基于PLC的光伏阵列自动清洁装置的设计.pdf

基于P L C 的光伏阵列 自动清洁装置的设计 Des i gn o f aut om at i c cl eani ng de vi ce o f PV ar r a y b ased on PLC 王秋平，魏浩，张淼，张进，陈志强 WANG Qi u p i n g，W El Ha o ，ZHANG Mi a o，ZHANG J i n ，CHEN Zh i ． q i a n g 东北电力大学，吉林 1 3 2 0 0 0 摘要对于目前光伏电站中光伏阵列的清洁难度大和自动化清洁程度低的问题， 研发了一种光伏阵列 自动清洁装置，此装置将柔性传动技术与计算机控制技术相结合，采用P L O 控制器，实现了对 现场光伏阵列的自动清洁功能。经过现场试验测试，结果表明光伏阵列自动清洁装置具有功 耗低、清洁效率高、稳定可靠的特点，并且能够有效提高光伏阵列的发电效率。 关键词太阳能；光伏阵列；自动清洁；P L C 中图分类号T P 2 3 文献标识码 B 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 5 0 9 下 一 0 1 4 4 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 5 ． 0 9 下 ． 3 8 O 引言 太 阳能发电是摆 脱对化石燃料 的依赖 ，减少温室 气体排放的重要手段之一 。2 0 1 2 年7 月国家发展和改革 委 员会印发的 可再生能源发展 “ 十二五 ”规划中指 出，2 0 2 0 年我国太阳能光伏发 电装机规模将达4 7 0 0 万 k W” 】 。太阳能光伏发 电站中将太阳能转化为电能的部件 是光伏组件 ，光伏组件的光电转换效率是衡量光伏组件 将太阳能转化为电能的重要指标 。通常情况下 ，当光 伏组件上有积灰或者其他不透 明物体遮挡时，不仅会降 低光伏组件的光电转换效率，而且会致使被遮挡的部分 产生局部过热，严重的积灰覆盖还将导致光伏组件烧毁 而完全失去光电转化的功能 。 目前国内外对光伏组件 的清洁主要有两种方法 ，一 种是应用于航天领域的高端光伏组件清洁技术 ，采用电 化学方法清理表面附着的灰尘，该方法成本很高不利于 推广 】 ；另一种方法是人工清洁，使用高空作业工具进 行人工清洁，不仅危险系数大，而且维护成本高、效率 低 。由此可见 ，太阳能光伏 电站中，对于 由多个光伏组 件 串并联组成的大型光伏阵列的清洁依然是一个难题。 目前市场上亟需找到一种高效、可靠、性价比高的清洁 光伏阵列的解决方案，以提高 “ 绿色能源 ”转换效率、 满足低碳社会经济发展的需要。 本文针对 目前清洁光伏阵列存在的难 点和 问题 ，根 据专利号为Z L 2 0 1 2 2 0 0 8 7 8 1 9 ． 2 的实用新型专利，设计 了一种清洁效果明显、效率高、成本和维护成本低、功 能完善、性价 比高的光伏阵列 自动清洁装置，此装置可 实现对光伏阵列的智能清洁，满足光伏阵列维护领域的 市场需要 。 1 自动清洁装置 目前，国内太阳能光伏 电站多建在阳光充足的西北 地区 ” ，西北地区气候具有光照充足、气候干旱、少雨 的特点，但西北多风沙、地理位置偏僻，因此仅 由人工对 太阳能光伏电站进行清洁的难度大、成本高、周期长。 自动清洁装置根据光伏发 电工程的特点，采用柔性 传动技术和计算机控制技术相结合的设计方法，实现了 机械传动与清洁毛刷的 自动控制。其中柔性传动机构的 设计，可以适应现场光伏阵列高低不平的情况，并具有 清洁毛刷的自动校正功能。计算机控制技术采用P L C 控 制器，实现 了清洁周期、清洁时间、清洁次数以及毛刷 自清洁时间的设定。并且系统还具有故障 自诊断功能。 自动清洁装置具体工作过程如图1 所示。 图1 自动清洁装置工作流程图 收稿日期2 0 1 5 - 0 4 - 2 9 作者简介王秋平 1 9 7 3一，女，吉林人，副教授，博士，主要从事测量延迟滤波方法研究、非线性滤波方法在AT P 系统及光电跟踪系统 中的应用研究 。 [ 1 4 4 ] 第3 7 卷第9 期2 0 1 5 0 9 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 P L C 硬件电路设计 为实现 自动清洁装置对光伏阵列的 自动清洁控制， 并保证系统能够稳定工作、具有较强的抗干扰能力，所 以选用台达小型集成P L C 作 为控制器 。台达小型集成 P L C 支持Mo d b u s 通讯协议 通信接 口R S 一 4 8 5 ／ R S 一 4 2 2 ／ RS ． 2 3 2 、体积小、性价比高，并且满足需预留出一定 量 的I ／ O接 口的控制要求 。 P L C控制器需完成 以下功能1 电机正向运行控 制当毛刷接触 电机启动测限位开关时，P L C 控制器控 制 电机正转 ；2 电机反 向运行控制 清洁毛刷运行到 光伏阵列的末端时电机反 向运行 ；3 自动清洁模式控 制 自动模式输入信号输入时，P L C控制器控制系统运 行 自动模 式；4 手动清 洁模式控制 P L C采集到手动 模式输入信号 ，并控制系统运行手动模式；5 清洁结 束控制P L C 控制器根据输入的停止信号，控制系统停 l 匕 运行 。 台达P L C的I ／ O地址分配如表1 所示。 表1 I ／ O地址 分配 电机反 向限位开关 S Q2 1 、 自动模式按钮 S B 0 X O X4 S Q2 2 手动模式启动按钮 X1 电机正转继 电器 K1 1 Y 0 s B1 停止按钮 S B2 X2 电机反转继 电器 K1 2 Y1 电机正向限位开关 X3 f S Q1 1 、S Q1 2 3 P t_ C 控制系统软件设计 根据 自动清洁装置的设计需求和光伏电站现场环境 自动清洁的控制要求，P L C控制系统需对 电机运行状态 实现 自动控制 、手动控制以及故障 自诊断。P L C 控制系 主程序流程图如图2 所示。 图2系统主程序流程 图 1 定时子程序说明 自动模式要求在设定 的定时时间系统 启动运行 ， 这里采用P LC自带的万年历指令完成系统定时要求。万 年历数据读 出指令TRD将万年历现在时 间年、星期、 月、 日、时、分、秒读 出至寄存器D0 D6 中。然后通 过时钟数据比较指令T C MP 将设置的定时时问与寄存器 D0 D6 中存放的时间进行 比较。D2 0 0、D2 0 1 、D2 0 2 分别对应设置时间的 “时”、 “ 分”、 “ 秒 ”，与D4 起始的万年历的 “ 时”， “ 分”、 “ 秒 ”相 比较 ，其 比 较结果读 出至辅助寄存器M3 M5 中。如果万年历现在 时间与设定时间一致 ，则M4 为O n ，否则M4 为O ff 。 2 毛刷滤尘子程序 自动清洁装置启动后，运行毛刷滤尘子程序 。清洁 毛刷在起始侧往复运行11 次后 ，毛刷滤尘子程序结束， 然后开始正 向清洁光伏阵列。毛刷滤尘子程序的指令表 S T L程序如下 L D M3 1 ；M3 1 电机正转状态 L DI M3 2 ；M3 2 电机反转状态 L D I M1 2 ；M1 2 停止复位 L DI M1 3 ；M1 3 故障状态 T MR T1 1 D2 0 3 ；D2 0 3 正向运行时间 L D Tl 1 L DI M9 ；M9 正向限位开关 L DI M1 2 ；M1 2 停止复位 O U T M3 2 ；M3 2 电机反转状态 LD M9 0U TM3 1 ；M3 1 电机正转状态 C NT C1 l D2 0 4 ；D2 0 4 滤尘次数 LD C1 1 LDI M 1 2 0UTM 3 l 3 电机正反转子程序和故障诊断子程序 电机正反转子程序通过寄存在辅助寄存器M3 1 的电 机正转状态以及辅助寄存器M3 2 内的电机反转状态，输 出电机正反转信号Y O U Y1 控制交流 电机实现毛刷对光 伏阵列的正向清洁和反向清洁 。