光伏发电系统控制系统设计说明

..........编号XX信息职业技术学院毕业论文题目光伏发电系统控制系统设计学生姓名***学号****系部电气工程系专业机电一体化班级*****指导教师[***][讲师]顾问教师二〇一二年十月..摘要进入二十一世纪,人类面临着实现经济和社会可持续大战的重大挑战,而能源问题日益严重,一方面是常规能源的缺乏,另一方面石油等能源的开发带来一系列的问题,如环境污染,温室效应等。人类需要解决能源问题,实现可持续发展,只能依靠科技进进步,大规模开发利用可再生能源和新能源。太阳能是一种有前途的新型能源,具有永久性、清洁型和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长,只要有太阳在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染问题；光伏发电系统可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站,小到只供一户用的太阳能电池组,而且还缓解了目前能源危机与环境危机,只是其它电源无法比拟。关键词：太阳能供电系统PLC蓄电池逆变..目录TOC\o"1-2"\h\z\u编号I摘要I目录1第一章绪论11.1光伏发电控制系统简介11.2问题的提出11.3本课题设计的主要目的和意义21.4本课题设计的主要内容2第二章可编程控制器〔PLC基础知识42.1可编程控制器〔PLC42.2PLC的定义42.3PLC的特点52.4PLC的简介及模块5第三章系统硬件设计83.1光伏供电装置83.2光伏供电系统93.3基于PLC的硬件电路设计143.4基于PLC的硬件电路设计17第四章系统软件设计184.1主程序设计184.2子程序设计194.3监控界面的设计20第五章系统调试245.1调试主要内容245.2调试结果24第六章总结与展望256.1总结256.2展望25致谢26参考文献27附录：光伏发电控制系统程序28..第一章绪论1.1光伏发电控制系统简介光伏发电是当前利用新能源的主要方式之一,光伏并网发电是光伏发电的发展趋势。光伏并网发电的主要问题是提高系统中太阳能电池阵列的工作效率和整个系统的工作稳定性,实现并网发电系统输出的交流正弦电流与电网电压同频同相。最大功率点跟踪是太阳能光伏发电系统中的重要技术,它能充分提高光伏阵列的整体效率。在确定的外部条件下,随着负载的变化,太阳能电池的输出功率也会变化,但始终存在一个最大功率点。当工作环境变化时,特别是日光照度和结温变化时,太阳能电池的输出特性也随之变化,且太阳能电池输出特性的变化非常复杂。目前太阳能光伏发电系统转换效率较低且价格昂贵,因此,使用最大功率点跟踪技术提高太阳能电池的利用效率,充分利用太阳能电池的转换能量,应是光伏系统研究的一个重要方向。随着人类社会的发展,能源的消耗量正在不断增加,世界上的化石能源总有一天将达到极限。同时,由于大量燃烧矿物能源,全球的生态环境日益恶化,对人类的生存和发展构成了很大的威胁。在这样的背景下,太阳能作为一种巨量的可再生能源,引起了人们的重视,各国政府正在逐步推动太阳能光伏发电产业的发展。而在我国,光伏系统的应用还刚刚起步,市场状况尚不明朗。针对这方面的空白,本文着重于今后发展前景广阔的光伏并网系统,通过对国内外市场和技术的调研,分析了目前光伏市场发展的瓶颈并预测了未来光伏发电的发展前景。相信作为当今发展最迅速的高新技术之一,太阳能光伏发电技术,特别是光伏并网发电技术将为今后的电力工业以及能源结构带来新的变化。1.2问题的提出光伏发电市场开发的主要问题是太阳能电池太贵,也就是说太阳能电池的生产陈本偏高。在光伏发电系统中,太阳能电池的价格要占到整个系统价格的60%～70%,如果选用价格较贵的全密封免维护蓄电池的话,太阳能电池的价格仍要占到整个系统价格的50%。