摘要太陽能和風能是大自然中存在的最普遍的自然資源，也是取之不盡的可再生能源。小型風光互補發電系統作為獨立電源系統和清潔的供電系統，在資源利用以及系統配置有它的合理性，因此有著廣泛的應用前景。本文分析了風光互補發電系統，包括相關工作原理、合理配置和系統的優化設計等，概括敘述了以及該系統在國內的應用前景。然后是從硬件設施和軟件設施兩方面入手，先根據系統的工作原理和特點選擇符合要求的PLC，然后對系統的硬件部分進行設計，然后軟件部分進行梯形圖編程和組態界面設計，最后是通過仿真驗證本次設計的小型風光互補系統是否滿足要求。仿真結果表明，本次設計的小型風光互補系統滿足設計要求，能夠完成風能與光能的切換要求。

關鍵詞：小型風光互補系統；PLC；組態界面

AbstractSolarenergyandwindenergyarethemostcommonnaturalresourcesinnature,aswellasinexhaustiblerenewableenergysources.Asanindependentpowersupplysystemandacleanpowersupplysystem,thesmallwind-solarhybridpowergenerationsystemhasitsrationalityinresourceutilizationandsystemconfiguration,soithasawiderangeofapplicationprospects.Thisarticleanalyzesthewindandsolarhybridpowergenerationsystem,includingrelatedworkingprinciples,reasonableconfigurationandsystemoptimizationdesign,etc.,andsummarizestheapplicationprospectsofthesysteminChina.Thenstartwiththehardwarefacilitiesandsoftwarefacilities,firstselectthePLCthatmeetstherequirementsaccordingtotheworkingprincipleandcharacteristicsofthesystem,thendesignthehardwarepartofthesystem,andthencarryouttheladderdiagramprogrammingandconfigurationinterfacedesignforthesoftwarepart,andfinallyItisverifiedthroughsimulationwhetherthesmallwind-solarhybridsystemdesignedthistimemeetstherequirements.Thesimulationresultsshowthatthesmallwind-solarhybridsystemdesignedthistimemeetsthedesignrequirementsandcancompletetheswitchingrequirementsofwindenergyandsolarenergy.Keywords:smallwind-solarhybridsystem;PLC;configurationinterface

目錄摘要 [2]。分布式電源與集中互聯電網相比，可以減小運行成本、節省輸配電資源、減小線路損耗。分布式發電能夠補充大電網的空缺，且有改善電網峰谷性能，提高供電可靠性、安全性，緩解電網供電壓力的優勢。由此看來，通過對電網進行改造來加強電網安全性和可靠性，不如通過發展分布式電源來的更加快捷、簡便、經濟、高效。目前，在歐洲一些發達國家，高壓輸電線路建設的腳步已經緩慢了許多，而以新能源、可再生能源作為能源供給的分布式發電系統（DG）卻得到了快速的發展。無疑，分布式發電未來將成為大電網的可靠補充，將成為電力系統的發展趨勢之一。另一方面，隨著可供利用的煤、石油、天然氣等一次能源的逐漸減少、對環境造成嚴重污染，而當代社會對能源需求卻在增加、對環境保護更加重視、要求可持續發展。