基于PLC 风光互补发电系统效率提升装置的设计与实现

2024-05-09刘钥，梁涛，魏琪

通信电源技术 2024年5期

刘钥，梁涛，魏琪

（广东海洋大学，广东湛江 524088）

0 引言

现阶段，风光互补发电系统作为一项创新性的能源解决方案在可再生能源领域逐渐崭露头角，其将风能和太阳能的优势有机结合，形成了一种高效、稳定的能源利用模式，为能源行业的可持续发展提供了新的可能。为了更好地发挥风光互补发电系统的潜力，需要积极探索提高其整体效率的方案。

1 基于PLC 的风光互补发电系统效率提升装置设计

1.1 系统硬件设计

系统硬件设计是风光互补发电系统效率提升装置设计中的关键，其合理性直接关系整个系统的性能和稳定性。在系统硬件设计时，需要明确系统的整体结构和功能需求。考虑风光互补发电系统的特殊性，硬件设计应该以提高风能和光能的捕捉效率为核心目标，同时保证系统在复杂多变的环境中具有稳定的运行性能。

1.1.1 风力部分硬件设计

在风力部分的硬件设计中，首先需要选择高性能的风力发电机。风力发电机的选择应基于风速、风向等参数，确保在不同风力条件下发电机都能够稳定产生电能。其次，需要设计有效的变桨机构，使风力发电机的叶片能够根据实时风速进行调整，最大限度地捕捉风能。电气部分的硬件设计涉及电机驱动器、发电机控制器等，可以确保风力发电机的输出能够被系统充分利用。

1.1.2 光伏部分硬件设计

在光伏部分的硬件设计中，选择高效的太阳能电池板是关键。太阳能电池板的选用应考虑其转换效率、稳定性以及适应性，以适应不同日照条件。光伏部分的电气设计包括光伏逆变器（见图1）、电池充电控制器等，确保太阳能的电能可以高效地转化为直流电，并且进行适当的存储[1]。

图1 光伏逆变器

1.1.3 能量存储与传输硬件设计

在能量存储与传输部分的硬件设计中，首先需要选择适用于系统的高性能储能装置，如锂电池、超级电容器等。这些装置能够储存多余的电能，以备不时之需。其次，设计合理的能量传输系统，确保风力和光伏两部分的电能能够经过储能系统进行整合和分配。最后，电气部分的硬件设计还包括选择适当的电缆、变压器等，以确保电能传输的稳定性和安全性[2]。

1.2 系统软件设计

系统软件设计在基于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的风光互补发电系统效率提升装置中起着至关重要的作用。软件设计的合理性直接关系系统的控制逻辑、实时性能和稳定性。在风光互补发电系统中，软件设计需要结合PLC 技术的特点，以智能化和灵活性为目标，高效管理系统。

1.2.1 系统控制策略设计

软件设计的首要任务是确定系统的控制策略。风光互补发电系统需要能够实时响应外部环境的变化，调整风力和光伏部分的工作状态，以达到最佳的能源捕捉效果。软件设计应考虑风力和光照的变化规律，制定出智能的控制算法，通过PLC 实时控制精准调节系统。同时，在控制策略设计中，需要综合考虑风力和光伏部分的输出特性，通过合理的协同工作，使系统在不同工作条件下都能实现最佳的发电效果。例如，在光照较强时，系统可以优先利用光伏发电，而在夜晚或光照较弱时，则侧重利用风力发电。

1.2.2 数据采集与处理程序设计

为了实时监测和控制外部环境，软件设计了高效的数据采集与处理程序。通过PLC 与各种传感器连接，如风速传感器（见图2）、光照传感器等，实时获取环境参数和系统状态。数据采集程序应确保高精度、低延迟地获取这些数据，并将其传递给控制算法进行处理。同时，数据处理程序需要能够分析和计算大量的实时数据，以提取有用的信息。通过合理的数据处理，系统可以准确地了解外部环境的状况，为制定控制策略提供可靠的依据[3]。

图2 风速传感器

1.2.3 控制算法程序设计

控制算法的设计是软件设计的核心。基于实时数据和系统状态，控制算法程序需要能够根据系统的控制策略做出合理的调控决策。例如，对于风力部分，控制算法可以根据风速和风向的变化，调整叶片的转动角度；对于光伏部分，算法可以根据光照强度实时调整光伏板的角度。此外，在控制算法的设计中，需要考虑系统的稳定性和抗干扰性。软件设计应充分利用PLC 的高速运算和实时控制能力，确保算法的快速响应和高效执行[4]。

1.2.3 人机界面设计与实现

为了方便操作与监控，软件设计应包括人机界面的设计与实现。通过合理的界面设计，操作人员可以直观地了解系统的运行状态、发电效率和环境参数。PLC 作为控制核心，可以通过人机界面远程监控和调整系统。人机界面设计应注重用户友好性，使操作人员能够轻松地掌握系统的运行情况，并在需要时进行手动干预。同时，界面设计应提供详尽的运行日志和报警信息，以帮助人们及时发现和解决潜在问题。