可见太阳能电池售价的高低是影响光伏发电系统价格的关键。光伏发电的平衡系统〔包括：蓄电池、逆变器、控制器等。撇开蓄电池不谈,中国在专用控制器、逆变器及专用直流灯具等方面的配套能力一直很差,主要表现如下几个方面：尚未形成规模生产；缺乏统一的质量标准,没有权威的质量检测中心；成本高,质量差；产品开发跟不上市场需求。中国在光伏发电系统部件水平以及光伏平衡系统的效率和成本方面与国外有着较大差距,应予以充分重视,并迎头赶上。1.3本课题设计的主要目的和意义1.3.1设计目的人们对安全,清洁,高效能源的需求日益增加。且能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。为此,越来越多的国家开始实行"阳光计划",开发太阳能资源,为了能够进一步充分利用太阳能效率,光伏材料的研究开发就迫在眉睫。1.3.2研究意义利用太阳能光伏发电是能源利用不可逆的潮流。当前世界光伏技术及应用材料的飞速发展光电材料成本不断下降,光电转换效率升高,太阳能光伏发电建会越来越来显现出优越性。1、太阳能作为一种新型的绿色可再生能源与其他新能源相比是最理想的可再生能源。2、储量丰富且分布广泛。3、清洁性和经济性。..1.4本课题设计的主要内容本文根据KNT-WP01型风光互补发电实训系统,针对光伏这一工艺过程较全面地阐述了其控制系统的具体实现过程。具体内容如下：1、明确光伏发电工艺过程和控制要求2、光伏控制系统的设计1硬件设计〔1系统配置与选型,确定总体设计方案〔2选择由光伏电源控制单元、光伏输出显示单元、触摸屏、光伏供电控制单元、DSP控制单元、接口单元、西门子S7-200PLC、继电器组、接线排、蓄电池组、可调电阻、断路器、12V开关电源、网孔架等组成2软件设计〔1确定软件设计流程〔2程序设计3、采用触摸屏技术实现实时监控功能。..第二章可编程控制器〔PLC基础知识2.1可编程控制器〔PLC20世纪60年代,当时的工业控制主要是以继电器——接触器组成的控制系统。而其系统存在着设备体积大,调试维护工作量大,通用、灵活性差,可靠性低,功能简单,不具体现现代工业控制所需要的数据通信、网络控制等功能。1968年,美国通用汽车制造公司〔GM为了适应汽车型号的不断翻新,试图寻找一种新型的工业控制器,以解决继电器——接触器控制系统普遍存在的问题。因而设想吧计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来,制成一种适合于工业环境的通用控制装置,并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化,使不熟悉计算机的人也能方便的使用。1969年,美国数字设备公司〔DEC根据通用汽车的要求首先研制成功第一台可编程序控制器,称之为"可编程序逻辑控制器"<PLC——ProgrammableLogicController>,并在通用汽车公司的自动装置线上试用成功,从而开创了工业控制的新局面。2.2PLC的定义可编程控制器一直在发展中,所以至今尚未对其下最后的定义,国际电子委员会<IEC>在1985年的PLC标准划案第3稿中,对PLC作了如下定义："可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下应用而设计。它作为可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令,并通过数字式、模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备,都应按易于使工业控制系统形成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。"从上述定义可以看出,PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机,除了能完成各种各样的控制功能外,还有与其他计算机通信联网的功能。