基于PLC控制的风光互补发电模拟系统研究

刘志云

（阜阳职业技术学院工程科技学院 安徽阜阳 236031）

随着煤、石油、天然气等常规能源存储量的日益减少，以及常规能源对生态环境的不利影响，诸如太阳能、风能、地热能等清洁的可再生能源越来越受人们的青睐，他们不仅是清洁能源，还是大自然中取之不尽的可再生能源，且无污染，基于太阳能、风能发电的广阔前景，大量的太阳能电站、风力发电场如雨后春笋般冒了出来。但是，尽管太阳能辐射面积广，辐射总量大，由于单位面积上的太阳辐射量有限，且难于收集，一般的太阳能电站对太阳的利用率还不足30%，同样，风能发电由于风力大小和刮风时间的不确定性，也难以保证足够的发电量。因此，该设计提出把两种能源放在同一系统发电，能有效实现互补，而且，采用PLC控制光伏电池阵列和风力发电装置方向和位置的方法，提高发电效率和系统可靠性。

一、风光互补发电系统总体架构

该系统硬件组成部件包括光源、光伏电池组件、模拟风源、风力发电机、DSP控制器、西门子PLC、蓄电池、逆变器和负载，系统框图如图1所示。

图1 光伏发电系统框图

硬件设计的特色：模拟日光灯和模拟风源是可动的，形象地模拟真实发电现场，光伏阵列可水平和垂直两个方向移动，使光伏阵列更准确地追踪光源，轴流风机尾翼可偏转，有效防止狂风来临对风机的损坏。系统智能体现在：光伏供电装置中的模拟日灯运动、光伏阵列追日控制以及风力供电中的模拟风场控制、侧风偏航控制[1]。这些智能化控制均采用西门子公司的S7-200系列PLC编程控制。

该实验系统用于模拟风光互补发电，它由风力发电部分、光伏发电部分、逆变部分、远程监控四部分组成。光伏发电部分包括光伏供电装置和光伏供电控制，光伏供电装置的光源和光伏电池组件由电机驱动，使光伏组件追随日光移动，从不同角度采集太阳能，风力发电系统包括风力供电装置和风力供电系统，风力供电装置的模拟风场的风力强度用变频器设置，风向由电机圆周运动改变，风力发电机尾翼偏移由电机驱动，而两个供电装置的运动以及系统运行状态指示灯均采用西门子PLC控制，逆变系统将直流电转换成工频交流电供负载使用，监控系统通过HMI界面实现远程控制。

该装置模拟风能和太阳能发电，按照系统功能，可分成能产生电能的风力发电装置和太阳能发电装置，能控制蓄电池充放电的DSP控制器，能存储电能的铅酸蓄电池，能变换交流电的逆变器以及负载六部分，其系统结构图如图2所示。整个系统的光伏发电和风力发电在产生电能之前是相互独立的，对能量采集的智能化调节都有自己的PLC控制系统和信号检测系统，其中光伏供电装置设置了光线传感器、微动开关、接近开关、按钮为PLC提供信号，风力供电装置设置了微动开关、接近开关、风速仪为PLC提供信号，蓄电池组用来存储两种新能源产生的直流电能，达到互补的目的，蓄电池的电能通过逆变器转变成交流电，监控系统通过串行通信接口，将光伏和风力发电系统里的电压表、电流表的数据以及PLC输入/输出端信息链接到力控组件，实现非现场控制[2]。该系统既实现风能发电又实现太阳能发电，两种发电技术互补利用，而且能用PLC智能控制，是一个功能强大的新能源发电系统。

图2 风光互补发电系统结构图

二、系统组成及各部分的功能

（一）风力发电部分。风力供电装置包括由轴流风机支架、轴流风机、风机保护罩、风场护栏构成的风源装置，由电容器、单相交流电动机、风场方向变换机构、滚轮、连杆、万向轮、接近开关和微动开关等构成的风场方向控制运动装置，由发电机、轮毂、叶片、机舱、尾舵、构成的风力发电装置，由直流电动机、侧风偏航控制装置、风速仪构成的风力检测及发电机自控保护装置。

风力供电控制系统主要包括电源、西门子S7-200 PLC、风电输出显示器、DSP充放电控制单元、触摸屏、继电器等部件，为使接线面板美观，可加接线排，为保护装置可加一个断路器。

风力机把风能变成叶片的动能，发电机磁芯电磁感应产生电，然后电能充入蓄电池，而逆变器将产生的电能变成220V工频交流电并网，以供220V交流负载使用。其核心部件的功能如下：

风速器：用来检测轴流风机的风量大小，在系统自动工作方式下，风速仪随时反馈检测到的信号给PLC，使系统根据风速控制侧风偏航。

S7-200PLC：可控制整个风电系统的运动装置。通过风速仪、按钮、微动开关和接近开关等信号源，经PLC内部程序逻辑计算，去控制电机的运转，从而模拟风源的不同风向，以及侧风偏航的启动或恢复。

侧风偏航控制机构：侧风偏航控制装置通过机械部件与尾舵连在一起，当PLC输出侧风偏航指示时，它受直流电动机驱动而偏转，从而带动尾舵偏转。尾舵偏转的作用是：当风速过大，发电机叶片转速过高时，启动侧风偏航装置偏转45°，而尾舵偏移使叶片正面受到风力减小，从而避免风力发电机损坏。

