張小杭

摘 要：本設(shè)計是一個包含了風(fēng)電控制、太陽能控制、逆變輸出等環(huán)節(jié)的風(fēng)/光/儲微電網(wǎng)系統(tǒng)，風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)過風(fēng)電充電控制器對蓄電池進行充電；光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能經(jīng)過光伏充電控制器對蓄電池進行充電。電池電壓由逆變器逆變成220V交流電，每套供電系統(tǒng)由投切開關(guān)與負(fù)載連接。該系統(tǒng)能實時監(jiān)控光伏電池、蓄電池以及風(fēng)力發(fā)電機的電壓電流數(shù)據(jù)并進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時光伏板安裝在能上下、左右旋轉(zhuǎn)的工作臺上可以實時跟蹤太陽的軌跡，獲得最大光伏發(fā)電效率，該系統(tǒng)可用于海島、無人值守基站等場合，具有良好的實際推廣應(yīng)用價值。

關(guān) 鍵 詞：光伏發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電，PLC，伺服控制，人機界面

中圖分類號：TP 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：

1實物介紹

本裝置包括光伏發(fā)電控制系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)、蓄電池輸出控制系統(tǒng)以及人機界面等組成部分。

光伏發(fā)電控制系統(tǒng)由兩臺伺服控制電機以及光伏發(fā)電控制模塊組成。兩臺伺服電機控制光伏板的左右、上下旋轉(zhuǎn)角度，用于追蹤太陽的位置。光伏發(fā)電控制模塊用于確定何時進行光伏發(fā)電操作。本環(huán)節(jié)能夠完成實時的位置追蹤以及最大功率追蹤兩種追蹤模式。

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機以及風(fēng)力發(fā)電充電控制模塊組成。風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出電壓，實現(xiàn)對蓄電池充電，風(fēng)力發(fā)電控制模塊用于確定何時進行風(fēng)力發(fā)電操作。

蓄電池輸出控制系統(tǒng)包含蓄電池輸出控制模塊以及逆變器、負(fù)載燈等部分，蓄電池輸出控制模塊負(fù)責(zé)何時進行放電輸出。

人機界面包括主界面、數(shù)據(jù)采集。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用三菱Q系列PLC為系統(tǒng)控制核心，用觸摸屏GOT1000為人機界面，光伏板轉(zhuǎn)動定位采用定位模塊QD752N。由于需要測量光伏電池、蓄電池以及風(fēng)力發(fā)電機三個單元的電壓、電流參數(shù)，故設(shè)置了六組變送器，通過Q64AD模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送PLC，因風(fēng)力發(fā)電難以調(diào)試，我們添加了一臺變頻器驅(qū)動的三相電扇來模擬實際的風(fēng)（調(diào)試完成可以拆除）。系統(tǒng)硬件組成如圖2-1所示。

2.2系統(tǒng)電路設(shè)計

本系統(tǒng)電路設(shè)計包含了以下幾個部分：電氣主電路；PLC輸入輸出控制電路；伺服控制電路；模擬量輸入輸出電路。

（1）電氣主電路 本電路包括系統(tǒng)啟動按鈕SB1、停止按鈕SB2、緊急停止按鈕SB3、主斷路器QF1、控制斷路器QF2/QF3、接觸器KM1～KM4等器件，能夠完成系統(tǒng)的啟動停止與伺服控制器和變頻器的供電。電路如圖2-2所示。

（2）PLC輸入輸出控制電路

本系統(tǒng)PLC的輸出端口電路使用了五個，分別驅(qū)動KA1～KA5五個直流繼電器，其電路如圖2-3所示。具體每個繼電器的控制功能參見表1-1所示。

（3）伺服控制電路 該電路包括四套伺服控制電路，由PLC控制兩個QD75D2N模塊驅(qū)動四個MR-J3伺服放大器控制四個伺服電機。電路如圖2-4所示。

（4）模擬量輸入輸出電路 該電路由三個電壓變送器和三個電流變送器組成，分別測量光伏板、風(fēng)力發(fā)電機以及蓄電池的電壓和電流，通過變送器將電壓電流信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的0～10V電壓和4～20mA電流。

3 PLC控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

本系統(tǒng)涉及到的參數(shù)設(shè)置環(huán)節(jié)很多，大致包括伺服系統(tǒng)參數(shù)配置、模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)配置、CCLINK通訊參數(shù)配置等環(huán)節(jié)

3.1 伺服系統(tǒng)參數(shù)配置

伺服電機定位參數(shù)設(shè)置包括光伏板左右、上下旋轉(zhuǎn)伺服定位參數(shù)設(shè)置、伺服放大器MR-J3的參數(shù)配置、QD75D2N定位參數(shù)設(shè)置等，編程時候用的是WORKS2軟件其自帶定位參數(shù)。光伏板左右旋轉(zhuǎn)伺服定位參數(shù)設(shè)置如圖3-1所示，QD75D2N定位模塊參數(shù)設(shè)置如圖3-2所示。

