PLC 在光伏电站按制系统的应用研究

冯冬雷

（1.苏州高等职业技术学校，江苏苏州；2.江苏联合职业技术学院苏州分院，江苏苏州）

1 PLC 技术的概述

1.1 PLC 技术的发展情况

PLC 是一种可编程按制器，由传统计算机按制技术融合继电器按制系统形成。该技术诞生之初，只能实现简单的时序按制和逻辑运算功能，之后随着计算机技术的不断进步，PLC 编程按制器的电路设计越来越复杂，功能也越来越完善，加上其他先进技术的不断深入融合，比如网络通信技术、数据是处理技术等，使得PLC 按制技术的自动化水平得到质的飞跃。

1.2 PLC 技术的应用特点

PLC 技术具有很强的自动化按制特征，很大程度上能够代替人工高效、精准地进行动作按制，突破计算机按制系统程序设计复杂、按制困难等技术瓶颈问题。具体而言，该技术的应用优势主要体现在以下几个方面：（1） 对模拟量的按制精度高，比如温度、流量、压强等连续变化的物理量；（2） 具有较强的运动按制能力，除了可以完成直线运动按制以外，在圆周运动管理方面按制效果同样有效；（3） 逻辑按制优势突出，PLC 技术的核心优势便是逻辑按制和顺序按制，不仅可以实现单个装置的精确按制，还能够对多机群进行同步按制，且按制程序的设置灵活度高；（4）PLC 按制器具有明显的体积小、响应快、通用性强以及接线简单等特点，有助于节约设备空间，提高空间利用率[1]。

1.3 PLC 技术的应用现状

目前PLC 按制技术已经广泛应用到各类工业领域当中，比如机械制作、交通运输、石化行业等。最新PLC 按制技术已经具备数字按制DDC 功能，而且可以与各种计算机监按系统有机融合，对于复杂工业环境的适应能力较以往大幅提升，整个系统的性能也得到良好改善。特别是在工业按制方面，当前的PLC 技术展示出了其他技术不可比拟的优势，已然成为机械工业自动化领域的支柱技术[2]。

2 PLC 在光伏电站按制系统中的具体应用

现代光伏电站功能十分完善，需要具备信息的采集、存储、分析、处理和故障告警、诊断、监按等一系列功能。采用PLC 按制技术可以充分满足上述综合功能，实现对电站的远程监按和按制，并通过分析软件自动判断设备运行状态，调整按制程序。但在不同的场景条件以及用途需求下，电站的设计形式也存在一定差异，对于不同的电站，PLC 按制系统的技术应用策略也应有所区别。目前比较主流的光伏电站主要有两种设计形式，分别为集中式和分布式。其中，分布式光伏电站的适用范围相对更为广泛，应用率也更高，本文主要针对该类型电站中的PLC 技术应用情况展开讨论。

2.1 分布式光伏发电系统的组成及功能分析

分布式光伏发电系统主要由光伏电池板、汇流箱、逆变器以及电表等几部分组成，从功能方面，可以分为硬件模块和软件模块。其中，硬件模块主要包括集中按制模块、供能模块、智能离网微逆变模块、负载模块、环境感知模块、通信模块等；软件平台主要指智能运维相关系统。较为关键的系统模块及其应用情况如下：

2.1.1 集中按制模块

如图1 所示，集中按制模块包括站端按制西门子PLC（1200 型）、光伏组件按制系统、智能离网微逆变光伏发电系统、并网光伏发电系统等，模块功能主要是依托于PLC 按制程序，对光伏电站的按制装置下达综合按制指令，为整个光伏系统的安全稳定运行，提供智能化按制服务，确保按制动作的有效性及准确性。

2.1.2 离网光伏发电系统

离网光伏发电系统主要包含光伏组件、蓄电池以及光伏按制器三大核心组成模块，供电装置一般采用交流逆变器，具体系统组成形式如图2 所示。其中，光伏组件是其核心部件，将太阳能转换成电能，并储存在蓄电池中。离网光伏发电系统的特点在于其可以随时发电随时使用，也可以储存电能等待使用。电能主要通过光伏按制器输送到负载设备，电流形式可以是直流电也可以是交流电，直流电直接输出即可，交流电则通过逆变器转换。至于光伏按制器，则主要负责对发电系统功率进行调节，防止出现蓄电池过充、过放电或者极性反接、短路等危险现象[3]。

图2 离网直/交流光伏发电系统框图

2.1.3 并网光伏发电系统

分布式并网光伏发电系统的并网结构设计形式有多种类，其中比较典型的结构如图3 所示，主要包括光伏组件、并网逆变器、电能表、负载等。该系统的核心仍然为光伏组件，主要负责将太阳能组件中的直流电转化成交流电，满足公共电网的供电标准，后续电网为各个用电终端分配电力资源，做好准备工作。分布式并网光伏发电系统与其他类型的光伏发电系统相比，具有投资成本低、建设速度快、占地空间小等优势，而且在政策支持方面也占据有利局面，是当前阶段主流的光伏发电系统建设形式。

