基于PLC分布式光伏發電控制系統的設計

河南機電職業學院 苗國耀

1 分布式太陽能發電系統

在設計階段，分布式光伏系統主要應用電子技術，例如信息運維、光伏工程和新能源電子工業技術。應用光伏發電原理將傳感器技術、信息和通信技術及模擬計劃技術相結合。軟硬件平臺是分布式光伏系統中的重要組成部分。硬件平臺的關鍵組成部分包括環境保護意識模塊、集中控制模塊、分布式PV 隔離系統和通訊模塊，其中PV 智能操作系統和仿真軟件是軟件平臺的關鍵組成部分。

1.1 集中控制模塊三菱FX5U-64MR

集中控制模塊包括并網光伏系統、離網光伏系統和光伏單軸光伏系統。繼電器和接觸器必須被PLC 進行控制以確保整個光伏系統的安全穩定運行。

并網光伏系統。分布式光伏發電系統包括各種組件，如雙向電能表、太陽能電池組件、絕緣變壓器及并網逆變器，它們可在發電過程中直接轉換太陽能以發電，可使用直流電并可使用并網逆變器轉換為交流以滿足電網的運行要求，并直接進入公共電網操作系統。分布式小規模光伏并網發電系統建設周期短、占地面積小，在并網太陽能發電中占有非常重要的位置，而無需投資大量的建設成本即可達到較好的發電效果[1]。

離網光伏系統。是一種相對獨立的發電系統，光伏控制器、電池和光伏組件都是離網光伏系統的一部分。此外還應配置交流逆變器以方便交流電源。太陽能電池發電的核心組件是一塊太陽能電池板，可在發電過程中直接使用太陽能并將產生的電能存儲在電池中。在此期間主要使用PV 控制器。開機時需要直流負載且電池用于承載電能。電能一旦轉換為交流電源，便可使用交流逆變器為交流操作系統的運輸負載供電。由太陽能電池產生的電能易于使用，一旦產生或存儲在電池中就可使用。光伏控制器是離網光伏系統的核心組件，光伏輸入、輸出和電池輸入均屬于其核心組件。并網逆變器發電系統可用于確保發電過程中有足夠的功率，防止電池過充電、過放電，防止反向充電，避免夜間短路等功能。

1.2 通訊模塊

由一系列組件構成，PV 監視模塊、收集器、兩個LoRa 通信模塊、照明模塊、溫度和濕度模塊等都是通信單元的一部分。某些模塊如PLC 和PV 監視模塊在通訊過程中需使用開關。這兩個LoRa 通信模塊在采集環境中發送和接收傳感數據，并使用擴散頻譜技術連接到力控制配置軟件的串口通訊模塊，以實現超長距離遠程采集數據。光伏監控模塊采集器采用串口通訊方式有效收集并網逆變器信息，為分布式光伏系統提供安全的傳輸電流，保證光伏系統正常運行。

1.3 分布式光伏系統的硬件、軟件設計

輸入設計。輸入模塊由一系列功能模塊組成，指令輸入信號及保護、位置輸入信號等都是分布式光伏發電系統的輸入信號。其中按鈕提供命令信號并在控制操作界面時執行[2]；輸出設計。分布式光伏系統的輸出操作由一套系統組成，其中較主要的設備為接觸器和繼電器。在配置上述兩種主要的硬件時應嚴格參考相關標準，進行硬件設備的選型工作，以確保整體系統的穩定性與可靠性。

光伏系統最重要的組件是軟件設計，主要是由離網光伏控制軟件系統、并網光伏控制軟件系統、單軸光伏控制軟件系統、市電輸入控制軟件系統、接觸器和繼電器控制軟件系統構成[3]。這些控制系統是相對獨立的，中間依靠上位機等系統進行數據交互，保證整個控制軟件系統形成一個有機的整體。在電力系統的軟件架構中，整個系統的控制都需依賴于可編程控制器。對于單軸光伏控制軟件系統，可通過按鈕來實現光源擺桿在垂直工作狀態與非垂直工作狀態間的切換。當按鈕切換至停止模式時光源進入垂直模式。在啟動按鈕后光源自動切換到垂直運行狀態，由此可實現按鈕開關對于光源的控制。在此期間可通過編程軟件或組態軟件等PLC 編程組件，通過組件的自由配置可方便的向工程師展示整個系統當前的狀態。

