本研究設(shè)計(jì)了一款風(fēng)光儲(chǔ)一體的新型電力系統(tǒng)，采用可編程控制器西門子S7-1200為核心控制器，結(jié)合力控組態(tài)軟件為平臺(tái)，搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新型電力系統(tǒng)站端控制與遠(yuǎn)程監(jiān)視，進(jìn)一步提升了電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

風(fēng)光儲(chǔ)一體新型電力系統(tǒng)

設(shè)計(jì)的風(fēng)光儲(chǔ)一體新型電力系統(tǒng)基于傳感技術(shù)、能源發(fā)電與管控技術(shù)，集風(fēng)力光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)及智能輸電于一體，包括硬件、軟件兩大平臺(tái)，其中硬件包括可再生能源發(fā)電中心、儲(chǔ)能運(yùn)行管理中心及負(fù)載及控制中心(硬件框架如圖1所示)，軟件平臺(tái)主要為新型電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

可再生能源發(fā)電中心

可再生能源發(fā)電中心由光伏組件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、匯流箱及風(fēng)光互補(bǔ)控制器構(gòu)成，選用的光伏組件為單晶硅類型，采用防水樹脂封裝，單塊功率達(dá)90 Wp，安裝于41*41*2．0型C型鋼搭建而成的光伏支架上。風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率100 W，啟動(dòng)風(fēng)速2 m/s，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)牽引發(fā)電裝置發(fā)電。

匯流箱是實(shí)現(xiàn)光伏組件有序連接及匯流功能的接線裝置，光伏組件通過匯流箱串接形成光伏陣列，再連接至風(fēng)光互補(bǔ)控制器光伏輸入端，風(fēng)機(jī)輸入端接風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

儲(chǔ)能運(yùn)行管理中心

儲(chǔ)能運(yùn)行管理中心由智能監(jiān)控模塊、并網(wǎng)配電、變流器及儲(chǔ)能模塊構(gòu)成。智能監(jiān)控模塊可采集變流器、儲(chǔ)能等信息，并網(wǎng)配電可實(shí)現(xiàn)供電或電站接入公共電網(wǎng)，配電箱內(nèi)配有雙向電能表，用于計(jì)量上網(wǎng)電量及從市電所獲電量。

變流器是新型電力系統(tǒng)的重要部件，是連接風(fēng)光能、儲(chǔ)能、公共電網(wǎng)及負(fù)載之間的能源轉(zhuǎn)換連接，可實(shí)現(xiàn)光伏能給與儲(chǔ)能、公共電網(wǎng)或負(fù)載、儲(chǔ)能給與公共電網(wǎng)或負(fù)載、公共電能給予儲(chǔ)能或負(fù)載。

選用的變流器型號(hào)為MUSTPH1800-PRO，額定功率為3 kW，額定電池電壓、光伏陣列MPPT電壓、交流電壓分別為24 V、150～430 V及230 V(AC)，轉(zhuǎn)換效率達(dá)90%以上。儲(chǔ)能模塊包含儲(chǔ)能電池與電池管理系統(tǒng)兩部分，前者采用磷酸鐵鋰作為正極材料，由8節(jié)標(biāo)稱電壓/容量3．2 V/32 Ah的單體電池串聯(lián)而成，后者負(fù)責(zé)監(jiān)控電池儲(chǔ)能單元內(nèi)各電池的運(yùn)行狀態(tài)，包括單體/電池組電壓、電流、溫度、SOC及SOH。

負(fù)載及控制中心

負(fù)載及控制中心主要包括集中控制與用能模塊，集中控制模塊包括可編程控制器與繼電器、接觸器等。其中可編程控制器主要由西門子S7－1200構(gòu)成，通過可編程控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器及接觸器的控制，最終完成用能模塊的設(shè)置，通過485通信進(jìn)行PLC與儲(chǔ)能管理中心的有效連接，還可用PLC進(jìn)行變流器能源來源的選擇。用能模塊主要由交流報(bào)警燈、交流風(fēng)扇、變頻器與電機(jī)、模擬量執(zhí)行器及充電樁5種負(fù)載構(gòu)成。

硬件設(shè)計(jì)

輸入設(shè)計(jì)

新型電力系統(tǒng)輸入信號(hào)包括兩類，即指令性輸入信號(hào)與模擬量輸入信號(hào)。其中指令性輸入信號(hào)主要與負(fù)載及控制中心開關(guān)按鈕盤按鈕關(guān)聯(lián)，包括急停、切換開關(guān)及SB1－SB88個(gè)自鎖型按鈕。模擬量輸入信號(hào)主要來自用能模塊模擬量執(zhí)行器角度、變頻器頻率模擬輸出信號(hào)。

輸出設(shè)計(jì)

