Objevte zázraky PLC elektrotechniky v systémech obnovitelných zdrojů energie

1. Úvod

1.1 Pozadí a význam výzkumu

S postupujícím procesem globální industrializace zažívá energie, jakožto základní kámen rozvoje, prudký růst poptávky. Lidstvo bylo po dlouhou dobu příliš závislé na tradičních fosilních zdrojích energie, jako je uhlí, ropa a zemní plyn, což způsobilo řadu vážných problémů. Z hlediska zdrojů jsou tyto fosilní zdroje energie neobnovitelné s omezenými zásobami. Při současném tempu spotřeby se očekává, že ropa a zemní plyn budou efektivně zásobovány pouze několik desetiletí a uhlí bude možné těžit pouze stovky let. To nepochybně varovalo před budoucím vývojem lidstva a blíží se stín energetické krize.

Z environmentálního hlediska tradiční fosilní paliva uvolňují během spalování velké množství znečišťujících látek, jako je oxid siřičitý, oxidy dusíku a pevné částice. Tyto znečišťující látky jsou hlavními viníky environmentálních problémů, jako je znečištění ovzduší a kyselé deště, a vážně ohrožují lidské zdraví a rovnováhu ekosystému. Zároveň velké množství skleníkových plynů, jako je oxid uhličitý, produkované spalováním fosilních paliv, zhoršuje globální oteplování a vyvolává řadu globálních environmentálních katastrof, jako je tání ledovců, stoupající hladina moří a časté extrémní klimatické jevy.

Tváří v tvář dvojím výzvám energetické krize a zhoršování životního prostředí se rozvoj obnovitelných zdrojů energie stal globálním konsensem a nevyhnutelnou volbou pro dosažení udržitelného rozvoje. Obnovitelné zdroje energie, jako je solární energie, větrná energie, vodní energie, energie z biomasy, geotermální energie atd., jsou nevyčerpatelné a během procesu využívání neprodukují téměř žádné znečišťující látky ani emise skleníkových plynů, což je škodlivé pro životní prostředí. Energický rozvoj obnovitelných zdrojů energie může účinně snížit závislost na tradičních fosilních zdrojích energie, snížit rizika dodávek energie a zajistit energetickou bezpečnost. Zároveň může pomoci zmírnit znečištění životního prostředí a problémy se změnou klimatu a podpořit koordinovaný rozvoj ekonomiky, společnosti a ekologického prostředí.

V systémech obnovitelných zdrojů energie hraje elektrická technologie PLC (programovatelný logický kontrolér) důležitou a klíčovou roli. Jako digitální výpočetní operační elektronický systém speciálně navržený pro aplikace v průmyslovém prostředí má PLC významné vlastnosti, jako je vysoká spolehlivost, flexibilita, snadné programování a údržba, a dokáže se přizpůsobit složitému a proměnlivému provoznímu prostředí a přísným požadavkům na řízení systémů obnovitelných zdrojů energie.

V systému pro výrobu solární energie může PLC monitorovat výstupní napětí a proud solárních panelů v reálném čase a upravovat pokročilý algoritmus tak, aby solární panely vždy pracovaly na maximálním výkonu, čímž se výrazně zlepšuje účinnost výroby energie. Zároveň může PLC přesně řídit proces nabíjení a vybíjení bateriového bloku, aby zajistil, že baterie pracuje v bezpečném rozsahu, a optimalizovat strategii nabíjení a vybíjení, aby se prodloužila životnost baterie a snížily náklady na systém. Kromě toho může PLC shromažďovat data o systému pro výrobu solární energie v reálném čase, jako je výroba energie, stav zařízení atd., a provádět vzdálené monitorování a správu prostřednictvím komunikační sítě, aby provozní a údržbářský personál mohl včas porozumět provoznímu stavu systému, včas najít a řešit problémy a zlepšit stabilitu a spolehlivost systému.

V systému pro výrobu větrné energie je PLC připojeno k senzorům rychlosti a směru větru, aby monitorovalo větrné podmínky v reálném čase a poskytovalo přesnou datovou podporu pro provoz větrných turbín. Podle změn rychlosti a směru větru může PLC rychle upravit úhel sklonu a úhel stáčení větrné turbíny, aby zajistilo, že jednotka pracuje v bezpečném rozsahu rychlosti větru a dosahuje maximálního výkonu, čímž se zlepšuje účinnost využití větrné energie. Zároveň může PLC v reálném čase monitorovat různé parametry větrné turbíny, včas detekovat a řešit poruchy, zajistit bezpečný a stabilní provoz jednotky a snížit poruchovost zařízení a náklady na údržbu.

V systému výroby vodní energie se PLC připojuje k senzorům hladiny a průtoku vody, aby v reálném čase monitoroval hladinu vody a průtok v nádrži nebo řece a poskytoval klíčová data pro provoz vodního generátoru. Podle změn hladiny a průtoku PLC řídí otevírání stavidla a rychlost turbíny, aby se dosáhlo efektivního provozu systému výroby vodní energie a zlepšila se účinnost přeměny vodní energie. Kromě toho může PLC shromažďovat data o systému výroby vodní energie v reálném čase a provádět dálkové monitorování a řízení prostřednictvím komunikační sítě. Zároveň jej lze integrovat s dalšími systémy pro řízení energie, čímž se položí základ pro budování inteligentních mikrosítí a energetického internetu.

Stručně řečeno, aplikace PLC elektrické technologie v systémech obnovitelných zdrojů energie může efektivně zlepšit účinnost přeměny energie, snížit provozní náklady, zvýšit stabilitu a spolehlivost systému a podpořit rozsáhlý rozvoj a využití obnovitelných zdrojů energie. Hloubkový výzkum aplikace PLC elektrické technologie v systémech obnovitelných zdrojů energie má důležitý teoretický význam a praktickou aplikační hodnotu pro podporu rozvoje odvětví obnovitelných zdrojů energie, zmírnění energetických krizí a environmentálních problémů a dosažení cílů udržitelného rozvoje.

1.2 Současný stav výzkumu doma i v zahraničí

V posledních letech se aplikace PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie stala žhavou oblastí výzkumu doma i v zahraničí. Mnoho vědců a výzkumných institucí provedlo rozsáhlý a hloubkový výzkum na toto téma a dosáhlo plodných výsledků.

V zahraničí zaujímají rozvinuté země, jako jsou Spojené státy, Německo a Japonsko, vedoucí postavení ve výzkumu PLC aplikovaných na systémy obnovitelných zdrojů energie díky své pokročilé technologii a silnému vědeckému výzkumu. V oblasti výroby solární fotovoltaické energie Spojené státy používají PLC k dosažení propracovaného řízení a efektivního řízení velkých fotovoltaických elektráren. Prostřednictvím monitorování a řízení velkého počtu fotovoltaických panelů v reálném čase je zajištěno, že každý fotovoltaický panel dokáže udržovat optimální stav výroby energie za různých světelných a teplotních podmínek, což výrazně zlepšuje celkovou účinnost výroby energie fotovoltaické elektrárny. Relevantní výzkum ukazuje, že účinnost výroby energie fotovoltaických elektráren řízených PLC se ve srovnání s tradičními metodami řízení zvyšuje o 15% – 20%. Zároveň Spojené státy používají PLC také k výzkumu integrace inteligentních sítí a obnovitelných zdrojů energie. Monitorování a dispečing distribuovaných energetických zdrojů v reálném čase se realizují pomocí PLC, což efektivně řeší dopad přerušovanosti a volatility výroby energie z obnovitelných zdrojů na stabilitu sítě a zlepšuje stabilitu elektrické sítě. Schopnost sítě přijímat obnovitelné zdroje energie.

Německo dosáhlo pozoruhodných úspěchů ve výzkumu aplikací PLC v oblasti výroby větrné energie. Německé větrné farmy široce používají řídicí systémy PLC k dosažení inteligentního řízení větrných turbín. Propojením různých senzorů, jako je rychlost větru, směr větru a teplota, se prostřednictvím PLC shromažďují provozní data větrných turbín v reálném čase a na základě těchto dat se přesně upravuje úhel sklonu, úhel stáčení, rychlost otáčení a další parametry jednotky, aby se zajistilo, že větrná turbína pracuje v různých složitých podmínkách. Dokáže stabilně pracovat za povětrnostních podmínek a dosáhnout maximálního zachycení výkonu. Výzkum ukazuje, že výroba energie větrných turbín řízených PLC se ve srovnání s tradičními metodami řízení zvyšuje o 10% – 15% a poruchovost zařízení se snižuje o 30% – 40%. Německo navíc používá PLC k realizaci koordinovaného řízení větrných farem a systémů pro ukládání energie, čímž se efektivně vyhlazují kolísání výstupního výkonu větrné energie a zlepšuje se stabilita a spolehlivost větrné energie.

Japonsko se zaměřuje na technologické inovace a rozšiřování aplikací ve výzkumu kombinace obnovitelných zdrojů energie s PLC. Japonsko vyvinulo malý systém pro výrobu solární energie pro domácnosti založený na PLC, který dokáže nejen efektivně řídit solární panely, ale má také inteligentní funkce řízení energie, které dokáží automaticky upravovat strategie výroby a spotřeby energie podle poptávky po elektřině v domácnosti, aby se dosáhlo optimálního využití energie. Zároveň Japonsko používá PLC i pro systémy výroby energie z biomasy a geotermální energie a prostřednictvím PLC realizuje přesné řízení a monitorování procesu výroby energie, což zlepšuje účinnost přeměny energie a stabilitu provozu systému.

V Číně, s rostoucím důrazem na rozvoj obnovitelných zdrojů energie, dosáhl výzkum aplikací PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie také velkého pokroku. Mnoho univerzit a výzkumných institucí aktivně provádí relevantní výzkum a dosáhlo řady výsledků s nezávislými právy duševního vlastnictví v oblasti solární energie, větrné energie, vodní energie a dalších obnovitelných zdrojů energie.

Pokud jde o výrobu solární energie, domácí výzkumníci provedli výzkum a aplikaci strategií řízení PLC pro systémy výroby solární energie různých velikostí. Optimalizací algoritmu řízení PLC se dosahuje maximálního sledování bodu výkonu solárních panelů, což zlepšuje účinnost výroby solární energie. Zároveň se PLC používá k realizaci funkcí vzdáleného monitorování a diagnostiky poruch systémů výroby solární energie, což usnadňuje provoznímu a údržbářskému personálu včasné pochopení provozního stavu systému, rychlé řešení poruch a zlepšení spolehlivosti a stability systému. Některé společnosti také kombinují PLC s technologií internetu věcí, aby vyvinuly inteligentní systém řízení výroby solární energie, který realizuje centralizované monitorování a jednotnou správu více distribuovaných solárních elektráren a zlepšuje účinnost a úroveň inteligence řízení energie.

V oblasti výroby větrné energie provedli domácí vědci hloubkový výzkum systémů řízení větrné energie založených na PLC. Zlepšením řídicího algoritmu PLC se dosahuje přesného řízení větrných turbín a zlepšuje se účinnost využití větrné energie a provozní stabilita jednotek. Zároveň v reakci na problém s klastrovým řízením větrných elektráren vědci použili PLC k vybudování distribuovaného řídicího systému, který umožňuje koordinované řízení a jednotné plánování více větrných turbín, čímž se efektivně zlepšuje celková provozní efektivita a úroveň řízení větrných elektráren. Čína navíc provedla výzkum aplikace PLC v oblasti výroby větrné energie na moři. V reakci na drsné podmínky prostředí na moři byl vyvinut řídicí systém PLC s vysokou spolehlivostí a odolností proti rušení, který poskytuje technickou podporu pro rozvoj větrné energie na moři.

Pokud jde o výrobu vodní energie, PLC se v Číně používá k realizaci inteligentního řízení a optimalizovaného dispečingu turbín ve vodních elektrárnách. Propojením senzorů hladiny vody, průtoku, tlaku a dalších senzorů přes PLC se provozní podmínky vodní elektrárny monitorují v reálném čase a otevření rozvodné lopatky, rychlost a další parametry turbíny se automaticky upravují podle těchto dat, aby se dosáhlo efektivní přeměny vodní energie a bezpečného a stabilního provozu zařízení na výrobu energie. Zároveň se PLC používá k dosažení koordinovaného řízení vodních elektráren a energetických sítí, ke zlepšení stability a spolehlivosti výroby vodní energie a k zajištění bezpečného a stabilního provozu energetické sítě.

Přestože bylo v oblasti aplikačního výzkumu PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie dosaženo mnoha úspěchů doma i v zahraničí, stále existují určité nedostatky a prázdné oblasti, které vyžadují další výzkum. Zaprvé, chybí efektivní koordinace a integrace mezi strategiemi řízení PLC různých typů systémů obnovitelných zdrojů energie, což ztěžuje dosažení doplňkového využití a komplexní optimalizace řízení více zdrojů obnovitelné energie. Zadruhé, při řešení občasných a nestálých problémů výroby energie z obnovitelných zdrojů, ačkoli lze stávající technologii řízení PLC do určité míry upravit, stále nemůže plně splňovat přísné požadavky inteligentních sítí na energetickou stabilitu a spolehlivost. Kromě toho není výzkum spolehlivosti a odolnosti PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie ve složitých prostředích dostatečně hluboký a je třeba dále posílit výzkum, vývoj a aplikaci souvisejících technologií. A konečně, stále existují určité nedostatky v integračních standardech a specifikacích PLC a systémů obnovitelných zdrojů energie, což způsobuje potíže s návrhem, instalací, uvedením do provozu a údržbou systému a omezuje rozsáhlou propagaci a aplikaci PLC v oblasti obnovitelných zdrojů energie.

2. Přehled elektrotechniky PLC a systémů obnovitelných zdrojů energie

2.1 Principy a charakteristiky elektrotechniky PLC

PLC neboli programovatelný logický automat je digitální výpočetní a operační elektronický systém určený pro průmyslové prostředí. Jeho základní princip fungování je založen na řízení uloženým programem, který ukládá uživatelem napsané programy do interní paměti a poté provádí instrukce v programu v určitém pořadí, čímž dosahuje přesného řízení externích zařízení.

Pracovní proces PLC zahrnuje hlavně tři fáze: vzorkování vstupu, provádění uživatelského programu a aktualizaci výstupu. Ve fázi vzorkování vstupu PLC skenuje všechny vstupní terminály a ukládá stav externích vstupních signálů (0 nebo 1) do vstupního obrazového registru. Tento proces je podobný sběru „informací“ z vnějšího světa ze strany PLC, aby pochopil aktuální provozní stav různých zařízení. Například v systému pro výrobu solární energie získává PLC informace, jako je napětí a proud solárních panelů, prostřednictvím vzorkování vstupu, a také data, jako je okolní teplota a intenzita světla detekovaná různými senzory.

Po dokončení vzorkování vstupu začíná fáze provádění uživatelského programu. V této fázi PLC čte data ze vstupního obrazového registru a dalších interních registrů podle programové logiky napsané uživatelem a provádí různé logické operace, aritmetické operace a sekvenční řídicí operace. Stejně jako inteligentní mozek činí odpovídající rozhodnutí na základě přednastavených pravidel a shromážděných informací. Například v systému pro výrobu větrné energie PLC na základě vstupních dat, jako je rychlost a směr větru, vypočítá hodnoty nastavení úhlu stoupání a úhlu stáčení větrné turbíny podle řídicího algoritmu v uživatelském programu, aby se zajistilo, že jednotka bude fungovat efektivně a stabilně.

Nakonec je tu fáze aktualizace výstupu. PLC přenese výsledky operací fáze provádění uživatelského programu z výstupního obrazového registru do výstupní západky a poté napájí externí zátěž pro řízení externího zařízení. Je to jako sdělování rozhodnutí mozku různým částem těla, aby mohly provádět odpovídající akce. Například v systému výroby vodní energie PLC řídí otevírání brány a rychlost otáčení turbíny prostřednictvím aktualizace výstupu, čímž dosahuje efektivní přeměny vodní energie a stabilního provozu zařízení pro výrobu energie.

Důvod, proč se PLC široce používá v oblasti průmyslového řízení, zejména v systémech obnovitelných zdrojů energie, je způsoben řadou jeho charakteristických vlastností.

Vysoká spolehlivost je jednou z nejvýznamnějších vlastností PLC. Z hlediska hardwarového návrhu PLC využívá řadu opatření proti rušení. Například I/O kanál využívá technologii fotoelektrické izolace, která efektivně přeruší elektrické spojení mezi zdrojem externího rušení a vnitřním obvodem, čímž se zabrání vlivu vnějšího elektromagnetického rušení na vnitřní signál PLC. Pro napájení a vedení se používají různé formy filtračních obvodů, jako je LC filtrace a π-typ filtrace, které mohou účinně eliminovat nebo potlačit vysokofrekvenční rušení a zajistit stabilitu a čistotu napájení. Důležité komponenty, jako je CPU, jsou stíněny dobře vodivými a magnetickými materiály, aby se snížil vliv prostorového elektromagnetického rušení na jejich normální provoz. Z hlediska softwaru PLC využívá režim skenování, aby se snížily poruchy způsobené vnějším rušením z prostředí. Zároveň systémový program obsahuje programy pro detekci poruch a autodiagnostiku, které dokáží v reálném čase monitorovat stav hardwarového obvodu systému. Jakmile je zjištěna porucha, lze okamžitě odstranit důležité aktuální informace, zakázat jakékoli nestabilní operace čtení a zápisu a spustit alarm poruchy. Když se vnější prostředí vrátí do normálu, může se PLC automaticky vrátit do stavu před vznikem poruchy a pokračovat v původní činnosti. Tato vysoká spolehlivost umožňuje PLC stabilně fungovat po dlouhou dobu v komplexním a náročném prostředí systémů obnovitelných zdrojů energie, což zajišťuje kontinuitu a stabilitu výroby energie.

Flexibilita je další důležitou vlastností PLC. PLC využívá modulární design. Uživatelé si mohou flexibilně vybírat moduly s různými funkcemi a kombinovat je podle skutečných potřeb řízení, jako jsou vstupní moduly, výstupní moduly, komunikační moduly, moduly se speciálními funkcemi atd. Tato modulární struktura velmi usnadňuje rozšiřování a modernizaci systému. Uživatelé mohou kdykoli přidávat nebo vyměňovat moduly podle změn v rozsahu systému a zvýšených funkčních požadavků, aniž by museli rozsáhle přepracovávat celý systém. Zároveň je programovací metoda PLC také velmi flexibilní a podporuje více programovacích jazyků, jako jsou žebříkové diagramy, funkční blokové diagramy, strukturovaný text atd. Jazyk žebříkových diagramů je vizuální a intuitivní, podobný schématu elektrických řídicích obvodů, a je velmi snadno použitelný pro inženýry obeznámené s elektrickým řízením; jazyk funkčních blokových diagramů je vhodnější pro popis složitých logických řídicích vztahů, je snadno pochopitelný a udržovatelný; jazyk strukturovaného textu má vyšší efektivitu programování a je vhodný pro psaní složitých algoritmů a programů pro zpracování dat. Uživatelé si mohou vybrat nejvhodnější programovací jazyk pro programování podle svých vlastních zvyklostí a požadavků projektu, aby realizovali různé složité řídicí logiky.

Výkonné možnosti zpracování dat jsou také velkou výhodou PLC. S neustálým rozvojem mikroprocesorové technologie se výrazně zlepšila výpočetní rychlost a kapacita ukládání dat PLC. Moderní PLC dokáží rychle zpracovat velké množství digitálních a analogových signálů pro implementaci složitých řídicích algoritmů a úloh zpracování dat. Například v systémech obnovitelných zdrojů energie je třeba v reálném čase monitorovat a analyzovat velké množství energetických dat, jako je výroba energie, účiník, spotřeba energie atd. PLC dokáže tato data rychle získat pomocí vysokorychlostních modulů pro sběr dat a využít svůj výkonný interní výpočetní výkon k analýze a zpracování dat v reálném čase, čímž poskytuje přesnou datovou podporu pro řízení energie a optimalizované řízení. Zároveň má PLC také funkce ukládání dat, které umožňují ukládat historická data do interní paměti nebo externích paměťových zařízení, což uživatelům usnadňuje dotazování a statistickou analýzu dat a poskytuje základ pro optimalizovaný provoz a diagnostiku poruch systému.

Kromě toho se PLC vyznačuje snadným programováním a údržbou, silným výkonem v reálném čase a dobrou škálovatelností. Jeho programování je jednoduché a snadno srozumitelné a zvládne ho rychle i neprofesionální počítačový personál. Co se týče údržby, díky modulární konstrukci a funkci autodiagnostiky poruch může personál údržby v případě selhání systému rychle lokalizovat vadný modul a vyměnit jej, což výrazně zkracuje dobu údržby. Co se týče výkonu v reálném čase, PLC dokáže rychle reagovat na změny externích signálů a včas vydávat řídicí signály, aby splňovalo přísné požadavky systémů obnovitelných zdrojů energie na řízení v reálném čase. Jeho škálovatelnost umožňuje PLC snadno komunikovat a integrovat se s dalšími zařízeními, jako je datová interakce s hostitelskými počítači, dotykovými obrazovkami, senzory, akčními členy a dalšími zařízeními, a dosahovat tak složitějších funkcí řídicího systému.

2.2 Klasifikace a stav rozvoje systémů obnovitelných zdrojů energie

Systémy obnovitelných zdrojů energie jsou bohaté a rozmanité a zahrnují zejména solární energii, větrnou energii, vodní energii, energii z biomasy, geotermální energii, energii oceánů atd. Všechny tyto zdroje energie jsou udržitelné a šetrné k životnímu prostředí a představují klíčové síly pro podporu transformace energetické struktury a dosažení udržitelného rozvoje.

Jako nevyčerpatelný zdroj čisté energie zaujímá solární energie důležité místo v oblasti obnovitelných zdrojů energie. Solární energetické systémy dosahují přeměny a využití energie především dvěma metodami: výrobou solární fotovoltaické energie a solárním termálním využitím. Pokud jde o výrobu solární fotovoltaické energie, její princip fungování je založen na fotovoltaickém jevu, tj. když sluneční světlo svítí na fotovoltaické články vyrobené z polovodičových materiálů, fotony interagují s elektrony v polovodiči, takže elektrony získají dostatek energie k vytvoření párů elektron-díra. Tyto elektrony a díry se pohybují směrově pod působením elektrického pole a vytvářejí proud, čímž dochází k přímé přeměně sluneční energie na elektrickou energii. S neustálým pokrokem technologií se účinnost výroby solární fotovoltaické energie postupně zvyšuje, náklady se nadále snižují a rozsah použití se stále rozšiřuje. Od systémů výroby energie mimo síť v odlehlých oblastech, které poskytují energetickou podporu oblastem, které nemají přístup k tradičním elektrickým sítím, až po distribuované projekty výroby fotovoltaické energie ve městech, jako je instalace fotovoltaických modulů na střechy a stěny budov, dosažení vlastní výroby a vlastního využití a připojení přebytečné energie k síti, účinně snižuje závislost na tradiční energii a snižuje emise uhlíku. Podle statistik Mezinárodní energetické agentury (IEA) rostla v posledním desetiletí celosvětová instalovaná kapacita solárních fotovoltaických elektráren průměrným ročním tempem více než 251 TP3T. V roce 2023 dosáhla celosvětová instalovaná kapacita solárních fotovoltaických elektráren 1 470 GW, což představuje 37 331 TP3T celkové instalované kapacity obnovitelných zdrojů energie na světě.

Využití solární termiky spočívá v absorpci tepla slunečního záření kolektorem a jeho přeměně na tepelnou energii pro vytápění, ohřev vody, průmyslovou výrobu a další oblasti. Běžné solární ohřívače vody jsou typickými aplikacemi využití solární termiky. Používají ploché kolektory nebo vakuové trubicové kolektory ke sběru sluneční energie, ohřevu vody a jejímu ukládání pro uspokojení potřeb teplé vody v domácnostech nebo komerčních prostorách. V některých chladných oblastech se široce používají také solární topné systémy. Přeměnou sluneční energie na tepelnou energii se budovy vytápějí a snižuje se závislost na tradičním vytápění fosilními palivy. Kromě toho se neustále vyvíjí i technologie výroby solární tepelné energie. Využitím vysokoteplotní tepelné energie generované solárními kolektory k pohonu parních turbín pro výrobu elektřiny se dosahuje nepřímé přeměny sluneční energie na elektrickou energii. Ačkoli výroba solární tepelné energie v současné době tvoří relativně malý podíl na globální energetické struktuře, má velký rozvojový potenciál s rozvojem technologie a snižováním nákladů.