為了達到以上發展要求，開發利用可再生能源已成為發展的必然趨勢。而分布式發電系統就是充分利用可再生能源。隨著對分布式發電研究的深入，分布式電源已經開始出現了控制困難、單機接入成本較高等問題。首先，因為配電系統中能源流動呈單路徑特點和單向性特征、電能傳輸結構呈無緣放射狀，致使分布式電源的容量必須小于本地用戶總負荷容量，在一定程度上限制了分布式電源的利用。其次，一旦DG接入大電網，系統會把它當作不可控源來處理，一般采取隔離、限制的措施來減小其對大電網的影響。最后，IEEE_P1547/D08“關于分布式電源與電力系統互聯的標準草案”標準中規定：部分分布式電源可在線運行，但當并網系統故障時，分布式電源必須立即停止供電，這樣就極大的限制了分布式發電利用率。因此怎樣解決DG大規模并網這一問題，充分發揮分布式發電的優勢和潛力已成為各國學者關注和研究的重點。隨之微型電網的概念被提出。1.3主要研究內容本文通過PLC設計小型風光互補控制系統，能夠自動完成風能與光能切換過程。主要研究內容如下：設計系統控制方案，根據系統的控制要求設計控制方案和系統結構圖和工作原理圖。對相應的硬件進行基本介紹和完成系統的硬件設計，主要器件的選型和接線圖的繪制。根據設計的方案和控制要求完成控制程序的編寫和組態界面的開發，對相應程序和界面進行基本介紹。對完成的系統設計進行仿真驗證，檢驗系統的可行性和穩定性。對整個系統進行評估，系統性的介紹。對系統仿真的結果進行分析，說明系統的效果。第二章系統控制方案設計2.1系統控制要求圖2.1為風光儲能系統連接圖，主要由風機和發電機、光伏電池板以及Boost模塊、電池以及雙向DC/DC模塊、雙向變流器DC/AC模塊、再就是用于并離網快速切換的晶閘管SCR等幾個部分組成。風能通過風力發電機輸出直流接入到直流母線，電池板經過Boost控制器接入到直流母線、電池通過DCDC模塊接入到母線，這三個源共同組成直流母線。DCAC的直流接在直流母線，交流側在并網時接入電網，離網孤島運行時，直接接負載，離網供電。圖2.1風光儲電路連接圖為了確保系統的供電可靠性，需要并離網之間能夠無縫切換，在并網運行時，若電網發送故障需要迅速的切斷電網，逆變器迅速進入到離網模式，確保負載不斷電，當電網恢復正常時，需要平滑的切入到并網模式。為了確保平滑切換順利進行，在交流負載和電網與逆變器連接側各有一個SCR，用于快速切換。同時為了提高供電質量，對風速與光照強度進行監控，只有當風速滿足設定要求，風力發電機才能接入系統；當光照強度滿足要求，光伏電池板才能接入系統，對蓄電池溫度進行監控，當溫度過高時發出報警信號同時斷開系統。2.2系統結構設計圖2.2系統結構圖第三章系統硬件設計3.1PLC的發展PLC發現迅速，在短短幾十年的時間里就取得了很大的進步，這得益于計算機技術、微電子技術和編程語言的發展。PLC隨著發展的進步，它本身的優勢也越來越突出，具有適用性強、容錯率低、處理速度快、反應靈敏等一些特點。為了讓PLC適用于更多地行業，它仍在不斷發展中，目前開始廣泛應用于各個行業。雖然問世時間并不長，但PLC無論在國內還是在國外，發展都相當的迅猛，有強大的生命力和高速的增長模式，成為當今占據第一位的自動化裝置。1.國外PLC發展狀況PLC最早問事于美國，就算是到了現在，美國的PLC技術也處于國際領先地位。自從40年代第一臺編程控制機器的出現，日本、德國、意大利等國家開始陸續引入此技術。經過近八十的發展，國外有幾百家產商在生產PLC技術，種類更是高達一千種。PLC在全世界的銷售量逐年增加，品種也越來越低，重要的是價錢越來越低，讓普通老百姓都可以消費得起。在上千種PLC類型中，主要的還是美國、日本、歐洲的產品，它們的產品供往各國各地。其中比較著名的廠家主要有德國的西門子，美國的AB，韓國的三星，日本的三菱、松下等等。這幾個著名的品牌幾乎在世界各個角落都可以看到，自然而然也形成了巨大的競爭。美國和歐洲的PLC產品主要應用于大型、中型PLC領域中，而日本、韓國的PLC產品則在小型PLC領域中具有廣泛應用，而其他國家生產的PLC主要供自己國家小范圍內的使用。2.