基于PLC的船用光伏并网能量管理系统设计

刘雄航，胡克容

( 1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063； 2.中汽研汽车检验中心(武汉)有限公司，湖北 武汉 430056)

为了应对能源危机和环境污染，各航运大国不断探索新能源技术在船舶领域的应用，以达到节能减排的效果。其中光伏发电技术因独特的能源和环保优势已经成为最具潜力的绿色船舶技术之一[1]。

随着光伏渗透率的提高，光伏发电技术在船舶平台的应用已逐渐由离网型向并网型发展[2]，而在船用光伏并网系统的应用上还存在几个问题：①光伏系统各设备安装布局上较分散，运行数据需集中进行监测和存储，以便后期分析光伏并网系统运行性能；②光伏发电功率具有间歇性，会给船舶电力系统稳定运行造成影响，需结合储能设备的使用控制其输出功率；③船舶电力系统对安全性要求较高，光伏并网系统需具有故障检测、报警输出和保护功能[3-4]。

某汽车滚装船的船用光伏并网系统采用超级电容作为储能设备。本文针对这套光伏并网系统，以可编程逻辑控制器(PLC)为核心，设计研发一套船用光伏并网能量管理系统，实现对设备数据的集中监测和能量管理，提高光伏并网系统的运行性能和使用效率。

1 船用光伏并网系统结构

船用光伏并网系统结构如图1所示。由光伏阵列、光伏控制器、光伏逆变器、超级电容及CMS、双向DC/DC变换器和船用光伏能量管理系统组成。光伏电池阵列采用18串10并2组分进2个控制器的方式(光伏组件峰值功率102.6 kW)，逆变器采用2台50 kW并联输出。系统正常运行时，光伏阵列将光能转化为电能，由光伏控制器进行降压及最大功率跟踪输出；超级电容经双向DC/DC变换器连接至直流母线；光伏并网逆变器将直流电逆变为三相交流电后通过升压变压器并入船舶电站汇流排。能量管理系统采集光伏各设备的运行参数，集中管理显示并输出信号控制双向DC/DC变换器和逆变器的运行。

图1 船用光伏并网系统结构

2 能量管理系统方案设计

能量管理系统选用ABB AC500系列PLC为控制器，CPU为PM583，根据实际需求包含2个模拟量采集模块，1个数字量输入输出模块、1个数字量输入模块和1个RS485扩展通讯模块[5]，能量控制系统结构如图2所示。PLC通过通讯方式分别与CMS、双向DC/DC变换器、光伏控制器和光伏逆变器进行数据交互。人机界面采用Beijer触摸屏，通过以太网通讯方式接收PLC发送的光伏系统各设备运行参数并予以显示，同时管理人员可通过其控制界面设定能量管理策略的控制参数[6]。

图2 能量控制系统结构

3 能量管理系统主要功能实现

能量管理系统是使光伏逆变器并网功率按照设定速率追随光伏控制器输出变化，降低逆变器输出功率突变对船舶电网的影响，控制器及逆变器间的能量差额由超级电容充放电补偿。因此对控制器功率的追踪和逆变器功率的设定尤为关键[7]。

3.1 控制器功率追踪及逆变器功率设定

为防止控制器输出功率突变造成的追踪误判，程序对控制器输出功率采样滤波处理，以提高对控制器输出功率追踪的精度。

为使并网功率能够更加精确地追踪到控制器输出功率，同时尽可能减小超级电容储能系统的使用，将控制器输出功率划分为10个区间，然后基于超级电容的SOC值对逆变器的功率进行设定，见表1。

表1 基于SOC的逆变器功率设定

3.2 基于超级电容SOC的逆变器协调控制

系统采取2台逆变器并联输出的方式，因此根据当前功率需求及超级电容的SOC值对2台逆变器进行协调控制。

1)SOC处于正常范围。SOC值处于正常范围时(模式一)，逆变器协调控制流程见图3。

图3 SOC正常范围时，逆变器协调控制流程

(1)逆变器达到启动条件(超级电容SOC大于50%，控制器输出功率大于3 kW)，启动1#逆变器并进行功率设定。

(2)判断逆变器是否符合双机运行的条件(逆变器设定功率达到40 kW，超级电容SOC大于50%)，达到并机条件进入(4)，否则进入(3)。

(3)控制器当前输出功率小于3 kW时，停止1#逆变器运行，逆变器停止前需缓慢降低功率，当逆变器停止后，2台逆变器命名对调(即1#逆变器命名为2#逆变器，2#逆变器命名为1#逆变器)。

