基于三菱PLC的微型分布式发电控制系统

高 铭，刘 楠，冯 源，黄燨元，杨智超

(1. 天津理工大学 电气电子工程学院；2. 天津理工大学 工程训练中心，天津 300384)

我国风电设备数量一直保持飞速增长，风力发电和光伏发电虽然利于减少大气污染，节约煤炭资源，但大型机组也具有占地面积大、成本高、噪声污染严重的缺点。而利用微型分布式发电控制系统将有效解决以上问题。

1 实现过程

微电网控制系统由风力发电系统、光伏发电系统和控制柜组成。风力发电装置由模拟风力变频器、三相异步电机、三相励磁发电机、三相阻性负载组成，光伏发电装置由光伏板、射灯、伺服电机、逆变器、蓄电池单相阻性负载组成；控制柜由PLC、变频器、伺服驱动器组成，该设备主要实现电能的转化存储以及多余电量的并网。配置好控制柜部分，以及硬件部分的选型组装是实现整个系统功能的基础。然后编写PLC程序，设置好伺服参数、变频器参数，编写屏幕程序后进行调试。该系统主要分为三个部分，即光伏发电及其并网、风力发电及其并网和监视部分。

光伏发电系统包含定位系统、信号采集系统、光伏逆变系统三个部分。运行过程中通过射灯运行和光伏跟踪完成模拟。

图1 微型分布式发电控制系统模型

风力发电系统包含风力模拟和风电并网。首先用变频器进行风力模拟，再用 PLC 进行程序控制，从而实现所需的风力条件。然后通过观测三相同期表，采取手动同期并网。

监视系统可对光伏电能和风力电能进行监视、报警显示和投切功能，投切系统首先设计投切参数，根据监测风电和光电蓄电池是否达到投切值来检测风电系统供电、光电系统供电和市电系统供电之间的切换。

2 原理分析

2.1 风力发电

设备将风能转化为机械能，然后将机械能转化为电能，风力发电有离网型和并网型两种类型。离网型的风力发电规模较小，现有风力发电设备为并网型，由控制器稳定发电机发出的电能供给负载供电。

2.2 光伏发电

设备将光能转化为电能，光伏发电时太阳发出的光线照射在半导体的p-n结上形成新的空穴-电子对，在p-n结内部电场作用下，空穴由n流向p，电子由p流向n，接通电路后形成电流。设备还包含蓄电池用来收集产生的电能，以便于随时对负载提供电能。控制器避免了蓄电池过度充、放电而损坏。逆变器将直流电转换成交流电。

2.3 并网

独立发电厂或小电力系统与相邻电力系统发生电气连接，进行功率交换的行为称为并网。并网的步骤：根据电力系统进入同期允许的电压差和频率差的范围，当电压差指针和频率差指针反映两个差值已到达该范围时，将同期指示表中同期指示连接并网按钮A、B接入电网，观看同期指示指针的旋转，后调节待并发电机电压与频率直到组合式同期表电压差频率差指针在平衡标线时，认为发电机已进入同期可并入电网运行。利用伺服放大器可以使光伏板随太阳光线的变化进行跟踪，完成高效发电。

2.4 解列

将发电机有功功率调制零，无功负荷调至接近于零。发电机和系统的某一部分与系统其他部分失去同步且无法恢复同步时，它们之间会切断，来使得系统正常运行，防止重大事故发生。

2.5 485总线通讯

RS485是双向、半双工通信协议，稳定性强，比RS232通讯距离更长，可对多台设备管理，最远通讯距离可达1 200m，超出长度可用485中继器。

3 系统组成与设计

3.1 硬件系统的组成

3.1.1 电气控制部分。三菱电机平台提供了基本的控制装置，由1个四相空气开关、1个两相空气开关、1只24V开关电源、1台A800变频器、Q-PLC CPU模块、Q-PLC电源模块、输入输出模块、模数转换模块、数模转换模块、定位模块、串行口通信模块、人机界面、2个伺服放大器、8个中间继电器、3个交流接触器、2个端子排组成，将这些器件连接起来构成电气控制部分。

3.1.2 风力发电部分。风力发电部分由三相异步发电机、同步电机、三相阻性负载、变频器组成，在此基础上我们进行创新加入了三个电能表，他们可以分别测量风力发电电压电流功率、三相阻性负载电压电流功率、三相并网连联络线电压电流功率并与通信模块QJ71P4N通信来达到监视的目的。

3.1.3 光伏发电部分。光伏发电部分由光伏板、伺服电机、射灯、射灯滑动轨道、12V直流转230V交流逆变器、蓄电池组成。安装在光伏板上的光传感器感应射灯发出光的强弱，传递给PLC控制伺服电机根据光源的移动做相应的转动来达到跟随的目的。

