河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 苗國耀

1 分布式太陽能發(fā)電系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)階段，分布式光伏系統(tǒng)主要應(yīng)用電子技術(shù)，例如信息運(yùn)維、光伏工程和新能源電子工業(yè)技術(shù)。應(yīng)用光伏發(fā)電原理將傳感器技術(shù)、信息和通信技術(shù)及模擬計(jì)劃技術(shù)相結(jié)合。軟硬件平臺是分布式光伏系統(tǒng)中的重要組成部分。硬件平臺的關(guān)鍵組成部分包括環(huán)境保護(hù)意識模塊、集中控制模塊、分布式PV 隔離系統(tǒng)和通訊模塊，其中PV 智能操作系統(tǒng)和仿真軟件是軟件平臺的關(guān)鍵組成部分。

1.1 集中控制模塊三菱FX5U-64MR

集中控制模塊包括并網(wǎng)光伏系統(tǒng)、離網(wǎng)光伏系統(tǒng)和光伏單軸光伏系統(tǒng)。繼電器和接觸器必須被PLC 進(jìn)行控制以確保整個(gè)光伏系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)包括各種組件，如雙向電能表、太陽能電池組件、絕緣變壓器及并網(wǎng)逆變器，它們可在發(fā)電過程中直接轉(zhuǎn)換太陽能以發(fā)電，可使用直流電并可使用并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流以滿足電網(wǎng)的運(yùn)行要求，并直接進(jìn)入公共電網(wǎng)操作系統(tǒng)。分布式小規(guī)模光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短、占地面積小，在并網(wǎng)太陽能發(fā)電中占有非常重要的位置，而無需投資大量的建設(shè)成本即可達(dá)到較好的發(fā)電效果[1]。

離網(wǎng)光伏系統(tǒng)。是一種相對獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)，光伏控制器、電池和光伏組件都是離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的一部分。此外還應(yīng)配置交流逆變器以方便交流電源。太陽能電池發(fā)電的核心組件是一塊太陽能電池板，可在發(fā)電過程中直接使用太陽能并將產(chǎn)生的電能存儲在電池中。在此期間主要使用PV 控制器。開機(jī)時(shí)需要直流負(fù)載且電池用于承載電能。電能一旦轉(zhuǎn)換為交流電源，便可使用交流逆變器為交流操作系統(tǒng)的運(yùn)輸負(fù)載供電。由太陽能電池產(chǎn)生的電能易于使用，一旦產(chǎn)生或存儲在電池中就可使用。光伏控制器是離網(wǎng)光伏系統(tǒng)的核心組件，光伏輸入、輸出和電池輸入均屬于其核心組件。并網(wǎng)逆變器發(fā)電系統(tǒng)可用于確保發(fā)電過程中有足夠的功率，防止電池過充電、過放電，防止反向充電，避免夜間短路等功能。

1.2 通訊模塊

由一系列組件構(gòu)成，PV 監(jiān)視模塊、收集器、兩個(gè)LoRa 通信模塊、照明模塊、溫度和濕度模塊等都是通信單元的一部分。某些模塊如PLC 和PV 監(jiān)視模塊在通訊過程中需使用開關(guān)。這兩個(gè)LoRa 通信模塊在采集環(huán)境中發(fā)送和接收傳感數(shù)據(jù)，并使用擴(kuò)散頻譜技術(shù)連接到力控制配置軟件的串口通訊模塊，以實(shí)現(xiàn)超長距離遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)。光伏監(jiān)控模塊采集器采用串口通訊方式有效收集并網(wǎng)逆變器信息，為分布式光伏系統(tǒng)提供安全的傳輸電流，保證光伏系統(tǒng)正常運(yùn)行。

1.3 分布式光伏系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)

輸入設(shè)計(jì)。輸入模塊由一系列功能模塊組成，指令輸入信號及保護(hù)、位置輸入信號等都是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入信號。其中按鈕提供命令信號并在控制操作界面時(shí)執(zhí)行[2]；輸出設(shè)計(jì)。分布式光伏系統(tǒng)的輸出操作由一套系統(tǒng)組成，其中較主要的設(shè)備為接觸器和繼電器。在配置上述兩種主要的硬件時(shí)應(yīng)嚴(yán)格參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行硬件設(shè)備的選型工作，以確保整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