Větrná energie je dalším důležitým obnovitelným zdrojem energie s výhodami širokého rozšíření, čistoty a bez znečištění. Systémy větrné energie dosahují přeměny a využití energie především prostřednictvím výroby větrné energie. Princip výroby větrné energie spočívá ve využití větrné energie k pohonu lopatek větrných turbín. Rotace lopatek pohání rotor generátoru k otáčení, čímž se prořezávají magnetické siločáry a vyrábí se elektřina. Existují různé typy větrných turbín, včetně větrných turbín s horizontální osou a větrných turbín s vertikální osou, mezi nimiž jsou nejrozšířenější větrné turbíny s horizontální osou. Podle počtu lopatek je lze rozdělit na dvoulisté, třílisté a další různé typy. Třílisté větrné turbíny se staly běžným produktem na trhu díky své dobré stabilitě a vysoké účinnosti.

Pokud jde o stav vývoje, globální odvětví výroby větrné energie vykazuje rychlý trend rozvoje. Díky neustálým inovacím a zdokonalování technologií výroby větrné energie se kapacita jednotlivých větrných turbín neustále zvyšuje, účinnost se zlepšuje a náklady postupně klesají. Větrná energie na moři, jakožto důležitý směr rozvoje výroby větrné energie, v posledních letech dosáhla významného pokroku. Zdroje větrné energie na moři jsou hojné, rychlost větru je stabilní a nezabírá pozemní zdroje, takže má velký rozvojový potenciál. V roce 2023 dosáhla celosvětová instalovaná kapacita větrné energie na moři 60 GW, což představuje 12,31 TP3T celkové instalované kapacity větrné energie na světě. V některých evropských zemích, jako je Dánsko, Spojené království a Německo, se větrná energie na moři stala jedním z důležitých zdrojů energie. Zároveň se větrná energie na moři neustále rozvíjí a je široce využívána po celém světě. Podle údajů Globální rady pro větrnou energii (GWEC) dosáhne nově instalovaná kapacita větrné energie na světě v roce 2023 90 GW a kumulativní instalovaná kapacita dosáhne 488 GW. Mezi nimi se instalovaná kapacita větrné energie v Číně, Spojených státech, Indii a dalších zemích řadí mezi světové špičky.

Vodní energie je relativně vyspělý obnovitelný zdroj energie s dlouhou historií používání. Hydroelektrárny realizují přeměnu a využití energie především prostřednictvím výroby vodní energie. Princip výroby vodní energie spočívá ve využití výškového poklesu vodních ploch, jako jsou řeky a jezera, k přeměně potenciální energie vody na kinetickou energii, k pohonu rotace turbíny a následnému pohonu generátoru pro výrobu elektřiny. Podle rozsahu a typu vodních elektráren je lze rozdělit na velké vodní elektrárny, střední vodní elektrárny a malé vodní elektrárny. Velké vodní elektrárny mají obvykle výhody velkého instalovaného výkonu a stabilní výroby energie, což může zaručit uspokojení velké poptávky po elektřině; malé vodní elektrárny se vyznačují krátkou dobou výstavby, nízkými investičními náklady a malým dopadem na životní prostředí. Jsou vhodné pro výstavbu v odlehlých oblastech nebo v oblastech s rozptýlenými vodními zdroji, aby poskytovaly elektřinu místním obyvatelům a podnikům.

Svět je bohatý na vodní zdroje. Podle statistik Mezinárodní asociace pro vodní energii (IHA) je technicky využitelné množství globálních vodních zdrojů přibližně 44,8 bilionu kWh/rok. V současné době je po celém světě uvedeno do provozu mnoho velkých vodních elektráren, například čínská vodní elektrárna Tři soutěsky, která je jednou z největších vodních elektráren na světě s celkovým instalovaným výkonem 22,5 milionu kilowattů a roční výrobou energie více než 100 miliard kWh, a hraje důležitou podpůrnou roli v dodávkách energie a hospodářském rozvoji Číny. Kromě toho mají velké množství vodních zdrojů a četné vodní elektrárny i Brazílie, Spojené státy, Kanada a další země. V roce 2023 dosáhne celosvětový instalovaný výkon vodní energie 1 380 GW, což bude představovat 35,11 bilionu kWh/rok z celkového instalovaného výkonu obnovitelných zdrojů energie na světě. Rozvoj vodní energie však čelí i určitým výzvám. Například výstavba velkých vodních elektráren může mít určitý dopad na ekologické prostředí, včetně dopadu na říční ekosystémy, migraci ryb, zaplavování půdy atd., a během procesu výstavby je třeba plně zohlednit požadavky na ochranu životního prostředí a udržitelný rozvoj.

Energie z biomasy označuje energii, která využívá biomasu (jako je dřevo, sláma z plodin, lesní odpad, lidské a zvířecí exkrementy a organický odpad z měst a venkova) jako surovinu a přeměňuje ji na teplo, elektřinu nebo biopaliva spalováním, zplyňováním, zkapalňováním atd. Mezi hlavní způsoby využití energie z biomasy patří výroba energie z biomasy, vytápění biomasou, palivo z biomasy atd. Výroba energie z biomasy je tepelná energie generovaná spalováním paliva z biomasy, která pohání generátor k výrobě elektřiny prostřednictvím tepelného cyklu; vytápění biomasou je přímé využití tepla generovaného spalováním biomasy k zajištění tepelné energie pro budovy nebo průmyslovou výrobu; mezi paliva z biomasy patří bionafta, palivový etanol atd., které lze použít jako čistou energii nahrazující tradiční fosilní paliva a používají se v dopravě a dalších oblastech.

Pokud jde o stav rozvoje, energie z biomasy se široce využívá po celém světě, zejména v některých zemích bohatých na zemědělské a lesnické zdroje. Například ve Švédsku tvoří energie z biomasy vysoký podíl ve struktuře spotřeby energie a velká část poptávky po energii je uspokojována vytápěním a výrobou elektřiny z biomasy. V Brazílii se palivový etanol, jako důležitá forma paliva z biomasy, široce používá v oblasti dopravy, což snižuje závislost na ropě. Podle údajů Mezinárodní energetické agentury (IEA) dosáhne celosvětová výroba energie z biomasy v roce 2023 1 400 TWh, což bude představovat 6,81 TP3T celosvětové výroby energie z obnovitelných zdrojů. Rozvoj energie z biomasy se však potýká i s některými problémy, jako jsou vysoké náklady na sběr a přepravu surovin z biomasy, dále zlepšovat účinnost technologie přeměny energie z biomasy a znečištění životního prostředí, které může vznikat při využívání energie z biomasy. Tyto problémy je třeba řešit prostřednictvím technologických inovací a politické podpory.

Geotermální energie je tepelná energie uložená v zemském nitru. Může být využita k vytápění, výrobě energie, průmyslové výrobě a dalších oborech odběrem horké podzemní vody nebo páry do země pomocí geotermálních vrtů. Využití geotermální energie zahrnuje především výrobu geotermální energie a přímé využití geotermální energie. Výroba geotermální energie využívá tepelnou energii horké podzemní vody nebo páry k pohonu parních turbín k výrobě elektřiny, čímž dochází k přeměně geotermální energie na elektrickou energii; přímé využití geotermální energie přímo využívá geotermální energii k vytápění, ohřevu vody, pěstování rostlin ve sklenících, koupání v horkých pramenech a dalším oborům, což má výhody vysoké účinnosti, ochrany životního prostředí a úspory energie.

Svět je bohatý na zdroje geotermální energie. Odhaduje se, že celkové množství globálních zdrojů geotermální energie odpovídá 49,3 miliardám tun standardního uhlí ročně. V některých zemích s bohatými geotermálními zdroji, jako je Island, Nový Zéland a Spojené státy, je geotermální energie široce rozvíjena a využívána. Island je jednou ze zemí s nejrozvinutějším využitím geotermální energie na světě. Více než 801 TP3T jeho energie pochází z geotermální energie. Díky geotermálnímu vytápění a výrobě elektřiny dosáhl energetické soběstačnosti a výrazně snížil emise skleníkových plynů. V roce 2023 dosáhne globální kapacita výroby geotermální energie 15 GW a instalovaný výkon přímé geotermální energie dosáhne 85 GW. Rozvoj geotermální energie však čelí i některým výzvám, jako jsou vysoké náklady na průzkum a rozvoj geotermálních zdrojů, větší technická obtížnost a možný dopad rozvoje geotermální energie na zdroje podzemní vody a geologické prostředí. Během procesu rozvoje je nutné posílit technický výzkum a vývoj a opatření na ochranu životního prostředí.

Energie oceánů označuje využití energie obsažené v oceánu, jako je energie přílivu a odlivu, energie vln, energie teplotního rozdílu, energie rozdílu slanosti a energie oceánských proudů, k její přeměně na elektrickou energii nebo jiné formy energie. Charakteristickými znaky energie oceánů jsou nízká hustota energie, široké rozšíření a silná obnovitelnost, ale je obtížné ji rozvíjet a využívat. Energie přílivu a odlivu využívá kinetickou energii neboli potenciální energii generovanou změnami hladiny vody při přílivu a odlivu k pohonu turbín, které se otáčejí a vyrábějí elektřinu; energie vln využívá kolísání oceánských vln k přeměně energie vln na elektrickou energii pomocí zařízení pro přeměnu energie vln; energie teplotního rozdílu využívá teplotní rozdíl mezi povrchovou a hlubokou mořskou vodou oceánu k pohonu generátorů k výrobě elektřiny prostřednictvím tepelných cyklů; energie rozdílu slanosti využívá rozdíl slanosti mezi mořskou a sladkou vodou k výrobě elektřiny prostřednictvím chemických procesů; energie oceánských proudů využívá oceánské proudy k pohonu turbín k výrobě elektřiny.

V současné době je rozvoj a využití energie oceánů stále ve fázi vývoje. Přestože v některých zemích a regionech byl proveden relevantní výzkum a pilotní projekty, dosud nebylo dosaženo rozsáhlého komerčního využití. Například ve Spojeném království bylo postaveno několik přílivových elektráren, jako je přílivová elektrárna v ústí řeky Severn, a byl proveden praktický průzkum výroby energie z přílivu; v Norsku byl proveden výzkum a experimenty v oblasti výroby energie z vln a bylo dosaženo určitých technických výsledků. Rozvoj energie oceánů však čelí mnoha technickým obtížím, jako je nízká účinnost přeměny energie, nízká spolehlivost zařízení a vysoké náklady na výstavbu a údržbu. Je nutné dále posílit technologický výzkum, vývoj a inovace, aby se zlepšila proveditelnost a hospodárnost rozvoje a využití energie oceánů.

Přestože různé typy systémů obnovitelných zdrojů energie dosáhly po celém světě pozoruhodných úspěchů v rozvoji, stále čelí během procesu vývoje mnoha výzvám. Zaprvé, problémy s přerušovaností a volatilitou obnovitelných zdrojů energie jsou výrazné. Výroba solární fotovoltaické energie závisí na světelných podmínkách. Elektřinu lze vyrábět pouze tehdy, když je během dne sluneční světlo, a výroba energie kolísá v závislosti na intenzitě světla a změnách počasí. Výroba větrné energie závisí na rychlosti a směru větru. Nestabilní rychlost větru způsobí, že výkon větrných turbín značně kolísá. Tato přerušovanost a volatilita přinášejí obrovské výzvy pro stabilní provoz energetické soustavy, které je třeba řešit technologií skladování energie, výstavbou inteligentních sítí a doplňkovou výbavou více druhů energie.

Za druhé, náklady na rozvoj a využití obnovitelných zdrojů energie jsou stále relativně vysoké. Přestože náklady na obnovitelné zdroje energie, jako je solární a větrná energie, s pokrokem technologií postupně klesají, stále jim chybí dostatečná konkurenceschopnost ve srovnání s tradičními fosilními zdroji energie. Například počáteční investiční náklady na výrobu solární fotovoltaické energie jsou relativně vysoké, včetně nákladů na pořízení a instalaci fotovoltaických modulů, střídačů, konzol a dalšího zařízení, jakož i následných nákladů na údržbu; náklady na výrobu, instalaci a provoz a údržbu zařízení pro výrobu větrné energie jsou také relativně vysoké. Rozvoj obnovitelných zdrojů energie se navíc potýká s omezeními v oblasti půdních zdrojů, vodních zdrojů a dalších aspektů, což dále zvyšuje náklady na rozvoj.

Dále je třeba posílit technologické inovace a vzdělávání talentů v oblasti obnovitelných zdrojů energie. Přestože v oblasti obnovitelných zdrojů energie bylo dosaženo řady technologických úspěchů, stále existuje mnoho klíčových technických otázek, které vyžadují další průlomy, jako je technologie vysoce účinných solárních článků, technologie velkokapacitního ukládání energie, technologie inteligentních sítí atd. Zároveň s rychlým rozvojem odvětví obnovitelných zdrojů energie roste i poptávka po odborných a technických pracovnících. Současný systém vzdělávání příslušných talentů však není dostatečně dokonalý a problém s nedostatkem talentů omezuje rozvoj odvětví obnovitelných zdrojů energie.

Kromě toho je třeba dále zlepšit politickou podporu a tržní mechanismy pro obnovitelné zdroje energie. Přestože vlády zavedly řadu politik na podporu rozvoje obnovitelných zdrojů energie, jako jsou dotační politiky a cenové politiky elektřiny připojené k rozvodné síti, stále existují určité problémy s jejich prováděním, jako je nedostatečné využívání dotačních fondů, nedostatečná stabilita a udržitelnost politik atd. Kromě toho není mechanismus hospodářské soutěže na trhu s obnovitelnými zdroji energie dostatečně dokonalý a existují problémy, jako jsou vysoké bariéry přístupu na trh a nedostatečný dohled nad trhem, které ovlivňují zdravý rozvoj odvětví obnovitelných zdrojů energie.

2.3 Vhodnost PLC a systémů obnovitelných zdrojů energie

PLC je v mnoha klíčových aspektech vysoce kompatibilní se systémy obnovitelných zdrojů energie a dokáže efektivně uspokojit potřeby řízení systémů obnovitelných zdrojů energie, čímž hraje zásadní roli při zlepšování stability a účinnosti systému.

Pokud jde o splnění požadavků na řízení, systémy obnovitelných zdrojů energie vyžadují přesné a flexibilní řízení kvůli charakteristikám zdrojů energie. Vezměme si jako příklad solární fotovoltaické systémy výroby energie. Faktory prostředí, jako je intenzita slunečního záření a teplota, se neustále mění, což vyžaduje, aby systém v reálném čase upravoval provozní stav fotovoltaických panelů tak, aby bylo dosaženo maximálního výkonu. Díky své výkonné logické operaci a možnostem zpracování dat může PLC připojit různé senzory, jako jsou světelné senzory, teplotní senzory atd., pro sběr dat o prostředí v reálném čase a přesný výpočet dat na základě přednastavených komplexních algoritmů, jako je algoritmus sledování bodu maximálního výkonu (MPPT). Vypočítá optimální provozní napětí a proud fotovoltaických panelů a upraví parametry střídače a dalšího zařízení tak, aby fotovoltaické panely vždy pracovaly v blízkosti bodu maximálního výkonu, což výrazně zlepšuje účinnost výroby energie. Podle relevantního výzkumu lze účinnost výroby energie solárních fotovoltaických systémů výroby energie řízených PLC zvýšit o 10% – 20% ve srovnání s tradičními metodami řízení.

V systémech pro výrobu větrné energie je nestabilita rychlosti a směru větru klíčovým faktorem ovlivňujícím účinnost výroby energie a bezpečnost zařízení. Po připojení PLC k senzorům rychlosti a směru větru může v reálném čase monitorovat změny větrných podmínek. Pokud je rychlost větru příliš vysoká nebo příliš nízká, PLC může rychle upravit úhel sklonu větrné turbíny, změnit úhel mezi lopatkami a směrem větru a tím upravit sílu na lopatkách tak, aby jednotka mohla stabilně fungovat v rámci bezpečného rozsahu rychlosti větru. Při změně směru větru PLC řídí systém otáčení, aby upravil směr větrné turbíny tak, aby vždy směřovala ke směru větru, a dosáhl tak maximálního zachycení výkonu. Toto přesné řízení může účinně zlepšit účinnost využití větrné energie a zároveň snížit riziko poškození zařízení v důsledku nerovnoměrné síly a prodloužit životnost zařízení.

U systémů výroby vodní energie mají kolísání hladiny vody a průtoku také důležitý vliv na účinnost výroby energie a stabilitu provozu zařízení. PLC se připojuje k senzorům hladiny vody a průtoku, aby monitoroval hladinu vody a údaje o průtoku v nádržích nebo řekách v reálném čase. Na základě těchto dat PLC přesně řídí otevírání hradítek a otáčky turbíny. Když je hladina vody vysoká a průtok velký, otevírání hradítek se přiměřeně zvýší a otáčky turbíny se zvýší, aby se plně využila energie vody; když je hladina vody nízká a průtok malý, otevírání hradítek se přiměřeně sníží a otáčky turbíny se upraví tak, aby byl zajištěn bezpečný provoz zařízení a dosaženo efektivního a stabilního provozu systému výroby vodní energie.

Pokud jde o zlepšení stability systému, hraje klíčovou roli vysoká spolehlivost a funkce diagnostiky poruch PLC. Systémy obnovitelných zdrojů energie jsou obvykle instalovány v relativně náročných podmínkách, jako jsou větrné farmy v odlehlých horských oblastech a solární elektrárny v pouštních oblastech. Zařízení čelí mnoha výzvám, jako je vysoká teplota, vysoká vlhkost a silné elektromagnetické rušení. PLC využívá řadu pokročilých hardwarových a softwarových opatření proti rušení, jako je fotoelektrická izolace, filtrační obvody a technologie stínění v hardwaru, skenovací pracovní režim, programy pro detekci poruch a autodiagnostiku v softwaru atd., které mohou stabilně fungovat po dlouhou dobu v náročných podmínkách a zajistit tak kontinuitu výroby energie. V případě selhání systému dokáže autodiagnostický program PLC rychle detekovat místo poruchy a včas odeslat informaci o poruše provoznímu a údržbářskému personálu prostřednictvím komunikační sítě. Současně jsou přijata odpovídající ochranná opatření, jako je vypnutí a alarm, aby se zabránilo šíření poruch a byla zajištěna bezpečnost systému. Například ve velké větrné farmě se po zavedení řídicího systému PLC snížila poruchovost zařízení o 30%-40% ve srovnání s tradičním řídicím systémem, což výrazně zlepšilo provozní stabilitu a spolehlivost elektrárny.

Pokud jde o zlepšení účinnosti systému, flexibilní programování a inteligentní řídicí schopnosti PLC mají významné výhody. Díky psaní efektivních řídicích programů může PLC realizovat spolupráci mezi různými zařízeními v systému obnovitelných zdrojů energie a optimalizovat proces výroby a přenosu energie. V doplňkovém systému výroby energie solární a větrné energie PLC rozumně rozděluje podíl výroby solární a větrné energie na základě dat o intenzitě světla a rychlosti větru v reálném čase. Pokud je světla dostatečné a rychlost větru nízká, má solární energie přednost; pokud je světla nedostatečné a rychlost větru vysoká, zvyšuje se podíl výroby větrné energie, realizují se doplňkové výhody obou zdrojů energie a zlepšuje se celková účinnost výroby energie v systému. Zároveň může PLC inteligentně řídit ukládání a distribuci energie, rozumně řídit proces nabíjení a vybíjení baterie na základě poptávky po energii a výroby energie, ukládat přebytečnou elektrickou energii a uvolňovat ji, když je dodávka energie nedostatečná, aby se zajistila stabilita dodávky energie, a dále se tak zlepšila energetická účinnost.

Kromě toho má PLC také dobré komunikační schopnosti a dokáže snadno komunikovat a integrovat se s jinými zařízeními a systémy. V systémech obnovitelných zdrojů energie si PLC může vyměňovat data s hostitelskými počítači, monitorovacími systémy, inteligentními sítěmi atd., aby dosáhl vzdáleného monitorování, analýzy dat, plánování energie a dalších funkcí. Prostřednictvím vzdáleného monitorování může provozní a údržbářský personál v reálném čase pochopit provozní stav systému, včas odhalit a řešit problémy a zlepšit efektivitu provozu a údržby. Prostřednictvím analýzy dat lze vyhodnotit a optimalizovat provozní výkon systému pro další zlepšení stability a efektivity systému. Díky integraci s inteligentními sítěmi lze systémy obnovitelných zdrojů energie lépe integrovat do energetické sítě, dosáhnout rozumného rozdělení a efektivního využívání energie a položit základy pro budování inteligentního energetického systému.

3. Aplikace PLC v systému pro výrobu solární energie

3.1 Řízení sledování maximálního výkonového bodu (MPPT)

V systémech pro výrobu solární energie je klíčovou technologií pro zlepšení účinnosti výroby energie řízení s maximálním výkonem (MPPT) a PLC hraje důležitou roli v realizaci MPPT řízení díky svým výkonným řídicím a výpočetním schopnostem.

3.1.1 Řídicí algoritmus MPPT

V současné době běžné algoritmy řízení MPPT zahrnují zejména metodu pozorování poruch, metodu přírůstku vodivosti a metodu fuzzy logiky atd. Každý algoritmus má své vlastní jedinečné principy a vlastnosti.

Metoda pozorování poruch je běžně používaný MPPT algoritmus s relativně jednoduchým principem. Jejím základním principem je periodické aplikování malého rušení na pracovní napětí nebo proud fotovoltaického pole a následné pozorování změn výstupního výkonu fotovoltaického pole. Pokud se výkon zvyšuje, rušení pokračuje ve stejném směru; pokud se výkon snižuje, mění se směr rušení. Vezměme si jako příklad rušení napětí a za předpokladu, že pracovní napětí fotovoltaického pole v aktuálním okamžiku je V_k, aplikuje se malé rušení napětí ΔV, aby se získalo nové pracovní napětí V_{k + 1} = V_k + ΔV. Poté se porovná výstupní výkon P_k a P_{k + 1} fotovoltaického pole před a po rušení. Pokud P_{k + 1} > P_k, další rušení je stále ΔV; pokud P_{k + 1}

Metoda přírůstku vodivosti je založena na charakteristické křivce fotovoltaických článků a využívá derivační vztah výkonu k napětí k dosažení sledování bodu maximálního výkonu. Ve výstupních charakteristikách fotovoltaických článků je derivace výkonu k napětí prvního řádu v bodě maximálního výkonu nulová, tj. \frac{dP}{dV}=0. Podle Ohmova zákona P = VI lze odvodit, že \frac{dP}{dV}=I + V\frac{dI}{dV}. V bodě maximálního výkonu je I + V\frac{dI}{dV}=0, tj. \frac{dI}{dV}=-\frac{I}{V}. Metoda přírůstku vodivosti detekuje napětí V a proud I fotovoltaického pole v reálném čase, vypočítává přírůstek proudové vodivosti \frac{dI}{dV} a poté jej porovnává s -\frac{I}{V}. Když \frac{dI}{dV}>-\frac{I}{V}, znamená to, že aktuální provozní bod je na levé straně bodu maximálního výkonu a je třeba zvýšit provozní napětí; když \frac{dI}{dV}<-\frac{I}{V}, znamená to, že aktuální provozní bod je na pravé straně bodu maximálního výkonu a je třeba snížit provozní napětí; když \frac{dI}{dV}=-\frac{I}{V}, má se za to, že fotovoltaické pole již pracuje v bodě maximálního výkonu. Ve srovnání s metodou pozorování perturbací má metoda inkrementace vodivosti vyšší přesnost sledování a rychlejší rychlost odezvy. Dokáže rychleji sledovat změny intenzity světla a teploty a snížit ztráty výkonu. Tento algoritmus však vyžaduje složitější matematické operace a má vysoké nároky na výpočetní výkon hardwaru. V praktických aplikacích se v důsledku vlivu faktorů, jako jsou chyby měření senzorů, může přesnost sledování snížit.

