舒薇

(懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖南 懷化418000)

1 引言

PLC 系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在電氣控制中，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)系統(tǒng)控制需求靈活選擇PLC 模塊，滿足控制要求。在微電網(wǎng)控制中，由于其具有多樣化和多元化特點(diǎn)，所以使用傳統(tǒng)控制模式很難保證對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)的有效控制。為了解決相關(guān)不足，可以使用PLC 系統(tǒng)加強(qiáng)對(duì)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完善控制系統(tǒng)功能。

2 微電網(wǎng)概述

2.1 微電網(wǎng)概念

微電網(wǎng)簡(jiǎn)稱微網(wǎng)，包括分布式電源、能量轉(zhuǎn)換裝置、儲(chǔ)能裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)裝置、負(fù)荷等部分，是具有自我供電能力的小型發(fā)配電系統(tǒng)，具有自治性[1]。微電網(wǎng)在電網(wǎng)中作為輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)之后的第三級(jí)電網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)智能配電，是一種全新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有極高的智能化特征。

由于微電網(wǎng)具有高度靈活性和獨(dú)立性，可以改善大電網(wǎng)無法到達(dá)的偏遠(yuǎn)區(qū)域的缺陷，給偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電提供保障。微電網(wǎng)可以解決大電網(wǎng)遠(yuǎn)距離傳輸所導(dǎo)致的能量損耗和技術(shù)問題，滿足偏遠(yuǎn)山區(qū)對(duì)電力的需求，推動(dòng)電力系統(tǒng)建設(shè)，并且具有非常高的經(jīng)濟(jì)性。所以，微電網(wǎng)對(duì)提升大電網(wǎng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的作用，未來分布式電源也將成為電力系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。為了充分發(fā)揮微電網(wǎng)的作用，就需要建立微電網(wǎng)控制系統(tǒng)，保證微電網(wǎng)發(fā)電效率，并提升微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

2.2 微電網(wǎng)構(gòu)成

微電網(wǎng)中的元件主要包括分布式電源和儲(chǔ)能裝置，而且以新能源為主，其中分布式電源包括光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電。由于這2 種發(fā)電方式受天氣影響很大，具有明顯的不可預(yù)測(cè)性和間歇性特征。在微網(wǎng)運(yùn)行過程中，電力負(fù)荷還具有明顯的隨機(jī)性[2]。因此，為了保證微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)功率平衡，避免波動(dòng)過大影響微網(wǎng)可靠性，在微電網(wǎng)中會(huì)專門增加儲(chǔ)能裝置以保證微電網(wǎng)系統(tǒng)供電具有更高的持續(xù)性和可靠性，從而減少波峰、波谷對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。目前，常用儲(chǔ)能裝置包括鉛酸電池、超級(jí)電容、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置。

目前，微電網(wǎng)運(yùn)行模式包括并網(wǎng)運(yùn)行模式和孤島運(yùn)行模式，在并網(wǎng)運(yùn)行模式下，微電網(wǎng)會(huì)通過PCC 點(diǎn)（公共連接點(diǎn)）和大電網(wǎng)相連。如果微電網(wǎng)電能過多不能完全使用，多余電能就會(huì)輸送給大電網(wǎng)，如果微電網(wǎng)出現(xiàn)電能不足的情況，也能從大電網(wǎng)獲取電能。而孤島模式則是微電網(wǎng)完全脫離大電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，微電網(wǎng)可能并不會(huì)完全和大電網(wǎng)物理隔離，而是會(huì)切斷連接進(jìn)入孤島運(yùn)行模式，孤島運(yùn)行包括計(jì)劃內(nèi)的孤島運(yùn)行和計(jì)劃外的孤島運(yùn)行。

由于微電網(wǎng)和傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)在模式上存在明顯不同，所以微電網(wǎng)控制方式也比較特殊，控制系統(tǒng)需要克服微網(wǎng)運(yùn)行多樣性特點(diǎn)，滿足對(duì)微網(wǎng)控制的復(fù)雜性需求，充分發(fā)揮微網(wǎng)靈活、智能的優(yōu)勢(shì)，讓清潔能源的使用更加可靠。

