基于PLC風(fēng)光儲一體的新型電力系統(tǒng)的設(shè)計

黃一清,馮冬雷

[蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州分院) 電子工程系,江蘇 蘇州 215009]

基于全球能源產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈遭遇沖擊、國際能源價格高位振蕩等因素,構(gòu)建安全高效、清潔低碳的能源體系已成為全球發(fā)展的重要趨勢[1]。我國電力需求整體呈增長態(tài)勢且尖峰負(fù)荷特征日益凸顯,新能源裝機比重連年上升,但現(xiàn)有的電力支撐能力與常規(guī)電源仍存較大差距,暫未形成可靠的替代能力,故仍需進(jìn)一步加快構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[2]。新型電力系統(tǒng)是新型能源體系的重要載體,融合了先進(jìn)的信息技術(shù)、電力與控制技術(shù),以源網(wǎng)荷儲協(xié)同與多能互補為支撐來滿足用戶的多元負(fù)荷需求[3]。其中多能互補主要包括傳統(tǒng)火力、水力與核能及新型風(fēng)能、光能及儲能,常見的光伏發(fā)電為集中式與分布式并舉,與風(fēng)力發(fā)電逐步成為我國主體能源之一[4]。本研究設(shè)計了一款風(fēng)光儲一體的新型電力系統(tǒng),采用可編程控制器西門子S7-1200為核心控制器,結(jié)合力控組態(tài)軟件為平臺,搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)對新型電力系統(tǒng)站端控制與遠(yuǎn)程監(jiān)視,進(jìn)一步提升了電力系統(tǒng)的運行效率。

1 風(fēng)光儲一體新型電力系統(tǒng)

設(shè)計的風(fēng)光儲一體新型電力系統(tǒng)基于傳感技術(shù)、能源發(fā)電與管控技術(shù),集風(fēng)力光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)及智能輸電于一體,包括硬件、軟件兩大平臺,其中硬件包括可再生能源發(fā)電中心、儲能運行管理中心及負(fù)載及控制中心(硬件框架如圖1所示),軟件平臺主要為新型電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 新型電力系統(tǒng)構(gòu)成框架Fig.1 Framework of new power system

1.1 可再生能源發(fā)電中心

可再生能源發(fā)電中心由光伏組件、風(fēng)力發(fā)電機、匯流箱及風(fēng)光互補控制器構(gòu)成,選用的光伏組件為單晶硅類型,采用防水樹脂封裝,單塊功率達(dá)90 Wp,安裝于41*41*2.0型C型鋼搭建而成的光伏支架上。風(fēng)力發(fā)電機額定功率100 W,啟動風(fēng)速2 m/s,當(dāng)風(fēng)力達(dá)到切入風(fēng)速時,風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)牽引發(fā)電裝置發(fā)電。匯流箱是實現(xiàn)光伏組件有序連接及匯流功能的接線裝置[5],光伏組件通過匯流箱串接形成光伏陣列,再連接至風(fēng)光互補控制器光伏輸入端,風(fēng)機輸入端接風(fēng)力發(fā)電機。

1.2 儲能運行管理中心

儲能運行管理中心由智能監(jiān)控模塊、并網(wǎng)配電、變流器及儲能模塊構(gòu)成。智能監(jiān)控模塊可采集變流器、儲能等信息,并網(wǎng)配電可實現(xiàn)供電或電站接入公共電網(wǎng),配電箱內(nèi)配有雙向電能表,用于計量上網(wǎng)電量及從市電所獲電量。變流器是新型電力系統(tǒng)的重要部件,是連接風(fēng)光能、儲能、公共電網(wǎng)及負(fù)載之間的能源轉(zhuǎn)換連接,可實現(xiàn)光伏能給與儲能、公共電網(wǎng)或負(fù)載、儲能給與公共電網(wǎng)或負(fù)載、公共電能給予儲能或負(fù)載[6]。選用的變流器型號為MUSTPH1800-PRO,額定功率為3 kW,額定電池電壓、光伏陣列MPPT電壓、交流電壓分別為24 V、150～430 V及230 V(AC),轉(zhuǎn)換效率達(dá)90%以上。儲能模塊包含儲能電池與電池管理系統(tǒng)兩部分,前者采用磷酸鐵鋰作為正極材料,由8節(jié)標(biāo)稱電壓/容量3.2 V/32 Ah的單體電池串聯(lián)而成,后者負(fù)責(zé)監(jiān)控電池儲能單元內(nèi)各電池的運行狀態(tài),包括單體/電池組電壓、電流、溫度、SOC及SOH。

1.3 負(fù)載及控制中心

負(fù)載及控制中心主要包括集中控制與用能模塊,集中控制模塊包括可編程控制器與繼電器、接觸器等。其中可編程控制器主要由西門子S7-1200構(gòu)成,通過可編程控制器(PLC)實現(xiàn)對繼電器及接觸器的控制,最終完成用能模塊的設(shè)置,通過485通信進(jìn)行PLC與儲能管理中心的有效連接,還可用PLC進(jìn)行變流器能源來源的選擇。用能模塊主要由交流報警燈、交流風(fēng)扇、變頻器與電機、模擬量執(zhí)行器及充電樁5種負(fù)載構(gòu)成。

