分布式光伏发电控制系统设计分析

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摘要：针对分布式光伏发电控制系统存在的自动化程度低、运行效率不高、稳定性差的问题，设计并实现基于PLC技术以及RS485通信技术的光伏发电控制系统。详细分析分布式光伏发电控制系统结构，完成控制系统的硬件设计、软件设计。利用力控组态软件实现对分布式光伏发电控制系统的运行状态、故障信息的实时监测，可在线设置、修改运行参数。该分布式光伏发电控制系统自动化程度高、提高了系统的运行效率和稳定性，能满足预期设计目标。

关键词：控制系统；PLC；分布式；RS485；监控平台

引言

光伏发电是指利用光伏电池将太阳能直接转换为电能。光伏发电系统在能量转化率、设备成本以及实际应用等方面都有较好的发展前景。光伏发电具有无污染、无噪声、设备建设周期短、维护简单等特点，可进行大规模的推广和应用［1］。光伏发电技术在德国、美国等发达国家比较成熟，推广力度较大，如德国早在1990年即推出“1000太阳能屋顶计划”；2002年美国光伏电池发电总量已达112．9MW，日本则近254．5MW，并每年以48．6％的速度增长。我国光伏发电技术起步于1970年，经过近50年的不断努力，国内光伏发电技术与国外的差距在不断缩小［2－4］。光伏发电系统按照传送方式可分为独立、并网、分布式光伏发电三种模式，其中分布式光伏发电是指在用户用电现场分布并配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的用电需求，具有分散布置，集中管理的优势。以分布式光伏发电控制系统为研究对象，分析其控制结构、软硬件设计，以提升控制系统的自动化水平，提高系统运行效率，降低故障发生率。

1控制系统结构

分布式光伏发电控制系统结构框图如图1所示，按照功能可分为能源管理、变换／控制管理、负载优化管理三部分。能源管理部分为光伏电池阵列，为分布式光伏系统的电能来源；光伏电池经DC／AC变换器、光伏并网装置、控制系统等变换／控制管理模块处理后，为负载用公共电网提供连续、可靠的光伏电能。变换／控制管理部分是分布式光伏系统的核心，可实现对光伏电能交流、直流的自动切换；负载优化管理部分可实现对光伏电能的存储、智能管理以及能量流向控制，可为用户或者负载提供最优控制策略。

2硬件设计

分布式光伏发电控制系统核心硬件为PLC控制器，选用的型号为三菱FX5U－64MR。光伏发电控制系统的输入信号主要分为指令信号和位置／保护信号两类，指令信号有急停、复位、自动／手动等；位置／保护信号有方向旋钮、摆杆限位信号等。该控制系统可控制摆杆沿东西、西东以及垂直方向移动；利用旋钮可控制光伏组件向东、西、南、北四个方向旋转，以获得最多太阳光能。分布式光伏发电PLC控制器I／O输入地址分配表详情如表1I0．0～I0．7以及I1．0～I1．3所示。PLC控制器输入信号还包括测量光伏组件倾角的倾角传感器，为模拟量电流信号；温度传感器，用于检测光伏组件的温度；光照强度传感器，用于检测太阳光的光照强度［5－7］。控制系统根据采集的温度、光照强度数据，控制摆杆以及光伏组件自动移动或旋转，利用倾角传感器实时测量摆杆和光伏组件的倾角。光伏发电控制系统的输出信号主要由继电器和接触器构成，如控制灯光色变的继电器、控制蜂鸣器开关的继电器、控制直流／交流电信号的继电器，控制光伏发电系统离网以及并网的接触器等。温度传感器选用的型号为CYB－20S－kW，该传感器以热电阻PT1000为热敏元件，可检测温度范围为－50～260℃，检测精度为!0．2％F．S，激励电压为12～24VDC，该温度传感器的外形、大小符合安装尺寸要求，检测精度满足系统要求。倾角传感器选用的型号为ZCT290L－LHS－17，该传感器为双轴结构，可测量X轴和Y轴两个方向的倾角，测量范围为!90°，可输出－10～10V的电压信号或4～20mA的电流信号［8］。光照强度传感器选用的型号为ZCT182L－LHZ－1，该传感器的检测精度为!0．3％F．S，供电电源为12～24VDC。另外，分布式光伏发电控制系统的监控平台选用力控组态软件实现，PLC控制器与力控组态软件以RS485通信模式进行数据传送和映射。

