基于PLC風光儲一體的新型電力系統的設計

黃一清,馮冬雷

[蘇州高等職業技術學校(江蘇聯合職業技術學院蘇州分院) 電子工程系,江蘇 蘇州 215009]

基于全球能源產業鏈供應鏈遭遇沖擊、國際能源價格高位振蕩等因素,構建安全高效、清潔低碳的能源體系已成為全球發展的重要趨勢[1]。我國電力需求整體呈增長態勢且尖峰負荷特征日益凸顯,新能源裝機比重連年上升,但現有的電力支撐能力與常規電源仍存較大差距,暫未形成可靠的替代能力,故仍需進一步加快構建以新能源為主體的新型電力系統[2]。新型電力系統是新型能源體系的重要載體,融合了先進的信息技術、電力與控制技術,以源網荷儲協同與多能互補為支撐來滿足用戶的多元負荷需求[3]。其中多能互補主要包括傳統火力、水力與核能及新型風能、光能及儲能,常見的光伏發電為集中式與分布式并舉,與風力發電逐步成為我國主體能源之一[4]。本研究設計了一款風光儲一體的新型電力系統,采用可編程控制器西門子S7-1200為核心控制器,結合力控組態軟件為平臺,搭建遠程監控系統,實現對新型電力系統站端控制與遠程監視,進一步提升了電力系統的運行效率。

1 風光儲一體新型電力系統

設計的風光儲一體新型電力系統基于傳感技術、能源發電與管控技術,集風力光伏發電、儲能系統及智能輸電于一體,包括硬件、軟件兩大平臺,其中硬件包括可再生能源發電中心、儲能運行管理中心及負載及控制中心(硬件框架如圖1所示),軟件平臺主要為新型電力系統遠程監控系統。

圖1 新型電力系統構成框架Fig.1 Framework of new power system

1.1 可再生能源發電中心

可再生能源發電中心由光伏組件、風力發電機、匯流箱及風光互補控制器構成,選用的光伏組件為單晶硅類型,采用防水樹脂封裝,單塊功率達90 Wp,安裝于41*41*2.0型C型鋼搭建而成的光伏支架上。風力發電機額定功率100 W,啟動風速2 m/s,當風力達到切入風速時,風輪旋轉牽引發電裝置發電。匯流箱是實現光伏組件有序連接及匯流功能的接線裝置[5],光伏組件通過匯流箱串接形成光伏陣列,再連接至風光互補控制器光伏輸入端,風機輸入端接風力發電機。

1.2 儲能運行管理中心

儲能運行管理中心由智能監控模塊、并網配電、變流器及儲能模塊構成。智能監控模塊可采集變流器、儲能等信息,并網配電可實現供電或電站接入公共電網,配電箱內配有雙向電能表,用于計量上網電量及從市電所獲電量。變流器是新型電力系統的重要部件,是連接風光能、儲能、公共電網及負載之間的能源轉換連接,可實現光伏能給與儲能、公共電網或負載、儲能給與公共電網或負載、公共電能給予儲能或負載[6]。選用的變流器型號為MUSTPH1800-PRO,額定功率為3 kW,額定電池電壓、光伏陣列MPPT電壓、交流電壓分別為24 V、150～430 V及230 V(AC),轉換效率達90%以上。儲能模塊包含儲能電池與電池管理系統兩部分,前者采用磷酸鐵鋰作為正極材料,由8節標稱電壓/容量3.2 V/32 Ah的單體電池串聯而成,后者負責監控電池儲能單元內各電池的運行狀態,包括單體/電池組電壓、電流、溫度、SOC及SOH。

1.3 負載及控制中心

負載及控制中心主要包括集中控制與用能模塊,集中控制模塊包括可編程控制器與繼電器、接觸器等。其中可編程控制器主要由西門子S7-1200構成,通過可編程控制器(PLC)實現對繼電器及接觸器的控制,最終完成用能模塊的設置,通過485通信進行PLC與儲能管理中心的有效連接,還可用PLC進行變流器能源來源的選擇。用能模塊主要由交流報警燈、交流風扇、變頻器與電機、模擬量執行器及充電樁5種負載構成。

