Entdecken Sie die Wunder der PLC-Elektrik in erneuerbaren Energiesystemen

1. Einleitung

1.1 Forschungshintergrund und Bedeutung

Mit der fortschreitenden globalen Industrialisierung steigt der Bedarf an Energie als Eckpfeiler der Entwicklung rasant an. Die Menschheit war lange Zeit übermäßig von traditionellen fossilen Energiequellen wie Kohle, Öl und Erdgas abhängig, was zu einer Reihe schwerwiegender Probleme geführt hat. Aus Ressourcensicht sind diese fossilen Energiequellen nicht erneuerbare Ressourcen mit begrenzten Reserven. Beim derzeitigen Verbrauch dürften Öl und Erdgas nur noch wenige Jahrzehnte eine effektive Versorgung gewährleisten, und Kohle kann nur noch Hunderte von Jahren gefördert werden. Dies ist zweifellos ein Alarmsignal für die zukünftige Entwicklung der Menschheit, und die Energiekrise droht.

Aus ökologischer Sicht setzen herkömmliche fossile Brennstoffe bei ihrer Verbrennung große Mengen an Schadstoffen wie Schwefeldioxid, Stickoxiden und Feinstaub frei. Diese Schadstoffe sind die Hauptursachen für Umweltprobleme wie Luftverschmutzung und sauren Regen und gefährden ernsthaft die menschliche Gesundheit und das Gleichgewicht des Ökosystems. Gleichzeitig hat die große Menge an Treibhausgasen wie Kohlendioxid, die bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht, die globale Erwärmung verschärft und eine Reihe globaler Umweltkatastrophen wie schmelzende Gletscher, steigende Meeresspiegel und häufige extreme Klimaereignisse ausgelöst.

Angesichts der doppelten Herausforderungen der Energiekrise und der Umweltzerstörung ist der Ausbau erneuerbarer Energien weltweiter Konsens und eine unabdingbare Option für eine nachhaltige Entwicklung. Erneuerbare Energien wie Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse und Geothermie sind unerschöpflich und erzeugen bei ihrer Nutzung nahezu keine umweltschädlichen Schadstoffe und Treibhausgasemissionen. Ein energischer Ausbau erneuerbarer Energien kann die Abhängigkeit von herkömmlichen fossilen Brennstoffen wirksam verringern, die Risiken der Energieversorgung mindern und die Energiesicherheit gewährleisten. Gleichzeitig trägt er zur Linderung von Umweltverschmutzung und Klimawandel bei und fördert die koordinierte Entwicklung von Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt.

In erneuerbaren Energiesystemen spielt die SPS-Elektrotechnik (Speicherprogrammierbare Steuerung) eine wichtige und zentrale Rolle. Als digitales Rechensystem, das speziell für industrielle Anwendungen entwickelt wurde, zeichnet sich die SPS durch hohe Zuverlässigkeit, Flexibilität, einfache Programmierung und Wartung aus und kann sich an die komplexen und veränderlichen Betriebsumgebungen sowie die strengen Anforderungen erneuerbarer Energiesysteme anpassen.

In einem Solarstromerzeugungssystem kann die SPS die Ausgangsspannung und den Strom der Solarmodule in Echtzeit überwachen und den fortschrittlichen Algorithmus so anpassen, dass die Solarmodule stets mit maximaler Leistung arbeiten. Dadurch wird die Stromerzeugungseffizienz deutlich verbessert. Gleichzeitig kann die SPS den Lade- und Entladevorgang des Akkupacks präzise steuern, um sicherzustellen, dass der Akku innerhalb eines sicheren Bereichs arbeitet. Zudem kann sie die Lade- und Entladestrategie optimieren, um die Akkulebensdauer zu verlängern und die Systemkosten zu senken. Darüber hinaus kann die SPS Echtzeitdaten des Solarstromerzeugungssystems erfassen, wie z. B. Stromerzeugung, Gerätestatus usw., und eine Fernüberwachung und -verwaltung über das Kommunikationsnetzwerk ermöglichen. So können Betriebs- und Wartungspersonal den Systembetriebszustand rechtzeitig erkennen, Probleme rechtzeitig erkennen und beheben sowie die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems verbessern.

Im Windkraftsystem ist die SPS mit Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensoren verbunden, um die Windverhältnisse in Echtzeit zu überwachen und den Betrieb der Windkraftanlagen mit präzisen Daten zu unterstützen. Je nach Windgeschwindigkeit und -richtung kann die SPS den Pitch- und Gierwinkel der Windkraftanlage schnell anpassen, um sicherzustellen, dass die Anlage im sicheren Windgeschwindigkeitsbereich arbeitet und maximale Leistung erzielt. Dies verbessert die Effizienz der Windenergienutzung. Gleichzeitig kann die SPS verschiedene Parameter der Windkraftanlage in Echtzeit überwachen, Fehler rechtzeitig erkennen und beheben, einen sicheren und stabilen Betrieb der Anlage gewährleisten und die Ausfallrate sowie die Wartungskosten senken.

Im Wasserkraftsystem ist die SPS mit Wasserstands- und Durchflusssensoren verbunden, um den Wasserstand und die Strömung des Stausees oder Flusses in Echtzeit zu überwachen und wichtige Daten für den Betrieb des Wasserkraftgenerators zu liefern. Abhängig von Wasserstand und Strömung steuert die SPS die Öffnung des Tors und die Drehzahl der Turbine, um einen effizienten Betrieb des Wasserkraftsystems zu gewährleisten und die Effizienz der Wasserenergieumwandlung zu verbessern. Darüber hinaus kann die SPS Echtzeitdaten des Wasserkraftsystems erfassen und über das Kommunikationsnetzwerk eine Fernüberwachung und -steuerung ermöglichen. Gleichzeitig lässt sie sich in andere Energiemanagementsysteme integrieren und bildet so den Grundstein für den Aufbau intelligenter Mikronetze und des Energie-Internets.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Einsatz von PLC-Elektrotechnik in erneuerbaren Energiesystemen die Energieumwandlungseffizienz effektiv verbessern, die Betriebskosten senken, die Systemstabilität und -zuverlässigkeit erhöhen und die großflächige Entwicklung und Nutzung erneuerbarer Energien fördern kann. Eine eingehende Forschung zur Anwendung von PLC-Elektrotechnik in erneuerbaren Energiesystemen hat wichtige theoretische Bedeutung und praktischen Anwendungswert für die Förderung der Entwicklung der erneuerbaren Energiebranche, die Linderung von Energiekrisen und Umweltproblemen sowie die Erreichung nachhaltiger Entwicklungsziele.

1.2 Aktueller Forschungsstand im In- und Ausland

In den letzten Jahren hat sich die Anwendung von PLC in erneuerbaren Energiesystemen zu einem wichtigen Forschungsgebiet im In- und Ausland entwickelt. Zahlreiche Wissenschaftler und Forschungseinrichtungen haben dieses Thema umfassend und gründlich erforscht und dabei fruchtbare Ergebnisse erzielt.

Im Ausland nehmen Industrieländer wie die USA, Deutschland und Japan dank ihrer fortschrittlichen Technologie und starken wissenschaftlichen Forschungsstärke eine führende Position in der Forschung zur Anwendung von PLC in erneuerbaren Energiesystemen ein. Im Bereich der Stromerzeugung aus Photovoltaik nutzen die USA PLC, um eine verfeinerte Steuerung und effiziente Verwaltung großer Photovoltaikkraftwerke zu erreichen. Durch Echtzeitüberwachung und -steuerung einer großen Anzahl von Photovoltaikmodulen wird sichergestellt, dass jedes Photovoltaikmodul unter unterschiedlichen Licht- und Temperaturbedingungen einen optimalen Stromerzeugungsstatus aufrechterhalten kann, wodurch die Gesamteffizienz der Stromerzeugung des Photovoltaikkraftwerks deutlich verbessert wird. Relevante Forschungsergebnisse zeigen, dass die Stromerzeugungseffizienz von PLC-gesteuerten Photovoltaikkraftwerken im Vergleich zu herkömmlichen Steuerungsmethoden um 151–201 TP3T gesteigert werden kann. Gleichzeitig setzen die USA PLC auch in der Forschung zur Integration von intelligenten Stromnetzen und erneuerbaren Energien ein. Die Echtzeitüberwachung und -verteilung verteilter Energieressourcen erfolgt über PLC. Dadurch werden die Auswirkungen der Intermittenz und Volatilität der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien auf die Netzstabilität wirksam gelöst und die Stabilität des Stromnetzes verbessert. Die Fähigkeit des Netzes, erneuerbare Energie aufzunehmen.

Deutschland hat in der SPS-Anwendungsforschung im Bereich der Windenergieerzeugung bemerkenswerte Erfolge erzielt. Deutsche Windparks nutzen in großem Umfang SPS-Steuerungssysteme zur intelligenten Steuerung von Windturbinen. Durch die Vernetzung verschiedener Sensoren, beispielsweise zur Messung von Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Temperatur, mit der SPS werden Betriebsdaten der Windturbinen in Echtzeit erfasst und Pitchwinkel, Gierwinkel, Drehzahl und andere Parameter der Anlage anhand dieser Daten präzise angepasst. So wird der Betrieb der Windturbine unter verschiedenen komplexen Bedingungen sichergestellt. Sie kann bei allen Wetterbedingungen stabil arbeiten und maximale Energiegewinnung erzielen. Studien zeigen, dass die Stromerzeugung von SPS-gesteuerten Windturbinen im Vergleich zu herkömmlichen Steuerungsmethoden um 10–15 % der Gesamtenergiekosten steigt und die Ausfallrate der Anlagen um 30–40 % der Gesamtenergiekosten sinkt. Darüber hinaus nutzt Deutschland SPS zur koordinierten Steuerung von Windparks und Energiespeichersystemen, wodurch Schwankungen der Windleistung effektiv ausgeglichen und die Stabilität und Zuverlässigkeit der Windenergie verbessert werden.

Japan konzentriert sich bei der Forschung zur Kombination erneuerbarer Energien mit PLC auf technologische Innovation und Anwendungserweiterung. So wurde beispielsweise ein PLC-basiertes Solarstromerzeugungssystem für kleine Haushalte entwickelt. Dieses ermöglicht nicht nur eine effiziente Steuerung von Solarmodulen, sondern verfügt auch über intelligente Energiemanagementfunktionen. So lassen sich Stromerzeugung und -verbrauch automatisch an den Strombedarf des Haushalts anpassen, um eine optimale Energienutzung zu gewährleisten. Gleichzeitig setzt Japan PLC auch bei der Stromerzeugung aus Biomasse und Geothermie ein und ermöglicht eine präzise Steuerung und Überwachung des Stromerzeugungsprozesses. Dies verbessert die Effizienz der Energieumwandlung und die Betriebsstabilität des Systems.

In China, wo die Entwicklung erneuerbarer Energien immer mehr im Vordergrund steht, hat auch die Anwendungsforschung von PLC in erneuerbaren Energiesystemen große Fortschritte gemacht. Viele Universitäten und Forschungseinrichtungen haben aktiv entsprechende Forschung betrieben und eine Reihe von Ergebnissen mit unabhängigen geistigen Eigentumsrechten in den Bereichen Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft und anderen erneuerbaren Energien erzielt.

Im Bereich der Solarstromerzeugung haben inländische Forscher SPS-Steuerungsstrategien für Solarstromerzeugungssysteme unterschiedlicher Größe erforscht und angewendet. Durch die Optimierung des SPS-Steuerungsalgorithmus wird eine Maximum-Power-Point-Tracking-Regelung von Solarmodulen erreicht, was die Effizienz der Solarstromerzeugung verbessert. Gleichzeitig ermöglicht SPS die Fernüberwachung und Fehlerdiagnose von Solarstromerzeugungssystemen. Dies erleichtert es dem Betriebs- und Wartungspersonal, den Betriebszustand des Systems rechtzeitig zu erfassen, Fehler schnell zu beheben und die Zuverlässigkeit und Stabilität des Systems zu verbessern. Einige Unternehmen kombinieren SPS zudem mit IoT-Technologie, um ein intelligentes Managementsystem für die Solarstromerzeugung zu entwickeln. Dieses ermöglicht eine zentrale Überwachung und einheitliche Steuerung mehrerer verteilter Solarkraftwerke und verbessert die Effizienz und Intelligenz des Energiemanagements.

Im Bereich der Windenergieerzeugung haben inländische Wissenschaftler intensiv an SPS-basierten Windkraftsteuerungssystemen geforscht. Durch die Verbesserung des SPS-Steuerungsalgorithmus wird eine präzise Steuerung von Windkraftanlagen erreicht, die die Windenergienutzungseffizienz und die Betriebsstabilität der Anlagen verbessert. Gleichzeitig wurde als Antwort auf das Problem der Cluster-Steuerung von Windparks ein verteiltes Steuerungssystem mit SPS entwickelt, das die koordinierte Steuerung und einheitliche Planung mehrerer Windkraftanlagen ermöglicht und so die Gesamtbetriebseffizienz und das Managementniveau von Windparks effektiv verbessert. Darüber hinaus forscht China auch an der Anwendung von SPS in der Offshore-Windenergieerzeugung. Aufgrund der rauen Umweltbedingungen auf See wurde ein hochzuverlässiges und störungsfreies SPS-Steuerungssystem entwickelt, das die Entwicklung der Offshore-Windenergie technisch unterstützt.

In China wird SPS zur intelligenten Steuerung und optimierten Steuerung von Turbinen in Wasserkraftwerken eingesetzt. Durch die Verbindung von Wasserstand-, Durchfluss-, Druck- und anderen Sensoren über die SPS werden die Betriebsbedingungen des Wasserkraftwerks in Echtzeit überwacht. Leitschaufelöffnung, Drehzahl und andere Parameter der Turbine werden entsprechend dieser Daten automatisch angepasst, um eine effiziente Umwandlung von Wasserenergie und einen sicheren und stabilen Betrieb der Stromerzeugungsanlagen zu gewährleisten. Gleichzeitig ermöglicht die SPS eine koordinierte Steuerung von Wasserkraftwerken und Stromnetzen, verbessert die Stabilität und Zuverlässigkeit der Wasserkrafterzeugung und gewährleistet einen sicheren und stabilen Betrieb des Stromnetzes.

Obwohl die Anwendungsforschung zu PLC in erneuerbaren Energiesystemen im In- und Ausland bereits viele Erfolge erzielt hat, bestehen weiterhin Defizite und Lücken, die weiterer Forschung bedürfen. Erstens mangelt es an einer effektiven Koordination und Integration der PLC-Steuerungsstrategien verschiedener Arten erneuerbarer Energiesysteme, was eine komplementäre Nutzung und umfassende Optimierung mehrerer erneuerbarer Energiequellen erschwert. Zweitens erfüllt die bestehende PLC-Steuerungstechnologie die hohen Anforderungen intelligenter Netze an Energiestabilität und -zuverlässigkeit im Umgang mit den intermittierenden und volatilen Problemen der erneuerbaren Energieerzeugung zwar bis zu einem gewissen Grad, kann sie jedoch noch nicht vollständig erfüllen. Darüber hinaus ist die Forschung zur Zuverlässigkeit und Störfestigkeit von PLC in erneuerbaren Energiesystemen unter komplexen Bedingungen unzureichend, und die Forschung, Entwicklung und Anwendung entsprechender Technologien muss weiter intensiviert werden. Schließlich bestehen noch Mängel bei den Integrationsstandards und -spezifikationen von PLC und erneuerbaren Energiesystemen, was die Planung, Installation, Inbetriebnahme und Wartung des Systems erschwert und die großflächige Förderung und Anwendung von PLC im Bereich der erneuerbaren Energien einschränkt.

2. Überblick über PLC-Elektrotechnik und erneuerbare Energiesysteme

2.1 Grundlagen und Eigenschaften der SPS-Elektrotechnik

SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) ist ein digitales Rechen- und Betriebssystem für industrielle Umgebungen. Das grundlegende Funktionsprinzip basiert auf der speicherprogrammierbaren Steuerung. Dabei werden benutzerdefinierte Programme im internen Speicher abgelegt und die Anweisungen in einer bestimmten Reihenfolge ausgeführt. Dadurch wird eine präzise Steuerung externer Geräte ermöglicht.

Der Arbeitsprozess einer SPS umfasst im Wesentlichen drei Phasen: Eingangsabtastung, Ausführung des Anwenderprogramms und Aktualisierung der Ausgangssignale. In der Eingangsabtastung scannt die SPS alle Eingangsanschlüsse und speichert den Status externer Eingangssignale (0 oder 1) im Eingangsabbildregister. Dieser Prozess entspricht dem Sammeln von Informationen aus der Außenwelt, um den aktuellen Betriebszustand verschiedener Geräte zu verstehen. Beispielsweise erfasst die SPS in einer Solarstromerzeugungsanlage durch Eingangsabtastung Informationen wie Spannung und Stromstärke der Solarmodule sowie Daten wie Umgebungstemperatur und Lichtintensität, die von verschiedenen Sensoren erfasst werden.

Nach Abschluss der Eingangsabtastung beginnt die Ausführungsphase des Anwenderprogramms. In dieser Phase liest die SPS Daten aus dem Eingangsabbildregister und anderen internen Registern gemäß der vom Anwender programmierten Programmlogik und führt verschiedene logische, arithmetische und sequentielle Steuerungsoperationen aus. Wie ein intelligentes Gehirn trifft sie entsprechende Entscheidungen auf Grundlage voreingestellter Regeln und gesammelter Informationen. Beispielsweise berechnet die SPS in einer Windkraftanlage anhand von Eingangsdaten wie Windgeschwindigkeit und Windrichtung die Einstellwerte für Pitch- und Gierwinkel der Windturbine gemäß dem Steuerungsalgorithmus des Anwenderprogramms, um einen effizienten und stabilen Betrieb der Anlage zu gewährleisten.

Schließlich folgt die Ausgabeaktualisierung. Die SPS überträgt die Operationsergebnisse der Benutzerprogrammausführung vom Ausgabebildregister in den Ausgabe-Latch und steuert anschließend die externe Last zur Steuerung des externen Geräts. Dies ist vergleichbar mit der Übertragung der Entscheidungsfindung des Gehirns an verschiedene Körperteile, sodass diese entsprechende Aktionen ausführen können. Beispielsweise steuert die SPS in einem Wasserkraftwerk durch die Ausgabeaktualisierung die Öffnung des Tors und die Drehzahl der Turbine und sorgt so für eine effiziente Umwandlung von Wasserenergie und einen stabilen Betrieb der Stromerzeugungsanlage.

Der Grund für die breite Verwendung von SPS im Bereich der industriellen Steuerung, insbesondere in Systemen für erneuerbare Energien, liegt in einer Reihe besonderer Merkmale.

Hohe Zuverlässigkeit ist eines der herausragendsten Merkmale von SPS. Das Hardware-Design der SPS nutzt verschiedene Entstörungsmaßnahmen. Beispielsweise nutzt der E/A-Kanal eine fotoelektrische Isolationstechnologie, um die elektrische Verbindung zwischen externer Störquelle und interner Schaltung effektiv zu unterbrechen und so den Einfluss externer elektromagnetischer Störungen auf das interne Signal der SPS zu verhindern. Verschiedene Filterschaltungen, wie LC-Filter und π-Filter, kommen für die Stromversorgung und die Leitungen zum Einsatz, um hochfrequente Störungen effektiv zu eliminieren bzw. zu unterdrücken und die Stabilität und Reinheit der Stromversorgung zu gewährleisten. Wichtige Komponenten wie die CPU sind mit gut leitfähigen und magnetischen Materialien abgeschirmt, um den Einfluss elektromagnetischer Störungen auf den normalen Betrieb zu reduzieren. Softwareseitig nutzt die SPS einen Scan-Betriebsmodus, um Störungen durch externe Umgebungseinflüsse zu reduzieren. Gleichzeitig verfügt das Systemprogramm über Fehlererkennungs- und Selbstdiagnoseprogramme, die den Status der Systemhardwareschaltung in Echtzeit überwachen. Bei einem erkannten Fehler werden die aktuellen wichtigen Informationen sofort versiegelt, instabile Lese- und Schreibvorgänge werden verhindert und ein Fehleralarm ausgelöst. Wenn sich die äußere Umgebung wieder normalisiert, kann die Steuerung automatisch in den Zustand vor dem Auftreten des Fehlers zurückkehren und die ursprüngliche Arbeit fortsetzen. Diese hohe Zuverlässigkeit ermöglicht der SPS einen stabilen Langzeitbetrieb in der komplexen und rauen Umgebung erneuerbarer Energiesysteme und gewährleistet so die Kontinuität und Stabilität der Energieerzeugung.

Flexibilität ist ein weiteres wichtiges Merkmal von SPS. SPS ist modular aufgebaut. Anwender können Module mit unterschiedlichen Funktionen flexibel auswählen und entsprechend ihren Steuerungsanforderungen kombinieren, z. B. Eingangsmodule, Ausgangsmodule, Kommunikationsmodule und Sonderfunktionsmodule. Dieser modulare Aufbau ermöglicht eine komfortable Erweiterung und Aufrüstung des Systems. Anwender können Module jederzeit entsprechend den Systemgrößen und Funktionsanforderungen hinzufügen oder austauschen, ohne das gesamte System umfassend umgestalten zu müssen. Gleichzeitig ist die Programmiermethode von SPS sehr flexibel und unterstützt verschiedene Programmiersprachen wie Kontaktplan, Funktionsblockdiagramm und strukturierten Text. Die Kontaktplansprache ist visuell und intuitiv, ähnelt dem Schaltplan elektrischer Steuerungen und ist für Ingenieure, die mit elektrischen Steuerungen vertraut sind, sehr benutzerfreundlich. Die Funktionsblockdiagrammsprache eignet sich besser zur Beschreibung komplexer logischer Steuerungsbeziehungen und ist leicht verständlich und zu verwalten. Die strukturierte Textsprache bietet eine höhere Programmiereffizienz und eignet sich zum Schreiben komplexer Algorithmen und Datenverarbeitungsprogramme. Anwender können die am besten geeignete Programmiersprache entsprechend ihren eigenen Gewohnheiten und Projektanforderungen wählen, um verschiedene komplexe Steuerungslogiken zu realisieren.