其中,触摸屏完成运行状态的显示如设定温度、当前温度及加热器工作状态,同时还可以通过触摸屏对系统进行相应的控制,如温度的改变和手动控制等；声光报警用一个LED灯和一个蜂鸣器组成,具有声音清脆,节能作用。按键采用独立按键,可以进行温度设置等。2.3PLC的特点1、编程简单,容易掌握梯形图是使用最多的PLC的编程语言,其电路符号和表达式与继电器电路原理图相似,梯形图语言形象直观,易学易懂,熟悉继电器电路图的电气技术人员很快就能学会用梯形图语言,并用来编制用户程序。2、功能强、性交比高一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件,有很强的功能,可以实现非常复杂的控制功能。3、硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强PLC产品已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。4、可靠性高,抗干扰能力强传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良,容易出现故障。PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场,PLC已被广大用户公认为罪可靠的工业控制设备之一。5、系统的设计、安装、调试及维护工作量少目前PLC已实现产品的系列化、标准化和通用化,用PLC组成的控制系统,在设计、安装、调试和维护方面,表现了明显的优越性,由于PLC采用了软件来取代继电器控制系统中中大量的中间继电器、时间继电器等器件,控制柜的设计安装接线工作量大为减少。6、体积小、重量轻、功耗低复杂的控制系统使用PLC后,可以减少大量的中间继电器和时间继电器,小型PLC的体积仅相当于几个继电器的大小,其结果紧凑,坚固,重量轻,功耗低。2.4PLC的简介及模块PLC的硬件系统由主机系统、输入/输出扩展环节及外部设备组成。PLC的硬件系统组成2.4.1S7-200CPU模块S7--200CPU包括CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226等型号,它们有如下新特性：新CPU硬件支持：通过关闭在运行模式下编辑程序的可选功能专用获取更多的程序存储区。CPU224XP支持集成的模拟量I/O和两个通讯端口。CPU226带有附加的输入滤波器和脉冲捕获功能。S7--200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中,从而形成了一个功能强大的微型PLC。在下载了程序之后,S7--200将保留所需的逻辑,用于监控应用程序中的输入输出设备。图2-2CPU模块的硬件组成图中各部分功能如下：I/OLED指示灯用于显示输入/输出端子的状态；状态LED指示灯用于显示CPU所处的工作状态,共三个指示灯：SF<SystemFault,系统错误、RUN〔运行、STOP〔停止；可选卡插槽可以插入EEPROM卡、时钟卡和电池卡；通讯口可以连接RS-485总线的通信电缆；顶部端子盖下边为输出端子和PLC供电电源端子。输出端子的运行状态可以由顶部端子盖下方一排指示灯显示〔即I/OLED指示灯,ON状态对应指示灯亮；底部端子盖下边为输入端子和传感器电源端子。输入端子的运行状态可以由底部端子盖上方一排指示灯显示〔即I/OLED指示灯,ON状态对应指示灯亮；前盖下面有运行、停止开关和接口模块插座。..第三章系统硬件设计3.1光伏供电装置3.1.1光复供电装置的组成光伏供电装置主要由光伏电池组件、投射灯、光线传感器、光线传感器控制盒、水平方向和俯仰方向运动机构、摆杆、摆杆减速箱、摆杆支架、单相交流电动机、电容器、水平运动和俯仰运动直流电动机、接近开关、微动开关、底座支架等设备与器件组成,如图1-2所示。