1、 编号 淮安信息职业技术学院 毕业论文 题 目 光伏发电系统控制系统设计 学生姓名 * 学 号 * 系 部 电气工程系 专 业 机电一体化 班 级 * 指导教师 【 *】 【讲师】 顾问教师 二 一二 年十月摘 要 I 摘 要 进入二十一世纪，人类面临着实现经济和社会可持续大战的重大挑战，而能源问题日益严重，一方面是常规能源的缺乏，另一方面石 油等能源的开发带来一系列的问题，如环境污染，温室效应等。人类需要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进进步，大规模开发利用可再生能源和新能源。太阳能是一种有前途的新型能源，具有永久性、清洁型和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要有太阳在，太阳能电
2、池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染问题；光伏发电系统可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，而且还缓解了目前能源危机与环境危机，只是其它电源无法比拟。 关键词 ： 太阳能供电系统 PLC 蓄电池 逆变目 录 1 目 录 编号 . I 摘 要 . I 目 录 . 1 第一章 绪 论 . 1 1.1 光伏发电控制系统简介 . 1 1.2 问题的提出 . 1 1.3 本课题设计的主要目的和意义 . 2 1.4 本课题设计的主要内容 . 2 第二章 可编程控制器（ PLC）基础知识 . 4 2.1 可编程控制器（ PLC） .
3、 4 2.2 PLC 的定义 . 4 2.3 PLC 的特点 . 5 2.4 PLC 的简介及模块 . 5 第三章 系统硬件设计 . 8 3.1 光伏供电装置 . 8 3.2 光伏供电系统 . 9 3.3 基于 PLC 的硬件电路设计 . 14 3.4 基于 PLC 的硬件电路设计 . 17 第四章 系统软件设计 .18 4.1 主 程序设计 . 18 4.2 子程序设计 . 19 4.3 监控界面的设计 . 20 第五章 系统调试 .24 5.1 调试主要内容 . 24 5.2 调试结果 . 24 第六章 总结与展望 .25 6.1 总结 . 25 6.2 展望 . 25 淮安信息职业技术学
4、院毕业设计论文 2 致 谢 . 26 参考文献 . 27 附录：光伏发电控制系统程序 . 28 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 1.1 光伏发电控制系统简介 光伏发电是当前利用新能源的主要方式之一，光伏并网发电是光伏发电的发展趋势。光伏并网发电的主要问题是提高系统中太阳能电池阵列的工作效率和整个系统的工作稳定性，实现并网发电系统输出的交流正弦电流与电网电压同频同相。最大功率点跟踪是太阳能光伏发电系统中的重要技术，它能充分提高光伏阵列的整体效率。在确 定的外部条件下，随着负载的变化，太阳能电池的输出功率也会变化，但始终存在一个最大功率点。当工作环境变化时，特别是日光照度和结温变化时，太阳能电
5、池的输出特性也随之变化，且太阳能电池输出特性的变化非常复杂。目前太阳能光伏发电系统转换效率较低且价格昂贵，因此，使用最大功率点跟踪技术提高太阳能电池的利用效率，充分利用太阳能电池的转换能量，应是光伏系统研究的一个重要方向。随着人类社会的发展，能源的消耗量正在不断增加，世界上的化石能源总有一天将达到极限。同时，由于大量燃烧矿物能源，全球的生态环境日益恶化，对人类的生存和 发展构成了很大的威胁。在这样的背景下，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的重视，各国政府正在逐步推动太阳能光伏发电产业的发展。而在我国，光伏系统的应用还刚刚起步，市场状况尚不明朗。针对这方面的空白，本文着重于今后发展前景
6、广阔的光伏并网系统，通过对国内外市场和技术的调研，分析了目前光伏市场发展的瓶颈并预测了未来光伏发电的发展前景。相信作为当今发展最迅速的高新技术之一，太阳能光伏发电技术，特别是光伏并网发电技术将为今后的电力工业以及能源结构带来新的变化。 1.2 问题的提出 光伏发电市场开发的主要问题是 太阳能电池太贵，也就是说太阳能电池的生产陈本偏高。在光伏发电系统中，太阳能电池的价格要占到整个系统价格的 60% 70%，如果选用价格较贵的全密封免维护蓄电池的话，太阳能电池的价格仍要占到整个系统价格的 50%。可见太阳能电池售价的高低是影响光伏发电系统价格的关键。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 2 光伏发电
7、的平衡系统（包括：蓄电池、逆变器、控制器等）。撇开蓄电池不谈，中国在专用控制器、逆变器及专用直流灯具等方面的配套能力一直很差，主要表现如下几个方面： 1、 尚未形成规模生产； 2、 缺乏统一的质量标准，没有权威的质量检测中心； 3、 成本高，质量差； 4、 产品开 发跟不上市场需求。 中国在光伏发电系统部件水平以及光伏平衡系统的效率和成本方面与国外有着较大差距，应予以充分重视，并迎头赶上。 1.3 本课题设计的主要目的和意义 1.3.1 设计目的 人们对安全，清洁，高效能源的需求日益增加。且能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。为此，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，为
8、了能够进一步充分利用太阳能效率，光伏材料的研究开发就迫在眉睫。 1.3.2 研究意义 利用太阳能光伏发电是能源利用不可逆的潮流。当前世界光伏技术及应用材料的飞速发展光电材料成本不断下降 ，光电转换效率升高，太阳能光伏发电建会越来越来显现出优越性。 1、太阳能作为一种新型的绿色可再生能源与其他新能源相比是最理想的可再生能源。 2、储量丰富且分布广泛。 3、清洁性和经济性。 1.4 本课题设计的主要内容 本文根据 KNT-WP01型风光互补发电实训系统，针对光伏这一工艺过程较全面地阐述了其控制系统的具体实现过程。具体内容如下： 1、明确光伏发电工艺过程和控制要求 2、光伏控制系统的设计 1）硬件设