2 基于PLC 的风光互补发电系统效率提升装置实现

2.1 硬件实现

在硬件实现阶段，应将系统硬件设计方案转化为实际可用的物理设备，涉及传感器、执行器、PLC设备的采购、安装和调试等工作。

根据系统硬件设计方案，需要采购一系列高性能的传感器、执行器和PLC 设备。对于传感器，应选择先进的气象传感器和光照传感器，确保其精准度和稳定性。执行器方面，需要考虑风力发电机的变桨机构和光伏板的太阳能追踪系统，确保其响应速度较快，精度较高。对于PLC 设备的选择，应关注其性能指标、通信接口和可编程性，确保其能够满足系统的需求。在采购到所需的设备后，需要进行系统的硬件安装和接线工作。工作人员应根据系统布局图，确定传感器和执行器的安装位置，保证其能够充分捕捉自然资源并达到最佳的能源转化效率。对于传感器的安装，需考虑其高度、角度等因素，确保其能够准确测量环境参数。执行器的安装需要根据其功能要求，例如风力发电机的叶片角度调整和光伏板的倾斜角度调整。同时，按照电气连接图进行设备的接线工作，确保各个组件之间的连接正确且牢固[5]。

在完成硬件的安装和接线后，需要进行系统的调试和测试。工作人员首先应校准传感器，确保其输出的数据准确可靠，其次对执行器进行功能测试，验证其响应速度和精度，最后初始化和配置PLC 设备，确保其能够正确读取传感器数据，并通过输出模块控制执行器的运动。在调试过程中，需要关注各个组件之间的协同工作，确保系统整体运行流畅。

在完成系统的调试和测试后，进行性能评估是确保系统能够稳定高效运行的重要环节。文章通过监测系统在不同自然能源条件下的响应，评估其能源转化效率和发电性能。基于评估内容优化系统涉及控制算法的调整、传感器位置的微调等。需注意，优化过程需要反复测试和调整，将系统的性能调整为最佳状态。

2.2 软件实现

在风光互补发电系统的软件实现阶段，应关注数据采集程序、控制算法、人机界面程序的编程工作，下载相关程序至PLC。下载相关程序后，需要进行调试、测试、联调，以确保整个软件系统能够协同工作并满足系统的功能要求[6]。

步骤一，编写数据采集程序。编写的程序使PLC能够实时读取传感器数据，如风速、风向、太阳辐射等。在编程过程中，需要考虑传感器的不同输出信号类型，进行相应的数据处理和转换，以确保PLC 能够准确获取环境参数的信息。此阶段的编程工作需要深入了解传感器的工作原理和数据格式，以保证数据采集的准确性和稳定性。

步骤二，编写控制算法。根据系统硬件设计方案和性能要求，编写控制算法，使PLC 能够根据传感器数据智能调整风力发电机的叶片角度和光伏板的倾斜角度，实现对自然能源的最优捕捉。优化控制算法是软件实现的关键，需要在考虑系统稳定性的前提下，最大化提高发电效率。需注意，在编写算法时，应考虑系统的实时性和响应速度，确保系统能够及时调整工作状态。

步骤三，编写人机界面程序。设计直观、友好的用户界面，使操作人员能够方便地监测系统运行状态、进行参数设置等操作。编写界面程序需要考虑操作的便捷性和信息的清晰度，以确保操作人员能够迅速而准确地了解系统的运行情况。在界面设计中，可以添加实时图表、报警信息等功能，以提升系统的可操作性和可维护性。

步骤四，将数据采集程序、控制算法和人机界面程序下载到PLC。在此阶段，进行初步的调试，检查程序的正确性和完整性。通过PLC 编程软件进行在线调试，监测数据采集是否准确、控制算法是否稳定、人机界面是否正常显示等。调试过程中，可能需要不断修改和优化程序，确保软件系统能够在实际硬件上正常运行。

步骤五，进行软件测试与联调。文章先独立测试数据采集程序、控制算法和人机界面程序，验证各个程序模块的功能，然后进行系统的联调测试，确保各程序模块之间的协同工作。在测试中，需要模拟不同的环境条件，观察系统的响应并记录相关数据。通过软件测试与联调，验证整个软件系统的运行效果和性能指标是否满足系统设计要求。

2.3 监控与故障诊断

对于任何能源系统来说，持续、有效的监控和故障诊断是确保系统稳定运行和高效发电的关键。在基于PLC 的风光互补发电系统中，这一环节尤为重要。

监控指持续跟踪和记录系统的实时运行状态，包括风速、光照强度、电池板温度、储能装置状态、输出功率以及转换效率等关键参数。通过监控，操作人员可以实时了解系统的运行状态，及时发现问题并采取相应措施，从而确保系统有效运行。故障诊断则是当系统出现故障或异常时，能够迅速定位问题并给出解决方案的过程。PLC 控制器具有强大的数据处理和逻辑判断能力，可以通过预设的算法和程序分析和判断系统状态，找出故障的原因和位置。同时，PLC可以与上位机软件配合，实现远程故障诊断和修复，大大提高了系统的可用性和维护效率。在监控与故障诊断的过程中，数据的收集、分析和存储十分重要。通过分析和挖掘大量数据，可以发现系统的运行规律和优化潜力，为后续的改进和升级提供依据。