苏ICP备112451047180号-6
基于西门子S7-1200PLC的智能农场风光互补发电系统设计
与本课题有关的国内外研究情况：
近几年随着风光互补供电系统应用范围的不断扩大，保证率和经济性要求的提高，国外相继开发出一些模拟风力、光伏及其互补供电系统性能的大型工具软件包。通过模拟不同系统配置的性能和供电成本可以得出最佳的系统配置。其中coloradostateuniversity和nationalrenewableenergylaboratory合作开发了hybrid2应用软件。hybrid2本身是一个很出色的软件，它对一个风光互补系统进行非常精确的模拟运行，根据输入的互补发电系统结构、负载特性以及安装地点的风速、太阳辐射数据获得一年8760小时的模拟运行结果。但是hybrid2只是一个功能强大的仿真软件，本身不具备优化设计的功能，并且价格昂贵，需要的专业性较强。
在国外对于风光互补供电系统的设计主要有两种方法进行功率的确定：一是功率匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的功率和风机的功率和大于负载功率，只要用于系统的优化控制；另一是能量匹配的方法，即在不同辐射和风速下对应的光伏阵列的发电量和风机的发电量的和大于等于负载的耗电量，主要用于系统功率设计。
风光互补供电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，该系统是集风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。
(1)风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；
(2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；
(3)逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用。同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；
(4)控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；
(5)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。
风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：
风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。
本课题研究的主要内容及方法：
项目研究目标
1.风光互补供电电路设计；
2.风光互补供电系统的plc设计；
3.风光互补供电系统接入到智慧农业系统；
项目研究主要内容：
1.风电的发电原理及应用；
2.光电的发电原理及应用；
3.风电光电所发直流电如何变成交流电；
4.风光互补供电系统对于智慧农业系统的影响；
5.风力发电组和光电发电系统如何联合向负载供电；
研究方法
1.参考外文文献和中文资料，学习PLC基础；
2.学习光伏发电模式及发电原理；
3.参考论文网站和开源平台对新能源风光互补供电的研究；
4.到各大论坛，与一些资深新能源开发人员进行探讨与交流。
本课题所需要解决的问题：
1.风电和光电如何一起供电；
2.风电光电所产生的电能如何储存；
3.如何保证风光互补供电系统的连续性和稳定性；
4.风光互补协助供电系统怎么为智慧农业系统供电。
预期结果及其意义：
预期结果：
1.基于风光双路协助供电系统的电路一份。
2.基于风光双路协助供电系统的plc源代码一份。
3.基于plc的智慧农业风光双路协助供电系统的论文一篇。
意义：