Fuzzy logické řízení je inteligentní řídicí algoritmus založený na teorii fuzzy matematiky. Napodobuje způsob myšlení lidí, převádí přesnou vstupní veličinu na fuzzy veličinu a poté provádí závěry a rozhodnutí podle předem stanovených fuzzy pravidel. Nakonec je fuzzy výstup převeden na přesný výstup pro dosažení řízení systému. V MPPT řízení metoda fuzzy logického řízení obvykle používá změnu napětí ΔV a změnu výkonu ΔP fotovoltaického pole jako vstupní proměnné a úpravu napětí ΔV_{adj} jako výstupní proměnnou. Nejprve jsou vstupní a výstupní proměnné fuzzifikovány a rozděleny do různých fuzzy podmnožin, jako je záporná velká, záporná střední, záporná malá, nula, kladná malá, kladná střední, kladná velká atd., a je určena funkce příslušnosti každé fuzzy podmnožiny. Poté jsou na základě zkušeností odborníků nebo experimentálních dat formulována fuzzy pravidla. Například pokud je ΔV kladné a malé a ΔP je kladné a malé, pak je ΔV_{adj} nulové; Pokud je ΔV kladné a malé a ΔP je záporné a malé, pak je ΔV_{adj} záporné a malé atd. Nakonec se pomocí fuzzy uvažování a defuzzifikace dosáhne přesného nastavení napětí ΔV_{adj} pro nastavení pracovního napětí fotovoltaického pole. Výhodami metody fuzzy logiky řízení je, že nevyžaduje náročné matematické modely systému, dokáže se přizpůsobit složitému a měnícímu se prostředí, má silnou robustnost a adaptabilitu a stále si může udržet dobrý výkon sledování, i když se intenzita světla a teplota drasticky změní. Formulace fuzzy pravidel tohoto algoritmu však vyžaduje bohaté zkušenosti a velké množství experimentálních dat a racionalita pravidel přímo ovlivňuje účinek řízení. Pokud nejsou pravidla formulována rozumně, může se výkon řízení snížit.

3.1.2 Princip MPPT řízení implementovaného pomocí PLC

Proces realizace MPPT řízení pomocí PLC je proces, který úzce kombinuje hardware a software, aby plně využil své schopnosti zpracování dat a logického řízení. Na hardwarové úrovni musí PLC navázat spojení s různými senzory a akčními členy, aby získalo přesná data v reálném čase a dosáhlo přesného řízení souvisejících zařízení. Připojením ke světelnému senzoru může PLC získávat informace o intenzitě světla v reálném čase. Intenzita světla je jedním z klíčových faktorů ovlivňujících výstupní výkon solárního panelu. Při různých intenzitách světla se optimální pracovní bod solárního panelu také odpovídajícím způsobem mění; s teplotou. Připojení senzoru umožňuje monitorovat okolní teplotu v reálném čase, protože teplota má také významný vliv na výkon solárních panelů. S rostoucí teplotou se snižuje napětí naprázdno solárního panelu a mírně se zvyšuje zkratový proud, což ovlivňuje jeho výstupní výkon.

Kromě toho musí být PLC připojeno k napěťovému a proudovému senzoru, aby se v reálném čase shromažďovaly výstupní napětí a proud solárního panelu. Tyto senzory přenášejí shromážděné analogové signály do PLC a PLC je převádí na digitální signály prostřednictvím svého interního analogového vstupního modulu pro následné zpracování a analýzu. Pokud jde o akční členy, PLC řídí především provozní stav střídače. Střídač je klíčovým zařízením v systému výroby solární energie. Jeho funkcí je převádět stejnosměrný výkon ze solárního panelu na střídavý výkon pro použití v zátěži nebo pro připojení k elektrické síti. PLC upravuje provozní napětí a proud solárního panelu řízením spínací frekvence, pracovního cyklu a dalších parametrů střídače, čímž realizuje MPPT řízení.

Na softwarové úrovni PLC zapíše odpovídající program podle zvoleného algoritmu řízení MPPT. Na příkladu metody pozorování poruch PLC nejprve načte výstupní napětí V_k a proud I_k z aktuálního solárního panelu snímaného senzorem a vypočítá aktuální výstupní výkon P_k = V_kI_k. Poté se podle přednastavené velikosti kroku poruchy ΔV naruší pracovní napětí, aby se získalo nové napětí V_{k + 1}=V_k+ΔV, a solární panel je řízen tak, aby pracoval s novým napětím pomocí střídače. Znovu se naměří výstupní napětí V_{k + 1} a proud I_{k + 1} a vypočítá se nový výstupní výkon P_{k + 1}=V_{k + 1}I_{k + 1}. Porovnejte velikost P_{k + 1} a P_k. Pokud P_{k + 1} > P_k, znamená to, že aktuální směr poruchy je správný a porucha bude příště pokračovat ve stejném směru. Pokud P_{k + 1}

U metody přírůstku vodivosti po načtení dat napětí a proudu program PLC vypočítá přírůstek proudové vodivosti ΔV a -IV a porovná je. Podle výsledků porovnání se provozní napětí solárního panelu upraví řízením střídače tak, aby se přiblížilo bodu maximálního výkonu. Softwarová implementace metody fuzzy logiky je složitější. PLC je třeba naprogramovat podle kroků fuzzifikace, fuzzy uvažování a defuzzifikace. Nejprve se změna vstupního napětí ΔV a změna výkonu ΔP fuzzifikují a jejich příslušnost ke každé fuzzy podmnožině se určí podle přednastavené funkce příslušnosti; poté se fuzzy pravidla použijí k uvažování pro získání fuzzy výstupu; nakonec se fuzzy výstup převede na přesnou úpravu napětí ΔV pomocí defuzzifikace a provozní napětí solárního panelu se upraví řízením střídače.

3.1.3 Vliv na zlepšení účinnosti výroby solární energie

Řízení MPPT implementované pomocí PLC hraje významnou roli ve zlepšení účinnosti výroby solární energie, což se odráží zejména v následujících aspektech.

Zlepšení využití energie je jeho nejpřímější a nejdůležitější rolí. V samotném procesu výroby solární energie se neustále mění faktory prostředí, jako je intenzita světla a teplota, což způsobuje neustálé změny bodu maximálního výkonu solárního panelu. Pokud solární panely nemohou vždy pracovat v bodě maximálního výkonu, nelze velké množství sluneční energie efektivně přeměnit na elektrickou energii, což vede k plýtvání energií. Díky MPPT řízení může PLC sledovat bod maximálního výkonu solárního panelu v reálném čase a včas upravovat jeho provozní stav podle změn prostředí, aby se zajistilo, že solární panel vždy generuje elektřinu s nejvyšší účinností. Relevantní výzkumná a praktická aplikační data ukazují, že účinnost výroby energie solárního systému s PLC k dosažení MPPT řízení lze zvýšit o 10% – 30% ve srovnání se systémem bez MPPT řízení. Například v projektu výroby solární energie, kdy se MPPT řízení nepoužívá, byla průměrná účinnost výroby energie solárních panelů 15%. Po zavedení MPPT řízení pomocí PLC se účinnost výroby energie zvýšila na 20% a výrazně se zlepšila míra využití energie.

Snížení nákladů na systém je také jednou z důležitých výhod PLC pro dosažení MPPT řízení. Na jedné straně lze díky zlepšení účinnosti výroby energie snížit počet použitých solárních panelů při uspokojení stejné poptávky po energii. Solární panely jsou hlavní nákladovou složkou systémů pro výrobu solární energie a snížení jejich používání může přímo snížit počáteční investiční náklady systému. Na druhou stranu efektivní výroba energie znamená, že lze ve stejném čase vyrobit více elektřiny, čímž se snižuje závislost na jiných záložních zdrojích energie, snižují se náklady na pořízení energie a požadavky na kapacitu zařízení pro skladování energie a dále se snižují celkové náklady na systém.

Zvýšená stabilita a spolehlivost systému by neměla být ignorována. V tradičních systémech pro výrobu solární energie, protože bod maximálního výkonu nelze sledovat v reálném čase, při náhlé změně faktorů prostředí, jako je intenzita světla a teplota, dochází k výrazným kolísáním výstupního výkonu solárního panelu, což nejen ovlivní normální provoz zátěže, ale může také způsobit poškození dalších zařízení v systému. Řízení MPPT implementované PLC dokáže rychle reagovat na změny prostředí, včas upravovat provozní stav solárního panelu, udržovat výstupní výkon relativně stabilní, účinně snižovat dopad kolísání výkonu na systém a zlepšovat stabilitu a spolehlivost systému. Současně mohou diagnostické a ochranné funkce PLC monitorovat provozní stav systému v reálném čase. Jakmile je zjištěna abnormální situace, lze včas přijmout odpovídající ochranná opatření, jako je vypnutí a spuštění alarmu, aby se zabránilo šíření poruchy a zajistil se bezpečný provoz systému.

3.2 Správa ukládání energie v bateriích

V systémech pro výrobu solární energie je správa ukládání energie v bateriích klíčovým článkem pro zajištění stabilního zásobování energií a zlepšení účinnosti využití energie a PLC hraje v tomto procesu zásadní roli.

3.2.1 PLC řídí proces nabíjení a vybíjení baterie

Řízení nabíjení a vybíjení baterie pomocí PLC je vysoce inteligentní a přesný proces zahrnující několik klíčových článků a technických bodů. Během procesu nabíjení PLC nejprve získává informace o aktuálním stavu baterie v reálném čase prostřednictvím různých připojených senzorů, jako jsou senzory napětí, proudu a teploty, včetně parametrů napětí baterie, proudu, zbývající kapacity (SOC) a teploty. Tyto parametry jsou klíčové pro přesné posouzení stavu nabíjení baterie a zajištění bezpečnosti a efektivity procesu nabíjení.

Na základě získaných informací o stavu baterie PLC přesně řídí provozní stav nabíjecího zařízení (například nabíječky nebo střídače) na základě přednastavené strategie a algoritmu nabíjení. Mezi běžné strategie nabíjení patří nabíjení konstantním proudem, nabíjení konstantním napětím a stupňovité nabíjení. Ve fázi nabíjení konstantním proudem PLC řídí nabíjecí zařízení tak, aby nabíjelo baterii konstantním proudem a napětí baterie se postupně zvyšuje. Když napětí baterie dosáhne určité hodnoty, přejde do fáze nabíjení konstantním napětím a PLC upravuje nabíjecí zařízení tak, aby udržovalo konstantní nabíjecí napětí, a nabíjecí proud se postupně snižuje, dokud není baterie plně nabita. Strategie stupňovitého nabíjení kombinuje výhody nabíjení konstantním proudem a konstantním napětím, rozděluje proces nabíjení do několika fází a flexibilně se přizpůsobuje různým stavům baterie, aby se zlepšila účinnost nabíjení a prodloužila se životnost baterie.

Například když PLC detekuje nízké napětí baterie a nízký zbývající výkon, zapne nabíjecí zařízení tak, aby se rychle nabíjelo velkým konstantním proudem, aby se baterie co nejrychleji dobila. Když se napětí baterie blíží stavu plného nabití, PLC se automaticky přepne do režimu nabíjení konstantním napětím, aby se snížil nabíjecí proud, zabránilo se přebíjení baterie a chránil se její výkon a životnost. Zároveň během nabíjení PLC v reálném čase sleduje teplotu baterie. Pokud je teplota příliš vysoká, PLC přijme odpovídající chladicí opatření, jako je snížení nabíjecího proudu nebo pozastavení nabíjení, aby se zajistilo, že se baterie nabíjí v bezpečném teplotním rozsahu.

Během procesu vybíjení hraje PLC také klíčovou řídicí roli. V reálném čase monitoruje výstupní napětí a proud baterie a příkon zátěže. Na základě těchto informací PLC řídí střídač a další zařízení, aby převedla stejnosměrný proud uložený v baterii na střídavý proud a odeslala jej do zátěže. Aby bylo zajištěno bezpečné vybití baterie a prodloužena její životnost, PLC přísně kontroluje hloubku vybití (DOD) baterie. Hloubka vybití se vztahuje k poměru množství vybité baterie k jmenovité kapacitě baterie. Příliš vysoká hloubka vybití urychlí stárnutí a poškození baterie. Proto, když je baterie vybita do určité míry, PLC podnikne odpovídající opatření podle přednastavené prahové hodnoty hloubky vybití, jako je například vyzvání uživatele k nabití, omezení spotřeby energie zátěže nebo přepnutí na jiné metody napájení.

PLC navíc dynamicky upravuje vybíjecí výkon baterie podle změn zátěže. Když je odběr energie od zátěže velký, PLC řídí baterii tak, aby dodávala větší výkon a uspokojovala tak odběr energie zátěže. Když je odběr energie od zátěže malý, PLC sníží vybíjecí výkon baterie, aby se zabránilo nadměrnému vybíjení a zlepšila se energetická účinnost. Například během období nízké spotřeby energie v noci, pokud je odběr energie od zátěže malý, PLC sníží vybíjecí výkon baterie a uloží přebytečnou elektřinu pro pozdější použití. Během období špičkové spotřeby energie během dne, kdy je výroba solární energie nedostatečná a odběr energie od zátěže velký, PLC řídí baterii tak, aby zvýšila vybíjecí výkon a zajistila tak normální provoz zátěže.

3.2.2 Vliv na prodloužení životnosti baterie

PLC má mnoho pozitivních účinků na prodloužení životnosti baterie, zejména v zamezení přebíjení a nadměrnému vybíjení, optimalizaci strategií nabíjení a vybíjení a monitorování a ochranu v reálném čase.

Zabránění přebíjení a nadměrnému vybíjení je jedním z klíčových faktorů pro prodloužení životnosti baterie a PLC může tomuto problému efektivně předejít pomocí přesného řízení. Během nabíjení, jakmile napětí baterie dosáhne nastavené hodnoty plného nabití, PLC okamžitě zapne nabíjecí zařízení a zastaví nabíjení, aby se zabránilo přebíjení baterie. Přebíjení způsobí nerovnováhu v chemické reakci uvnitř baterie, nadměrné zahřívání, urychlí stárnutí a poškození desek baterie a zkrátí životnost baterie. Během vybíjení, jakmile napětí baterie klesne na nastavenou minimální hodnotu vybíjecího napětí, PLC okamžitě vypne vybíjecí obvod, aby se zabránilo nadměrnému vybíjení baterie. Nadměrné vybíjení způsobí sulfidizaci desek baterie, snížení kapacity a výkonu baterie a v závažných případech dokonce způsobí její sešrotování. Díky přesnému řízení PLC lze zajistit, aby baterie vždy fungovala v bezpečném rozsahu nabíjení a vybíjení, čímž se efektivně prodlužuje její životnost.

Optimalizace strategie nabíjení a vybíjení je dalším důležitým prostředkem pro PLC k prodloužení životnosti baterie. Různé typy baterií mají různé vlastnosti a optimální podmínky nabíjení a vybíjení. PLC může formulovat a implementovat personalizované strategie nabíjení a vybíjení podle typu baterie (například olověné baterie, lithiové baterie atd.) a scénáře použití. U olověných baterií se používá stupňovitá strategie nabíjení, nejprve rychlé nabíjení velkým proudem, poté postupné snižování proudu a nakonec doplňování energie udržovacím nabíjením, což může efektivně zlepšit účinnost nabíjení, snížit zahřívání baterie a prodloužit životnost baterie. U lithiových baterií, vzhledem k jejich vysokým požadavkům na přesnost nabíjecího napětí a proudu, PLC přijme přesnější strategii nabíjení konstantním proudem a konstantním napětím, aby přísně kontroloval změny napětí a proudu během procesu nabíjení a zajistil tak bezpečnost a výkon lithiových baterií. Zároveň PLC také dynamicky upraví strategii nabíjení a vybíjení podle faktorů, jako je frekvence používání baterie a okolní teplota, aby dále optimalizoval výkon a životnost baterie.

Monitorování a ochrana v reálném čase jsou důležitými funkcemi PLC pro zajištění životnosti baterie. Připojením různých senzorů může PLC monitorovat napětí, proud, teplotu, zbývající energii a další parametry baterie v reálném čase a tato data analyzovat a zpracovávat. Jakmile je stav baterie abnormální, například je napětí příliš vysoké nebo příliš nízké, proud je příliš velký, teplota je příliš vysoká atd., PLC okamžitě spustí alarm a přijme odpovídající ochranná opatření, jako je zastavení nabíjení a vybíjení, spuštění zařízení pro odvod tepla atd. Například, když je detekována příliš vysoká teplota baterie, PLC automaticky sníží nabíjecí proud nebo pozastaví nabíjení a spustí chladicí ventilátor, aby se baterie ochladila, aby se zabránilo poškození baterie v důsledku vysoké teploty. Kromě toho může PLC také zaznamenávat historii nabíjení a vybíjení baterie a na základě analýzy těchto dat předpovídat její stav a zbývající životnost, poskytovat základ pro údržbu a výměnu baterie a včas přijímat opatření, aby se zabránilo ovlivnění provozu systému selháním baterie.

3.2.3 Optimalizace správy skladování energie

PLC hraje důležitou roli v optimalizaci správy skladování energie, zejména v koordinaci distribuce energie, zlepšování účinnosti využití energie a realizaci inteligentního monitorování a plánování.

Pokud jde o koordinaci distribuce energie, PLC dokáže dosáhnout rozumné distribuce a plánování energie na základě výroby energie solárním systémem v reálném čase, stavu ukládání energie v baterii a poptávky po energii zátěže. Pokud je během dne dostatek slunce, elektřina vyrobená solárními panely nejenže uspokojí poptávku po energii aktuální zátěže, ale přebytečná elektřina bude řízena PLC a uložena v baterii. Pokud je výroba solární energie nedostatečná nebo v noci není žádné sluneční světlo, PLC řídí vybíjení baterie a poskytuje podporu napájení zátěže. Zároveň může PLC optimalizovat strategii distribuce energie podle cenové politiky energetické sítě a zvyklostí uživatelů ve spotřebě energie. V obdobích nízkých cen elektřiny se elektrická síť nejprve používá k nabíjení baterie; v obdobích vysokých cen elektřiny se energie uložená v baterii používá k napájení zátěže, čímž se snižují náklady uživatele na elektřinu.

Zlepšení energetické účinnosti je důležitým cílem PLC pro optimalizaci správy ukládání energie. Přesným řízením procesu nabíjení a vybíjení baterie může PLC snížit ztráty energie během přeměny a ukládání. Během procesu nabíjení se používá efektivní strategie nabíjení pro zkrácení doby nabíjení a ztráty energie; během procesu vybíjení se vybíjecí výkon dynamicky upravuje podle požadavku na zátěž, aby se zabránilo plýtvání energií. Kromě toho může PLC také realizovat koordinovanou práci systémů výroby solární energie a dalších energetických systémů (jako jsou systémy výroby větrné energie, systémy výroby energie z biomasy atd.), plně využít výhod různých energetických systémů, realizovat doplňkové využití energie a dále zlepšit účinnost využití energie.

Inteligentní monitorování a plánování jsou klíčovými funkcemi PLC pro optimalizaci správy ukládání energie. Připojením k hostitelskému počítači, monitorovacímu systému nebo cloudové platformě může PLC nahrávat provozní data systému výroby solární energie a systému ukládání energie v bateriích v reálném čase do monitorovacího centra a provádět vzdálené monitorování a správu. Provozní a údržbářský personál může prostřednictvím monitorovacího rozhraní v reálném čase sledovat výrobu energie systému, stav baterie, spotřebu energie zátěže a další informace a provádět vzdálené ovládání a plánování podle aktuální situace. Zároveň může PLC realizovat inteligentní funkci plánování podle přednastavených pravidel a algoritmů. Pokud je zjištěno, že je baterie příliš nízká a výroba solární energie je nedostatečná, může PLC automaticky spustit záložní zdroj napájení (například dieselový generátor atd.), aby zajistil normální napájení zátěže. V případě selhání systému může PLC včas spustit alarm a přijmout odpovídající ochranná opatření a nahrát informace o poruše do monitorovacího centra, což je pro provozní a údržbářský personál výhodné pro rychlé řešení problémů a opravu poruchy.

3.3 Sběr dat a vzdálené monitorování

V systémech pro výrobu solární energie hraje PLC klíčovou roli při sběru dat a vzdáleném monitorování, což poskytuje silnou podporu pro efektivní a stabilní provoz systému.

3.3.1 Sběr dat

PLC dokáže shromažďovat vícerozměrná data ze systému výroby solární energie v reálném čase díky úzkému propojení s různými senzory. Tyto senzory jsou jako „smyslové orgány“ systému a poskytují PLC bohaté a přesné informace, takže PLC může plně pochopit provozní stav systému.

Snímače intenzity světla jsou důležitou součástí sběru dat. Dokážou přesně měřit intenzitu slunečního záření, což je jeden z klíčových faktorů ovlivňujících účinnost výroby energie solárních panelů. Při různých intenzitách světla se výstupní výkon solárních panelů výrazně liší. Sběrem dat o intenzitě světla může PLC přesně určit optimální provozní stav solárních panelů na základě přednastavených algoritmů a dalších parametrů, jako je teplota, napětí a proud solárních panelů, a tím dosáhnout sledování bodu maximálního výkonu (MPPT). ) řízení, které zajišťuje, že solární panely vždy vyrábějí elektřinu s nejvyšší účinností.

Teplotní senzory jsou také nepostradatelné. Teplota má důležitý vliv na výkon solárních panelů. S rostoucí teplotou se snižuje napětí naprázdno solárního panelu a mírně se zvyšuje zkratový proud, což způsobuje změnu jeho výstupního výkonu. PLC monitoruje teplotu solárního panelu v reálném čase připojením k teplotnímu senzoru. Když teplota překročí normální rozsah, PLC může přijmout odpovídající opatření, například spuštění zařízení pro odvod tepla, aby se snížil vliv teploty na výkon panelu a zajistil se stabilní provoz panelu.

Snímač napětí a proudu slouží ke sběru výstupního napětí a proudu solárního panelu v reálném čase. Tato data nejsou jen klíčovými parametry pro výpočet výstupního výkonu solárního panelu, ale také důležitým základem pro posouzení, zda je provozní stav solárního panelu normální. Na základě shromážděných dat o napětí a proudu v kombinaci s dalšími informacemi ze senzorů může PLC okamžitě detekovat, zda se v solárním panelu nachází závada, jako je přerušený obvod, zkrat atd., a přijmout odpovídající ochranná opatření, jako je přerušení obvodu, spuštění alarmu atd., aby se zabránilo šíření závady a zajistil se bezpečný provoz systému.

Kromě toho se v systému pro výrobu solární energie se systémem pro ukládání energie v bateriích PLC připojí také k senzoru stavu baterie, aby v reálném čase shromažďoval parametry, jako je napětí baterie, proud, zbývající kapacita (SOC) a teplota. Tyto parametry jsou klíčové pro přesné řízení procesu nabíjení a vybíjení baterie. Monitorováním stavu baterie v reálném čase může PLC rozumně upravit strategii nabíjení a vybíjení podle zbývající kapacity baterie a požadavku na zátěž, čímž zajistí bezpečný provoz baterie, prodlouží životnost baterie a zajistí stabilní dodávku energie pro systém.

3.3.2 Vzdálené monitorování

Kombinace PLC a systému vzdáleného monitorování přinesla velké pohodlí do správy systému výroby solární energie a umožnila řízení v reálném čase a dálkové ovládání provozního stavu systému.

Co se týče hardwarového připojení, PLC se k síti připojuje prostřednictvím komunikačního modulu, který podporuje více komunikačních protokolů, jako je Ethernet, RS485, Modbus atd., aby se přizpůsobil různým síťovým prostředím a požadavkům na připojení zařízení. Prostřednictvím ethernetové komunikace může PLC rychle a stabilně přenášet shromážděná data na server vzdáleného monitorovacího centra; komunikace RS485 je vhodná pro některé scénáře s požadavky na komunikační vzdálenost a náklady a umožňuje spolehlivou komunikaci mezi PLC a více vzdálenými zařízeními; protokol Modbus, jako běžně používaný průmyslový komunikační protokol, má širokou kompatibilitu a všestrannost, což umožňuje PLC vyměňovat si data s různými zařízeními, která protokol Modbus podporují.

Systém vzdáleného monitorování se obvykle skládá z hostitelského počítače, monitorovacího softwaru a cloudové platformy v monitorovacím centru. Hostitelský počítač, jakožto jádro monitorovacího systému, je zodpovědný za příjem a zpracování dat z PLC a jejich prezentaci provoznímu a údržbářskému personálu v intuitivním rozhraní. Monitorovací software nabízí řadu funkcí, jako je zobrazení dat v reálném čase, dotazování na historická data, generování reportů, správa alarmů atd. Provozní a údržbářský personál si může prostřednictvím rozhraní monitorovacího softwaru prohlížet různé provozní parametry systému výroby solární energie, jako je výroba energie, výkon, napětí, proud atd., a také provozní stav zařízení, například zda solární panely fungují správně a zda střídač běží stabilně atd.

Aplikace cloudové platformy dále rozšiřuje rozsah a funkce vzdáleného monitorování. Prostřednictvím cloudové platformy může provozní a údržbářský personál kdykoli a odkudkoli přistupovat k monitorovacímu systému přes internet a provádět vzdálené monitorování a správu systému výroby solární energie. Ať už v kanceláři, doma nebo na cestách, pokud je k dispozici připojení k síti, může provozní a údržbářský personál používat mobilní telefony, tablety nebo počítače a další zařízení k pochopení provozu systému v reálném čase a k včasnému nalezení a řešení problémů. Cloudová platforma má zároveň také funkce pro ukládání a analýzu dat, které umožňují ukládat a analyzovat velké množství historických dat a poskytovat tak datovou podporu pro optimalizaci provozu systému a predikci poruch.

