基于PLC的风力发电混合储能系统控制方法研究

(新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

0 引 言

由于环境污染愈发严重，迫切需要一种新型无污染的能源。风力发电作为一种对环境无污染的新型可再生能源受到人们的追捧。而由于受到复杂的地理环境和气象环境的影响，风电输出功率具有比较强的随机性和波动性，因此风力发电大规模并入电网将会产生不利的影响[1-2]。怎样降低风电的波动性满足并网条件就成了当前的研究热点，储能技术是当前平滑风电功率波动最有效的方式之一。储能设备成本快速下降、性能大幅度提升，使得储能技术在风力发电的平抑输出功率波动性上的应用趋于热门。利用蓄电池和超级电容各自的优缺点形成互补性，基于PLC的核心控制作用于蓄电池和超级电容器，使其吞吐能力起到了平抑风电功率波动性的目的，即风力发电输出功率快速增大时，PLC控制混合储能系统吸收功率；反之则控制混合储能系统释放功率[1-5]。

随着工业控制领域的快速发展，PLC作为一种可编程的存储器，用于内部存储程序、执行逻辑运算、顺序控制、计数与算术等指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的工业生产过程[5]。PLC具有抗干扰能力强、可靠性高、编程简单、功能强大、成本低廉等特点，广泛应用于各种工业控制领域中。总结上面所述优势，将PLC应用在以蓄电池和超级电容器组成的混合储能系统中，能快速响应调节混合储能的充放电，平抑风电的输出功率，使蓄电池和超级电容器的SOC荷电状态稳定在可靠范围之内，避免蓄电池和超级电容器过充过放，延长其使用寿命。

1 混合储能系统总体设计

1.1 控制要求

混合储能系统以PLC为核心控制器，将混合储能系统分为储能阶段和释能阶段，由电力采集模块将风力发电输出功率的采集信息传到PLC控制器中，与满足电网要求的功率设定值进行比较：当采集值大于设定值时，即风力发电输出功率大于并网需求功率时，向混合储能中输入功率；当采集值小于设定值时，即风力发电输出功率小于并网需求功率时，混合储能系统输出功率。

1.2 混合储能系统构成

除了风力发电机组和AC/DC变换器外，混合储能系统主要包括PLC主控制器、电力参数采集模块、DC/AC变换器、通信模块、数字量输入/输出模块、显示屏。混合储能系统将PLC作为控制器把各个模块连接起来，提高系统的稳定性。

图1 控制系统硬件结构

2 控制过程

采用蓄电池和超级电容器组成的混合储能系统对风力发电输出功率进行平抑的控制方法，是将风力发电的输出功率分为高频与低频部分，用蓄电池与超级电容器进行功率补偿[4]。

在研究混合储能的控制方法时，风电机组接收到的风速是平均风速，由于国网调度的需要，在进行功率的参考值设定时，一定时间内电网调度需要的功率是稳定不变的[3-5]。

蓄电池由于能量密度大，价格较低，经常应用于储能系统中，但其功率密度小，不能应用于大功率、频繁的充放电场合。若单独使用蓄电池充放电，会缩短蓄电池的使用寿命，因此将蓄电池应用在平抑风电输出功率的低频部分。而超级电容器由于功率密度大，充放电速度较快，将其应用在平抑风电输出功率的高频部分[6-8]。混合储能系统补偿功率公式为

ΔΡ=ΡW-PK

式中：ΔP为蓄电池需要补偿的功率；PW为风力发电输出功率；PK为电网调度需要输入的稳定不变功率。

若ΔP>0时，即风力发电输出功率大于电网调度需求功率，向混合储能系统中储存能量；ΔP<0时，即风力发电输出功率小于电网调度需求功率，则由混合储能系统进行功率补偿。低频功率部分由蓄电池进行补偿，高频部分由超级电容器进行补偿。为了使混合储能系统充放电能力得到保证，并发挥超级电容器反应速度快和储能电池容量大的特点，利用电池荷电状态(state of charge,SOC)分级优化平抑混合储能系统的风电功率，此方法在实现风力发电有功功率波动平抑的同时，使混合储能系统整体较高的充放电能力得以实现，充分利用超级电容器反应速快和储能电池容量大的特点，维持储能器件SOC在合理范围，避免了储能设备的过充过放。

3 PLC模块设计

平抑风电功率的混合储能系统需要实时的数学计算以及分析，西门子生产的PLC控制器能满足混合储能系统的控制要求。PLC控制器运算速度快、逻辑分析准确，其可靠的网络结构和系统性都为PLC应用在混合储能系统中提供了可能。

