基于PLC的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張小杭

摘 要：本設(shè)計(jì)是一個(gè)包含了風(fēng)電控制、太陽(yáng)能控制、逆變輸出等環(huán)節(jié)的風(fēng)/光/儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)風(fēng)電充電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)光伏充電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。電池電壓由逆變器逆變成220V交流電，每套供電系統(tǒng)由投切開(kāi)關(guān)與負(fù)載連接。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控光伏電池、蓄電池以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓電流數(shù)據(jù)并進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時(shí)光伏板安裝在能上下、左右旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)上可以實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)的軌跡，獲得最大光伏發(fā)電效率，該系統(tǒng)可用于海島、無(wú)人值守基站等場(chǎng)合，具有良好的實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān) 鍵 詞：光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，PLC，伺服控制，人機(jī)界面

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

1實(shí)物介紹

本裝置包括光伏發(fā)電控制系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)、蓄電池輸出控制系統(tǒng)以及人機(jī)界面等組成部分。

光伏發(fā)電控制系統(tǒng)由兩臺(tái)伺服控制電機(jī)以及光伏發(fā)電控制模塊組成。兩臺(tái)伺服電機(jī)控制光伏板的左右、上下旋轉(zhuǎn)角度，用于追蹤太陽(yáng)的位置。光伏發(fā)電控制模塊用于確定何時(shí)進(jìn)行光伏發(fā)電操作。本環(huán)節(jié)能夠完成實(shí)時(shí)的位置追蹤以及最大功率追蹤兩種追蹤模式。

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及風(fēng)力發(fā)電充電控制模塊組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電，風(fēng)力發(fā)電控制模塊用于確定何時(shí)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電操作。

蓄電池輸出控制系統(tǒng)包含蓄電池輸出控制模塊以及逆變器、負(fù)載燈等部分，蓄電池輸出控制模塊負(fù)責(zé)何時(shí)進(jìn)行放電輸出。

人機(jī)界面包括主界面、數(shù)據(jù)采集。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用三菱Q系列PLC為系統(tǒng)控制核心，用觸摸屏GOT1000為人機(jī)界面，光伏板轉(zhuǎn)動(dòng)定位采用定位模塊QD752N。由于需要測(cè)量光伏電池、蓄電池以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)三個(gè)單元的電壓、電流參數(shù)，故設(shè)置了六組變送器，通過(guò)Q64AD模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送PLC，因風(fēng)力發(fā)電難以調(diào)試，我們添加了一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)的三相電扇來(lái)模擬實(shí)際的風(fēng)（調(diào)試完成可以拆除）。系統(tǒng)硬件組成如圖2-1所示。

2.2系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)包含了以下幾個(gè)部分：電氣主電路；PLC輸入輸出控制電路；伺服控制電路；模擬量輸入輸出電路。

（1）電氣主電路 本電路包括系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕SB1、停止按鈕SB2、緊急停止按鈕SB3、主斷路器QF1、控制斷路器QF2/QF3、接觸器KM1～KM4等器件，能夠完成系統(tǒng)的啟動(dòng)停止與伺服控制器和變頻器的供電。電路如圖2-2所示。

（2）PLC輸入輸出控制電路

本系統(tǒng)PLC的輸出端口電路使用了五個(gè)，分別驅(qū)動(dòng)KA1～KA5五個(gè)直流繼電器，其電路如圖2-3所示。具體每個(gè)繼電器的控制功能參見(jiàn)表1-1所示。

（3）伺服控制電路 該電路包括四套伺服控制電路，由PLC控制兩個(gè)QD75D2N模塊驅(qū)動(dòng)四個(gè)MR-J3伺服放大器控制四個(gè)伺服電機(jī)。電路如圖2-4所示。

（4）模擬量輸入輸出電路 該電路由三個(gè)電壓變送器和三個(gè)電流變送器組成，分別測(cè)量光伏板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及蓄電池的電壓和電流，通過(guò)變送器將電壓電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的0～10V電壓和4～20mA電流。

3 PLC控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

本系統(tǒng)涉及到的參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)很多，大致包括伺服系統(tǒng)參數(shù)配置、模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)配置、CCLINK通訊參數(shù)配置等環(huán)節(jié)