Leistungsstarke Datenverarbeitungsfunktionen sind ein weiterer großer Vorteil von SPS. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Mikroprozessortechnologie haben sich Rechengeschwindigkeit und Datenspeicherkapazität von SPS deutlich verbessert. Moderne SPS können eine große Anzahl digitaler und analoger Signale schnell verarbeiten, um komplexe Steuerungsalgorithmen und Datenverarbeitungsaufgaben zu implementieren. Beispielsweise müssen in erneuerbaren Energiesystemen große Mengen an Energiedaten wie Stromerzeugung, Leistungsfaktor und Energieverbrauch in Echtzeit überwacht und analysiert werden. SPS können diese Daten mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungsmodulen schnell erfassen und ihre leistungsstarke interne Rechenleistung nutzen, um sie in Echtzeit zu analysieren und zu verarbeiten. Dies ermöglicht präzise Datenunterstützung für das Energiemanagement und eine optimierte Steuerung. Gleichzeitig verfügen SPS über Datenspeicherfunktionen, die historische Daten im internen Speicher oder auf externen Speichergeräten speichern können. Dies erleichtert die Abfrage und statistische Analyse von Daten und bietet eine Grundlage für den optimierten Betrieb und die Fehlerdiagnose des Systems.

Darüber hinaus zeichnet sich die SPS durch einfache Programmierung und Wartung, hohe Echtzeitleistung und gute Skalierbarkeit aus. Die Programmierung ist einfach und leicht verständlich und selbst für Computer-Laien schnell zu erlernen. Dank des modularen Aufbaus und der Fehlerdiagnosefunktion kann das Wartungspersonal bei Systemausfällen das defekte Modul schnell lokalisieren und austauschen, was die Wartungszeit erheblich verkürzt. Dank ihrer Echtzeitleistung kann die SPS schnell auf Änderungen externer Signale reagieren und Steuersignale zeitnah ausgeben, um die strengen Anforderungen erneuerbarer Energiesysteme an die Echtzeitsteuerung zu erfüllen. Dank ihrer Skalierbarkeit kann die SPS problemlos mit anderen Geräten kommunizieren und integriert werden, beispielsweise durch Dateninteraktion mit Host-Computern, Touchscreens, Sensoren, Aktoren und anderen Geräten, um komplexere Steuerungssystemfunktionen zu realisieren.

2.2 Klassifizierung und Entwicklungsstand erneuerbarer Energiesysteme

Erneuerbare Energiesysteme sind reichhaltig und vielfältig und umfassen hauptsächlich Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft, Biomasseenergie, Geothermie, Meeresenergie usw. Diese Energiequellen sind alle nachhaltig und umweltfreundlich und stellen die Schlüsselkräfte für die Transformation der Energiestruktur und die Verwirklichung einer nachhaltigen Entwicklung dar.

Als unerschöpfliche saubere Energiequelle nimmt die Solarenergie eine wichtige Stellung im Bereich der erneuerbaren Energien ein. Solarenergiesysteme nutzen hauptsächlich zwei Methoden zur Energieumwandlung und -nutzung: die Erzeugung von Photovoltaik und die Nutzung von Solarthermie. Das Funktionsprinzip der Photovoltaik basiert auf dem Photovoltaikeffekt. Das heißt, wenn Sonnenlicht auf Photovoltaikzellen aus Halbleitermaterialien trifft, interagieren Photonen mit Elektronen im Halbleiter, wodurch die Elektronen genügend Energie erhalten, um Elektron-Loch-Paare zu bilden. Diese Elektronen und Löcher bewegen sich unter der Einwirkung des elektrischen Felds gerichtet und bilden Strom. Dadurch wird Sonnenenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt. Mit dem kontinuierlichen technologischen Fortschritt hat sich die Effizienz der Photovoltaik-Stromerzeugung schrittweise erhöht, die Kosten sind kontinuierlich gesunken und der Anwendungsbereich hat sich zunehmend erweitert. Von netzunabhängigen Stromerzeugungssystemen in abgelegenen Gebieten, die die Stromversorgung in Gebieten ohne Zugang zum herkömmlichen Stromnetz unterstützen, bis hin zu dezentralen Photovoltaik-Projekten in Städten, wie der Installation von Photovoltaikmodulen auf Dächern und Wänden von Gebäuden, der Ermöglichung von Eigenerzeugung und Eigenverbrauch sowie der Einspeisung überschüssigen Stroms ins Netz, wurde die Abhängigkeit von herkömmlicher Energie effektiv reduziert und der CO2-Ausstoß verringert. Laut Statistiken der Internationalen Energieagentur (IEA) ist die weltweit installierte Kapazität zur Stromerzeugung durch Photovoltaik im letzten Jahrzehnt jährlich um durchschnittlich mehr als 251 TP3T gestiegen. Im Jahr 2023 wird die weltweit installierte Kapazität zur Stromerzeugung durch Photovoltaik 1.470 GW erreichen und damit 37,331 TP3T der weltweit installierten Gesamtkapazität an erneuerbarer Energie ausmachen.

Solarthermie nutzt die Wärme des Sonnenlichts, um sie über Kollektoren in Wärmeenergie umzuwandeln und so beispielsweise für Heizung, Warmwasserbereitung, industrielle Produktion und andere Anwendungen zu nutzen. Typische Anwendungsgebiete sind herkömmliche Solarwarmwasserbereiter. Sie nutzen Flachkollektoren oder Vakuumröhrenkollektoren, um Sonnenenergie zu sammeln, Wasser zu erhitzen und zu speichern, um den Warmwasserbedarf von Haushalten oder Gewerbeflächen zu decken. Auch in einigen kalten Regionen sind Solarheizungen weit verbreitet. Durch die Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie werden Gebäude beheizt und die Abhängigkeit von herkömmlichen Heizsystemen mit fossilen Brennstoffen reduziert. Die Technologie zur solarthermischen Stromerzeugung entwickelt sich kontinuierlich weiter. Durch die Nutzung der von Sonnenkollektoren erzeugten Hochtemperatur-Wärmeenergie zum Antrieb von Dampfturbinen zur Stromerzeugung wird Sonnenenergie indirekt in elektrische Energie umgewandelt. Obwohl die solarthermische Stromerzeugung derzeit einen relativ geringen Anteil an der globalen Energieversorgung hat, bietet sie mit fortschreitender Technologiereife und sinkenden Kosten großes Entwicklungspotenzial.

Windenergie ist eine weitere wichtige erneuerbare Energiequelle und bietet die Vorteile einer weiten Verbreitung sowie der Sauberkeit und Schadstofffreiheit. Windenergieanlagen nutzen Energie hauptsächlich durch die Erzeugung von Windkraft. Das Prinzip der Windkrafterzeugung besteht darin, die Rotorblätter von Windkraftanlagen anzutreiben. Die Rotation der Rotorblätter treibt den Rotor des Generators an, wodurch die magnetischen Kraftlinien unterbrochen und Strom erzeugt wird. Es gibt verschiedene Arten von Windkraftanlagen, darunter Horizontal- und Vertikalachsen-Windkraftanlagen, wobei Horizontalachsen am weitesten verbreitet sind. Je nach Anzahl der Rotorblätter unterscheidet man zwischen Zwei- und Dreiblattanlagen sowie weiteren Typen. Dreiblatt-Windkraftanlagen haben sich aufgrund ihrer guten Stabilität und hohen Effizienz zu den gängigsten Produkten auf dem Markt entwickelt.

Die globale Windenergiebranche verzeichnet einen rasanten Entwicklungstrend. Dank kontinuierlicher Innovation und Verbesserung der Windenergietechnologie steigt die Einzelleistung von Windturbinen stetig, die Effizienz verbessert sich kontinuierlich, und die Kosten sinken kontinuierlich. Als wichtige Entwicklungsrichtung der Windenergie hat die Offshore-Windenergie in den letzten Jahren deutliche Fortschritte erzielt. Offshore-Windenergie ist reichlich vorhanden, die Windgeschwindigkeit stabil und die Nutzung von Landressourcen ist flächendeckend, sodass großes Entwicklungspotenzial besteht. Bis 2023 wird die weltweit installierte Offshore-Windenergiekapazität 60 GW erreichen, was 12,31 TP3T der weltweit installierten Windenergiekapazität entspricht. In einigen europäischen Ländern wie Dänemark, Großbritannien und Deutschland hat sich die Offshore-Windenergie zu einer wichtigen Energiequelle entwickelt. Gleichzeitig entwickelt sich die Onshore-Windenergie weiter und findet weltweit breite Anwendung. Nach Angaben des Global Wind Energy Council (GWEC) wird die weltweit neu installierte Windkraftkapazität im Jahr 2023 90 GW betragen und die kumulierte installierte Leistung 488 GW erreichen. China, die USA, Indien und andere Länder gehören mit ihrer installierten Windkraftkapazität zu den weltweit führenden Ländern.

Wasserkraft ist eine relativ ausgereifte erneuerbare Energiequelle mit langer Nutzungsgeschichte. Wasserkraft nutzt hauptsächlich die Energieumwandlung und -nutzung durch Wasserkraft. Das Prinzip der Wasserkrafterzeugung besteht darin, den Wasserspiegel von Gewässern wie Flüssen und Seen zu nutzen, um die potenzielle Energie des Wassers in kinetische Energie umzuwandeln, die Turbine anzutreiben und den Generator zur Stromerzeugung anzutreiben. Je nach Größe und Typ werden Wasserkraftwerke in Großwasserkraftwerke, Mittelwasserkraftwerke und Kleinwasserkraftwerke unterteilt. Großwasserkraftwerke zeichnen sich in der Regel durch eine hohe installierte Leistung und eine stabile Stromerzeugung aus, wodurch ein hoher Strombedarf gedeckt werden kann. Kleinwasserkraftwerke zeichnen sich durch kurze Bauzeiten, geringe Investitionskosten und geringe Umweltbelastung aus. Sie eignen sich für den Bau in abgelegenen Gebieten oder Gebieten mit verstreuten Wasserressourcen, um die Stromversorgung von Anwohnern und Unternehmen zu gewährleisten.

Die Welt ist reich an Wasserkraftressourcen. Laut Statistiken der International Hydropower Association (IHA) beträgt die technisch nutzbare Menge der globalen Wasserkraftressourcen rund 44,8 Billionen Kilowattstunden pro Jahr. Weltweit sind bereits zahlreiche große Wasserkraftwerke in Betrieb, darunter das Drei-Schluchten-Wasserkraftwerk in China, eines der größten Wasserkraftwerke der Welt mit einer installierten Gesamtleistung von 22,5 Millionen Kilowatt und einer jährlichen Stromerzeugung von über 100 Milliarden Kilowattstunden. Es spielt eine wichtige Rolle für Chinas Energieversorgung und wirtschaftliche Entwicklung. Auch Brasilien, die USA, Kanada und andere Länder verfügen über große Wasserkraftressourcen und zahlreiche Wasserkraftwerke. Im Jahr 2023 wird die weltweit installierte Wasserkraftkapazität 1.380 GW erreichen, was 35,11 Billionen Tonnen der weltweit installierten Kapazität erneuerbarer Energien entspricht. Der Ausbau der Wasserkraft steht jedoch auch vor Herausforderungen. Beispielsweise kann der Bau großer Wasserkraftwerke gewisse Auswirkungen auf die ökologische Umwelt haben, einschließlich der Auswirkungen auf Flussökosysteme, Fischwanderungen, Landüberschwemmungen usw., und die Anforderungen des Umweltschutzes und der nachhaltigen Entwicklung müssen während des Entwicklungsprozesses umfassend berücksichtigt werden.

Biomasseenergie bezeichnet Energie, bei der Biomasse (wie Holz, Erntestroh, Forstabfälle, menschliche und tierische Exkremente sowie organische Abfälle aus Stadt und Land) als Rohstoffe verwendet und durch Verbrennung, Vergasung, Verflüssigung usw. in Wärme, Strom oder Biokraftstoffe umgewandelt wird. Zu den wichtigsten Verwendungsmöglichkeiten von Biomasseenergie zählen die Stromerzeugung aus Biomasse, Biomasseheizung und Biomassebrennstoff usw. Bei der Stromerzeugung aus Biomasse handelt es sich um die durch die Verbrennung von Biomassebrennstoff erzeugte Wärmeenergie, die den Generator antreibt, der in einem Wärmekreislauf Strom erzeugt. Biomasseheizung ist die direkte Nutzung der durch die Verbrennung von Biomasse erzeugten Wärme zur Bereitstellung von Heizenergie für Gebäude oder die industrielle Produktion. Zu den Biomassebrennstoffen zählen Biodiesel und Ethanol, die als saubere Energie herkömmliche fossile Brennstoffe ersetzen und im Transportwesen und anderen Bereichen eingesetzt werden.

Biomasseenergie wird weltweit bereits weit verbreitet genutzt, insbesondere in Ländern mit reichen land- und forstwirtschaftlichen Ressourcen. In Schweden beispielsweise hat Biomasse einen hohen Anteil am Energieverbrauch, und ein Großteil des Energiebedarfs wird durch Biomasseheizung und -stromerzeugung gedeckt. In Brasilien wird Ethanol als wichtiger Biomassekraftstoff häufig im Verkehrssektor eingesetzt, was die Abhängigkeit vom Erdöl reduziert. Laut Daten der Internationalen Energieagentur (IEA) wird die weltweite Stromerzeugung aus Biomasse im Jahr 2023 1.400 TWh erreichen und damit 6,81 TWh der weltweiten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien abdecken. Die Entwicklung der Biomasseenergie ist jedoch auch mit einigen Problemen verbunden, wie den hohen Kosten für Gewinnung und Transport der Biomasserohstoffe, der Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung der Effizienz der Biomasseenergieumwandlungstechnologie und der möglichen Umweltverschmutzung durch die Nutzung von Biomasseenergie. Diese Probleme müssen durch technologische Innovationen und politische Unterstützung gelöst werden.

Geothermie ist die im Erdinneren gespeicherte Wärmeenergie. Sie kann in den Bereichen Heizung, Stromerzeugung, Industrieproduktion und anderen Bereichen genutzt werden, indem unterirdisches Warmwasser oder Dampf durch geothermische Bohrungen gefördert wird. Die Nutzung der Geothermie umfasst hauptsächlich die geothermische Stromerzeugung und die direkte Nutzung von Geothermie. Bei der geothermischen Stromerzeugung wird die Wärmeenergie des unterirdischen Warmwassers oder Dampfes genutzt, um Dampfturbinen zur Stromerzeugung anzutreiben und so Geothermie in elektrische Energie umzuwandeln. Bei der direkten Nutzung von Geothermie wird Geothermie direkt zum Heizen, zur Warmwasserversorgung, für Gewächshausbepflanzungen, zum Baden in heißen Quellen und in anderen Bereichen genutzt, was die Vorteile hoher Effizienz, Umweltschutz und Energieeinsparung bietet.

Die Welt ist reich an geothermischen Energieressourcen. Schätzungsweise entspricht die Gesamtmenge der globalen geothermischen Energieressourcen 49,3 Milliarden Tonnen Standardkohle pro Jahr. In einigen Ländern mit reichen geothermischen Ressourcen, wie Island, Neuseeland und den USA, ist die Geothermie bereits weit verbreitet und wird bereits umfassend genutzt. Island zählt zu den Ländern mit der weltweit am weitesten entwickelten Geothermienutzung. Mehr als 801 Milliarden Tonnen (Tonnen) der dortigen Energie stammen aus geothermischer Energie. Durch geothermische Wärme- und Stromerzeugung hat das Land Energieautarkie erreicht und die Treibhausgasemissionen deutlich reduziert. Im Jahr 2023 wird die weltweite geothermische Stromerzeugungskapazität 15 GW erreichen, die installierte Leistung der direkten geothermischen Energieerzeugung 85 GW. Die Entwicklung der Geothermie ist jedoch auch mit Herausforderungen verbunden, wie den hohen Kosten für die Exploration und Erschließung geothermischer Ressourcen, dem hohen technischen Aufwand und den möglichen Auswirkungen der geothermischen Erschließung auf Grundwasserressourcen und die geologische Umwelt. Es ist notwendig, die technische Forschung und Entwicklung sowie die Umweltschutzmaßnahmen während des Entwicklungsprozesses zu verstärken.

Meeresenergie bezeichnet die Nutzung der im Meer enthaltenen Energie, wie Gezeitenenergie, Wellenenergie, Temperaturunterschiedsenergie, Salzgehaltsunterschiedsenergie und Meeresströmungsenergie, um diese in elektrische Energie oder andere Energieformen umzuwandeln. Meeresenergie zeichnet sich durch eine geringe Energiedichte, weite Verbreitung und hohe Erneuerbarkeit aus, ist jedoch schwer zu erschließen und zu nutzen. Gezeitenenergie nutzt die kinetische oder potenzielle Energie, die durch Änderungen des Gezeitenwasserspiegels entsteht, um Turbinen anzutreiben, die sich drehen und Strom erzeugen. Wellenenergie nutzt das Auf und Ab der Meereswellen, um Wellenenergie durch Wellenenergieumwandlungsgeräte in elektrische Energie umzuwandeln. Temperaturunterschiedsenergie nutzt den Temperaturunterschied zwischen Oberflächen- und Tiefseewasser, um Generatoren anzutreiben und durch thermische Zyklen Strom zu erzeugen. Salzgehaltsunterschiedsenergie nutzt den Salzgehaltsunterschied zwischen Meer- und Süßwasser, um durch chemische Prozesse Strom zu erzeugen. Meeresströmungsenergie nutzt Meeresströmungen, um Turbinen anzutreiben und Strom zu erzeugen.

Die Entwicklung und Nutzung der Meeresenergie befindet sich derzeit noch in der Entwicklungsphase. Obwohl in einigen Ländern und Regionen bereits entsprechende Forschungs- und Pilotprojekte durchgeführt wurden, ist eine großflächige kommerzielle Nutzung noch nicht erreicht. So wurden beispielsweise in Großbritannien bereits Gezeitenkraftwerke wie das Severn Estuary Tidal Power Station gebaut und die Nutzung von Gezeitenenergie praxisnah erprobt. In Norwegen wurden Forschungen und Experimente zur Wellenenergieerzeugung durchgeführt und bereits einige technische Ergebnisse erzielt. Die Entwicklung der Meeresenergie ist jedoch mit zahlreichen technischen Schwierigkeiten verbunden, wie beispielsweise einem niedrigen Wirkungsgrad, mangelnder Zuverlässigkeit der Anlagen sowie hohen Bau- und Wartungskosten. Um die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Entwicklung und Nutzung der Meeresenergie zu verbessern, müssen technologische Forschung, Entwicklung und Innovation weiter intensiviert werden.

Obwohl verschiedene Arten erneuerbarer Energiesysteme weltweit bemerkenswerte Entwicklungserfolge erzielt haben, stehen sie im Entwicklungsprozess noch vor zahlreichen Herausforderungen. Zunächst einmal sind die Probleme der Intermittenz und Volatilität erneuerbarer Energien besonders ausgeprägt. Die Stromerzeugung durch Photovoltaik ist von den Lichtverhältnissen abhängig. Sie kann nur bei Tageslicht Strom erzeugen, und die Stromerzeugung schwankt mit der Lichtintensität und Wetteränderungen. Die Stromerzeugung durch Windkraft hängt von Windgeschwindigkeit und Windrichtung ab. Eine instabile Windgeschwindigkeit führt zu starken Leistungsschwankungen der Windturbinen. Diese Intermittenz und Volatilität stellen enorme Herausforderungen für den stabilen Betrieb des Stromsystems dar, die durch Energiespeichertechnologie, den Aufbau intelligenter Stromnetze und die Ergänzung mehrerer Energiequellen gelöst werden müssen.

Zweitens sind die Kosten für die Entwicklung und Nutzung erneuerbarer Energien noch immer relativ hoch. Obwohl die Kosten für erneuerbare Energien wie Solar- und Windenergie mit dem technologischen Fortschritt allmählich sinken, sind sie im Vergleich zu herkömmlichen fossilen Energieträgern noch immer nicht wettbewerbsfähig genug. Beispielsweise sind die anfänglichen Investitionskosten für die Stromerzeugung durch Photovoltaik relativ hoch, einschließlich der Anschaffungs- und Installationskosten für Photovoltaikmodule, Wechselrichter, Halterungen und andere Geräte sowie der anschließenden Wartungskosten. Auch die Kosten für Herstellung, Installation sowie Betrieb und Wartung der Windenergie sind vergleichsweise hoch. Darüber hinaus ist die Entwicklung erneuerbarer Energien mit Einschränkungen bei Land- und Wasserressourcen und anderen Aspekten konfrontiert, was die Entwicklungskosten weiter in die Höhe treibt.

Darüber hinaus müssen technologische Innovationen und die Ausbildung von Fachkräften im Bereich erneuerbare Energien gestärkt werden. Obwohl im Bereich der erneuerbaren Energien bereits zahlreiche technologische Erfolge erzielt wurden, sind viele wichtige technische Bereiche noch nicht vollständig erforscht, beispielsweise hocheffiziente Solarzellentechnologie, großkapazitätsfähige Energiespeichertechnologie und Smart-Grid-Technologie. Gleichzeitig steigt mit der rasanten Entwicklung der Branche der erneuerbaren Energien auch der Bedarf an Fach- und Fachkräften. Das derzeitige Ausbildungssystem für die entsprechenden Fachkräfte ist jedoch unzureichend, und der Fachkräftemangel hemmt die Entwicklung der Branche der erneuerbaren Energien.

Darüber hinaus müssen die politische Unterstützung und der Marktmechanismus für erneuerbare Energien weiter verbessert werden. Obwohl Regierungen eine Reihe von Maßnahmen zur Förderung erneuerbarer Energien eingeführt haben, wie beispielsweise Subventionspolitiken und netzgekoppelte Strompreispolitiken, bestehen bei der Umsetzung weiterhin Probleme, wie z. B. unzureichende Verwendung von Fördermitteln, mangelnde Stabilität und Nachhaltigkeit der Maßnahmen usw. Darüber hinaus ist der Wettbewerbsmechanismus auf dem Markt für erneuerbare Energien unzureichend, und es gibt Probleme wie hohe Marktzugangsbarrieren und eine unzureichende Marktaufsicht, die die gesunde Entwicklung der Branche beeinträchtigen.

2.3 Die Übereinstimmung zwischen PLC und erneuerbaren Energiesystemen

PLC ist in vielen wichtigen Aspekten mit erneuerbaren Energiesystemen kompatibel und kann die Steuerungsanforderungen von erneuerbaren Energiesystemen effektiv erfüllen und spielt eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Systemstabilität und -effizienz.

