基于PLC 的微电网控制系统的设计与实现

舒薇

(怀化学院电气与信息工程学院，湖南 怀化418000)

1 引言

PLC 系统广泛应用在电气控制中，控制系统设计人员可根据系统控制需求灵活选择PLC 模块，满足控制要求。在微电网控制中，由于其具有多样化和多元化特点，所以使用传统控制模式很难保证对微电网系统的有效控制。为了解决相关不足，可以使用PLC 系统加强对微电网控制系统的设计，完善控制系统功能。

2 微电网概述

2.1 微电网概念

微电网简称微网，包括分布式电源、能量转换装置、储能装置、监控系统、保护装置、负荷等部分，是具有自我供电能力的小型发配电系统，具有自治性[1]。微电网在电网中作为输电网、配电网之后的第三级电网，可以实现主动智能配电，是一种全新的网络结构，具有极高的智能化特征。

由于微电网具有高度灵活性和独立性，可以改善大电网无法到达的偏远区域的缺陷，给偏远地区的供电提供保障。微电网可以解决大电网远距离传输所导致的能量损耗和技术问题，满足偏远山区对电力的需求，推动电力系统建设，并且具有非常高的经济性。所以，微电网对提升大电网稳定性和经济性具有十分重要的作用，未来分布式电源也将成为电力系统发展的主要方向。为了充分发挥微电网的作用，就需要建立微电网控制系统，保证微电网发电效率，并提升微电网的稳定性。

2.2 微电网构成

微电网中的元件主要包括分布式电源和储能装置，而且以新能源为主，其中分布式电源包括光伏发电和风力发电。由于这2 种发电方式受天气影响很大，具有明显的不可预测性和间歇性特征。在微网运行过程中，电力负荷还具有明显的随机性[2]。因此，为了保证微电网实现功率平衡，避免波动过大影响微网可靠性，在微电网中会专门增加储能装置以保证微电网系统供电具有更高的持续性和可靠性，从而减少波峰、波谷对电网稳定性的影响。目前，常用储能装置包括铅酸电池、超级电容、超导储能装置。

目前，微电网运行模式包括并网运行模式和孤岛运行模式，在并网运行模式下，微电网会通过PCC 点（公共连接点）和大电网相连。如果微电网电能过多不能完全使用，多余电能就会输送给大电网，如果微电网出现电能不足的情况，也能从大电网获取电能。而孤岛模式则是微电网完全脱离大电网独立运转。在实际应用中，微电网可能并不会完全和大电网物理隔离，而是会切断连接进入孤岛运行模式，孤岛运行包括计划内的孤岛运行和计划外的孤岛运行。

由于微电网和传统的电力系统在模式上存在明显不同，所以微电网控制方式也比较特殊，控制系统需要克服微网运行多样性特点，满足对微网控制的复杂性需求，充分发挥微网灵活、智能的优势，让清洁能源的使用更加可靠。

2.3 微电网控制

由于微电网电源种类很多，且很多新能源发电功率都具有不可控性，因此，微电网电力需要经过逆变器等电子设备处理后，再和微电网连接，利用电力电子技术实现对电源能量的控制和变换。逆变器所具有的微调功能，可以确保电源电能输出的可靠性[3]。微电网控制工作核心在于对微电源的控制，包括恒功率控制、恒压恒频控制和下垂控制这几种方式。合理使用控制技术能够使微电网运行具有更高的灵活性，满足用户对电能质量要求。针对微电网电源控制，可以使用对等控制、主从控制、负荷频率二次控制等控制模式。

3 PLC 概述

在微电网控制中，由于经常需要实现风电互补控制，所以微电网控制工作具有一定的复杂性，控制系统必须能有效应对微电网变化，及时对微电网状态做出反应，以保证微电网稳定性。目前，PLC 技术主要应用于智能控制技术，通过安装智能拓展模块，对微电网状态进行监测，以保证对微电网的控制效果。

