小型风光互补发电系统的搭建

摘要：概述了小型風光互补发电系统的基本结构，阐述了系统各模块的组成和作用;分析了上位机监控系统的搭建方法、组态画面的设计思路，并介绍了一种上位机与PLC和各接口板卡、智能仪表之间通信的配置方法。

关键词：风光互补;监控系统;发电系统

0    引言

随着能源的匮乏和科技的进步，可再生能源的利用已经成为目前的研究热点。光伏和风电作为清洁无污染的可再生能源，深入研究风光互补发电的理论框架和整体解决方案，对于电力行业实现产业升级和能源转变具有重要的推进作用。合理开发太阳能与风能，安装小型的风光互补发电系统，对我国广大偏远农村的可持续发展具有一定的促进作用。

1    系统设计

1.1    系统组成

如图1所示，风光互补发电系统主要由光伏发电装置、光伏发电控制器、风力发电控制器、风力发电装置、蓄电池组件、逆变装置组成。光伏电池是光伏发电装置的基本组成单元，可以将光能转变为电能输出，运行过程中会受到光照强度、光照角度、温度、湿度等因素的影响。风力发电装置主要依靠风力发电机，根据空气动力学将流动的风能转变为电能输出。光伏发电系统和风力发电系统发出的电能储存在蓄电池中，通过逆变系统将蓄电池中的直流电变为交流电，供给负载使用。

1.2    模块介绍

光伏发电装置主要由光伏电池板、光线传感控制器、水平和俯仰运动机构、可编程逻辑控制器、接近开关、微动开关、底座支架等设备和器件组成;光伏电池板接收太阳光照，通过光线传感控制器对光照方位的检测自动调节水平和俯仰运动机构，使光伏电池板输出最大电能。

风力发电装置主要由风力发电机、可编程逻辑控制器、测速仪、测风偏航机构、微动开关、接近开关、塔架和基础等组成;风力发电机利用尾舵实现被动迎风偏航，测速仪检测到风速过大时，测风偏航机构自动调节尾舵角度，从而使风力发电机转速变慢或进入制动状态。

光伏发电控制器和风力发电控制器分别用于采集光伏发电和风力发电的输出信息、蓄电池的工作状态信息，实现对蓄电池组件的充放电功能。

逆变装置主要由逆变控制器组成，逆变控制器接收蓄电池组件输入的直流电，并将其变为220 V、50 Hz的交流电输出。

1.3    设计要素

本文主要针对小型化的风光互补发电系统，在功能实现的前提下，尽可能考虑经济性指标。蓄电池组件可选择阀控密封式铅酸蓄电池，容量12 V/18 Ah/20 HR，尺寸345 mm×195 mm×20 mm，可编程逻辑控制器可以选用西门子的S7-200 CPU。正常情况下，风力发电机在风速为3 m/s时进入运行状态，平稳工作时可以输出电压12 V，电流小于20 mA，由于风能和太阳能的互补作用，阴雨天亦可工作。

2    监控系统

风光互补发电系统除了上述装置以外，还可以搭建光伏输出显示模块、风力输出显示模块、逆变输出显示模块，实现对电压、电流信号的采集，同时可以由计算机和组态软件进行上位机组态设计，实现对风光互补发电系统的远程监控。

2.1    设备通信

监控系统所用到的设备如下：光伏电流表、光伏电压表、风力电流表、风力电压表、逆变电流表、逆变电压表;光伏控制器、风力控制器、逆变控制器;光伏PLC、风力PLC。根据选用的设备不同，可以选择不同的通信方式。这里给出一种较为经济的方案，可供选择。

上位机与6块电表之间可选用RS485通信方式，通信接口为COM1;选用西门子S7-200 CPU，上位机与2块PLC之间采用RS485通信方式，通信接口为COM2;上位机与3块控制器之间采用RS232通信方式，通信接口分别为COM3、COM4、COM5，如表1所示。

2.2    组态设计

监控界面主要由风光互补总控界面、供电系统监控界面、逆变系统监控界面、能源系统管理界面组成。风光互补总控界面实现对系统的整体监控，供电系统监控界面实现对风光互补发电电压、电流信号的监控，逆变系统监控界面实现对逆变器参数的设置和逆变电压、电流信号的监控，能源系统管理界面实现电压、电流值的数据查询、曲线绘制和发电功率监控。

3    结语

风光互补发电系统以太阳能和风能两种清洁能源为基础，利用两种能源的优势互补，实现了能源的分布式应用。针对昼夜天气变化，最大化利用光伏发电和风力发电的互补性，降低了工程造价和发电成本，提高了发电的资源效益和经济效益，为绿色供电系统的发展提供了思路。

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[3] 郑伟南，陈泓亦.并网型风光互补发电系统优化设计研究[J].电工技术，2018（8）：98-100.

收稿日期：2020-05-27

作者简介：朱高伟（1988—），男，河南洛阳人，讲师，研究方向：自动化分析、机器学习等。