基于PLC的船用光伏并網能量管理系統設計

劉雄航，胡克容

( 1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063； 2.中汽研汽車檢驗中心(武漢)有限公司，湖北 武漢 430056)

為了應對能源危機和環境污染，各航運大國不斷探索新能源技術在船舶領域的應用，以達到節能減排的效果。其中光伏發電技術因獨特的能源和環保優勢已經成為最具潛力的綠色船舶技術之一[1]。

隨著光伏滲透率的提高，光伏發電技術在船舶平臺的應用已逐漸由離網型向并網型發展[2]，而在船用光伏并網系統的應用上還存在幾個問題：①光伏系統各設備安裝布局上較分散，運行數據需集中進行監測和存儲，以便后期分析光伏并網系統運行性能；②光伏發電功率具有間歇性，會給船舶電力系統穩定運行造成影響，需結合儲能設備的使用控制其輸出功率；③船舶電力系統對安全性要求較高，光伏并網系統需具有故障檢測、報警輸出和保護功能[3-4]。

某汽車滾裝船的船用光伏并網系統采用超級電容作為儲能設備。本文針對這套光伏并網系統，以可編程邏輯控制器(PLC)為核心，設計研發一套船用光伏并網能量管理系統，實現對設備數據的集中監測和能量管理，提高光伏并網系統的運行性能和使用效率。

1 船用光伏并網系統結構

船用光伏并網系統結構如圖1所示。由光伏陣列、光伏控制器、光伏逆變器、超級電容及CMS、雙向DC/DC變換器和船用光伏能量管理系統組成。光伏電池陣列采用18串10并2組分進2個控制器的方式(光伏組件峰值功率102.6 kW)，逆變器采用2臺50 kW并聯輸出。系統正常運行時，光伏陣列將光能轉化為電能，由光伏控制器進行降壓及最大功率跟蹤輸出；超級電容經雙向DC/DC變換器連接至直流母線；光伏并網逆變器將直流電逆變為三相交流電后通過升壓變壓器并入船舶電站匯流排。能量管理系統采集光伏各設備的運行參數，集中管理顯示并輸出信號控制雙向DC/DC變換器和逆變器的運行。

圖1 船用光伏并網系統結構

2 能量管理系統方案設計

能量管理系統選用ABB AC500系列PLC為控制器，CPU為PM583，根據實際需求包含2個模擬量采集模塊，1個數字量輸入輸出模塊、1個數字量輸入模塊和1個RS485擴展通訊模塊[5]，能量控制系統結構如圖2所示。PLC通過通訊方式分別與CMS、雙向DC/DC變換器、光伏控制器和光伏逆變器進行數據交互。人機界面采用Beijer觸摸屏，通過以太網通訊方式接收PLC發送的光伏系統各設備運行參數并予以顯示，同時管理人員可通過其控制界面設定能量管理策略的控制參數[6]。

圖2 能量控制系統結構

3 能量管理系統主要功能實現

能量管理系統是使光伏逆變器并網功率按照設定速率追隨光伏控制器輸出變化，降低逆變器輸出功率突變對船舶電網的影響，控制器及逆變器間的能量差額由超級電容充放電補償。因此對控制器功率的追蹤和逆變器功率的設定尤為關鍵[7]。

3.1 控制器功率追蹤及逆變器功率設定

為防止控制器輸出功率突變造成的追蹤誤判，程序對控制器輸出功率采樣濾波處理，以提高對控制器輸出功率追蹤的精度。

為使并網功率能夠更加精確地追蹤到控制器輸出功率，同時盡可能減小超級電容儲能系統的使用，將控制器輸出功率劃分為10個區間，然后基于超級電容的SOC值對逆變器的功率進行設定，見表1。

表1 基于SOC的逆變器功率設定

3.2 基于超級電容SOC的逆變器協調控制

系統采取2臺逆變器并聯輸出的方式，因此根據當前功率需求及超級電容的SOC值對2臺逆變器進行協調控制。

1)SOC處于正常范圍。SOC值處于正常范圍時(模式一)，逆變器協調控制流程見圖3。

圖3 SOC正常范圍時，逆變器協調控制流程

(1)逆變器達到啟動條件(超級電容SOC大于50%，控制器輸出功率大于3 kW)，啟動1#逆變器并進行功率設定。

(2)判斷逆變器是否符合雙機運行的條件(逆變器設定功率達到40 kW，超級電容SOC大于50%)，達到并機條件進入(4)，否則進入(3)。

(3)控制器當前輸出功率小于3 kW時，停止1#逆變器運行，逆變器停止前需緩慢降低功率，當逆變器停止后，2臺逆變器命名對調(即1#逆變器命名為2#逆變器，2#逆變器命名為1#逆變器)。

