基于三菱PLC的微型分布式發電控制系統

高 銘，劉 楠，馮 源，黃燨元，楊智超

(1. 天津理工大學 電氣電子工程學院；2. 天津理工大學 工程訓練中心，天津 300384)

我國風電設備數量一直保持飛速增長，風力發電和光伏發電雖然利于減少大氣污染，節約煤炭資源，但大型機組也具有占地面積大、成本高、噪聲污染嚴重的缺點。而利用微型分布式發電控制系統將有效解決以上問題。

1 實現過程

微電網控制系統由風力發電系統、光伏發電系統和控制柜組成。風力發電裝置由模擬風力變頻器、三相異步電機、三相勵磁發電機、三相阻性負載組成，光伏發電裝置由光伏板、射燈、伺服電機、逆變器、蓄電池單相阻性負載組成；控制柜由PLC、變頻器、伺服驅動器組成，該設備主要實現電能的轉化存儲以及多余電量的并網。配置好控制柜部分，以及硬件部分的選型組裝是實現整個系統功能的基礎。然后編寫PLC程序，設置好伺服參數、變頻器參數，編寫屏幕程序后進行調試。該系統主要分為三個部分，即光伏發電及其并網、風力發電及其并網和監視部分。

光伏發電系統包含定位系統、信號采集系統、光伏逆變系統三個部分。運行過程中通過射燈運行和光伏跟蹤完成模擬。

圖1 微型分布式發電控制系統模型

風力發電系統包含風力模擬和風電并網。首先用變頻器進行風力模擬，再用 PLC 進行程序控制，從而實現所需的風力條件。然后通過觀測三相同期表，采取手動同期并網。

監視系統可對光伏電能和風力電能進行監視、報警顯示和投切功能，投切系統首先設計投切參數，根據監測風電和光電蓄電池是否達到投切值來檢測風電系統供電、光電系統供電和市電系統供電之間的切換。

2 原理分析

2.1 風力發電

設備將風能轉化為機械能，然后將機械能轉化為電能，風力發電有離網型和并網型兩種類型。離網型的風力發電規模較小，現有風力發電設備為并網型，由控制器穩定發電機發出的電能供給負載供電。

2.2 光伏發電

設備將光能轉化為電能，光伏發電時太陽發出的光線照射在半導體的p-n結上形成新的空穴-電子對，在p-n結內部電場作用下，空穴由n流向p，電子由p流向n，接通電路后形成電流。設備還包含蓄電池用來收集產生的電能，以便于隨時對負載提供電能。控制器避免了蓄電池過度充、放電而損壞。逆變器將直流電轉換成交流電。

2.3 并網

獨立發電廠或小電力系統與相鄰電力系統發生電氣連接，進行功率交換的行為稱為并網。并網的步驟：根據電力系統進入同期允許的電壓差和頻率差的范圍，當電壓差指針和頻率差指針反映兩個差值已到達該范圍時，將同期指示表中同期指示連接并網按鈕A、B接入電網，觀看同期指示指針的旋轉，后調節待并發電機電壓與頻率直到組合式同期表電壓差頻率差指針在平衡標線時，認為發電機已進入同期可并入電網運行。利用伺服放大器可以使光伏板隨太陽光線的變化進行跟蹤，完成高效發電。

2.4 解列

將發電機有功功率調制零，無功負荷調至接近于零。發電機和系統的某一部分與系統其他部分失去同步且無法恢復同步時，它們之間會切斷，來使得系統正常運行，防止重大事故發生。

2.5 485總線通訊

RS485是雙向、半雙工通信協議，穩定性強，比RS232通訊距離更長，可對多臺設備管理，最遠通訊距離可達1 200m，超出長度可用485中繼器。

3 系統組成與設計

3.1 硬件系統的組成

3.1.1 電氣控制部分。三菱電機平臺提供了基本的控制裝置，由1個四相空氣開關、1個兩相空氣開關、1只24V開關電源、1臺A800變頻器、Q-PLC CPU模塊、Q-PLC電源模塊、輸入輸出模塊、模數轉換模塊、數模轉換模塊、定位模塊、串行口通信模塊、人機界面、2個伺服放大器、8個中間繼電器、3個交流接觸器、2個端子排組成，將這些器件連接起來構成電氣控制部分。

3.1.2 風力發電部分。風力發電部分由三相異步發電機、同步電機、三相阻性負載、變頻器組成，在此基礎上我們進行創新加入了三個電能表，他們可以分別測量風力發電電壓電流功率、三相阻性負載電壓電流功率、三相并網連聯絡線電壓電流功率并與通信模塊QJ71P4N通信來達到監視的目的。

3.1.3 光伏發電部分。光伏發電部分由光伏板、伺服電機、射燈、射燈滑動軌道、12V直流轉230V交流逆變器、蓄電池組成。安裝在光伏板上的光傳感器感應射燈發出光的強弱，傳遞給PLC控制伺服電機根據光源的移動做相應的轉動來達到跟隨的目的。