故障诊断子程序用于实 现 自动清洁装置的故障 自 诊断功能，寄存器D 2 0 5 和D 2 0 6 中分别存放毛刷正向清洁时间和反向清洁时间，故障状 态读出至辅助寄存器M1 3 中，故障诊断程序如下 L D M 9 L DIM 1 2 TM R T1 2D2 0 5 LD M 1 0 LDI M 1 2 TMR T1 3 D2 0 6 LD T1 2 第3 7 卷第9 期2 0 1 5 - 0 9 下 1 1 4 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ≤ ． 。。 ． 9 3 0 t o 3 0 1 3 0 4 o o 5 o o 9 3 0 l o 3 0 1 3 0 4 o o 恤 5 o o 9 3 o L o 3 o 1 3 o I1 4 o o 扯 5 o o 9 3 0 l o 3 o 1 3 0 I1 4 o o 5 o o 1 0 3 O 1 3 0 t 0 0 5 O 0 1 1 1 1 7 晴， 优 i i ／ 1 8 ’ 晴， 优 ’ 1 1 1 z 9 拄} ； 多云 ／ 严 重污染 l 1 1 2 o 霾转多 云／ 严重污染 1 1 ／ 2 1 霜转晴／ 严 重污染 l 一 阵列 8 ． 9 5 i s ． 6 q1 6 ． 0 d1 5 ． 6 2 1 l O ． 3 1 8 ． 3 3 1 2 ． 7 1 4 ． 5 d1 3 ． 3 3 1 7 ． 4 1 2 ． 8 4 1 ． 8 1 I 6 ． 3 4 l 4 ． 9 6 l 2 ． 8 4 1 ． 2 3 2 ． 5 4 I 3 ． 4 5 l 6 ． 7 4 l 3 ． 8 4 7 ． 7 6 I 1 0 ． 0 1 l 6 ． 2 3 I 4 ． 6 6 l 阵 列 9 ． 12 1 4 ． 3 1 I 1 6 ． 2 d1 5 ．3 1 l 1 o ．9 3 8 ． 4 5 1 2． 3 d1 5 ． 2 1 3 ． 5 卅 7． 2 1 2 ．8 2 1 ． 9 0 l 6 ． 1 4l 4 ． 8 5I 2 ． 5 0 1 ． 3 4 2 ．6 9 l s ． 43 l 6 ． 63 l 3 ． 9 o 1 ． g 9 7 ． 5 9l 9 ． 8 8l 6 ． 12 l 4 ． 5 7 l t A阵 列 8 ． 99 1 3 ． 9 1 I 1 6 ． 5 d1 5 ． 9 o I l O ．8 1 8 ． 7 1 1 1 ． 0 d1 5 ． 7 d1 3 ． 8 7． 1 5 2 ．9 2 1 ． 9 8 l 6 ． 4 8l 4 ． 7 8l 2 ． 4 0 1 ． 3 6 2 ． 67 l 3 ． 37 l 6 ． 57 l 3 ．3 7 7 ． 5 3l 9 ． 8 2l 5 ． 9 8I 4 ． 5 6 l B阵 列 8 ． 03 1 1 ． 8 q1 4 ． 3 1 3 ． 8 1 I 9 ． 3 8 7 ． 0 3 l O． 6 d1 2 ． o d1 1 ． 8 d 6． 2 1 2 ．3 3 L 6 o l 5 ． 4 3l 4 ． o 3l 2 ． 0 2 1 ． 1 3 2 ．3 1 l 3 ． o5 l 5 ． 8o l 3 ． 3 9 6 ． 0 1l 8 ． 1 8l 4 ． 53 I 3 ． 5 8 l B阵 列 7 ． 59 1 1 ． 6 1 l 1 4 ． 9 1 3 ． o 1 o ． oi 6 ． 8 0 l O ．9 研1 1 ． 7 d1 1 ． 7 1 l 6． 5 1 2 ．2 4 1． 6 3 I 5 ． 6 4l 4 ． 2 1I 2 ． O l 1 ． 1 4 2 ． 3o I 2 ． 97 l 6 ． oo l 3 ．4 1 5 ． 8 9l 8 ． 0 9l 5 ． 2 2l 3 ． 6 7 I 十B阵 列 7 ． 2 1 1 1 ． 9 1 4 ．8 1 3． 5 S l O． 2 E 6 ． 8 5 1 0 ． 6 引1 1 ． 8 目1 1 ． 8 6． 3 7 2 ． 3 0 1 ． 6 5I 5 ． 6 7I 4 ． 1 4l 2 ． o 3 1 ．1 3 2 ．2 8 『＆ o4 I 6 ． o3l 3 ． 4 3 5 ． 8 2l 7 ． 