4 不同发电系统下的微电网控制系统设计

4.1 光伏发电系统

为了保证光伏发电效率，需要在发电过程中对阳光进行跟踪，使光伏发电系统始终处在最合适角度，避免太阳光资源被浪费，为此专门开发了光伏跟踪系统。光伏跟踪系统能完成光电跟踪、视日运动轨迹跟踪和混合跟踪，通过跟踪控制光伏系统朝向，保证光伏发电系统的最高发电效率。目前，光伏发电系统跟踪精度越来越高，跟踪过程中需要对光伏系统的机械结构进行精确控制，比如要结合单轴机械系统和双轴机械系统设置对应的单轴跟踪模式和双轴跟踪模式。根据太阳照射特点，将光电跟踪系统东西放置，由系统控制设备对其进行旋转，不仅能满足光伏发电系统对阳光的跟踪需要，也能降低设备体积，提升空间里利用率[4]。

光伏发电系统以PLC 为基础，其硬件包括了定位模块、伺服放大器、电机、信号采集系统、数据转换模块、电流电压监测装置。光电逆变系统中包括了光伏电池板、逆变器和蓄电池组。控制过程中，会重复利用定位模块中的位置控制模式，确定太阳光的光照方向，然后随时对光伏发电系统进行调整，保证光伏发电系统能随时追随阳光，保证最佳入射角度，从而完成对阳光照射轨迹的实时跟踪。

4.2 风力发电系统

风力发电系统的控制系统主要包括数值转换模块、变频器、三相异步电动机，风电网的并网系统中包括了三相同步发电机。在系统运行过程中，PLC 系统会对微电网的并网系统进行控制，通过对系统调整保证其能够满足并网条件[5]。一般情况下，多数微电网系统都是符合并网要求的。PLC 模块在控制并网时，需要按照规定流程完成控制工作，包括控制变频器和直流稳压电源控制微电网系统使其能够输出与市电在频率、幅值上相同的电能，然后观测同期表，在与市网相位一致时立刻并入市网中，避免相位、幅值不同导致电力系统出现运行风险。

系统运行过程中应具备上位机由人机界面进行控制和监视的功能，利用上位机控制系统中的PLC 变频器，控制电动机进行风力模拟，然后利用可控直流源发给电机合适的励磁电流，保证发电机发出和市电相同频率的电压，之后用同期表进行观测，如果市电具有相同相位，则开始进行并网操作。

5 PLC 控制系统分析

5.1 PLC 控制系统设计

由于微电网属于中小型系统，所以在选择PLC 时应选择具有较多模块种类的系统，并保证系统运行速度及运行稳定性。同时也要结合微电网一些特殊功能需求，选择具有智能控制功能的模块，提升程序易编写性，比如，仅仅依靠站号和网络地址就能完成系统和外界的通信，以实现对系统的总体控制[6]。

5.2 系统控制程序设计分析

系统控制程序设计中，需要利用PLC 的可编程控制器、IO 模块，控制系统的信息输入和输出功能。PLC 控制系统应该能对微电网中的光伏发电系统、风力发电系统进行控制，也能接收系统监视信息，从而确定对系统的控制指令，保证对系统的控制效果。所以在程序设计中，应该加强对系统的组态建设，保证系统程序的分配方式。同时，也要针对系统的功能要求选择具备足够性能的PLC，保证监控工作速度，实现对风电、光电组成的微电网系统的稳定控制。

5.3 监视系统程序设计

监视系统使用电能表测量数据，包括系统运行过程中的基本参数，单相阻性、三相负载，并网联络线的基本参数等。所有参数通过PLC 总线传输给通信模块，监视人机界面上就能显示系统监视信息。监视系统硬件构成中包括了电能表、串口通信模块、人机界面。监视系统应具备对整个微电网数据的监视功能，以保证信息能够被实时处理，实现对系统的全面安全监测。在系统运行过程中，设置电能表时需要同时通过总线跨越多个电能表，所以要避免出现站号重复的情况，避免出现通信混乱情况；串口通信模块和电能表也要有相同的波特率，避免出现不能通信的情况[7]。

5.4 系统作用分析

通过使用PLC 建立微电网控制系统，投资相对较低，且系统功能构建也相对灵活，还可以结合实际情况灵活调整系统构建方式[8]。依靠PLC 可以更好地引入智能技术，加强对系统的灵活操控，保证微电网系统可以具备更高的智能性，减少过去微电网控制过程中反应速度慢的问题，还可以综合多样化能源控制，提升微电网稳定性。

6 结语

使用PLC 建立微电网控制系统能灵活满足微电网控制要求。系统构建过程中，应综合考虑微电网中不同类型的能源控制，合理使用PLC 模块强化系统功能。通过PLC 控制系统对微电网实现智能化、精确化控制，提升智能电网稳定性。