3软件设计

3．1PLC设计

分布式光伏发电控制系统设置有手动、自动两种控制模式。手动模式时，旋转／按下旋钮后光伏组件开始运动；松开该旋钮后，光伏组件随即停止运动；自动模式时，按下指定方向的旋钮后，光伏组件按照设置速度开始运动，直至达到限位位置，然后反向运动，循环往复。分布式光伏发电控制系统中设计有向东、向西、向南、向北四个方向的旋钮可控制光伏组件按照要求向指定方向旋转，手动模式时，按下旋钮，光伏组件按照要求开始旋转，当松开旋钮后（或到达限位位置），停止旋转；自动模式时，光伏组件可模拟太阳连续沿指定方向运行，直至达到该方向限位位置，停止时间T秒后，沿反向运行。分布式光伏发电控制系统软件流程首先检测系统上电，并开始系统自检过程。若在自检过程中发生故障，则将故障信息推送至监控平台，待故障解决后才可恢复运行。在软件设计中，增加系统自恢复／复位功能，保证系统在紧急情况下可连续运行。分布式光伏发电控制系统软件流程如图2所示。

3．2监控平台设计

分布式光伏发电控制系统监控平台设计框图如图3所示，由监控界面、数据界面以及辅助界面三部分组成。PLC控制器通过RS485通信模式将系统运行所有数据传送至力控组态软件并于控制器地址进行映射。监控平台设计由用户登录界面，以用户名＋密码形式进行登录； 可实时查看、查询系统运行历史数据，以及某一个参数的曲线变化趋势，同时可完成系统数据报表的打印。监控界面主要由运行管理、逆变与负载监测、报警以及参数设置四个子界面组成，可实时查看方向水平／垂直限位按钮、方向按钮、灯光、温度／光照／倾角传感器数值等输入、输出数据。数据界面由曲线显示、历史数据查询、报表以及打印四个子界面组成，方便技术和工作人员查看各参数的历史信息和打印管理。辅助界面由用户管理以及密码修改两个子界面组成，可添加、删除、修改用户信息，并设置用户权限。

4结语

设计的分布式光伏发电控制系统经过测试和系统联调，并经现场实际使用，提升了控制系统的自动化水平和运行效率，通过监控平台，能够实时监测发电控制系统的运行状态和故障信息，达到设计目标。

参考文献

［1］曹海欧，韩建．基于PLC分布式光伏发电控制系统的设计［J］．仪表技术，2019（1）：31－34．

［2］张燎，金文进，薛岩，等．基于分布式网络控制的太阳能跟踪系统设计与开发［J］．工业仪表与自动化装置，2013（4）：37－40．

［3］一种基于PLC控制追光的光伏发电站设计［J］．晋城职业技术学院学报，2019，12（3）：86－87，92．

［4］庞松岭，朱望诚，方连航，等．两级三相光伏并网发电系统并网控制策略研究［J］．自动化仪表，2019，40（4）：19－23．

［5］聂秀珍，林斌．基于S7－200PLC与上位机再光伏发电系统中的应用［J］．浙江水利水电学报，2018，30（6）：61－66，80．

［6］杜云，魏雅．分布式控制再光伏发电技术中的应用研究［J］．自动化与仪器仪表，2016（5）：6－7．

［7］周志敏，周纪海．太阳能光伏发电系统设计与应用实例［M］．北京：电子工业出版社，2010．

［8］朱子晟．基于TMS320F2812的光伏逆变器研究［D］．上海：上海交通大学，2009．

作者：陆佳 单位：上海上电新达新能源科技有限公司