Pokud v systému dojde k abnormální situaci, PLC neprodleně odešle informaci o alarmu do systému vzdáleného monitorování. Monitorovací software okamžitě spustí alarm a upozorní provozní a údržbářský personál zvukem, vyskakovacími okny atd. Zároveň informace o alarmu obsahují podrobný popis poruchy, čas a místo poruchy, což pomáhá provoznímu a údržbářskému personálu rychle lokalizovat a vyřešit problém. Provozní a údržbářský personál může na základě informací o alarmu systém dálkově ovládat, například zobrazit podrobné parametry vadného zařízení, upravit provozní stav zařízení, spustit nebo zastavit související zařízení atd., aby co nejdříve obnovil normální provoz systému.

3.3.3 Význam pro správu a údržbu systému

Funkce sběru dat a vzdáleného monitorování mají dalekosáhlý význam pro správu a údržbu systémů výroby solární energie, což výrazně zlepšuje efektivitu řízení a úroveň údržby systému.

Zlepšení efektivity řízení je jedním z jeho důležitých projevů. Prostřednictvím sběru dat v reálném čase a vzdáleného monitorování může provozní a údržbářský personál plně pochopit provozní stav systému výroby solární energie, aniž by musel osobně cestovat na místo. To umožňuje provoznímu a údržbářskému personálu sledovat důležité informace, jako je výroba energie systému, stav zařízení a distribuce energie, aby mohl efektivněji činit rozhodnutí a zajišťovat jejich řízení. Například při změně intenzity světla může provozní a údržbářský personál včas upravovat provozní stav solárních panelů podle dat v reálném čase, aby zajistil, že systém vždy udržuje efektivní výrobu energie; při změně poptávky po zátěži může provozní a údržbářský personál rozumně alokovat energii podle stavu úložiště energie v baterii a výroby energie, aby zajistil normální provoz zátěže. Současně funkce dotazování na historická data a generování reportů poskytované systémem vzdáleného monitorování usnadňují provoznímu a údržbářskému personálu analýzu a shrnutí provozních dat systému, což poskytuje základ pro formulování vědeckých strategií řízení.

Snížení nákladů na údržbu je také důležitou výhodou sběru dat a funkcí vzdáleného monitorování. Tradiční metoda údržby systémů pro výrobu solární energie vyžaduje, aby provozní a údržbářský personál pravidelně navštěvoval místo za účelem inspekce a údržby, což nejen spotřebovává spoustu pracovní síly, materiálních zdrojů a času, ale také ztěžuje údržbu systémů pro výrobu energie v některých odlehlých oblastech. Prostřednictvím vzdáleného monitorování může provozní a údržbářský personál monitorovat provozní stav systému v reálném čase a včas odhalovat potenciální závady. V případě poruchy může provozní a údržbářský personál na základě podrobných informací o závadách poskytnutých systémem vzdáleného monitorování předem připravit nástroje pro údržbu a náhradní díly a provést cílené opravy, což výrazně zkracuje dobu řešení závad, snižuje počet zbytečných kontrol na místě a snižuje náklady na údržbu.

Zvýšení spolehlivosti a stability systému je klíčovým faktorem pro sběr dat a funkce dálkového monitorování. Díky sběru a analýze dat v reálném čase dokáže PLC včas detekovat abnormální stavy v systému a přijmout odpovídající ochranná opatření, aby se zabránilo vzniku a šíření poruch. Například když je detekována příliš vysoká teplota solárního panelu, PLC může automaticky spustit zařízení pro odvod tepla, aby se zabránilo poškození panelu v důsledku přehřátí; když je detekována abnormální výstupní napětí střídače, PLC může včas odpojit obvod, aby ochránila bezpečnost zařízení. Zároveň funkce alarmu systému dálkového monitorování umožňuje provoznímu a údržbářskému personálu zjistit poruchu systému hned napoprvé, včas ji řešit, zajistit stabilní provoz systému a zlepšit spolehlivost dodávek energie.

3.4 Případová studie: Aplikace PLC v solární elektrárně

Abychom intuitivněji a hlouběji pochopili skutečný dopad aplikace a ekonomické přínosy PLC v systémech výroby solární energie, bude tato část podrobně analyzovat solární elektrárnu jako příklad. Solární elektrárna se nachází v [konkrétní zeměpisná poloha], má rozlohu [X] metrů čtverečních, instalovaný výkon [X] MW a je jedním z důležitých místních projektů výroby energie z obnovitelných zdrojů.

V této solární elektrárně se PLC široce používá v mnoha klíčových oblastech a hraje nepostradatelnou roli. Pokud jde o řízení sledování bodu maximálního výkonu (MPPT), je použit algoritmus řízení MPPT s přírůstkem vodivosti. PLC získává parametry pracovního prostředí a výstupní elektrické parametry solárních panelů v reálném čase díky úzkému propojení se světelnými senzory, teplotními senzory, senzory napětí a proudu. V reálném provozním procesu, když se intenzita světla změní, dokáže PLC rychle reagovat, přesně vypočítat přírůstek vodivosti \frac{dI}{dV} a -\frac{I}{V} podle shromážděných dat o napětí a proudu a porovnat je. Například v určitém okamžiku se intenzita světla náhle zvýší. Poté, co PLC detekuje změnu napětí a proudu, vypočítá a určí, že aktuální pracovní bod je nalevo od bodu maximálního výkonu, a proto včas upraví řídicí parametry střídače tak, aby se zvýšilo pracovní napětí solárního panelu a přiblížilo se k bodu maximálního výkonu. Díky této přesné metodě řízení si solární panely této solární elektrárny mohou vždy udržovat vysokou účinnost výroby energie za různých světelných a teplotních podmínek.

Ve srovnání s podobnými solárními elektrárnami, které nepoužívají PLC pro MPPT řízení, se účinnost výroby energie této elektrárny výrazně zlepšila. Podle statistik skutečných provozních údajů se za stejných světelných a environmentálních podmínek roční výroba energie této elektrárny zvýšila přibližně o 151 TP3T ve srovnání s elektrárnou, která nepoužívala PLC-MPPT řízení. To znamená, že elektrárna může k uspokojení stejné spotřeby energie použít méně solárních panelů, čímž se snižují počáteční investiční náklady. Zároveň se díky zlepšení účinnosti výroby energie vyrobí více elektřiny za stejnou dobu, což snižuje závislost na jiných záložních zdrojích energie a dále snižuje náklady na pořízení energie.

PLC hraje také klíčovou roli v řízení ukládání energie v bateriích. Elektrárna je vybavena systémem pro ukládání energie v bateriích s velkou kapacitou, který ukládá přebytečnou elektřinu a uspokojuje tak poptávku po energii v noci nebo při nedostatečném osvětlení. PLC přesně řídí proces nabíjení a vybíjení baterie monitorováním parametrů baterie v reálném čase, jako je napětí, proud, zbývající kapacita (SOC) a teplota. Během nabíjení, když je napětí baterie nízké a zbývající kapacita malá, PLC řídí nabíjecí zařízení tak, aby se rychle nabíjelo velkým konstantním proudem; když se napětí baterie blíží stavu plného nabití, automaticky se přepne do režimu nabíjení konstantním napětím, aby se snížil nabíjecí proud a zabránilo se přebíjení baterie. Během vybíjení PLC dynamicky upravuje vybíjecí výkon baterie podle odběru energie zátěže a zbývající kapacity baterie, aby se zajistilo, že baterie pracuje v bezpečném rozsahu hloubky vybíjení a prodlouží se její životnost.

Díky přesnému řízení PLC se efektivně prodloužila životnost baterií elektrárny. Podle statistik se cyklus výměny baterií v této elektrárně prodloužil přibližně o 20% ve srovnání s elektrárnami, které řízení PLC nepoužívají, což výrazně snižuje náklady na výměnu baterií. Zároveň, protože PLC dokáže optimalizovat strategii distribuce energie podle cenové politiky elektřiny v rozvodné síti a zvyklostí uživatele ve spotřebě elektřiny, upřednostní se v obdobích nízkých cen elektřiny nabíjení baterie pomocí síťové energie; v obdobích vysokých cen elektřiny se k napájení zátěže použije elektřina uložená v baterii, čímž se sníží náklady uživatele na elektřinu.

Pokud jde o sběr dat a vzdálené monitorování, PLC je připojeno k síti prostřednictvím komunikačního modulu a shromážděná provozní data systému výroby solární energie, jako je intenzita světla, teplota, napětí, proud, výroba energie atd., jsou v reálném čase přenášena na server vzdáleného monitorovacího centra. Systém vzdáleného monitorování se skládá z hostitelského počítače, monitorovacího softwaru a cloudové platformy monitorovacího centra. Provozní a údržbářský personál může prostřednictvím rozhraní monitorovacího softwaru sledovat provozní stav elektrárny v reálném čase a včas vyhledávat a řešit problémy. Například když v systému dojde k abnormální situaci, PLC včas odešle alarmovou informaci do vzdáleného monitorovacího systému a monitorovací software okamžitě spustí alarm, aby to připomněl provoznímu a údržbářskému personálu. Provozní a údržbářský personál může systém ovládat na dálku podle alarmových informací, například zobrazit podrobné parametry vadného zařízení, upravit provozní stav zařízení, spustit nebo zastavit související zařízení atd., aby co nejdříve obnovil normální provoz systému.

Díky sběru dat a funkcím vzdáleného monitorování se výrazně zlepšila efektivita řízení elektrárny a výrazně se snížily náklady na údržbu. Provozní a údržbářský personál nemusí často dojíždět na místo kvůli kontrolám, což snižuje plýtvání pracovní silou, materiálními zdroji a časem. Zároveň mohou správci elektráren optimalizovat provozní strategii systému a dále zlepšovat účinnost výroby energie a využití energie.

Stručně řečeno, určitá solární elektrárna dosáhla díky aplikaci technologie PLC pozoruhodných výsledků, pokud jde o účinnost výroby energie, životnost baterie, efektivitu řízení a ekonomické výhody. To plně dokazuje, že aplikace PLC v systémech výroby solární energie má důležitou hodnotu a široké perspektivy a poskytuje užitečnou referenci pro výstavbu a provoz dalších solárních elektráren.

4. Aplikace PLC v systému výroby větrné energie

4.1 Monitorování a regulace rychlosti a směru větru

V systémech pro výrobu větrné energie jsou rychlost a směr větru klíčovými faktory ovlivňujícími účinnost výroby energie a bezpečnost zařízení. PLC propojuje senzory pro přesné monitorování rychlosti a směru větru a flexibilně upravuje provozní parametry větrné turbíny na základě výsledků monitorování, aby byl zajištěn efektivní a stabilní provoz větrné turbíny.

Monitorování rychlosti a směru větru je základem celého procesu regulace. Monitorování rychlosti větru obvykle využívá senzory rychlosti větru. Mezi běžné senzory rychlosti větru patří senzory s horkým drátem, ultrazvukové senzory a rotační senzory. Senzory rychlosti větru s horkým drátem využívají k měření rychlosti větru vztah mezi rychlostí odvodu tepla topného prvku a rychlostí větru. Když se rychlost větru změní, změní se i rychlost odvodu tepla topného prvku, což způsobí změnu jeho odporu. Rychlost větru lze vypočítat měřením změny hodnoty odporu. Ultrazvukový senzor rychlosti větru využívá princip, že když se ultrazvukové vlny šíří vzduchem, jejich rychlost šíření je ovlivněna rychlostí větru, a proto se rychlost větru měří. Rychlost větru se vypočítá měřením časového rozdílu šíření ultrazvukových vln v různých směrech. Rotační senzor rychlosti větru se obecně skládá z misky a rotujícího hřídele. Miska se otáčí působením síly větru a její rychlost je úměrná rychlosti větru. Měřením rychlosti misky lze po přepočtu získat rychlost větru. Tyto senzory rychlosti větru převádějí naměřený signál rychlosti větru na elektrický signál, například analogový napěťový signál nebo pulzní signál, a poté jej přenášejí do vstupního modulu PLC.

Monitorování směru větru se spoléhá především na senzory směru větru. Mezi běžné senzory směru větru patří senzory s větrnou korouhvičkou a elektronický kompas. Senzor směru větru s větrnou korouhvičkou určuje směr větru podle směru větrné korouhvičky ve větru. Korouhvička je připojena k potenciometru nebo enkodéru. Když se směr větru změní, korouhvička se otáčí a pohání potenciometr nebo enkodér, který vydává odpovídající elektrický signál, který odpovídá úhlu směru větru. Senzor směru větru s elektronickým kompasem využívá k měření směru větru charakteristiky zemského magnetického pole. Vestavěný magnetický senzor detekuje směr magnetického pole, získává informace o směru větru pomocí zpracování signálu a algoritmického výpočtu a převádí je na elektrický signál, který vysílá do PLC.

Po přijetí signálu ze senzoru rychlosti a směru větru PLC nejprve signál zpracuje a převede. V případě analogových signálů, jako jsou analogové napěťové signály, PLC převádí tyto signály na digitální veličiny pomocí analogových vstupních modulů pro následné výpočty a zpracování; v případě pulzních signálů PLC počítá a měří frekvenci pomocí funkčních modulů, jako jsou vysokorychlostní čítače, aby získal relevantní data o rychlosti a směru větru. Poté PLC upraví provozní parametry ventilátoru podle přednastavené strategie a algoritmu řízení.

Pokud je rychlost větru nižší než počáteční rychlost větrné turbíny, větrná turbína se nachází v pohotovostním režimu a PLC řídí úhel sklonu větrné turbíny, aby udržoval specifický úhel a snížil odpor lopatek. Zároveň monitoruje změnu rychlosti větru a čeká, až rychlost větru dosáhne počátečních podmínek. Když rychlost větru dosáhne počáteční rychlosti větru, PLC řídí spuštění větrné turbíny a postupně upravuje úhel sklonu tak, aby lopatky začaly zachycovat větrnou energii a poháněly generátor k otáčení a výrobě elektřiny. V oblastech s nízkou rychlostí větru používá PLC algoritmus sledování bodu maximálního výkonu (MPPT) pro zlepšení efektivity využití větrné energie podle změny rychlosti větru k úpravě úhlu sklonu a rychlosti větrné turbíny v reálném čase, aby větrná turbína vždy pracovala v blízkosti bodu maximálního výkonu a zachytila více větrné energie.

S rostoucí rychlostí větru, když rychlost větru překročí jmenovitou rychlost větru, musí PLC omezit rychlost větrné turbíny, aby se zabránilo jejímu přetížení a poškození. V tomto okamžiku PLC zvětšuje úhel stoupání, zmenšuje úhel mezi lopatkami a směrem větru a snižuje energii větru zachycenou lopatkami, čímž řídí rychlost a výstupní výkon větrné turbíny tak, aby se udržely v jmenovitém rozsahu. Zároveň PLC dynamicky upravuje rychlost změny úhlu stoupání podle změny rychlosti větru, aby zajistil plynulý provoz větrné turbíny.

Změny směru větru mají také významný vliv na provoz větrných turbín. Když se směr větru změní, PLC řídí systém stáčení větrné turbíny tak, aby rotor větrné turbíny mohl vždy směřovat ve směru větru, a maximalizovat tak zachycení větrné energie. Systém stáčení se obvykle skládá z motoru stáčení, reduktoru stáčení a ložiska stáčení. PLC řídí otáčení vpřed a vzad a rychlost motoru stáčení, aby poháněl reduktor stáčení, poháněl rotor větru k otáčení kolem svislé osy a dosáhl nastavení stáčení. Během procesu stáčení PLC monitoruje změny směru větru a úhlu stáčení v reálném čase. Když úhel stáčení dosáhne nastavené hodnoty, motor stáčení se zastaví, aby se zajistilo, že rotor větru je přesně vyrovnán se směrem větru.

Například ve velké větrné farmě se používá řídicí systém PLC k monitorování rychlosti a směru větru a k úpravě provozních parametrů větrné turbíny. Při silném větru se rychlost větru náhle zvýšila a směr větru se výrazně změnil. PLC tyto změny okamžitě monitoroval pomocí senzorů rychlosti a směru větru a rychle spustil strategii regulace rychlosti, aby se zvýšil úhel náklonu, aby se rychlost a výstupní výkon větrné turbíny udržely v bezpečném rozsahu. Zároveň byl systém stáčení řízen tak, aby se pohyboval rychle, a rotor větrné farmy byl přesně vyrovnán s novým směrem větru. Díky přesnému řízení PLC mohou větrné turbíny větrné farmy stabilně fungovat i za nepříznivých povětrnostních podmínek, což zajišťuje kontinuitu a stabilitu výroby energie.

4.2 Řízení úhlu náklonu a stáčení

V systémech pro výrobu větrné energie jsou úhel náklonu a řízení stáčení klíčovými články pro zajištění bezpečného a stabilního provozu větrných turbín a zlepšení účinnosti výroby energie a PLC hraje v tomto procesu klíčovou řídicí roli.

Řízení úhlu sklonu se týká úpravy úhlu sklonu lopatek větrné turbíny, tj. úhlu mezi lopatkami a rovinou otáčení, za účelem úpravy větrné energie zachycené lopatkami, čímž se dosáhne regulace otáček a výstupního výkonu větrné turbíny. Při nízké rychlosti větru řídí PLC úhel sklonu, aby se zachytilo více větrné energie a zlepšila účinnost výroby energie, aby se zachytilo více větrné energie, zvýšily se otáčky větrné turbíny a poté se zvýšil výstupní výkon generátoru. Naopak, pokud je rychlost větru příliš vysoká, je nutné omezit otáčky a výstupní výkon větrné turbíny, aby se zabránilo přetížení a poškození větrné turbíny. V tomto okamžiku PLC řídí úhel sklonu, aby se zvýšila, zmenšila se návětrná plocha lopatek, snížila se větrná energie zachycená lopatkami, snížila se otáčky větrné turbíny a reguloval se výstupní výkon v bezpečném rozsahu.

Vezměte si jako příklad určitý typ větrné turbíny. Její jmenovitá rychlost větru je 12 m/s. Když je rychlost větru v rozsahu nízkých rychlostí větru 3–12 m/s, PLC používá algoritmus sledování bodu maximálního výkonu (MPPT) k řízení úhlu stoupání. V závislosti na rychlosti větru monitorované v reálném čase a provozních parametrech větrné turbíny PLC průběžně upravuje úhel stoupání tak, aby větrná turbína vždy pracovala v blízkosti bodu maximálního výkonu a maximalizovala tak zachycení větrné energie. Když rychlost větru dosáhne 12 m/s nebo více, vstoupí do rozsahu jmenovité rychlosti větru a rozsahu vysokých rychlostí větru a PLC přepne strategii řízení a přijme algoritmus řízení konstantního výkonu. V tomto okamžiku PLC přesně řídí úhel stoupání podle jmenovitého výkonu větrné turbíny a aktuálního provozního stavu tak, aby výstupní výkon větrné turbíny zůstal v blízkosti jmenovité hodnoty, čímž se zabrání přetížení větrné turbíny v důsledku nadměrné rychlosti větru.

Řízení stáčení se týká řízení systému stáčení větrné turbíny tak, aby rotor větrné turbíny mohl být vždy natočen ve směru větru, a maximalizovat tak zachycení větrné energie. Systém stáčení se skládá hlavně z motoru stáčení, reduktoru stáčení, ložiska stáčení a brzdy stáčení. Když se směr větru změní, senzor směru větru vyšle signál o změně směru větru do PLC. PLC řídí spuštění motoru stáčení podle přednastavené strategie řízení, pohání ložisko stáčení k otáčení prostřednictvím reduktoru stáčení a otáčí rotorem větrné turbíny kolem svislé osy pro dosažení nastavení stáčení. Během procesu stáčení PLC monitoruje změny směru větru a úhlu stáčení v reálném čase. Když úhel stáčení dosáhne nastavené hodnoty, motor stáčení se zastaví, aby se zajistilo, že rotor větru je přesně vyrovnán se směrem větru.

Například ve velké větrné farmě, když se směr větru změní o 15°, senzor směru větru rychle vyšle signál do PLC. Po analýze a výpočtu PLC řídí stáčivý motor tak, aby se otáčel určitou rychlostí a směrem. Prostřednictvím zpomalovacího a točivého momentu reduktoru stáčení se ložisko stáčení pomalu otáčí, takže se rotor větrné turbíny postupně otáčí do nového směru větru. Během procesu stáčení PLC nepřetržitě monitoruje úhel stáčení. Když úhel stáčení dosáhne 15°, stáčivý motor se včas zastaví, aby se dokončilo nastavení stáčení. Díky tomuto přesnému řízení stáčení mohou větrné turbíny ve větrné farmě vždy přesně sledovat směr větru, což efektivně zlepšuje účinnost využití větrné energie.

Řízení úhlu stoupání a stáčení hraje důležitou roli v zajištění bezpečného a stabilního provozu větrných turbín a zlepšení účinnosti výroby energie. Pokud jde o zajištění bezpečného a stabilního provozu větrných turbín, rozumné řízení úhlu stoupání může umožnit větrné turbíně udržovat stabilní provozní stav za různých podmínek rychlosti větru a předcházet poruchám, jako je přetížení větrné turbíny, zastavení nebo vypnutí v důsledku nadměrné nebo nízké rychlosti větru. Pokud je rychlost větru příliš vysoká, lze omezit rychlost a výstupní výkon větrné turbíny zvýšením úhlu stoupání, aby se zabránilo poškození větrné turbíny v důsledku nadměrné síly; pokud je rychlost větru příliš nízká, lze zlepšit schopnost větrné turbíny zachycovat větrnou energii snížením úhlu stoupání, aby se zajistil normální provoz větrné turbíny. Přesné řízení stáčení může zajistit, aby větrná turbína byla vždy otočena ve směru větru, zabránilo se nerovnoměrnému působení síly na větrnou turbínu v důsledku odchylek směru větru, snížilo se opotřebení a únava součástí větrné turbíny a prodloužilo se její životnost.

Pokud jde o zlepšení účinnosti výroby energie, může řízení úhlu stoupání umožnit větrné turbíně pracovat v optimálním stavu při různých rychlostech větru a dosáhnout maximálního výstupního výkonu. Díky kombinaci algoritmu MPPT a algoritmu řízení konstantního výkonu může PLC upravovat úhel stoupání v reálném čase podle změny rychlosti větru, takže větrná turbína může zachytit více větrné energie při nízké rychlosti větru a udržet stabilní jmenovitý výkon při vysoké rychlosti větru, čímž se zlepší účinnost výroby energie celého systému větrné energie. Řízení stáčení může zajistit, aby větrná turbína byla vždy v souladu se směrem větru, maximalizovat zachycení větrné energie a zabránit ztrátám větrné energie v důsledku odchylek směru větru. Studie ukázaly, že přesné řízení stáčení může zvýšit výrobu energie systémů větrné energie o 5% – 10%.

4.3 Diagnostika poruch a ochrana

V systémech pro výrobu větrné energie jsou diagnostika a ochrana poruch klíčovými články pro zajištění bezpečného a stabilního provozu systému, zlepšení spolehlivosti zařízení a prodloužení životnosti. PLC hraje díky svým výkonným funkcím důležitou roli v dosahování diagnostiky a ochrany poruch.

4.3.1 Funkce diagnostiky poruch

Funkce diagnostiky poruch PLC se spoléhá především na monitorování v reálném čase a inteligentní analýzu provozních dat systému výroby větrné energie. Díky úzkému propojení s různými senzory může PLC shromažďovat mnoho provozních parametrů větrných turbín v reálném čase, jako je rychlost větru, směr větru, otáčky generátoru, výkon, vibrace, teplota, tlak oleje atd. Tyto parametry jsou jako „ukazatele stavu“ systému a poskytují bohatou datovou podporu pro diagnostiku poruch.

Vezměme si jako příklad vibrační senzor, který dokáže v reálném čase monitorovat vibrace klíčových součástí, jako jsou lopatky větrných turbín, převodovky a generátory. Když selže součást, například praskliny v lopatkách, opotřebení ozubeného kola, poškození ložiska atd., její vibrační charakteristiky se výrazně změní a parametry, jako je amplituda a frekvence vibrací, překročí normální rozsah. PLC shromažďuje data ze senzorů vibrací v reálném čase a pomocí přednastaveného algoritmu diagnostiky poruch analyzuje a zpracovává vibrační data. Jakmile je detekován abnormální parametr vibrací, PLC dokáže rychle určit možný typ a umístění poruchy, například posoudit, zda se jedná o poruchu lopatek nebo převodovky na základě změny frekvence vibrací, a posoudit závažnost poruchy na základě velikosti amplitudy vibrací.

