風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控與能源管理分析

楊輝，王麗萍，王犖犖，王肖燕

（1.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 珠海 519090；2.珠海市技師學(xué)院，廣東 珠海 519015）

隨著全球環(huán)境的惡化、能源的短缺，新能源成為世界各國的重點(diǎn)研究對象。新能源主要包含2個(gè)方面：一是新能源體系，包括可再生能源、地?zé)崮艿?；二是新能源利用技術(shù)，包括高效利用能源、資源綜合利用等。新能源利用技術(shù)的重要表現(xiàn)形式為分布式能源利用技術(shù)。傳統(tǒng)的能源利用與分布式能源技術(shù)之間有較大的差異，分布式能源技術(shù)主要為了實(shí)現(xiàn)用戶端的能源綜合利用，最大化能源利用率，最優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的能效，合理配置各方資源，而傳統(tǒng)的能源利用主要在于不斷增大規(guī)模，提高效益。分布式能源的先進(jìn)技術(shù)包括太陽能、風(fēng)能利用，燃料電池和冷熱電三聯(lián)供等，其中較有發(fā)電潛力的形式主要有太陽能發(fā)電及風(fēng)能發(fā)電。然而，不管是太陽能，還是風(fēng)能，都不能提供一個(gè)穩(wěn)定的輸入功率，從而導(dǎo)致輸出也不穩(wěn)定，因此必須充分結(jié)合利用2種能源進(jìn)行互補(bǔ)。那么，如何協(xié)調(diào)控制管理2種能源，并要求盡量多的獲得太陽能和風(fēng)能是一個(gè)資源優(yōu)化利用的問題，因此必須有一套對太陽能和風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行監(jiān)控和管理的上位機(jī)系統(tǒng)。為了解決該問題，本文以全國職業(yè)院校技能大賽高賽項(xiàng)的大賽設(shè)備為載體，闡述風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中監(jiān)控與能源管理的設(shè)計(jì)方案。

1 總體思路

該設(shè)備主要由5個(gè)功能部分組成，分別為風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電流變換、監(jiān)控管理系統(tǒng)和負(fù)載系統(tǒng)。監(jiān)控與能源管理為第四部分，該部分主要通過上位機(jī)與PLC、變頻器和儀表進(jìn)行通訊，對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。上位機(jī)以力控組態(tài)軟件對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，上位機(jī)背面有6個(gè)接口，其中3個(gè)為RS485：com1連接光伏PLC、com2連接風(fēng)力PLC和變頻器；com3連接其他3個(gè)柜的電流、電壓儀表。3個(gè)為RS232通訊：3個(gè)接口com4～com5分別連接光伏、風(fēng)力、逆變的dsp通信板，如圖1所示。

圖1 上位機(jī)通訊接口

控制系統(tǒng)包括5個(gè)主要界面，分別是：（1）身份登錄管理界面，實(shí)現(xiàn)不同的人員登錄后有不同的操作權(quán)限，主要為管理員和運(yùn)維人員；（2）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)營管理界面，通過管理界面能對光伏供電系統(tǒng)、風(fēng)力供電系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)能源的管理配置；（3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面，通過該界面能對系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行情況；（4）逆變與負(fù)載系統(tǒng)的監(jiān)控界面，該界面可以設(shè)置參數(shù)，并能夠?qū)崟r(shí)采集逆變并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)值；（5）光伏電站特性曲線界面，該界面能夠顯示光伏電站伏安特性曲線。下面詳細(xì)介紹實(shí)施方案。

2 實(shí)施方案

2.1 身份登錄管理界面

身份登陸界面如圖2所示。管理員身份登陸能夠進(jìn)行所有的界面操作控制，主要包括運(yùn)營界面（能顯示系統(tǒng)各開關(guān)的位置）、采集數(shù)據(jù)界面（采集發(fā)電系統(tǒng)數(shù)據(jù)并顯示）、負(fù)載監(jiān)控運(yùn)行界面（對負(fù)載和變換系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控）、特性曲線分析界面（以畫圖形式顯示光伏電站特性曲線）。運(yùn)維員身份只能進(jìn)入采集數(shù)據(jù)界面。管理員登陸后如圖3所示，運(yùn)維員登陸后如圖4所示，管理員和運(yùn)維員登陸后，可根據(jù)需要進(jìn)入相對應(yīng)界面進(jìn)行操作。點(diǎn)擊其他界面按鈕，能進(jìn)入相應(yīng)界面；點(diǎn)擊返回按鈕，能重新進(jìn)入登陸界面。

圖2 登陸界面

圖3 管理員界面

圖4 運(yùn)維員界面

2.2 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)營管理界面

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)營管理界面圖如圖5所示。在該界面中能源有2個(gè)部分，其一是光伏發(fā)電站（2個(gè)），其二是風(fēng)力發(fā)電站（1個(gè)），發(fā)電站對蓄電池充電，負(fù)載通過逆變器獲得電能。