3.2 軟件設計

3.2.1 風力發電系統。①設置三相異步電機的運行頻率后，電機速度勻速遞增或遞減到指定運行頻率。其中電機頻率給定通過設置Q62DAN模塊的通道一電壓輸出給變頻器，變頻器控制電動機轉速。②按下“停止”按鍵后，三相異步電機停止運行，風力發電系統停止發電。③按下“負載供電”按鍵后，繼電器接通相應的接觸器KM2，接通發電機向負載供電。④根據手動準同期并網正確步驟，當按下“并網”按鍵后，相應繼電器KM3接通，三相電并入電網。⑤可由電能表測量并顯示發電機示模擬風力發電系統電壓、電流、功率；負載電壓、電流、功率；并網聯絡線電壓、電流、功率。可根據解列正確步驟將系統從電網解列。

圖2 系統流程

3.2.2 光伏發電系統。光伏發電系統是由射燈運行及光伏運行部分組成。①按下“伺服開啟”按鍵伺服開啟。②設置好射燈單元啟動參數，當按下射燈的手動左右移動按鍵時，射燈作相應的動作；當在自動運行狀態時，先要設置射燈左右平移周期，然后再按下射燈的“啟動”按鍵，PLC將射燈移動路程除以周期得到速度后，再將速度數據供給到伺服系統中來控制射燈的周期往復運動。③光伏單元啟動：當按下 JOG+、JOG-時，光伏板作相應的動作(左右擺動)；當按 下“伺服跟蹤”按鍵，光伏板即會跟蹤射燈的運動。④按下“停止”按鍵后，跟隨停止，射燈停止運動，射燈周期清零，需要重新設置。⑤按下“光電負載”按鍵后，逆變器輸出230V給單相阻性負載供電。由電能表測得電壓電流功率并與QJ71P4N模塊通信。⑥按下“光電并網”按鍵后，繼電器接通并入電網。

表1 基本系統硬件配置

4 系統調試

4.1 風力發電部分

設置好變頻器參數，編寫好變頻器程序，通過數模轉換模塊將數字量變為電流模擬量給變頻器，變頻器接收到模擬量后控制電機轉速，使發電機發電給三相阻性負載供電。不斷調節變頻器頻率，使其在額定轉速下穩定運行，進而再調節勵磁電源，使發電機穩定發出與電網幅值、頻率、相位相同的三相電，通過三相同期表觀測調試，當滿足要求時并入電網。

4.2 光伏發電部分

設置好伺服放大器參數，編寫好射燈周期運行程序，首先設置射燈運行周期，模擬光照運行，然后啟動跟隨，光傳感器把光照模擬信號轉化為數字信號傳遞給控制板，控制板經過處理后轉化為左右轉信號傳遞給PLC，PLC控制伺服電機跟隨射燈旋轉。光伏板產生的電能供給經控制板整流后給蓄電池充電，經逆變器整流逆變后給單相阻性負載供電，經單相同期表觀測后當符合幅值、頻率、相位要求時可并入電網。

4.3 監視部分

包括風力發電電壓、電流、功率的監視，光伏發電電壓、電流、功率的監視和并網聯絡線的電壓、電流、功率的監視。

風力發電電壓電流功率，三相、單相阻性負載電壓電流功率，三相并網連聯絡線電壓電流功率由海恩德電能表測量并由485總線與通信模塊QJ71P24N采集通訊來進行監視，并把監視值顯示在觸摸屏上。光伏板電壓電流經控制板把電流模擬量給數模轉換模塊Q64AD轉化為數字量并顯示在觸摸屏上。

5 系統特性

5.1 能源清潔性

主要以利用分布式能源中的清潔能源為主，利用風能、太陽能，能夠將內部電源和負荷實現一體化運行，而且能夠滿足清潔能源電力轉換和并網消納，提高了清潔能源利用效率，實現供需平衡和經濟運行，達到了電力與環境的和諧發展，有利于分布式發電技術的長遠發展。

5.2 高互動性

微電網在保證高可靠性的同時可以滿足與電網和用戶的良性交互，結合用戶對電網的參與管理，提高了用戶的積極性并獲得了真實的反饋。

5.3 靈活性

微電網不但可以實現分布式能源的廣泛接入，還能夠及時根據運行狀況來控制分布式電源的并網和解列，提供一個有效的途徑便于分布式電源的高效利用，微電網在電力系統中作為單一受控元件，可以實現“即插即用”，還可根據用戶需求供應不同等級的電能質量。

6 結束語

在三菱Q系列PLC的平臺下，完成了微型分布式發電控制系統的模型構建，讓光伏發電、風力發電穩定運行，基本實現了預期。

若該設備能廣泛運用，還要在不同環境測試它的工作狀況來進一步優化，做到更加人性化、高效化、穩定化。