Teplotní senzory jsou také důležitým základem pro diagnostiku poruch. Během provozu větrných turbín každá součást generuje určité množství tepla. Za normálních okolností se teplota součástí udržuje v rozumném rozmezí. Pokud některá součást selže, například zkratem ve vinutí generátoru nebo špatným mazáním ložisek, způsobí to lokální zvýšení teploty. PLC monitoruje změny teploty každé součásti v reálném čase připojením k teplotnímu senzoru. Pokud je detekováno, že teplota součásti překročila nastavenou prahovou hodnotu, PLC okamžitě spustí alarm a určí příčinu poruchy na základě trendu a amplitudy zvýšení teploty v kombinaci s dalšími daty ze senzorů. Pokud je zvýšení teploty způsobeno zkratem ve vinutí generátoru, PLC dále analyzuje stupeň a umístění zkratu, aby poskytla přesné informace pro následnou údržbu.

Kromě toho bude PLC v reálném čase monitorovat elektrické parametry generátoru, jako je napětí, proud, účiník atd. Pokud tyto parametry abnormálně kolísají, může PLC zjistit možné elektrické závady, jako jsou kolísání napětí v síti, poruchy generátoru, špatný kontakt ve vedení atd. Analýzou elektrických parametrů může PLC určit typ a rozsah závady a přijmout vhodná ochranná opatření, jako je vypnutí obvodu, úprava budicího proudu generátoru atd., aby se zabránilo dalšímu šíření závady.

Kromě diagnostiky poruch založené na datech ze senzorů může PLC také využívat inteligentní diagnostické technologie, jako je analýza stromu poruch a algoritmy neuronových sítí, ke zlepšení přesnosti a spolehlivosti diagnostiky poruch. Analýza stromu poruch je metoda diagnostiky poruch založená na logickém uvažování. Považuje poruchu systému za nejdůležitější událost a vytváří model stromu poruch analýzou různých možných příčin této nejdůležitější události. V systému pro výrobu větrné energie může PLC provádět logické uvažování na základě shromážděných provozních dat na základě modelu stromu poruch, aby rychle lokalizovala příčinu poruchy. Například když se větrná turbína nevypne, může PLC použít model stromu poruch k prošetření z více hledisek, jako je porucha elektrické sítě, porucha řídicího systému a porucha větrné turbíny, postupně zúžit rozsah poruchy a určit konkrétní bod poruchy.

Algoritmus neuronové sítě je inteligentní algoritmus, který simuluje strukturu a funkci neuronů v lidském mozku. Má schopnosti samoučení, samoadaptace a rozpoznávání vzorů. Při diagnostice poruch může PLC použít algoritmus neuronové sítě k učení a trénování velkého množství historických dat o poruchách a dat o normálním provozu za účelem vytvoření modelu diagnostiky poruch. Když systém běží, PLC vkládá do modelu neuronové sítě shromážděná provozní data v reálném čase. Model analyzuje a zpracovává data, aby určil, zda se v systému nachází porucha, a typ a závažnost poruchy. Vzhledem k tomu, že algoritmus neuronové sítě má silné adaptivní schopnosti a dokáže se přizpůsobit složitému a proměnlivému provoznímu prostředí systému výroby větrné energie, může efektivně zlepšit přesnost a včasnost diagnostiky poruch.

4.3.2 Ochranná funkce

Ochranná funkce PLC je důležitou obrannou linií pro zajištění bezpečného provozu systémů pro výrobu větrné energie, která zahrnuje především dva aspekty: hardwarovou ochranu a softwarovou ochranu.

Pokud jde o hardwarovou ochranu, PLC jsou obvykle vybaveny řadou hardwarových ochranných obvodů, jako je ochrana proti nadproudu, přepětí, podpětí, zkratu, úniku atd. Tyto hardwarové ochranné obvody dokáží v reálném čase monitorovat elektrické parametry systému výroby větrné energie. Jakmile je detekována abnormální situace, mohou rychle reagovat, aby odpojily obvod a ochránily zařízení. Například když výstupní proud generátoru překročí jmenovitou hodnotu, obvod ochrany proti nadproudu rychle detekuje abnormální změnu proudu a odpojí obvod pomocí akčních členů, jako jsou relé, aby zabránil poškození generátoru nadproudem. Ochrana proti přepětí nastává, když napětí v síti nebo výstupní napětí generátoru překročí nastavenou horní mez, obvod ochrany proti přepětí omezí napětí v bezpečném rozsahu a zabrání tak spálení elektrického zařízení v důsledku přepětí.

Pokud jde o softwarovou ochranu, PLC dokáže realizovat komplexní ochranu systému výroby větrné energie naprogramováním odpovídajících ochranných programů. Když PLC zjistí, že má systém poruchu, okamžitě spustí ochranný program a přijme odpovídající ochranná opatření. Pokud je rychlost větru příliš vysoká a překračuje bezpečný provozní rozsah větrné turbíny, PLC bude ovládat úhel sklonu tak, aby se rychle zvýšil, snížila se energie větru zachycená lopatkami, snížila se rychlost větrné turbíny a zabránilo se poškození větrné turbíny v důsledku nadměrné rychlosti. Zároveň PLC bude ovládat systém stáčení, aby se větrná turbína odchýlila od směru větru a snížila se síla větru působící na větrnou turbínu.

Pokud dojde k poruše generátoru, například v důsledku zkratu nebo uzemnění vinutí generátoru, PLC okamžitě přeruší spojení mezi generátorem a sítí, aby zabránila šíření poruchy do sítě, a spustí záložní napájení nebo provede jiná nouzová opatření k zajištění bezpečného provozu systému. PLC může také implementovat ochranu proti vzájemnému blokování pro systém výroby větrné energie. Pokud dojde k poruše některé komponenty, PLC automaticky zablokuje související komponenty, aby zastavil jejich činnost a zabránil šíření poruchy na další komponenty. Například, když dojde k poruše převodovky, PLC se zablokuje a ovládá větrnou turbínu tak, aby se zastavila a zabránila dalšímu poškození převodovky.

4.3.3 Úloha při zajišťování bezpečného provozu větrných turbín

Diagnostika poruch a ochranné funkce PLC hrají zásadní roli v zajištění bezpečného provozu větrných turbín, zejména v prevenci poruch, snižování ztrát způsobených poruchami a zvyšování spolehlivosti zařízení.

Prevence poruch je jednou z důležitých funkcí diagnostiky a ochrany PLC proti poruchám. Prostřednictvím monitorování v reálném čase a inteligentní analýzy dokáže PLC včas detekovat potenciální poruchy v systému, jako je opotřebení, stárnutí, uvolnění součástí atd., a vydávat včasná varování, aby připomněla provoznímu a údržbářskému personálu provedení kontrol a údržby. Tímto způsobem lze přijmout vhodná opatření ještě před vznikem poruchy, aby se zabránilo vzniku poruch a zajistil se bezpečný provoz ventilátoru. Například když PLC detekuje pomocí vibračního senzoru, že vibrace lopatek ventilátoru se postupně zvyšují, i když ještě nedosáhly prahové hodnoty poruchy, může PLC na základě historických dat a analytických modelů předpovědět, že lopatky mohou prasknout nebo se zlomit, a předem upozornit provozní a údržbářský personál, aby lopatky zkontroloval a opravil, aby se zabránilo poruchám.

Snížení ztrát způsobených poruchou je klíčovou rolí diagnostiky poruch a ochranné funkce PLC. Když dojde k poruše, PLC ji dokáže rychle detekovat a přijmout účinná ochranná opatření, jako je přerušení obvodu a vypnutí stroje, aby se zabránilo dalšímu šíření poruchy a snížilo se poškození zařízení a ekonomické ztráty. Současně funkce diagnostiky poruch PLC dokáže rychle a přesně lokalizovat místo poruchy, poskytnout podrobné informace o poruše údržbářskému personálu, zkrátit dobu opravy poruchy a umožnit větrné turbíně co nejdříve obnovit normální provoz. Například ve větrné farmě selhala převodovka větrné turbíny. PLC rychle detekovalo signál poruchy a okamžitě přijalo ochranná opatření proti vypnutí, aby se zabránilo dalšímu poškození převodovky. Zároveň PLC pomocí funkce diagnostiky poruch přesně lokalizovalo místo poruchy. Údržbářský personál na základě informací o poruše poskytnutých PLC rychle provedl opravy. Obnovení normálního provozu větrné turbíny trvalo pouze jeden den, čímž se výrazně snížily ztráty výroby energie způsobené vypnutím.

Zlepšení spolehlivosti zařízení je dlouhodobým přínosem diagnostiky poruch a ochranných funkcí PLC. Včasným odhalováním a řešením poruch, stejně jako monitorováním a úpravou provozního stavu zařízení v reálném čase, může PLC zajistit, aby větrná turbína byla vždy v dobrém provozním stavu, snížit poruchovost a dobu oprav zařízení, prodloužit životnost zařízení a zlepšit spolehlivost zařízení. Například ve velké větrné farmě se po zavedení řídicího systému PLC průměrná bezporuchová doba provozu větrné turbíny zvýšila z původních 8 000 hodin na 12 000 hodin. Spolehlivost zařízení se výrazně zlepšila, snížily se provozní a údržbové náklady a zlepšily se i provozní a údržbové náklady, což by vedlo ke zvýšení účinnosti výroby energie.

4.4 Případová studie: Řídicí systém PLC větrné farmy

Abychom prozkoumali skutečný vliv aplikace PLC v systému výroby větrné energie, bude tato část podrobně analyzovat aplikaci řídicího systému PLC na příkladu větrné farmy. Větrná farma se nachází v [konkrétní zeměpisná poloha], má [X] větrných turbín různých modelů s celkovým instalovaným výkonem [X] MW a je jedním z důležitých místních projektů výroby větrné energie.

Pokud jde o monitorování a řízení rychlosti a směru větru, větrná farma využívá pokročilé senzory rychlosti a směru větru a PLC pro dosažení monitorování v reálném čase a přesné regulace rychlosti a směru větru. Senzor rychlosti větru využívá ultrazvukový senzor rychlosti větru, který má výhody vysoké přesnosti měření a rychlé odezvy a dokáže přesně měřit velikost a změny rychlosti větru. Senzor směru větru používá lopatkový senzor směru větru, který určuje směr větru podle směru lopatky ve větru a převádí signál směru větru na elektrický signál a přenáší jej do PLC.

PLC počítá pulzní signály vydávané senzorem rychlosti větru pomocí vysokorychlostního čítače, aby získala přesná data o rychlosti větru. Analogový signál vydávaný senzorem směru větru PLC převádí pomocí analogového vstupního modulu na digitální signál a provádí odpovídající zpracování a analýzu. Na základě dat o rychlosti a směru větru monitorovaných v reálném čase PLC přesně řídí úhel stoupání a stáčení větrné turbíny podle přednastavené strategie řízení. Když je rychlost větru nižší než počáteční rychlost větru větrné turbíny, PLC řídí větrnou turbínu do pohotovostního režimu a pečlivě sleduje změny rychlosti větru. Když rychlost větru dosáhne počáteční rychlosti větru, PLC řídí spuštění větrné turbíny a podle změny rychlosti větru se úhel stoupání v reálném čase upravuje pomocí algoritmu MPPT, takže větrná turbína vždy pracuje v blízkosti bodu maximálního výkonu a zachycuje více větrné energie.

Ve skutečném provozu se rychlost větru prudce zvýšila z 8 m/s na 15 m/s v krátkém časovém úseku, čímž překročila jmenovitou rychlost větru větrné turbíny. PLC včas detekovala změnu rychlosti větru a rychle spustila strategii regulace rychlosti. Zvětšením úhlu sklonu, zmenšením úhlu mezi lopatkami a směrem větru a snížením větrné energie zachycené lopatkami se rychlost a výstupní výkon větrné turbíny udržely v jmenovitém rozsahu. Zároveň při změně směru větru PLC řídí systém otáčení tak, aby reagoval rychle, a rotor větrné turbíny tak mohl být vždy natočen ve směru větru, čímž se maximalizuje zachycení větrné energie. Během provozu větrné farmy může větrná turbína díky přesnému řízení PLC rychle reagovat na změny rychlosti a směru větru, udržovat stabilní provozní stav a efektivně zlepšovat účinnost využití větrné energie.

Pokud jde o regulaci úhlu stoupání a stáčení, větrné turbíny této větrné farmy používají elektrický systém s proměnným stoupáním a automatický systém stáčení a PLC zajišťuje přesné řízení úhlu stoupání a stáčení. Pokud jde o regulaci úhlu stoupání, PLC používá pokročilé řídicí algoritmy, jako je kombinace PID regulačních algoritmů a fuzzy regulačních algoritmů založených na monitorování rychlosti větru, otáček generátoru, výkonu a dalších parametrů v reálném čase, pro dynamické nastavení úhlu stoupání. V oblastech s nízkou rychlostí větru PLC snižuje úhel stoupání a zvětšuje návětrnou plochu lopatek, aby se zlepšila schopnost větrné turbíny zachycovat větrnou energii; v oblastech s vysokou rychlostí větru PLC zvětšuje úhel stoupání a zmenšuje návětrnou plochu lopatek, aby se omezily otáčky a výstupní výkon větrné turbíny a zajistil se bezpečný provoz větrné turbíny.

Vezměte si jako příklad určitou větrnou turbínu. Při nízké rychlosti větru je rychlost větru 6 m/s. PLC upraví úhel stoupání na 5° pomocí řídicího algoritmu, aby větrná turbína mohla efektivně zachytávat větrnou energii. V tomto okamžiku dosáhne výstupní výkon generátoru maximální hodnoty při této rychlosti větru. Když rychlost větru stoupne na 14 m/s, překročí jmenovitou rychlost větru. PLC rychle zvýší úhel stoupání na 30°, sníží otáčky a výstupní výkon větrné turbíny a udrží je v jmenovitém rozsahu. Co se týče řízení stáčení, PLC řídí otáčení vpřed a vzad a rychlost stáčivého motoru podle signálu směru větru vysílaného senzorem směru větru, aby se dosáhlo přesné regulace úhlu stáčení větrné turbíny. Když se směr větru změní, PLC dokáže rychle vypočítat úhel stáčení a řídit systém stáčení tak, aby přesně srovnal rotor větrné turbíny se směrem větru. Například když se směr větru změní o 20°, PLC řídí otáčení stáčivého motoru určitou rychlostí, pohání otáčení ložiska stáčivého motoru pomocí reduktoru stáčivého motoru a postupně otáčí rotor větrné turbíny do nového směru větru. Během procesu stáčivého motoru PLC monitoruje úhel stáčivého motoru v reálném čase. Když úhel stáčivého motoru dosáhne 20°, stáčivý motor se včas zastaví, aby se dokončilo nastavení stáčivého motoru.

Díky přesnému řízení úhlu stoupání a stáčení pomocí PLC mohou větrné turbíny v této větrné farmě udržovat stabilní provoz za různých rychlostí a směrů větru, což efektivně zlepšuje účinnost výroby energie a spolehlivost zařízení. Podle provozních statistik větrné farmy se po zavedení řízení PLC průměrná výroba energie větrné turbíny zvýšila o 121 TP3T ve srovnání s předchozím obdobím a poruchovost zařízení se snížila o 351 TP3T, což plně odráží výhody PLC v řízení úhlu stoupání a stáčení. Významné výhody.

Pokud jde o diagnostiku a ochranu poruch, řídicí systém PLC větrné farmy má výkonné funkce diagnostiky a ochrany poruch, které poskytují silnou záruku bezpečného provozu větrné turbíny. Pokud jde o diagnostiku poruch, PLC shromažďuje provozní data větrné turbíny v reálném čase připojením k různým senzorům, jako je rychlost větru, směr větru, otáčky generátoru, výkon, vibrace, teplota atd., a k analýze a zpracování těchto dat používá pokročilé algoritmy diagnostiky poruch. Pokud je detekována abnormalita parametru, PLC dokáže rychle určit typ a místo možné poruchy a spustit alarm.

Například když vibrační senzor detekuje, že amplituda vibrací lopatek ventilátoru překračuje normální rozsah, PLC analyzuje data vibrací a určí, že lopatky mohou mít praskliny nebo nevyváženost, a neprodleně spustí alarm, aby připomněl provoznímu a údržbářskému personálu kontrolu a opravu. Zároveň PLC také využívá inteligentní diagnostické technologie, jako je analýza stromu poruch a algoritmy neuronových sítí, k provádění hloubkové diagnostiky a predikce poruch ventilátorů. Vytvořením modelu stromu poruch může PLC řešit poruchy z více hledisek a rychle lokalizovat příčinu poruchy; pomocí algoritmů neuronových sítí se učí a trénuje velké množství historických dat o poruchách a dat o normálním provozu, vytváří model diagnostiky poruch a zlepšuje přesnost a včasnost diagnostiky poruch.

Pokud jde o ochranné funkce, PLC je vybaveno řadou hardwarových ochranných obvodů a softwarových ochranných programů. Pokud jde o hardwarovou ochranu, je vybaveno obvody, jako je ochrana proti nadproudu, přepětí, podpětí, zkratu a úniku, které dokáží v reálném čase monitorovat elektrické parametry větrné turbíny. Jakmile je detekována abnormální situace, obvod se rychle vypne, aby se ochránila bezpečnost zařízení. Pokud jde o softwarovou ochranu, když PLC detekuje poruchu systému, okamžitě spustí ochranný program a přijme odpovídající ochranná opatření. Pokud je detekována příliš vysoká rychlost větru a překračuje bezpečný provozní rozsah větrné turbíny, PLC rychle ovládá úhel náklonu, aby se větrná turbína zvětšila a zpomalila, a zároveň ovládá systém stáčení, aby se větrná turbína odchýlila od směru větru a snížila se síla větru na větrnou turbínu. Pokud dojde k poruše generátoru, PLC okamžitě přeruší spojení mezi generátorem a elektrickou sítí, aby se zabránilo rozšíření poruchy do elektrické sítě, a spustí záložní napájení nebo přijme jiná nouzová opatření k zajištění bezpečného provozu systému.

Během provozu větrné farmy hrály důležitou roli diagnostika poruch a ochranné funkce PLC. Při silném větru se rychlost větru náhle zvýšila a překročila bezpečný provozní rozsah větrné turbíny. PLC rychle detekoval abnormální rychlost větru a okamžitě spustil ochranný program, zvětšil úhel sklonu, aby se větrná turbína zpomalila, a řídil systém stáčení, aby se větrná turbína odchýlila od směru větru. Zároveň, protože potenciální praskliny v lopatkách větrné turbíny byly včas odhaleny pomocí funkce diagnostiky poruch, byly opravy provedeny včas, čímž se zabránilo vážným nehodám, jako je zlomení lopatek při silném větru. Díky diagnostice poruch a ochranným funkcím PLC dokáží větrné turbíny větrné farmy včas detekovat a řešit poruchy během provozu, čímž se účinně snižují ztráty způsobené poruchami a zlepšuje se spolehlivost a bezpečnost zařízení.

5. Aplikace PLC ve vodní elektrárně

5.1 Monitorování a regulace hladiny a průtoku vody

V systémech výroby vodní energie je přesné monitorování a efektivní řízení hladiny a průtoku vody klíčové pro zajištění účinnosti výroby energie, bezpečnosti zařízení a racionálního využívání vodních zdrojů. PLC v tomto procesu hraje klíčovou roli díky svým výkonným řídicím a datovým schopnostem.

PLC dokáže realizovat přesné monitorování hladiny vody a průtoku v reálném čase díky úzkému propojení s různými vysoce přesnými senzory. Monitorování hladiny vody obvykle využívá tlakový senzor hladiny vody, ultrazvukový senzor hladiny vody nebo plovákový senzor hladiny vody. Tlakový senzor hladiny vody využívá vztah mezi tlakem kapaliny a hloubkou k výpočtu hladiny vody měřením tlaku na dně vodního tělesa. Má vysokou přesnost měření a dobrou stabilitu a je vhodný pro různá složitá vodní prostředí; ultrazvukový senzor hladiny vody využívá časový rozdíl mezi šířením ultrazvukové vlny ve vzduchu a jejím odrazem zpět na hladinu vody k měření hladiny vody. Má výhody bezkontaktního měření a rychlé odezvy a dokáže zabránit korozi a ucpávání způsobenému přímým kontaktem s vodním tělesem; plovákový senzor hladiny vody pohání přenosový mechanismus prostřednictvím stoupání a klesání hladiny vody a převádí změnu hladiny vody na elektrický signální výstup. Má jednoduchou konstrukci a nízké náklady a je široce používán v některých malých vodních elektrárnách.

Monitorování průtoku se spoléhá především na elektromagnetické průtokoměry, ultrazvukové průtokoměry a vírové průtokoměry. Elektromagnetické průtokoměry jsou založeny na principu elektromagnetické indukce. Když vodivá kapalina proudí v magnetickém poli, generuje se indukovaná elektromotorická síla, jejíž velikost je úměrná průtoku. Průtok lze vypočítat měřením indukované elektromotorické síly. Tento průtokoměr má vysokou přesnost měření a silnou přizpůsobivost kapalinám. Lze jej použít k měření průtoku různých vodivých kapalin. Ultrazvukové průtokoměry využívají princip, že když se v kapalině šíří ultrazvukové vlny, jejich rychlost šíření je ovlivněna průtokem kapaliny. Rychlost a průtok se vypočítávají měřením časového rozdílu šíření ultrazvukových vln ve směru po proudu a proti proudu. Mají výhody neinvazivního měření a snadné instalace a jsou vhodné pro potrubí s velkým průměrem a pro případy, kdy se kapaliny snadno nedotýkají. Vírové průtokoměry využívají princip kmitání kapaliny. Když kapalina proudí generátorem vírů, na obou stranách po proudu se střídavě generují víry. Frekvence víru je úměrná průtoku. Průtok lze vypočítat měřením frekvence vírů. Tento průtokoměr má vysokou přesnost měření a široký rozsah a lze jej použít k měření průtoku různých plynů a kapalin.

Tyto senzory převádějí shromážděné signály hladiny vody a průtoku na standardní elektrické signály, jako jsou analogové napěťové signály, proudové signály nebo digitální signály, a poté je přenášejí do vstupního modulu PLC. PLC převádí analogové signály na digitální veličiny prostřednictvím analogového vstupního modulu pro následné zpracování a analýzu; u digitálních signálů je PLC může přímo číst a zpracovávat. Během procesu zpracování dat PLC filtruje, kalibruje a kompenzuje shromážděná data, aby se zlepšila jejich přesnost a spolehlivost. Například v reakci na možné rušení senzoru používá PLC algoritmus digitálního filtrování k odstranění šumových signálů a zajištění stability naměřených dat; pro chyby měření senzoru způsobené změnami faktorů prostředí, jako je teplota a tlak, používá PLC předem nastavený kalibrační model a kompenzační algoritmus k opravě naměřených dat a zlepšení přesnosti měření.

Na základě údajů o hladině a průtoku vody monitorovaných v reálném čase PLC přesně řídí provoz stavidel a turbín podle přednastavených řídicích strategií a algoritmů, aby se dosáhlo efektivního a stabilního provozu vodní elektrárny. Pokud jde o regulaci hladiny vody, když je hladina vody nižší než nastavená spodní mez, PLC určí, že aktuální objem vody je nedostatečný. Aby bylo zajištěno množství vody potřebné pro výrobu energie, bude řídit otevírání stavidel vstupu vody tak, aby se do vodní elektrárny dostalo více vody. Pokud je hladina vody vyšší než nastavená horní mez, aby se zabránilo tomu, aby vysoká hladina vody představovala bezpečnostní hrozbu pro přehradu a zařízení, PLC bude řídit otevírání stavidel vstupu vody tak, aby se snížil a omezil průtok vody. Zároveň PLC také dynamicky upravuje rychlost změny otevírání stavidel podle rychlosti a trendu změn hladiny vody, aby se zabránilo nadměrným výkyvům hladiny vody, které by měly nepříznivý vliv na systém výroby energie.