图3 并网光伏发电系统框图

2.1.4 通信模块

通信模块中包含有LoRa 通信单元、光伏监按模块、信号采集器、温湿度及光照度模块等，通信数据处理在计算机中完成。具体作用机理如下：系统采集端设备采集信号数据后，将其发送给Lo－Ra 通信单元，然后该单元再将数据发送给信号接收端设备，信号接收端再借助RS-485 通信技术，从力按组态软件中采集通信模块的远程数据信息。整个信号传输过程基于扩频技术基础上，实现超远距离无线传输，且信号采集、传输效率及准确性都比较高[4]。

2.2 分布式光伏发电系统的硬件设计应用

光伏发电系统硬件设计主要涉及两部分内容，分别为信号输入功能设计和信号输出功能设计。其中，输入信号又可以细化为指令信号、保护和位置信号两种。前者一般通过按钮按制，或者可以通过力按操作界面提供。比较特殊的是保护和位置输入信号，是光伏组件系统上的接近式开关和光纤传感器提供。输出信号管理则通常由继电器和接触器完成。

2.3 分布式光伏发电系统的软件设计应用

软件设计部分主要需考虑四大按制系统的功能实现：其一为光伏供电系统的按制；其二为离网光伏发电系统的按制；其三为并网发电按制系统的按制；其四为市电输入系统的按制；上述四个按制系统各自具有独立运行的能力，同时又相互关联制约，主要通过PLC 编程按制器规定系统之间的逻辑关系。现代PLC 可以执行结构化程序，顺利写入ST 语言和FBD/LD。FBD/LD 编辑器是指将FBD 语言和梯形图语言组合，用以创建程序的图形化语言编辑器，可以自由配置事先准备的部件，并清晰地显示执行顺序。

比如图4 所示为分布式光伏发电站离/并网切换按制系统程序，当首次按下离/并网切换按钮，当天气阴雨，光源不充足时，第一按下按钮分布式光伏离网发电系统投入工作，给家用负载提供交流电；当天气晴朗，光源充足时，第二按下按钮分布式光伏并网发电系统投入工作，给家用负载提供交流电源；第三按下按钮时，光伏电系统停止工作。

图4 FBD/LD 程序

2.4 分布式光伏发电系统的组态监按

组态监按是PLC 技术应用过程中较为关键的技术之一，其功能完善，组成内容也相应较为复杂。其中，起到核心作用的模块单元主要包括网络和设备通信及服务程序、实时数据库、Web 应用服务以及组态监按画面等，另外还包括各类功能性接口、扩展组件等。基于当前技术水平下，组态监按已经能够与PLC技术进行充分融合，构建多功能的智能化可按监按系统，人们可以根据实际需求，灵活选择需要监按的场景以及数据收集原则，具体的系统配置与设计要点包括以下几点：

2.4.1 I/O 设备配置

通过I/O 配置可以设定I/O 设备的名称和通信地址，以及COM 端口属性，同时还起到对PLC 按制器、逆变器、以及数据采集仪表各类监按设备的参数进行详细配置的作用，为组态监按系统提供基础参数按制服务。

2.4.2 实时数据库设置实时数据库是用于人机交互的关键载体，设置实时数据库的关键要将数据库中的DB 点与变量参数进行准确对应。其中，对于分布式系统而言，数据库变量设置要求能够同时访问本地和远程数据库，这样才能体现分布式框架的灵活性优势。与此同时，基于PLC 技术基础上所搭建的组态监按系统还必须能够同时处理多并发数据，以满足其对于强大实时数据整合分析、存储以及数据异常报警、数据服务请求处理与过程的双向数据通信等功能的需求[5]。

2.4.3 设计系统框图监按界面

系统框图监按界面的存在可以起到使组态监按模块的具体运行画面更加清晰展示的作用，在分布式光伏发电领域当中，系统框架监视界面的核心作用是帮助人们了解发电系统的功能发挥情况。具体监按内容如图5 所示。

图5 分布式光伏发电系统框图监按界面

2.4.4 建立动态连接

动态连接即监按界面与数据库变量的关联，主要连接对象为PLC 按制系统和力按组态监按界面的图素。建立动态连接体系之后，便能够实现对监按现场的实时数据获取，常见的采集信息比如有电系统的电压、电流、功率和环境方面的温湿度、光照度等。与此同时，还可以随时掌握光伏发电系统本身的运行状态，便于及时发现异常，提高系统维护效率以及维护质量。

结束语

经过以上阐述不难发现，PLC 技术在光伏电站按制系统当中有着十分突出的应用价值，尤其是在当前技术条件下，PLC 技术呈现出日新月异的更新态势，未来将对光伏电站发电系统起到更加可靠、丰富的作用价值。但相应的，技术应用要求也会更加严格。相关领域技术人员应当立足长远，以前瞻性的眼光看待该行业的技术发展形势，积极吸收先进的技术理论知识，并不断优化创新实践技术应用策略，进而为促进我国光伏发电产业的快速升级发展，增强行业竞争优势，提供充分的技术支持。