光伏电子工程的设计与实施赛项研究

2019-07-11刘伟

船舶职业教育 2019年3期

刘伟

（渤海船舶职业学院，辽宁兴城125105）

“光伏电子工程的设计与实施”是全国职业院校技能大赛电子信息大类的一个常规赛项。该赛项旨在利用成熟的智慧新能源实训系统平台，突出电子信息技术在光伏工程技术中的应用，推进光伏工程技术、电子信息技术等战略新兴产业新能源领域专业的建设与发展，创造优质的教育供给环境，加快新能源产业亟需的高质量技术技能人才的培养。

智慧新能源实训系统由工程环境模拟平台、光伏电子中心控制平台和能源互联网仿真规划平台组成。智慧新能源实训系统效果图如图1所示。

图1 智慧新能源实训系统外形图

“光伏电子工程的设计与实施”赛项时长为5小时，采取团体比赛形式，每个参赛队由3名选手组成，选手以智慧新能源实训系统为平台，按照竞赛任务要求，相互配合，创新性地完成竞赛任务[1]。比赛任务及考核内容如表1所示。

表1 比赛任务及考核内容

为了更有效地指导学生训练，取得更好的成绩，笔者对“光伏电子工程的设计与实施”的软硬件系统、赛题及其评分标准进行深入研究，并根据自身指导学生训练和参赛的经验，对该赛项试题进行解析，诠释各项目的评分要点，并指出比赛中值得注意的问题。

1 工程规划与工程部署

参赛选手在拿到试题后，首先要根据题目的具体要求，完成电气原理图、接线图等电气图的绘制，一般包括微电网系统图、PLC与继电器接线图两部分，目的是考核选手对光伏电子工程系统的掌握程度和CAD制图软件的应用能力。

在工程规划中，评分要点包括：

1）电气图的整体设计布局是否合理；

2）有无图框、标题栏；

3）按题目要求，是否缺模块（继电器、测量仪表、风光互补控制器、逆变器、直流和交流负载、电源和蓄电池），或有模块但未正确标识；

4）连线的正确与否，重点考核PLC输出端的电源线路连接、PLC输出控制端与继电器线路连接及PLC扩展模块与测量仪表线路连接；

5）模块端口（引脚）有无名称标识且正确与否，连接线路有无编号标识且正确与否。

值得注意的事项主要有以下几点：

1）参赛选手应熟悉大赛设备及其组成模块，并理解掌握智能微电网系统原理；

2）绘图软件中一般提供图框和各种模块，比赛中要学会利用；

3）善于利用AUTO CAD软件的复制粘贴等绘图功能，提高绘图速度；

4）在绘图过程中养成经常保存的习惯，避免电脑死机、断电等意外情况的发生而造成数据丢失；

5）电气图一般需要在规定的时间内提前提交，因此需要提前做好检查和拷贝。

在该赛项中，安装和接线的工作量是巨大的，为了节省时间，其中一名选手绘图的同时，另外两名选手在管控平台上安装器件、固定线槽，然后批量做线（裁线、套管、制作冷压头），绘图选手一般主要接线，其他选手分别作PLC编程、单片机开发。

在工程部署与安装模块中，评分要点包括模块布局合理性与美观、冷压端子使用、号码管套装、接线可靠性等几个方面。按照部件布局合理程度、线槽长度合适程度、整体美观情况分档评分；根据使用冷压端子数量、套装套管数量分档评分；根据接线端子出现露铜数量（超过2 mm），分档评分。检查关键点接线的正确性，主要包括PLC 485通信A、B口连接，工程环境模拟平台与管控平台30芯航空电缆、4芯航空通讯电缆的连接[2]。

安装与接线是一项重要的打分点，也是实现一切功能的基础，其重要性显而易见。值得注意的事项主要有两点：一是要在规定的时间内完成安装与接线任务，并留有足够的通电调试时间，因此，要合理分工，批量做线，强化训练，以提高接线速度；二是要保证接线正确，尤其是直流电源和直流负载的正负极不能接反，应保证冷压头和接线的牢固性，接线时不能压到线皮，造成线路的虚接。

2 系统开发与系统调试

2.1 PLC编程

PLC是智慧新能源实训系统的控制核心，一般要求实现以下功能：

1）常规控制

如对按钮盘及继电器的控制，一般用启保停程序及定时器、计数器等即可实现。有的题目会设置不同的工作模式，如模式一、模式二，在PLC程序设计中，通常用一个按钮（如复位按钮X1）来切换，而M1代表模式一，M2代表模式二，在模式一下的动作在其执行条件上串联M1的常开触点即可[3]，如图2所示。

图2 不同工作模式的切换

2）扩展模块

负载电压、电流可通过测量仪表的输出端子输入到PLC的扩展模块，值得注意的是，不管是电压信号还是电流信号，都要接PLC的CI端。须在PLC上对其扩展模块进行必要设置，如电压等级为0～5 V，然后通过下面程序进行读取、浮点数转换及量程调整。

