基于PLC的风光互补独立发电系统研究.pdf

第 3期 总第 1 7 2期 2 0 1 2年 6月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E CHANI CAL ENGI NEE RI NG AUTOMATI ON No． 3 J u n ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 3 0 1 6 4 0 2 基于 P L C的风光互补独立发 电系统研 究 赵艳斌 ，齐向 东 太原科技 大学 电子信息工程学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 在研究风光互补发电系统构成机理和运行的基本模 式基础上 ，提 出了一种基于 P L C控制的风光 互补 发电系统 ，通过对风力发电子系统与光伏发 电子系统中功率输出的检测来控制蓄电池充放 电。该系统能合理 利用现有资源 ，长期有效运 行。 关键词 风光互补发 电；P L C；蓄 能电池充放 电 中图分类号 T P 2 7 3 文献标 识码B 0 引言 随着人们生活水平 的提高， 用电逐渐成为了人们 日常生活中不可或缺 的一部分 。在边远 山区， 如内蒙 古、 青海和西藏等地， 太阳能和风力资源相当丰富。风 能具 有季节性 ， 在 无 风 的时候 ， 光 照 可能 较 好 ， 但 是太 阳能又受阴天或季节的影响， 在 时间上的互补性使得 风光互补发电系统在资源分布上具有很大的匹配性 ， 合理 地利 用风 能和太 阳能 在 时 间上 的 互补 性 ， 可 实 现 风光互补发电系统的低成本 、 高可靠性 和高效率 。针 对蓄电池过早失效或容量损失、 风力发 电和光伏发电 在 季节 上 的缺 点 ， 本 文 提 出 了以 西 门子 S 7 2 0 0系列 P L C为中心控制器的风光互补发电系统 。 1 风光 互补发 电系统构成 图 1 为风光互补发电系统结构框图。整个系统由 风力发 电子系统 、 太阳能发 电子系统、 蓄电池组 、 逆变 控制器和 P L C控制器等组成。风力发 电部分使 用变 桨距 风力 发 电机 ， 电力 电 子 功 率 的 输 出先 用 AC ／ D C 变换 器转 化 ， 然后 采用 D C ／ D C 变 换 器 和 可控 整 流桥 来实现输 出功率的调节和变换 。整个控制系统不使用 测 风速 装 置 ， 发 电机 转速 通 过 测量 交 流 电压输 出的 频 率与转速之间的对应关系得到， 从而使系统结构简化、 成本降低 ， 其运行的可靠性得到进一步提高 。光伏发 电部分电力电子功率输出采用 D C ／ DC变换器来实现 输出功率的调节和变换 。光伏发电系统与风力发电系 统通过公共直流母线并联 电路向负载及蓄电池供电。 DC ／ D C变换器的应用使光伏发电系统与太阳能发 电 系统可以同时或独立向负载供电。 2 各 系统模块 的 合理控 制 为了弥补单一风力发电或光伏发电在利用自然资 源等方面的缺陷 ， 本文根据当地的环境 、 气候等条件的 变化 ， 使风光互补发电系统在风力发 电和太阳能发电 之间灵 活转变 ， 包含 4 种 运行状 态 ① 在有 风有太 阳 的 情况下 ， 风力发 电系统和太阳能 发电系统同时发 电； ②在有风而无太 阳的情况下 ， 风力发电系统单独发电； ③在无 风有太 阳 的情 况下 ， 太 阳能 发 电系统独立 发 电 ； ④而在 无 风无 太 阳的 情 况 下 ， 蓄 电 池 进 入 放 电模 式 。 根据环境、 气侯等条件的不断变化 ， 各工作状态不断改 变 。中心控 制器通过 对风力 发 电系统 和太 阳能发 电系 统的输 出功率、 蓄电池端电压及用电负载 的工作模式 进行 定时 监测 ， 并 通过 蓄 电池 的用 电负 载 和 荷 电状 态 情况 ， 对蓄电池的充、 放电及风力发电机的发 电及光伏 电池阵列的发电进行合理调控 。 图 1 风 光 互 补 发 电 系统 结 构 框 图 3功率控 制策 略 3 ． 1 光伏发电系统功率控制策略 根据负载和光照条件 ， 光伏发电系统采用最大功 率跟踪控制这种工作方式。最大功率跟踪控制使用扰 动 观察法 进行 控 制 。扰 动 观察 法 是 MP P T 实 现 常用 的方法 之一 ， 通 过一 定 时间 的增 加 或 减少 蓄 电池 端 电 收稿 日期 2 0 1 2 0 1 - 0 5 ；修 回 日期 2 0 1 2 0 2 1 0 作者简介 赵艳斌 1 9 8 3 一 ，男，山西吕梁人 ，在读硕士研究生 ，研究方向电力 电子与电力传 动。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 3期 赵 艳斌 ， 等 基 于 P L C的风光互补独立发电 系统研究 1 6 5 压 ， 观测前后功率输出发生变化。如果输出功率增加 ， 则 继续 这个 过程 ， 若 输 出功 率 减 少 ， 则 向反方 向扰 动 ， 重复进行直到光伏发电系统的实际工作点逐渐接近最 大功率点 ， 最终在一个较小 的波动范 围内达到稳态。 虽然在引入“ 扰动” 的过程中会使系统在最大功率点附 近有小范围的波动， 导致一定功率的损失 ， 但 因扰动观 察法控制原理简单 ， 易于实现 ， 被测参数少 ， 从而得到 普遍的应用 。