Um die Steuerungsanforderungen zu erfüllen, benötigen erneuerbare Energiesysteme aufgrund der Eigenschaften der Energiequellen eine präzise und flexible Steuerung. Am Beispiel von Photovoltaikanlagen ändern sich Umweltfaktoren wie Sonnenintensität und Temperatur ständig. Daher muss das System den Betriebszustand der Photovoltaikmodule in Echtzeit anpassen, um eine maximale Leistung zu erzielen. Dank ihrer leistungsstarken Logik- und Datenverarbeitungsfunktionen kann die SPS verschiedene Sensoren wie Lichtsensoren und Temperatursensoren verbinden, um Umweltdaten in Echtzeit zu erfassen und diese basierend auf voreingestellten komplexen Algorithmen, wie dem MPPT-Algorithmus (Maximum Power Point Tracking), präzise zu berechnen. Sie berechnet die optimale Betriebsspannung und den optimalen Betriebsstrom der Photovoltaikmodule und passt die Parameter des Wechselrichters und anderer Geräte so an, dass die Photovoltaikmodule stets nahe dem maximalen Leistungspunkt arbeiten, was die Stromerzeugungseffizienz deutlich verbessert. Laut einschlägiger Forschung kann die Stromerzeugungseffizienz von SPS-gesteuerten Photovoltaikanlagen im Vergleich zu herkömmlichen Steuerungsmethoden um 101 bis 201 TP3T gesteigert werden.

Bei Windkraftanlagen ist die Instabilität von Windgeschwindigkeit und -richtung ein entscheidender Faktor für die Effizienz der Stromerzeugung und die Anlagensicherheit. Nachdem die SPS mit den Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensoren verbunden wurde, kann sie Änderungen der Windverhältnisse in Echtzeit überwachen. Bei zu hoher oder zu niedriger Windgeschwindigkeit kann die SPS den Anstellwinkel der Windturbine schnell anpassen, den Winkel zwischen den Rotorblättern und der Windrichtung verändern und so die Kraft auf die Rotorblätter so regulieren, dass die Anlage stabil im sicheren Windgeschwindigkeitsbereich läuft. Bei Windrichtungswechseln steuert die SPS das Windnachführungssystem, um die Ausrichtung der Windturbine so anzupassen, dass sie stets in Windrichtung ausgerichtet ist und so maximale Energiegewinnung erzielt. Diese präzise Steuerung kann die Effizienz der Windenergienutzung effektiv steigern, das Risiko von Anlagenschäden durch ungleichmäßige Krafteinwirkung reduzieren und die Lebensdauer der Anlage verlängern.

Auch bei Wasserkraftanlagen haben Schwankungen von Wasserstand und Durchfluss einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz der Stromerzeugung und die Betriebsstabilität der Anlagen. Die SPS ist mit Wasserstands- und Durchflusssensoren verbunden, um die Wasserstands- und Durchflussdaten von Stauseen oder Flüssen in Echtzeit zu überwachen. Basierend auf diesen Daten steuert die SPS präzise die Toröffnung und die Turbinendrehzahl. Bei hohem Wasserstand und starkem Durchfluss wird die Toröffnung entsprechend vergrößert und die Turbinendrehzahl erhöht, um die Wasserenergie optimal zu nutzen. Bei niedrigem Wasserstand und geringem Durchfluss wird die Toröffnung entsprechend reduziert und die Turbinendrehzahl angepasst, um den sicheren Betrieb der Anlage und einen effizienten und stabilen Betrieb der Wasserkraftanlage zu gewährleisten.

Für eine verbesserte Systemstabilität spielen die hohe Zuverlässigkeit und die Fehlerdiagnosefunktion der SPS eine Schlüsselrolle. Systeme für erneuerbare Energien werden üblicherweise in relativ rauen Umgebungen installiert, beispielsweise Windparks in abgelegenen Bergregionen und Solarkraftwerke in Wüstengebieten. Die Anlagen sind dabei vielen Herausforderungen wie hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und starken elektromagnetischen Störungen ausgesetzt. Die SPS nutzt eine Reihe fortschrittlicher Hard- und Software-Entstörungsmaßnahmen, wie z. B. fotoelektrische Isolierung, Filterschaltungen und Abschirmtechnologie in der Hardware, einen Scan-Betriebsmodus, Fehlererkennungs- und Selbstdiagnoseprogramme in der Software usw., um auch in rauen Umgebungen einen stabilen Langzeitbetrieb zu gewährleisten und die Kontinuität der Energieerzeugung zu gewährleisten. Bei einem Systemausfall erkennt das Selbstdiagnoseprogramm der SPS die Fehlerstelle schnell und sendet die Fehlerinformationen rechtzeitig über das Kommunikationsnetzwerk an das Betriebs- und Wartungspersonal. Gleichzeitig werden entsprechende Schutzmaßnahmen wie Abschaltung und Alarm ergriffen, um eine Ausweitung der Fehler zu verhindern und die Systemsicherheit zu gewährleisten. So konnte beispielsweise in einem großen Windpark nach der Einführung des SPS-Steuerungssystems die Geräteausfallrate im Vergleich zum herkömmlichen Steuerungssystem um 30% bis 40% gesenkt werden, was die Betriebsstabilität und Zuverlässigkeit des Kraftwerks erheblich verbesserte.

Die flexible Programmierung und die intelligenten Steuerungsmöglichkeiten der SPS bieten erhebliche Vorteile für die Systemeffizienz. Durch effiziente Steuerungsprogramme ermöglicht die SPS die Zusammenarbeit verschiedener Geräte im erneuerbaren Energiesystem und optimiert die Energieerzeugung und -übertragung. In einem komplementären Solar- und Windenergiesystem verteilt die SPS die Anteile der Solar- und Windstromerzeugung sinnvoll anhand von Echtzeitdaten zu Lichtintensität und Windgeschwindigkeit. Bei ausreichendem Licht und geringer Windgeschwindigkeit erhält die Solarstromerzeugung Vorrang. Bei unzureichendem Licht und hoher Windgeschwindigkeit erhöht sich der Anteil der Windstromerzeugung, wodurch die komplementären Vorteile der beiden Energiequellen genutzt und die Gesamteffizienz der Stromerzeugung verbessert werden. Gleichzeitig kann die SPS die Energiespeicherung und -verteilung intelligent steuern, den Lade- und Entladevorgang der Batterie basierend auf Strombedarf und Energieerzeugung sinnvoll steuern, überschüssige elektrische Energie speichern und bei unzureichender Energieversorgung freigeben, um die Stabilität der Energieversorgung zu gewährleisten und die Energieeffizienz weiter zu verbessern.

Darüber hinaus verfügt die SPS über gute Kommunikationsfähigkeiten und lässt sich problemlos mit anderen Geräten und Systemen kommunizieren und integrieren. In erneuerbaren Energiesystemen können SPS Daten mit Hostcomputern, Überwachungssystemen, Smart Grids usw. austauschen, um Fernüberwachung, Datenanalyse, Energieplanung und andere Funktionen zu ermöglichen. Durch Fernüberwachung können Betriebs- und Wartungspersonal den Betriebszustand des Systems in Echtzeit erfassen, Probleme rechtzeitig erkennen und beheben sowie die Betriebs- und Wartungseffizienz verbessern. Durch Datenanalyse kann die Betriebsleistung des Systems bewertet und optimiert werden, um dessen Stabilität und Effizienz weiter zu verbessern. Durch die Integration in Smart Grids können erneuerbare Energiesysteme besser in das Stromnetz integriert werden, eine sinnvolle Energieverteilung und -nutzung erreichen und den Grundstein für den Aufbau eines intelligenten Energiesystems legen.

3. Anwendung von PLC in Solarstromerzeugungssystemen

3.1 Maximum Power Point Tracking (MPPT)-Steuerung

In Solarstromerzeugungssystemen ist die Steuerung des Maximum Power Point Tracking (MPPT) eine Schlüsseltechnologie zur Verbesserung der Stromerzeugungseffizienz, und PLC spielt mit seinen leistungsstarken Steuerungs- und Rechenfunktionen eine wichtige Rolle bei der Realisierung der MPPT-Steuerung.

3.1.1 MPPT-Regelalgorithmus

Derzeit umfassen gängige MPPT-Steuerungsalgorithmen hauptsächlich Störungsbeobachtungsmethoden, Leitfähigkeitsinkrementmethoden und Fuzzy-Logik-Steuerungsmethoden usw. Jeder Algorithmus verfügt über seine eigenen einzigartigen Prinzipien und Eigenschaften.

Die Störungsbeobachtung ist ein häufig verwendeter MPPT-Algorithmus mit einem relativ einfachen Prinzip. Das Grundprinzip besteht darin, die Betriebsspannung oder den Betriebsstrom der Photovoltaikanlage regelmäßig leicht zu stören und anschließend die Änderungen der Ausgangsleistung zu beobachten. Steigt die Leistung, wird die Störung in die gleiche Richtung fortgesetzt; sinkt sie, wird die Richtung der Störung geändert. Am Beispiel einer Spannungsstörung: Angenommen, die aktuelle Betriebsspannung der Photovoltaikanlage beträgt V_k. Dann wird eine kleine Spannungsstörung ΔV angewendet, um die neue Betriebsspannung V_{k + 1}=V_k+ΔV zu erhalten. Anschließend werden die Ausgangsleistungen P_k und P_{k + 1} der Photovoltaikanlage vor und nach der Störung verglichen. Ist P_{k + 1}>P_k, beträgt die nächste Störung weiterhin ΔV; ist P_{k + 1}

Die Leitwertinkrementmethode basiert auf der Kennlinie von Photovoltaikzellen und nutzt das Ableitungsverhältnis von Leistung zu Spannung, um den maximalen Leistungspunkt zu erreichen. In der Ausgangskennlinie von Photovoltaikzellen ist die Ableitung erster Ordnung von Leistung zu Spannung am maximalen Leistungspunkt Null, d. h. \frac{dP}{dV}=0. Nach dem Ohmschen Gesetz P = VI lässt sich ableiten, dass \frac{dP}{dV}=I + V\frac{dI}{dV}. Am maximalen Leistungspunkt ist I + V\frac{dI}{dV}=0, d. h. \frac{dI}{dV}=-\frac{I}{V}. Die Leitwertinkrementmethode erfasst die Spannung V und den Strom I der Photovoltaikanlage in Echtzeit, berechnet das aktuelle Leitwertinkrement \frac{dI}{dV} und vergleicht es anschließend mit -\frac{I}{V}. Wenn \frac{dI}{dV}>-\frac{I}{V}, bedeutet dies, dass der aktuelle Betriebspunkt links vom Punkt maximaler Leistung liegt und die Betriebsspannung erhöht werden muss; wenn \frac{dI}{dV}<-\frac{I}{V}, bedeutet dies, dass der aktuelle Betriebspunkt rechts vom Punkt maximaler Leistung liegt und die Betriebsspannung reduziert werden muss; wenn \frac{dI}{dV}=-\frac{I}{V}, wird davon ausgegangen, dass die Photovoltaikanlage bereits am Punkt maximaler Leistung arbeitet. Verglichen mit der Störungsbeobachtungsmethode hat die Leitfähigkeitsinkrementmethode eine höhere Nachführgenauigkeit und eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit. Sie kann Änderungen der Lichtintensität und Temperatur schneller nachverfolgen und Leistungsverluste reduzieren. Dieser Algorithmus erfordert jedoch komplexere mathematische Operationen und stellt hohe Anforderungen an die Rechenleistung der Hardware. In der Praxis kann die Nachführgenauigkeit durch Faktoren wie Sensormessfehler abnehmen.

Die Fuzzy-Logik-Regelung ist ein intelligenter Regelungsalgorithmus, der auf der Theorie der Fuzzy-Mathematik basiert. Er ahmt die menschliche Denkweise nach, wandelt die genaue Eingangsgröße in eine Fuzzy-Größe um und trifft anschließend Schlussfolgerungen und Entscheidungen gemäß vorab festgelegten Fuzzy-Regeln. Schließlich wird die Fuzzy-Ausgabe in eine genaue Ausgabe umgewandelt, um die Systemsteuerung zu erreichen. Bei der MPPT-Regelung verwendet die Fuzzy-Logik-Regelungsmethode üblicherweise die Spannungsänderung ΔV und die Leistungsänderung ΔP der Photovoltaikanlage als Eingangsgrößen und die Spannungsanpassung ΔV_{adj} als Ausgangsgröße. Zunächst werden die Eingangs- und Ausgangsgrößen fuzzyfiziert und in verschiedene Fuzzy-Teilmengen unterteilt, z. B. negativ groß, negativ mittel, negativ klein, null, positiv klein, positiv mittel, positiv groß usw., und die Mitgliedschaftsfunktion jeder Fuzzy-Teilmenge wird bestimmt. Anschließend werden Fuzzy-Regeln basierend auf Expertenerfahrungen oder experimentellen Daten formuliert. Wenn beispielsweise \Delta V positiv und klein und \Delta P positiv und klein ist, dann ist \Delta V_{adj} null; wenn \Delta V positiv und klein und \Delta P negativ und klein ist, dann ist \Delta V_{adj} negativ und klein usw. Schließlich wird durch Fuzzy-Logik und Defuzzifizierung die genaue Spannungsanpassung \Delta V_{adj} ermittelt, um die Betriebsspannung der Photovoltaikanlage anzupassen. Die Vorteile der Fuzzy-Logik-Regelung liegen darin, dass sie keine aufwändigen mathematischen Systemmodelle erfordert, sich an komplexe und sich verändernde Umgebungen anpassen kann, sehr robust und anpassungsfähig ist und auch bei drastischen Änderungen von Lichtintensität und Temperatur eine gute Nachführleistung aufrechterhält. Die Formulierung der Fuzzy-Regeln dieses Algorithmus erfordert jedoch umfangreiche Erfahrung und eine große Menge experimenteller Daten, und die Rationalität der Regeln wirkt sich direkt auf die Regelungswirkung aus. Werden die Regeln nicht sinnvoll formuliert, kann die Regelungsleistung beeinträchtigt werden.

3.1.2 Prinzip der MPPT-Steuerung durch SPS

Bei der MPPT-Steuerung durch eine SPS werden Hard- und Software eng miteinander kombiniert, um ihre Datenverarbeitungs- und logischen Steuerungsfunktionen voll auszuschöpfen. Auf Hardwareebene muss die SPS Verbindungen zu verschiedenen Sensoren und Aktoren herstellen, um genaue Echtzeitdaten zu erhalten und die zugehörigen Geräte präzise zu steuern. Durch Verbindung mit dem Lichtsensor kann die SPS Informationen zur Lichtintensität in Echtzeit erhalten. Die Lichtintensität ist einer der wichtigsten Faktoren für die Ausgangsleistung des Solarmoduls. Bei unterschiedlichen Lichtintensitäten ändert sich auch der optimale Arbeitspunkt des Solarmoduls entsprechend; mit der Temperatur kann die Umgebungstemperatur über die Sensorverbindung in Echtzeit überwacht werden, da die Temperatur ebenfalls einen erheblichen Einfluss auf die Leistung von Solarmodulen hat. Mit steigender Temperatur sinkt die Leerlaufspannung des Solarmoduls und der Kurzschlussstrom steigt leicht an, was sich auf die Ausgangsleistung auswirkt.

Darüber hinaus muss die SPS mit dem Spannungs- und Stromsensor verbunden sein, um die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom des Solarmoduls in Echtzeit zu erfassen. Diese Sensoren übertragen die erfassten Analogsignale an die SPS, die diese über ihr internes Analogeingangsmodul zur weiteren Verarbeitung und Analyse in digitale Signale umwandelt. Die SPS steuert als Aktor hauptsächlich den Betriebszustand des Wechselrichters. Der Wechselrichter ist ein zentrales Bauteil der Solarstromerzeugungsanlage. Seine Funktion besteht darin, den vom Solarmodul abgegebenen Gleichstrom in Wechselstrom für die Verbrauchernutzung oder den Netzanschluss umzuwandeln. Die SPS regelt Betriebsspannung und -strom des Solarmoduls über Schaltfrequenz, Tastverhältnis und weitere Parameter des Wechselrichters und realisiert so die MPPT-Regelung.

Auf Softwareebene schreibt die SPS das entsprechende Programm entsprechend dem ausgewählten MPPT-Steuerungsalgorithmus. Am Beispiel der Störungsbeobachtung liest das SPS-Programm zunächst die vom Sensor erfassten Ausgangsspannung V_k und den Strom I_k des aktuellen Solarmoduls und berechnet die aktuelle Ausgangsleistung P_k = V_kI_k. Anschließend wird die Betriebsspannung gemäß der voreingestellten Störungsschrittweite \Delta V gestört, um eine neue Spannung V_{k + 1}=V_k+\Delta V zu erhalten, und das Solarmodul wird durch Steuerung des Wechselrichters so geregelt, dass es mit der neuen Spannung arbeitet. Lesen Sie erneut die Ausgangsspannung V_{k + 1} und den Strom I_{k + 1} ab und berechnen Sie die neue Ausgangsleistung P_{k + 1}=V_{k + 1}I_{k + 1}. Vergleichen Sie die Größen von P_{k + 1} und P_k. Wenn P_{k + 1}>P_k ist, bedeutet dies, dass die aktuelle Störungsrichtung korrekt ist und die Störung beim nächsten Mal in die gleiche Richtung fortgesetzt wird. Wenn P_{k + 1}

Bei der Leitwertinkrementmethode berechnet das SPS-Programm nach dem Lesen der Spannungs- und Stromdaten die Stromleitwertinkremente \frac{dI}{dV} und -\frac{I}{V} und vergleicht sie. Entsprechend den Vergleichsergebnissen wird die Betriebsspannung des Solarmoduls durch Steuerung des Wechselrichters angepasst, um sie nahe an den Punkt maximaler Leistung zu bringen. Die Softwareimplementierung der Fuzzy-Logik-Steuerungsmethode ist komplizierter. Die SPS muss entsprechend den Schritten Fuzzifizierung, Fuzzy-Begründung und Defuzzifizierung programmiert werden. Zuerst werden die Eingangsspannungsänderung \Delta V und die Leistungsänderung \Delta P fuzzyfiziert und ihre Zugehörigkeit zu jeder Fuzzy-Teilmenge wird entsprechend der voreingestellten Mitgliedschaftsfunktion bestimmt; dann werden die Fuzzy-Regeln zum Begründen verwendet, um das Fuzzy-Ergebnis zu erhalten; schließlich wird das Fuzzy-Ergebnis durch Defuzzifizierung in eine genaue Spannungsanpassung \Delta V_{adj} umgewandelt

3.1.3 Auswirkungen auf die Verbesserung der Effizienz der Solarstromerzeugung

Die per SPS implementierte MPPT-Steuerung spielt eine bedeutende Rolle bei der Verbesserung der Effizienz der Solarstromerzeugung, was sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten widerspiegelt.

Die Verbesserung der Energienutzung ist die direkteste und wichtigste Funktion. Im eigentlichen Solarstromerzeugungsprozess ändern sich Umgebungsfaktoren wie Lichtintensität und Temperatur ständig, wodurch sich der maximale Leistungspunkt des Solarmoduls ständig ändert. Wenn die Solarmodule nicht immer am maximalen Leistungspunkt arbeiten, kann ein großer Teil der Sonnenenergie nicht effektiv in elektrische Energie umgewandelt werden, was zu Energieverschwendung führt. Durch die MPPT-Steuerung kann die SPS den maximalen Leistungspunkt des Solarmoduls in Echtzeit verfolgen und ihren Betriebszustand rechtzeitig an Umgebungsänderungen anpassen, um sicherzustellen, dass das Solarmodul stets mit höchster Effizienz Strom erzeugt. Relevante Forschungs- und Praxisdaten zeigen, dass sich der Wirkungsgrad einer Solarstromerzeugungsanlage mit SPS zur Erzielung einer MPPT-Steuerung im Vergleich zu einem System ohne MPPT-Steuerung um 101 bis 301 TP3T steigern lässt. Beispielsweise lag der durchschnittliche Wirkungsgrad der Solarmodule in einem Solarstromerzeugungsprojekt ohne MPPT-Steuerung bei 151 TP3T. Nach der Einführung der durch PLC implementierten MPPT-Steuerung stieg die Stromerzeugungseffizienz auf 20% und die Energienutzungsrate wurde deutlich verbessert.

Die Senkung der Systemkosten ist ein weiterer wichtiger Vorteil der SPS-Steuerung zur MPPT-Steuerung. Einerseits kann durch die verbesserte Stromerzeugungseffizienz die Anzahl der eingesetzten Solarmodule bei gleichbleibendem Strombedarf reduziert werden. Solarmodule sind der Hauptkostenfaktor von Solarstromerzeugungssystemen, und ihre Reduzierung kann die anfänglichen Investitionskosten des Systems direkt senken. Andererseits ermöglicht eine effiziente Stromerzeugung, dass gleichzeitig mehr Strom erzeugt werden kann. Dies reduziert die Abhängigkeit von anderen Backup-Energiequellen, senkt die Energiebeschaffungskosten und den Kapazitätsbedarf von Energiespeichern und senkt die Gesamtkosten des Systems weiter.

Verbesserte Systemstabilität und -zuverlässigkeit sollten nicht vernachlässigt werden. Da bei herkömmlichen Solarstromerzeugungssystemen der maximale Leistungspunkt nicht in Echtzeit verfolgt werden kann, schwankt die Ausgangsleistung des Solarmoduls bei plötzlichen Änderungen von Umgebungsfaktoren wie Lichtintensität und Temperatur stark. Dies beeinträchtigt nicht nur den normalen Betrieb der Last, sondern kann auch Schäden an anderen Geräten im System verursachen. Die von der SPS implementierte MPPT-Steuerung kann schnell auf Umgebungsänderungen reagieren, den Betriebszustand des Solarmoduls rechtzeitig anpassen, die Ausgangsleistung relativ stabil halten, die Auswirkungen von Leistungsschwankungen auf das System effektiv reduzieren und die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems verbessern. Gleichzeitig überwachen die Fehlerdiagnose- und Schutzfunktionen der SPS den Betriebszustand des Systems in Echtzeit. Bei Auftreten einer Störung können rechtzeitig entsprechende Schutzmaßnahmen wie Abschaltung und Alarm eingeleitet werden, um eine Ausweitung des Fehlers zu verhindern und den sicheren Betrieb des Systems zu gewährleisten.

3.2 Batterie-Energiespeichermanagement

In Solarstromerzeugungssystemen ist das Batteriespeichermanagement ein Schlüsselelement zur Gewährleistung einer stabilen Energieversorgung und zur Verbesserung der Energieeffizienz, und PLC spielt in diesem Prozess eine entscheidende Rolle.

3.2.1 SPS steuert den Lade- und Entladevorgang der Batterie

Die SPS-Steuerung des Ladens und Entladens von Batterien ist ein hochintelligenter und präziser Prozess, der mehrere wichtige Verknüpfungen und technische Punkte umfasst. Während des Ladevorgangs ermittelt die SPS zunächst in Echtzeit die aktuellen Statusinformationen der Batterie über verschiedene angeschlossene Sensoren wie Spannungs-, Strom- und Temperatursensoren, einschließlich Batteriespannung, Stromstärke, Restkapazität (SOC) und Temperaturparameter. Diese Parameter sind entscheidend für die genaue Beurteilung des Batterieladezustands und die Gewährleistung der Sicherheit und Effizienz des Ladevorgangs.

