基于S7-1200PLC的光伏微电网管控系统功能设计与开发.pdf

设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期基于 S7-1200PLC 的光伏微电网管控系统功能设计与开发黄小华（云南机电职业技术学院，昆明 650203）气候变化是当今人类面临的重大全球性挑战。为积极应对气候变化，2020 年 9 月，我国宣布了二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和的目标1。为实现“双碳”目标，就要积极开发清洁、可再生新能源，光伏发电作为新能源的一种，以其可靠性高，使用寿命长，不污染环境，既能独立发电又能并网运行的特点，规模迅速扩大，截至 2020年底，光伏发电的累计装机达 2.4 亿 kW 左右2。随着光伏发电应用规模的不断增加，光伏微电网管控系统功能的设计与开发显得尤为重要。为推进光伏工程技术、电子信息技术等战略新兴产业新能源领域专业的建设与发展，创造优质的教育供给环境，加快新能源产业急需的高质量高技术技能人才的培养3，全国职业院校技能大赛平台引入“光伏电子工程的设计与实施”赛项。本文以“光伏电子工程的设计与实施”赛项为研究背景，以赛项设备为研究基础，采用 S7-1200PLC、人机界面（HMI）、力控通用组态软件搭建一个光伏微电网智能控制系统，既可以提升教师在光伏微电网智能控制领域的技术技能，还可以让学生学习到光伏微电网智能控制领域中较为前沿的技术技能，培育光伏产业人才。1光伏微电网整体控制方案光伏微电网是将分布式光伏发电设备、负荷、DC/AC 变换器、储能设备和控制与保护装置等环节相结合，构成一个可控的独立供电系统4。本控制系统以S7-1200PLC 控制器为核心，与 PC 机、光伏工程环境模拟平台、光伏管控平台、触摸屏等相结合，通过通信实现数据的传输、采集、显示及控制等功能而构成一个可控的独立供电系统，整体控制方案如图 1 所示5。图 1光伏微电网整体控制方案2光伏微电网管控系统功能的开发光伏发电系统分为离网光伏发电系统和并网光伏基金项目：2022 年度云南省教育厅科学研究基金资助项目（2022J1350）作者简介：黄小华（1983-），女，硕士研究生。研究方向为电气工程等。摘要：以全国职业院校技能大赛“光伏电子工程的设计与实施”赛项为研究载体，根据任务书的要求完成安装接线，并网、离网光伏系统搭建，网络通信，实现光伏发电，并对光伏微电网进行环境数据采集、站端运行控制和远程能量管理等。关键词：光伏微电网；并网；离网；管控系统；光伏发电中图分类号院TM615文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤28-0129-04Abstract:Taking the National Vocational College Skills Competition Design and implementation of Photovoltaic ElectronicEngineering as the research carrier,according to the requirements of the task book,complete installation and wiring,build grid-connected and off-grid photovoltaic systems,network communication,and realize photovoltaic power generation.And for thephotovoltaicmicrogrid,environmentaldataacquisition,station-endoperationcontrolandremoteenergymanagementareimplemented.Keywords:photovoltaic microgrid;grid-connected;off-grid;management and control system;photovoltaic power generation控制RS485 通信数据采集LoRa 无线通信数据采集RS485通信控制数据显示远程控制PROFINET通信发送程序PROFINET通信数据显示本地控制PROFINET通信光伏管控平台光伏工程环境模拟平台PLC 控制器触摸屏 HMIPC 机（力控组态软件）DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.28.032129-2023 年 28 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application发电系统。离网光伏发电系统又称为独立光伏发电系统，主要包括光伏组件、光伏控制器、蓄电池、离网逆变器和负载等。离网光伏发电系统框图如图 2 所示。工作原理为，太阳光经光伏组件转化为直流电，又经光伏控制器变化后给直流负载供电，若有多余的电能，需经光伏控制器转化，存储在蓄电池中。若光照不足时，将蓄电池中的电能再经过光伏控制器、离网逆变器给交流负载供电。图 2离网光伏发电系统框图并网光伏发电系统主要包括光伏组件、并网逆变器、电表和负载等。并网光伏发电系统框图如图 3 所示。其工作原理为太阳光经过光伏组件转化为直流电，然后经过并网逆变器变化后给交流负载供电。