Pokud jde o řízení průtoku, PLC upravuje průtok vody vstupující do turbíny řízením otevírání rozváděcích lopatek a otáček turbíny, čímž dosahuje řízení výroby energie. Aby se zabránilo přetížení turbíny, PLC řídí otevírání rozváděcích lopatek tak, aby se snížilo, snížil se průtok vody vstupující do turbíny a vhodně se upravila rychlost otáčení turbíny tak, aby turbína pracovala ve vysoce účinné zóně. Pokud je průtok malý, PLC řídí otevírání rozváděcích lopatek tak, aby se zvýšil průtok vody vstupující do turbíny a zvýšil se výroba energie. PLC navíc optimalizuje průtok podle zatížení energetické sítě a provozního stavu systému výroby energie, aby se maximalizovala účinnost výroby energie. Například během období špičkového zatížení energetické sítě PLC přiměřeně upraví otevírání rozváděcích lopatek a rychlost turbíny podle údajů o průtoku a hladině vody v reálném čase, zvýší se výroba energie a uspokojí se poptávka po energii energetické sítě. Během období nízkého zatížení energetické sítě PLC vhodně sníží výrobu energie, sníží se plýtvání vodními zdroji a zajistí se bezpečný a stabilní provoz zařízení na výrobu energie.

Vezměte si jako příklad velkou vodní elektrárnu. Vodní elektrárna má nainstalovaný systém pro monitorování a řízení hladiny vody a průtoku na bázi PLC. Během povodně hladina vody prudce stoupala a průtok se prudce zvýšil. PLC tyto změny v čase monitoroval pomocí senzorů hladiny vody a průtoku a rychle aktivoval nouzový plán. PLC nejprve řídil rychlé snížení otevření vstupního uzávěru vody, aby se snížil průtok povodňové vody do vodní elektrárny a zabránilo se poškození zařízení v důsledku nadměrného objemu vody; zároveň podle údajů o průtoku a hladině vody v reálném čase PLC přesně upravoval otevření rozváděcích lopatek a rychlost turbíny, aby turbína mohla stabilně fungovat i za podmínek vysokého průtoku a vysoké hladiny vody, a tím zajistit kontinuitu výroby energie. Po povodni se hladina vody a průtok postupně vrátily do normálu. PLC postupně upravoval provozní parametry uzávěru a turbíny podle aktuální situace, aby obnovil systém výroby energie do optimálního provozního stavu. Díky přesnému řízení PLC se vodní elektrárna úspěšně vyrovnala s drastickými změnami hladiny vody a průtoku během povodně, čímž zajistila bezpečnost zařízení a zároveň maximalizovala využití vodních zdrojů a účinnost výroby energie.

5.2 Sběr dat a vzdálené monitorování

V systému výroby vodní energie realizuje PLC komplexní vnímání a dálkové řízení provozního stavu systému vybudováním kompletního systému sběru dat a dálkového monitorování, což poskytuje silnou záruku efektivního a stabilního provozu systému.

Pokud jde o sběr dat, PLC propojuje různé typy senzorů, aby se dosáhlo sběru klíčových parametrů, jako je hladina vody, průtok, tlak vody, teplota vody, rychlost jednotky, výkon atd. v reálném čase. Senzor hladiny vody využívá vysoce přesný tlakový nebo ultrazvukový senzor, který dokáže přesně měřit hladinu vody v nádrži, řece nebo odváděcím kanálu a poskytuje přesnou datovou základnu pro regulaci hladiny vody a plánování výroby energie; senzor průtoku využívá elektromagnetický nebo ultrazvukový průtokoměr, který dokáže monitorovat průtok vody v reálném čase a pomáhat personálu pochopit využití vodních zdrojů. Senzor tlaku vody se používá k monitorování tlaku vody na vstupu a výstupu z turbíny, což je klíčové pro vyhodnocení provozního stavu a účinnosti turbíny. Monitorováním změny tlaku vody lze včas zjistit, zda uvnitř turbíny nedošlo k ucpání, úniku nebo jiným závadám; senzor teploty vody se používá k měření teploty vodního tělesa. Změna teploty vody ovlivní hustotu a viskozitu vody a následně bude mít určitý dopad na provozní účinnost turbíny. Monitorováním teploty vody v reálném čase lze provozní parametry turbíny odpovídajícím způsobem upravit, aby byl zajištěn její efektivní provoz.

Snímač otáček jednotky a snímač výkonu jsou důležitá zařízení pro monitorování provozního stavu soustrojí hydroturbíny. Snímač otáček jednotky dokáže měřit otáčky hydroturbíny v reálném čase. Otáčky jsou jedním z klíčových ukazatelů odrážejících provozní stav jednotky. Monitorováním otáček lze posoudit, zda jednotka pracuje normálně, zda se vyskytují abnormální podmínky, jako je nadměrná nebo podměrná rychlost; snímač výkonu se používá k měření výstupního výkonu generátoru. Podle údajů o výkonu lze pochopit výrobní kapacitu a zatížení jednotky, což poskytuje důležitý referenční bod pro plánování výroby energie a distribuci energie.

Tyto senzory přenášejí shromážděné analogové nebo digitální signály do PLC, které je prostřednictvím svého interního analogového vstupního modulu převádí na digitální veličiny pro následné zpracování a analýzu. Během procesu sběru dat PLC také filtruje, kalibruje a kompenzuje shromážděná data, aby se zlepšila jejich přesnost a spolehlivost. Například v reakci na možné rušení senzoru používá PLC algoritmus digitálního filtrování k odstranění šumových signálů a zajištění stability naměřených dat; pro chyby měření senzorů způsobené změnami faktorů prostředí, jako je teplota a tlak, používá PLC předem nastavený kalibrační model a kompenzační algoritmus k opravě naměřených dat a zlepšení přesnosti měření.

Pokud jde o vzdálený monitoring, PLC navazuje spojení se vzdáleným monitorovacím centrem prostřednictvím komunikačního modulu, aby dosáhl vzdáleného monitorování a správy vodní elektrárny. Komunikační modul podporuje řadu komunikačních protokolů, jako je Ethernet, RS485, Modbus atd., aby se přizpůsobil různým síťovým prostředím a požadavkům na připojení zařízení. Prostřednictvím ethernetové komunikace může PLC rychle a stabilně přenášet shromážděná data na server vzdáleného monitorovacího centra, aby se dosáhlo sdílení dat v reálném čase a vzdáleného přístupu. Komunikace RS485 je vhodná pro některé scénáře, které vyžadují komunikační vzdálenost a náklady, a umožňuje spolehlivou komunikaci mezi PLC a více vzdálenými zařízeními. Protokol Modbus, jako běžně používaný průmyslový komunikační protokol, má širokou kompatibilitu a všestrannost, což umožňuje PLC komunikovat s různými zařízeními, která protokol Modbus podporují.

Vzdálené monitorovací centrum se obvykle skládá z monitorovacího počítače, monitorovacího softwaru a serveru. Monitorovací software nabízí řadu funkcí, jako je zobrazení dat v reálném čase, dotazování na historická data, generování reportů a správa alarmů. Prostřednictvím rozhraní monitorovacího softwaru mohou zaměstnanci v reálném čase sledovat různé provozní parametry vodní elektrárny, jako je hladina vody, průtok, tlak vody, rychlost jednotky, výkon atd., a také provozní stav zařízení, například zda turbína, generátor, hradítko a další zařízení fungují normálně. Monitorovací software zároveň dokáže analyzovat a shromažďovat historická data, generovat různé reporty a poskytovat manažerům podklad pro rozhodování.

Pokud v systému dojde k abnormální situaci, PLC neprodleně odešle informaci o alarmu do vzdáleného monitorovacího centra. Informace o alarmu zahrnují podrobné informace, jako je typ poruchy, místo poruchy, čas poruchy atd. Monitorovací software okamžitě spustí alarm a upozorní personál zvukem, vyskakovacími okny atd. Podle informací o alarmu může personál systém na dálku ovládat, například zobrazit podrobné parametry vadného zařízení, upravit provozní stav zařízení, spustit nebo zastavit související zařízení atd., aby se co nejdříve obnovil normální provoz systému.

Sběr dat a dálkové monitorování mají velký význam pro správu a údržbu vodních elektráren. Pokud jde o zlepšení efektivity řízení, mohou manažeři prostřednictvím sběru dat v reálném čase a dálkového monitorování plně pochopit provozní stav systému, aniž by museli osobně navštívit místo, a včas získat důležité informace, jako je výroba energie v systému, stav zařízení a distribuce energie, aby mohli efektivněji činit rozhodnutí a zajišťovat řízení. Například během období špičkového zatížení elektrické sítě mohou manažeři včas upravovat provozní parametry turbogenerátoru na základě dat v reálném čase, aby zvýšili výrobu energie a uspokojili poptávku po energii v elektrické síti. V případě selhání zařízení mohou manažeři prostřednictvím systému dálkového monitorování rychle pochopit poruchovou situaci, zajistit včasné řešení problému údržbářským personálem a snížit dopad poruchy na výrobu energie.

Pokud jde o snížení nákladů na údržbu, systém vzdáleného monitorování dokáže v reálném čase monitorovat provozní stav zařízení, včas odhalovat potenciální závady, včas přijímat opatření k údržbě a předcházet poruchám zařízení, čímž se snižují náklady na údržbu zařízení a prostoje. Zároveň se díky vzdálenému monitorování snižuje počet kontrol na místě, spotřeba pracovní síly a materiálních zdrojů a dále se snižují náklady na údržbu.

Z hlediska zajištění bezpečného a stabilního provozu systému dokáže systém sběru dat a dálkového monitorování monitorovat parametry systému v reálném čase, včas detekovat abnormální podmínky a přijímat odpovídající ochranná opatření, aby se zabránilo rozšíření a zhoršení poruch a zajistil se bezpečný a stabilní provoz systému. Například když je hladina vody příliš vysoká nebo příliš nízká, systém může automaticky spustit alarm a přijmout odpovídající kontrolní opatření, jako je úprava otevírání uzávěru, úprava provozního stavu turbogenerátoru atd., aby byla zajištěna bezpečnost systému.

5.3 Integrace s dalšími systémy pro hospodaření s energií

Ve velkém plánu budování inteligentních mikrosítí a energetického internetu hraje integrace PLC a dalších systémů pro řízení energie zásadní roli a je klíčovým článkem pro dosažení efektivního řízení energie a optimalizované konfigurace.

V inteligentní mikrosíti obvykle existuje mnoho druhů energie, jako je solární energie, větrná energie, vodní energie, energie z biomasy a systémy pro ukládání energie. Díky svým výkonným komunikačním schopnostem a flexibilním řídicím funkcím lze PLC bezproblémově integrovat s různými systémy pro správu energie. Při integraci se systémem pro správu energie solárního systému může PLC získávat data o výrobě solární energie v reálném čase, včetně výroby energie, intenzity světla, teploty atd., a přenášet svá vlastní monitorovací data a řídicí pokyny o stavu provozu systému do systému pro správu energie solárního systému. Při změně intenzity světla může PLC spolupracovat se systémem pro správu energie solárního systému podle celkových potřeb integrovaného systému, upravovat provozní stav solárních panelů, dosahovat sledování bodů maximálního výkonu a zajišťovat účinnost výroby solární energie.

Pokud jde o integraci se systémem řízení energie systému výroby větrné energie, může být PLC úzce propojeno se zařízením pro monitorování rychlosti a směru větru a řídicím systémem větrné turbíny. Sdílením dat o rychlosti větru, směru větru a provozních parametrech větrné turbíny v reálném čase může PLC spolupracovat se systémem řízení energie systému výroby větrné energie a optimalizovat tak provozní strategii větrné turbíny. Pokud je rychlost větru příliš vysoká nebo příliš nízká, mohou oba systémy koordinovat a řídit úhel sklonu a úhel stáčení větrné turbíny, aby byl zajištěn bezpečný a stabilní provoz větrné turbíny a zároveň se zlepšila účinnost využití větrné energie.

Integrace PLC je také zásadní pro systém správy energie v systému skladování energie. PLC dokáže v reálném čase monitorovat stav nabíjení a vybíjení, zbývající energii a další informace o systému skladování energie a koordinovat se systémem správy energie v systému skladování energie, aby řídil proces nabíjení a vybíjení systému skladování energie podle celkové nabídky a poptávky po energii v inteligentní mikrosíti. Při nadměrném přísunu energie PLC řídí systém skladování energie, aby nabíjel a ukládal přebytečnou elektřinu; při nedostatečném přísunu energie PLC řídí systém skladování energie, aby jej vybíjel a poskytoval podporu napájení pro mikrosíť, čímž se dosahuje plynulé regulace a stabilní dodávky energie.

V rámci širokého rámce energetického internetu je integrace PLC a dalších systémů pro řízení energie klíčovým prvkem pro dosažení energetického propojení a optimální konfigurace. Energetický internet zahrnuje více distribuovaných energetických systémů, systémů pro ukládání energie a uživatelských terminálů a realizuje sdílení energie a kolaborativní řízení prostřednictvím komunikačních sítí a informačních technologií. Jako důležitá řídicí jednotka distribuovaného energetického systému si PLC může vyměňovat data a provádět kolaborativní řízení s dalšími systémy pro řízení energie v rámci energetického internetu.

Po integraci se systémem řízení energie distribuovaného energetického systému může PLC nahrávat lokální data o výrobě a spotřebě energie do řídicí platformy Energy Internet a přijímat pokyny k dispečinku energie vydané platformou. V souladu s jednotným dispečinkem platformy může PLC koordinovat provoz lokálního distribuovaného energetického systému za účelem dosažení optimální alokace a efektivního využití energie. V Energetickém internetu určitého regionu je prostřednictvím PLC integrováno více distribuovaných solárních elektráren a větrných farem s řídicí platformou Energy Internet. Když se změní poptávka po energii v regionu, platforma řízení Energy Internet rovnoměrně dispečuje solární elektrárny a větrné farmy prostřednictvím PLC podle dat nahraných jednotlivými distribuovanými energetickými systémy, rozumně rozděluje úkoly výroby energie a zajišťuje stabilní dodávky elektřiny.

Pokud jde o integraci se systémem pro správu energie na straně uživatele, PLC může monitorovat a řídit spotřebu elektřiny uživatele. Propojením s inteligentními měřiči, zařízeními pro chytrou domácnost atd. získává PLC v reálném čase data o spotřebě elektřiny uživatele, včetně spotřeby elektřiny, doby spotřeby elektřiny a stavu elektrických zařízení. Na základě těchto dat může PLC spolupracovat se systémem pro správu energie na straně uživatele a poskytovat uživatelům personalizované služby správy energie. Podle zvyklostí uživatele v oblasti spotřeby elektřiny a cenové politiky elektřiny je formulován rozumný plán spotřeby elektřiny. Pokud je cena elektřiny nízká, uživatelé jsou povzbuzováni k používání elektrických spotřebičů s vysokým výkonem; pokud je cena elektřiny vysoká, doba spotřeby elektřiny některých zařízení se automaticky upravuje, aby se snížily náklady uživatele na elektřinu. Zároveň může PLC regulovat spotřebu energie na straně uživatele podle celkové nabídky a poptávky po energetickém internetu. Pokud je dodávka energie omezená, může vhodně snížit zbytečnou zátěž uživatele elektřinou prostřednictvím spolupráce se systémem pro správu energie na straně uživatele a zajistit tak stabilní provoz energetického internetu.

5.4 Případová studie: Aplikace PLC ve vodní elektrárně

Aby bylo možné podrobně analyzovat skutečné výsledky aplikace PLC v systémech pro výrobu vodní energie, tato část bere jako typický případ pro podrobnou analýzu vodní elektrárnu. Vodní elektrárna se nachází v [konkrétní zeměpisná poloha], má [X] turbogenerátorových soustrojí s celkovým instalovaným výkonem [X] MW a zaujímá důležité místo v místním systému zásobování elektrickou energií.

Pokud jde o monitorování a regulaci hladiny vody a průtoku, vodní elektrárna využívá pokročilé senzory a řídicí systém založený na PLC. Monitorování hladiny vody využívá vysoce přesný tlakový senzor hladiny vody s přesností měření ±0,01 m, který dokáže přesně měřit hladinu vody v nádrži. Monitorování průtoku využívá elektromagnetický průtokoměr s vysokou přesností měření a širokým rozsahem, který dokáže monitorovat průtok vody v reálném čase. Tyto senzory přenášejí shromážděné signály hladiny vody a průtoku do PLC, které převádí analogové signály na digitální veličiny prostřednictvím analogového vstupního modulu a provádí odpovídající zpracování a analýzu.

Na základě údajů o hladině a průtoku vody monitorovaných v reálném čase PLC přesně řídí provoz stavidla a turbíny podle přednastavené strategie řízení. Když je hladina vody nižší než nastavená spodní mez, PLC ovládá otevírání stavidla vstupu vody tak, aby se zvýšilo, a tím se zajistilo množství vody potřebné pro výrobu energie. Když je hladina vody vyšší než nastavená horní mez, PLC ovládá otevírání stavidla vstupu vody tak, aby se snížil průtok vody a zabránilo se tomu, aby vysoká hladina vody představovala bezpečnostní hrozbu pro přehradu a zařízení. Pokud jde o řízení průtoku, PLC upravuje průtok vody vstupující do turbíny řízením otevírání rozváděcích lopatek a otáček turbíny, čímž dosahuje kontroly nad výrobou energie. Při velkém průtoku PLC ovládá otevírání rozváděcích lopatek tak, aby se snížil průtok vody vstupující do turbíny a odpovídajícím způsobem upravuje otáčky turbíny tak, aby turbína pracovala ve vysoce účinné zóně. Při malém průtoku PLC ovládá otevírání rozváděcích lopatek tak, aby se zvýšilo, zvýšil se průtok vody vstupující do turbíny a zvýšil se výroba energie.

V reálném provozu v důsledku neustálých dešťů hladina vody v nádrži prudce stoupla a průtok se prudce zvýšil. PLC tyto změny v čase monitorovala pomocí senzorů hladiny vody a průtoku a rychle spustila nouzový plán. PLC nejprve řídila rychlé snížení otevření vstupního uzávěru vody, aby se snížil průtok povodňové vody do vodní elektrárny a zabránilo se poškození zařízení v důsledku nadměrného objemu vody. Zároveň PLC podle údajů o průtoku a hladině vody v reálném čase přesně upravovala otevření rozváděcích lopatek a rychlost turbíny, aby turbína mohla stabilně fungovat i za podmínek vysokého průtoku a vysoké hladiny vody, a tím byla zajištěna kontinuita výroby energie. Po povodni se hladina vody a průtok postupně vrátily do normálu. PLC postupně upravovala provozní parametry uzávěru a turbíny podle aktuální situace, aby obnovila systém výroby energie do co nejlepšího provozního stavu. Díky přesnému řízení PLC se vodní elektrárna úspěšně vyrovnala s drastickými změnami hladiny vody a průtoku během povodně, čímž byla zajištěna bezpečnost zařízení a zároveň maximalizováno využití vodních zdrojů a maximalizována účinnost výroby energie.

Pokud jde o sběr dat a dálkové monitorování, vodní elektrárna má vybudovaný kompletní systém sběru dat a dálkového monitorování s PLC. PLC je připojeno k různým typům senzorů, aby se dosáhlo sběru klíčových parametrů v reálném čase, jako je hladina vody, průtok, tlak vody, teplota vody, rychlost jednotky, výkon atd. Tyto senzory přenášejí shromážděná data do PLC, které je filtruje, kalibruje a kompenzuje a poté je prostřednictvím komunikačního modulu přenáší do vzdáleného monitorovacího centra. Komunikační modul využívá ethernetovou komunikaci, která je vysokorychlostní a stabilní a dokáže rychle a přesně přenášet data na server vzdáleného monitorovacího centra.

Vzdálené monitorovací centrum se skládá z monitorovacího počítače, monitorovacího softwaru a serveru. Monitorovací software nabízí řadu funkcí, jako je zobrazení dat v reálném čase, dotazování na historická data, generování reportů a správa alarmů. Prostřednictvím rozhraní monitorovacího softwaru si personál může v reálném čase prohlížet různé provozní parametry vodní elektrárny, jako je hladina vody, průtok, tlak vody, rychlost jednotky, výkon atd., a také provozní stav zařízení, například zda turbína, generátor, hradítko a další zařízení fungují normálně. Pokud v systému dojde k abnormální situaci, PLC včas odešle informaci o alarmu do vzdáleného monitorovacího centra a monitorovací software okamžitě spustí alarm, který personál upozorní zvukem, vyskakovacími okny atd. Podle informací o alarmu může personál systém dálkově ovládat, například zobrazit podrobné parametry vadného zařízení, upravit provozní stav zařízení, spustit nebo zastavit související zařízení atd., aby co nejdříve obnovil normální provoz systému.

Díky systému sběru dat a dálkového monitorování se výrazně zlepšila efektivita řízení vodní elektrárny a výrazně se snížily náklady na údržbu. Zaměstnanci nemusí často docházet na místo kvůli kontrolám, což snižuje plýtvání pracovní silou, materiálními zdroji a časem. Zároveň mohou manažeři díky analýze historických dat optimalizovat provozní strategii systému a dále zlepšovat účinnost výroby energie a využití energie. V případě poruchy zařízení systém dálkového monitorování okamžitě detekoval abnormální signály z generátoru a spustil alarm. Zaměstnanci díky systému dálkového monitorování rychle pochopili poruchovou situaci a neprodleně zajistili údržbářský personál, aby ji vyřešil. Obnovení generátoru do normálního provozu trvalo pouhých [X] hodin, což výrazně snížilo ztráty výroby energie v důsledku odstávky.

Pokud jde o integraci s dalšími systémy pro řízení energie, vodní elektrárna aktivně zkoumá integraci s okolními projekty výroby solární a větrné energie a systémy pro ukládání energie. Integrací se systémem řízení energie systému pro výrobu solární energie může PLC získávat data o výrobě solární energie v reálném čase, včetně výroby energie, intenzity osvětlení, teploty atd., a přenášet svá vlastní monitorovací data a řídicí pokyny o provozním stavu systému do systému pro řízení energie systému pro výrobu solární energie. Pokud je dostatek slunečního světla, může vodní elektrárna rozumně upravit svůj plán výroby energie podle situace při výrobě solární energie, aby se zabránilo plýtvání energií. Pokud jde o integraci se systémem řízení energie systému pro výrobu větrné energie, může být PLC úzce propojen se zařízením pro monitorování rychlosti a směru větru a řídicím systémem větrné turbíny. Sdílením dat o rychlosti větru, směru větru a provozních parametrech větrné turbíny v reálném čase může PLC společně se systémem řízení energie systému pro výrobu větrné energie optimalizovat strategii provozu větrné turbíny a zlepšit tak účinnost využití větrné energie.

Pokud jde o integraci se systémem správy energie systému skladování energie, PLC může v reálném čase monitorovat stav nabíjení a vybíjení, zbývající energii a další informace o systému skladování energie a koordinovat se systémem správy energie systému skladování energie, aby řídil proces nabíjení a vybíjení systému skladování energie podle výroby energie vodní elektrárny a požadavku na zatížení energetické sítě. Když vodní elektrárna generuje přebytečnou energii, PLC řídí systém skladování energie, aby jej nabíjel a ukládal; když vodní elektrárna generuje nedostatek energie nebo je zatížení energetické sítě na špičce, PLC řídí systém skladování energie, aby jej vybíjel a poskytoval podporu energetické síti, čímž se dosahuje plynulé regulace a stabilní dodávky energie. Díky integraci s dalšími systémy správy energie dosáhla vodní elektrárna doplňkového využití více zdrojů energie, zlepšení účinnosti využití energie a snížení rizika spojená s dodávkou energie.

6. Výhody a výzvy PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie

6.1 Analýza výhod

6.1.1 Technické výhody

PLC vykazuje vynikající technické výhody v systémech obnovitelných zdrojů energie a poskytuje solidní technickou podporu pro efektivní využívání energie a stabilní provoz systému.

Vysoká spolehlivost je jednou z nejvýznamnějších technických výhod PLC. Z hlediska hardwarového návrhu PLC využívá řadu pokročilých opatření proti rušení. I/O kanály široce využívají technologii fotoelektrické izolace a fotoelektrické vazební členy k elektrické izolaci externích vstupních a výstupních signálů od vnitřních obvodů, čímž účinně přerušují přímé spojení mezi externími zdroji rušení a vnitřními obvody, zabraňují vnějšímu elektromagnetickému rušení ovlivňovat vnitřní signály PLC a zajišťují přesnost a stabilitu přenosu signálu. Pro napájení a vedení se používají různé formy filtračních obvodů. Například LC filtrační obvody využívají charakteristiky indukčnosti a kapacity k filtrování vysokofrekvenčního rušení v napájecím zdroji, čímž se napájení čistší; π-typové filtrační obvody dále zvyšují filtrační účinek, což může účinně eliminovat nebo potlačit vysokofrekvenční rušení v napájecím zdroji a zajistit stabilní a spolehlivé napájení PLC. Důležité komponenty, jako je CPU, jsou stíněny dobře vodivými a magnetickými materiály, které tvoří elektromagnetickou stínící vrstvu, snižují dopad prostorového elektromagnetického rušení na jejich normální provoz a zajišťují, že CPU může stabilně provádět různé instrukce.