2.3 微電網(wǎng)控制

由于微電網(wǎng)電源種類很多，且很多新能源發(fā)電功率都具有不可控性，因此，微電網(wǎng)電力需要經(jīng)過逆變器等電子設(shè)備處理后，再和微電網(wǎng)連接，利用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源能量的控制和變換。逆變器所具有的微調(diào)功能，可以確保電源電能輸出的可靠性[3]。微電網(wǎng)控制工作核心在于對(duì)微電源的控制，包括恒功率控制、恒壓恒頻控制和下垂控制這幾種方式。合理使用控制技術(shù)能夠使微電網(wǎng)運(yùn)行具有更高的靈活性，滿足用戶對(duì)電能質(zhì)量要求。針對(duì)微電網(wǎng)電源控制，可以使用對(duì)等控制、主從控制、負(fù)荷頻率二次控制等控制模式。

3 PLC 概述

在微電網(wǎng)控制中，由于經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)風(fēng)電互補(bǔ)控制，所以微電網(wǎng)控制工作具有一定的復(fù)雜性，控制系統(tǒng)必須能有效應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)變化，及時(shí)對(duì)微電網(wǎng)狀態(tài)做出反應(yīng)，以保證微電網(wǎng)穩(wěn)定性。目前，PLC 技術(shù)主要應(yīng)用于智能控制技術(shù)，通過安裝智能拓展模塊，對(duì)微電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保證對(duì)微電網(wǎng)的控制效果。

4 不同發(fā)電系統(tǒng)下的微電網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

為了保證光伏發(fā)電效率，需要在發(fā)電過程中對(duì)陽(yáng)光進(jìn)行跟蹤，使光伏發(fā)電系統(tǒng)始終處在最合適角度，避免太陽(yáng)光資源被浪費(fèi)，為此專門開發(fā)了光伏跟蹤系統(tǒng)。光伏跟蹤系統(tǒng)能完成光電跟蹤、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和混合跟蹤，通過跟蹤控制光伏系統(tǒng)朝向，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的最高發(fā)電效率。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)跟蹤精度越來越高，跟蹤過程中需要對(duì)光伏系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制，比如要結(jié)合單軸機(jī)械系統(tǒng)和雙軸機(jī)械系統(tǒng)設(shè)置對(duì)應(yīng)的單軸跟蹤模式和雙軸跟蹤模式。根據(jù)太陽(yáng)照射特點(diǎn)，將光電跟蹤系統(tǒng)東西放置，由系統(tǒng)控制設(shè)備對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，不僅能滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)陽(yáng)光的跟蹤需要，也能降低設(shè)備體積，提升空間里利用率[4]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)以PLC 為基礎(chǔ)，其硬件包括了定位模塊、伺服放大器、電機(jī)、信號(hào)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、電流電壓監(jiān)測(cè)裝置。光電逆變系統(tǒng)中包括了光伏電池板、逆變器和蓄電池組?？刂七^程中，會(huì)重復(fù)利用定位模塊中的位置控制模式，確定太陽(yáng)光的光照方向，然后隨時(shí)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)能隨時(shí)追隨陽(yáng)光，保證最佳入射角度，從而完成對(duì)陽(yáng)光照射軌跡的實(shí)時(shí)跟蹤。

