基于PLC的光伏微電網智能控制系統的研究*

黃小華

(云南機電職業技術學院，云南 昆明 650203)

黨的十九屆五中全會把碳達峰、碳中和作為“十四五”乃至2035國家戰略目標，為實現國家戰略目標，積極開發無污染、可再生的清潔能源是21世紀能源發展的方向。太陽能因其儲量的無限性、存在的普遍性、利用的清潔性以及實用的經濟性，越來越被人們所青睞。大力發展光伏產業、積極開發太陽能，在全球范圍內得到了空前重視，已成為各國可持續發展戰略的重要組成部分。此外，為協調大電網與分布式發電之間的矛盾，微電網應運而生。然而，為了保證微電網系統安全、穩定、經濟、高效地運行，智能控制系統必不可少[1-2]。

光伏微電網智能控制系統以西門子S7-1200PLC控制器為核心，開發PLC控制程序，結合觸摸屏及力控組態軟件，實現本地控制和遠程監控。通過對光伏微電網的遠程實時監測，不僅可以掌握系統運行狀態，還能及時發現問題，提前采取措施避免一些故障的發生，有利于保證光伏微電網的平穩運行[3-4]。

1 光伏微電網的控制方案

1.1 整體控制方案

光伏微電網是將分布式光伏發電設備、負荷、DC/AC變換器、儲能設備和控制與保護裝置等環節相結合，而構成一個可控的獨立供電系統[5]。本控制系統以PLC控制器為核心，與PC機、光伏工程環境模擬平臺、光伏管控平臺、觸摸屏等相結合，通過通信實現數據的傳輸、采集、顯示、控制等功能而構成一個可控的獨立供電系統，整體控制方案如圖1所示。

1.2 離網運行方案

離網光伏發電系統又稱為獨立光伏發電系統，主要由模擬光源、光伏組件、直流電壓電流組合表、光伏控制器、蓄電池、直流負載、配置智能離網微逆變系統，將光伏發電的直流電轉換為交流電，為交流負載供電。離網運行框圖如圖2所示。

圖2 離網運行框圖

根據光伏側出力情況進行判斷，若滿足離網發電要求，即執行如下模式的離網發電運行方案。

1)離網發電系統-蓄電池模式：將光伏發電的電能經過光伏控制器給蓄電池供電。

2)離網發電系統-光伏組件模式：光伏組件所發電能直接供直流負載，并可經過智能離網微逆變系統，將直流電轉換為交流電，給交流負載供電(即發即用)。

光伏控制器是離網發電系統的核心，可以為離網逆變發電系統提供合適功率源，具有防止蓄電池過充電保護、防止蓄電池過放電保護、極性反接保護、短路保護、夜間防反充保護等功能[6]。

1.3 并網運行方案

光伏微電網并網運行系統主要包括模擬光源、光伏組件、直流電壓電流組合表、并網逆變器、單相電能表、雙向電能表、隔離變壓器和負載等。并網運行框圖如圖3所示。

圖3 并網運行框圖

根據光伏側出力情況進行判斷，若滿足并網發電要求，即執行如下模式的并網發電運行方案。

1)全額上網模式：以并網逆變器為核心，將直流電轉化為交流電，經單相電能表反饋到雙相電能表，進而經過隔離變壓器將光伏發電的電能傳輸給市電電網，這樣就可接入公共電網中，實現全額上網。

2)自發自用余電上網模式：光伏發電系統所發的電既可以供給市電電網，也可供交流負載。

1.4 通信系統

1)無線通信：本系統有2個LoRa通信模塊，一個安裝于光伏環境模擬平臺，用于發送數據(如組件角度、光照度、溫濕度等)，另一個安裝于光伏管控平臺，用于接收光伏環境模擬平臺發送的數據，LoRa建立一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。PLC以RS485通信方式采集光伏管控平臺LoRa通信模塊接收的數據，同時PLC通過PROFENET通信協議將數據傳送到力控組態軟件中，實現對環境數據的遠程采集。

2)有線通信：以PLC作為交換機，通過PROFENET通信協議實現PC機、觸摸屏的通信，通過RS485通信的方式實現與交流組合表、直流組合表、單相電能表、雙相電能表以及離網逆變器的有線數據通信。

2 光伏微電網智能控制系統的硬件設計

2.1 光伏微電網智能控制系統的輸入部分

光伏微電網智能控制系統的輸入信號有2類：一類是指令性質的輸入信號，另一類是保護和位置輸入信號[7-8]。指令性質的輸入信號由觸摸屏相應控件來提供，也可由力控上位機的操作界面來提供；而保護和位置輸入信號是由光伏單軸系統上5個限位開關和2個光電傳感器來實現。