9、计 （ 1）系统配置与选型，确定总体设计方案 第一章 绪 论 3 （ 2）选择 由光伏电源控制单元、光伏输出显示单元、触摸屏、 光伏供电控制单元、 DSP 控制单元、接口单元、西门子 S7-200PLC、继电器组、接线排、蓄电池组、可调电阻、断路器、 12V 开关电源、网孔架等组成 2）软件设计 （ 1）确定软件设计流程 （ 2）程序设计 3、采用触摸屏技术实现实时监控功能。 淮安信息职业技术学院毕业论文 4 第二章 可编程控制器（ PLC）基础知识 2.1 可编程控制器（ PLC） 20 世纪 60 年代，当时的工业控制主要是以继电器 接触器组成的控制系统。而其系统存在着设备体积大，调试维护
10、工作量大，通用、灵活性差，可靠性低，功能简单，不具体现现代工业控制所需要的数据通信、网络控 制等功能。 1968 年，美国通用汽车制造公司（ GM）为了适应汽车型号的不断翻新，试图寻找一种新型的工业控制器，以解决继电器 接触器控制系统普遍存在的问题。因而设想吧计算机的完备功能、灵活及通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，制成一种适合于工业环境的通用控制装置，并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化，使不熟悉计算机的人也能方便的使用。 1969 年，美国数字设备公司（ DEC）根据通用汽车的要求首先研制成功第一台可编程序控制器，称之为“可编程序逻辑控制器” (
11、PLC Programmable Logic Controller)，并在通用汽车公司的自动装置线上试用成功，从而开创了工业控制的新局面。 2.2 PLC 的定义 可编程控制器一直在发展中，所以至今尚未对其下最后的定义，国际电子委员会 (IEC)在 1985 年的 PLC 标准划案第 3 稿中，对 PLC 作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它作为可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型 的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工
12、业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出， PLC 是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能。 其中，触摸屏完成运行状态的显示如设定温度、当前温度及加热器工作状态，同时还可以通过触摸屏对系统进行相应的控制，如温度的改变和手动控制等；声光报警用一个 LED 灯和一个蜂鸣器组成，具有声音清脆，节能作用。按键采用独立第二章 可编程控制器（ PLC）基础知识 5 按键，可以进行温度设置等。 2.3 PLC 的特点 1、编程简单，容易掌握 梯形图是使用最多的 PLC 的编程语言，其电路符号和表达式与继电器电路
13、原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易懂，熟悉继电器电路图的电气技术人员很快就能学会用梯形图语言，并用来编制用户程序。 2、功能强、性交比高 一台小型的 PLC 内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，可以实现非常复杂的控制功能。 3、硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强 PLC 产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系 统。 4、可靠性高，抗干扰能力强 传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。 PLC 采取了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的
14、抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场， PLC 已被广大用户公认为罪可靠的工业控制设备之一。 5、系统的设计、安装、调试及维护工作量少 目前 PLC 已实现产品的系列化、标准化和通用化，用 PLC 组成的控制系统，在设计、安装、调试和维护方面，表现了明显的优越性，由于 PLC 采用了软件来取代继电器控制系统中中大量的中间继电器、时间继电器等器 件，控制柜的设计安装接线工作量大为减少。 6、体积小、重量轻、功耗低复杂的控制系统使用 PLC 后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型 PLC 的体积仅相当于几个继电器的大小，其结果紧凑，坚固，重量轻，功耗低。 2.4 PLC 的简介
15、及模块 PLC 的硬件系统由主机系统、输入 /输出扩展环节及外部设备组成。 淮安信息职业技术学院毕业论文 6 PLC 的硬件系统组成 2.4.1 S7-200 CPU 模块 S7-200CPU 包括 CPU221、 CPU222、 CPU224、 CPU224XP 和 CPU226 等型号，它们有如下新特性 ： 新 CPU 硬件支持：通过关闭在运行模式下编辑程序的可选功能专用获取更多的程序存储区。 CPU224XP 支持集成的模拟量 I/O 和两个通讯端口。 CPU226带有附加的输入滤波器和脉冲捕获功能。 S7-200CPU 将一个微处理器、一个集成电源和数字量 I/O 点集成在一个紧凑的封
16、装中，从而形成了一个功能强大的微型 PLC。在下载了程序之后，S7-200 将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备 。 图 2-2 CPU 模块的硬件组成 图中各部分功能如下： I/O LED 指示灯用于显示输入 /输出端子的 状态； 状态 LED 指示灯用于显示 CPU 所处的工作状态，共三个指示灯： SF(System 主机电源微 处 理 器 (CP U )运 算 器控 制 器输入单元存 储 器E P RO M( 系 统 程 序 )RA M( 用 户 程 序 )外设I/ O接口I/ O扩展接口用户输入设备输出单元用户输出设备I/ O扩展接口P L C 或 上 位 计 算 机图 形 监 控 系 统E P RO M 写 入 器打 印 机盒 式 磁 带 机编 程 器外部设备