Z hlediska softwaru PLC používá režim skenování, kdy skenuje vstupní signály, spouští uživatelské programy a postupně obnovuje výstupní signály. Tento režim snižuje okamžité poruchy způsobené vnějším rušením a zvyšuje spolehlivost systému. Systémový program zároveň obsahuje programy pro detekci poruch a autodiagnostiku, které dokáží v reálném čase monitorovat stav hardwarového obvodu systému. Jakmile je zjištěna porucha, lze okamžitě zablokovat aktuální důležité informace, zakázat jakékoli nestabilní operace čtení a zápisu a spustit alarm poruchy. Jakmile se vnější prostředí vrátí do normálu, PLC se automaticky vrátí do stavu před vznikem poruchy a pokračuje v původní práci. Tato vysoká spolehlivost umožňuje PLC stabilně pracovat po dlouhou dobu v komplexním a náročném prostředí systémů obnovitelných zdrojů energie, což zajišťuje kontinuitu a stabilitu výroby energie.

Flexibilita je další významnou technickou výhodou PLC. PLC využívá modulární konstrukci a uživatelé si mohou flexibilně vybírat moduly s různými funkcemi a kombinovat je podle skutečných potřeb řízení, jako jsou vstupní moduly, výstupní moduly, komunikační moduly, moduly se speciálními funkcemi atd. Tato modulární struktura velmi usnadňuje rozšiřování a modernizaci systému. Uživatelé mohou moduly kdykoli přidávat nebo vyměňovat podle změn v rozsahu systému a zvýšení funkčních požadavků, aniž by bylo nutné rozsáhle přepracovávat celý systém. V malém systému výroby solární energie mohou být zpočátku potřeba pouze základní vstupní a výstupní moduly pro řízení jednoduchého provozu fotovoltaických panelů a střídačů; s rozšiřováním rozsahu systému a zvyšováním funkčních požadavků mohou být vyžadovány funkce vzdáleného monitorování a sběru dat, například . Uživatelé mohou snadno přidávat komunikační moduly a moduly pro sběr dat, aby dosáhli rozšíření a modernizace systému.

Zároveň je programovací metoda PLC velmi flexibilní a podporuje více programovacích jazyků, jako jsou žebříkové diagramy, funkční blokové diagramy, strukturovaný text atd. Jazyk žebříkových diagramů je vizuální a intuitivní, podobný schématům elektrických řídicích obvodů. Je velmi snadno použitelný pro inženýry obeznámené s elektrickým řízením a umožňuje rychle psát řídicí programy; jazyk funkčních blokových diagramů je vhodnější pro popis složitých logických řídicích vztahů. Díky kombinaci a propojení různých funkčních bloků lze jasně vyjádřit řídicí logiku systému, která je snadno pochopitelná a udržovatelná; jazyk strukturovaného textu má vyšší efektivitu programování a je vhodný pro psaní složitých algoritmů a programů pro zpracování dat, což umožňuje dosáhnout přesnějšího a efektivnějšího řízení. Uživatelé si mohou zvolit nejvhodnější programovací jazyk pro programování podle svých vlastních zvyklostí a požadavků projektu, aby mohli realizovat různé složité řídicí logiky.

Výkonné zpracování dat je také důležitou technickou výhodou PLC. S neustálým rozvojem mikroprocesorové technologie se výrazně zlepšila výpočetní rychlost a kapacita ukládání dat PLC. Moderní PLC dokáží rychle zpracovat velké množství digitálních a analogových signálů a realizovat složité řídicí algoritmy a úlohy zpracování dat. V systémech obnovitelných zdrojů energie je třeba v reálném čase monitorovat a analyzovat velké množství energetických dat, jako je výroba energie, účiník, spotřeba energie atd. PLC může tato data rychle získat prostřednictvím vysokorychlostních modulů pro sběr dat a využít svůj výkonný interní výpočetní výkon k analýze a zpracování dat v reálném čase, čímž poskytuje přesnou datovou podporu pro řízení energie a optimalizované řízení. Například ve velkých větrných farmách musí PLC shromažďovat a zpracovávat velké množství dat o rychlosti větru, směru větru, rychlosti, výkonu a dalších údajích o větrných turbínách v reálném čase, analyzovat tato data pomocí složitých algoritmů, realizovat inteligentní řízení větrných turbín a zlepšit účinnost využití větrné energie. Zároveň má PLC také funkci ukládání dat, která umožňuje ukládat historická data do interní paměti nebo externích paměťových zařízení, což uživatelům usnadňuje dotazování a statistickou analýzu dat a poskytuje základ pro optimalizovaný provoz a diagnostiku poruch systému.

Kromě toho má PLC také dobré komunikační schopnosti a dokáže snadno komunikovat a integrovat se s jinými zařízeními a systémy. PLC podporuje řadu komunikačních protokolů, jako je Ethernet, RS485, Modbus atd., a dokáže se přizpůsobit různým síťovým prostředím a požadavkům na připojení zařízení. Prostřednictvím ethernetové komunikace může PLC rychle a stabilně komunikovat s hostitelským počítačem, monitorovacím systémem nebo cloudovou platformou a provádět vzdálené monitorování, analýzu dat, plánování energie a další funkce. Prostřednictvím komunikace RS485 může PLC spolehlivě komunikovat s více vzdálenými zařízeními a vytvářet distribuované řídicí systémy. Jako běžně používaný průmyslový komunikační protokol má protokol Modbus širokou kompatibilitu a všestrannost, což umožňuje PLC komunikovat s různými zařízeními, která podporují protokol Modbus, a realizovat propojení systémů. V systémech obnovitelných zdrojů energie může PLC komunikovat a integrovat se solárními panely, větrnými turbínami, zařízeními pro ukládání energie, inteligentními sítěmi atd., aby se dosáhlo jednotné správy a optimalizované konfigurace energie.

6.1.2 Ekonomické výhody

Aplikace PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie přináší významné ekonomické výhody a poskytuje silnou ekonomickou podporu pro rozvoj odvětví obnovitelných zdrojů energie.

Snížení nákladů na zařízení je důležitým projevem ekonomických výhod PLC. Vzhledem k modulární konstrukci PLC mohou uživatelé flexibilně konfigurovat systém podle skutečných potřeb, čímž se vyhnou zbytečným nákladům na nákup a instalaci zařízení. V malém projektu výroby solární energie si uživatelé mohou vybrat vhodné vstupní a výstupní moduly a řídicí moduly na základě počtu solárních panelů a požadavků na napájení, aniž by museli kupovat zařízení s příliš složitými nebo redundantními funkcemi, čímž se sníží počáteční investiční náklady systému. Vysoká spolehlivost PLC zároveň snižuje poruchovost zařízení a dobu oprav a snižuje náklady na údržbu zařízení. Ve srovnání s tradičními řídicími systémy mají řídicí systémy PLC delší průměrnou bezproblémovou dobu provozu a delší cykly údržby, což snižuje ztráty z prostojů a náklady na údržbu způsobené poruchami zařízení.

Zlepšení energetické účinnosti je další důležitou ekonomickou výhodou, kterou přináší PLC. V systémech pro výrobu solární energie může PLC sledovat bod maximálního výkonu solárních panelů v reálném čase implementací řízení MPPT (Maximum Power Point Tracking) a včas upravovat provozní stav solárních panelů podle změn faktorů prostředí, jako je intenzita světla a teplota, aby se zajistilo, že vždy vyrábějí elektřinu s nejvyšší účinností. Systém pro výrobu solární energie, který využívá PLC k implementaci řízení MPPT, může zvýšit svou účinnost výroby energie o 10% – 30% ve srovnání se systémem, který řízení MPPT nepoužívá. To znamená, že za stejných podmínek zdroje solární energie může systém řízený PLC generovat více elektřiny a zvýšit energetické přínosy.

V systémech pro výrobu větrné energie PLC přesně řídí úhel stoupání a úhel stáčení větrné turbíny, což umožňuje větrné turbíně udržovat efektivní provoz za různých rychlostí a směrů větru, a tím zlepšuje účinnost využití větrné energie. Studie ukázaly, že přesné řízení úhlu stoupání a úhlu stáčení může zvýšit výrobu energie systémů pro výrobu větrné energie o 5% – 10%. V systémech pro výrobu vodní energie PLC přesně řídí provoz stavidel a turbín podle změn hladiny a průtoku vody, čímž dosahuje efektivní přeměny vodní energie a zlepšuje účinnost výroby energie. Zlepšení účinnosti využití energie nejen zvyšuje výrobu energie v systémech obnovitelných zdrojů energie, ale také snižuje závislost na tradičních zdrojích energie a snižuje náklady na pořízení energie.

Prodloužení životnosti zařízení je dalším důležitým aspektem ekonomické výhody PLC. Díky monitorování v reálném čase a inteligentnímu řízení provozního stavu zařízení může PLC včas detekovat potenciální poruchy zařízení a přijmout vhodná opatření k jejich prevenci a opravě, zabránit vzniku a zhoršení poruch zařízení, a tím prodloužit životnost zařízení. V systému výroby větrné energie PLC monitoruje vibrace, teplotu, tlak oleje a další parametry ventilátoru v reálném čase. Pokud jsou zjištěny abnormální parametry, okamžitě spustí alarm a přijme vhodná ochranná opatření, jako je úprava provozních parametrů ventilátoru, vypnutí z důvodu údržby atd., aby se zabránilo poškození zařízení v důsledku poruch a prodloužila se životnost ventilátoru. Prodloužení životnosti zařízení snižuje četnost a náklady na výměnu zařízení a zlepšuje ekonomické výhody systému obnovitelných zdrojů energie.

Kromě toho může PLC dosáhnout rozumné distribuce a využití energie, snížit plýtvání energií a dále zlepšit ekonomické přínosy optimalizací hospodaření s energií a jejího rozvozu. V inteligentních mikrosítích je PLC integrován s dalšími systémy hospodaření s energií, aby racionálně uspořádal výrobu, skladování a spotřebu energie v souladu s nabídkou a poptávkou po energii a cenovou politikou elektřiny, čímž se dosáhne optimální alokace energie a sníží se náklady na energii. Když je cena elektřiny v noci nízká, elektrická energie uložená v systému skladování energie se používá k výrobě a denní spotřebě elektřiny; když je cena elektřiny během dne vysoká, k výrobě elektřiny se používají obnovitelné zdroje energie, jako je solární a větrná energie, a přebytečná elektrická energie se ukládá nebo přenáší do sítě. Dosahuje se ekonomického využití energie.

6.1.3 Výhody pro životní prostředí

Aplikace PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie má významné environmentální výhody a pozitivně přispívá k boji proti globálním změnám klimatu a podpoře udržitelného rozvoje.

Podpora efektivního využívání obnovitelných zdrojů energie je hlavním ztělesněním environmentálních výhod PLC. Obnovitelné zdroje energie, jako je solární energie, větrná energie a vodní energie, jsou čisté a neznečišťující, ale jejich hustota energie je relativně nízká a existují problémy s přerušovaností a volatilitou. PLC může efektivně zlepšit účinnost využití obnovitelných zdrojů energie a snížit plýtvání energií dosažením přesného řízení systémů obnovitelných zdrojů energie, čímž se snižuje závislost na tradiční fosilní energii a nepřímo se snižují emise skleníkových plynů a znečišťujících látek. V systémech výroby solární energie používá PLC řídicí algoritmus MPPT k udržení solárních panelů v provozu blízko maximálního bodu výkonu, ke zlepšení účinnosti přeměny solární energie a ke zvýšení výroby energie. Při stejné poptávce po energii snižuje větší využívání solární energie spalování fosilních zdrojů energie, jako je uhlí a ropa, a snižuje emise znečišťujících látek, jako je oxid uhličitý, oxid siřičitý a oxidy dusíku.

V systémech pro výrobu větrné energie PLC přesně řídí úhel sklonu a úhel stáčení větrných turbín, což umožňuje větrným turbínám efektivně pracovat za různých rychlostí a směrů větru, a tím zlepšuje účinnost využití větrné energie. To znamená, že při stejném množství elektřiny se snižuje provozní doba a počet větrných turbín a snižuje se spotřeba energie a emise znečišťujících látek během výroby a provozu zařízení. V systémech pro výrobu vodní energie PLC optimalizuje provoz stavidel a turbín podle změn hladiny a průtoku vody, dosahuje efektivní přeměny vodní energie, snižuje plýtvání vodními zdroji a zlepšuje účinnost využití energie. Zlepšením účinnosti využití obnovitelných zdrojů energie pomáhá PLC snižovat závislost na tradičních zdrojích energie, snižovat emise uhlíku a zmírňovat tlak globálního oteplování.

Snížení znečištění životního prostředí je důležitým aspektem environmentálních výhod PLC. Tradiční metody výroby energie, zejména spalování fosilních paliv, produkují velké množství znečišťujících látek, jako je oxid siřičitý, oxidy dusíku, pevné částice atd. Tyto znečišťující látky jsou hlavními příčinami environmentálních problémů, jako je znečištění ovzduší, kyselé deště a opar. Systémy obnovitelných zdrojů energie během provozu neprodukují téměř žádné emise znečišťujících látek, ale pokud systém není řádně řízen, může to vést k plýtvání energií, nepřímo zvýšit poptávku po tradiční energii a tím zhoršit znečištění životního prostředí. PLC optimalizuje provoz systémů obnovitelných zdrojů energie, zlepšuje účinnost využití energie a snižuje závislost na tradiční energii, čímž nepřímo snižuje emise znečišťujících látek. Zároveň může použití PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie také realizovat monitorování a řízení procesu výroby energie v reálném čase a včas odhalovat a řešit možné problémy se znečištěním životního prostředí. Například v systémech na výrobu solární energie může PLC monitorovat teplotu a provozní stav panelů, aby se zabránilo úniku škodlivých látek v důsledku přehřátí nebo poruchy, a tím zajistit bezpečnost životního prostředí.

Podpora udržitelného rozvoje je dlouhodobým významem environmentálních výhod PLC. Udržitelný rozvoj je cílem lidské společnosti a jeho jádrem je dosažení koordinace a jednoty hospodářského rozvoje a ochrany životního prostředí. Jako důležitý zdroj energie pro udržitelný rozvoj je rozsáhlý rozvoj a využívání obnovitelných zdrojů energie klíčový pro dosažení cílů udržitelného rozvoje. Aplikace PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie poskytuje technickou podporu pro efektivní využívání a stabilní rozvoj obnovitelných zdrojů energie, pomáhá podporovat rozvoj odvětví obnovitelných zdrojů energie a podporuje optimalizaci a transformaci energetické struktury. S pokračujícím růstem podílu obnovitelných zdrojů energie v energetické struktuře se bude postupně snižovat dopad výroby a spotřeby energie na životní prostředí, čímž se dosáhne pozitivní interakce mezi hospodářským rozvojem a ochranou životního prostředí a položí se pevný základ pro udržitelný rozvoj.

6.2 Analýza výzev

6.2.1 Technické výzvy

Přestože PLC prokázala mnoho výhod v systémech obnovitelných zdrojů energie, její aplikace stále čelí řadě technických problémů, které omezují její další propagaci a efektivní využití v oblasti obnovitelných zdrojů energie.

Nedostatečná odolnost proti rušení je jednou z klíčových technických výzev, kterým čelí PLC při aplikaci systémů obnovitelných zdrojů energie. Provozní prostředí systémů obnovitelných zdrojů energie je složité a proměnlivé a často čelí drsným přírodním podmínkám a silnému elektromagnetickému rušení. V solárních elektrárnách jsou fotovoltaické moduly obvykle instalovány venku a jsou náchylné k drsným klimatickým podmínkám, jako je vysoká teplota, vysoká vlhkost a prach. Zároveň střídače a další zařízení v systémech na výrobu solární energie generují během provozu mnoho elektromagnetického rušení, které může ovlivnit normální provoz PLC, což má za následek chyby v přenosu dat, abnormální provádění řídicích instrukcí a další problémy. Ve větrných farmách se větrné turbíny nacházejí ve vysokých nadmořských výškách a jsou vystaveny přírodnímu prostředí. Nejenže musí odolat extrémnímu počasí, jako je silný vítr a blesky, ale vysokorychlostní otáčení větrných turbín a provoz elektrických zařízení také generují silné elektromagnetické rušení, což představuje hrozbu pro stabilitu a spolehlivost PLC. Pro zlepšení odolnosti PLC proti rušení je třeba provést vylepšení hardwaru i softwaru. Z hlediska hardwaru lze k dalšímu zvýšení odolnosti PLC vůči elektromagnetickému rušení použít pokročilejší technologii stínění, filtrační obvody a izolační opatření; z hlediska softwaru lze optimalizovat řídicí algoritmus, přidat mechanismy pro ověřování dat a korekci chyb a zlepšit schopnost systému identifikovat a zpracovávat data o rušení.

Problém s komunikační kompatibilitou je také technický problém, který je třeba řešit při aplikaci PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie. Systémy obnovitelných zdrojů energie obvykle obsahují více typů zařízení a systémů, které mohou pocházet od různých výrobců a používat různé komunikační protokoly a standardy rozhraní. PLC musí s těmito zařízeními a systémy komunikovat a integrovat se, aby dosáhlo jednotného řízení a správy celého systému obnovitelných zdrojů energie. Vzhledem k nedostatku jednotnosti komunikačních protokolů a standardů rozhraní však existují problémy s komunikační kompatibilitou mezi PLC a dalšími zařízeními, což vede ke špatnému přenosu dat a přerušení komunikace. V hybridním projektu obnovitelných zdrojů energie, který zahrnuje solární energii, větrnou energii a systémy skladování energie, zařízení na výrobu solární energie používá protokol Modbus, zařízení na výrobu větrné energie používá protokol Profibus a systém skladování energie používá vlastní protokol, což PLC čelí obrovským výzvám při komunikaci s těmito zařízeními a vyžaduje spoustu práce na konverzi protokolů a adaptaci rozhraní, což zvyšuje složitost a náklady na systém. Aby se vyřešil problém s komunikační kompatibilitou, je nutné posílit formulaci a sjednocení průmyslových standardů, podporovat spolupráci a koordinaci mezi různými výrobci zařízení a podporovat standardizaci a zobecnění komunikačních protokolů a standardů rozhraní.

Kromě toho s neustálým rozšiřováním rozsahu systémů obnovitelných zdrojů energie a rostoucími funkčními požadavky jsou kladeny vyšší nároky na výpočetní výkon a úložnou kapacitu PLC. Ve velkých solárních elektrárnách a větrných farmách je třeba zpracovat velké množství dat ze senzorů a řídicích instrukcí a tradiční PLC nemusí být schopny splnit takové rozsáhlé požadavky na zpracování a ukládání dat. Ve velké větrné farmě s tisíci větrných turbín musí každá větrná turbína shromažďovat v reálném čase více parametrů, jako je rychlost větru, směr větru, rychlost, výkon atd., a je také nutné přesně řídit a diagnostikovat větrné turbíny. To vyžaduje, aby PLC měly výkonný výpočetní výkon a velkokapacitní úložná zařízení, aby byl zajištěn efektivní provoz systému. Pro splnění této výzvy je nutné neustále zlepšovat hardwarový výkon PLC, zavádět pokročilejší mikroprocesory a velkokapacitní paměti a optimalizovat softwarové algoritmy pro zlepšení efektivity zpracování dat s cílem uspokojit rostoucí potřeby systémů obnovitelných zdrojů energie.

6.2.2 Nákladová výzva

Problém s náklady je jedním z důležitých faktorů, které omezují široké využití PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie, což se odráží zejména ve vysokých počátečních investičních nákladech a vysokých nákladech na údržbu.

Vysoké počáteční investiční náklady jsou hlavním problémem, kterému čelí PLC při aplikaci systémů obnovitelných zdrojů energie. Cena samotného PLC je relativně vysoká, zejména u některých vysoce výkonných a spolehlivých produktů PLC, které jsou ještě dražší. V malém systému na výrobu solární energie, pokud se použije importovaný špičkový PLC, mohou jeho pořizovací náklady činit 10% – 20% celkových investičních nákladů systému. Kromě toho je pro dosažení komunikace a integrace mezi PLC a dalšími zařízeními v systému obnovitelných zdrojů energie nutné vybavit odpovídající komunikační moduly, senzory, akčními členy a dalším vybavením a náklady na pořízení a instalaci těchto zařízení by se neměly podceňovat. V projektu, který zahrnuje systémy na výrobu větrné energie a skladování energie, je pro dosažení efektivního řízení větrných turbín a zařízení na skladování energie pomocí PLC nutné nainstalovat velké množství senzorů rychlosti větru, senzorů směru větru, systémů pro správu baterií a dalšího vybavení. Náklady na tato zařízení plus náklady na PLC výrazně zvyšují počáteční investiční náklady projektu. Vysoké počáteční investiční náklady představují pro některé projekty obnovitelných zdrojů energie s omezenými finančními prostředky velkou zátěž, což omezuje uplatnění a propagaci PLC.

Vysoké náklady na údržbu jsou také nákladovým faktorem, který nelze při aplikaci PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie ignorovat. Jako složité elektronické zařízení vyžaduje PLC pro svou údržbu a servis profesionální techniky. Systémy obnovitelných zdrojů energie jsou obvykle rozmístěny ve vzdálených oblastech s nevýhodnou dopravou a náklady na techniky, kteří dojíždějí na místo údržby, jsou vysoké. Zároveň se kvůli rychlé technologické aktualizaci PLC musí personál údržby neustále učit a osvojovat si nové technické znalosti, což také zvyšuje náklady na školení personálu. Kromě toho je cena náhradních dílů pro PLC relativně vysoká a některé náhradní díly je nutné dovážet ze zahraničí, což má dlouhý cyklus nákupu, což také zvyšuje náklady a dobu údržby zařízení. Ve větrné farmě nacházející se v odlehlé horské oblasti musí technici po selhání PLC strávit dlouhou dobu a vysoké náklady na dopravu, aby se dostali na místo opravy. Zároveň může být zařízení kvůli dlouhému cyklu nákupu náhradních dílů odstaveno na dlouhou dobu, což způsobuje velké ekonomické ztráty.

Pro snížení nákladů lze přijmout řadu strategií. Pokud jde o snížení počátečních investičních nákladů, můžeme na jedné straně posílit technologický výzkum a vývoj, zvýšit míru lokalizace PLC a snížit náklady prostřednictvím velkovýroby. V současné době některé domácí společnosti dosáhly určitého pokroku ve výzkumu, vývoji a výrobě PLC. S neustálým rozvojem technologií a rozšiřováním rozsahu výroby se očekává další pokles ceny domácích PLC. Na druhé straně můžeme optimalizovat návrh systému, rozumně volit model a konfiguraci PLC a vyhnout se nadměrné konfiguraci a plýtvání. Pokud jde o náklady na údržbu, lze zavést systém vzdálené údržby, který včas odhalí a řeší poruchy PLC pomocí technologie vzdáleného monitorování a diagnostiky, čímž se sníží počet a náklady na údržbu na místě. Zároveň lze posílit spolupráci s dodavateli zařízení, vytvořit lokalizovanou knihovnu náhradních dílů, zkrátit cyklus nákupu náhradních dílů a snížit náklady na náhradní díly.

6.2.3 Tržní výzvy

PLC také čelí řadě tržních výzev v oblasti aplikace systémů obnovitelných zdrojů energie, včetně nedostatečného povědomí o trhu a ostré konkurence na trhu. Tyto výzvy ovlivňují rozšíření a aplikaci PLC na trhu s obnovitelnými zdroji energie.

Nedostatečné povědomí o trhu je jednou z tržních výzev, kterým čelí PLC při aplikaci systémů obnovitelných zdrojů energie. Přestože se PLC široce používá v oblasti průmyslové automatizace, v oblasti obnovitelných zdrojů energie, zejména v některých nově vznikajících projektech v oblasti obnovitelných zdrojů energie, někteří developeři projektů a investoři nemají hluboké pochopení funkcí a výhod PLC a chybí jim povědomí o jeho aplikační hodnotě v systémech obnovitelných zdrojů energie. Někteří developeři malých projektů výroby solární energie dávají přednost používání tradičních jednoduchých řídicích systémů, protože se domnívají, že PLC má vysoké náklady, složitou technologii a je obtížné jej používat a udržovat, a zároveň ignorují důležitou roli PLC při zlepšování účinnosti výroby energie a zajištění stabilního provozu systému. Toto nedostatečné povědomí o trhu vedlo k určitým překážkám v propagaci PLC na trhu s obnovitelnými zdroji energie a omezilo rozšiřování jeho tržního podílu.