(4)启动2#逆变器并机运行，2台逆变器设定功率均分，当控制器当前输出功率小于20 kW时，停止1#逆变器，同时2台逆变器命名对调，回到(2)继续运行。

2)SOC低于放电警戒值。超级电容SOC低于放电警戒值时，逆变器协调控制流程如图4所示。

图4 SOC低于放电警戒值时，逆变器协调控制流程

逆变器双机运行时，先停止1台逆变器(采取先启先停方式)，使另外1台逆变器单机运行，如果控制器输出功率大于逆变器单机额定功率，则逆变器以额定功率运行，多余能量对超级电容进行充电，直至超级电容充电至SOC达到50%后回到模式一的运行方式。当逆变器单机运行时，若超级电容的SOC值低至放电禁止值，则停止当前运行的逆变器，停机后切换2台逆变器启停顺序，并对超级电容进行充电，充电至SOC达50%进入模式一待机。

3)SOC高于充电警戒值。SOC高于充电警戒值时，逆变器协调控制流程如图5所示。

图5 SOC高于充电警戒值时，逆变器协调控制流程

系统仍以模式一的工作方式进行启停并机，令超级电容缓慢放电，当超级电容SOC低于50%时进入模式一。如果超级电容SOC大于充电禁止值，则启动另外1台逆变器并机，超级电容快速放电，直至SOC低至充电警戒值回到初始继续运行。

4 能量管理系统研发及测试分析

4.1 能量管理系统研发

根据以上设计需求研发船用光伏并网能量管理系统，并进行测试验证，操作人员可通过图6的控制参数设置界面更改相关控制参数，方便对系统进行管理操作。

图6 控制参数设置界面

4.2 能量管理系统测试

搭建的实物进行测试时，以直流电源模拟光伏输入，通过设置光伏控制器输出电压和电流模拟光伏控制器输出功率突变，试验数据通过Beijer触摸屏的SQL数据库记录后导入MATLAB中绘图分析。

1)SOC在正常范围时测试结果，如图7所示。50 s时增加控制器输出功率，超级电容充电吸收控制器突增功率，随后逆变器按照1 kW/s的速率跟随控制器变化输出；120 s时控制器输出功率高于40 kW，自动启动2#逆变器并机，并机后2台逆变器功率均分；300 s时突降控制器输出功率，此时超级电容迅速放电维持逆变器输出功率稳定，随后逆变器输出功率缓慢降低；当控制器输出功率降低至20 kW以下，1#逆变器降低额定功率停机，待下次控制器功率再高于40 kW时，1#逆变器自动启动并机，随后重复之前的过程。实现了逆变器设定功率大于40 kW时并机，功率小于20 kW解列1台的协调控制，并且遵循了启停顺序切换的原则，保证2台逆变器在使用时间上尽可能趋向于一致，同时当控制器功率发生突变时，超级电容能够迅速响应，使逆变器并网功率平缓输出。

图7 SOC在正常范围时测试结果

2)SOC低于放电警戒值时测试结果，如图8所示。初始双机并联运行，50 s时手动调整参数设置界面SOC放电警戒值的数值，使其大于当前SOC值，此时2#逆变器开始降功率解列停机，超级电容由放电状态转变为充电状态，140 s时手动设置使SOC放电禁止值的数值大于当前SOC值，1#逆变器随即缓慢降低功率停机，超级电容由缓慢充电过渡到快速充电状态。

图8 SOC低于放电警戒值时测试结果

3)SOC高于充电警戒值时测试结果，如图9所示。保持控制器的输出功率稳定，90 s时手动调整参数设置界面的数值，使SOC充电警戒值小于当前SOC值，逆变器设定功率取区间最大值，超级电容由充电状态变为缓慢放电状态；160 s时再次手动调整，使当前SOC值大于充电禁止值，1#逆变器先缓增功率，使超级电容处于快速放电状态，随后启动2#逆变器启动并机均分功率。

图9 SOC高于充电警戒值时测试结果

5 结束语

光伏系统各能源在船舶上布局较为分散，各能量源间可靠高效的协调工作对系统安全运行至关重要。本文以ABB AC500 PLC为主控核心，设计研发了一套能量管理系统对船用光伏并网系统的各能源进行集中管理调度，搭建实物平台对能量管理系统进行测试，结果说明能量管理系统能有效监测系统运行参数并对系统各设备间能量进行管理。