轴流风机：轴流风机为风力发电系统提供一个可变的风源，其风力大小由变频器频率设置，风力方向由单相直流电动机驱动风场运动机构做顺时针或逆时针圆周运动控制。

直流电机：用以驱动侧风偏航装置运动。

单相交流电机：通过电机的正反转让风场以连杆为半径，做圆弧运动，从而调节模拟风场的方向。

（二）光伏发电部分。光伏供电装置包括由投射灯、摆杆、摆杆支架、摆杆减速箱、单相交流电动机、电容器、微动开关构成的太阳模拟装置，由光伏电池组件、直流电动机、水平和俯仰方向运动机构、光线传感器及控制电路、接近开关、底座支架构成的光伏电池板及运动装置。

光伏供电控制系统包括电源、西门子S7-200PLC、输出显示器、DSP充放电控制器、触摸屏、继电器、蓄电池等主要部件，也可加入断路器做保护，加入可调电阻用于模拟不同阻值的负载、从而分析太阳能发电的伏安特性。

光伏供电控制系统的功能主要有：①用DSP控制模块控制蓄电池的充电，防止过度充电和过度放电，从而保护蓄电池。②通过控制系统面板上的电表，读出当前光伏电池发电的电压、电流、功率等参数。③通过光线传感器、微动开关、接近开关状态的采集，能判断当前光伏组件与太阳光的位置是否垂直正对。④通过PLC对光伏组件运动装置的控制，使光伏组件移动到与太阳正对的位置，提高太阳能利用率。其核心部件功能如下：

光伏组件：硅电池由于“光生伏特”效应，将太阳能转换成电能。硅电池受太阳照射后，电池上下表面间会产生约0.5V的电压差，虽然这个电压值很小，但如果将36块小硅电池串联起来，电压约达18V了。

光线传感器及控制器：东西南北四个方向各一个光线传感器用以检测从四个方向射来的太阳照度，经过传感器控制盒计算出哪个方向光线强，从而使PLC控制电池板往光线强的一方移动。

S7-200PLC：通过按钮、光线传感器、微动开关、接近开关状态信号，经PLC内部程序逻辑计算，去控制电机的运转，从而控制投射灯、光伏组件的运动。

（三）逆变系统。逆变系统分三部分：①直流升压部分；②直流-交流逆变部分；③DSP控制部分，其中最关键的是直流-交流逆变部分，电路原理如图3所示。逆变系统的功能是将12V直流蓄电池的电能转换成220V、50Hz的工频交流电，供给负载使用。DSP控制器的功能是通过内部的闭环控制，使输出电压稳定在220V不随输入电压波动而波动，从而改善风光互补发电系统的供电质量。

图3 直流-交流逆变原理图

（四）监控系统。监控系统即在工控机上制作的MCGS组态软件的工程页面。[3]将发电系统面板上的电压表、电流表等显示仪表和PLC以串行通信方式与工控机建立连接，即可在MCGS的HMI界面上看到发电系统的当前输出电压、电流等即时数据，还可查看历史数据，输出统计报表。同时还可以在控制页面上设计相应按钮，去控制光伏电池组件和模拟太阳的相应移动，去改变风源的角度、风源的方向、侧风偏航的启停。

（五）DSP控制部分。DSP控制器的功能是采集风力发电机和光伏电池的输出电压值、电流值。且持续计算-比较-反馈，必要时切换蓄电池的充电电路，达到调节蓄电池组工作状态的目的，调整后的电能可以直接送给直流或交流负载，供负载使用。DSP控制蓄电池的过程是：由于日照强度、风力大小的变化使光伏/风力电能输出电压变化[4]，当光伏组件或风力发电机输出电压低于蓄电池电压时，蓄电池充电电路断开，当负载增大，光伏电池或风力发电机发的电量不够负载使用时，DSP控制器接通蓄电池和负载间的回路，蓄电池放电，使整个系统供电稳定且连续。

（六）蓄电池部分。由多块铅酸蓄电池组成，在系统中既能将风力发电机或光伏电池板发出的电以化学能的形式存储起来，然后用逆变器将其转换成220V50Hz的工频交流电，供交流负载使用，也能直接为直流负载供电。

三、风光互补发电系统功能

由于风和太阳辐射并不是时时都有的，本模拟发电系统可工作在三种不同状态，即：①光伏电池组件单独向负载供电；②风力发电机单独向负载供电；③风力发电机和光伏电池组件联合向负载供电，第三种发电方案实现了两种新能源互补。太阳能和风能发电均设计了手动和自动两种工作方式，手动方式下，人为按动按钮，光伏发电装置和风力发电装置做相应单一移动，通常用于系统故障诊断，也可设定该发电系统的单一控制步骤。自动工作方式是完全模拟发电厂的工作流程，根据供电光源的变化，光线传感器采集的信号传递到PLC输入端，经过PLC程序控制相应继电器，间接的控制光伏组件的运动走向，从而使光源时刻正对光伏组件，提高系统的发电效率。风力发电部分，根据检测到的风速仪的值，调节侧风偏航装置的角度。

四、总结

本风光互补发电模拟系统，包括太阳能和风能发电部分，电池储能部分，直流电源逆变成220V工频交流电部分，力控远程监控部分，涵盖了现实太阳能风能互补发电的全部内容，其中，太阳能发电部分设有两个氖气灯模拟太阳光强光和弱光模式、灯模拟太阳能自东向西移动，太阳能电池板能追踪光源移动，这些均采用西门子S7-200PLC进行控制；风力发电部分用轴流风机模拟自然风场，能通过底座滑轮改变风的方向，风力发电机可通过传动机构改变方向，以正对风场，同时，风力发电机设有可偏转的尾翼，风源的方向和风力发电机尾翼的侧风偏航，也采用西门子S7-200PLC进行控制，而风源的大小用变频器控制。PLC具体控制方案将是后续研究的重心。