Tvrdá konkurence na trhu je také vážnou výzvou, které čelí PLC v oblasti aplikací systémů obnovitelných zdrojů energie. S rychlým rozvojem odvětví obnovitelných zdrojů energie se stále více společností a institucí začíná angažovat v oblasti systémů řízení obnovitelných zdrojů energie a konkurence na trhu je stále zuřivější. Kromě tradičních výrobců PLC uvedly na trh řídicí řešení pro systémy obnovitelných zdrojů energie i některé nově vznikající technologické společnosti. Tyto společnosti mají často silné technologické inovační schopnosti a cenové výhody, což přináší obrovský konkurenční tlak na tradiční výrobce PLC. Některé internetové společnosti využily svých technologických výhod v oblasti velkých dat, umělé inteligence a dalších oblastí k vývoji systémů řízení obnovitelných zdrojů energie s inteligentními řídicími funkcemi, aby mohly konkurovat tradičním produktům PLC o podíl na trhu. V tomto prostředí tvrdé konkurence na trhu musí výrobci PLC neustále posilovat technologické inovace, zlepšovat výkon a kvalitu produktů, snižovat náklady a zároveň posilovat propagaci na trhu a budování značky, aby zvýšili konkurenceschopnost svých produktů na trhu.

Kromě toho nedokonalost politického prostředí a tržních standardů přináší určité tržní výzvy pro aplikaci PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie. V současné době, ačkoli vlády různých zemí zavedly řadu politik na podporu rozvoje obnovitelných zdrojů energie, příslušné politiky a standardy pro aplikaci PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie ještě nejsou dokonalé a chybí jasné technické specifikace a standardy pro přístup na trh. To způsobuje nerovnoměrnou kvalitu produktů PLC na trhu a některé nekvalitní produkty mohou ovlivnit účinek aplikace a reputaci PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie. Zároveň politická nestabilita a nejistota také zvyšují rizika pro investice firem a propagaci na trhu. Aby bylo možné tyto tržní výzvy zvládnout, je nutné posílit politické pokyny a tržní regulaci, formulovat solidní technické standardy a pravidla pro přístup na trh a podporovat zdravý rozvoj trhu s aplikacemi PLC na trhu s aplikacemi v systémech obnovitelných zdrojů energie.

6.3 Diskuse o strategiích zvládání

V reakci na výše uvedené výzvy je třeba přijmout účinné strategie v oblasti technologického výzkumu a vývoje, kontroly nákladů a propagace na trhu s cílem podpořit široké využití a udržitelný rozvoj PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie.

Pokud jde o technologický výzkum a vývoj, měli bychom zvýšit investice do výzkumu a vývoje technologie proti rušení PLC. Na jedné straně bychom měli pokračovat ve zlepšování hardwarového návrhu, zavádět pokročilejší materiály a procesy elektromagnetického stínění a dále zlepšovat schopnost PLC chránit proti vnějšímu elektromagnetickému rušení, například vývojem nových vícevrstvých kompozitních stínících materiálů pro zlepšení účinku stínění; optimalizovat návrh filtračních obvodů, zavádět adaptivní filtrační algoritmy, upravovat parametry filtrů v reálném čase podle charakteristik rušivého signálu a zlepšovat schopnost potlačovat komplexní rušivé signály. Na druhé straně bychom měli posílit výzkum softwarové technologie proti rušení, vyvíjet inteligentní algoritmy pro ověřování dat a korekci chyb, aby PLC dokázaly automaticky identifikovat a opravit rušená data a zajistit tak jejich přesnost a spolehlivost; zavádět redundantní řídicí technologii nastavením více řídicích jednotek nebo záložních systémů. V případě, že je hlavní řídicí jednotka rušena a selže, se záložní systém může rychle přepnout a uvést do provozu, aby byl zajištěn nepřerušovaný provoz systému.

Aby bylo možné vyřešit problém kompatibility komunikace, je nutné aktivně se podílet na formulaci a sjednocování komunikačních standardů v průmyslu a podporovat je. Posílit spolupráci a výměny s dalšími výrobci zařízení, vědeckovýzkumnými institucemi a průmyslovými sdruženími s cílem společně formulovat obecné komunikační protokoly a standardy rozhraní platné pro systémy obnovitelné energie. Například zřídit pracovní skupinu pro formulaci standardů za účasti všech stran, která by formulovala specifikace jednotného komunikačního protokolu pro různé typy zařízení pro obnovitelné zdroje energie, vyjasnila klíčové parametry, jako je formát přenosu dat, komunikační rychlost, řídicí instrukce atd., aby byla zajištěna bezproblémová komunikace a integrace mezi různými zařízeními. Zároveň povzbuzovat výrobce zařízení k dodržování jednotných standardů v návrhu produktů s cílem zlepšit kompatibilitu a zaměnitelnost zařízení.

Vzhledem k problému nedostatečného výpočetního výkonu a úložné kapacity PLC je třeba urychlit modernizaci hardwarové technologie. Výzkum, vývoj a zavádění pokročilejších mikroprocesorů pro zlepšení výpočetní rychlosti a výkonu PLC, například zaváděním vícejádrových procesorů pro realizaci paralelního zpracování více úkolů a zlepšení efektivity zpracování dat; zvýšením kapacity paměti a zaváděním velkokapacitních flash pamětí nebo pevných disků pro uspokojení potřeb ukládání velkého množství dat. Z hlediska softwaru optimalizujte algoritmy a programové struktury, zvyšte efektivitu zpracování dat a snižte využití hardwarových zdrojů. Například zaváděním efektivních algoritmů komprese dat pro kompresi a ukládání velkého množství shromážděných dat pro snížení využití úložného prostoru; vývojem paralelních výpočetních algoritmů pro plné využití výhod vícejádrových procesorů a zvýšení rychlosti provádění složitých řídicích algoritmů.

Z hlediska kontroly nákladů je klíčové snížení počátečních investičních nákladů. Zvýšit podporu lokalizace PLC, povzbudit domácí podniky ke zvýšení investic do výzkumu a vývoje a zlepšit úroveň lokalizace PLC. Prostřednictvím politické podpory, finančních dotací a dalších prostředků podpořit rozvoj domácího průmyslu PLC, zavést velkovýrobu a snížit výrobní náklady. Zároveň optimalizovat návrh systému a rozumně vybírat model a konfiguraci PLC podle skutečných potřeb systémů obnovitelných zdrojů energie, aby se zabránilo plýtvání zdroji způsobenému nadměrnou konfigurací. V malém projektu výroby větrné energie je třeba prostřednictvím podrobné analýzy poptávky a vyhodnocení systému vybrat PLC s vhodnými funkcemi a výkonem, vyhnout se výběru produktů s nadměrnou konfigurací, čímž se sníží počáteční investiční náklady.

Snižování nákladů na údržbu by nemělo být ignorováno. Zaveďte systém vzdálené údržby a využívejte internetové technologie k dosažení vzdáleného monitorování a diagnostiky PLC. Prostřednictvím vzdáleného monitorování včas odhalte skryté závady PLC a přijměte vhodná opatření k jejich odstranění, čímž se sníží počet a náklady na údržbu na místě. Například ve velké solární elektrárně byl zaveden systém vzdálené údržby. Provozní a údržbářský personál může monitorovat provozní stav PLC v reálném čase prostřednictvím platformy pro vzdálené monitorování. Pokud je zjištěna závada, může ji pomocí dálkového ovládání řešit a opravovat, což výrazně snižuje pracovní zátěž a náklady na údržbu na místě. Posílení spolupráce s dodavateli zařízení, vytvoření lokalizované knihovny náhradních dílů, zkrácení cyklu nákupu náhradních dílů a snížení nákladů na náhradní díly. Podepsání dlouhodobé dohody o spolupráci s dodavateli zajistí včasné dodávky náhradních dílů a snížení nákupní ceny náhradních dílů prostřednictvím centralizovaného nákupu a dalších prostředků.

Pokud jde o propagaci trhu, je primárním úkolem zlepšit povědomí o trhu. Posílit publicitu a propagaci aplikací PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie a zveřejňovat funkce, výhody a aplikační příklady PLC developerům projektů v oblasti obnovitelných zdrojů energie, investorům a souvisejícím společnostem prostřednictvím technických seminářů, produktových výstav, oborových fór a dalších aktivit. Například pravidelně pořádat semináře o technologiích obnovitelných zdrojů energie, pozvat odborníky, akademické pracovníky a zástupce firem, aby představili nejnovější výsledky aplikací a vývojové trendy PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie a prezentovali úspěšné případy, aby více lidí pochopilo hodnotu PLC. Zároveň psát podrobné technické informace a aplikační příručky, které uživatelům poskytnou technickou podporu a reference, jež jim pomohou lépe porozumět a aplikovat PLC.

Tváří v tvář tvrdé konkurenci na trhu by výrobci PLC měli neustále posilovat technologické inovace a zlepšovat výkon a kvalitu produktů. Zvyšovat investice do výzkumu a vývoje s cílem vyvíjet PLC produkty s vyšším výkonem a větší spolehlivostí, které by uspokojily rostoucí potřeby systémů obnovitelné energie. Zaměřovat se na konkurenci diferencovaných produktů, vyvíjet cílená PLC řešení pro různé typy systémů obnovitelné energie a zlepšovat konkurenceschopnost produktů na trhu. Posílit propagaci na trhu a budování značky s cílem zvýšit viditelnost a reputaci produktů. Formulovat rozumné marketingové strategie pro zvýšení podílu produktů na trhu prostřednictvím reklamy, online marketingu, řízení vztahů se zákazníky a dalších prostředků. Budovat dobrou image značky a získávat důvěru a uznání zákazníků vysoce kvalitními produkty a službami.

Kromě toho by vláda a průmyslová sdružení měla posílit politické vedení a regulaci trhu. Vláda by měla zavést příslušné politiky na podporu projektů obnovitelných zdrojů energie k zavádění technologie PLC, jako je poskytování určitých dotací nebo daňových pobídek ke snížení nákladů projektu a zvýšení zájmu o aplikaci PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie. Průmyslová sdružení by měla formulovat solidní technické normy a pravidla pro přístup na trh, posílit dohled nad trhem, regulovat tržní řád, zabránit vstupu nekvalitních produktů na trh a zajistit zdravý rozvoj trhu s aplikacemi PLC na trhu s aplikacemi v systémech obnovitelných zdrojů energie.

VII. Závěr a výhled

7.1 Shrnutí výsledků výzkumu

Tato studie poskytuje hloubkovou analýzu aplikace PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie a komplexně odhaluje jeho klíčovou roli a důležitou hodnotu. V systémech pro výrobu solární energie se PLC spoléhá na své výkonné řídicí schopnosti k úspěšné implementaci řízení sledování bodu maximálního výkonu (MPPT), čímž výrazně zlepšuje účinnost výroby energie. Pomocí pokročilých algoritmů řízení MPPT, jako je metoda pozorování perturbací, metoda přírůstku vodivosti a metoda fuzzy logiky, může PLC přesně upravovat provozní stav solárních panelů podle změn intenzity světla, teploty a dalších faktorů prostředí v reálném čase, aby zajistilo, že vždy fungují v blízkosti bodu maximálního výkonu. Relevantní výzkumná a praktická aplikační data ukazují, že účinnost výroby energie v systému pro výrobu solární energie s využitím PLC k dosažení řízení MPPT lze zvýšit o 10% – 30% ve srovnání se systémem bez řízení MPPT.

Zároveň PLC hraje zásadní roli v řízení ukládání energie v bateriích. Přesným řízením procesu nabíjení a vybíjení baterie může PLC efektivně zabránit přebíjení a nadměrnému vybíjení baterie a prodloužit její životnost. Během procesu nabíjení PLC používá strategie nabíjení konstantním proudem, nabíjení konstantním napětím a stupňovité nabíjení podle parametrů napětí, proudu, zbývající kapacity (SOC) a teploty baterie, aby zajistilo bezpečné a efektivní nabíjení baterie. Během procesu vybíjení PLC dynamicky upravuje vybíjecí výkon baterie podle požadavku zátěže a zbývající energie baterie, striktně kontroluje hloubku vybíjení baterie a zabraňuje nadměrnému vybíjení baterie. Kromě toho může PLC také optimalizovat řízení systému ukládání energie, rozumně alokovat energii a zlepšovat efektivitu využití energie podle výroby energie solárním systémem v reálném čase, stavu ukládání energie v baterii a požadavku na energii zátěže.

Pokud jde o sběr dat a vzdálené monitorování, PLC je úzce propojeno s různými senzory, aby se dosáhlo sběru vícerozměrných dat o solárním systému výroby energie v reálném čase, včetně intenzity světla, teploty, napětí, proudu, stavu baterie atd. Tato data poskytují důležitý základ pro analýzu provozu systému a optimalizaci řízení. Zároveň je PLC připojeno k systému vzdáleného monitorování prostřednictvím komunikačního modulu, aby se dosáhlo vzdáleného monitorování a správy provozního stavu systému v reálném čase. Prostřednictvím systému vzdáleného monitorování může provozní a údržbářský personál sledovat různé provozní parametry systému v reálném čase, včas odhalovat a řešit problémy, výrazně zlepšit efektivitu řízení a úroveň údržby systému a snížit náklady na údržbu.

V systémech pro výrobu větrné energie hraje PLC klíčovou roli v monitorování a řízení rychlosti a směru větru. Propojením senzorů rychlosti a směru větru může PLC monitorovat změny rychlosti a směru větru v reálném čase a flexibilně upravovat provozní parametry větrné turbíny podle výsledků monitorování, aby byl zajištěn efektivní a stabilní provoz větrné turbíny. Když je rychlost větru nižší než počáteční rychlost větrné turbíny, PLC řídí větrnou turbínu do pohotovostního režimu a čeká, až rychlost větru dosáhne počátečních podmínek. Když rychlost větru dosáhne počáteční rychlosti větru, PLC řídí spuštění větrné turbíny a podle změny rychlosti větru se pomocí algoritmu sledování bodu maximálního výkonu (MPPT) upravuje úhel sklonu a rychlost větrné turbíny v reálném čase, aby větrná turbína vždy pracovala v blízkosti bodu maximálního výkonu a zachytila více větrné energie.

Řízení úhlu stoupání a stáčení jsou klíčovými řídicími prvky systémů pro výrobu větrné energie a PLC v nich hraje klíčovou roli. Přesným řízením úhlu stoupání může PLC upravovat větrnou energii zachycenou lopatkami podle změny rychlosti větru, čímž dosahuje efektivní regulace otáček a výstupního výkonu větrné turbíny. Přesným řízením systému stáčení může PLC zajistit, aby rotor větrné turbíny vždy směřoval ve směru větru, a maximálně tak zachytit větrnou energii. Studie ukázaly, že přesné řízení úhlu stoupání a stáčení může zvýšit výrobu energie systémů pro výrobu větrné energie o 5% – 10%.

Diagnostika a ochrana proti poruchám jsou klíčem k zajištění bezpečného a stabilního provozu systémů pro výrobu větrné energie a PLC v tomto ohledu prokázaly výkonné funkce. Díky monitorování provozních dat větrných turbín v reálném čase, jako je rychlost větru, směr větru, otáčky generátoru, výkon, vibrace, teplota, tlak oleje atd., PLC využívá přednastavené algoritmy diagnostiky poruch a inteligentní diagnostickou technologii k rychlé detekci potenciálních poruch v systému a k rychlému přijetí odpovídajících ochranných opatření, jako je přerušení obvodu a vypnutí, aby se zabránilo dalšímu šíření poruchy, snížily se ztráty způsobené poruchami a zvýšila se spolehlivost a bezpečnost zařízení.

V systému výroby vodní energie hraje PLC klíčovou roli v monitorování a regulaci hladiny vody a průtoku. Propojením s různými vysoce přesnými senzory PLC realizuje přesné monitorování hladiny a průtoku vody v reálném čase a přesně řídí provoz stavidel a turbín podle přednastavené strategie řízení založené na monitorovacích datech, aby se dosáhlo efektivního a stabilního provozu systému výroby vodní energie. Když je hladina vody nižší než nastavená spodní mez, PLC řídí otevírání stavidel přívodu vody, aby se zvýšilo množství vody potřebné pro výrobu energie; když je hladina vody vyšší než nastavená horní mez, PLC řídí otevírání stavidel přívodu vody, aby se zabránilo příliš vysoké hladině vody, která by představovala bezpečnostní hrozbu pro přehradu a zařízení.

Pokud jde o regulaci průtoku, PLC upravuje průtok vody vstupující do turbíny řízením otevírání rozváděcích lopatek a otáček turbíny, čímž dosahuje efektivní regulace výroby energie. Během období špičkového zatížení energetické sítě PLC přiměřeně upravuje otevírání rozváděcích lopatek a otáček turbíny na základě údajů o průtoku a hladině vody v reálném čase, aby zvýšil výrobu energie a uspokojil poptávku po energii energetické sítě; během období nízkého zatížení energetické sítě PLC přiměřeně snižuje výrobu energie, aby se snížilo plýtvání vodou a zajistil bezpečný a stabilní provoz zařízení na výrobu energie.

Sběr dat a dálkové monitorování jsou důležitými prostředky pro efektivní správu a údržbu systémů výroby vodní energie a PLC v nich vybudovala kompletní systém. Propojením různých typů senzorů PLC realizuje sběr klíčových parametrů v reálném čase, jako je hladina vody, průtok, tlak vody, teplota vody, rychlost jednotky, výkon atd., a provádí filtrování, kalibraci a kompenzaci shromážděných dat pro zlepšení jejich přesnosti a spolehlivosti. Zároveň PLC navazuje spojení se vzdáleným monitorovacím centrem prostřednictvím komunikačního modulu, aby realizovalo dálkové monitorování a správu systému výroby vodní energie. Monitorovací software vzdáleného monitorovacího centra poskytuje bohaté funkce, jako je zobrazení dat v reálném čase, dotazování na historická data, generování reportů, správa alarmů atd. Zaměstnanci mohou prostřednictvím monitorovacího softwaru sledovat provozní stav systému v reálném čase, včas odhalovat a řešit problémy, zlepšovat efektivitu správy a snižovat náklady na údržbu.

Pokud jde o integraci s dalšími systémy energetického managementu, PLC hraje zásadní roli při budování inteligentních mikrosítí a energetického internetu. V inteligentních mikrosítích lze PLC bezproblémově integrovat se systémy energetického managementu, jako je solární energie, větrná energie a systémy skladování energie. V závislosti na nabídce a poptávce po energii a cenové politice elektřiny může rozumně uspořádat výrobu, skladování a spotřebu energie tak, aby bylo dosaženo optimální energetické konfigurace. V energetickém internetu může PLC jako důležitá řídicí jednotka distribuovaného energetického systému vyměňovat data a koordinovat řízení s dalšími systémy energetického managementu, aby bylo dosaženo energetického propojení a optimální distribuce.

Stručně řečeno, použití PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie má významné výhody, včetně technických, ekonomických a environmentálních. Z technologického hlediska má PLC vysokou spolehlivost, flexibilitu, výkonné možnosti zpracování dat a dobré komunikační schopnosti; z ekonomického hlediska může PLC snížit náklady na zařízení, zlepšit energetickou účinnost a prodloužit životnost zařízení, což přináší značné výhody. Ekonomické výhody: z environmentálního hlediska může PLC podpořit efektivní využívání obnovitelných zdrojů energie, snížit znečištění životního prostředí a podpořit udržitelný rozvoj. Použití PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie však čelí i některým výzvám, jako jsou technické problémy (nedostatečná odolnost proti rušení, problémy s kompatibilitou komunikace, zvýšené požadavky na výpočetní výkon a úložnou kapacitu), nákladové problémy (vysoké počáteční investiční náklady, větší náklady na údržbu) a tržní problémy (nedostatečné povědomí o trhu, tvrdá konkurence). V reakci na tyto výzvy tato studie navrhuje odpovídající strategie reakce, včetně zvýšení investic do technologického výzkumu a vývoje, posílení kontroly nákladů a aktivní propagace na trhu, s cílem podpořit široké využití a udržitelný rozvoj PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie.

7.2 Budoucí směry výzkumu

S ohledem do budoucna má výzkumný směr PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie široký prostor pro rozvoj a hloubkový průzkum bude probíhat v mnoha dimenzích, jako jsou technologické inovace, optimalizace systémů a integrace trhu.

Pokud jde o technologické inovace, jedním z důležitých směrů je hloubkový výzkum a vývoj inteligentních řídicích algoritmů. S rychlým rozvojem technologií umělé inteligence a strojového učení se stalo nevyhnutelným trendem jejich hluboká integrace s technologií řízení PLC. Prostřednictvím velkého množství historických dat a provozních dat v reálném čase je model neuronové sítě trénován tak, aby umožnil PLC automaticky se učit a přizpůsobovat různým provozním podmínkám a realizovat inteligentní predikci a adaptivní řízení systémů obnovitelných zdrojů energie. V systémech výroby solární energie se algoritmy hlubokého učení používají k analýze a predikci faktorů prostředí, jako je intenzita světla a teplota, a provozní stav fotovoltaických panelů se předem upravuje tak, aby se vyrovnal se změnami počasí a dále se zlepšila účinnost výroby energie.

Z hlediska doplňkového a koordinovaného řízení více energií je nutné provést hloubkový výzkum charakteristických rozdílů a doplňkových vztahů mezi různými obnovitelnými zdroji energie, vyvinout pokročilejší koordinované řídicí algoritmy a realizovat organickou kombinaci a optimální konfiguraci více zdrojů energie, jako je solární energie, větrná energie a vodní energie. Vytvořením integrovaného modelu řízení energie lze dosáhnout monitorování a analýzy výroby energie, poptávky po zátěži a stavu skladování energie různých zdrojů v reálném čase, čímž se dosáhne efektivní přeměny a distribuce energie a zlepší se stabilita a spolehlivost energetického systému. V mikrosíti, která zahrnuje solární energii, větrnou energii a systémy skladování energie, lze nabíjení a vybíjení systémů pro výrobu solární energie, výrobu větrné energie a systémy skladování energie inteligentně řídit podle nabídky a poptávky po energii v reálném čase, aby se dosáhlo vyvážené a stabilní dodávky energie.

Z hlediska optimalizace systému je klíčové další zlepšení spolehlivosti a stability PLC. Prozkoumejte novou hardwarovou architekturu a metody návrhu softwaru pro zlepšení odolnosti proti rušení a odolnosti proti chybám PLC ve složitých prostředích. Použijte redundantní technologii návrhu k přidání redundantních komponent, jako jsou záložní napájecí zdroje a záložní procesory, abyste zajistili, že systém bude i nadále normálně fungovat, i když některé komponenty selžou. Zároveň optimalizujte funkce autodiagnostiky a opravy softwaru tak, aby PLC dokázalo rychle detekovat a automaticky opravit některé běžné chyby a zlepšit dostupnost systému.

Snižování nákladů na PLC je také předmětem budoucího výzkumu. Prostřednictvím technologických inovací a zlepšování procesů lze snížit náklady na hardware PLC, například zavedením nových technologií výroby čipů, zlepšením integrace a výkonu čipů a snížením výrobních nákladů. Zároveň lze optimalizovat návrh softwaru, snížit závislost na hardwarových zdrojích a snížit požadavky na konfiguraci hardwaru, čímž se sníží celkové náklady na systém. Kromě toho lze posílit standardizaci a modulární konstrukci PLC, zlepšit všestrannost a zaměnitelnost produktů a snížit výrobní a údržbové náklady.

Z hlediska integrace trhu je zásadní posílit hlubokou integraci odvětví PLC a obnovitelných zdrojů energie. Měli bychom mít hluboké pochopení poptávky na trhu a trendů vývoje systémů obnovitelných zdrojů energie, vyvíjet cílené produkty a řešení PLC a uspokojovat individuální potřeby různých zákazníků. Měli bychom navázat úzké partnerské vztahy s výrobci zařízení pro obnovitelné zdroje energie, energetickými provozovateli atd. a společně propagovat aplikaci a propagaci PLC v systémech obnovitelných zdrojů energie.

Rozšíření aplikace PLC v oblasti nově vznikajících obnovitelných zdrojů energie je také jedním ze směrů budoucího rozvoje. S neustálým rozvojem nových technologií obnovitelných zdrojů energie, jako je energie oceánů a geotermální energie, poskytne výzkum aplikačních technologií a řídicí strategie PLC v těchto oblastech technickou podporu pro rozvoj a využití nově vznikajících obnovitelných zdrojů energie. V systému výroby energie z oceánů zlepší výzkum řídicí technologie PLC pro zařízení na výrobu energie z vln a přílivu a odlivu efektivitu využití a stabilitu energie oceánů.