國內PLC發展狀況我國目前的工業自動化技術普遍比較落后，PLC技術同發達國家相比較，遠落后于發達國家，現在工業中應用的PLC產品絕大部分是國外產品，如西門子、三菱、歐姆龍，是中國工業市場上的傳統供應商。國產PLC產品在整個工業市場中只占據很小的份額，沒有名牌產品和集中化的生產鏈，無法形成系統化、專業化的工業規模，這對我國的經濟發展是極其不利的。為了改善我國的工業結構和追趕發達國家，我們國家研究者們不辭辛苦，逐漸拉小了我國同國外的差距。國內市場對PLC產品需求量大，為PLC業務發展提供了絕佳的機會。尤其在應用方面，引進了大量的PLC產品，并且在我國自己生產制造的設備上采用了PLC控制。另外，應用PLC對老設備進行改造，不僅可以節約成本，也對產品進行了升級。3.2PLC的定義和特點3.2.1PLC的定義可編程序控制器簡稱PLC，是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及有關的外圍設備都應按照易于與工業控制系統形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。3.2.2PLC的特點（1）可靠性高、抗干擾能力強；（2）編程簡單、易于掌握；（3）功能強、通用性好；（4）設計、安裝容易、維護工作量少；（5）體積小、重量輕、功耗低。3.2.3PLC的基本結構和基本原理 圖3.1PLC的基本組成如圖3.1，PLC的基本組成：（1）中央處理單元；（2）存儲器；（3）輸入/輸出接口；（4）電源及外部設備。當PLC運行后，工作過程分為三個階段：輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新。完成三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復執行上述三個階段。3.3PLC的型號選擇PLC的型號有很多種，對于合理選擇PLC是非常重要的，對于系統的性能也是非常關鍵的，本次畢業設計使用的PLC型號是西門子的S7-1200系列的1214AC/DC/RELAY，這個系列的PLC不僅滿足系統的需求，它的編程還較為簡單，性能穩定。S7-1200系列PLC可以根據不同系統的控制要求進行相應的輸入輸出擴展，對于一些輸出點較多的系統可以擴展輸出模塊，對于一些輸入點較多的系統可以擴展輸入模塊。圖3.2S7-1200系列PLC3.4風力發電機風力發電機是將風能轉換為機械功，機械功帶動轉子旋轉，最終輸出交流電的電力設備。風力發電機一般有風輪、發電機(包括裝置)、調向器(尾翼)、塔架、限速安全機構和儲能裝置等構件組成。風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據目前的風力發電機技術，大約是每秒三公尺的微風速度（微風的程度），便可以開始發電。風力發電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發電沒有燃料問題，也不會產生輻射或空氣污染。圖3.3風力發電機3.5光伏電池板太陽能電池板（Solarpanel）是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應或者光化學效應直接或間接轉換成電能的裝置，大部分太陽能電池板的主要材料為“硅”，但因制作成本較大，以至于它普遍地使用還有一定的局限。太陽電池是一種對光有響應并能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發電原理基本相同，現以晶體硅為例描述光發電過程。P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結。當光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發生了躍遷，成為自由電子在P-N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是：光子能量轉換成電能的過程。