基于S7—200PLC光伏供电自动切换控制系统

孟彦京+刘青

摘 要： 光伏发电在实际应用中用户端的负载是不断变化的，当一台变压器下有多个用户且只有单个用户使用光伏时，如果光伏输出电流大于负载消耗时，会发生逆流现象，这种现象不利于同一变压器下各个用户之间电费的结算。为了解决这一问题，通过S7?200PLC设计一套自动切换系统，采集负载端的电流信号，根据电流变化情况通过PLC控制并网逆变器的输出负载对象，最终达到了光伏并网逆变器和负载之间的最佳匹配，消除逆流现象，便于用户之间电费的结算。此系统正式投入使用以来一直处于正常运行状态，并且达到了预期的效果。

关键词： 光伏发电； PLC控制； 负载消耗； 自动切换； 消除逆流； 并网逆变器

中图分类号： TN830.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）02?0107?04

Abstract： In practical application of photovoltaic power generation， the load in the client side changes constantly. When a transformer controls multiple users and only one user is using the photovoltaic power， reversal current phenomenon may occur if the photovoltaic output current is greater than the load consumption. This phenomenon is not conductive to electricity settlement among the individual users controlled by the same transformer. To resolve this problem， an automatic switching system based on S7?200PLC is designed to collect current signals in the load side. The output load object of the grid?connected inverter is controlled by PLC according to current change. Finally the best match between the photovoltaic grid?connected inverter and the load is reached and the reversal current phenomenon is eliminated， which facilitates the settlement of users′ electric charge. The system has been in normal operation and has achieved the expected effect since it was put into use.

Keywords： photovoltaic power generation； PLC control； load consumption； automatic switch； reversal current elimination； grid?connected inverter

0 引 言

光伏发电由于受到天气影响，输出功率变化范围较大。通常为了充分发挥太阳能的效益，自发自用的光伏发电系统装机容量一般远小于用户的总用电量。但是对于拥有两个以上变压器和三相不平衡的用电情况，对于光伏发电[1?3]来说，可能出现由于接入负载某时段小于光伏发电量以及三相不平衡导致光伏系统向电网逆向供电，即所谓逆流现象。实际上对于用户来说，总的负荷是小于光伏发电量的，由于不能充分利用太阳能的装机容量，因此实际上就造成了额外的经济损失。另外由于太阳能发电变换器的输出通常是设计成三相平衡和功率因数[4]为1的工作状态[5]，所以当三相不平衡供电时，还可能造成三相中某一相或两相向电网逆流的问题，同時配置不合理还有可能造成网侧功率因数下降。本文针对用户为多个变压器供电和光伏发电多个并网逆变器[6]并联的情况设计了一种由PLC为控制中心，通过电流检测和平衡性判断进行自动切换的控制系统解决光伏发电的逆流和充分利用问题。包括负载的切换和逆变器的切换在内，防止逆流发生，同时也使功率因数得到提高。

1 光伏发电系统配置情况

本光伏系统配置情况，由一个500 kW并网逆变器与三个100 kW并网逆变器组成，总输出功率为800 kW。

供电对象为陕西某建材市场，该市场与另外一建材市场共用一个高压电表，如图1所示，高压电表下的1，2，3号高压柜为该建材市场所用，1，2，3号负载则为光伏供电负载，其负载功率分配分别为：1号负载总功率为519.662 kW；2号负载总功率为271.766 kW；3号负载总功率为519.860 kW。

2 防逆流的光伏发、供电系统设计

由于负载通常情况下是变化的，在光伏发电并网时会出现当前负载的功率小于当前光伏并网的输出功率，因此在满足负载消耗之后，所剩余的电量则会发生逆流现象；同时，光伏并网逆变器输出始终保持在三相平衡，并且功率因数为1的状态[7]，而负载的分配如果是三相不平衡的，就有可能会出现三相中一相或两相是处于光伏供电状态，另外两相或一相处于逆流状态；如果当市电的高压电表下的负载都是同一用户，则影响不大，但实际上有两个用户同时用电，则逆流会增加各个用户和电网之间以及各个用户内部电量计量的难度，因此必须防止逆流现象发生。endprint

为了防止逆流的发生，就必须保持光伏的并网输电功率小于负载的消耗功率，为此设计一种用PLC控制的光伏供电自动切换控制系统，根据当前不同线路的用电情况选择投入不同功率的并网逆变器，其供电示意图如图2所示，现结合实际用电情况将四个并网逆变器分成三组，即500 kW并网逆变器单个为500 kW功率输出，两个100 kW逆变器输出端并联组成200 kW功率输出，剩余一个100 kW逆变器为100 kW功率输出，将三组并网逆变器的输出端分别接在高压柜1和高压柜3的低壓侧，通过闭合不同的交流接触器来切换并网逆变器的输出对象。高压柜2停用，其2号负载与1号负载并联，通过高压柜1供电，因此，只要根据当前负载的消耗情况投入输出功率小于负载消耗功率的并网逆变器即可防止逆流发生。但必须注意的是，同一并网逆变器不能同时接通两路负载，防止高压柜中变压器并联而发生意外。