LD M8000

MOV ID100 D4

FLT D4 D40

EDIV D40 K16385

EMUL D60 K20 D18

3）对环境模拟平台的控制

PLC通过RS-485接口对环境模拟平台的主控单片机控制，即实现对环境模拟平台控制。模拟平台控制灯杆，灯光，风机的地址是单片机内的地址，如K101—K108分别代表灯杆启动、灯杆停止、灯杆复位、光源开启、光源关闭、风机开启及风机关闭等，D101、D102分别代表光源强度及风力大小。信捷PLC可以通过Modbus的线圈读写、寄存器读写指令（MCLW、MRGW及REGR等）来实现对模拟平台的测控功能。PLC利用分时原理分别将测控数据对主控单片机进行读写，如图3所示。

图3 PLC对环境模拟平台的控制

2.2 远程控制及监测

利用力控组态软件实现远程控制及监测功能，主要包括以下几个方面：

1）登陆界面

可以实现用户登录及管理员登录。制作工程登录界面，设置用户和管理员权限，编写脚本程序，验证用户名及密码，并执行相应处理。

2）制作菜单

可根据要求制作顶层菜单或树形菜单，用来实现各组态界面的切换。

3）监视界面

制作监视界面，通过串口采集PLC内部检测数据，包括风机、光伏电站及负载输出电压、电流、功率；环境平台光照强度、风速、温度、湿度等。一般要求参数名称用中文，参数单位用英文，数据放置于圆角矩形框内。同时，还可以添加曲线显示，如风机、负载功率的曲线图[4]。

4）操作界面

制作按钮对象，实现题目要求的对象通断控制，风光强度调节。一般还要求实现手自动切换功能，系统可以自动运行或进入智能微电网运行的工作模式。

5）数据报表

制作数据报表，可包含负载电压、电流、功率、环境光照强度、温度、湿度、风速、总光伏电站电压、电流、输出功率等多个参数的数据报表。要求Excel文件格式导出并保存，时间间隔1 s，报表中仅保存10组不同时刻读取的数据。

2.3 风光互补控制器程序设计

主要包括数码管显示与LED控制两部分。数码管可以显示蓄电池等输出电压，实现循环显示1～3帧画面，字母左对齐，电压值格式VV.V，低于10.00 V时，最高位数字0消隐。除了对上述显示格式进行评分外，还要对显示数据的正误评分。

LED控制用于指示风光互补控制器的工作方式，如有无风电、光电接入，有无市电接入，蓄电池充电、放电等，呈现点亮、闪烁、熄灭状态。

2.4 电路板功能编程与调试

设计、装配、焊接给定的电子器件，编写单片机程序，实现逐日系统功能。

1）电路板装配及其焊接工艺要求

检查元件安装正误，是否缺件漏装。检查元器件排列、摆放位置及元件标识是否可见。查看焊点是否匀称，有无无气泡、堆焊、漏焊、拖焊、搭焊，检查线路板松香残留焊点数量。

2）硬件测试

查看选手填写的硬件测量记录表，静态电流＜0.2 A，C5电压等于6.6 V，C9电压等于5 V。

3）上电复位及运行

逐日系统上电后，初始状态为光电池板运行到水平状态（0°）。一般在等待3 s后即按照题目要求自动运行，运行时间应与力控界面制作的秒表一致。同时，按要求实现按键功能。

4）串口通信

可以在串口助手上实时同步显示东西（南北）方向舵机角度。例如：东：90°北：30°。

3 区域能源分析与排布

能源互联网仿真规划平台由园区模块、地形模块、能源模块、用能模块和天气模块组成。通过地形模块、能源模块、用能模块和天气模块的设置，分析分布式发电与用能之间的关系，达到微电网电能平衡的要求。实物与部件对应图如图4所示。

图4 实物与部件对应图

沙盘模拟系统工作原理：根据能源模块所部署的区域，将该区域的地形影响因素和天气影响因素进行分析计算，得出能源模块产生的实时能源量；根据用能模块预设的用能参数，在设定范围内模拟计算出用能情况实时曲线；根据设定模拟的间隔（按日、周、月）将天气模块加到能源模块，同步将能源模块计算产生的能源量和用能模块产生的能源量进行比较分析。

区域能源规划评分包括以下两部分：

一是分别对太阳能电站、风能电站、生物质、浅层地热系统的选址、偏差及容量偏差等进行评分。即正确电站选址数量与该类型电站总数的比值在98%以内分2～3档给分，在98%以下不得分；电站选址气象资源与最优气象资源比值在96%以内分2～3档给分，96%以下不得分；选手设计的电站容量与系统参数计算容量比值在96%以内分2～3档给分，96%以下不得分。除此之外，太阳能倾角偏差（设计的光伏阵列倾斜角与最优倾斜角差）度数差在3度以内按度数分档给分，3度以外不得分；地热利用率（地热电站为制冷、制热能耗提供能源与制冷、制热能总耗提的比值）分档评分。

二是区域能源综合规划与优化。根据供电不足天数（储能为0的天数）、弃电天数（储能满值天数）、储能波动率及占地格数分档评分。

参赛选手应能够应对不同的生产状况，熟练运用公式，在大量实践中积累经验，实现最优设计。