風光互補發電系統監控與能源管理分析

楊輝，王麗萍，王犖犖，王肖燕

（1.珠海城市職業技術學院機電工程學院，廣東 珠海 519090；2.珠海市技師學院，廣東 珠海 519015）

隨著全球環境的惡化、能源的短缺，新能源成為世界各國的重點研究對象。新能源主要包含2個方面：一是新能源體系，包括可再生能源、地熱能等；二是新能源利用技術，包括高效利用能源、資源綜合利用等。新能源利用技術的重要表現形式為分布式能源利用技術。傳統的能源利用與分布式能源技術之間有較大的差異，分布式能源技術主要為了實現用戶端的能源綜合利用，最大化能源利用率，最優化整個系統的能效，合理配置各方資源，而傳統的能源利用主要在于不斷增大規模，提高效益。分布式能源的先進技術包括太陽能、風能利用，燃料電池和冷熱電三聯供等，其中較有發電潛力的形式主要有太陽能發電及風能發電。然而，不管是太陽能，還是風能，都不能提供一個穩定的輸入功率，從而導致輸出也不穩定，因此必須充分結合利用2種能源進行互補。那么，如何協調控制管理2種能源，并要求盡量多的獲得太陽能和風能是一個資源優化利用的問題，因此必須有一套對太陽能和風力發電進行監控和管理的上位機系統。為了解決該問題，本文以全國職業院校技能大賽高賽項的大賽設備為載體，闡述風光互補發電系統中監控與能源管理的設計方案。

1 總體思路

該設備主要由5個功能部分組成，分別為風力發電、光伏發電、電流變換、監控管理系統和負載系統。監控與能源管理為第四部分，該部分主要通過上位機與PLC、變頻器和儀表進行通訊，對風光互補發電系統進行監視和控制。上位機以力控組態軟件對整個系統進行監控，上位機背面有6個接口，其中3個為RS485：com1連接光伏PLC、com2連接風力PLC和變頻器；com3連接其他3個柜的電流、電壓儀表。3個為RS232通訊：3個接口com4～com5分別連接光伏、風力、逆變的dsp通信板，如圖1所示。

圖1 上位機通訊接口

控制系統包括5個主要界面，分別是：（1）身份登錄管理界面，實現不同的人員登錄后有不同的操作權限，主要為管理員和運維人員；（2）風光互補發電系統運營管理界面，通過管理界面能對光伏供電系統、風力供電系統進行控制，實現能源的管理配置；（3）系統數據采集界面，通過該界面能對系統的各個參數進行監視，實時了解系統運行情況；（4）逆變與負載系統的監控界面，該界面可以設置參數，并能夠實時采集逆變并顯示相關數據值；（5）光伏電站特性曲線界面，該界面能夠顯示光伏電站伏安特性曲線。下面詳細介紹實施方案。

2 實施方案

2.1 身份登錄管理界面

身份登陸界面如圖2所示。管理員身份登陸能夠進行所有的界面操作控制，主要包括運營界面（能顯示系統各開關的位置）、采集數據界面（采集發電系統數據并顯示）、負載監控運行界面（對負載和變換系統進行監控）、特性曲線分析界面（以畫圖形式顯示光伏電站特性曲線）。運維員身份只能進入采集數據界面。管理員登陸后如圖3所示，運維員登陸后如圖4所示，管理員和運維員登陸后，可根據需要進入相對應界面進行操作。點擊其他界面按鈕，能進入相應界面；點擊返回按鈕，能重新進入登陸界面。

圖2 登陸界面

圖3 管理員界面

圖4 運維員界面

2.2 風光互補發電系統運營管理界面

風光互補發電系統運營管理界面圖如圖5所示。在該界面中能源有2個部分，其一是光伏發電站（2個），其二是風力發電站（1個），發電站對蓄電池充電，負載通過逆變器獲得電能。

圖5 互補運營界面

（1）在該界面中設計風光互補啟動/停止旋鈕控件；設計電機負載工作/停止旋鈕控件，報警燈工作/停止旋鈕控件，舞臺燈工作/停止按鈕控件及控制軸流風機的變頻器頻率設定值控件及實際值顯示控件；設計1#、2#光伏發電站相應的運行指示燈控件、風力發電站運行指示燈控件，當電站運行時，相應指示燈控件亮。當光伏PLC和風力PLC處在自動控制狀態下，可以實現負載與能源之間調度運營要求。

（2）繼電器動作時，其相應的界面觸點能夠同步，并顯示開斷狀態。負載顯示燈在工作時為綠色，紅色表示負載在停止工作狀態。

（3）設計控件實現遠程控制要求。風力供電系統和光伏供電系統位于界面下半部分，其指示燈顯示控件、位置控件和面板操作控件能夠表示相對應的按鈕或位置狀態，綠色表示按鈕按下或位置到達，反之用紅色表示。

2.3 采集數據界面

圖6為風光互補發電系統的采集數據界面，采集數據界面能夠實時采集數據，并進行顯示。風力電站和光伏電站需要采集的數據有實時的電流、電壓、功率，以及電站的運營時間；蓄電池采集的數據有充電電流、充電電壓、放電電流、放電電壓；逆變輸出的數據有電流、電壓及其輸出功率；設備通信故障檢測，主要有電站電壓表、電流表，逆變電壓表、電流表，DSP、PLC、風力變頻器的通信檢測，相應指示燈控件綠色表示通信正常，反之為紅色；電站發電量與負載用電量數據采集。

圖6 采集數據界面圖

2.4 負載監控運行界面

圖7所示為負載監控運行界面。在該界面中要求完成以下功能。

圖7 負載監控運行界面

（1）采集并實時顯示逆變系統的相關數據，主要包括輸入輸出的電流、電壓，輸入輸出的功率，以及逆變效率。

（2）設計控制版面。主要包括舞臺燈負載、報警燈負載以及電機負載按鈕控件，通過狀態指示燈顯示負載的相應狀態。按鈕控件為點動功能，按下按鈕負載運行工作，其相應指示燈亮，放開該按鈕控件，負載停止工作，其相應的指示燈處于停止狀態。

（3）設計逆變參數調節面板。主要包括死區時間設定、調制比設定、基波頻率設定以及SPWM輸出電壓。

設置死區時間，主要是為了測量死區波形使用。死區時間通過下拉框控件進行選擇，可選擇的數據共為10組，其時間單位為ns，范圍在300～3000之間。

調制比設置可通過文本框控件輸入，其范圍為0.7～1。調制比調節的主要作用是改變逆變器輸出電壓幅度，通過調整該參數，將SPWM輸出電壓幅值設為187V。

基波頻率設置可通過文本框控件輸入，其范圍在50～60Hz之間，調整間隔為0.1Hz，其主要用于測量逆變器的輸出頻率。

圖8 光伏電站特性曲線界圖

2.5 設計光伏電站特性曲線界面

能夠顯示光伏電站輸出伏安特性曲線（橫坐標電壓、坐標電流），功率特性曲線（橫坐標電壓，縱坐標功率）。

3 結語

風光互補發電系統是新能源發展的主要動力，其監控與能源管理是主要關鍵點，文中介紹了力控組態軟件的上位機對PLC、變頻器進行控制，以實現對風光互補發電系統的監視與控制，使整個系統協調運行。