基于PLC分布式光伏发电控制系统的设计

河南机电职业学院 苗国耀

1 分布式太阳能发电系统

在设计阶段，分布式光伏系统主要应用电子技术，例如信息运维、光伏工程和新能源电子工业技术。应用光伏发电原理将传感器技术、信息和通信技术及模拟计划技术相结合。软硬件平台是分布式光伏系统中的重要组成部分。硬件平台的关键组成部分包括环境保护意识模块、集中控制模块、分布式PV 隔离系统和通讯模块，其中PV 智能操作系统和仿真软件是软件平台的关键组成部分。

1.1 集中控制模块三菱FX5U-64MR

集中控制模块包括并网光伏系统、离网光伏系统和光伏单轴光伏系统。继电器和接触器必须被PLC 进行控制以确保整个光伏系统的安全稳定运行。

并网光伏系统。分布式光伏发电系统包括各种组件，如双向电能表、太阳能电池组件、绝缘变压器及并网逆变器，它们可在发电过程中直接转换太阳能以发电，可使用直流电并可使用并网逆变器转换为交流以满足电网的运行要求，并直接进入公共电网操作系统。分布式小规模光伏并网发电系统建设周期短、占地面积小，在并网太阳能发电中占有非常重要的位置，而无需投资大量的建设成本即可达到较好的发电效果[1]。

离网光伏系统。是一种相对独立的发电系统，光伏控制器、电池和光伏组件都是离网光伏系统的一部分。此外还应配置交流逆变器以方便交流电源。太阳能电池发电的核心组件是一块太阳能电池板，可在发电过程中直接使用太阳能并将产生的电能存储在电池中。在此期间主要使用PV 控制器。开机时需要直流负载且电池用于承载电能。电能一旦转换为交流电源，便可使用交流逆变器为交流操作系统的运输负载供电。由太阳能电池产生的电能易于使用，一旦产生或存储在电池中就可使用。光伏控制器是离网光伏系统的核心组件，光伏输入、输出和电池输入均属于其核心组件。并网逆变器发电系统可用于确保发电过程中有足够的功率，防止电池过充电、过放电，防止反向充电，避免夜间短路等功能。

1.2 通讯模块

由一系列组件构成，PV 监视模块、收集器、两个LoRa 通信模块、照明模块、温度和湿度模块等都是通信单元的一部分。某些模块如PLC 和PV 监视模块在通讯过程中需使用开关。这两个LoRa 通信模块在采集环境中发送和接收传感数据，并使用扩散频谱技术连接到力控制配置软件的串口通讯模块，以实现超长距离远程采集数据。光伏监控模块采集器采用串口通讯方式有效收集并网逆变器信息，为分布式光伏系统提供安全的传输电流，保证光伏系统正常运行。

1.3 分布式光伏系统的硬件、软件设计

输入设计。输入模块由一系列功能模块组成，指令输入信号及保护、位置输入信号等都是分布式光伏发电系统的输入信号。其中按钮提供命令信号并在控制操作界面时执行[2]；输出设计。分布式光伏系统的输出操作由一套系统组成，其中较主要的设备为接触器和继电器。在配置上述两种主要的硬件时应严格参考相关标准，进行硬件设备的选型工作，以确保整体系统的稳定性与可靠性。

光伏系统最重要的组件是软件设计，主要是由离网光伏控制软件系统、并网光伏控制软件系统、单轴光伏控制软件系统、市电输入控制软件系统、接触器和继电器控制软件系统构成[3]。这些控制系统是相对独立的，中间依靠上位机等系统进行数据交互，保证整个控制软件系统形成一个有机的整体。在电力系统的软件架构中，整个系统的控制都需依赖于可编程控制器。对于单轴光伏控制软件系统，可通过按钮来实现光源摆杆在垂直工作状态与非垂直工作状态间的切换。当按钮切换至停止模式时光源进入垂直模式。在启动按钮后光源自动切换到垂直运行状态，由此可实现按钮开关对于光源的控制。在此期间可通过编程软件或组态软件等PLC 编程组件，通过组件的自由配置可方便的向工程师展示整个系统当前的状态。