2.2 光伏微電網智能控制系統的輸出部分

光伏微電網智能控制系統的輸出信號主要由11個繼電器和5個接觸器來實現。西門子S7-1200PLC輸入分配表和繼電器、接觸器的分配定義分別見表1～表3。

表1 輸入分配表

表2 接觸器分配定義

表3 繼電器分配定義

3 光伏微電網智能控制系統的軟件設計

光伏微電網智能控制系統的軟件設計是最重要的環節。本系統軟件設計主要分為主程序和子程序(通信程序、控制程序、驅動程序)兩個部分[9-10]。

1)主程序主要用來調用子程序、以及急?？刂?。

2)通信程序是本軟件設計的基礎，首先要實現PLC與各類控制設備的數據通信，才可以實現相應的控制功能。設計通信程序，編寫通信初始化程序，以及與各類控制設備的通信程序，實現PLC與光伏環境模擬平臺(組件角度、光照度、溫濕度)、光伏管控平臺(交流組合表、直流組合表、單相電能表、雙相電能表以及離網逆變器)的通信。

3)控制程序：主要開發擺桿和光伏組件的逐日控制、離網、并網以及市電這4個系統的PLC控制程序，實現中間變量的控制，開啟“離網發電系統-蓄電池模式、離網發電系統-光伏組件模式、并網發電系統-自發自用余電上網和并網發電系統-全額并網”的4種發電模式。具體控制舉例如下。

a. K6按鈕按下，判斷當前光伏側出力情況，若滿足離網發電系統配置需求，則啟動離網發電系統，交流負載運行，啟動離網PLC控制程序如圖4所示。

圖4 啟動離網PLC控制程序

b. K7按鈕按下，判斷當前光伏側出力情況，若滿足并網發電系統配置需求，則啟動并網發電系統，交流風扇運行，啟動并網PLC控制程序如圖5所示。

圖5 啟動并網PLC控制程序

c. K8按鈕按下，判斷當前光伏側出力情況，啟動市電供電管理：若光伏側出力情況不滿足離網并網光伏發電系統配置需求，則啟動市電供電，并啟動交流燈；若光伏側處理情況滿足光伏發電系統配置需求，則執行相應的發電方式，啟動市電PLC控制程序如圖6所示。

圖6 啟動市PLC控制程序

4)驅動程序：通過中間變量來驅動實際的輸出點，進而實現光伏微電網的控制功能。

4 光伏微電網智能控制系統的遠程監控

光伏微電網的遠程監控主要采用力控組態軟件來實現，該軟件是一款通用型的人機可視化監控組態軟件，通過與實時數據庫的交互，實現對現場設備的監控。

4.1 力控I/O設備組態

I/O設備組態就是完成I/O設備的選擇、設置設備名稱、設置設備IP地址及設置COM口等。

4.2 實時數據庫設置

將力控組態軟件與遠程現場設備進行通信，實現對現場設備數據的采集，數據庫變量是聯系人機界面和現場的橋梁，通過數據庫變量可以實現對本地數據庫、遠程數據庫的訪問、采集和監控，可對采集的數據進行一些運算處理，并提供報警、歷史數據存儲、統計等功能，其他應用程序或者功能模塊通過與實時數據庫交互而實現其功能及擴展。

4.3 力控人機界面與動態連接

根據控制要求，制作相應的力控人機界面。力控人機界面主要包括登錄界面、頂部窗口、操作界面、監視界面、數據報表界面、趨勢曲線界面、系統框圖等。以操作界面為例，與PLC控制程序中的相應變量進行關聯，實現動態連接。

操作界面包含急停按鈕、KA1～KA11、KM1～KM5、模擬光源的啟動和復位、光伏組件的向東和向西運行、離網發電系統的蓄電池模式和光伏組件模式、并網發電系統的自發自用模式和全額上網模式。操作界面如圖7所示[11]。

圖7 操作界面

5 試驗結果驗證

光伏微電網智能控制系統通過監視界面、數據報表界面、趨勢曲線界面的實時數據采集與顯示，驗證本系統實現了遠程監控功能。

監視界面監視光伏逐日系統的運行，且與設備運行情況一致，能夠實時顯示所有交直流電流電壓組合表采集的電壓、電流及計算的功率，能夠顯示光伏環境模擬平臺的溫度、濕度、光照度數據、光源運行的方向、光伏組件運行的角度及方向。監視界面如圖8所示。

圖8 監視界面

光伏發電系統的系統監控圖如圖9和圖10所示，能夠動態顯示光伏發電系統的控制開關動作、能源流向、負載的運行等。

圖9 離網監控圖

圖10 并網監控圖

數據報表界面可以對直流負載電壓、直流負載電流、直流負載功率、交流負載電壓、交流負載電流、交流負載功率及光伏輸入電壓共7個參數進行實時采集與顯示。數據報表顯示如圖11所示。

圖11 數據報表顯示

“趨勢曲線”實時顯示電能表當前總有功電能、顯示光伏側發電電壓。趨勢曲線如圖12所示。

圖12 趨勢曲線

6 結語

本光伏微電網智能控制系統經調試測試，能夠實現光伏逐日、離網、并網、市電等相關功能間有序切換，對光伏環境模擬平臺(組件角度、光照度、溫濕度)、光伏管控平臺(交流組合表、直流組合表、單相電能表、雙相電能表以及離網逆變器)的數據實時采集，采集信息準確，整個系統運行可靠性強，達到了光伏微電網信息智能控制的目的。