4.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要包括數(shù)值轉(zhuǎn)換模塊、變頻器、三相異步電動(dòng)機(jī)，風(fēng)電網(wǎng)的并網(wǎng)系統(tǒng)中包括了三相同步發(fā)電機(jī)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，PLC 系統(tǒng)會(huì)對(duì)微電網(wǎng)的并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過對(duì)系統(tǒng)調(diào)整保證其能夠滿足并網(wǎng)條件[5]。一般情況下，多數(shù)微電網(wǎng)系統(tǒng)都是符合并網(wǎng)要求的。PLC 模塊在控制并網(wǎng)時(shí)，需要按照規(guī)定流程完成控制工作，包括控制變頻器和直流穩(wěn)壓電源控制微電網(wǎng)系統(tǒng)使其能夠輸出與市電在頻率、幅值上相同的電能，然后觀測(cè)同期表，在與市網(wǎng)相位一致時(shí)立刻并入市網(wǎng)中，避免相位、幅值不同導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中應(yīng)具備上位機(jī)由人機(jī)界面進(jìn)行控制和監(jiān)視的功能，利用上位機(jī)控制系統(tǒng)中的PLC 變頻器，控制電動(dòng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)力模擬，然后利用可控直流源發(fā)給電機(jī)合適的勵(lì)磁電流，保證發(fā)電機(jī)發(fā)出和市電相同頻率的電壓，之后用同期表進(jìn)行觀測(cè)，如果市電具有相同相位，則開始進(jìn)行并網(wǎng)操作。

5 PLC 控制系統(tǒng)分析

5.1 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于微電網(wǎng)屬于中小型系統(tǒng)，所以在選擇PLC 時(shí)應(yīng)選擇具有較多模塊種類的系統(tǒng)，并保證系統(tǒng)運(yùn)行速度及運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)也要結(jié)合微電網(wǎng)一些特殊功能需求，選擇具有智能控制功能的模塊，提升程序易編寫性，比如，僅僅依靠站號(hào)和網(wǎng)絡(luò)地址就能完成系統(tǒng)和外界的通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的總體控制[6]。

5.2 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)中，需要利用PLC 的可編程控制器、IO 模塊，控制系統(tǒng)的信息輸入和輸出功能。PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)該能對(duì)微電網(wǎng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，也能接收系統(tǒng)監(jiān)視信息，從而確定對(duì)系統(tǒng)的控制指令，保證對(duì)系統(tǒng)的控制效果。所以在程序設(shè)計(jì)中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的組態(tài)建設(shè)，保證系統(tǒng)程序的分配方式。同時(shí)，也要針對(duì)系統(tǒng)的功能要求選擇具備足夠性能的PLC，保證監(jiān)控工作速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電、光電組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

5.3 監(jiān)視系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

監(jiān)視系統(tǒng)使用電能表測(cè)量數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)運(yùn)行過程中的基本參數(shù)，單相阻性、三相負(fù)載，并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線的基本參數(shù)等。所有參數(shù)通過PLC 總線傳輸給通信模塊，監(jiān)視人機(jī)界面上就能顯示系統(tǒng)監(jiān)視信息。監(jiān)視系統(tǒng)硬件構(gòu)成中包括了電能表、串口通信模塊、人機(jī)界面。監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)視功能，以保證信息能夠被實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的全面安全監(jiān)測(cè)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，設(shè)置電能表時(shí)需要同時(shí)通過總線跨越多個(gè)電能表，所以要避免出現(xiàn)站號(hào)重復(fù)的情況，避免出現(xiàn)通信混亂情況；串口通信模塊和電能表也要有相同的波特率，避免出現(xiàn)不能通信的情況[7]。

5.4 系統(tǒng)作用分析

通過使用PLC 建立微電網(wǎng)控制系統(tǒng)，投資相對(duì)較低，且系統(tǒng)功能構(gòu)建也相對(duì)靈活，還可以結(jié)合實(shí)際情況靈活調(diào)整系統(tǒng)構(gòu)建方式[8]。依靠PLC 可以更好地引入智能技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)的靈活操控，保證微電網(wǎng)系統(tǒng)可以具備更高的智能性，減少過去微電網(wǎng)控制過程中反應(yīng)速度慢的問題，還可以綜合多樣化能源控制，提升微電網(wǎng)穩(wěn)定性。

6 結(jié)語(yǔ)

使用PLC 建立微電網(wǎng)控制系統(tǒng)能靈活滿足微電網(wǎng)控制要求。系統(tǒng)構(gòu)建過程中，應(yīng)綜合考慮微電網(wǎng)中不同類型的能源控制，合理使用PLC 模塊強(qiáng)化系統(tǒng)功能。通過PLC 控制系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化、精確化控制，提升智能電網(wǎng)穩(wěn)定性。