图1-2光伏供电装置4块光伏电池组件并联组成光伏电池方阵,光线传感器安装在光伏电池方阵中央。2盏300W的投射灯安装在摆杆支架上,摆杆底端与减速箱输出端连接,减速箱输入端连接单相交流电动机。电动机旋转时,通过减速箱驱动摆杆作圆周摆动。摆杆底端与底座支架连接部分安装了接近开关和微动开关,用于摆杆位置的限位和保护。水平和俯仰方向运动机构由水平运动减速箱、俯仰运动减速箱、水平运动和俯仰运动直流电动机、接近开关和微动开关组成。水平运动和俯仰运动直流电动机旋转时,水平运动减速箱驱动光伏电池方阵作向东方向或向西方向的水平移动、俯仰运动减速箱驱动光伏电池方阵作向北方向或向南方向的俯仰移动,接近开关和微动开关用于光伏电池方阵位置的限位和保护。3.1.2光复供电装置的设备和器件清单表1-1光伏供电装置的设备和器件清单序号设备〔器件名称数量序号设备〔器件名称数量1光伏电池组件412光伏电池组件北、南方向限位微动开关22投射灯213摆杆减速箱13光线传感器114摆杆减速箱底座14光纤传感器控制盒115摆杆15水平和俯仰方向运动机构116摆杆支架16水平和俯仰方向运动机构支架117单相交流电动机17水平运动减速箱118电容器18俯仰运动减速箱119午日位置接近开关19水平运动减速箱120摆杆东西运动限位微动开关210俯仰运动减速箱121底座支架111光伏电池组件水平运动限位接近开光122连杆13.2光伏供电系统光伏供电系统主要由光伏电源控制单元、光伏输出显示单元、触摸屏、光伏供电控制单元、DSP控制单元、接口单元、西门子S7-200PLC、继电器组、接线排、蓄电池组、可调电阻、断路器、12V开关电源、网孔架等组成。如图1-3所示。图1-3光伏供电系统3.2.1光伏电源控制单元光伏电源控制单元面板如图1-4所示。光伏电源控制单元主要由断路器、+24V开关电源、AC220V电源插座、指示灯、接线端DT1和DT2等组成。接线端子DT1.1、DT1.2和DT1.3、DT1.4分别接入AC220V的L和N。接线端子DT2.1、DT2.2和DT2.3、DT2.4分别输出+24V和0V。光伏电源控制单元的电气原理图如图1-5所示。图1-4所示光伏电源控制单元面板图1-5所示光伏电源控制单元的电气原理图光伏输出显示单元光伏输出显示单元面板如图1-6所示,光伏输出显示单元主要由直流电流表、直流电压表、接线端DT3和DT4等组成。接线端子DT3.3、DT3.4和DT4.3、DT4.4分别接入AC220V的L和N。接线端子DT3.5、DT3.6和DT4.5、DT4.6分别是RS485通信端口。接线端子DT3.1、DT3.2和DT4.1、DT4.2分别用于测量和显示光伏电池方阵输出的直流电流和直流电压。图1-6所示光伏输出显示单元面板光伏供电控制单元1、光伏供电控制单元组成光伏供电控制单元主要由选择开关、急停按钮、带灯按钮、接线端DT5、DT6和DT7等组成,光伏供电控制单元面板如图1-7所示。选择开关自动挡、启动按钮、向东按钮、向西按钮、向北按钮、向南按钮、灯1按钮、灯2按钮、东西按钮、西东按钮、停止按钮均使用常开触点,分别接在接线端子的DT5.2、DT5.3、DT5.5、DT5.6、DT5.7、DT5.8、DT6.1、DT6.2、DT6.3、DT6.4、DT6.5等端口。急停按钮使用常闭触点,接在接线端子的DT5.4端口。接线端子DT5.1和DT6.6分别接入+24V和0V。接线端DT7有10个端口,分别接入相应按钮的指示灯。图1-7所示光伏供电控制单元面板2.光伏供电控制单元电气原理图光伏供电控制单元的电气原理图如图1-8所示图1-8光伏供电控制单元电气原理图3．