Anhand der erfassten Batteriestatusinformationen steuert die SPS den Betriebszustand des Ladegeräts (z. B. Ladegerät oder Wechselrichter) präzise anhand der voreingestellten Ladestrategie und des Algorithmus. Gängige Ladestrategien sind Konstantstromladen, Konstantspannungsladen und stufenweises Laden. In der Konstantstromladephase steuert die SPS das Ladegerät so, dass die Batterie mit konstantem Strom geladen wird, während die Batteriespannung allmählich ansteigt. Erreicht die Batteriespannung einen bestimmten Wert, beginnt die Konstantspannungsladephase. Die SPS passt das Ladegerät so an, dass die Ladespannung konstant bleibt, während der Ladestrom allmählich abnimmt, bis die Batterie vollständig geladen ist. Die stufenweise Ladestrategie kombiniert die Vorteile von Konstantstrom- und Konstantspannungsladen, unterteilt den Ladevorgang in mehrere Phasen und passt sich flexibel an die verschiedenen Batteriezustände an, um die Ladeeffizienz zu verbessern und die Batterielebensdauer zu verlängern.

Wenn die SPS beispielsweise erkennt, dass die Batteriespannung niedrig ist und nur noch wenig verbleibende Leistung vorhanden ist, steuert sie das Ladegerät so, dass es schnell mit einem hohen konstanten Strom lädt, um die Batterie schnellstmöglich wieder aufzuladen. Nahe der vollen Batteriespannung schaltet die SPS automatisch in den Konstantspannungslademodus, um den Ladestrom zu reduzieren, ein Überladen der Batterie zu vermeiden und Leistung und Lebensdauer der Batterie zu schützen. Gleichzeitig überwacht die SPS während des Ladevorgangs die Batterietemperatur in Echtzeit. Ist die Temperatur zu hoch, ergreift die SPS entsprechende Kühlmaßnahmen, wie z. B. eine Reduzierung des Ladestroms oder eine Unterbrechung des Ladevorgangs, um sicherzustellen, dass die Batterie innerhalb eines sicheren Temperaturbereichs geladen wird.

Während des Entladevorgangs spielt die SPS auch eine wichtige Steuerungsrolle. Sie überwacht die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom der Batterie sowie den Strombedarf der Last in Echtzeit. Basierend auf diesen Informationen steuert die SPS den Wechselrichter und andere Geräte, um den in der Batterie gespeicherten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln und an die Last auszugeben. Um eine sichere Entladung der Batterie zu gewährleisten und ihre Lebensdauer zu verlängern, kontrolliert die SPS streng die Entladetiefe (DOD) der Batterie. Die Entladetiefe bezieht sich auf das Verhältnis der Batterieentladungsmenge zur Nennkapazität der Batterie. Eine zu hohe Entladetiefe beschleunigt die Alterung und Beschädigung der Batterie. Wenn die Batterie bis zu einem bestimmten Grad entladen ist, ergreift die SPS daher je nach voreingestelltem Entladetiefenschwelle entsprechende Maßnahmen, z. B. indem sie den Benutzer zum Laden auffordert, den Stromverbrauch der Last begrenzt oder auf andere Energieversorgungsmethoden umschaltet.

Darüber hinaus passt die SPS die Entladeleistung der Batterie dynamisch an Laständerungen an. Bei hohem Lastbedarf steuert die SPS die Batterie so, dass sie eine höhere Leistung abgibt, um den Bedarf der Last zu decken. Bei geringem Lastbedarf reduziert die SPS die Entladeleistung der Batterie, um eine übermäßige Entladung der Batterie zu vermeiden und die Energieeffizienz zu verbessern. Beispielsweise reduziert die SPS nachts bei geringem Stromverbrauch und geringem Lastbedarf die Entladeleistung der Batterie und speichert den überschüssigen Strom für die spätere Verwendung. Tagsüber, wenn die Solarstromerzeugung unzureichend und der Lastbedarf hoch ist, steuert die SPS die Batterie so, dass die Entladeleistung erhöht wird, um den normalen Betrieb der Last zu gewährleisten.

3.2.2 Auswirkungen auf die Verlängerung der Batterielebensdauer

PLC hat viele positive Auswirkungen auf die Verlängerung der Batterielebensdauer, vor allem durch die Vermeidung von Überladung und Überentladung, die Optimierung von Lade- und Entladestrategien sowie Echtzeitüberwachung und -schutz.

Die Vermeidung von Überladung und Tiefentladung ist einer der Schlüsselfaktoren für eine längere Batterielebensdauer. Die SPS kann dieses Problem durch präzise Steuerung effektiv vermeiden. Sobald während des Ladevorgangs die Batteriespannung den eingestellten Ladespannungswert erreicht, steuert die SPS das Ladegerät umgehend an und stoppt den Ladevorgang, um eine Überladung der Batterie zu verhindern. Überladung führt zu einem Ungleichgewicht der chemischen Reaktionen im Akku, erzeugt übermäßige Hitze, beschleunigt die Alterung und Beschädigung der Akkuplatten und verkürzt die Batterielebensdauer. Wenn während des Entladevorgangs die Batteriespannung auf den eingestellten Mindestentladespannungswert fällt, unterbricht die SPS den Entladestromkreis sofort, um eine Tiefentladung der Batterie zu vermeiden. Tiefentladung führt zur Sulfidierung der Akkuplatten, verringert die Kapazität und Leistung der Batterie und kann in schweren Fällen sogar zur Verschrottung der Batterie führen. Durch die präzise Steuerung der SPS wird sichergestellt, dass die Batterie stets innerhalb eines sicheren Lade- und Entladebereichs arbeitet, wodurch die Batterielebensdauer effektiv verlängert wird.

Die Optimierung der Lade- und Entladestrategie ist ein weiteres wichtiges Mittel zur Verlängerung der Batterielebensdauer. Verschiedene Batterietypen weisen unterschiedliche Eigenschaften und optimale Lade- und Entladebedingungen auf. PLC kann je nach Batterietyp (z. B. Blei-Säure-Batterie, Lithium-Batterie usw.) und Einsatzzweck individuelle Lade- und Entladestrategien entwickeln und implementieren. Bei Blei-Säure-Batterien wird eine stufenweise Ladestrategie angewendet: Zuerst wird mit hohem Strom schnell geladen, dann wird der Strom schrittweise reduziert und schließlich wird die Ladung durch Erhaltungsladung wieder aufgefüllt. Dies verbessert die Ladeeffizienz effektiv, reduziert die Erwärmung der Batterie und verlängert die Batterielebensdauer. Bei Lithium-Batterien setzt PLC aufgrund der hohen Anforderungen an die Genauigkeit von Ladespannung und -strom auf eine präzisere Konstantstrom- und Konstantspannungs-Ladestrategie, um die Spannungs- und Stromänderungen während des Ladevorgangs präzise zu kontrollieren und so die Sicherheit und Leistung der Lithium-Batterien zu gewährleisten. Gleichzeitig passt PLC die Lade- und Entladestrategie dynamisch an Faktoren wie Nutzungshäufigkeit und Umgebungstemperatur an, um Leistung und Lebensdauer der Batterie weiter zu optimieren.

Echtzeitüberwachung und -schutz sind wichtige Funktionen der SPS, um die Batterielebensdauer zu gewährleisten. Durch den Anschluss verschiedener Sensoren kann die SPS Batteriespannung, Stromstärke, Temperatur, verbleibende Leistung und weitere Parameter in Echtzeit überwachen und diese Daten analysieren und verarbeiten. Bei einem abnormalen Batteriezustand, z. B. zu hoher oder zu niedriger Spannung, zu hoher Stromstärke oder zu hoher Temperatur, löst die SPS sofort einen Alarm aus und ergreift entsprechende Schutzmaßnahmen, z. B. durch Stoppen des Lade- und Entladevorgangs oder Starten des Wärmeableiters. Wird beispielsweise eine zu hohe Batterietemperatur erkannt, reduziert die SPS automatisch den Ladestrom oder unterbricht den Ladevorgang und startet den Lüfter, um die Batterie zu kühlen und so Schäden durch hohe Temperaturen zu vermeiden. Darüber hinaus zeichnet die SPS den Lade- und Entladeverlauf der Batterie auf und analysiert diese Daten, um den Zustand und die verbleibende Lebensdauer der Batterie vorherzusagen, eine Grundlage für Wartung und Austausch der Batterie zu schaffen und frühzeitig Maßnahmen zu ergreifen, um zu verhindern, dass Batterieausfälle den Systembetrieb beeinträchtigen.

3.2.3 Optimierung des Energiespeichermanagements

PLC spielt eine wichtige Rolle bei der Optimierung des Energiespeichermanagements, hauptsächlich bei der Koordinierung der Energieverteilung, der Verbesserung der Energieeffizienz und der Realisierung intelligenter Überwachung und Planung.

Zur Koordinierung der Energieverteilung ermöglicht die SPS eine sinnvolle Energieverteilung und -planung basierend auf der Echtzeit-Stromerzeugung der Solaranlage, dem Energiespeicherstatus der Batterie und dem Strombedarf der Verbraucher. Bei ausreichender Sonneneinstrahlung deckt der von den Solarmodulen erzeugte Strom tagsüber nicht nur den Strombedarf der Verbraucher, sondern der überschüssige Strom wird von der SPS gesteuert und in der Batterie gespeichert. Bei unzureichender Solarstromerzeugung oder fehlendem Sonnenlicht in der Nacht steuert die SPS die Entladung der Batterie und stellt so die Versorgung der Verbraucher mit Strom sicher. Gleichzeitig kann die SPS die Energieverteilungsstrategie entsprechend der Strompreispolitik des Stromnetzes und den Stromverbrauchsgewohnheiten der Verbraucher optimieren. Bei niedrigen Strompreisen wird die Batterie zunächst über das Stromnetz geladen; bei hohen Strompreisen wird der in der Batterie gespeicherte Strom zur Versorgung der Verbraucher genutzt, wodurch die Stromkosten der Verbraucher gesenkt werden.

Die Verbesserung der Energieeffizienz ist ein wichtiges Ziel von PLC zur Optimierung des Energiespeichermanagements. Durch die präzise Steuerung des Lade- und Entladevorgangs der Batterie kann PLC den Energieverlust bei Umwandlung und Speicherung reduzieren. Während des Ladevorgangs wird eine effiziente Ladestrategie angewendet, um Ladezeit und Energieverlust zu reduzieren. Während des Entladevorgangs wird die Entladeleistung dynamisch an den Lastbedarf angepasst, um Energieverschwendung zu vermeiden. Darüber hinaus ermöglicht PLC die koordinierte Zusammenarbeit von Solarstromerzeugungssystemen und anderen Energiesystemen (wie Windkraftanlagen, Biomassekraftwerken usw.), nutzt die Vorteile verschiedener Energiesysteme voll aus, ermöglicht eine komplementäre Energienutzung und verbessert die Energieeffizienz weiter.

Intelligente Überwachung und Planung sind Schlüsselfunktionen der SPS zur Optimierung des Energiespeichermanagements. Durch die Verbindung mit dem Host-Computer, dem Überwachungssystem oder der Cloud-Plattform kann die SPS die Echtzeit-Betriebsdaten der Solarstromerzeugungsanlage und des Batteriespeichersystems in die Überwachungszentrale hochladen und so eine Fernüberwachung und -verwaltung ermöglichen. Betriebs- und Wartungspersonal kann über die Überwachungsschnittstelle die Stromerzeugung, den Batteriestatus, den Stromverbrauch der Verbraucher und weitere Informationen in Echtzeit einsehen und die Fernsteuerung und -planung situationsgerecht durchführen. Gleichzeitig kann die SPS intelligente Planungsfunktionen nach voreingestellten Regeln und Algorithmen realisieren. Bei zu geringer Batterieleistung und unzureichender Solarstromerzeugung startet die SPS automatisch die Notstromversorgung (z. B. einen Dieselgenerator), um die normale Stromversorgung der Verbraucher sicherzustellen. Bei einem Systemausfall kann die SPS rechtzeitig Alarm auslösen, entsprechende Schutzmaßnahmen ergreifen und die Fehlerinformationen in die Überwachungszentrale hochladen. Dies erleichtert dem Betriebs- und Wartungspersonal die schnelle Fehlersuche und -behebung.

3.3 Datenerfassung und Fernüberwachung

In Solarstromerzeugungssystemen spielt die SPS eine Schlüsselrolle bei der Datenerfassung und Fernüberwachung und leistet einen starken Beitrag zum effizienten und stabilen Betrieb des Systems.

3.3.1 Datenerhebung

Durch die enge Verbindung mit verschiedenen Sensoren kann die SPS mehrdimensionale Daten der Solarstromerzeugungsanlage in Echtzeit erfassen. Diese Sensoren fungieren als Sinnesorgane des Systems und liefern der SPS umfassende und präzise Informationen, sodass diese den Betriebszustand des Systems vollständig erfassen kann.

Lichtintensitätssensoren sind ein wichtiger Bestandteil der Datenerfassung. Sie messen die Intensität des Sonnenlichts präzise, die einen entscheidenden Einfluss auf die Stromerzeugungseffizienz von Solarmodulen hat. Bei unterschiedlichen Lichtintensitäten variiert die Ausgangsleistung von Solarmodulen erheblich. Durch die Erfassung von Lichtintensitätsdaten kann die SPS den optimalen Betriebszustand der Solarmodule anhand voreingestellter Algorithmen und anderer Parameter wie Temperatur, Spannung und Stromstärke präzise bestimmen und so eine MPPT-Steuerung (Maximum Power Point Tracking) erreichen, um sicherzustellen, dass die Solarmodule stets mit höchster Effizienz Strom erzeugen.

Temperatursensoren sind ebenfalls unverzichtbar. Die Temperatur hat einen wichtigen Einfluss auf die Leistung von Solarmodulen. Mit steigender Temperatur sinkt die Leerlaufspannung des Solarmoduls und der Kurzschlussstrom steigt leicht an, wodurch sich die Ausgangsleistung ändert. Die SPS überwacht die Temperatur des Solarmoduls in Echtzeit, indem sie mit dem Temperatursensor verbunden wird. Überschreitet die Temperatur den Normalbereich, kann die SPS entsprechende Maßnahmen ergreifen, z. B. das Einschalten der Wärmeableitung, um den Einfluss der Temperatur auf die Leistung des Moduls zu reduzieren und einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.

Spannungs- und Stromsensor erfassen die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom des Solarmoduls in Echtzeit. Diese Daten sind nicht nur die wichtigsten Parameter zur Berechnung der Ausgangsleistung des Solarmoduls, sondern auch eine wichtige Grundlage für die Beurteilung des normalen Betriebszustands des Solarmoduls. Anhand der erfassten Spannungs- und Stromdaten, kombiniert mit weiteren Sensorinformationen, kann die SPS umgehend erkennen, ob ein Fehler im Solarmodul vorliegt, z. B. eine Unterbrechung oder ein Kurzschluss. Sie kann entsprechende Schutzmaßnahmen ergreifen, z. B. den Stromkreis abschalten oder einen Alarm auslösen, um eine Ausweitung des Fehlers zu verhindern und den sicheren Betrieb des Systems zu gewährleisten.

In einem Solarstromerzeugungssystem mit Batteriespeichersystem verbindet sich die SPS zudem mit dem Batteriestatussensor, um Parameter wie Batteriespannung, Stromstärke, Restkapazität (SOC) und Temperatur in Echtzeit zu erfassen. Diese Parameter sind entscheidend für die präzise Steuerung des Lade- und Entladevorgangs der Batterie. Durch die Echtzeitüberwachung des Batteriestatus kann die SPS die Lade- und Entladestrategie entsprechend der Restkapazität und dem Lastbedarf der Batterie anpassen. Dies gewährleistet einen sicheren Batteriebetrieb, verlängert die Batterielebensdauer und sorgt für eine stabile Energieversorgung des Systems.

3.3.2 Fernüberwachung

Die Kombination aus SPS und Fernüberwachungssystem hat die Verwaltung von Solarstromerzeugungssystemen erheblich vereinfacht und eine Echtzeitsteuerung und Fernsteuerung des Systembetriebsstatus ermöglicht.

Die SPS wird über ein Kommunikationsmodul mit dem Netzwerk verbunden. Dieses unterstützt verschiedene Kommunikationsprotokolle wie Ethernet, RS485 und Modbus und passt sich so an unterschiedliche Netzwerkumgebungen und Geräteverbindungsanforderungen an. Über Ethernet kann die SPS die erfassten Daten schnell und zuverlässig an den Server der Fernüberwachungszentrale übertragen. Die RS485-Kommunikation eignet sich für bestimmte Szenarien mit hohen Anforderungen an Kommunikationsdistanz und -kosten und ermöglicht eine zuverlässige Kommunikation zwischen der SPS und mehreren Remote-Geräten. Das Modbus-Protokoll ist ein weit verbreitetes industrielles Kommunikationsprotokoll und bietet umfassende Kompatibilität und Vielseitigkeit. So kann die SPS Daten mit verschiedenen Geräten austauschen, die das Modbus-Protokoll unterstützen.

Das Fernüberwachungssystem besteht üblicherweise aus einem Host-Computer, einer Überwachungssoftware und einer Cloud-Plattform im Überwachungszentrum. Als Kerngerät des Überwachungssystems ist der Host-Computer für den Empfang und die Verarbeitung der Daten von der SPS sowie für die Darstellung der Daten für das Betriebs- und Wartungspersonal über eine intuitive Benutzeroberfläche verantwortlich. Die Überwachungssoftware bietet vielfältige Funktionen wie Echtzeit-Datenanzeige, Abfrage historischer Daten, Berichterstellung und Alarmmanagement. Über die Benutzeroberfläche der Überwachungssoftware kann das Betriebs- und Wartungspersonal die verschiedenen Betriebsparameter der Solarstromanlage wie Stromerzeugung, Leistung, Spannung und Stromstärke sowie den Betriebszustand der Anlage einsehen, z. B. ob die Solarmodule ordnungsgemäß funktionieren und der Wechselrichter stabil läuft.

Der Einsatz der Cloud-Plattform erweitert den Umfang und die Funktionen der Fernüberwachung. Über die Cloud-Plattform können Betriebs- und Wartungspersonal jederzeit und überall über das Internet auf das Überwachungssystem zugreifen und die Solarstromerzeugungsanlage fernüberwachen und -steuern. Ob im Büro, zu Hause oder unterwegs – solange eine Netzwerkverbindung besteht, kann das Betriebs- und Wartungspersonal über Mobiltelefone, Tablets, Computer und andere Geräte den Betrieb der Anlage in Echtzeit nachvollziehen und Probleme rechtzeitig erkennen und beheben. Gleichzeitig verfügt die Cloud-Plattform über Datenspeicher- und -analysefunktionen, die eine große Menge historischer Daten speichern und analysieren können. Dies unterstützt die Optimierung des Systembetriebs und die Fehlervorhersage.

Tritt im System eine Störung auf, sendet die SPS umgehend Alarminformationen an das Fernüberwachungssystem. Die Überwachungssoftware löst umgehend einen Alarm aus und erinnert das Betriebs- und Wartungspersonal durch Tonsignale, Pop-up-Fenster usw. Gleichzeitig enthalten die Alarminformationen eine detaillierte Beschreibung des Fehlers sowie dessen Zeitpunkt und Ort, sodass das Betriebs- und Wartungspersonal das Problem schnell lokalisieren und beheben kann. Anhand der Alarminformationen kann das Betriebs- und Wartungspersonal das System fernsteuern, z. B. die Parameter des fehlerhaften Geräts detailliert einsehen, den Betriebszustand anpassen, zugehörige Geräte starten oder stoppen usw., um den Normalbetrieb schnellstmöglich wiederherzustellen.

3.3.3 Bedeutung für Systemmanagement und -wartung

Datenerfassungs- und Fernüberwachungsfunktionen sind für die Verwaltung und Wartung von Solarstromerzeugungssystemen von weitreichender Bedeutung und verbessern die Verwaltungseffizienz und den Wartungsgrad des Systems erheblich.

Die Verbesserung der Managementeffizienz ist ein wichtiger Aspekt. Durch Echtzeit-Datenerfassung und Fernüberwachung kann das Betriebs- und Wartungspersonal den Betriebszustand der Solarstromanlage vollständig nachvollziehen, ohne persönlich vor Ort sein zu müssen. So behält das Betriebs- und Wartungspersonal wichtige Informationen wie Stromerzeugung, Gerätezustand und Energieverteilung der Anlage im Blick und kann so effizienter entscheiden und die Energieverteilung optimieren. Beispielsweise kann das Betriebs- und Wartungspersonal bei veränderter Lichtintensität den Betriebszustand der Solarmodule anhand von Echtzeitdaten rechtzeitig anpassen, um eine stets effiziente Stromerzeugung der Anlage sicherzustellen. Ändert sich der Lastbedarf, kann das Betriebs- und Wartungspersonal Energie entsprechend dem Energiespeicherzustand und der Stromerzeugung der Batterie sinnvoll verteilen, um den normalen Betrieb der Last zu gewährleisten. Gleichzeitig erleichtern die vom Fernüberwachungssystem bereitgestellten Funktionen zur Abfrage historischer Daten und zur Berichterstellung dem Betriebs- und Wartungspersonal die Analyse und Zusammenfassung der Betriebsdaten der Anlage und bilden so die Grundlage für die Entwicklung wissenschaftlicher Managementstrategien.

Die Senkung der Wartungskosten ist ein weiterer wichtiger Vorteil der Datenerfassung und Fernüberwachung. Die herkömmliche Wartung von Solarstromerzeugungsanlagen erfordert regelmäßige Inspektions- und Wartungsbesuche des Betriebs- und Wartungspersonals vor Ort. Dies kostet nicht nur viel Personal, Material und Zeit, sondern erschwert auch die Wartung von Stromerzeugungsanlagen in abgelegenen Gebieten. Durch Fernüberwachung kann das Betriebs- und Wartungspersonal den Betriebszustand der Anlage in Echtzeit überwachen und potenzielle Störungen frühzeitig erkennen. Tritt eine Störung auf, kann das Betriebs- und Wartungspersonal anhand der detaillierten Störungsinformationen des Fernüberwachungssystems Wartungswerkzeuge und Ersatzteile vorbereiten und gezielte Reparaturen durchführen. Dies verkürzt die Fehlerbehebungszeit erheblich, reduziert unnötige Vor-Ort-Inspektionen und senkt die Wartungskosten.