3.1 CPU模块

当前市场上大多数采用的PLC产品为PLC-200。PLC-200系列可靠性高，指令集丰富，便于学习，操作简单，内置集成功能丰富，通讯能力较强。PLC-200CPU模块主要有CPU224CN、CPU221、CPU224-XP等，不同的CPU型号对应的功能不同。为了所提控制要求，这里采用的CPU模块为S7-224CN[6]。

3.2 I/O模块

I/O模块具有PLC与外部设备进行数据信息交换的功能，其将系统中各种数据与信息连接起来，并传送到PLC控制器中进行处理与传出。PLC224CN型 CPU的I/O地址分配如表1所示，模拟量输入地址分配如表2所示。

表1 I/O地址分配

表2 模拟量输入地址分配

4 PLC软件设计

PLC作为混合储能平抑风力发电输出功率功能的核心控制器，在进行软件设计的过程中需要对重要的参数进行初始化，使其满足系统任务的设定；对I/O端口的设计，使其能够准确读取参数传送到PLC核心控制器中进行处理，完成对混合储能系统的控制作用；对整个混合储能系统控制作用进行分析，写出整个系统的控制主流程图以及子流程图；基于PLC任务平台设计控制程序，当整个系统出现故障时，PLC应能够及时发送停机指令，使得整个系统能够平稳安全的运行。PLC工作方式采用循环扫描方式，在输入采样阶段对所有的输入信号进行采样，然后对被控制量执行编程程序，在输出阶段根据执行结果输出到输出接口。

PLC结构紧凑，编程指令丰富，性价比较高，抗干扰能力强大，PLC中程序将外部模拟量信号经过逻辑运算处理转变为PLC的脉冲信号输出[10-12]。将功能强大的PLC作为混合储能系统的核心控制器，使混合储能控制系统在平抑风电输出功率时可靠性高，系统维护方便，保证风电输出功率安全平稳地输出到电网中。

4.1 系统流程设计

由于整个控制系统较为复杂，可采用模块化的方式把一个复杂的程序，分解成两个或若干个便于理解和调用的过程，使整个程序段变得简单，每个模块都具有各自的子功能。采用模块化进行系统编程，加上一定的运行条件和逻辑判断实现整个控制系统的功能。在进行编程时，需要注意降低软件编程的复杂性，提高理解能力和维护能力，模块不能任意划分，在分解时应保证其具有独立性。因此将控制程序分为主程序和子程序，主程序主要用于系统的初始化以及子程序的调用，子程序主要应用于具有独立功能的混合储能系统的控制程序段。模块化的程序设计有利于后期的系统调试以及程序的修改。主程序、混合储能控制系统子程序流程如图2、图3所示。

图2 主程序流程

图3 子程序流程

程序初始化是对程序中准备使用的寄存器设定初始值，因为PLC有断电保护作用，通电之后其数据分配被打乱，因此要对这些数字量信号进行清零与复位操作。程序初始化流程见图4。

图4 初始化流程

4.2 PLC编程软件的设计

采用西门子公司PLC-200系列的编程软件Step 7编写PLC程序。PLC-200编程软件常采用梯形图以及语句表，梯形图由于直观、实用、形象，是当前工业控制领域最为常用的PLC编程语言。梯形图以网络为单位，逻辑顺序按从左到右、从上到下的顺序进行[9,12]。部分梯形图如图5所示。

5 仿真分析

将所提的以PLC为控制器的混合储能系统，对风力发电的功率波动控制策略在Matlab/Simulink中进行仿真分析。以额定功率为0.5 MW的风机输出功率数据，对其进行仿真分析，结果如图6、图7所示。

图5 部分梯形图

图6 风机输出功率曲线和混合储能平抑后功率曲线

图7 混合储能系统SOC状态

由图6可知，混合储能结合了蓄电池和超级电容器两者的优点，蓄电池平抑风电输出功率的低频部分，超级电容器平抑风电输出功率的高频部分，两者能够很好地平抑风电输出功率的波动性。

由图7可知以蓄电池和超级电容器组成的混合储能系统荷电状态工作于25%～75%之间，始终在可靠范围之内，避免了蓄电池与超级电容器的过充过放，保证了混合储能系统的安全性。

6 结 语

先是分析了风力发电的混合储能系统硬件结构，以PLC作为控制器，利用PLC成熟的技术应用在混合储能系统对风力发电输出功率波动性的平抑上；再是设计了系统的主流程图以及子流程图，在PLC的编程软件中设计了梯形图。通过对整个控制系统软硬件的设计，较好地解决了风力发电在并网中的波动性问题。