风光互补供电系统是响应新能源的号召，风电光电都是丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进边远地区发展。同时应用在智慧农业中的风光双路协助供电系统能够给智慧农业系统提供持续性稳定性的电能。而且其中蓄电池还能储存多余的电能。
摘要
随着我国对于新能源领域的不断发展，风光发电系统得到了快速的崛起发展。电力的供给是目前生活中占据主导地位的，通过风电协助互补的供电方式可以弥补传统电力的不足，提高了自然资源转能利用率。此系统主要是通过利用风能和光能两种自然资源实现相互转能发电，风光互补发电系统主要由三部分组成，风力发电和光伏发电电池板组成的发电控制器，经过逆变器组成的供电单元，智能农场和蓄电池则成为了负载耗能和储能。本次设计的智慧农业风光双路协助供电系统，采用了可编程控制器PLC作为核心控制器元件，并结合HMI人机交互系统实现了对整个风光双路协助供电的监控管理。前期完成了对整个风光双路协助供电系统的结构设计，并对控制流程以及工艺要求进行明确划分，实现整套系统的运行方案确定。根据系统的功能要求，完成对系统的硬件选型，并制定出系统的I/O分配表，绘制出PLC的控制电路图以及系统的主电路。程序控制采用了西门子博图V16进行梯形图LAD的编译，结合仿真软件SIM实现对程序的模拟仿真调试。最后完成对HMI人机交互界面的设计，HMI与PLC实现以太网的连接，用户可以在控制室实时了解整个智能农场风光双路协助供电系统的运行情况以及风光蓄电池的储能状态。本次设计不仅结合了上位机监控技术，还采用了传感器检测技术，通过光照和风速传感器的检测设定出风力发电和光伏发电的触发机制，降低该套风光双路协助供电系统在光照和风速的能量转化率过低的情况下，低功运行整个供电系统。并设置了蓄电池温度检测，在蓄电池放电异常检测可让备用蓄电池接替储能和放电工作。该套风光双路协助供电系统实现了高效、节能、安全的设计，不仅能满足双路电力供给，在智能可视化监控上也较为突出。关键词：可编程控制器 人机交互界面 风光双路 传感器
目录
第一章绪论 1
1.1选题背景 1
1.2课题研究的目的及意义 2
1.3国内外技术现状及发展趋势 3
1.4设计的研究内容 4
第二章风光双路协助供电系统的方案设计 6
2.1风光双路协助供电的组成结构 6
2.1.1光伏发电设计 7
2.1.2风力发电设计 8
2.1.3蓄电池设计 9
2.2系统框架及功能方案设计 11
第三章硬件设计 14
3.1传感器选型 14
3.1.1光照传感器选型 14
3.1.2温度传感器的选型 15
3.1.3风速传感器的选型 16
3.2变压器的选型 17
3.3PLC的选型介绍 18
3.4PLC外部接线图 19
3.5I/O分配表 21
第四章软件设计 24
4.1系统的控制流程 24
4.2风光双路协助供电系统的梯形图设计 25
4.3HMI界面设计 32
第五章仿真调试 35
结论 41
致谢 42
参考文献： 43
第一章绪论
1.1选题背景
随着时代的快速发展，电力已经成为了人们日常生活当中最为常用的动力来源之一，随着工业和人们生活发展水平的不断进步，人们对于电力的依赖度越来越高。无论是农业、工业还是高端产业链，都离不开电力的供给，其用电量逐年增加，可以说如果离开电力的支持人们的日常生活将陷入无秩序的状态。正因为电力在我们生活中的占比越来越大，才使得电力供给单元在当今社会的重要性。传统的电力行业主要是依靠火力发展、水利发电、核电等方式去实现的，其中最为普遍的发电方式为火力发电，火力发电主要是依靠煤或者矿物燃烧所产生的热量通过转换成电力，虽然火力发电的技术趋于成熟但是其本身对于环境所带来的污染是必不可少的。随着我国的生化改革，对于能源规划已经成为未来发展的趋势，随着光伏和风力发电的介入，可以利用自然资源实现能转电。我国是一个能耗大国，特别的是电力输送方面常出现电力不足的情况。我国的能源分布不均衡，很多偏远地区、山区、牧场等地段由于供电网络的损耗，通常电力不能满足日常的供电需求。在不消耗矿产燃料的情况下，采用风光互补系统发电已经成为了诸多地区来补充电力的方式[1]。