圖3.4太陽能發電機原理圖圖3.5太陽能電池板3.6系統IO表表3.1I/O分配表I0.0啟動系統Q0.0光伏輸入I0.1關閉系統Q0.1風電輸入I0.2光伏輸入開啟Q0.2光伏接入蓄電池I0.3光伏輸入關閉Q0.3風電接入蓄電池I0.4風電輸入開啟Q0.4接入負載I0.5風電輸入關閉Q0.5蓄電池溫度報警I0.6光伏接入蓄電池開啟I0.7光伏接入蓄電池關閉I1.0風電接入蓄電池開啟I1.1風電接入蓄電池關閉I1.2接入負載開啟I1.3接入負載關閉IW64蓄電池溫度IW66光照強度IW10風速3.7PLC接線圖在硬件接線上按照下圖3.6進行接線，報警燈和指示燈等輸出通過繼電器輸出，安全性更好。對于PLC接線需要按照要求接線，不可多線交叉，正負極反接等不正確接線方式。PLC電源需要220V交流電，對于輸出模塊需要24V直流電供電。圖3.6PLC接線圖第四章系統軟件設計4.1系統流程圖圖4.1系統流程圖4.2梯形圖設計梯形圖在工業控制系統的應用得到了普遍性，梯形圖雖然實用編程語言編寫的一種簡單的圖形，但它的圖形和平常的電路圖非常相似，具有簡單明了，直觀易懂的特點，即使沒有編程語言基礎的工人們也非常容易看懂這種圖形，梯形圖非常適用于開關量邏輯控制。PLC控制系統中，并沒有完全脫離繼電器，它是將新的電子技術和傳統的繼電器結合來實現編程的控制。PLC梯形圖中最大體現了這一點，軟件所設計的每一個部件都需要有自己的名字，基于繼電器，梯形圖中很多以繼電器命名的，比如輸入繼電器、輸出繼電器、內部輔助繼電器等等。但它們都不是真正的繼電器，只是用軟件模擬，具有繼電器的作用效果。開關量的輸入模式一般有兩種，這個輸入模式主要是針對電流的輸入，一種是家庭里普遍使用的220V直流電壓，還有一種就是工業常使用的24V電壓。直流電壓輸入電路使用起來比較方便，它可以和不同的電子設備、開關等其他零部件進行連接，不需要其他額外的材料。而24V電壓適用于工作環境比較惡劣，灰塵比較嚴重的情況下，但是這種輸入模式較為可靠。開關量的輸出方有三種：繼電器輸出、晶閘管輸出和晶體管輸出。繼電器輸出從經濟方面來說它是最便宜的，它的輸入方式既可以是交流電壓也可以是直流電壓，可選擇性比較強。但由于繼電器承受瞬間變化的巨大壓力，頻繁的接觸和沖擊，使它的壽命比較短，可靠性較差，因此它比較適用于頻繁開關的系統。若是針對那種不經常開關的系統，選擇晶閘管輸出和晶體管輸出較為合適。但是這兩種輸出方式價格都比較高，考慮到本論文只用于小型的設備，而且需要的功能較少，對速度要求也不高，所以選擇了繼電器作為輸出系統的設備。在軟件中進行系統的編程語言，根據前面所設計的流程圖和線路圖，編寫的程序比較長，因此將其放到附錄中，正文中不再一一詳細介紹。但是重要的部分有必要對其進行說明，見下面圖和解釋。圖4.2系統啟動程序此程序為系統的啟動程序，M0.0為啟動位，I0.0為外部啟動按鈕，當M0.0或者I0.0閉合時，M0.2得電閉合自鎖。M0.2為運行標志位，此時系統開始運行。M0.1為停止位，I0.0為外部停止按鈕，當M0.1或者I0.1斷開時，M0.2失電斷開，系統停止運行。圖4.3蓄電池溫度報警程序此程序為蓄電池溫度報警程序，當系統啟動之前，如果蓄電池溫度大于設定溫度，如圖4.3中所示，IW64大于設定的6000，M0.3得電，系統報警，系統停止運行。圖4.4光伏接入程序如圖4.4所示，此程序為光伏接入程序，當光照強度符合設定要求時，光伏電池板才能接入系統。M0.4為接入開啟位，I0.2為外部啟動按鈕，M0.5為停止位，I0.3為外部停止按鈕。當M0.4或者I0.2得電，M0.6得電自鎖，光伏接入系統；當M0.5或者I0.3得電，M0.6失電斷開，光伏脫離系統。圖4.5負載接入程序如圖4.5所示，此程序為負載接入程序，當風速與光照強度之一滿足要求，負載才能接入系統。M2.0為接入開啟位，I1.2為外部啟動按鈕，M2.1為停止位，I1.3為外部停止按鈕。當M2.0或者I1.2得電，M2.2得電自鎖，負載接入系統；當M2.1或者I1.3得電，M2.2失電斷開，負載脫離系統。4.3組態設計組態界面也可以稱為人機界面，它主要通過顯示器來進行數據的采集和監控，方便操作人員了解系統運行的狀態。世界上第一臺組態軟件是美國公司Wonderware開發的，隨后發展的組態軟件都是以這個為基礎改進設計開發的。組態軟件經過多年的發展，現在種類已經特別多了，比較常用的包括國外的InTouch、Wincc、RSView32等，國內的包括組態王、MCGS、開物、杰控、世紀星等[16]。