光伏系統(tǒng)最重要的組件是軟件設(shè)計(jì)，主要是由離網(wǎng)光伏控制軟件系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏控制軟件系統(tǒng)、單軸光伏控制軟件系統(tǒng)、市電輸入控制軟件系統(tǒng)、接觸器和繼電器控制軟件系統(tǒng)構(gòu)成[3]。這些控制系統(tǒng)是相對獨(dú)立的，中間依靠上位機(jī)等系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，保證整個(gè)控制軟件系統(tǒng)形成一個(gè)有機(jī)的整體。在電力系統(tǒng)的軟件架構(gòu)中，整個(gè)系統(tǒng)的控制都需依賴于可編程控制器。對于單軸光伏控制軟件系統(tǒng)，可通過按鈕來實(shí)現(xiàn)光源擺桿在垂直工作狀態(tài)與非垂直工作狀態(tài)間的切換。當(dāng)按鈕切換至停止模式時(shí)光源進(jìn)入垂直模式。在啟動按鈕后光源自動切換到垂直運(yùn)行狀態(tài)，由此可實(shí)現(xiàn)按鈕開關(guān)對于光源的控制。在此期間可通過編程軟件或組態(tài)軟件等PLC 編程組件，通過組件的自由配置可方便的向工程師展示整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置監(jiān)控

分布光伏控制系統(tǒng)人機(jī)交互主要功能是使用PLC 與HMI 界面來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)的功能模塊可通過區(qū)域數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)進(jìn)行可靠擴(kuò)展。界面和Web 服務(wù)器都是軟件的關(guān)鍵功能模塊。在操作過程中須將PLC技術(shù)和力控制配置軟件系統(tǒng)結(jié)合起來保證整個(gè)控制系統(tǒng)監(jiān)控的通用性。在遠(yuǎn)程安全控制的基礎(chǔ)上可獲得實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，這些實(shí)時(shí)采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)可用于分析各個(gè)分布式設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，但現(xiàn)場運(yùn)行方式需進(jìn)一步優(yōu)化，增加一套能集中管理所有分布式設(shè)備的集中監(jiān)控系統(tǒng)，在一個(gè)界面上監(jiān)控所有分布式設(shè)備的狀態(tài)，并對其中的各種設(shè)備進(jìn)行控。

I/O 設(shè)備配置。設(shè)備配置的關(guān)鍵是正確配置I/O設(shè)備類型、名稱和通信地址數(shù)據(jù)，并對監(jiān)視設(shè)備（如數(shù)據(jù)采集設(shè)備，控制器和離網(wǎng)逆變器）進(jìn)行詳細(xì)配置，以執(zhí)行特定的數(shù)據(jù)信息。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫設(shè)置。當(dāng)設(shè)置數(shù)據(jù)庫中的配置數(shù)據(jù)時(shí)必須檢查數(shù)據(jù)，并確保PLC 中的地址塊數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的可變數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。作為人機(jī)接口與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫連接的主要橋梁，PLC 與上位機(jī)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器間的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)時(shí)刻保持暢通狀態(tài)，以便于保證PLC與上位機(jī)的交互實(shí)時(shí)性及數(shù)據(jù)采集的完整性，有效發(fā)揮上位機(jī)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)服務(wù)請求、歷史數(shù)據(jù)存儲和警報(bào)處理的功能。在分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件在整個(gè)系統(tǒng)中扮演著重要的中間傳遞角色，各種樣式的電表、包含交流與直流電表均為系統(tǒng)中的重要設(shè)備，須正確設(shè)置離網(wǎng)逆變器和控制器的數(shù)據(jù)設(shè)置。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控界面框圖。為清晰顯示系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行功能的監(jiān)控界面，了解光伏系統(tǒng)的運(yùn)行方式，在完成包括光伏系統(tǒng)在內(nèi)的系統(tǒng)框架圖的設(shè)計(jì)時(shí)會進(jìn)行界面交互。需詳細(xì)列出用于發(fā)電的逆變器、用于并網(wǎng)光伏發(fā)電的逆變器、交流負(fù)載、單軸系統(tǒng)等。