2 分布式光伏发电系统的配置监控

分布光伏控制系统人机交互主要功能是使用PLC 与HMI 界面来实现，系统内的功能模块可通过区域数据交换系统进行可靠扩展。界面和Web 服务器都是软件的关键功能模块。在操作过程中须将PLC技术和力控制配置软件系统结合起来保证整个控制系统监控的通用性。在远程安全控制的基础上可获得实时运行数据，这些实时采集的状态数据以及生产数据可用于分析各个分布式设备的实时运行状态，但现场运行方式需进一步优化，增加一套能集中管理所有分布式设备的集中监控系统，在一个界面上监控所有分布式设备的状态，并对其中的各种设备进行控。

I/O 设备配置。设备配置的关键是正确配置I/O设备类型、名称和通信地址数据，并对监视设备（如数据采集设备，控制器和离网逆变器）进行详细配置，以执行特定的数据信息。

实时数据库设置。当设置数据库中的配置数据时必须检查数据，并确保PLC 中的地址块数据与数据库中的可变数据一一对应。作为人机接口与实时数据库连接的主要桥梁，PLC 与上位机数据库服务器间的网络应时刻保持畅通状态，以便于保证PLC与上位机的交互实时性及数据采集的完整性，有效发挥上位机数据处理、数据服务请求、历史数据存储和警报处理的功能。在分布式数据库系统中，因此网络设备硬件在整个系统中扮演着重要的中间传递角色，各种样式的电表、包含交流与直流电表均为系统中的重要设备，须正确设置离网逆变器和控制器的数据设置。

设计系统监控界面框图。为清晰显示系统实际运行功能的监控界面，了解光伏系统的运行方式，在完成包括光伏系统在内的系统框架图的设计时会进行界面交互。需详细列出用于发电的逆变器、用于并网光伏发电的逆变器、交流负载、单轴系统等。

建立动态连接。采集现场实际运行数据，为保证实时数据与HMI 监控界面的数据一致，如操作系统的温度和湿度，电压、电流和功率值及实际的运行方式，对网络传输的稳定性提出了更加高的要求，要求整个系统的延迟做到尽可能的低。通过PLC 与HMI 间高速稳定的网络总线技术，可实现人机界面与运行设备间的各类运行参数的双向同步。

3 关于太阳能发电建设的建议

随着国家智能制造2025规划的提出，以分布式光伏技术为代表的一系列新型技术具备着很广泛的应用场景与增长空间。分布式发电系统开始被电网广泛采用到我国的电力系统中，大量应用也给分布式光伏技术的快速更新完善提供了基础。因此，基于PLC 技术的分布式光伏控制系统的改进设计，是目前一个阶段内我国电力系统科研人员一个十分具有现实意义与理论意义的研究课题。除说明设计的具体要求外还应按照国家政策法规进行技术设计，以针对性提出综合性的运行措施为目标，并为电网建设提供更好的支持。

电网质量的提高在国民经济的发展中起着非常重要的作用，可更好地保证城市在发展过程中的用电需求。通过设计和分析分布式光伏发电控制系统，将确保以安全性和可靠性为前提的光伏发电系统的未来发展，并通过充分利用太阳能资源来提供电力。电网公司需积极为分布式光伏项目提供便利，使其能连接到电网并为接入系统项目的建设打开绿色通道。与电网连接的分布式光伏项目对于优化我国现有的能源供应模式，有效缓解我国电力生产与消费地域不匹配的问题有着十分重要的意义。分布式发电对于优化能源结构、促进节能和减排等国家智能制造2025宏观政策的有效落实十分重要。因为其相对传统发电项目更加复杂的设计与更多的设备数量，分布式发电项目工程对于设计和施工标准都提出了更加严格的要求。

分布式光伏技术由于其明显的优势而正在迅速发展。随着分布式发电系统的不断引入，配电网络的进步需不断改进，并采用了新技术来不断改进。因此基于PLC 的分布式光伏控制系统的设计是当今考虑的重要问题。需提出更高级别的综合措施，以更好地适应基于PLC 的分布式光伏控制系统的当前设计要求。除技术水平外还需进一步加强和优化国家政策、法律法规，为发电网络的建设提供更强有力的支持。

4 结语

当前我国光伏发电系统的建设水平有了明显的提高，从而保证了光伏发电系统在我国的实用性。建设分布式光伏发电系统时应完善设计流程，改进设计方法，严格按照规范要求进行操作，使光伏发电系统真正发挥其作用，促进我国社会经济的稳定快速发展。