3 系统硬件设计

3.1 PLC硬件设计

结合实际情况，选用S7?200PLC[8]即可实现并网逆变器在负载之间切换的功能，具体控制系统设计如图3所示。控制系统采用中间继电器控制外部交流接触器，KA1～KA6表示继电器线圈，KM1～KM6表示交流接触器上的常开触点，当外部交流接触器线圈得电时，交流接触器吸合，常开触点闭合，常闭触点断开，接通并网逆变器与对应的变压器，光伏对负载正常供电，并且通过常开触点将输出信号反馈给PLC的输入端口I0.0～I0.5。

通过常闭触点在KM1与KM2，KM3与KM4，KM5与KM6之间相互形成机械互锁，具体实施是将KM1的常闭触点串联在KM2的接通回路中，同样，将KM2的常闭触点串联在KM1的接通回路中；KM3与KM4，KM5与KM6之间亦是如此。

3.2 电流信号采集设计

控制系统对并网逆变器输出线路的切换是依据当前电路变压器低压侧的电流变化为条件的，因此需要采集此处的电流信号，因为原系统中低压侧有断路器和电能表，二者均装有电流互感器采集电流信号，因此无需再额外加入变流互感器，只需在原系统断路器的电流采集电路中串进电流变送器，即可取出电流信号，如图4所示。模拟量输入模块采用西门子SM231模块，将采集到的电流模拟量传入PLC中处理后转化为实际值显示在人机界面中。

3.3 人机界面设计

人机界面采用的是S7?200PLC的TD400C操作屏[9]，如图5所示。TD400C操作屏是用于系统操作的主要设备，基本功能包括：系统状态显示、用户手动切换、系统自动切换。其显示功能依靠LCD显示屏完成，操作功能依靠LCD屏旁边的15个触摸按键完成。图中绿色区域为LCD显示屏，显示屏右侧和下侧为按键区。

4 控制系统软件设计

控制系统分为手动控制和自动控制，自动控制状态下，系统根据当前变压器低压侧负载电流自动投入和断开不同的并网逆变器，并且优先选择负载，最大化光伏的输出，使并网逆变器的输出电流始终小于负载消耗电流；手动状态下，用户根据自身意愿，选择并网逆变器的输出对象，系统不会自动调整优先级。

4.1 信号采集处理

由于采集的电流信号为连续的，因此将三相电流的模拟量采集进来后使用滑动滤波[10]的方式进行处理，得到三相电流每相电流的平均值。并且比较取出1号负载和3号负载三相电流的最小值，分别为Imin1和Imin3，以供切换并网逆变器使用。

4.2 并网逆变器切换以及优先级设置

为了防止逆流的发生，必须保持并网逆变器的输出电流小于当前负载消耗电流，而光伏并网逆变器的输出有输出上限，可以当作定值，因此只需根据当前1，3变压器低压侧的负载电流大小来选择投入的并网逆变器，当负载电流大于并网逆变器输出定值时，投入对应的并网逆变器。当并网逆变器投入之后，从电网侧输入的电流必将减小，即互感器采集的三相电流值会小于并网逆变器的输出定值，此时必须在程序中设置自锁，否则会出现并网逆变器的接通、断开…如此循环，程序自锁设定当互感器采集电流值小于10 A时认为此时逆变器输出已经大于负载消耗了，可以断开当前输出的并网逆变器，防止逆流发生。同时为了保证3号负载用电的优先级问题，只需对变压器切换1号负载的程序中，加入3号负载的电流信号，当3号负载电流满足逆变器切换条件时，逆变器则会首先断开1号负载，如此就可以达到对于3号负载的优先供电，并且每次当负载电流条件满足时，程序设定延迟30 s再接通逆变器，以防止变压器并联事故。

5 项目结果

表1为改造前的1#负载的用电情况，所有逆变器均只给1#负载供电，时间为每天9：00—17：00，抽取三天同时间段内三相电流的平均值。

从表1可以看出，随着时间推移，光照强度增大，光伏系统发电量越来越多，由于1#负载三相不均衡，所以出现了两相电流为零的情况，则表示光伏供电的电流满足了负载消耗后，其余已经发生了逆流。

表2为改造后的1#负载的用电情况，仅有100 kW逆变器对1#负载供电，200 kW与500 kW给3#负载供电。

由表2可以看出，自从自动控制切换系统投入使用后，1#负载的三相电流并没有逆流发生。

6 结 语

本文通过使用S7?200PLC控制光伏输电切换系统，不仅可以防止逆流的发生，而且可以更加有效地利用光伏发电，也便于电网电量、光伏电量与各用户用电量之间的结算。此系统于2016年8月23日正式投入使用，现一直处于正常运行状态，并且达到了预期的效果。

注：本文通讯作者为刘青。

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