Die Verbesserung der Systemzuverlässigkeit und -stabilität ist von zentraler Bedeutung für Datenerfassung und Fernüberwachung. Durch Echtzeit-Datenerfassung und -analyse kann die SPS anormale Zustände im System frühzeitig erkennen und entsprechende Schutzmaßnahmen ergreifen, um das Auftreten und die Ausbreitung von Fehlern zu verhindern. Beispielsweise kann die SPS bei zu hoher Temperatur des Solarmoduls automatisch die Wärmeableitung starten, um eine Beschädigung des Moduls durch Überhitzung zu verhindern. Bei anormaler Ausgangsspannung des Wechselrichters kann die SPS den Stromkreis rechtzeitig unterbrechen, um die Sicherheit des Geräts zu gewährleisten. Gleichzeitig ermöglicht die Alarmfunktion des Fernüberwachungssystems dem Betriebs- und Wartungspersonal, Systemausfälle frühzeitig zu erkennen, rechtzeitig zu beheben, den stabilen Betrieb des Systems sicherzustellen und die Zuverlässigkeit der Energieversorgung zu verbessern.

3.4 Fallstudie: PLC-Anwendung in einem Solarkraftwerk

Um die tatsächlichen Anwendungseffekte und wirtschaftlichen Vorteile von PLC in Solarstromerzeugungssystemen besser und umfassender zu verstehen, wird in diesem Abschnitt ein Solarkraftwerk als Beispiel für eine detaillierte Analyse herangezogen. Das Solarkraftwerk befindet sich in [geografischer Standort], hat eine Fläche von [X] Quadratmetern, eine installierte Leistung von [X] MW und ist eines der wichtigsten lokalen Projekte zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien.

In diesem Solarkraftwerk wird die SPS häufig in vielen Schlüsselverbindungen eingesetzt und spielt eine unverzichtbare Rolle. Bei der Steuerung des maximalen Leistungspunkts (MPPT) wird der auf der SPS basierende MPPT-Steuerungsalgorithmus mit Leitwertinkrement eingesetzt. Durch die enge Verbindung mit Lichtsensoren, Temperatursensoren, Spannungssensoren und Stromsensoren ermittelt die SPS die Betriebsumgebungsparameter und die elektrischen Ausgangsparameter der Solarmodule in Echtzeit. Im tatsächlichen Betriebsvorgang kann die SPS bei Änderungen der Lichtintensität schnell reagieren, die Leitwertinkremente \frac{dI}{dV} und -\frac{I}{V} anhand der erfassten Spannungs- und Stromdaten genau berechnen und vergleichen. Beispielsweise steigt die Lichtintensität in einem bestimmten Moment plötzlich an. Nachdem die SPS die Änderung von Spannung und Stromstärke erkannt hat, berechnet und bestimmt sie, dass der aktuelle Betriebspunkt links vom maximalen Leistungspunkt liegt. Daher passt sie die Steuerungsparameter des Wechselrichters rechtzeitig an, um die Betriebsspannung des Solarmoduls zu erhöhen und es nahe an den maximalen Leistungspunkt zu bringen. Durch diese präzise Steuerungsmethode können die Solarmodule dieses Solarkraftwerks unter unterschiedlichen Licht- und Temperaturbedingungen stets eine hohe Stromerzeugungseffizienz aufrechterhalten.

Im Vergleich zu ähnlichen Solarkraftwerken ohne PLC-MPPT-Steuerung konnte die Stromerzeugungseffizienz dieses Kraftwerks deutlich verbessert werden. Laut Betriebsdatenstatistik stieg die jährliche Stromerzeugung dieses Kraftwerks unter gleichen Licht- und Umweltbedingungen um rund 151 TP3T im Vergleich zu einem Kraftwerk ohne PLC-MPPT-Steuerung. Das bedeutet, dass das Kraftwerk weniger Solarmodule benötigt, um den gleichen Strombedarf zu decken, was die Anfangsinvestition reduziert. Gleichzeitig wird durch die verbesserte Stromerzeugungseffizienz in der gleichen Zeit mehr Strom erzeugt, was die Abhängigkeit von anderen Backup-Energiequellen reduziert und die Energiebeschaffungskosten weiter senkt.

Die SPS spielt auch eine Schlüsselrolle im Batteriespeichermanagement. Das Kraftwerk ist mit einem Batteriespeicher mit großer Kapazität ausgestattet, um überschüssigen Strom zu speichern und so den Strombedarf nachts oder bei unzureichender Beleuchtung zu decken. Die SPS steuert den Lade- und Entladevorgang der Batterie präzise durch Echtzeitüberwachung von Batterieparametern wie Spannung, Stromstärke, Restkapazität (SOC) und Temperatur. Während des Ladevorgangs, wenn die Batteriespannung niedrig und die Restkapazität gering ist, steuert die SPS das Ladegerät so, dass es schnell mit hohem, konstantem Strom lädt. Nahe dem vollen Ladezustand schaltet die SPS automatisch in den Konstantspannungsmodus, um den Ladestrom zu reduzieren und eine Überladung der Batterie zu vermeiden. Während des Entladevorgangs passt die SPS die Entladeleistung der Batterie dynamisch an den Laststrombedarf und die verbleibende Batteriekapazität an, um einen sicheren Entladetiefenbereich zu gewährleisten und die Batterielebensdauer zu verlängern.

Durch die präzise Steuerung der SPS konnte die Batterielebensdauer des Kraftwerks effektiv verlängert werden. Laut Statistik verlängerte sich der Batteriewechselzyklus dieses Kraftwerks im Vergleich zu Kraftwerken ohne SPS-Steuerung um etwa 20%, was die Kosten für den Batteriewechsel deutlich senkte. Gleichzeitig kann die SPS die Energieverteilungsstrategie entsprechend der Strompreispolitik des Stromnetzes und den Stromverbrauchsgewohnheiten des Nutzers optimieren. In Zeiten niedriger Strompreise wird der Netzstrom zum Laden der Batterie bevorzugt genutzt; in Zeiten hoher Strompreise wird der in der Batterie gespeicherte Strom zum Betrieb der Verbraucher genutzt, wodurch die Stromkosten des Nutzers gesenkt werden.

Zur Datenerfassung und Fernüberwachung ist die SPS über ein Kommunikationsmodul mit dem Netzwerk verbunden. Die erfassten Betriebsdaten der Solarstromanlage, wie Lichtintensität, Temperatur, Spannung, Stromstärke, Stromerzeugung usw., werden in Echtzeit an den Server der Fernüberwachungszentrale übertragen. Das Fernüberwachungssystem besteht aus dem Host-Computer, der Überwachungssoftware und der Cloud-Plattform der Zentrale. Das Betriebs- und Wartungspersonal kann den Betriebszustand des Kraftwerks über die Schnittstelle der Überwachungssoftware in Echtzeit einsehen und Probleme frühzeitig erkennen und beheben. Tritt beispielsweise eine Störung im System auf, sendet die SPS rechtzeitig eine Alarminformation an das Fernüberwachungssystem. Die Überwachungssoftware alarmiert daraufhin das Betriebs- und Wartungspersonal. Anhand der Alarminformationen kann das Betriebs- und Wartungspersonal die Anlage fernsteuern, z. B. detaillierte Parameter der defekten Geräte einsehen, deren Betriebszustand anpassen, zugehörige Geräte starten oder stoppen usw., um den Normalbetrieb schnellstmöglich wiederherzustellen.

Durch Datenerfassung und Fernüberwachung konnte die Effizienz des Kraftwerksmanagements deutlich verbessert und die Wartungskosten deutlich gesenkt werden. Betriebs- und Wartungspersonal muss nicht mehr häufig vor Ort Inspektionen durchführen, was den Personal-, Material- und Zeitaufwand reduziert. Gleichzeitig können Kraftwerksmanager durch die Analyse historischer Daten die Betriebsstrategie des Systems optimieren und die Stromerzeugungs- und Energienutzungseffizienz weiter verbessern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Solarkraftwerk durch den Einsatz der PLC-Technologie bemerkenswerte Ergebnisse hinsichtlich der Stromerzeugungseffizienz, der Batterielebensdauer, der Managementeffizienz und des wirtschaftlichen Nutzens erzielt hat. Dies belegt deutlich, dass der Einsatz von PLC in Solarstromerzeugungssystemen einen hohen Wert und große Perspektiven bietet und eine nützliche Referenz für den Bau und Betrieb anderer Solarkraftwerke darstellt.

4. Anwendung von PLC in Windkraftanlagen

4.1 Überwachung und Steuerung von Windgeschwindigkeit und -richtung

Bei Windkraftanlagen sind Windgeschwindigkeit und Windrichtung entscheidende Faktoren für die Effizienz der Stromerzeugung und die Anlagensicherheit. Die SPS verbindet Sensoren, um Windgeschwindigkeit und Windrichtung präzise zu überwachen und passt die Betriebsparameter der Windturbine basierend auf den Überwachungsergebnissen flexibel an, um einen effizienten und stabilen Betrieb der Windturbine zu gewährleisten.

Die Überwachung von Windgeschwindigkeit und Windrichtung bildet die Grundlage des gesamten Steuerungsprozesses. Zur Überwachung der Windgeschwindigkeit werden üblicherweise Windgeschwindigkeitssensoren eingesetzt. Gängige Windgeschwindigkeitssensoren sind Hitzdraht-, Ultraschall- und Rotationssensoren. Hitzdraht-Windgeschwindigkeitssensoren nutzen die Beziehung zwischen der Wärmeableitungsrate des Heizelements und der Windgeschwindigkeit, um die Windgeschwindigkeit zu messen. Ändert sich die Windgeschwindigkeit, ändert sich auch die Wärmeableitungsrate des Heizelements, wodurch sich sein Widerstandswert ändert. Durch Messung der Widerstandsänderung lässt sich die Windgeschwindigkeit berechnen. Der Ultraschall-Windgeschwindigkeitssensor nutzt das Prinzip der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in der Luft, um die Windgeschwindigkeit zu messen. Die Windgeschwindigkeit wird durch Messung der Laufzeitdifferenz von Ultraschallwellen in verschiedene Richtungen berechnet. Der Rotations-Windgeschwindigkeitssensor besteht in der Regel aus einer Windschale und einer rotierenden Welle. Die Windschale rotiert unter der Einwirkung der Windkraft, und ihre Geschwindigkeit ist proportional zur Windgeschwindigkeit. Durch Messung der Geschwindigkeit der Windschale lässt sich nach Umrechnung die Windgeschwindigkeit ermitteln. Diese Windgeschwindigkeitssensoren wandeln das gemessene Windgeschwindigkeitssignal in ein elektrisches Signal um, beispielsweise ein analoges Spannungssignal oder ein Impulssignal, und übertragen es dann an das Eingangsmodul der SPS.

Die Überwachung der Windrichtung erfolgt hauptsächlich über Windrichtungssensoren. Gängige Windrichtungssensoren sind Windfahnen und elektronische Kompasssensoren. Der Windfahnensensor bestimmt die Windrichtung anhand der Richtung der Windfahne im Wind. Die Windfahne ist mit einem Potentiometer oder Encoder verbunden. Ändert sich die Windrichtung, dreht sich die Windfahne und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal aus, das dem Windrichtungswinkel entspricht. Der Windrichtungssensor mit elektronischem Kompass nutzt die Eigenschaften des Erdmagnetfelds zur Messung der Windrichtung. Der eingebaute Magnetsensor erkennt die Richtung des Magnetfelds, ermittelt die Windrichtungsinformationen durch Signalverarbeitung und Algorithmusberechnung, wandelt sie in ein elektrisches Signal um und gibt es an die SPS aus.

Nach dem Empfang des Signals vom Windgeschwindigkeits- und Windrichtungssensor verarbeitet und konvertiert die SPS das Signal zunächst. Analoge Signale, wie beispielsweise analoge Spannungssignale, wandelt die SPS über analoge Eingangsmodule in digitale Größen um, die anschließend berechnet und verarbeitet werden können. Bei Impulssignalen zählt und misst die SPS die Frequenz über Funktionsmodule wie Hochgeschwindigkeitszähler, um relevante Daten zu Windgeschwindigkeit und Windrichtung zu erhalten. Anschließend passt die SPS die Betriebsparameter des Ventilators entsprechend der voreingestellten Steuerungsstrategie und dem Algorithmus an.

Wenn die Windgeschwindigkeit niedriger ist als die Startgeschwindigkeit der Windturbine, befindet sich diese im Standby-Modus. Die SPS steuert den Pitchwinkel der Windturbine, um einen bestimmten Winkel beizubehalten und den Widerstand der Rotorblätter zu reduzieren. Gleichzeitig überwacht sie die Veränderung der Windgeschwindigkeit und wartet, bis die Startgeschwindigkeit erreicht ist. Sobald die Startgeschwindigkeit erreicht ist, steuert die SPS die Windturbine zum Starten und passt den Pitchwinkel schrittweise an, sodass die Rotorblätter Windenergie einfangen und den Generator zur Stromerzeugung antreiben. In Gebieten mit geringer Windgeschwindigkeit nutzt die SPS zur effizienteren Windenergienutzung den MPPT-Algorithmus (Maximum Power Point Tracking), um Pitchwinkel und Drehzahl der Windturbine in Echtzeit an die Veränderung der Windgeschwindigkeit anzupassen. So arbeitet die Windturbine stets nahe dem maximalen Leistungspunkt und kann mehr Windenergie einfangen.

Wenn die Windgeschwindigkeit die Nennwindgeschwindigkeit überschreitet, muss die SPS die Drehzahl der Windkraftanlage begrenzen, um Überlastung und Beschädigung zu vermeiden. Die SPS erhöht den Pitchwinkel, verringert den Winkel zwischen Rotorblättern und Windrichtung und reduziert die von den Rotorblättern aufgenommene Windenergie. Dadurch werden Drehzahl und Leistung der Windkraftanlage im Nennbereich gehalten. Gleichzeitig passt die SPS die Pitchwinkeländerung dynamisch an die Windgeschwindigkeit an, um einen reibungslosen Betrieb der Windkraftanlage zu gewährleisten.

Änderungen der Windrichtung haben ebenfalls erhebliche Auswirkungen auf den Betrieb von Windkraftanlagen. Bei Windrichtungswechsel steuert die SPS das Giersystem der Windkraftanlage, sodass der Rotor stets in Windrichtung ausgerichtet ist und die Windenergienutzung maximiert wird. Das Giersystem besteht üblicherweise aus einem Giermotor, einem Giergetriebe und einem Gierlager. Die SPS steuert die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung sowie die Geschwindigkeit des Giermotors, um das Giergetriebe anzutreiben, den Windrotor um die vertikale Achse zu drehen und die Giereinstellung vorzunehmen. Während des Giervorgangs überwacht die SPS die Änderungen der Windrichtung und des Gierwinkels in Echtzeit. Erreicht der Gierwinkel den eingestellten Wert, wird der Giermotor gestoppt, um sicherzustellen, dass der Windrotor exakt auf die Windrichtung ausgerichtet ist.

For example, in a large wind farm, a PLC control system is used to monitor wind speed and direction and adjust wind turbine operating parameters. In a strong wind, the wind speed suddenly increased and the wind direction changed significantly. The PLC promptly monitored these changes through wind speed and wind direction sensors, and quickly started the speed limit control strategy to increase the pitch angle to keep the speed and output power of the wind turbine within a safe range; at the same time, the yaw system was controlled to move quickly so that the wind rotor was accurately aligned with the new wind direction. Through the precise control of the PLC, the wind turbines of the wind farm can still operate stably under severe weather conditions, ensuring the continuity and stability of power generation.

4.2 Pitch Angle and Yaw Control

In wind power generation systems, pitch angle and yaw control are key links to ensure safe and stable operation of wind turbines and improve power generation efficiency, and PLC plays a core control role in this process.

Pitch angle control refers to adjusting the pitch angle of the wind turbine blades, that is, the angle between the blades and the rotating plane, to adjust the wind energy captured by the blades, thereby achieving control of the wind turbine speed and output power. When the wind speed is low, in order to capture more wind energy and improve power generation efficiency, the PLC controls the pitch angle to decrease, increase the windward area of the blades, capture more wind energy, drive the wind turbine speed to increase, and then increase the output power of the generator. On the contrary, when the wind speed is too high, in order to prevent the wind turbine from overloading and damage, it is necessary to limit the speed and output power of the wind turbine. At this time, the PLC controls the pitch angle to increase, reduce the windward area of the blades, reduce the wind energy captured by the blades, reduce the speed of the wind turbine, and control the output power within a safe range.

Take a certain type of wind turbine as an example. Its rated wind speed is 12m/s. When the wind speed is in the low wind speed range of 3-12m/s, the PLC uses the maximum power point tracking (MPPT) algorithm to control the pitch angle. According to the real-time monitored wind speed and the operating parameters of the wind turbine, the PLC continuously adjusts the pitch angle so that the wind turbine always works near the maximum power point to maximize the capture of wind energy. When the wind speed reaches 12m/s or above, it enters the rated wind speed and high wind speed range, and the PLC switches the control strategy and adopts the constant power control algorithm. At this time, the PLC accurately controls the pitch angle according to the rated power of the wind turbine and the current operating status, so that the output power of the wind turbine remains near the rated value, avoiding wind turbine overload due to excessive wind speed.

Yaw control refers to controlling the yaw system of the wind turbine so that the wind turbine’s rotor can always face the wind direction to maximize the capture of wind energy. The yaw system is mainly composed of a yaw motor, a yaw reducer, a yaw bearing, and a yaw brake. When the wind direction changes, the wind direction sensor transmits the wind direction change signal to the PLC. The PLC controls the yaw motor to start according to the preset control strategy, drives the yaw bearing to rotate through the yaw reducer, and rotates the wind turbine’s rotor around the vertical axis to achieve yaw adjustment. During the yaw process, the PLC monitors the changes in wind direction and the yaw angle in real time. When the yaw angle reaches the set value, the yaw motor is stopped to ensure that the wind rotor is accurately aligned with the wind direction.

For example, in a large wind farm, when the wind direction changes by 15°, the wind direction sensor quickly transmits the signal to the PLC. After analysis and calculation, the PLC controls the yaw motor to rotate at a certain speed and direction. Through the deceleration and torque-increasing effect of the yaw reducer, the yaw bearing is driven to rotate slowly, so that the wind turbine’s rotor gradually turns to the new wind direction. During the yaw process, the PLC continuously monitors the yaw angle. When the yaw angle reaches 15°, the yaw motor is stopped in time to complete the yaw adjustment. Through this precise yaw control, the wind turbines in the wind farm can always accurately track the wind direction, effectively improving the efficiency of wind energy utilization.

Pitch angle and yaw control play an important role in ensuring the safe and stable operation of wind turbines and improving power generation efficiency. In terms of ensuring the safe and stable operation of wind turbines, reasonable pitch angle control can enable the wind turbine to maintain a stable operating state under different wind speed conditions, avoiding faults such as wind turbine overload, stall or shutdown due to excessive or low wind speed. When the wind speed is too high, the speed and output power of the wind turbine can be limited by increasing the pitch angle to prevent the wind turbine from being damaged due to excessive force; when the wind speed is too low, the wind turbine’s ability to capture wind energy can be improved by reducing the pitch angle to ensure the normal operation of the wind turbine. Accurate yaw control can ensure that the wind turbine is always facing the wind direction, avoid uneven force on the wind turbine due to wind direction deviation, reduce wear and fatigue of wind turbine components, and extend the service life of the wind turbine.

In terms of improving power generation efficiency, pitch angle control can enable the wind turbine to work in the best state at different wind speeds and achieve maximum power output. Through the combination of MPPT algorithm and constant power control algorithm, PLC can adjust the pitch angle in real time according to the change of wind speed, so that the wind turbine can capture more wind energy at low wind speed and maintain stable rated power output at high wind speed, thereby improving the power generation efficiency of the entire wind power generation system. Yaw control can ensure that the wind turbine is always aligned with the wind direction, maximize the capture of wind energy, and avoid wind energy loss due to wind direction deviation. Studies have shown that precise yaw control can increase the power generation of wind power generation systems by 5% – 10%.

4.3 Fault diagnosis and protection

In wind power generation systems, fault diagnosis and protection are key links to ensure safe and stable system operation, improve equipment reliability and extend service life. PLC plays an important role in achieving fault diagnosis and protection with its powerful functions.

4.3.1 Fault diagnosis function

The fault diagnosis function of PLC mainly relies on its real-time monitoring and intelligent analysis of the operating data of the wind power generation system. Through close connection with various sensors, PLC can collect many operating parameters of wind turbines in real time, such as wind speed, wind direction, generator speed, power, vibration, temperature, oil pressure, etc. These parameters are like the “health indicators” of the system, providing rich data support for fault diagnosis.

Taking the vibration sensor as an example, it can monitor the vibration of key components such as wind turbine blades, gearboxes, and generators in real time. When a component fails, such as blade cracks, gear wear, bearing damage, etc., its vibration characteristics will change significantly, and parameters such as vibration amplitude and frequency will exceed the normal range. PLC collects data from vibration sensors in real time and uses a preset fault diagnosis algorithm to analyze and process the vibration data. Once an abnormal vibration parameter is detected, the PLC can quickly determine the possible fault type and location, such as judging whether it is a blade fault or a gearbox fault based on the change in vibration frequency, and assessing the severity of the fault based on the magnitude of the vibration amplitude.

Temperature sensors are also an important basis for fault diagnosis. During the operation of wind turbines, each component will generate a certain amount of heat. Under normal circumstances, the temperature of the components will be kept within a reasonable range. When a component fails, such as a short circuit in the generator winding or poor bearing lubrication, it will cause a local temperature rise. PLC monitors the temperature changes of each component in real time by connecting to the temperature sensor. When it is detected that the temperature of a component exceeds the set threshold, the PLC will immediately issue an alarm and determine the cause of the fault based on the trend and amplitude of the temperature rise combined with other sensor data. If the temperature rise is caused by a short circuit in the generator winding, the PLC will further analyze the degree and location of the short circuit to provide accurate information for subsequent maintenance.

In addition, the PLC will also monitor the electrical parameters of the generator in real time, such as voltage, current, power factor, etc. When these parameters fluctuate abnormally, the PLC can determine possible electrical faults, such as grid voltage fluctuations, generator failures, poor line contact, etc. By analyzing the electrical parameters, the PLC can determine the type and scope of the fault and take appropriate protective measures, such as cutting off the circuit, adjusting the excitation current of the generator, etc., to prevent the fault from further expanding.

In addition to fault diagnosis based on sensor data, PLC can also use intelligent diagnostic technologies such as fault tree analysis and neural network algorithms to improve the accuracy and reliability of fault diagnosis. Fault tree analysis is a fault diagnosis method based on logical reasoning. It takes the system failure as the top event and constructs a fault tree model by analyzing the various possible causes of the top event. In the wind power generation system, PLC can perform logical reasoning on the collected operating data based on the fault tree model to quickly locate the cause of the fault. For example, when a wind turbine fails to shut down, PLC can use the fault tree model to investigate from multiple aspects such as power grid failure, control system failure, and wind turbine failure, gradually narrow the scope of the fault, and determine the specific fault point.