扰动观察法控制原理框图如图 2所示。 图 2扰 动 观 累 法 控 制 原 理 框 图 3 ． 2 风 电系统功 率控制 策略 根据 风速及 负 载情 况 的变 化 ， 风 电 系统 通 过 调 节 变桨距角来调节系统的输出功率。为了提高系统在蓄 电池组的运行效率 ， 当风速小于启动风速 3 ． 5 m／ s时 本文设定风速 ， 风轮未获得足够的转矩而不能启动。 当风 速持 续高 于或 为启 动 风速 时 ， 风 轮开 始转 动 ， 风力 机处于最佳叶尖速比， 此时 ， 风能机械功率与转速成正 比， 风 轮带 动发 电机 开始发 电 ， 系统处 于最 大功 率跟踪 控制状态之下， 输 出功率给负载或者 给蓄 电池充 电。 当风力发电机输出功率大于系统负载消耗的功率和蓄 电池可以接受的功率之和时， 系统处于负载功率跟踪 控制状态 ， 风能利用系数 降低。当风力发电机的转速 达 到最 大 限定 值 的时候 ， 利用 耗 能 负 载 进 行 卸荷 与 变 桨距调节变桨距角相互结合的方法进行 限速 ， 当风速 超过最大风速限定值时 ， 通过改变气流的叶片攻角 ， 从 而使得风力发电机的动力转矩减少 ， 降低 风力机对能 量 的捕获 。 3 ． 3 蓄 电池 充放 电控 制策 略 铅酸蓄电池在风光互补 系统 中起存储能量 的作 用 ， 影 响 蓄电池存 储 效果 的 因素 有 很 多 ， 通 过研 究 ， 影 响蓄电池存储效果最大的因素是过充电， 放 电过程影 响较少 。采用正确的充放电， 可以有效地延长蓄电池 的使用寿命 ， 降低使用成本 。因此本文使用准恒压充 电法对蓄电池进行控制充 电， 使 蓄电池放出的能量在 最短 的 时间恢 复 。 同时 为 了 防止 过充 电 现象 的发 生 ， 在充 电 回路 中串联 一个 电阻 ， 当充 电 电流 过 大时 ， 由于 限 流电 阻电流 的存在 ， 造成 一定 程度 的分 压效果 ， 有 效 地降低 了蓄电池的充电电压； 当充 电电流小时 ， 限流电 阻电流的压降就会减小 ， 当蓄 电池端电压达到设定值 时， 降低最大允许充电电流 。重复这一过程 ， 当充 电电 流达到最小设定值时 ， 进行涓流充 电以补充蓄电池 的 自放电损失。在风光互补 系统不发电的情况下 ， 蓄电 池 采用 回差 电压放 电法 控 制 放 电 ， 当蓄 电池 端 电压 小 于过放保护电压时， 切断负载供 电； 当端电压 回升到启 动电压 以上时， 此 时蓄电池才能允许重新放 电。蓄 电 池控制 程序 流程 图如 图 3 所 示 。 图 3蓄 电池 控 制 程 序 流 程 图 4风光 互补控 制 系统设计 整个控制系统 的核心是西门子公司 S 7 2 0 0系列 P L C， 包括模拟量输入、 数字量输 出， 其 中模拟量输入模 块用来检测发电输出功率的电压信号， 数字量输出用来 控制风力发电系统电机、 阀门的开和关。当风力发电或 是光伏发 电达 到发 电的状态时 ， 通 过 电压传 感器检 测到 电压 ， 控制开关 ， 对蓄 电池进行 充 电。当 临近蓄 电池 最 大电压 时 ， 为防止过量充 电 ， 电压传感 器发 出信 号 ， 对发 电系统进行调整 ， 使其一部分停止发电； 当风力发 电和 光伏发电都不进行的时候 ， 蓄电池进行放电， 达到放电 临界点的时候， 蓄电池停止放电。当风力发电机的转速 达到最大限定值的时候 ， 利用耗能负载进行卸荷与变桨 距调节变桨距角相互结合的方法进行限速； 当风速超过 最大风速限定值时， 通过改变气流的叶片攻角， 从而使 得风力发电机的动力转矩减少 ， 降低风力机对能量的捕 获 。新 型风 光互 补控制系统结构 框图如 图 4 所示 。 电 一 I ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． _-J Y1 Y 2 P L C 控制器 Xl X2 X 3 专 换装置 l 一一 4 ff -- ⋯I ．_ 1 均 充 絮 _ J 一 ．1 D C ／ D C 厂 I 置组 力 发 电 机 {_ r 摸 H 簇 里 l l 銮 銮 垒 望 太阳能发 图 4 新 型 风 光 互补 控 制 系统 结 构 框 图 5 结语 综合利用风能和太阳能是 目前国际能源发展的新 趋势， 也是 目前合理解决边远 山区缺电无 电现象的关 键。本文采用西门子公司的 S 7 2 0 0 P L C作为该系统 控制机构的中心控制器， 能够合理调度系统能量流向， 实现能量平衡 ， 提高了系统的综合应用 ， 降低了系统的 整体建设和运行成本 ， 有效地节约了资源。 参考 文献 和 英文摘 要转 第 1 6 8页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 8 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 2年第 3期 钮 ， 弹出设计对话框， 设置设计者预定义的参数即可生 成想要的门法兰模型。腔体设计对话框如图 8 所示。 图 8腔体设计对话框 4结论 通过 利用 Vi s u a l C ． n e t 和 UG 的二次 开发 ， 在 C ／ S体系下结合数据库 S QL的应用 ，开发 了变频器 零件库系统。