基于PLC的微电网控制系统设计

基于PLC的微电网控制系统 摘要:本设计是一个包含了风电控制、太阳能控制、逆变输出等环节的风/光/储微电网系统,风力发电机发出的电能经过风电充电控制器对蓄电池进行充电;光伏发电系统发出的电能经过光伏充电控制器对蓄电池进行充电。电池电压由逆变器逆变成220V交流电,每套供电系统由投切开关与负载连接。该系统能实时监控光伏电池、蓄电池以及风力发电机的电压电流数据并进行状态转换,同时光伏板安装在能上下、左右旋转的工作台上可以实时跟踪太阳的轨迹,获得最大光伏发电效率,该系统可用于海岛、无人值守基站等场合,具有良好的实际推广应用价值。 ?P 键词:光伏发电,风力发电,PLC,伺服控制,人机界面 中图分类号:TP 文献标识码:A 文章编号: 1实物介绍 本装置包括光伏发电控制系统、风力发电控制系统、蓄电池输出控制系统以及人机界面等组成部分。 光伏发电控制系统由两台伺服控制电机以及光伏发电 控制模块组成。两台伺服电机控制光伏板的左右、上下旋转角度,用于追踪太阳的位置。光伏发电控制模块用于确定何 时进行光伏发电操作。本环节能够完成实时的位置追踪以及最大功率追踪两种追踪模式。 风力发电控制系统由风力发电机以及风力发电充电控 制模块组成。风力发电机发出电压,实现对蓄电池充电,风力发电控制模块用于确定何时进行风力发电操作。 蓄电池输出控制系统包含蓄电池输出控制模块以及逆 变器、负载灯等部分,蓄电池输出控制模块负责何时进行放电输出。 人机界面包括主界面、数据采集。 2系统硬件设计 2.1 系统硬件结构设计 本系统采用三菱Q系列PLC为系统控制核心,用触摸屏GOT1000为人机界面,光伏板转动定位采用定位模块 QD752N。由于需要测量光伏电池、蓄电池以及风力发电机三个单元的电压、电流参数,故设置了六组变送器,通过 Q64AD模块进行模数转换后送PLC,因风力发电难以调试,我们添加了一台变频器驱动的三相电扇来模拟实际的风(调试完成可以拆除)。系统硬件组成如图2-1所示。 2.2系统电路设计 本系统电路设计包含了以下几个部分:电气主电路;PLC 输入输出控制电路;伺服控制电路;模拟量输入输出电路。 (1)电气主电路本电路包括系统启动按钮SB1、停止 按钮SB2、紧急停止按钮SB3、主断路器QF1、控制断路器QF2/QF3、接触器KM1~KM4等器件,能够完成系统的启动停止与伺服控制器和变频器的供电。电路如图2-2所示。 (2)PLC输入输出控制电路 本系统PLC的输出端口电路使用了五个,分别驱动KA1~KA5五个直流继电器,其电路如图2-3所示。具体每个继电器的控制功能参见1-1所示。 (3)伺服控制电路该电路包括四套伺服控制电路,由PLC控制两个QD75D2N模块驱动四个MR-J3伺服放大器控制四个伺服电机。电路如图2-4所示。 (4)模拟量输入输出电路该电路由三个电压变送器和三个电流变送器组成,分别测量光伏板、风力发电机以及蓄电池的电压和电流,通过变送器将电压电流信号转换为的0~10V电压和4~20mA电流。 3 PLC控制系统参数设置 本系统涉及到的参数设置环节很多,大致包括伺服系统参数配置、模数转换参数配置、CCLINK通讯参数配置等环节 3.1 伺服系统参数配置 伺服电机定位参数设置包括光伏板左右、上下旋转伺服定位参数设置、伺服放大器MR-J3的参数配置、QD75D2N 定位参数设置等,编程时候用的是WORKS2软件其自带定 位参数。光伏板左右旋转伺服定位参数设置如图3-1所示, QD75D2N定位模块参数设置如图3-2所示。 3.2 模数转换参数配置 模数准换模块Q64AD参数设置如图3-3所示。Q64AD 模拟量转换模块通道参数设置如图3-4所示。 4 PLC软件设计 4.1系统主程序设计 系统主程序由光能供电、风能供电以及电网供电组成。 先进行软元件初始化,然后按下手动投切开关,设备开始运行。若已切换到光能模式,先进行光能模式,利用伺服控制光伏板双轴进行光源跟踪。同时检测光伏电池的输出电压和电流。若已切换到风能模式,进入风能供电。若同时开启光能和风能,则光能优先供电。若蓄电池电量已到达上限,光能和风能不供电,则开始蓄电池带负载放电。系统主程序图如图4-1所示。 4.2 子程序设计 光伏发电子程序先进行软元件初始化,然后利用伺服控制光伏板双轴进行光源跟踪。同时检测光伏电池的输出电压和电流。其流程如图4-2所示。 风力发电子程序是在手动切换到风力供电或主程序确 定风力供电时开始执行,将风力发电机发出的电力输送给蓄电池,同时检测风力发电机的输出电压和电流。其流程如图 4-3所示。 蓄电池供电子程序是在蓄电池电量未到下限时手动投 切进入放电环节,此时通过逆变器对外部负载放电。 除了光伏发电、风力发电。蓄电池放电三个子程序,还有数据采样及处理子程序等环节。在此不再一一敷述。 5人机界面设计 系统工作时的触摸屏界面包括主界面、参数设置界面和控制界面以及监控界面等。图5-1为系统主界面。图5-2为微电网状态界面。图5-3为微电网数据监测界面,图5-4为光伏发电监测界面,图5-5为历史数据保存界面,图5-6为微电网模拟演示界面。其他界面不再敷述。 6 系统调试 经过不断调试和改进,系统最终实现了理想的功能,达到了设计的要求。根据任务要求进行了伺服定位控制系统的设计与装调试,按照逐渐逼近的原理实现原点回归、调整到跟随的功能。太阳能板能实现定位跟踪;三相异步电动机带动发电机模拟风力发电。满足了任务提出的控制要求。 7 结语 本设计的主要创新点如下: (1)光伏发电:设置太阳能轨道速度,按下启动按钮,太阳能电池板跟随太阳的移动轨迹同步运动; (2)风能发电:设置变频器最高转速和变速周期,变 频器在变速周期内从最高转速到零速之间进行单向调速的过程。 (3)电网供电:当蓄电池的下限电压达到设置电压,将断开风能和太阳能发电,自动投切到电网供电。 (4)实现了伺服电机的同步控制,使两个伺服电机的运动状态,同时进行,避免了"伺服打架"的现象。我们通过对二自由度并联机构进行准确运动学模型和动力学模型分析,进行更有效的轨迹规划,确定了两个电机的主动输入角度,两个电机的转动方向和速度大小。 参考文献(References): [1] 李艳,王勇,陈正洪,赵荣齐. 并联机械手智能控制研究现状[J]. 机床与液压. 2008,12:180-183. [2] 杨斌久,蔡光起,罗继曼,朱春霞少自由度并联机械手的研究现状[J]. 机床与液压. 2006,5:202-205. [3] 王冰,韩文仲. 平面2自由度平动并联机械手的性能分析[J]. 机床与液压. 2010,10:85-87. [4] 李占贤,黄田,梅江平. 二平动自由度高速轻型并联机械手控制技术研究[J]. 机械手. 2004,1:63-68.