2 分布式光伏發電系統的配置監控

分布光伏控制系統人機交互主要功能是使用PLC 與HMI 界面來實現，系統內的功能模塊可通過區域數據交換系統進行可靠擴展。界面和Web 服務器都是軟件的關鍵功能模塊。在操作過程中須將PLC技術和力控制配置軟件系統結合起來保證整個控制系統監控的通用性。在遠程安全控制的基礎上可獲得實時運行數據，這些實時采集的狀態數據以及生產數據可用于分析各個分布式設備的實時運行狀態，但現場運行方式需進一步優化，增加一套能集中管理所有分布式設備的集中監控系統，在一個界面上監控所有分布式設備的狀態，并對其中的各種設備進行控。

I/O 設備配置。設備配置的關鍵是正確配置I/O設備類型、名稱和通信地址數據，并對監視設備（如數據采集設備，控制器和離網逆變器）進行詳細配置，以執行特定的數據信息。

實時數據庫設置。當設置數據庫中的配置數據時必須檢查數據，并確保PLC 中的地址塊數據與數據庫中的可變數據一一對應。作為人機接口與實時數據庫連接的主要橋梁，PLC 與上位機數據庫服務器間的網絡應時刻保持暢通狀態，以便于保證PLC與上位機的交互實時性及數據采集的完整性，有效發揮上位機數據處理、數據服務請求、歷史數據存儲和警報處理的功能。在分布式數據庫系統中，因此網絡設備硬件在整個系統中扮演著重要的中間傳遞角色，各種樣式的電表、包含交流與直流電表均為系統中的重要設備，須正確設置離網逆變器和控制器的數據設置。

設計系統監控界面框圖。為清晰顯示系統實際運行功能的監控界面，了解光伏系統的運行方式，在完成包括光伏系統在內的系統框架圖的設計時會進行界面交互。需詳細列出用于發電的逆變器、用于并網光伏發電的逆變器、交流負載、單軸系統等。

建立動態連接。采集現場實際運行數據，為保證實時數據與HMI 監控界面的數據一致，如操作系統的溫度和濕度，電壓、電流和功率值及實際的運行方式，對網絡傳輸的穩定性提出了更加高的要求，要求整個系統的延遲做到盡可能的低。通過PLC 與HMI 間高速穩定的網絡總線技術，可實現人機界面與運行設備間的各類運行參數的雙向同步。

3 關于太陽能發電建設的建議

隨著國家智能制造2025規劃的提出，以分布式光伏技術為代表的一系列新型技術具備著很廣泛的應用場景與增長空間。分布式發電系統開始被電網廣泛采用到我國的電力系統中，大量應用也給分布式光伏技術的快速更新完善提供了基礎。因此，基于PLC 技術的分布式光伏控制系統的改進設計，是目前一個階段內我國電力系統科研人員一個十分具有現實意義與理論意義的研究課題。除說明設計的具體要求外還應按照國家政策法規進行技術設計，以針對性提出綜合性的運行措施為目標，并為電網建設提供更好的支持。

電網質量的提高在國民經濟的發展中起著非常重要的作用，可更好地保證城市在發展過程中的用電需求。通過設計和分析分布式光伏發電控制系統，將確保以安全性和可靠性為前提的光伏發電系統的未來發展，并通過充分利用太陽能資源來提供電力。電網公司需積極為分布式光伏項目提供便利，使其能連接到電網并為接入系統項目的建設打開綠色通道。與電網連接的分布式光伏項目對于優化我國現有的能源供應模式，有效緩解我國電力生產與消費地域不匹配的問題有著十分重要的意義。分布式發電對于優化能源結構、促進節能和減排等國家智能制造2025宏觀政策的有效落實十分重要。因為其相對傳統發電項目更加復雜的設計與更多的設備數量，分布式發電項目工程對于設計和施工標準都提出了更加嚴格的要求。

分布式光伏技術由于其明顯的優勢而正在迅速發展。隨著分布式發電系統的不斷引入，配電網絡的進步需不斷改進，并采用了新技術來不斷改進。因此基于PLC 的分布式光伏控制系統的設計是當今考慮的重要問題。需提出更高級別的綜合措施，以更好地適應基于PLC 的分布式光伏控制系統的當前設計要求。除技術水平外還需進一步加強和優化國家政策、法律法規，為發電網絡的建設提供更強有力的支持。

4 結語

當前我國光伏發電系統的建設水平有了明顯的提高，從而保證了光伏發電系統在我國的實用性。建設分布式光伏發電系統時應完善設計流程，改進設計方法，嚴格按照規范要求進行操作，使光伏發電系統真正發揮其作用，促進我國社會經濟的穩定快速發展。