The neural network algorithm is an intelligent algorithm that simulates the structure and function of neurons in the human brain. It has the capabilities of self-learning, self-adaptation and pattern recognition. In fault diagnosis, PLC can use the neural network algorithm to learn and train a large amount of historical fault data and normal operation data to establish a fault diagnosis model. When the system is running, the PLC inputs the real-time collected operation data into the neural network model. The model analyzes and processes the data to determine whether there is a fault in the system and the type and severity of the fault. Since the neural network algorithm has strong adaptive capabilities and can adapt to the complex and changeable operating environment of the wind power generation system, it can effectively improve the accuracy and timeliness of fault diagnosis.

4.3.2 Protection function

The protection function of PLC is an important line of defense to ensure the safe operation of wind power generation systems, which mainly includes two aspects: hardware protection and software protection.

In terms of hardware protection, PLCs are usually equipped with a variety of hardware protection circuits, such as overcurrent protection, overvoltage protection, undervoltage protection, short-circuit protection, leakage protection, etc. These hardware protection circuits can monitor the electrical parameters of the wind power generation system in real time. Once an abnormal situation is detected, they can act quickly to cut off the circuit and protect the equipment. Taking overcurrent protection as an example, when the output current of the generator exceeds the rated value, the overcurrent protection circuit will quickly detect the abnormal change of the current, and cut off the circuit through actuators such as relays to prevent the generator from being damaged by overcurrent. Overvoltage protection is when the grid voltage or the generator output voltage exceeds the set upper limit, the overvoltage protection circuit will act to limit the voltage within a safe range to prevent electrical equipment from burning due to overvoltage.

In terms of software protection, PLC can realize all-round protection of wind power generation system by programming corresponding protection programs. When PLC detects that the system has a fault, it will immediately start the protection program and take corresponding protection measures. When the wind speed is detected to be too high and exceeds the safe operating range of the wind turbine, PLC will control the pitch angle to increase rapidly, reduce the wind energy captured by the blades, reduce the speed of the wind turbine, and prevent the wind turbine from being damaged due to overspeed. At the same time, PLC will also control the yaw system to make the wind turbine deviate from the wind direction and reduce the force of the wind on the wind turbine.

When a generator fails, such as a short circuit or grounding of the generator winding, the PLC will immediately cut off the connection between the generator and the grid to prevent the fault from spreading to the grid, and start the backup power supply or take other emergency measures to ensure the safe operation of the system. In addition, the PLC can also implement interlocking protection for the wind power generation system. When a component fails, the PLC will automatically interlock the related components to stop them from working to prevent the fault from spreading to other components. For example, when a gearbox fails, the PLC will interlock and control the wind turbine to stop rotating to prevent further damage to the gearbox.

4.3.3 Role in ensuring safe operation of wind turbines

The fault diagnosis and protection functions of PLC play a vital role in ensuring the safe operation of wind turbines, mainly in preventing faults, reducing fault losses and improving equipment reliability.

Preventing failures is one of the important functions of PLC fault diagnosis and protection. Through real-time monitoring and intelligent analysis, PLC can promptly detect potential faults in the system, such as wear, aging, looseness of components, etc., and issue early warnings to remind operation and maintenance personnel to conduct inspections and maintenance. In this way, appropriate measures can be taken before a failure occurs to avoid the occurrence of failures and ensure the safe operation of the fan. For example, when the PLC detects that the vibration of the fan blades is gradually increasing through the vibration sensor, although it has not yet reached the fault threshold, the PLC can predict that the blades may crack or break based on historical data and analysis models, and notify the operation and maintenance personnel in advance to inspect and repair the blades to prevent failures.

Reducing the loss caused by a fault is the key role of the fault diagnosis and protection function of PLC. When a fault occurs, PLC can quickly detect the fault and take effective protection measures, such as cutting off the circuit and shutting down the machine, to prevent the fault from further expanding and reduce equipment damage and economic losses. At the same time, the fault diagnosis function of PLC can quickly and accurately locate the fault point, provide detailed fault information to maintenance personnel, shorten the fault repair time, and enable the wind turbine to resume normal operation as soon as possible. For example, in a wind farm, the gearbox of a wind turbine failed. The PLC quickly detected the fault signal and immediately took shutdown protection measures to avoid further damage to the gearbox. At the same time, the PLC accurately located the fault point through the fault diagnosis function. The maintenance personnel quickly carried out repairs based on the fault information provided by the PLC. It took only one day to restore the wind turbine to normal operation, greatly reducing the loss of power generation caused by shutdown.

Improving equipment reliability is the long-term benefit of PLC fault diagnosis and protection functions. By discovering and handling faults in a timely manner, as well as real-time monitoring and adjustment of equipment operating status, PLC can ensure that the wind turbine is always in good operating condition, reduce the failure rate and repair times of the equipment, extend the service life of the equipment, and improve the reliability of the equipment. For example, in a large wind farm, after adopting the PLC control system, the average trouble-free operating time of the wind turbine increased from the original 8,000 hours to 12,000 hours. The reliability of the equipment has been significantly improved, the operation and maintenance costs have been reduced, and the operation and maintenance costs have been improved. improve power generation efficiency.

4.4 Case study: PLC control system of a wind farm

In order to explore the actual application effect of PLC in wind power generation system, this section will take a wind farm as an example to analyze the application of its PLC control system in detail. The wind farm is located in [specific geographical location], has [X] wind turbines of different models, with a total installed capacity of [X] MW, and is one of the important local wind power generation projects.

In terms of wind speed and direction monitoring and control, the wind farm uses advanced wind speed and direction sensors, and uses PLC to achieve real-time monitoring and precise control of wind speed and direction. The wind speed sensor uses an ultrasonic wind speed sensor, which has the advantages of high measurement accuracy and fast response speed, and can accurately measure the size and changes of wind speed. The wind direction sensor uses a vane wind direction sensor, which determines the wind direction by the direction of the wind vane in the wind, and converts the wind direction signal into an electrical signal and transmits it to the PLC.

The PLC counts the pulse signals output by the wind speed sensor through a high-speed counter to obtain accurate wind speed data; for the analog signal output by the wind direction sensor, the PLC converts it into a digital signal through an analog input module and performs corresponding processing and analysis. Based on the real-time monitored wind speed and wind direction data, the PLC accurately controls the pitch angle and yaw system of the wind turbine according to the preset control strategy. When the wind speed is lower than the starting wind speed of the wind turbine, the PLC controls the wind turbine to be in standby mode and closely monitors the wind speed changes; when the wind speed reaches the starting wind speed, the PLC controls the wind turbine to start, and according to the change of wind speed, the pitch angle is adjusted in real time through the MPPT algorithm, so that the wind turbine always works near the maximum power point to capture more wind energy.

In an actual operation, the wind speed rose rapidly from 8m/s to 15m/s in a short period of time, exceeding the rated wind speed of the wind turbine. The PLC detected the change in wind speed in time and quickly started the speed limit control strategy. By increasing the pitch angle, reducing the angle between the blades and the wind direction, and reducing the wind energy captured by the blades, the speed and output power of the wind turbine were kept within the rated range. At the same time, when the wind direction changes, the PLC controls the yaw system to act quickly so that the wind turbine’s rotor can always face the wind direction to maximize the capture of wind energy. During the operation of the wind farm, through the precise control of the PLC, the wind turbine can quickly respond to changes in wind speed and direction, maintain a stable operating state, and effectively improve the efficiency of wind energy utilization.

In terms of pitch angle and yaw control, the wind turbines of this wind farm use an electric variable pitch system and an automatic yaw system, and the PLC realizes precise control of the pitch angle and yaw angle. In terms of pitch angle control, the PLC uses advanced control algorithms such as a combination of PID control algorithms and fuzzy control algorithms based on real-time monitoring of wind speed, generator speed, power and other parameters to dynamically adjust the pitch angle. In low wind speed areas, the PLC reduces the pitch angle and increases the windward area of the blades to improve the wind turbine’s ability to capture wind energy; in high wind speed areas, the PLC increases the pitch angle and reduces the windward area of the blades to limit the speed and output power of the wind turbine to ensure safe operation of the wind turbine.

Take a certain wind turbine as an example. When the wind speed is low, the wind speed is 6m/s. The PLC adjusts the pitch angle to 5° through the control algorithm, so that the wind turbine can efficiently capture wind energy. At this time, the output power of the generator reaches the maximum value under this wind speed. When the wind speed rises to 14m/s, it exceeds the rated wind speed. The PLC quickly increases the pitch angle to 30°, reduces the speed and output power of the wind turbine, and keeps it within the rated range. In terms of yaw control, the PLC controls the forward and reverse rotation and speed of the yaw motor according to the wind direction signal transmitted by the wind direction sensor to achieve precise control of the yaw angle of the wind turbine. When the wind direction changes, the PLC can quickly calculate the yaw angle and control the yaw system to accurately align the wind turbine’s rotor with the wind direction. For example, when the wind direction changes by 20°, the PLC controls the yaw motor to rotate at a certain speed, drives the yaw bearing to rotate through the yaw reducer, and gradually turns the wind turbine’s rotor to the new wind direction. During the yaw process, the PLC monitors the yaw angle in real time. When the yaw angle reaches 20°, the yaw motor is stopped in time to complete the yaw adjustment.

Through PLC’s precise control of pitch angle and yaw angle, the wind turbines in this wind farm can maintain stable operation under different wind speed and wind direction conditions, effectively improving power generation efficiency and equipment reliability. According to the operation statistics of the wind farm, after adopting PLC control, the average power generation of the wind turbine increased by 12% compared with before, and the equipment failure rate was reduced by 35%, which fully reflects the advantages of PLC in pitch angle and yaw control. Significant advantages.

In terms of fault diagnosis and protection, the wind farm’s PLC control system has powerful fault diagnosis and protection functions, which provides a strong guarantee for the safe operation of the wind turbine. In terms of fault diagnosis, PLC collects wind turbine operating data in real time by connecting to various sensors, such as wind speed, wind direction, generator speed, power, vibration, temperature, etc., and uses advanced fault diagnosis algorithms to analyze and process these data. . When a parameter abnormality is detected, the PLC can quickly determine the type and location of the possible fault and issue an alarm.

For example, when the vibration sensor detects that the vibration amplitude of the fan blade exceeds the normal range, the PLC analyzes the vibration data and determines that the blade may have cracks or imbalances, and promptly issues an alarm to remind the operation and maintenance personnel to check and repair. At the same time, the PLC also uses intelligent diagnostic technologies such as fault tree analysis and neural network algorithms to conduct in-depth diagnosis and prediction of fan faults. By establishing a fault tree model, the PLC can troubleshoot faults from multiple aspects and quickly locate the cause of the fault; using neural network algorithms to learn and train a large amount of historical fault data and normal operation data, establish a fault diagnosis model, and improve the accuracy and timeliness of fault diagnosis.

In terms of protection functions, the PLC is equipped with a variety of hardware protection circuits and software protection programs. In terms of hardware protection, it is equipped with circuits such as overcurrent protection, overvoltage protection, undervoltage protection, short circuit protection, and leakage protection, which can monitor the electrical parameters of the wind turbine in real time. Once an abnormal situation is detected, the circuit will be quickly cut off to protect the safety of the equipment. In terms of software protection, when the PLC detects a system failure, it will immediately start the protection program and take corresponding protection measures. When the wind speed is detected to be too high and exceeds the safe operating range of the wind turbine, the PLC will quickly control the pitch angle to increase and slow down the wind turbine, and at the same time control the yaw system to make the wind turbine deviate from the wind direction and reduce the force of the wind on the wind turbine; when the generator fails, the PLC will immediately cut off the connection between the generator and the power grid to prevent the fault from expanding to the power grid, and start the backup power supply or take other emergency measures to ensure the safe operation of the system.

During the operation of the wind farm, the fault diagnosis and protection functions of the PLC played an important role. During a strong wind, the wind speed suddenly increased and exceeded the safe operating range of the wind turbine. The PLC quickly detected the abnormal wind speed and immediately started the protection program, increasing the pitch angle to slow down the wind turbine and controlling the yaw system to make the wind turbine deviate from the wind direction. At the same time, because the potential cracks in the wind turbine blades were discovered in advance through the fault diagnosis function, repairs were carried out in time, avoiding serious accidents such as blade breakage in strong winds. Through the fault diagnosis and protection functions of the PLC, the wind turbines of the wind farm can detect and handle faults in time during operation, effectively reducing fault losses and improving the reliability and safety of the equipment.

5. Application of PLC in Hydropower System

5.1 Water level and flow monitoring and control

In hydropower generation systems, accurate monitoring and effective control of water level and flow are crucial to ensuring power generation efficiency, equipment safety, and rational use of water resources. PLC plays a core role in this process with its powerful control and data processing capabilities.

PLC can realize real-time and accurate monitoring of water level and flow rate by closely connecting with various high-precision sensors. Water level monitoring usually adopts pressure water level sensor, ultrasonic water level sensor or float water level sensor. Pressure water level sensor uses the relationship between liquid pressure and depth to calculate the water level by measuring the pressure at the bottom of the water body. It has high measurement accuracy and good stability, and is suitable for various complex water environments; ultrasonic water level sensor uses the time difference between ultrasonic wave propagating in the air and reflecting back to the water surface to measure the water level. It has the advantages of non-contact measurement and fast response speed, and can avoid corrosion and blockage caused by direct contact with water body; float water level sensor drives the transmission mechanism through the rise and fall of water level, and converts the water level change into electrical signal output. It has simple structure and low cost, and is widely used in some small hydropower stations.

Flow monitoring mainly relies on electromagnetic flowmeters, ultrasonic flowmeters and vortex flowmeters. Electromagnetic flowmeters are based on the principle of electromagnetic induction. When a conductive liquid flows in a magnetic field, an induced electromotive force is generated, and its magnitude is proportional to the flow rate. The flow rate can be calculated by measuring the induced electromotive force. This flowmeter has high measurement accuracy and strong adaptability to fluids. It can be used to measure the flow of various conductive liquids. Ultrasonic flowmeters use the principle that when ultrasonic waves propagate in a fluid, its propagation speed is affected by the fluid flow rate. The velocity and flow rate are calculated by measuring the propagation time difference of ultrasonic waves in the downstream and upstream directions. It has the advantages of non-invasive measurement and easy installation, and is suitable for large pipe diameters and occasions where fluids are not easily contacted. Vortex flowmeters use the principle of fluid oscillation. When a fluid flows through a vortex generator, vortices are alternately generated on both sides of its downstream. The frequency of the vortex is proportional to the flow rate. The flow rate can be calculated by measuring the vortex frequency. This flowmeter has high measurement accuracy and a wide range, and can be used to measure the flow of various gases and liquids.

These sensors convert the collected water level and flow signals into standard electrical signals, such as analog voltage signals, current signals or digital signals, and then transmit them to the input module of the PLC. The PLC converts analog signals into digital quantities through the analog input module for subsequent processing and analysis; for digital signals, the PLC can directly read and process them. During the data processing process, the PLC will filter, calibrate and compensate the collected data to improve the accuracy and reliability of the data. For example, in response to possible interference to the sensor, the PLC uses a digital filtering algorithm to remove noise signals and ensure the stability of the measurement data; for sensor measurement errors caused by changes in environmental factors such as temperature and pressure, the PLC uses a pre-established calibration model and compensation algorithm to correct the measurement data and improve the measurement accuracy.

According to the real-time monitored water level and flow data, PLC precisely controls the operation of gates and turbines according to preset control strategies and algorithms to achieve efficient and stable operation of the hydropower system. In terms of water level control, when the water level is lower than the set lower limit, PLC determines that the current water volume is insufficient. In order to ensure the amount of water required for power generation, it will control the opening of the water inlet gate to increase, so that more water flows into the hydropower station; when the water level is higher than the set upper limit, in order to prevent the high water level from posing a safety threat to the dam and equipment, PLC will control the opening of the water inlet gate to decrease and reduce the flow of water. At the same time, PLC will also dynamically adjust the rate of change of the gate opening according to the rate and trend of water level changes to avoid excessive water level fluctuations from having an adverse effect on the power generation system.

In terms of flow control, PLC adjusts the water flow entering the turbine by controlling the guide vane opening and speed of the turbine, thereby achieving control of power generation. When the flow is large, in order to prevent the turbine from overloading, PLC controls the guide vane opening to decrease, reduce the water flow entering the turbine, and appropriately adjust the speed of the turbine to make the turbine operate in the high-efficiency zone; when the flow is small, PLC controls the guide vane opening to increase, increase the water flow entering the turbine, and increase the power generation. In addition, PLC will optimize the flow according to the load demand of the power grid and the operating status of the power generation system to maximize the power generation efficiency. For example, during the peak load period of the power grid, PLC will reasonably adjust the guide vane opening and speed of the turbine according to the real-time flow and water level data, increase the power generation, and meet the power demand of the power grid; during the low load period of the power grid, PLC will appropriately reduce the power generation, reduce the waste of water resources, and ensure the safe and stable operation of the power generation equipment.

Take a large hydropower station as an example. The hydropower station has installed a PLC-based water level and flow monitoring and control system. During a flood, the water level rose rapidly and the flow increased sharply. PLC monitored these changes in time through water level and flow sensors and quickly activated the emergency plan. First, PLC controlled the rapid decrease of the opening of the water inlet gate to reduce the flow of flood water into the hydropower station and avoid equipment damage due to excessive water volume; at the same time, according to the real-time flow and water level data, PLC accurately adjusted the guide vane opening and speed of the turbine, so that the turbine can still operate stably under high flow and high water level conditions, ensuring the continuity of power generation. After the flood, the water level and flow gradually returned to normal. PLC gradually adjusted the operating parameters of the gate and turbine according to the actual situation to restore the power generation system to the optimal operating state. Through the precise control of PLC, the hydropower station successfully coped with the drastic changes in water level and flow during the flood, ensuring the safety of equipment, while maximizing the use of water resources and maximizing the power generation efficiency.

5.2 Data Collection and Remote Monitoring

In the hydropower generation system, PLC realizes comprehensive perception and remote control of the system’s operating status by building a complete data collection and remote monitoring system, providing a strong guarantee for the efficient and stable operation of the system.

In terms of data collection, PLC connects various types of sensors to achieve real-time collection of key parameters such as water level, flow, water pressure, water temperature, unit speed, power, etc. The water level sensor uses a high-precision pressure or ultrasonic sensor, which can accurately measure the water level of the reservoir, river or water diversion channel, and provide accurate data basis for water level control and power generation scheduling; the flow sensor uses an electromagnetic or ultrasonic flow meter, which can monitor the flow of water in real time and help staff understand the utilization of water resources. The water pressure sensor is used to monitor the water pressure at the inlet and outlet of the turbine, which is crucial for evaluating the working status and efficiency of the turbine. By monitoring the change in water pressure, it can be timely discovered whether there is a blockage, leakage or other faults inside the turbine; the water temperature sensor is used to measure the temperature of the water body. The change in water temperature will affect the density and viscosity of water, and then have a certain impact on the operating efficiency of the turbine. By real-time monitoring of water temperature, the operating parameters of the turbine can be adjusted accordingly to ensure its efficient operation.

The unit speed sensor and power sensor are important devices for monitoring the operating status of the hydro-turbine generator set. The unit speed sensor can measure the speed of the hydro-turbine generator in real time. The speed is one of the key indicators reflecting the operating status of the unit. By monitoring the speed, it can be judged whether the unit is operating normally, whether there are abnormal conditions such as overspeed or underspeed; the power sensor is used to measure the output power of the generator. According to the power data, the power generation capacity and load of the unit can be understood, providing an important reference for power generation scheduling and energy distribution.

These sensors transmit the collected analog or digital signals to the PLC, which converts the analog signals into digital quantities through its internal analog input module for subsequent processing and analysis. During the data collection process, the PLC will also filter, calibrate, and compensate the collected data to improve the accuracy and reliability of the data. For example, in response to possible interference to the sensor, the PLC uses a digital filtering algorithm to remove noise signals and ensure the stability of the measurement data; for sensor measurement errors caused by changes in environmental factors such as temperature and pressure, the PLC uses a pre-established calibration model and compensation algorithm to correct the measurement data and improve measurement accuracy.

In terms of remote monitoring, the PLC establishes a connection with the remote monitoring center through the communication module to achieve remote monitoring and management of the hydropower system. The communication module supports a variety of communication protocols, such as Ethernet, RS485, Modbus, etc., to adapt to different network environments and device connection requirements. Through Ethernet communication, the PLC can quickly and stably transmit the collected data to the server of the remote monitoring center to achieve real-time data sharing and remote access; RS485 communication is suitable for some scenarios that require communication distance and cost, and can achieve reliable communication between the PLC and multiple remote devices; Modbus protocol, as a commonly used industrial communication protocol, has wide compatibility and versatility, enabling PLC to interact with various devices that support the Modbus protocol.

The remote monitoring center usually consists of a monitoring computer, monitoring software, and a server. The monitoring software provides a wealth of functions, such as real-time data display, historical data query, report generation, and alarm management. Through the interface of the monitoring software, the staff can view in real time the various operating parameters of the hydropower system, such as water level, flow, water pressure, unit speed, power, etc., as well as the working status of the equipment, such as whether the turbine, generator, gate and other equipment are operating normally. At the same time, the monitoring software can also analyze and compile historical data, generate various reports, and provide decision-making basis for managers.

When an abnormal situation occurs in the system, the PLC will promptly send the alarm information to the remote monitoring center. The alarm information includes detailed information such as fault type, fault location, fault time, etc. The monitoring software will immediately issue an alarm and remind the staff through sound, pop-up windows, etc. According to the alarm information, the staff can remotely operate the system, such as viewing the detailed parameters of the faulty equipment, adjusting the operating status of the equipment, starting or stopping related equipment, etc., to restore the normal operation of the system as soon as possible.

Data collection and remote monitoring are of great significance to the management and maintenance of hydropower systems. In terms of improving management efficiency, through real-time data collection and remote monitoring, managers can fully understand the operating status of the system without having to visit the site in person, and timely grasp important information such as the system’s power generation, equipment status, and energy distribution, so that they can make decisions and dispatch more efficiently. For example, during peak load periods of the power grid, managers can adjust the operating parameters of the turbine generator set in a timely manner based on real-time data to increase power generation and meet the power demand of the power grid; when equipment fails, managers can quickly understand the fault situation through the remote monitoring system, arrange maintenance personnel to deal with it in a timely manner, and reduce the impact of the fault on power generation.