建立動態(tài)連接。采集現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，為保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與HMI 監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)一致，如操作系統(tǒng)的溫度和濕度，電壓、電流和功率值及實(shí)際的運(yùn)行方式，對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性提出了更加高的要求，要求整個(gè)系統(tǒng)的延遲做到盡可能的低。通過PLC 與HMI 間高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面與運(yùn)行設(shè)備間的各類運(yùn)行參數(shù)的雙向同步。

3 關(guān)于太陽能發(fā)電建設(shè)的建議

隨著國家智能制造2025規(guī)劃的提出，以分布式光伏技術(shù)為代表的一系列新型技術(shù)具備著很廣泛的應(yīng)用場景與增長空間。分布式發(fā)電系統(tǒng)開始被電網(wǎng)廣泛采用到我國的電力系統(tǒng)中，大量應(yīng)用也給分布式光伏技術(shù)的快速更新完善提供了基礎(chǔ)。因此，基于PLC 技術(shù)的分布式光伏控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，是目前一個(gè)階段內(nèi)我國電力系統(tǒng)科研人員一個(gè)十分具有現(xiàn)實(shí)意義與理論意義的研究課題。除說明設(shè)計(jì)的具體要求外還應(yīng)按照國家政策法規(guī)進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，以針對性提出綜合性的運(yùn)行措施為目標(biāo)，并為電網(wǎng)建設(shè)提供更好的支持。

電網(wǎng)質(zhì)量的提高在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著非常重要的作用，可更好地保證城市在發(fā)展過程中的用電需求。通過設(shè)計(jì)和分析分布式光伏發(fā)電控制系統(tǒng)，將確保以安全性和可靠性為前提的光伏發(fā)電系統(tǒng)的未來發(fā)展，并通過充分利用太陽能資源來提供電力。電網(wǎng)公司需積極為分布式光伏項(xiàng)目提供便利，使其能連接到電網(wǎng)并為接入系統(tǒng)項(xiàng)目的建設(shè)打開綠色通道。與電網(wǎng)連接的分布式光伏項(xiàng)目對于優(yōu)化我國現(xiàn)有的能源供應(yīng)模式，有效緩解我國電力生產(chǎn)與消費(fèi)地域不匹配的問題有著十分重要的意義。分布式發(fā)電對于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能和減排等國家智能制造2025宏觀政策的有效落實(shí)十分重要。因?yàn)槠湎鄬鹘y(tǒng)發(fā)電項(xiàng)目更加復(fù)雜的設(shè)計(jì)與更多的設(shè)備數(shù)量，分布式發(fā)電項(xiàng)目工程對于設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)都提出了更加嚴(yán)格的要求。

分布式光伏技術(shù)由于其明顯的優(yōu)勢而正在迅速發(fā)展。隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)的不斷引入，配電網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步需不斷改進(jìn)，并采用了新技術(shù)來不斷改進(jìn)。因此基于PLC 的分布式光伏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是當(dāng)今考慮的重要問題。需提出更高級別的綜合措施，以更好地適應(yīng)基于PLC 的分布式光伏控制系統(tǒng)的當(dāng)前設(shè)計(jì)要求。除技術(shù)水平外還需進(jìn)一步加強(qiáng)和優(yōu)化國家政策、法律法規(guī)，為發(fā)電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供更強(qiáng)有力的支持。

4 結(jié)語

當(dāng)前我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)水平有了明顯的提高，從而保證了光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國的實(shí)用性。建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)時(shí)應(yīng)完善設(shè)計(jì)流程，改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行操作，使光伏發(fā)電系統(tǒng)真正發(fā)揮其作用，促進(jìn)我國社會經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定快速發(fā)展。