9 7I 5 ． 34 J 3 ． 7 7 图3 A阵列与B阵列的电流测量数 据 0R I ’ l 3 ORM 1 3 0UTM 1 3 4 自动清洁装置的清洁试验 为验证设计 的光伏阵列 自动清洁装置在户外条件下 的工作性能以及清洁效果，本文以北京某公司屋顶光伏 工程为试验场地 ，该光伏 电站每3 0 个光伏组件通过 串并 联为一个光伏阵列，其光伏组件 由多晶硅太 阳能电池片 群密封而成 ，性能参数 如下 最大功率为2 3 5 ． 0 W、短 路 电流为8 ． 5 4 A、开路 电压为3 7 ． 0 V。试验对象为光伏电 站 中两组相同的光伏阵列，并将其分为试验组A 和参照 组B。 为测试安装 自动清洁装置后 ，电站光伏阵列的发电 量提升情况，将A阵列安装 自动清洁装置，并每天定时 定次数的对A阵列进行清洁 ；另一组B阵列放置在 自然 条件下，不进行任何人工清洗。 通过记录北京冬季2 0 1 4 年1 1 月1 7 2 1 日每小时测量 的光伏 阵列在汇流箱 内的电流值，计算A阵列相L Y , B 阵 列的电流提升率，并根据功率 公式P I U I 、U为汇流 箱 内电流值和电压值 确定A阵列相对B 阵列的发电量 提升率。由此可判断光伏阵列安装 自 动清洁装置后 ，是 否可 以具有较好的清洁效果。A阵列与B阵列 的电流测 量数据如图3 所示。 从图3 中可 以发现 ，光照较充足 的时候，A阵列电 流值明显高于B阵列的电流值 。并且通过发 电量提升率 计算公式可以得 出，A阵列相对B阵列的发 电量提升 了 1 0 ％3 0 ％，如果1 0 MW光伏电站每年发 电量为1 8 0 0 万 [ 1 4 6 1 第3 7 卷第9 期2 0 1 5 0 9 下 度，提高 1 0 ％，则 电站每年可多发 电1 8 0 万度 ，经济效 益可观。因此 ，根据试验测试结果可 以证 明， 自动清洁 装置可满足光伏阵列清洁维护领域的市场需要 。 5 结论 本文介绍了基于P L C的控制系统在光伏阵列 自动清 洁中的应用 ，包括系统组成、硬件 电路设计 以及P L C程 序设计 ，P L C自动清洁装置可有效解决 目前光伏阵列的 清洁难度大和 自动化清洁程度低的问题 。经过实际试验 测试，该装置的机械结构和电机工作稳定可靠，且能有 效提升光伏阵列发电效率1 0 ％3 0 ％，现在该装置 已用 于国内西北地 区大型太阳能光伏 电站的 自动清洁。 参考文献 [ 1 ] 胡泊， 辛颂旭， 白建华， 张运 洲． 我 国太 阳能发 电开发及 消纳相关 问题研究 【 J J ． 中国电力， 2 0 1 3 ， 4 6 0 1 0 1 0 6 [ 2 】 赵争鸣， 雷一， 贺凡波， 鲁宗相． 大容量并网光伏电站技术综述[ J 1 _ 电力系统 自动化， 2 O l 1 , 3 5 1 2 1 O l l O 5 【 3 】 伊纪禄， 刘文祥， 马洪斌， 王晟． 太阳电池热斑现象和成因的分析 [ J 1 _ 电源技术， 2 0 1 2 ， 3 6 0 6 8 1 6 8 1 8 【 4 】 张宇， 白建波， 曹阳． 积灰对 屋顶光伏 电站 性能的影响 [ J 】 l可 再生 能源， 2 0 1 3 ， 3 1 1 1 0 9 1 2 [ 5 ] 沈洲， 袁 晓冬， 何礼光， 杨伟． 光伏 阵列表 面积 灰影响探究[ J 1 ． 电力 学报， 2 0 1 3 ， 2 8 0 5 3 9 7 3 9 9 ． [ 6 】 高凌 云． 光伏组件除尘新技术[ J 1 _现代物理知识， 2 0 1 0 ， 0 5 5 2 5 2 ． [ 7 ] 肖建华， 姚正毅， 孙 家欢． 并 网太 阳能光伏 电站选址研 究述 评⋯ ． 中国沙漠， 2 0 1 1 , 3 1 0 6 1 5 9 9 1 6 0 3 [ 8 】刘 善增 ． P L C控制 系统 的可靠性 设计【 J ] ． 工业控制 计算 机 ，2 0 0 4 ， 1 7 0 7 3 7 3 9 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m