3.1 伺服系統(tǒng)參數(shù)配置

伺服電機(jī)定位參數(shù)設(shè)置包括光伏板左右、上下旋轉(zhuǎn)伺服定位參數(shù)設(shè)置、伺服放大器MR-J3的參數(shù)配置、QD75D2N定位參數(shù)設(shè)置等，編程時(shí)候用的是WORKS2軟件其自帶定位參數(shù)。光伏板左右旋轉(zhuǎn)伺服定位參數(shù)設(shè)置如圖3-1所示，QD75D2N定位模塊參數(shù)設(shè)置如圖3-2所示。

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)配置

模數(shù)準(zhǔn)換模塊Q64AD參數(shù)設(shè)置如圖3-3所示。Q64AD模擬量轉(zhuǎn)換模塊通道參數(shù)設(shè)置如圖3-4所示。

4 PLC軟件設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序由光能供電、風(fēng)能供電以及電網(wǎng)供電組成。

先進(jìn)行軟元件初始化，然后按下手動(dòng)投切開(kāi)關(guān)，設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行。若已切換到光能模式，先進(jìn)行光能模式，利用伺服控制光伏板雙軸進(jìn)行光源跟蹤。同時(shí)檢測(cè)光伏電池的輸出電壓和電流。若已切換到風(fēng)能模式，進(jìn)入風(fēng)能供電。若同時(shí)開(kāi)啟光能和風(fēng)能，則光能優(yōu)先供電。若蓄電池電量已到達(dá)上限，光能和風(fēng)能不供電，則開(kāi)始蓄電池帶負(fù)載放電。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4-1所示。

4.2 子程序設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電子程序先進(jìn)行軟元件初始化，然后利用伺服控制光伏板雙軸進(jìn)行光源跟蹤。同時(shí)檢測(cè)光伏電池的輸出電壓和電流。其流程如圖4-2所示。

風(fēng)力發(fā)電子程序是在手動(dòng)切換到風(fēng)力供電或主程序確定風(fēng)力供電時(shí)開(kāi)始執(zhí)行，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電力輸送給蓄電池，同時(shí)檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流。其流程如圖4-3所示。

蓄電池供電子程序是在蓄電池電量未到下限時(shí)手動(dòng)投切進(jìn)入放電環(huán)節(jié)，此時(shí)通過(guò)逆變器對(duì)外部負(fù)載放電。

除了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電。蓄電池放電三個(gè)子程序，還有數(shù)據(jù)采樣及處理子程序等環(huán)節(jié)。在此不再一一敷述。

5人機(jī)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作時(shí)的觸摸屏界面包括主界面、參數(shù)設(shè)置界面和控制界面以及監(jiān)控界面等。圖5-1為系統(tǒng)主界面。圖5-2為微電網(wǎng)狀態(tài)界面。圖5-3為微電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面，圖5-4為光伏發(fā)電監(jiān)測(cè)界面，圖5-5為歷史數(shù)據(jù)保存界面，圖5-6為微電網(wǎng)模擬演示界面。其他界面不再敷述。

6 系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試和改進(jìn)，系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了理想的功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行了伺服定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與裝調(diào)試，按照逐漸逼近的原理實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)回歸、調(diào)整到跟隨的功能。太陽(yáng)能板能實(shí)現(xiàn)定位跟蹤；三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)模擬風(fēng)力發(fā)電。滿(mǎn)足了任務(wù)提出的控制要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）光伏發(fā)電：設(shè)置太陽(yáng)能軌道速度，按下啟動(dòng)按鈕，太陽(yáng)能電池板跟隨太陽(yáng)的移動(dòng)軌跡同步運(yùn)動(dòng)；

（2）風(fēng)能發(fā)電：設(shè)置變頻器最高轉(zhuǎn)速和變速周期，變頻器在變速周期內(nèi)從最高轉(zhuǎn)速到零速之間進(jìn)行單向調(diào)速的過(guò)程。

（3）電網(wǎng)供電：當(dāng)蓄電池的下限電壓達(dá)到設(shè)置電壓，將斷開(kāi)風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電，自動(dòng)投切到電網(wǎng)供電。

（4）實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)的同步控制，使兩個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行，避免了"伺服打架"的現(xiàn)象。我們通過(guò)對(duì)二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型分析，進(jìn)行更有效的軌跡規(guī)劃，確定了兩個(gè)電機(jī)的主動(dòng)輸入角度，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度大小。

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