In terms of reducing maintenance costs, the remote monitoring system can monitor the operating status of the equipment in real time, discover potential faults in a timely manner, take maintenance measures in advance, and avoid equipment failures, thereby reducing equipment maintenance costs and downtime. At the same time, through remote monitoring, the number of on-site inspections is reduced, the consumption of manpower and material resources is reduced, and maintenance costs are further reduced.

In terms of ensuring the safe and stable operation of the system, the data acquisition and remote monitoring system can monitor the system parameters in real time, detect abnormal conditions in time and take corresponding protective measures to avoid the expansion and deterioration of faults and ensure the safe and stable operation of the system. For example, when the water level is too high or too low, the system can automatically issue an alarm and take corresponding control measures, such as adjusting the gate opening, adjusting the operating status of the turbine generator set, etc., to ensure the safety of the system.

5.3 Integration with other energy management systems

In the grand blueprint of building smart microgrids and energy Internet, the integration of PLC and other energy management systems plays a vital role and is a key link in achieving efficient energy management and optimized configuration.

In a smart microgrid, there are usually many types of energy, such as solar energy, wind energy, hydropower, biomass energy, and energy storage systems. With its powerful communication capabilities and flexible control functions, PLC can be seamlessly integrated with various energy management systems. When integrated with the energy management system of the solar power generation system, PLC can obtain real-time data of solar power generation, including power generation, light intensity, temperature, etc., and transmit its own monitoring data and control instructions of the system operation status to the energy management system of the solar power generation system. When the light intensity changes, PLC can work with the energy management system of the solar power generation system according to the overall needs of the integrated system, adjust the working status of the solar panels, achieve maximum power point tracking, and ensure the efficiency of solar power generation.

In terms of integration with the energy management system of the wind power generation system, PLC can be closely connected with wind speed and direction monitoring equipment and the control system of the wind turbine. By sharing wind speed, wind direction data and wind turbine operating parameters in real time, PLC can work with the energy management system of the wind power generation system to optimize the operation strategy of the wind turbine. When the wind speed is too high or too low, the two systems can coordinate and control the pitch angle and yaw angle of the wind turbine to ensure the safe and stable operation of the wind turbine, while improving the utilization efficiency of wind energy.

The integration of PLC is also critical for the energy management system of the energy storage system. PLC can monitor the charging and discharging status, remaining power and other information of the energy storage system in real time, and coordinate with the energy management system of the energy storage system to control the charging and discharging process of the energy storage system according to the overall energy supply and demand of the smart microgrid. When the energy supply is in excess, PLC controls the energy storage system to charge and store excess electricity; when the energy supply is insufficient, PLC controls the energy storage system to discharge and provide power support for the microgrid, thereby achieving smooth regulation and stable supply of energy.

Under the broad framework of the Energy Internet, the integration of PLC and other energy management systems is the core element to achieve energy interconnection and optimal configuration. The Energy Internet covers multiple distributed energy systems, energy storage systems and user terminals, and realizes energy sharing and collaborative management through communication networks and information technology. As an important control unit of the distributed energy system, PLC can exchange data and conduct collaborative control with other energy management systems in the Energy Internet.

When integrated with the energy management system of the distributed energy system, PLC can upload local energy production and consumption data to the management platform of the Energy Internet, and receive energy dispatch instructions issued by the platform. According to the unified dispatch of the platform, PLC can coordinate the operation of the local distributed energy system to achieve optimal allocation and efficient utilization of energy. In the Energy Internet of a certain region, multiple distributed solar power stations and wind farms are integrated with the management platform of the Energy Internet through PLC. When the power demand in the region changes, the Energy Internet management platform will uniformly dispatch solar power stations and wind farms through PLC according to the data uploaded by each distributed energy system, reasonably allocate power generation tasks, and ensure a stable supply of electricity.

In terms of integration with the user-side energy management system, PLC can monitor and control the user’s electricity consumption behavior. By connecting with smart meters, smart home devices, etc., PLC obtains the user’s electricity consumption data in real time, including electricity consumption, electricity consumption time, and the status of electrical equipment. Based on this data, PLC can work with the user-side energy management system to provide users with personalized energy management services. According to the user’s electricity consumption habits and electricity price policies, a reasonable electricity consumption plan is formulated. When the electricity price is low, users are encouraged to use high-power electrical appliances; when the electricity price is high, the electricity consumption time of some equipment is automatically adjusted to reduce the user’s electricity cost. At the same time, PLC can also regulate the energy consumption of the user side according to the overall supply and demand of the energy Internet. When the energy supply is tight, it can appropriately reduce the user’s unnecessary electricity load through cooperation with the user-side energy management system to ensure the stable operation of the energy Internet.

5.4 Case Study: PLC Application in a Hydropower Station

In order to deeply analyze the actual application results of PLC in hydropower generation system, this section takes a hydropower station as a typical case for detailed analysis. The hydropower station is located in [specific geographical location], has [X] turbine generator sets, with a total installed capacity of [X] MW, and occupies an important position in the local power supply system.

In terms of water level and flow monitoring and control, the hydropower station uses advanced sensors and a PLC-based control system. Water level monitoring uses a high-precision pressure water level sensor with a measurement accuracy of ±0.01m, which can accurately measure the water level of the reservoir. Flow monitoring uses an electromagnetic flowmeter with high measurement accuracy and a wide range, which can monitor the flow of water in real time. These sensors transmit the collected water level and flow signals to the PLC, which converts the analog signals into digital quantities through the analog input module and performs corresponding processing and analysis.

According to the real-time monitored water level and flow data, PLC precisely controls the operation of the gate and turbine according to the preset control strategy. When the water level is lower than the set lower limit, PLC controls the opening of the water inlet gate to increase, so that more water flows into the hydropower station to ensure the amount of water required for power generation; when the water level is higher than the set upper limit, PLC controls the opening of the water inlet gate to decrease, reduce the flow of water, and prevent the high water level from posing a safety threat to the dam and equipment. In terms of flow control, PLC adjusts the water flow entering the turbine by controlling the guide vane opening and speed of the turbine, thereby achieving control of power generation. When the flow is large, PLC controls the guide vane opening to decrease, reduce the water flow entering the turbine, and appropriately adjust the speed of the turbine to make the turbine operate in the high efficiency zone; when the flow is small, PLC controls the guide vane opening to increase, increase the water flow entering the turbine, and increase the power generation.

In an actual operation, due to continuous rainfall, the water level of the reservoir rose rapidly and the flow rate increased sharply. PLC monitored these changes in time through water level and flow sensors and quickly launched the emergency plan. First, PLC controlled the rapid decrease of the opening of the water inlet gate to reduce the flow of flood water into the hydropower station and avoid equipment damage due to excessive water volume; at the same time, according to the real-time flow and water level data, PLC accurately adjusted the guide vane opening and speed of the turbine, so that the turbine can still operate stably under high flow and high water level conditions, ensuring the continuity of power generation. After the flood, the water level and flow gradually returned to normal. PLC gradually adjusted the operating parameters of the gate and turbine according to the actual situation to restore the power generation system to the best operating state. Through the precise control of PLC, the hydropower station successfully coped with the drastic changes in water level and flow during the flood, ensuring the safety of equipment, while maximizing the use of water resources and maximizing the power generation efficiency.

In terms of data collection and remote monitoring, the hydropower station has built a complete PLC data collection and remote monitoring system. PLC is connected to various types of sensors to achieve real-time collection of key parameters such as water level, flow, water pressure, water temperature, unit speed, power, etc. These sensors transmit the collected data to PLC, which filters, calibrates and compensates the data and then transmits the data to the remote monitoring center through the communication module. The communication module uses Ethernet communication, which is high-speed and stable, and can quickly and accurately transmit data to the server of the remote monitoring center.

The remote monitoring center consists of a monitoring computer, monitoring software, and a server. The monitoring software provides a wealth of functions, such as real-time data display, historical data query, report generation, and alarm management. Through the interface of the monitoring software, the staff can view the various operating parameters of the hydropower station in real time, such as water level, flow, water pressure, unit speed, power, etc., as well as the working status of the equipment, such as whether the turbine, generator, gate and other equipment are operating normally. When an abnormal situation occurs in the system, the PLC will send the alarm information to the remote monitoring center in time, and the monitoring software will immediately issue an alarm to remind the staff through sound, pop-up windows, etc. According to the alarm information, the staff can remotely operate the system, such as viewing the detailed parameters of the faulty equipment, adjusting the operating status of the equipment, starting or stopping related equipment, etc., so as to restore the normal operation of the system as soon as possible.

Through the data collection and remote monitoring system, the management efficiency of the hydropower station has been greatly improved, and the maintenance cost has been significantly reduced. Staff do not need to go to the site frequently for inspections, which reduces the waste of manpower, material resources and time. At the same time, through the analysis of historical data, managers can optimize the system’s operating strategy and further improve power generation efficiency and energy utilization efficiency. In the event of an equipment failure, the remote monitoring system promptly detected abnormal signals from the generator and issued an alarm. The staff quickly understood the fault situation through the remote monitoring system and promptly arranged maintenance personnel to deal with it. It only took [X] hours to restore the generator to normal operation, greatly reducing the loss of power generation due to shutdown.

In terms of integration with other energy management systems, the hydropower station actively explores integration with surrounding solar and wind power generation projects and energy storage systems. By integrating with the energy management system of the solar power generation system, the PLC can obtain real-time data of solar power generation, including power generation, light intensity, temperature, etc., and transmit its own monitoring data and control instructions on the system operation status to the energy management system of the solar power generation system. When there is sufficient sunlight, the hydropower station can reasonably adjust its power generation plan according to the situation of solar power generation to avoid energy waste. In terms of integration with the energy management system of the wind power generation system, the PLC can be closely connected with the wind speed and wind direction monitoring equipment and the control system of the wind turbine. By sharing wind speed, wind direction data and wind turbine operating parameters in real time, the PLC can jointly optimize the wind turbine operation strategy with the energy management system of the wind power generation system to improve the utilization efficiency of wind energy.

In terms of integration with the energy management system of the energy storage system, PLC can monitor the charging and discharging status, remaining power and other information of the energy storage system in real time, and coordinate with the energy management system of the energy storage system to control the charging and discharging process of the energy storage system according to the power generation of the hydropower station and the load demand of the power grid. When the hydropower station generates excess power, PLC controls the energy storage system to charge and store excess electricity; when the hydropower station generates insufficient power or the power grid load is at a peak, PLC controls the energy storage system to discharge and provide power support to the power grid, thereby achieving smooth regulation and stable supply of energy. Through integration with other energy management systems, the hydropower station has achieved complementary utilization of multiple energy sources, improved energy utilization efficiency, and reduced the risk of energy supply.

6. Advantages and Challenges of PLC in Renewable Energy Systems

6.1 Advantages Analysis

6.1.1 Technical advantages

PLC demonstrates outstanding technical advantages in renewable energy systems, providing solid technical support for efficient use of energy and stable operation of the system.

High reliability is one of the most outstanding technical advantages of PLC. In terms of hardware design, PLC adopts a series of advanced anti-interference measures. I/O channels widely use photoelectric isolation technology, and use photoelectric couplers to electrically isolate external input and output signals from internal circuits, effectively cutting off the direct connection between external interference sources and internal circuits, preventing external electromagnetic interference from affecting PLC internal signals, and ensuring the accuracy and stability of signal transmission. Various forms of filtering circuits are used for power supply and lines. For example, LC filtering circuits use the characteristics of inductance and capacitance to filter high-frequency clutter in the power supply to make the power supply purer; π-type filtering circuits further enhance the filtering effect, which can effectively eliminate or suppress high-frequency interference in the power supply, ensuring stable and reliable power supply of PLC. Important components such as CPU are shielded with good conductive and magnetic materials to form an electromagnetic shielding layer, reduce the impact of spatial electromagnetic interference on their normal operation, and ensure that the CPU can stably execute various instructions.

In terms of software, PLC adopts scanning working mode, scanning input signals, executing user programs and refreshing output signals in sequence. This working mode reduces instantaneous malfunctions caused by external environmental interference and improves the reliability of the system. At the same time, there are fault detection and self-diagnosis programs in the system program, which can monitor the status of the system hardware circuit in real time. Once a fault is found, the current important information can be immediately sealed, any unstable read and write operations are prohibited, and a fault alarm signal is given. When the external environment returns to normal, it can automatically return to the state before the fault occurs and continue the original work. This high reliability enables PLC to operate stably for a long time in the complex and harsh environment of renewable energy systems, ensuring the continuity and stability of energy production.

Flexibility is another significant technical advantage of PLC. PLC adopts modular design, and users can flexibly choose modules with different functions to combine according to actual control needs, such as input modules, output modules, communication modules, special function modules, etc. This modular structure makes system expansion and upgrade very convenient. Users can add or replace modules at any time according to changes in system scale and increase in functional requirements without the need for large-scale redesign of the entire system. In a small solar power generation system, initially only basic input and output modules may be needed to control the simple operation of photovoltaic panels and inverters; as the system scale expands and functional requirements increase, remote monitoring and data collection functions may be required, such as , users can easily add communication modules and data acquisition modules to achieve system expansion and upgrade.

At the same time, the programming method of PLC is also very flexible, supporting multiple programming languages, such as ladder diagram, function block diagram, structured text, etc. The ladder diagram language is visual and intuitive, similar to the electrical control circuit diagram. It is very easy to use for engineers familiar with electrical control and can quickly write control programs; the function block diagram language is more suitable for describing complex logical control relationships. Through the combination and connection of different function blocks, it can clearly express the control logic of the system, which is easy to understand and maintain; the structured text language has higher programming efficiency and is suitable for writing complex algorithms and data processing programs, which can achieve more accurate and efficient control. Users can choose the most suitable programming language for programming according to their own habits and project requirements to realize various complex control logics.

Powerful data processing capability is also an important technical advantage of PLC. With the continuous development of microprocessor technology, the computing speed and data storage capacity of PLC have been greatly improved. Modern PLC can quickly process a large number of digital and analog signals and realize complex control algorithms and data processing tasks. In renewable energy systems, a large amount of energy data needs to be monitored and analyzed in real time, such as power generation, power factor, energy consumption, etc. PLC can quickly obtain this data through high-speed data acquisition modules, and use its powerful internal computing power to analyze and process the data in real time, providing accurate data support for energy management and optimized control. For example, in large wind farms, PLC needs to collect and process a large number of wind turbines’ wind speed, wind direction, speed, power and other data in real time, analyze these data through complex algorithms, realize intelligent control of wind turbines, and improve wind energy utilization efficiency. At the same time, PLC also has data storage function, which can store historical data in internal memory or external storage devices, so as to facilitate users to query and statistically analyze data, and provide a basis for optimized operation and fault diagnosis of the system.

In addition, PLC also has good communication capabilities and can easily communicate and integrate with other devices and systems. PLC supports a variety of communication protocols, such as Ethernet, RS485, Modbus, etc., and can adapt to different network environments and device connection requirements. Through Ethernet communication, PLC can quickly and stably interact with the host computer, monitoring system or cloud platform to achieve remote monitoring, data analysis, energy scheduling and other functions. Through RS485 communication, PLC can communicate reliably with multiple remote devices to achieve the construction of distributed control systems. As a commonly used industrial communication protocol, Modbus protocol has wide compatibility and versatility, enabling PLC to interact with various devices that support Modbus protocol and realize system interconnection. In renewable energy systems, PLC can communicate and integrate with solar panels, wind turbines, energy storage equipment, smart grids, etc. to achieve unified management and optimized configuration of energy.

6.1.2 Economic advantages

The application of PLC in renewable energy systems brings significant economic advantages and provides strong economic support for the development of the renewable energy industry.

Reducing equipment costs is an important manifestation of PLC’s economic advantages. Since the PLC adopts a modular design, users can flexibly configure the system according to actual needs, avoiding unnecessary equipment purchase and installation costs. In a small solar power generation project, users can select appropriate input and output modules and control modules based on the number of solar panels and power requirements, without purchasing equipment with overly complex or redundant functions, thereby reducing the initial investment cost of the system. At the same time, the high reliability of PLC reduces equipment failure rates and repair times, and reduces equipment maintenance costs. Compared with traditional control systems, PLC control systems have longer mean trouble-free running time and longer maintenance cycles, reducing downtime losses and maintenance costs caused by equipment failure.

Improving energy efficiency is another important economic advantage brought by PLC. In solar power generation systems, PLC can track the maximum power point of solar panels in real time by implementing maximum power point tracking (MPPT) control, and adjust the working state of solar panels in time according to changes in environmental factors such as light intensity and temperature to ensure that they always generate electricity at the highest efficiency. The solar power generation system that uses PLC to implement MPPT control can increase its power generation efficiency by 10% – 30% compared to the system that does not use MPPT control. This means that under the same solar energy resource conditions, the system controlled by PLC can generate more electricity and increase energy benefits.

In wind power generation systems, PLC precisely controls the pitch angle and yaw angle of the wind turbine, enabling the wind turbine to maintain efficient operation under different wind speed and wind direction conditions, thereby improving the efficiency of wind energy utilization. Studies have shown that precise pitch angle and yaw control can increase the power generation of wind power generation systems by 5% – 10%. In hydropower generation systems, PLC precisely controls the operation of gates and turbines according to changes in water level and flow, achieving efficient conversion of water energy and improving power generation efficiency. The improvement in energy utilization efficiency not only increases the power generation of renewable energy systems, but also reduces dependence on traditional energy and reduces energy procurement costs.

Extending the service life of equipment is another important aspect of the economic advantage of PLC. Through real-time monitoring and intelligent control of the operating status of equipment, PLC can promptly detect potential equipment failures and take appropriate measures to prevent and repair them, avoid the occurrence and deterioration of equipment failures, and thus extend the service life of equipment. In the wind power generation system, PLC monitors the vibration, temperature, oil pressure and other parameters of the fan in real time. When abnormal parameters are detected, it will promptly issue an alarm and take appropriate protective measures, such as adjusting the operating parameters of the fan, shutting down for maintenance, etc., to avoid damage to the equipment due to failures and extend the service life of the fan. The extension of the service life of equipment reduces the frequency and cost of equipment replacement and improves the economic benefits of the renewable energy system.

In addition, PLC can also achieve reasonable distribution and utilization of energy, reduce energy waste, and further improve economic benefits by optimizing energy management and dispatch. In smart microgrids, PLC is integrated with other energy management systems to rationally arrange the production, storage and use of energy according to energy supply and demand and electricity price policies, achieving optimal energy allocation and reducing energy costs. When the electricity price is low at night, the electric energy stored in the energy storage system is used for production and daily electricity consumption; when the electricity price is high during the day, renewable energy sources such as solar energy and wind energy are used to generate electricity, and the excess electric energy is stored or transmitted to the grid. Economic utilization of energy is achieved.

6.1.3 Environmental advantages

The application of PLC in renewable energy systems has significant environmental advantages and has made positive contributions to combating global climate change and promoting sustainable development.

Promoting the efficient use of renewable energy is the core embodiment of PLC’s environmental advantages. Renewable energy such as solar energy, wind energy, and hydropower are clean and pollution-free, but their energy density is relatively low, and there are problems of intermittency and volatility. PLC can effectively improve the utilization efficiency of renewable energy and reduce energy waste by achieving precise control of renewable energy systems, thereby reducing dependence on traditional fossil energy and indirectly reducing greenhouse gas and pollutant emissions. In solar power generation systems, PLC uses the MPPT control algorithm to keep solar panels operating near the maximum power point, improve the conversion efficiency of solar energy, and increase power generation. Under the same power demand, more use of solar power generation reduces the burning of fossil energy such as coal and oil, and reduces the emission of pollutants such as carbon dioxide, sulfur dioxide, and nitrogen oxides.

In wind power generation systems, PLC precisely controls the pitch angle and yaw angle of wind turbines, enabling wind turbines to operate efficiently under different wind speed and wind direction conditions, thereby improving wind energy utilization efficiency. This means that when the same amount of electricity is obtained, the operating time and number of wind turbines are reduced, and energy consumption and pollutant emissions during equipment manufacturing and operation are reduced. In hydropower generation systems, PLC optimizes the operation of gates and turbines according to changes in water level and flow, achieves efficient conversion of water energy, reduces water resource waste, and improves energy utilization efficiency. By improving the utilization efficiency of renewable energy, PLC helps reduce dependence on traditional energy, reduce carbon emissions, and alleviate the pressure of global warming.

Reducing environmental pollution is an important aspect of PLC’s environmental advantages. Traditional energy production methods, especially the combustion of fossil energy, will produce a large amount of pollutants, such as sulfur dioxide, nitrogen oxides, particulate matter, etc. These pollutants are the main causes of environmental problems such as air pollution, acid rain, and haze. Renewable energy systems produce almost no pollutant emissions during operation, but if the system is not properly controlled, it may lead to energy waste, indirectly increase the demand for traditional energy, and thus aggravate environmental pollution. PLC optimizes the operation of renewable energy systems, improves energy utilization efficiency, and reduces dependence on traditional energy, thereby indirectly reducing pollutant emissions. At the same time, the application of PLC in renewable energy systems can also realize real-time monitoring and control of the energy production process, and timely discover and deal with possible environmental pollution problems. For example, in solar power generation systems, PLC can monitor the temperature and working status of the panels to prevent the leakage of harmful substances due to overheating or failure, thereby ensuring environmental safety.

Supporting sustainable development is the long-term significance of PLC’s environmental advantages. Sustainable development is the goal pursued by human society, and its core is to achieve the coordination and unity of economic development and environmental protection. As an important energy source for sustainable development, the large-scale development and utilization of renewable energy is crucial to achieving sustainable development goals. The application of PLC in renewable energy systems provides technical support for the efficient utilization and stable development of renewable energy, helps promote the development of the renewable energy industry, and promotes the optimization and transformation of the energy structure. As the proportion of renewable energy in the energy structure continues to increase, the impact of energy production and consumption on the environment will gradually decrease, achieving a virtuous interaction between economic development and environmental protection, and laying a solid foundation for sustainable development.

6.2 Challenge Analysis

6.2.1 Technical Challenges

Although PLC has shown many advantages in renewable energy systems, its application still faces a series of technical challenges, which limit its further promotion and efficient application in the field of renewable energy.