目前大多組態軟件的特點為：（1）組態軟件有其獨特的界面，內部系統可以收到其他系統發過來的信息，了解工業現場的狀況，并根據實時情況對現場進行調整。（2）模擬實時現場工作狀態和界面。（3）為了及時監控系統的運行，可以將系統的緊急工作狀態及時通知有關人員。（4）組態軟件可以自動把收集到的數據進行整理，做成表格發給工作人員。（5）組態軟件還可以實現區域的劃分，完成更加復雜的遠程監控。（6）可以鏈接和集成各種系統數據。（7）豐富的網絡功能，可以滿足不同的通信需求。本次畢業設計所用組態軟件為WINCC，WINCC和STEP7集成在TIAPortal軟件中，可以很方便的進行程序和組態界面的設計。圖4.6系統流程圖4.4系統仿真在完成了系統的程序和組態界面設計后，需要對整個系統的正確性和穩定性進行檢驗，由于實驗條件有限，因此采用仿真的形式對系統進行檢驗。本次采用的仿真軟件是S7-PLCSIMV15，通過WINCC和STEP7連接在S7-PLCSIMV15中對系統進行仿真，具體的仿真步驟如下：在TIAportalV15中的項目樹中啟動仿真；將已經編寫好的程序下載到模擬PLC中；打開S7-PLCSIMV15的界面，新建項目；在表格中添加PLC程序中的相關變量，便于仿真時監測程序運行；啟動HMI界面仿真，在HMI界面中進行相關操作；檢查程序是否成功運行，HMI界面中的相關狀態顯示是否正確；圖4.7系統仿真表格圖4.8監控界面圖4.9程序監控通過系統仿真可以檢驗系統的正確性和穩定性，同時可以模擬風光互補系統運行的過程。在監控界面，點擊系統啟動，此時系統開始運行，在界面中通過按鈕控制風力發電機與太陽能電池板接入系統，在狀態監控界面中可以觀察到其中的一些設備開始動作。同時打開程序監控，可以監控程序的運行，如圖4.8所示，當M0.0得電后，M0.2線圈變為綠色，此時M0.2得電。通過仿真模擬的風光互補系統控制過程，檢驗了本次設計的系統是滿足要求的。總結本文以分布式電源為背景，對風光互補系統進行研究，主要研究風光互補系統的構成以及其工作原理和運行方式，，通過對工作原理的分析和對系統硬件的選型和設計，最后開發控制程序與組態界面，并進行仿真驗證。本文各個章節內容如下：（1）完成了基于風光互補系統的智能微電網基本構成。本文以分布式電源系統為背景，提出了基于風光儲系統的智能微電網，進一步地，為了研究該智能微電網，對其構成進行進一步說明，該微電網由光伏電能、風電，外網，儲能裝置，負載；監控系統等部分組成。（2）完成了基于風光儲系統的智能微電網的運行模式以及硬件選型和軟件設計。根據上述的分析和設計，設計出該智能微電網的硬件框架，設計光能、風電、蓄電池等微網系統并對元器件選型，編寫PLCI/O地址表，合理選擇各個智能儀表。（3）搭建了風光互補系統的控制系統。根據前三章的分析和設計，利用博途軟件，對該系統進行仿真驗證和分析，結果表明，上述原理分析和硬件設計是正確的，并且該仿真系統的各種運行模式均能滿足要求。參考文獻牛沖宣.微電網的孤島檢測與孤島劃分[D].天津大學,2008李金懋.基于改進AFD的微電網孤島檢測研究[D].遼寧工業大學,2014吳芳德.單相光伏并網逆變器及其孤島檢測技術的研究[D].浙江工業大學,2012葸代其.光伏并網逆變器的孤島檢測研究[D].蘭州交通大學,2013高鵬.微電網平滑切換控制及孤島檢測方法研究[D].西南交通大學,2011吳迪.分布式發電系統孤島檢測方法研究[D].浙江大學，2014王常貴.新能源發電技術[M].北京：中國電力出版社，2003.楊蘋，楊金明，張昊.新型太陽能—風能混合發電系統的研制[D].華北電力技術，2004(1).劉山鳳，龍江，方韜.風光互補新能源成新趨勢[J].電氣技術，2008(12).王宇.風光互補發電控制系統的研究和開發[D].碩士研究生學位論文，2008.李傳統.新能源與可再生能源技術[M]．南京：東南大學出版社，2005.王琪.基于觸摸屏和PLC技術的內河船舶生活灰水處理控制系統開發[J].船海工程,2016,45(4):108-112.蘇攀,吳杰長.基于PLC的船舶機艙設備的雙層網絡控制系統設計[J].船海工程,2015(2):10