3.2 软件设计

3.2.1 风力发电系统。①设置三相异步电机的运行频率后，电机速度匀速递增或递减到指定运行频率。其中电机频率给定通过设置Q62DAN模块的通道一电压输出给变频器，变频器控制电动机转速。②按下“停止”按键后，三相异步电机停止运行，风力发电系统停止发电。③按下“负载供电”按键后，继电器接通相应的接触器KM2，接通发电机向负载供电。④根据手动准同期并网正确步骤，当按下“并网”按键后，相应继电器KM3接通，三相电并入电网。⑤可由电能表测量并显示发电机示模拟风力发电系统电压、电流、功率；负载电压、电流、功率；并网联络线电压、电流、功率。可根据解列正确步骤将系统从电网解列。

图2 系统流程

3.2.2 光伏发电系统。光伏发电系统是由射灯运行及光伏运行部分组成。①按下“伺服开启”按键伺服开启。②设置好射灯单元启动参数，当按下射灯的手动左右移动按键时，射灯作相应的动作；当在自动运行状态时，先要设置射灯左右平移周期，然后再按下射灯的“启动”按键，PLC将射灯移动路程除以周期得到速度后，再将速度数据供给到伺服系统中来控制射灯的周期往复运动。③光伏单元启动：当按下 JOG+、JOG-时，光伏板作相应的动作(左右摆动)；当按 下“伺服跟踪”按键，光伏板即会跟踪射灯的运动。④按下“停止”按键后，跟随停止，射灯停止运动，射灯周期清零，需要重新设置。⑤按下“光电负载”按键后，逆变器输出230V给单相阻性负载供电。由电能表测得电压电流功率并与QJ71P4N模块通信。⑥按下“光电并网”按键后，继电器接通并入电网。

表1 基本系统硬件配置

4 系统调试

4.1 风力发电部分

设置好变频器参数，编写好变频器程序，通过数模转换模块将数字量变为电流模拟量给变频器，变频器接收到模拟量后控制电机转速，使发电机发电给三相阻性负载供电。不断调节变频器频率，使其在额定转速下稳定运行，进而再调节励磁电源，使发电机稳定发出与电网幅值、频率、相位相同的三相电，通过三相同期表观测调试，当满足要求时并入电网。

4.2 光伏发电部分

设置好伺服放大器参数，编写好射灯周期运行程序，首先设置射灯运行周期，模拟光照运行，然后启动跟随，光传感器把光照模拟信号转化为数字信号传递给控制板，控制板经过处理后转化为左右转信号传递给PLC，PLC控制伺服电机跟随射灯旋转。光伏板产生的电能供给经控制板整流后给蓄电池充电，经逆变器整流逆变后给单相阻性负载供电，经单相同期表观测后当符合幅值、频率、相位要求时可并入电网。

4.3 监视部分

包括风力发电电压、电流、功率的监视，光伏发电电压、电流、功率的监视和并网联络线的电压、电流、功率的监视。

风力发电电压电流功率，三相、单相阻性负载电压电流功率，三相并网连联络线电压电流功率由海恩德电能表测量并由485总线与通信模块QJ71P24N采集通讯来进行监视，并把监视值显示在触摸屏上。光伏板电压电流经控制板把电流模拟量给数模转换模块Q64AD转化为数字量并显示在触摸屏上。

5 系统特性

5.1 能源清洁性

主要以利用分布式能源中的清洁能源为主，利用风能、太阳能，能够将内部电源和负荷实现一体化运行，而且能够满足清洁能源电力转换和并网消纳，提高了清洁能源利用效率，实现供需平衡和经济运行，达到了电力与环境的和谐发展，有利于分布式发电技术的长远发展。

5.2 高互动性

微电网在保证高可靠性的同时可以满足与电网和用户的良性交互，结合用户对电网的参与管理，提高了用户的积极性并获得了真实的反馈。

5.3 灵活性

微电网不但可以实现分布式能源的广泛接入，还能够及时根据运行状况来控制分布式电源的并网和解列，提供一个有效的途径便于分布式电源的高效利用，微电网在电力系统中作为单一受控元件，可以实现“即插即用”，还可根据用户需求供应不同等级的电能质量。

6 结束语

在三菱Q系列PLC的平台下，完成了微型分布式发电控制系统的模型构建，让光伏发电、风力发电稳定运行，基本实现了预期。

若该设备能广泛运用，还要在不同环境测试它的工作状况来进一步优化，做到更加人性化、高效化、稳定化。