传统的风光互补系统采用了继电器和接触器控制，控制的功能单一且能量转化较低。接触器和继电器控制由于需要占用较多的机械触点，加上复杂的外部接线导致整个控制系统的线路极度复杂，在后续的维护和管理上较为困难。传统的光互补系统发电系统均采用人工半自动化控制，根据风力和光伏的启动运行均靠人工判定是否满足转能条件，该种情况的供电转能效率太低。并且在控制性能上传统的无法实现全自动化转能，蓄能再到输出负载的控制，这样导致了传统的风光互补系统发电系统需要配套一定量的人去实现中间的合闸等操作，人工成本较高[2]。随着迎合市场的需求，高智能化的风光互补系统发电系统的研发是至关重要的，全自动化控制的风光互补协助供电系统中，剥离人工参与的中间环节，提高整套系统的转能协助供电的效率。并且为了实现数字化监控，远程监控整个风光互补协助供电系统，需要对整个供电闸有初步的了解，监控蓄电池是否出现虚放电或者漏电等情况产生的高温，其次就是整个储能单元的供电蓄能情况。风光双路协助供电系统在高智能控制器集成控制下，需要实现系统的检测、报警、信号输出控制，智能化远超传统系统，并且需要方便后续的自动维护和升级。如下图1-1所示为传统风光双路协助供电系统。
1.2课题研究的目的及意义
随着金融危机所带来的机遇和挑战，产业升级、科技创新，我国提出了十大产业振兴规划草案。当前随着全球经济危机的影响减弱，中国的经济快速复苏，全球对于能源战略越来越重视，其需求量与日俱增，然而传统的石油、天然气、煤炭等都是不可再生的资源世界储备有限，人们面临着严峻的能源危机。近几年来困扰人们日常生活和生产电力紧缺的情况已经是能源危机的典型代表之一，促使着能一方面解决环境问题，开发绿色可再生能源。光伏发电和风力发电都是通过自然资源进行转能并通过控制器对整个系统的供电进行升压、逆变、供载、蓄能的过程。我国大部分地区处于北纬45°,以南的地方全国有着65%以上的土地面积常年日照达到2200小时以上，光伏太阳能的辐射总量可以达到3350-8850MJ/m，平均下来相当于200kg的煤炭。其次就是风力发电，风力发电是最为洁净的能源其次我国还具备了丰富的风资源，储备可以达到32亿千瓦时。采用风光双路协助供电系统已经成为了未来新能源供电的趋势，并且具备了很高的商业开发价值。本次设计采用了PLC实现对风光双路协助供电系统控制，相较于传统的接触器和继电器控制，PLC可以通过I/O端口集成控制输入和输出端，并且可以添加模拟量端口配合光照和采风传感器实现对发电环境的检测，由于风力和光伏发电主要是依靠太阳光和风两种自然资源，光照强度越高和风速越大其转化出的电力则越高，在处于低转能状态传统的风光双路协助供电系统则一直处于合闸转能，此时转能效率低下且回收电能几乎不计，采用PLC控制可以通过传感器检测合理触发风电和光伏接入的条件，互补供电效能更高。其次在安全上采用了温度传感器检测蓄电池，通过温度判定蓄电池是否存在漏电、过载、虚放电的情况下诱发高温，导致整个系统无法蓄电储能，并采用了双制措施，设计备用蓄电池接替。系统采用PLC下位机控制，HMI人机交互实现远程监控反馈，将整个风光双路协助供电系统设计的运行情况实时反馈，并可视化检测温度、供电情况，让整个系统具备了高效功能、安全可靠、智能监控为一体[3]。
1.3国内外技术现状及发展趋势
国内：据统计我国智能化风光双路协助供电占比只能达到30%，风光双路协助供电智能信息化管理也只达到了10%。目前大多数区域的风光双路协助供电还是采用人工半自动化进行，其效率低并且人工管理的风光双路协助供电较为低效适用于数量较少的区域应用。随着中国经济可持续发展，国内的对能源应用规划逐渐崛起为风光双路协助供电系统市场提供了大量的需求，加上电力供给紧张的现状，智能化风光双路协助供电的战略地位越来越重要。早在2001年我国MUCE就在海岛电源供给上开发出一套新型的MUCE风光互补系统推广至社会，这种系统采用了我国自主研发的垂直轴风力发电机H型和太阳发电形成10比4的结合，改系统的电力输送较为稳定可靠。随着新能源深化改革，从发电的电机研发到蓄电池的储能设备开发，我国对于风电和光伏技术逐步推进。目前最为成熟的风光互补系统发电为槽式发电，其是通过对比蝶式和塔式发电形式的效率最为高，并且采用了最新的CSP技术，采用了多路混合储能互补的技术。我国的风光双路供电系统任然处于快速发展的阶段，对于新型的联合式风光发电系统还处于起步阶段，但是具备了较好的发展前景。