离网光伏发电系统与并网光伏发电系统的最大区别在于，并网光伏发电系统直接与公共电网相连接，因而光伏组件的电量盈余与并联电网可以实行互补，省去了离网光伏发电系统中必需的蓄电池等储能元件，不仅降低了系统成本，而且保证了系统的可靠性。同时，夏天太阳辐射强度大，光伏系统发电量多，可以对夏天电网的峰荷起到调节作用。随着近年来太阳能光伏发电的大规模应用以及太阳能电池组件价格的迅速下降，并网系统无疑将得到更为广泛的应用6。图 3并网光伏发电系统框图2.1光伏微电网站端监控功能的开发光伏微电网站端监控采用 S7-1200PLC 为控制核心，通过触摸屏实现本地操作控制和数据监测7。下面是部分组态界面案例展示。2.1.1并网 PLC 按键界面并网 PLC 按键界面（图 4）包含急停按钮、本地/远程切换开关、K1K7 相关控件，实现并网光伏系统站端控制功能。图 4并网 PLC 按键界面2.1.2离网状态显示界面离网状态显示界面（图 5）分别显示 P2、P3、P4 电表，传感器、离网逆变器的通信状态，蓝色信号显示正常状态，灰色信号显示不正常状态。根据离网光伏发电系统原理图，显示当前接触器、继电器的状态，绿色表示吸合，红色表示断开。图 5离网状态显示界面2.1.3并网状态显示界面并网状态显示界面（图 6）分别显示 P2、P3 电表，传感器、单相电能表、双向电能表和并网逆变器的通信状态，绿色信号显示正常状态，红色信号显示不正常状态。根据并网光伏发电系统原理图，显示当前负载状态，其信号颜色与负载一致，显示接触器、继电器的状态，绿色表示吸合，红色表示断开。图 6并网状态显示界面直流直流交流交流负载直流负载放电充电 直流蓄电池光伏组件光伏控制器发电直流离网逆变器光伏组件发电直流光伏电表交流负载双向电表公共电网并网逆变器急停本地/远程并网 PLC 按键界面K1K2K3K4K5K6K7管理员退出离网 PLC 按键并网状态显示CLOSEDCLOSEDCLOSEDCLOSEDCLOSEDCLOSEDCLOSED离网 PLC 按键离网状态显示界面P2P3P4光照温湿度倾角仪 离网逆变器离网逆变器KA2KA8KA5KA4KA3KA11KA10KA9KA7光伏控制器PV+PV-KM3KM5KM1KM2并网 PLC 按键并网状态显示界面P2P3 单相电能表双向电能表光照 温湿度 倾角仪 并网逆变器并网逆变器单相电能表双向电能表PV+PV-KA1KA6KA3KA4KA5QF11KM4KM5130-设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 28 期2.2微电网远程监控功能的开发通过 PC 机，在力控组态软件上进行光伏微电网并网和离网模式的远程监控功能的设计、开发，实现数据采集与显示、过程控制等功能7。下面是部分案例展示。2.2.1操作界面包括远程监控系统图（图 7）和操作盘（图 8）2 个部分。远程监控系统图显示光伏微电网系统原理，要求能够动态显示光伏发电系统的控制开关动作、能源流向、负载运行，且与设备运行情况一致。操作盘显示光伏微电网系统原理图中所有接触器和继电器的控制。图 7远程监控系统图图 8操作盘显示2.2.2监视界面制作下拉框，包括设备上所有的电压电流组合表；制作显示框，要求只显示下拉框中被选对象的相应数据：实时显示交流电压电流组合表的电压、电流、功率和频率的数值，并标注正确的单位，如图 9 所示。图 9监控界面2.2.3数据报表界面数据报表界面（图 10）可以对直流负载电压、直流负载电流、直流负载功率、交流负载电压、交流负载电流、交流负载功率及光伏输入电压共 7 个参数进行实时采集与显示5。2.3微电网站端控制功能的开发通过 S7-1200PLC 控制程序的开发，实现微电网站端的控制功能8。如实现急停控制、本地/远程切换开关、离网光伏送电自检及光伏并网发电系统运行前自检等。图 11 至图 13 是部分程序段展示。3结论项目涵盖PLC控制技术、组态控制技术、网络通信技术等多门课程，通过本项目的设计与开发，学生不仅掌握了光伏发电方面的知识，还将之前所学知识融会贯通，专业知识和技术技能水平得以提升。同时，对接全国职业院校技能大赛“光伏电子工程的设计与实施”赛项，实现“研、赛、教”共赢。图 10数据报表界面交流电压电流组合表 1电压：0.000V电流：0.000A功率：0.00W频率：0.000HzKA10KA11KA2KA3KA4KA5KA7KA8KA9KM1KM5KM2KM3智能离网逆变器光伏控制器KA3KA4KA5KA8KM1KA11KA10KA9KA7PV+PV-KM3KM5KM2BAT+BAT-退出操作盘131-2023 年 28 期设计创新科技创新与应用Technology Innovation and Application参考文献院1 中国气象局气象宣传与科普中心.实现碳达峰、碳中和我们能做些什么？Z.学习强国，2021.2 全国科学技术名词审定委员会.每日科技名词-光伏发电系统Z.学习强国，2021.3 刘伟.光伏电子工程的设计与实施赛项研究J.船舶职业教育，2019，7（3）：85-88.4 赵磊.基于 PLC 分布式光伏发电控制系统的设计J.电工技术，2019（10）：226.5 黄小华.基于 PLC 的光伏微电网智能控制系统的研究J.新技术新工艺，2022（4）：31-38.6 薛禹胜.新能源与可再生资源M.南京：东南大学出版社，2008.7 廖常初.西门子人机界面（触摸屏）组态与应用技术M.北京：机械工业出版社，2008.8 廖常初.S7-1200 PLC 编程及应用M.北京：机械工业出版社，2017.图 11PLC 通信初始化程序段图 12急停控制程序段图 13PLC 数据采集程序段132-