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)配置

模數(shù)準(zhǔn)換模塊Q64AD參數(shù)設(shè)置如圖3-3所示。Q64AD模擬量轉(zhuǎn)換模塊通道參數(shù)設(shè)置如圖3-4所示。

4 PLC軟件設(shè)計

4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序由光能供電、風(fēng)能供電以及電網(wǎng)供電組成。

先進行軟元件初始化，然后按下手動投切開關(guān)，設(shè)備開始運行。若已切換到光能模式，先進行光能模式，利用伺服控制光伏板雙軸進行光源跟蹤。同時檢測光伏電池的輸出電壓和電流。若已切換到風(fēng)能模式，進入風(fēng)能供電。若同時開啟光能和風(fēng)能，則光能優(yōu)先供電。若蓄電池電量已到達上限，光能和風(fēng)能不供電，則開始蓄電池帶負(fù)載放電。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4-1所示。

4.2 子程序設(shè)計

光伏發(fā)電子程序先進行軟元件初始化，然后利用伺服控制光伏板雙軸進行光源跟蹤。同時檢測光伏電池的輸出電壓和電流。其流程如圖4-2所示。

風(fēng)力發(fā)電子程序是在手動切換到風(fēng)力供電或主程序確定風(fēng)力供電時開始執(zhí)行，將風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的電力輸送給蓄電池，同時檢測風(fēng)力發(fā)電機的輸出電壓和電流。其流程如圖4-3所示。

蓄電池供電子程序是在蓄電池電量未到下限時手動投切進入放電環(huán)節(jié)，此時通過逆變器對外部負(fù)載放電。

除了光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電。蓄電池放電三個子程序，還有數(shù)據(jù)采樣及處理子程序等環(huán)節(jié)。在此不再一一敷述。

5人機界面設(shè)計

系統(tǒng)工作時的觸摸屏界面包括主界面、參數(shù)設(shè)置界面和控制界面以及監(jiān)控界面等。圖5-1為系統(tǒng)主界面。圖5-2為微電網(wǎng)狀態(tài)界面。圖5-3為微電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測界面，圖5-4為光伏發(fā)電監(jiān)測界面，圖5-5為歷史數(shù)據(jù)保存界面，圖5-6為微電網(wǎng)模擬演示界面。其他界面不再敷述。

6 系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)過不斷調(diào)試和改進，系統(tǒng)最終實現(xiàn)了理想的功能，達到了設(shè)計的要求。根據(jù)任務(wù)要求進行了伺服定位控制系統(tǒng)的設(shè)計與裝調(diào)試，按照逐漸逼近的原理實現(xiàn)原點回歸、調(diào)整到跟隨的功能。太陽能板能實現(xiàn)定位跟蹤；三相異步電動機帶動發(fā)電機模擬風(fēng)力發(fā)電。滿足了任務(wù)提出的控制要求。

7 結(jié)語

本設(shè)計的主要創(chuàng)新點如下：

（1）光伏發(fā)電：設(shè)置太陽能軌道速度，按下啟動按鈕，太陽能電池板跟隨太陽的移動軌跡同步運動；

（2）風(fēng)能發(fā)電：設(shè)置變頻器最高轉(zhuǎn)速和變速周期，變頻器在變速周期內(nèi)從最高轉(zhuǎn)速到零速之間進行單向調(diào)速的過程。

（3）電網(wǎng)供電：當(dāng)蓄電池的下限電壓達到設(shè)置電壓，將斷開風(fēng)能和太陽能發(fā)電，自動投切到電網(wǎng)供電。

（4）實現(xiàn)了伺服電機的同步控制，使兩個伺服電機的運動狀態(tài)，同時進行，避免了"伺服打架"的現(xiàn)象。我們通過對二自由度并聯(lián)機構(gòu)進行準(zhǔn)確運動學(xué)模型和動力學(xué)模型分析，進行更有效的軌跡規(guī)劃，確定了兩個電機的主動輸入角度，兩個電機的轉(zhuǎn)動方向和速度大小。

參考文獻（References）：

[1] 李艷，王勇，陳正洪，趙榮齊. 并聯(lián)機械手智能控制研究現(xiàn)狀[J]. 機床與液壓. 2008，12：180-183.

[2] 楊斌久，蔡光起，羅繼曼，朱春霞少自由度并聯(lián)機械手的研究現(xiàn)狀[J]. 機床與液壓. 2006，5： 202-205.

[3] 王冰，韓文仲. 平面2自由度平動并聯(lián)機械手的性能分析[J]. 機床與液壓. 2010，10：85-87.

[4] 李占賢，黃田，梅江平. 二平動自由度高速輕型并聯(lián)機械手控制技術(shù)研究[J]. 機械手. 2004，1：63-68.