圖5 互補(bǔ)運(yùn)營界面

（1）在該界面中設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)啟動/停止旋鈕控件；設(shè)計(jì)電機(jī)負(fù)載工作/停止旋鈕控件，報(bào)警燈工作/停止旋鈕控件，舞臺燈工作/停止按鈕控件及控制軸流風(fēng)機(jī)的變頻器頻率設(shè)定值控件及實(shí)際值顯示控件；設(shè)計(jì)1#、2#光伏發(fā)電站相應(yīng)的運(yùn)行指示燈控件、風(fēng)力發(fā)電站運(yùn)行指示燈控件，當(dāng)電站運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)指示燈控件亮。當(dāng)光伏PLC和風(fēng)力PLC處在自動控制狀態(tài)下，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載與能源之間調(diào)度運(yùn)營要求。

（2）繼電器動作時(shí)，其相應(yīng)的界面觸點(diǎn)能夠同步，并顯示開斷狀態(tài)。負(fù)載顯示燈在工作時(shí)為綠色，紅色表示負(fù)載在停止工作狀態(tài)。

（3）設(shè)計(jì)控件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制要求。風(fēng)力供電系統(tǒng)和光伏供電系統(tǒng)位于界面下半部分，其指示燈顯示控件、位置控件和面板操作控件能夠表示相對應(yīng)的按鈕或位置狀態(tài)，綠色表示按鈕按下或位置到達(dá)，反之用紅色表示。

2.3 采集數(shù)據(jù)界面

圖6為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)界面，采集數(shù)據(jù)界面能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示。風(fēng)力電站和光伏電站需要采集的數(shù)據(jù)有實(shí)時(shí)的電流、電壓、功率，以及電站的運(yùn)營時(shí)間；蓄電池采集的數(shù)據(jù)有充電電流、充電電壓、放電電流、放電電壓；逆變輸出的數(shù)據(jù)有電流、電壓及其輸出功率；設(shè)備通信故障檢測，主要有電站電壓表、電流表，逆變電壓表、電流表，DSP、PLC、風(fēng)力變頻器的通信檢測，相應(yīng)指示燈控件綠色表示通信正常，反之為紅色；電站發(fā)電量與負(fù)載用電量數(shù)據(jù)采集。

圖6 采集數(shù)據(jù)界面圖

2.4 負(fù)載監(jiān)控運(yùn)行界面

圖7所示為負(fù)載監(jiān)控運(yùn)行界面。在該界面中要求完成以下功能。

圖7 負(fù)載監(jiān)控運(yùn)行界面

（1）采集并實(shí)時(shí)顯示逆變系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要包括輸入輸出的電流、電壓，輸入輸出的功率，以及逆變效率。

（2）設(shè)計(jì)控制版面。主要包括舞臺燈負(fù)載、報(bào)警燈負(fù)載以及電機(jī)負(fù)載按鈕控件，通過狀態(tài)指示燈顯示負(fù)載的相應(yīng)狀態(tài)。按鈕控件為點(diǎn)動功能，按下按鈕負(fù)載運(yùn)行工作，其相應(yīng)指示燈亮，放開該按鈕控件，負(fù)載停止工作，其相應(yīng)的指示燈處于停止?fàn)顟B(tài)。

（3）設(shè)計(jì)逆變參數(shù)調(diào)節(jié)面板。主要包括死區(qū)時(shí)間設(shè)定、調(diào)制比設(shè)定、基波頻率設(shè)定以及SPWM輸出電壓。

設(shè)置死區(qū)時(shí)間，主要是為了測量死區(qū)波形使用。死區(qū)時(shí)間通過下拉框控件進(jìn)行選擇，可選擇的數(shù)據(jù)共為10組，其時(shí)間單位為ns，范圍在300～3000之間。

調(diào)制比設(shè)置可通過文本框控件輸入，其范圍為0.7～1。調(diào)制比調(diào)節(jié)的主要作用是改變逆變器輸出電壓幅度，通過調(diào)整該參數(shù)，將SPWM輸出電壓幅值設(shè)為187V。

基波頻率設(shè)置可通過文本框控件輸入，其范圍在50～60Hz之間，調(diào)整間隔為0.1Hz，其主要用于測量逆變器的輸出頻率。

圖8 光伏電站特性曲線界圖

2.5 設(shè)計(jì)光伏電站特性曲線界面

能夠顯示光伏電站輸出伏安特性曲線（橫坐標(biāo)電壓、坐標(biāo)電流），功率特性曲線（橫坐標(biāo)電壓，縱坐標(biāo)功率）。

3 結(jié)語

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是新能源發(fā)展的主要動力，其監(jiān)控與能源管理是主要關(guān)鍵點(diǎn)，文中介紹了力控組態(tài)軟件的上位機(jī)對PLC、變頻器進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)視與控制，使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。