2 硬件設計

2.1 輸入設計

新型電力系統輸入信號包括兩類,即指令性輸入信號與模擬量輸入信號。其中指令性輸入信號主要與負載及控制中心開關按鈕盤按鈕關聯,包括急停、切換開關及SB1-SB88個自鎖型按鈕。模擬量輸入信號主要來自用能模塊模擬量執行器角度、變頻器頻率模擬輸出信號。

2.2 輸出設計

新型電力系統輸出信號包括指令性輸出信號與模擬量輸出信號。其中指令性輸出主要由4個接觸器與10個繼電器實現,模擬量輸出信號可用來控制用能模塊模擬量執行器順時針/逆時針運行角度、變頻器工作頻率。以多能互補供電模式開啟負載交流報警燈為例,I/O分配表與繼電器及接觸器定義如表1所示。

表1 多能互補開啟交流報警燈I/O分配表與相關繼電器及接觸器定義

3 軟件設計

3.1 站端功能設計

采用西門子S7-1200(CPU1215C DC/DC/RLY) 可編程控制器,集合了14數字量輸入/10數字量輸出、2路模擬輸入/輸出、PROFINT(以太網)接口、板載I/O狀態指示等。基于TIA Portal V15.1軟件進行PLC源程序的編寫及調試。例如,按下SB1按鍵開啟多能互補供電模式,松開該按鍵關閉多能互補供電。按下SB2按鍵,按照圖2開啟交流報警燈,即交流紅燈從2 s開始運行16 s結束,交流黃燈從4 s開始運行12 s結束,交流綠燈從6 s開始運行8 s結束,交流蜂鳴器從8 s開始運行4 s結束。其中儲能供電選擇通過PLC與儲能運行管理中心智能監控中心485通信,智能監控中心通信地址可自定義設置,多能互補供電選擇寫入地址為44101,數據格式為8位數據位、1位停止位、無校驗,波特率為9600 bps。在SB1按下變流器軟起成功后再按下SB2,打開報警燈供電開關并啟動開啟延時定時器TON,當定時器計時值達到2 s時開啟交流紅燈,4 s時開啟交流黃燈,6 s和8 s分別開啟綠燈與蜂鳴器,并在規定結束時間關閉相應的報警燈。

圖2 交流報警燈運行Fig.2 AC alarm lights operation

3.2 遠端功能設計

遠端監控系統主要基于ForceControl 7.1組態軟件進行設計,通過界面繪制、數據庫配置、動態連接及運行調試實現負載與控制中心及儲能運行管理中心的數據監控。主要包括負載與控制中心單相液晶多功能電力儀表采集交流報警燈工作電壓、電流、功耗,儲能運行管理中心4塊單相液晶多功能電力儀表采集風光儲網電壓、電流數據,電池組與單體電池電壓、電流、溫度、SOC及SOH數據,涵蓋模擬I/O變量56個。設置變量前應注意添加I/O設備,設備名稱為PLC,通信方式選擇TCP/IP網絡,設備IP地址添加為PLC地址。添加完成后進行數據庫組態設置,選擇添加模擬點。例如,添加交流報警燈工作電壓,點名填寫b1dy,量程上限與裸數據上限分別設置為1000、10 000,數據連接選擇連接I/O設備PLC,增加連接項填寫寄存器類型M,偏移地址300,數據類型為16位無符號。數據點連接如負荷交流報警燈工作電壓,雙擊彈出動畫連接彈窗后選擇數值輸出模擬,填寫表達式b1dy.pv后點擊確定即可。

4 結束語

風光儲一體新型電力系統是一種基于傳感技術、能源發電與管控技術,集合風力光伏發電、儲能系統及智能輸電于一體的新型能源系統,包括可再生能源發電中心、儲能運行管理中心及負載及控制中心三大部件,以西門子S7-1200作為控制單元,實現儲能運行管理中心變流器供電模式的選擇及負載工作狀態控制,通過力控組態軟件實現遠端監控,進行風光荷儲網電壓、電流等相關數據與磷酸鐵鋰電池組及單體電池1～8的電壓、電流、溫度、SOC及SOH數據監控,整體上運行可靠,達到了設計目的。