国外：国外最先进的风光双路供电系统应用最具有代表性的就是日本，日本作为岛国，国土面积有限这也使得对于风光双路供电系统的迫切需求较早。早期日本的风光双路供电系统也是采用半自动化的控制方式，但是这种方式的工作效率很低在国内产业链不断提升产量后就达不到相应的需求[4]。早期由日本三菱重工Mitsubishi还是投入研发智能化风光双路供电系统，该系统主要应用于当时的日本商区使用。日本的这套停车库系统也形成了早期的DSC系统控制，俗称风光双路供电管理控制系统。由于日本的可编程控制器以及各个应用电气元件的成熟化发展，这也使得智能化风光双路供电系统的电气控制化程度较高。日本对于新产物的应用是非常积极的，很多企业在新系统的推出后会快速实施应用，这也促使了研发经济的滚雪球效应。发展至今随着CSP控制和算法的研发成熟，也在不断应用于智能风光双路供电系统当中，日本诸多风光供电系统都是采用无人管理自动化运营。相应的日本也形成了较为完善的风光双路供电系统自动化管理模式，不仅在控制上应用了诸多算法、通信、检测等手段，管理上也采用了计算机云端监控等方式，使得该套系统逐渐能贴合当今风光双路供电系统发展的先进前沿[5]。
1.4设计的研究内容
本次研究针对的是智慧农业风光双路协助供电系统设计，风光互补发电系统主要有三大部分组成，风力发电机和光伏电池板组成发电部控制器和逆变器组成供电部分，蓄电池和其他用电负载组成耗电部分。风光互补发电系统的能量来源于自然界中的风能和太阳能，通过风力发电机和光伏电池板将风能和太阳能转化为电能，再由控制器整合为稳定的直流电，经过逆变器变成交流电供给负载使用，这其中会出现发电过多有所剩余的情况，所以将多余的电能储存到蓄电池中，当发电量不足的时候，再由逆变器转化为交流电供给负载，满足用户的用电需求。控制器是整个系统最重要的组成部分，可以看成是整个系统的核心，它不仅能够调节光伏电池板和风力发电机发电的功率，还能够控制蓄电池的充放电。蓄电池是系统中的储能装置，用来存放不能及时使用掉的电能。
（1）确定整个智慧农业风光双路协助供电系统的组成机构，根据农场的实际用电量，布局设计出光伏和风力的驱动功率大小，满足储能和负载供电需求。分析并制定出的驱动方式和运行原理。细化整个系统的设计方案，完成对智慧农业风光双路协助供电系统控制的具体功能确定。制定出整个控制单元的系统组成框架，以及各个动作的功能工艺要求。
（2）根据智慧农业风光双路协助供电系统功能要求完成对PLC可编程控制器的选型以及功能分析，对PLC选择的各个模块进行详细的叙述，完成并制定出PLC的I/O分配表。
（3）完成硬件的选择，对本次控制中所需要的硬件进行选型，列如逆变器、传感器、降压器等，对选型的硬件参数进行逐一的分析确定，并根据本次设计的工艺要求完成硬件选型型号的确定。
（4）完成整个农业风光双路协助供电系统的主电路图和控制电路图，让整个系统形成一个闭环控制体系。
（5）根据本次制定的农业风光双路协助供电系统的工艺流程和动作步骤制定出系统功能的流程图，确定系统的参数和各个元件的执行逻辑关系。
（6）通过西门子博图软件完成对S7-1500PLC的LAD梯形图编程，并通过软件自带的SIM仿真器对程序的运行逻辑进行仿真调试，调试步骤需要按照系统功能流程图逐一调试。
（7）设计完成HMI人机交互界面的绘制，完成PLC和HMI的通信连接，并通过仿真实现PLC和HMI的联动调试仿真，通过手动设定虚拟参数验证整个系统的可行性，验证HMI界面对整个智慧农业风光双路协助供电系统的实时监控反馈是否正确。
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