伏發電系統離網以及并網的接觸器等。溫度傳感器選用的型號為CYB－20S－kW，該傳感器以熱電阻PT1000為熱敏元件，可檢測溫度范圍為－50～260℃，檢測精度為!0．2％F．S，激勵電壓為12～24VDC，該溫度傳感器的外形、大小符合安裝尺寸要求，檢測精度滿足系統要求。傾角傳感器選用的型號為ZCT290L－LHS－17，該傳感器為雙軸結構，可測量X軸和Y軸兩個方向的傾角，測量范圍為!90°，可輸出－10～10V的電壓信號或4～20mA的電流信號［8］。光照強度傳感器選用的型號為ZCT182L－LHZ－1，該傳感器的檢測精度為!0．3％F．S，供電電源為12～24VDC。另外，分布式光伏發電控制系統的監控平臺選用力控組態軟件實現，PLC控制器與力控組態軟件以RS485通信模式進行數據傳送和映射。

3軟件設計

3．1PLC設計

分布式光伏發電控制系統設置有手動、自動兩種控制模式。手動模式時，旋轉／按下旋鈕后光伏組件開始運動；松開該旋鈕后，光伏組件隨即停止運動；自動模式時，按下指定方向的旋鈕后，光伏組件按照設置速度開始運動，直至達到限位位置，然后反向運動，循環往復。分布式光伏發電控制系統中設計有向東、向西、向南、向北四個方向的旋鈕可控制光伏組件按照要求向指定方向旋轉，手動模式時，按下旋鈕，光伏組件按照要求開始旋轉，當松開旋鈕后（或到達限位位置），停止旋轉；自動模式時，光伏組件可模擬太陽連續沿指定方向運行，直至達到該方向限位位置，停止時間T秒后，沿反向運行。分布式光伏發電控制系統軟件流程首先檢測系統上電，并開始系統自檢過程。若在自檢過程中發生故障，則將故障信息推送至監控平臺，待故障解決后才可恢復運行。在軟件設計中，增加系統自恢復／復位功能，保證系統在緊急情況下可連續運行。分布式光伏發電控制系統軟件流程如圖2所示。

3．2監控平臺設計

分布式光伏發電控制系統監控平臺設計框圖如圖3所示，由監控界面、數據界面以及輔助界面三部分組成。PLC控制器通過RS485通信模式將系統運行所有數據傳送至力控組態軟件并于控制器地址進行映射。監控平臺設計由用戶登錄界面，以用戶名＋密碼形式進行登錄； 可實時查看、查詢系統運行歷史數據，以及某一個參數的曲線變化趨勢，同時可完成系統數據報表的打印。監控界面主要由運行管理、逆變與負載監測、報警以及參數設置四個子界面組成，可實時查看方向水平／垂直限位按鈕、方向按鈕、燈光、溫度／光照／傾角傳感器數值等輸入、輸出數據。數據界面由曲線顯示、歷史數據查詢、報表以及打印四個子界面組成，方便技術和工作人員查看各參數的歷史信息和打印管理。輔助界面由用戶管理以及密碼修改兩個子界面組成，可添加、刪除、修改用戶信息，并設置用戶權限。

4結語

設計的分布式光伏發電控制系統經過測試和系統聯調，并經現場實際使用，提升了控制系統的自動化水平和運行效率，通過監控平臺，能夠實時監測發電控制系統的運行狀態和故障信息，達到設計目標。

參考文獻

［1］曹海歐，韓建．基于PLC分布式光伏發電控制系統的設計［J］．儀表技術，2019（1）：31－34．

［2］張燎，金文進，薛巖，等．基于分布式網絡控制的太陽能跟蹤系統設計與開發［J］．工業儀表與自動化裝置，2013（4）：37－40．

［3］一種基于PLC控制追光的光伏發電站設計［J］．晉城職業技術學院學報，2019，12（3）：86－87，92．

［4］龐松嶺，朱望誠，方連航，等．兩級三相光伏并網發電系統并網控制策略研究［J］．自動化儀表，2019，40（4）：19－23．

［5］聶秀珍，林斌．基于S7－200PLC與上位機再光伏發電系統中的應用［J］．浙江水利水電學報，2018，30（6）：61－66，80．

［6］杜云，魏雅．分布式控制再光伏發電技術中的應用研究［J］．自動化與儀器儀表，2016（5）：6－7．

［7］周志敏，周紀海．太陽能光伏發電系統設計與應用實例［M］．北京：電子工業出版社，2010．

［8］朱子晟．基于TMS320F2812的光伏逆變器研究［D］．上海：上海交通大學，2009．

作者：陸佳 單位：上海上電新達新能源科技有限公司