该软件不仅能够辅助产品设计、 减少设 计的工作量， 还能提高产 品设计 的质量 ，缩短产 品的 设计和开发周期 。 参考文献 E 1 ] 李铁钢． 基 于 UG的工装 标准件 库开发 E J ] ． 组合 机床 与 自动化加工技术 ， 2 0 0 9 8 2 3 2 4 ． [ 2 ] 黄勇 ， 张博林 ， 薛运峰 ， 等． UG二 次开发与数据 库应用基 础与典型范例[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 8 ． E 3 3 郑 飞． 基 于 P r o ／ E的 网络 标 准件 库 系统 的研 究 与 开发 [ D ] ． 武汉 华 中科技大学 ． 2 0 0 6 1 2 9 1 3 0 ． De v e l o pme n t o f M i n e Ex pl o s i o n 。。 p r o o f I n v e r t e r CAD S y s t e m Ba s e d o n UG Z HANG Qi - s h e n g ，YANG F u - h e S c h o o l o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n，No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a，Ta i y u a n 0 3 0 0 51 ， Chi n a Ab s t r a c t Th e i n v e r t e r f l a me p r o o f c a b i n e t i s a h e x a h e d r o n wh i c h i s we l d e d b y p l a t e - l i k e p a r t s ． W h e n we d e s i g n t h e c a b i n e t b y t h r e e - d i me n s i o n a l s o f t wa r e UG we h a v e t o d o m u c h r e p e a t e d wo r k ． I n o r d e r t o i mp r o v e d e s i g n e f f i c i e n c y， i n t h i s p a p e r ，t h e s e c o n d a r y d e v e l o p me n t o f UG s o f t wa r e i s c a r r i e d o u t a n d a p a r t l i b r a r y f o r i n v e r t e r c a b i n e t i s e s t a b l i s h e d b y u s i n g Vi s u a l C．n e t a s d e v e l o p me n t l a n g u a g e ．Th e o p e r a t i o n o f t h e s y s t e m i s d e mo n s t r a t e d b y a n e x a mp l e ．Th e r e s u l t s h o ws t h e o p e r a t i o n o f t h e s y s t e m i s v e r y s i m p l e a n d e f f e c t i v e 。ma y h e l p e n g i n e e r s t o f o c u s t h e i r e n e r g y i n t o t h e f l e w p r o d u c t d e v e l o p me n t ． Ke y wo r d s f l a me p r o o f c a b i n e t s s e c o n d a r y d e v e 1 o p me n t ；i n v e r t e r ；UG；C AD 上接 第 1 6 5页 参 考 文 献 [ 1 ] 张伯泉 ， 杨宜 民． 风力和太 阳能光伏发 电现状及发展趋势 [ J ] ． 中国电力 ， 2 0 0 6 ， 3 9 6 6 5 6 9 ． [ 2 ] 齐志远 ， 王生铁 ． 田桂 珍． 风光互 补发 电系统 的协 调控制 [ J ] ． 太阳能学报， 2 0 1 0 ， 3 1 5 6 5 4 6 6 0 ． [ 3 ] 李文慧 。 田德 ， 王海 宽． 风 光互补 发电 系统 优化 配置及应 用[ J ] ． 农村牧区机械化 ， 2 0 0 9 6 4 O 一 4 4 ． [ 4 3 [ 5 ] [ 6 3 [ 7 3 吴华波． 基 于扰动观 察法的最 大功率 跟踪 的实 现[ J ] ． 电 测和仪表 ， 2 0 1 o i 1 4 2 - 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d i s c h a r g e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m