光伏供电控制单元器件清单光伏供电控制单元器件清单请见表1-4序号器件名称功能数量备注1选择开光程序的手动或自动选择1自动挡为常开触点2急停开光用于急停处理1常闭触点3启动按钮启动程序1带灯〔绿色按钮、常开触点4向东按钮光伏电池方阵向东偏转1带灯〔黄色按钮、常开触点5向西按钮光伏电池方阵向西偏转1带灯〔绿色按钮、常开触点6向北按钮光伏电池方阵向北偏转1带灯〔绿色按钮、常开触点7向南按钮光伏电池方阵向南偏转1带灯〔绿色按钮、常开触点8灯1按钮投射灯1亮1带灯〔绿色按钮、常开触点9灯2按钮投射灯2亮带灯〔绿色按钮、常开触点10东西按钮投射灯由东向西移动1带灯〔绿色按钮、常开触点11西东按钮投射灯由西向东移动1带灯〔绿色按钮、常开触点12停止按钮程序停止1带灯〔红色按钮、常开触点3.3基于PLC的硬件电路设计光伏供电主电路电气原理光伏供电由光伏供电装置和光伏供电系统完成,光伏供电主电路电气原理如图1-9所示。继电器KA1和继电器KA2将单相AC220V通过接插座CON2提供给摆杆偏转电动机,电动机旋转时,安装在摆杆上的投射灯由东向西方向或由西向东方向移动。摆杆偏转电动机是单相交流电动机,正、反转由继电器KA1和继电器KA2分别完成。图1-9所示光伏供电主电路电气原理继电器KA7和继电器KA8将单相AC220V通过接插座CON3分别提供给投射灯1和投射灯2。光伏电池方阵分别向东偏转或向西偏转是由水平运动直流电动机控制,正、反转由继电器KA3和继电器KA4通过接插座CON4向直流电动机提供不同极性的直流24V电源,实现直流电动机的正、反转。光伏电池方阵分别向北偏转或向南偏转是由另俯仰运动直流电动机控制,正、反转由继电器KA5和继电器KA6完成。直流12V开关电源是提供给光线传感器控制盒中的继电器线圈使用。继电器10KA1至继电器KA8的线圈使用+24V电源。﹒西门子S7-200CPU2261.S7-200CPU226输入输出接口光伏供电系统使用西门子S7-200CPU226作为光伏供电装置工作的控制器,该PLC有24个输入、16个继电器输出,输入输出的接口如图1-10所示。图1-10S7-200CPU226输入输出接口2.S7-200CPU226输入输出配置S7-200CPU226输入输出配置请见表1-7序号输入输出配置序号输入输出配置1I0.0向东按钮23I2.6光纤传感器〔光伏组件向东信号2I0.1向南按钮24I2.7光纤传感器〔光伏组件向北信号3I0.2向西按钮25Q0.0启动按钮指示灯4I0.3向北按钮26Q0.1停止按钮指示灯5I0.4灯1按钮27Q0.2向北按钮指示灯6I0.5灯2按钮28Q0.3向东按钮指示灯7I0.6东西按钮29Q0.4向南按钮指示灯8I0.7西东按钮30Q0.5向西按钮指示灯9I1.0停止按钮31Q0.6灯2按钮指示灯、KA8线圈10I1.1启动按钮32Q0.7灯2按钮指示灯、KA7线圈11I1.2急停按钮33Q1.0西东按钮指示灯12I1.3旋转开关自动档34Q1.1东西按钮指示灯13I1.4摆杆接近开关垂直限位35Q1.2继电器KA2线圈14I1.5光伏组件向东、向西限位开关36Q1.3继电器KA2线圈15I1.6光伏组件向北限位开关37Q1.4继电器KA3线圈16I1.7光伏组件向南限位开关38Q1.5继电器KA4线圈17I2.0未定义39Q1.6继电器KA5线圈18I2.1未定义40Q1.7继电器KA6线圈19I2.2光纤传感器〔光伏组件向南信号411M0V20I2.3摆杆东西向限位开关422M0V21I2.4摆杆西东向限位开关431LDC24V22I2.5光线传感器〔光伏组件向西信号442LDC24V3.4基于PLC的硬件电路设计..第四章系统软件设计4.1主程序设计系统完整程序见附录。光伏供电控制单元的选择开关有两个状态,选择开关拨向左边时,PLC处在手动控制状态,可以进行光伏电池组件跟踪、灯状态、摆杆运动操作。选择开关拨向右边时,PLC处在自动控制状态,按下启动按钮,PLC执行自动控制程序。