(4)啟動2#逆變器并機運行，2臺逆變器設定功率均分，當控制器當前輸出功率小于20 kW時，停止1#逆變器，同時2臺逆變器命名對調，回到(2)繼續運行。

2)SOC低于放電警戒值。超級電容SOC低于放電警戒值時，逆變器協調控制流程如圖4所示。

圖4 SOC低于放電警戒值時，逆變器協調控制流程

逆變器雙機運行時，先停止1臺逆變器(采取先啟先停方式)，使另外1臺逆變器單機運行，如果控制器輸出功率大于逆變器單機額定功率，則逆變器以額定功率運行，多余能量對超級電容進行充電，直至超級電容充電至SOC達到50%后回到模式一的運行方式。當逆變器單機運行時，若超級電容的SOC值低至放電禁止值，則停止當前運行的逆變器，停機后切換2臺逆變器啟停順序，并對超級電容進行充電，充電至SOC達50%進入模式一待機。

3)SOC高于充電警戒值。SOC高于充電警戒值時，逆變器協調控制流程如圖5所示。

圖5 SOC高于充電警戒值時，逆變器協調控制流程

系統仍以模式一的工作方式進行啟停并機，令超級電容緩慢放電，當超級電容SOC低于50%時進入模式一。如果超級電容SOC大于充電禁止值，則啟動另外1臺逆變器并機，超級電容快速放電，直至SOC低至充電警戒值回到初始繼續運行。

4 能量管理系統研發及測試分析

4.1 能量管理系統研發

根據以上設計需求研發船用光伏并網能量管理系統，并進行測試驗證，操作人員可通過圖6的控制參數設置界面更改相關控制參數，方便對系統進行管理操作。

圖6 控制參數設置界面

4.2 能量管理系統測試

搭建的實物進行測試時，以直流電源模擬光伏輸入，通過設置光伏控制器輸出電壓和電流模擬光伏控制器輸出功率突變，試驗數據通過Beijer觸摸屏的SQL數據庫記錄后導入MATLAB中繪圖分析。

1)SOC在正常范圍時測試結果，如圖7所示。50 s時增加控制器輸出功率，超級電容充電吸收控制器突增功率，隨后逆變器按照1 kW/s的速率跟隨控制器變化輸出；120 s時控制器輸出功率高于40 kW，自動啟動2#逆變器并機，并機后2臺逆變器功率均分；300 s時突降控制器輸出功率，此時超級電容迅速放電維持逆變器輸出功率穩定，隨后逆變器輸出功率緩慢降低；當控制器輸出功率降低至20 kW以下，1#逆變器降低額定功率停機，待下次控制器功率再高于40 kW時，1#逆變器自動啟動并機，隨后重復之前的過程。實現了逆變器設定功率大于40 kW時并機，功率小于20 kW解列1臺的協調控制，并且遵循了啟停順序切換的原則，保證2臺逆變器在使用時間上盡可能趨向于一致，同時當控制器功率發生突變時，超級電容能夠迅速響應，使逆變器并網功率平緩輸出。

圖7 SOC在正常范圍時測試結果

2)SOC低于放電警戒值時測試結果，如圖8所示。初始雙機并聯運行，50 s時手動調整參數設置界面SOC放電警戒值的數值，使其大于當前SOC值，此時2#逆變器開始降功率解列停機，超級電容由放電狀態轉變為充電狀態，140 s時手動設置使SOC放電禁止值的數值大于當前SOC值，1#逆變器隨即緩慢降低功率停機，超級電容由緩慢充電過渡到快速充電狀態。

圖8 SOC低于放電警戒值時測試結果

3)SOC高于充電警戒值時測試結果，如圖9所示。保持控制器的輸出功率穩定，90 s時手動調整參數設置界面的數值，使SOC充電警戒值小于當前SOC值，逆變器設定功率取區間最大值，超級電容由充電狀態變為緩慢放電狀態；160 s時再次手動調整，使當前SOC值大于充電禁止值，1#逆變器先緩增功率，使超級電容處于快速放電狀態，隨后啟動2#逆變器啟動并機均分功率。

圖9 SOC高于充電警戒值時測試結果

5 結束語

光伏系統各能源在船舶上布局較為分散，各能量源間可靠高效的協調工作對系統安全運行至關重要。本文以ABB AC500 PLC為主控核心，設計研發了一套能量管理系統對船用光伏并網系統的各能源進行集中管理調度，搭建實物平臺對能量管理系統進行測試，結果說明能量管理系統能有效監測系統運行參數并對系統各設備間能量進行管理。