新型電力系統(tǒng)輸出信號(hào)包括指令性輸出信號(hào)與模擬量輸出信號(hào)。其中指令性輸出主要由4個(gè)接觸器與10個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)，模擬量輸出信號(hào)可用來控制用能模塊模擬量執(zhí)行器順時(shí)針/逆時(shí)針運(yùn)行角度、變頻器工作頻率。以多能互補(bǔ)供電模式開啟負(fù)載交流報(bào)警燈為例，I/O分配表與繼電器及接觸器定義如表1所示。

軟件設(shè)計(jì)

站端功能設(shè)計(jì)

采用西門子S7－1200(CPU1215C DC/DC/ＲLY)可編程控制器，集合了14數(shù)字量輸入/10數(shù)字量輸出、2路模擬輸入/輸出、PＲOFINT(以太網(wǎng))接口、板載I/O狀態(tài)指示等?；赥IA Portal V15.1軟件進(jìn)行PLC源程序的編寫及調(diào)試。

例如，按下SB1按鍵開啟多能互補(bǔ)供電模式，松開該按鍵關(guān)閉多能互補(bǔ)供電。按下SB2按鍵，按照?qǐng)D2開啟交流報(bào)警燈，即交流紅燈從2s開始運(yùn)行16s結(jié)束，交流黃燈從4s開始運(yùn)行12s結(jié)束，交流綠燈從6s開始運(yùn)行8s結(jié)束，交流蜂鳴器從8s開始運(yùn)行4s結(jié)束。

其中儲(chǔ)能供電選擇通過PLC與儲(chǔ)能運(yùn)行管理中心智能監(jiān)控中心485通信，智能監(jiān)控中心通信地址可自定義設(shè)置，多能互補(bǔ)供電選擇寫入地址為44101，數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)，波特率為9600 bps。

在SB1按下變流器軟起成功后再按下SB2，打開報(bào)警燈供電開關(guān)并啟動(dòng)開啟延時(shí)定時(shí)器TON，當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)值達(dá)到2 s時(shí)開啟交流紅燈，4s時(shí)開啟交流黃燈，6s和8s分別開啟綠燈與蜂鳴器，并在規(guī)定結(jié)束時(shí)間關(guān)閉相應(yīng)的報(bào)警燈。

遠(yuǎn)端功能設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)主要基于ForceControl 7.1組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過界面繪制、數(shù)據(jù)庫(kù)配置、動(dòng)態(tài)連接及運(yùn)行調(diào)試實(shí)現(xiàn)負(fù)載與控制中心及儲(chǔ)能運(yùn)行管理中心的數(shù)據(jù)監(jiān)控。

主要包括負(fù)載與控制中心單相液晶多功能電力儀表采集交流報(bào)警燈工作電壓、電流、功耗，儲(chǔ)能運(yùn)行管理中心4塊單相液晶多功能電力儀表采集風(fēng)光儲(chǔ)網(wǎng)電壓、電流數(shù)據(jù)，電池組與單體電池電壓、電流、溫度、SOC及SOH數(shù)據(jù)，涵蓋模擬I/O變量56個(gè)。

設(shè)置變量前應(yīng)注意添加I/O設(shè)備，設(shè)備名稱為PLC，通信方式選擇TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備IP地址添加為PLC地址。添加完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)設(shè)置，選擇添加模擬點(diǎn)。

例如，添加交流報(bào)警燈工作電壓，點(diǎn)名填寫b1dy，量程上限與裸數(shù)據(jù)上限分別設(shè)置為1000、10000，數(shù)據(jù)連接選擇連接I/O設(shè)備PLC，增加連接項(xiàng)填寫寄存器類型M，偏移地址300，數(shù)據(jù)類型為16位無符號(hào)。數(shù)據(jù)點(diǎn)連接如負(fù)荷交流報(bào)警燈工作電壓，雙擊彈出動(dòng)畫連接彈窗后選擇數(shù)值輸出模擬，填寫表達(dá)式b1dy．pv后點(diǎn)擊確定即可。

結(jié)束語

風(fēng)光儲(chǔ)一體新型電力系統(tǒng)是一種基于傳感技術(shù)、能源發(fā)電與管控技術(shù)，集合風(fēng)力光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)及智能輸電于一體的新型能源系統(tǒng)，包括可再生能源發(fā)電中心、儲(chǔ)能運(yùn)行管理中心及負(fù)載及控制中心三大部件，以西門子S7-1200作為控制單元，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能運(yùn)行管理中心變流器供電模式的選擇及負(fù)載工作狀態(tài)控制，通過力控組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)控，進(jìn)行風(fēng)光荷儲(chǔ)網(wǎng)電壓、電流等相關(guān)數(shù)據(jù)與磷酸鐵鋰電池組及單體電池1～8的電壓、電流、溫度、SOC及SOH數(shù)據(jù)監(jiān)控，整體上運(yùn)行可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。