2 硬件設(shè)計

2.1 輸入設(shè)計

新型電力系統(tǒng)輸入信號包括兩類,即指令性輸入信號與模擬量輸入信號。其中指令性輸入信號主要與負(fù)載及控制中心開關(guān)按鈕盤按鈕關(guān)聯(lián),包括急停、切換開關(guān)及SB1-SB88個自鎖型按鈕。模擬量輸入信號主要來自用能模塊模擬量執(zhí)行器角度、變頻器頻率模擬輸出信號。

2.2 輸出設(shè)計

新型電力系統(tǒng)輸出信號包括指令性輸出信號與模擬量輸出信號。其中指令性輸出主要由4個接觸器與10個繼電器實現(xiàn),模擬量輸出信號可用來控制用能模塊模擬量執(zhí)行器順時針/逆時針運行角度、變頻器工作頻率。以多能互補供電模式開啟負(fù)載交流報警燈為例,I/O分配表與繼電器及接觸器定義如表1所示。

表1 多能互補開啟交流報警燈I/O分配表與相關(guān)繼電器及接觸器定義

3 軟件設(shè)計

3.1 站端功能設(shè)計

采用西門子S7-1200(CPU1215C DC/DC/RLY) 可編程控制器,集合了14數(shù)字量輸入/10數(shù)字量輸出、2路模擬輸入/輸出、PROFINT(以太網(wǎng))接口、板載I/O狀態(tài)指示等?；赥IA Portal V15.1軟件進(jìn)行PLC源程序的編寫及調(diào)試。例如,按下SB1按鍵開啟多能互補供電模式,松開該按鍵關(guān)閉多能互補供電。按下SB2按鍵,按照圖2開啟交流報警燈,即交流紅燈從2 s開始運行16 s結(jié)束,交流黃燈從4 s開始運行12 s結(jié)束,交流綠燈從6 s開始運行8 s結(jié)束,交流蜂鳴器從8 s開始運行4 s結(jié)束。其中儲能供電選擇通過PLC與儲能運行管理中心智能監(jiān)控中心485通信,智能監(jiān)控中心通信地址可自定義設(shè)置,多能互補供電選擇寫入地址為44101,數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗,波特率為9600 bps。在SB1按下變流器軟起成功后再按下SB2,打開報警燈供電開關(guān)并啟動開啟延時定時器TON,當(dāng)定時器計時值達(dá)到2 s時開啟交流紅燈,4 s時開啟交流黃燈,6 s和8 s分別開啟綠燈與蜂鳴器,并在規(guī)定結(jié)束時間關(guān)閉相應(yīng)的報警燈。

圖2 交流報警燈運行Fig.2 AC alarm lights operation

3.2 遠(yuǎn)端功能設(shè)計

遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)主要基于ForceControl 7.1組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計,通過界面繪制、數(shù)據(jù)庫配置、動態(tài)連接及運行調(diào)試實現(xiàn)負(fù)載與控制中心及儲能運行管理中心的數(shù)據(jù)監(jiān)控。主要包括負(fù)載與控制中心單相液晶多功能電力儀表采集交流報警燈工作電壓、電流、功耗,儲能運行管理中心4塊單相液晶多功能電力儀表采集風(fēng)光儲網(wǎng)電壓、電流數(shù)據(jù),電池組與單體電池電壓、電流、溫度、SOC及SOH數(shù)據(jù),涵蓋模擬I/O變量56個。設(shè)置變量前應(yīng)注意添加I/O設(shè)備,設(shè)備名稱為PLC,通信方式選擇TCP/IP網(wǎng)絡(luò),設(shè)備IP地址添加為PLC地址。添加完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫組態(tài)設(shè)置,選擇添加模擬點。例如,添加交流報警燈工作電壓,點名填寫b1dy,量程上限與裸數(shù)據(jù)上限分別設(shè)置為1000、10 000,數(shù)據(jù)連接選擇連接I/O設(shè)備PLC,增加連接項填寫寄存器類型M,偏移地址300,數(shù)據(jù)類型為16位無符號。數(shù)據(jù)點連接如負(fù)荷交流報警燈工作電壓,雙擊彈出動畫連接彈窗后選擇數(shù)值輸出模擬,填寫表達(dá)式b1dy.pv后點擊確定即可。

4 結(jié)束語

風(fēng)光儲一體新型電力系統(tǒng)是一種基于傳感技術(shù)、能源發(fā)電與管控技術(shù),集合風(fēng)力光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)及智能輸電于一體的新型能源系統(tǒng),包括可再生能源發(fā)電中心、儲能運行管理中心及負(fù)載及控制中心三大部件,以西門子S7-1200作為控制單元,實現(xiàn)儲能運行管理中心變流器供電模式的選擇及負(fù)載工作狀態(tài)控制,通過力控組態(tài)軟件實現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控,進(jìn)行風(fēng)光荷儲網(wǎng)電壓、電流等相關(guān)數(shù)據(jù)與磷酸鐵鋰電池組及單體電池1～8的電壓、電流、溫度、SOC及SOH數(shù)據(jù)監(jiān)控,整體上運行可靠,達(dá)到了設(shè)計目的。