Insufficient anti-interference ability is one of the key technical challenges faced by PLC in the application of renewable energy systems. The working environment of renewable energy systems is complex and changeable, and they often face harsh natural conditions and strong electromagnetic interference. In solar power plants, photovoltaic modules are usually installed outdoors and are susceptible to harsh climatic conditions such as high temperature, high humidity, and dust. At the same time, inverters and other equipment in solar power generation systems will generate a lot of electromagnetic interference during operation, which may affect the normal operation of PLC, resulting in data transmission errors, abnormal execution of control instructions, and other problems. In wind farms, wind turbines are located at high altitudes and exposed to the natural environment. Not only do they have to withstand the test of extreme weather such as strong winds and lightning, but the high-speed rotation of wind turbines and the operation of electrical equipment will also generate strong electromagnetic interference, posing a threat to the stability and reliability of PLC. To improve the anti-interference ability of PLC, improvements need to be made in both hardware and software. In terms of hardware, more advanced shielding technology, filtering circuits, and isolation measures can be used to further enhance the PLC’s ability to resist electromagnetic interference; in terms of software, the control algorithm can be optimized, data verification and error correction mechanisms can be added, and the system’s ability to identify and process interference data can be improved.

The communication compatibility problem is also a technical problem that needs to be solved in the application of PLC in renewable energy systems. Renewable energy systems usually contain multiple types of equipment and systems, which may come from different manufacturers and use different communication protocols and interface standards. PLC needs to communicate and integrate with these equipment and systems to achieve unified control and management of the entire renewable energy system. However, due to the lack of uniformity in communication protocols and interface standards, there are problems with the communication compatibility between PLC and other devices, resulting in poor data transmission and communication interruptions. In a hybrid renewable energy project that includes solar energy, wind energy and energy storage systems, solar power generation equipment uses the Modbus protocol, wind power generation equipment uses the Profibus protocol, and the energy storage system uses a custom protocol, which makes PLC face huge challenges when communicating with these devices, requiring a lot of protocol conversion and interface adaptation work, which increases the complexity and cost of the system. In order to solve the communication compatibility problem, it is necessary to strengthen the formulation and unification of industry standards, promote cooperation and coordination between different equipment manufacturers, and promote the standardization and generalization of communication protocols and interface standards.

In addition, with the continuous expansion of the scale of renewable energy systems and the increasing functional requirements, higher requirements are placed on the computing power and storage capacity of PLCs. In large solar power stations and wind farms, a large amount of sensor data and control instructions need to be processed, and traditional PLCs may not be able to meet such large-scale data processing and storage requirements. In a large wind farm with thousands of wind turbines, each wind turbine needs to collect multiple parameters such as wind speed, wind direction, speed, power, etc. in real time, and it is also necessary to accurately control and diagnose the wind turbines. This requires PLCs to have powerful computing power and large-capacity storage devices to ensure the efficient operation of the system. To meet this challenge, it is necessary to continuously improve the hardware performance of PLCs, adopt more advanced microprocessors and large-capacity memories, and optimize software algorithms to improve data processing efficiency to meet the growing needs of renewable energy systems.

6.2.2 Cost Challenge

The cost issue is one of the important factors that restrict the widespread application of PLC in renewable energy systems, which is mainly reflected in the high initial investment cost and high maintenance cost.

The high initial investment cost is the primary cost challenge faced by PLC in the application of renewable energy systems. The price of PLC itself is relatively high, especially some high-performance and high-reliability PLC products, which are even more expensive. In a small solar power generation system, if an imported high-end PLC is used, its purchase cost may account for 10% – 20% of the total system investment cost. In addition, in order to achieve communication and integration between PLC and other equipment in the renewable energy system, it is also necessary to equip the corresponding communication modules, sensors, actuators and other equipment, and the purchase and installation costs of these equipment should not be underestimated. In a project that includes wind power generation and energy storage systems, in order to achieve effective control of wind turbines and energy storage equipment by PLC, a large number of wind speed sensors, wind direction sensors, battery management systems and other equipment need to be installed. The cost of these equipment plus the cost of PLC greatly increases the initial investment cost of the project. The high initial investment cost is a large burden for some renewable energy projects with limited funds, which limits the application and promotion of PLC.

The high maintenance cost is also a cost factor that cannot be ignored in the application of PLC in renewable energy systems. As a complex electronic device, PLC requires professional technicians to maintain and service it. Renewable energy systems are usually distributed in remote areas with inconvenient transportation, and the cost of technicians going to the site for maintenance is high. At the same time, due to the rapid technological updates of PLC, maintenance personnel need to constantly learn and master new technical knowledge, which also increases the cost of personnel training. In addition, the price of PLC repair parts is relatively high, and some spare parts need to be imported from abroad, with a long procurement cycle, which also increases the cost and time of equipment maintenance. In a wind farm located in a remote mountainous area, once a PLC fails, technicians need to spend a long time and high transportation costs to go to the site for repair. At the same time, due to the long spare parts procurement cycle, the equipment may be shut down for a long time, causing great economic losses.

In order to reduce costs, a variety of strategies can be adopted. In terms of reducing initial investment costs, on the one hand, we can strengthen technology research and development, increase the localization rate of PLC, and reduce costs through large-scale production. At present, some domestic companies have made certain progress in PLC research and development and production. With the continuous maturity of technology and the expansion of production scale, the price of domestic PLC is expected to further reduce. On the other hand, we can optimize system design, reasonably select the model and configuration of PLC, and avoid over-configuration and waste. In terms of maintenance costs, a remote maintenance system can be established to timely discover and solve PLC failures through remote monitoring and diagnosis technology, reducing the number and cost of on-site maintenance. At the same time, strengthen cooperation with equipment suppliers, establish a localized spare parts library, shorten the spare parts procurement cycle, and reduce spare parts costs.

6.2.3 Market Challenges

PLC also faces a series of market challenges in the application of renewable energy systems, including insufficient market awareness and fierce market competition. These challenges affect the expansion and application of PLC in the renewable energy market.

Lack of market awareness is one of the market challenges faced by PLC in the application of renewable energy systems. Although PLC has been widely used in the field of industrial automation, in the field of renewable energy, especially in some emerging renewable energy projects, some project developers and investors do not have a deep understanding of the functions and advantages of PLC, and lack awareness of its application value in renewable energy systems. Some developers of small solar power generation projects prefer to use traditional simple control systems, believing that PLC has high costs, complex technology, and is difficult to use and maintain, while ignoring the important role of PLC in improving power generation efficiency and ensuring stable operation of the system. This lack of market awareness has led to certain obstacles to the promotion of PLC in the renewable energy market, limiting the expansion of its market share.

Fierce market competition is also a severe market challenge faced by PLC in the application of renewable energy systems. With the rapid development of the renewable energy industry, more and more companies and institutions have begun to get involved in the field of renewable energy control systems, and market competition is becoming increasingly fierce. In addition to traditional PLC manufacturers, some emerging technology companies have also launched control solutions for renewable energy systems. These companies often have strong technological innovation capabilities and cost advantages, which has brought huge competitive pressure to traditional PLC manufacturers. Some Internet companies have used their technological advantages in big data, artificial intelligence and other fields to develop renewable energy control systems with intelligent control functions to compete with traditional PLC products for market share. In this fierce market competition environment, PLC manufacturers need to continuously strengthen technological innovation, improve product performance and quality, reduce costs, and at the same time strengthen market promotion and brand building to enhance the market competitiveness of their products.

In addition, the imperfection of policy environment and market standards also brings certain market challenges to the application of PLC in renewable energy systems. At present, although governments of various countries have introduced a series of policies to support the development of renewable energy, the relevant policies and standards for the application of PLC in renewable energy systems are not yet perfect, and there is a lack of clear technical specifications and market access standards. This makes the quality of PLC products on the market uneven, and some low-quality products may affect the application effect and reputation of PLC in renewable energy systems. At the same time, policy instability and uncertainty also increase the risks of corporate investment and market promotion. In order to meet these market challenges, it is necessary to strengthen policy guidance and market regulations, formulate sound technical standards and market access rules, and promote the healthy development of PLC in the renewable energy system application market.

6.3 Discussion on coping strategies

In response to the above challenges, effective strategies need to be adopted in technology research and development, cost control, and market promotion to promote the widespread application and sustainable development of PLC in renewable energy systems.

In terms of technology research and development, we should increase the investment in the research and development of PLC anti-interference technology. On the one hand, we should continue to improve the hardware design, adopt more advanced electromagnetic shielding materials and processes, and further enhance the PLC’s shielding ability against external electromagnetic interference, such as developing new multi-layer composite shielding materials to improve the shielding effect; optimize the filter circuit design, adopt adaptive filtering algorithms, adjust the filter parameters in real time according to the characteristics of the interference signal, and improve the ability to suppress complex interference signals. On the other hand, we should strengthen the research on software anti-interference technology, develop intelligent data verification and error correction algorithms, so that PLC can automatically identify and correct the interfered data to ensure the accuracy and reliability of the data; adopt redundant control technology, by setting up multiple control units or backup systems, when the main control unit is interfered and fails, the backup system can quickly switch and put into operation to ensure the uninterrupted operation of the system.

In order to solve the communication compatibility problem, it is necessary to actively participate in and promote the formulation and unification of industry communication standards. Strengthen cooperation and exchanges with other equipment manufacturers, scientific research institutions and industry associations to jointly formulate general communication protocols and interface standards applicable to renewable energy systems. For example, establish a standard formulation working group with the participation of all parties to formulate unified communication protocol specifications for different types of renewable energy equipment, clarify key parameters such as data transmission format, communication rate, control instructions, etc., to ensure seamless communication and integration between different devices. At the same time, encourage equipment manufacturers to follow unified standards in product design to improve the compatibility and interchangeability of equipment.

In view of the problem of insufficient PLC computing power and storage capacity, the upgrading of hardware technology should be accelerated. Research and develop and adopt more advanced microprocessors to improve the computing speed and processing power of PLC, such as adopting multi-core processor technology to realize multi-task parallel processing and improve data processing efficiency; increase memory capacity and adopt large-capacity flash memory or solid-state hard disk to meet the storage needs of large amounts of data. In terms of software, optimize algorithms and program structures, improve data processing efficiency, and reduce the occupation of hardware resources. For example, adopt efficient data compression algorithms to compress and store large amounts of collected data to reduce the occupation of storage space; develop parallel computing algorithms to make full use of the advantages of multi-core processors and improve the execution speed of complex control algorithms.

In terms of cost control, reducing the initial investment cost is the key. Increase support for PLC localization, encourage domestic enterprises to increase R&D investment, and improve the localization level of PLC. Through policy support, financial subsidies and other means, promote the development of the domestic PLC industry, form large-scale production, and reduce production costs. At the same time, optimize system design, and reasonably select the model and configuration of PLC according to the actual needs of renewable energy systems to avoid waste of resources caused by over-configuration. In a small wind power generation project, through detailed demand analysis and system evaluation, select PLC with appropriate functions and performance, avoid choosing products with over-configuration, thereby reducing the initial investment cost.

Reducing maintenance costs should not be ignored. Establish a remote maintenance system and use Internet technology to achieve remote monitoring and diagnosis of PLC. Through remote monitoring, timely discover hidden faults of PLC and take appropriate measures to deal with them, reducing the number and cost of on-site maintenance. For example, in a large solar power station, a remote maintenance system has been established. Operation and maintenance personnel can monitor the operating status of PLC in real time through the remote monitoring platform. When a fault is found, they can troubleshoot and repair it through remote operation, which greatly reduces the workload and cost of on-site maintenance. Strengthen cooperation with equipment suppliers, establish a localized spare parts library, shorten the spare parts procurement cycle, and reduce spare parts costs. Sign a long-term cooperation agreement with suppliers to ensure the timely supply of spare parts, and reduce the purchase price of spare parts through centralized procurement and other means.

In terms of market promotion, improving market awareness is the primary task. Strengthen the publicity and promotion of PLC applications in renewable energy systems, and publicize the functions, advantages and application cases of PLC to renewable energy project developers, investors and related companies through technical seminars, product exhibitions, industry forums and other activities. For example, regularly hold renewable energy technology seminars, invite experts and scholars and corporate representatives to introduce the latest application results and development trends of PLC in renewable energy systems, and show successful cases to let more people understand the value of PLC. At the same time, write detailed technical information and application guides to provide users with technical support and references to help them better understand and apply PLC.

Faced with fierce market competition, PLC manufacturers should continuously strengthen technological innovation and improve product performance and quality. Increase R&D investment to develop PLC products with higher performance and more reliability to meet the growing needs of renewable energy systems. Focus on differentiated product competition, develop targeted PLC solutions for different types of renewable energy systems, and improve product market competitiveness. Strengthen market promotion and brand building to enhance product visibility and reputation. Formulate reasonable marketing strategies to increase product market share through advertising, online marketing, customer relationship management and other means. Establish a good brand image and win the trust and recognition of customers with high-quality products and services.

In addition, the government and industry associations should strengthen policy guidance and market regulation. The government should introduce relevant policies to encourage renewable energy projects to adopt PLC technology, such as providing certain subsidies or tax incentives to reduce project costs and increase enthusiasm for the application of PLC in renewable energy systems. Industry associations should formulate sound technical standards and market access rules, strengthen market supervision, regulate market order, prevent low-quality products from entering the market, and ensure the healthy development of PLC in the renewable energy system application market.

VII. Conclusion and Outlook

7.1 Summary of Research Results

This study provides an in-depth analysis of the application of PLC in renewable energy systems and comprehensively reveals its key role and important value. In solar power generation systems, PLC relies on its powerful control capabilities to successfully implement maximum power point tracking (MPPT) control, significantly improving power generation efficiency. By using advanced MPPT control algorithms, such as perturbation observation method, conductance increment method and fuzzy logic control method, PLC can accurately adjust the working status of solar panels according to real-time changes in light intensity, temperature and other environmental factors to ensure that they always Work near the maximum power point. Relevant research and practical application data show that the power generation efficiency of a solar power generation system using PLC to achieve MPPT control can be increased by 10% – 30% compared to a system without MPPT control.

At the same time, PLC plays a vital role in battery energy storage management. By precisely controlling the battery charging and discharging process, PLC can effectively avoid overcharging and overdischarging of the battery and extend the battery life. During the charging process, PLC adopts constant current charging, constant voltage charging and staged charging strategies according to the battery voltage, current, remaining capacity (SOC) and temperature parameters to ensure safe and efficient charging of the battery; during the discharge process, PLC dynamically adjusts the battery discharge power according to the load power demand and the remaining battery power, strictly controls the battery discharge depth and avoids excessive battery discharge. In addition, PLC can also optimize the management of the energy storage system, reasonably allocate energy and improve energy utilization efficiency according to the real-time power generation of the solar power generation system, the energy storage status of the battery and the power demand of the load.

In terms of data collection and remote monitoring, PLC is closely connected with various sensors to achieve real-time collection of multi-dimensional data of solar power generation system, including light intensity, temperature, voltage, current, battery status, etc. These data provide an important basis for system operation analysis and optimization control. At the same time, PLC is connected to the remote monitoring system through the communication module to achieve real-time remote monitoring and management of the system operation status. Through the remote monitoring system, operation and maintenance personnel can view the various operating parameters of the system in real time, discover and deal with problems in a timely manner, greatly improve the management efficiency and maintenance level of the system, and reduce maintenance costs.

In wind power generation systems, PLC plays a key role in wind speed and direction monitoring and control. By connecting wind speed and direction sensors, PLC can monitor changes in wind speed and direction in real time, and flexibly adjust the operating parameters of the wind turbine according to the monitoring results to ensure efficient and stable operation of the wind turbine. When the wind speed is lower than the starting wind speed of the wind turbine, PLC controls the wind turbine to be in standby mode, waiting for the wind speed to reach the starting conditions; when the wind speed reaches the starting wind speed, PLC controls the wind turbine to start, and according to the change of wind speed, the maximum power point tracking (MPPT) algorithm is used to adjust the pitch angle and the speed of the wind turbine in real time, so that the wind turbine always works near the maximum power point to capture more wind energy.

Pitch angle and yaw control are the core control links of wind power generation systems, and PLC plays a core role in them. By accurately controlling the pitch angle, PLC can adjust the wind energy captured by the blades according to the change of wind speed, thereby achieving effective control of the wind turbine speed and output power; by accurately controlling the yaw system, PLC can make the wind turbine’s rotor always face the wind direction and capture wind energy to the maximum extent. Studies have shown that accurate pitch angle and yaw control can increase the power generation of wind power generation systems by 5% – 10%.

Fault diagnosis and protection are the key to ensuring the safe and stable operation of wind power generation systems, and PLC has demonstrated powerful functions in this regard. By real-time monitoring of wind turbine operating data, such as wind speed, wind direction, generator speed, power, vibration, temperature, oil pressure, etc., PLC uses preset fault diagnosis algorithms and intelligent diagnosis technology to promptly detect potential faults in the system and quickly take corresponding protective measures, such as cutting off the circuit and shutting down, to prevent the fault from further expanding, reduce fault losses, and improve the reliability and safety of the equipment.

In the hydropower generation system, PLC plays a core role in water level and flow monitoring and control. By connecting with various high-precision sensors, PLC realizes real-time and accurate monitoring of water level and flow, and accurately controls the operation of gates and turbines according to the preset control strategy based on the monitoring data to achieve efficient and stable operation of the hydropower generation system. When the water level is lower than the set lower limit, PLC controls the opening of the water inlet gate to increase to ensure the amount of water required for power generation; when the water level is higher than the set upper limit, PLC controls the opening of the water inlet gate to decrease to prevent the water level from being too high and posing a safety threat to the dam and equipment.

In terms of flow control, PLC adjusts the water flow entering the turbine by controlling the guide vane opening and speed of the turbine, thereby achieving effective control of the power generation. During peak load periods of the power grid, PLC reasonably adjusts the guide vane opening and speed of the turbine based on real-time flow and water level data to increase power generation and meet the power demand of the power grid; during low load periods of the power grid, PLC appropriately reduces power generation to reduce water waste and ensure safe and stable operation of power generation equipment.

Data collection and remote monitoring are important means for efficient management and maintenance of hydropower generation systems, and PLC has built a complete system in it. By connecting various types of sensors, PLC realizes real-time collection of key parameters such as water level, flow, water pressure, water temperature, unit speed, power, etc., and performs filtering, calibration and compensation on the collected data to improve the accuracy and reliability of the data. At the same time, PLC establishes a connection with the remote monitoring center through the communication module to realize remote monitoring and management of the hydropower generation system. The monitoring software of the remote monitoring center provides rich functions, such as real-time data display, historical data query, report generation, alarm management, etc. The staff can view the operating status of the system in real time through the monitoring software, discover and deal with problems in time, improve management efficiency, and reduce maintenance costs.

In terms of integration with other energy management systems, PLC plays a vital role in building smart microgrids and energy Internet. In smart microgrids, PLC can be seamlessly integrated with energy management systems such as solar energy, wind energy, and energy storage systems. According to the supply and demand of energy and electricity price policies, it can reasonably arrange the production, storage and use of energy to achieve optimal energy configuration. In the energy Internet, PLC, as an important control unit of the distributed energy system, can exchange data and coordinate control with other energy management systems to achieve energy interconnection and optimal distribution.

In summary, the application of PLC in renewable energy systems has significant advantages, including technical, economic and environmental advantages. In terms of technology, PLC has high reliability, flexibility, powerful data processing capabilities and good communication capabilities; in terms of economy, PLC can reduce equipment costs, improve energy efficiency, and extend equipment service life, thus bringing significant benefits. Economic benefits; in terms of environment, PLC can promote the efficient use of renewable energy, reduce environmental pollution, and support sustainable development. However, the application of PLC in renewable energy systems also faces some challenges, such as technical challenges (insufficient anti-interference ability, communication compatibility issues, increased computing power and storage capacity requirements), cost challenges (high initial investment costs, maintenance costs Larger) and market challenges (lack of market awareness, fierce market competition). In response to these challenges, this study proposes corresponding response strategies, including increasing investment in technology research and development, strengthening cost control, and actively carrying out market promotion, to promote the widespread application and sustainable development of PLC in renewable energy systems.

7.2 Future Research Directions

Looking into the future, the research direction of PLC in renewable energy systems has broad room for expansion, and in-depth exploration will be carried out in multiple dimensions such as technological innovation, system optimization, and market integration.

In terms of technological innovation, in-depth research and development of intelligent control algorithms is one of the important directions. With the rapid development of artificial intelligence and machine learning technologies, it has become an inevitable trend to deeply integrate them with PLC control technology. Through a large amount of historical data and real-time operation data, the neural network model is trained to enable PLC to automatically learn and adapt to different operating conditions, and realize intelligent prediction and adaptive control of renewable energy systems. In solar power generation systems, deep learning algorithms are used to analyze and predict environmental factors such as light intensity and temperature, and the working status of photovoltaic panels is adjusted in advance to cope with weather changes and further improve power generation efficiency.

In terms of multi-energy complementary and coordinated control, it is necessary to conduct in-depth research on the characteristic differences and complementary relationships between different renewable energy sources, develop more advanced coordinated control algorithms, and realize the organic combination and optimal configuration of multiple energy sources such as solar energy, wind energy, and hydropower. By establishing an integrated energy management model, real-time monitoring and analysis of the power generation, load demand, and energy storage status of various energy sources can be achieved to achieve efficient energy conversion and distribution and improve the stability and reliability of the energy system. In a microgrid that includes solar energy, wind energy, and energy storage systems, the charging and discharging of solar power generation, wind power generation, and energy storage systems can be intelligently dispatched according to the real-time energy supply and demand to achieve a balanced and stable supply of energy.

In terms of system optimization, further improving the reliability and stability of PLC is the key. Research new hardware architecture and software design methods to improve the anti-interference and fault tolerance of PLC in complex environments. Use redundant design technology to add redundant components such as backup power supplies and backup processors to ensure that the system can still operate normally when some components fail. At the same time, optimize the self-diagnosis and repair functions of the software so that PLC can promptly detect and automatically repair some common faults and improve the availability of the system.

Reducing the cost of PLC is also a focus of future research. Through technological innovation and process improvement, the hardware cost of PLC can be reduced, such as adopting new chip manufacturing technology, improving the integration and performance of chips, and reducing production costs. At the same time, optimize software design, reduce dependence on hardware resources, and reduce hardware configuration requirements, thereby reducing the overall cost of the system. In addition, strengthen the standardization and modular design of PLC, improve the versatility and interchangeability of products, and reduce production and maintenance costs.

In terms of market integration, it is crucial to strengthen the deep integration of PLC and renewable energy industries. We should have a deep understanding of the market demand and development trend of renewable energy systems, develop targeted PLC products and solutions, and meet the personalized needs of different customers. We should establish close cooperative relationships with renewable energy equipment manufacturers, energy operators, etc., and jointly promote the application and promotion of PLC in renewable energy systems.

Expanding the application of PLC in the field of emerging renewable energy is also one of the future development directions. With the continuous development of emerging renewable energy technologies such as ocean energy and geothermal energy, research on the application technology and control strategy of PLC in these fields will provide technical support for the development and utilization of emerging renewable energy. In the ocean energy power generation system, research on the control technology of PLC for wave energy and tidal energy power generation equipment will improve the utilization efficiency and stability of ocean energy.