4.2子程序设计1、初始化子程序PLC处在自动控制状态,按下启动按钮,摆杆向东移动,到达摆杆极限位置时,摆杆停止移动。该过程中,投射灯不亮。1秒钟后,投射灯1和投射灯2亮,光伏电池组件向东偏移,到达光伏电池组件极限位置时,摆杆由东向西方向移动,光伏电池组件进行对光跟踪,当摆杆到达摆杆极限位置时,摆杆停止移动,光伏电池组件向西偏移,到达光伏电池组件极限位置时,投射灯熄灭。灯1灯2T41=2ST43灯21/3亮灯1灯2T41=2ST43灯21/3亮SM0.0M5.0M5.1M5.2M5.3M5.4M4.5M5.6M5.7M6.0M6.1M6.2M6.3M6.4M5.0I1.1I1.6T37M10.0T38I1.4I1.5M10.0T41T42T43I2.2T44T45M10.0T39T40西东T37=1S灯1灯2T38=2S灯1灯2T39=32767东西灯1灯2T40=2S西东T42=1ST44灯22/3灭灯1灭4.3监控界面的设计监控界面主要有光伏供电系统、光伏供电控制、风力供电系统、逆变与负载、曲线、系统报表,部分组态界面如图1-44所示。图1-44监控界面〔a光伏供电系统逆变部变量进行连接,建立数据通道,从数据中心选择变量,完成设备连接。传输控制系统变量连接如图4-7所示。..第五章系统调试5.1调试主要内容1、首先把系统操作方式拔向手动方式,逐一按下启动按钮、向东按钮、向西按钮、向北按钮、向南按钮、灯1按钮、灯2按钮、东西按钮、西东按钮、停止按钮起动按钮,根据现场观察、PLC输出指示灯的状态说明及触摸屏监控画面进行手动程序的调试。2、把系统操作方式拔向自动方式,在自动方式下进行程序功能调试。5.2调试结果通过手动方式的调节,实现了对相应输出电压和输出电流显示；在自动方式下,能实现设定报表显示、曲线显示和报警等功能。但在调试时发现了两个问题：1、系统掉电后预设数据未保存,致使每次开机数据得重新输入,增加了操作人员的工作量,解决这一问题只要做好一个界面就应该保存一下,这样即可。2、按键的处理有问题,当操作人员按钮调在自动时向东、向西、向南、向北的时候,光纤传感器不是依次按着顺序来的。通过硬件修改解决上述问题,解决办法如下：1、每次在做程序或者力控的时候每做好一个程序或界面时都因该保存一下。2、把自动调到手动状态下,点亮一个白炽灯调节摆杆〔东或者光伏组件〔西,在根据IO分配表和PLC上输出点就能判断出东西,记住相应的点,然后摆杆〔向东转光伏组件向〔向南转这样PLC上的输出就应该有东和北是亮的。经硬相应的修改后,软件和硬件相结合系统各项功能运行正常。..第六章总结与展望6.1总结PLC采用无机械触点的逻辑运算微电子技术,将复杂的控制由PLC内部运算器完成,故具有寿命长、可靠性高,控制灵活等优点,因此被广泛应用在工业环境下。论文在深入研究了PLC技术的基础上,完成了以下几方面的工作：1、根据控制要求进行了总体方案的设计分析了太阳光的强弱对电池板充放电的要求,利用PLC和触摸屏技术,实现了对本系统进行了总体方案的规划与设计。2、光伏控制系统的硬件、软件的设计利用CPU226、DSP芯片、继电器组、电池组件、投射灯、光纤传感器、触摸屏等进行了控制系统硬件的设计,并通过软件设计实现了烘干的控制功能。3、触摸屏监控画面的设计利用MCGS组态软件进行了光伏控制系统监控画面的设计,实现了对各种运行状态的实时监控。6.2展望在可再生能源中,太阳能取之不尽,清洁安全,是理想的可再生能源。我国的太阳资源比较丰富,且分布范围较广,太阳能光伏发电的发展潜力巨大。此外,目前太阳能光伏发电技术已日趋成熟,是最具可持续发展的可再生能源技术之一。具有以下特点：eq\o\ac<○,1>无枯竭危险；eq\o\ac<○,2>绝对干净〔无公害；eq\o\ac<○,3>不受资源分布地域的限制；eq\o\ac<○,4>可在用电处就近发电；eq\o\ac<○,5>能源质量高；eq\o\ac<○,6>使用者从感情上容易接受；