Откройте для себя чудеса PLC-электрики в системах возобновляемой энергии

1. Введение

1.1 Предпосылки и значимость исследования

По мере того, как глобальный процесс индустриализации продолжает продвигаться, энергия, как краеугольный камень развития, испытывает быстрый рост спроса. В течение долгого времени люди были чрезмерно зависимы от традиционных ископаемых источников энергии, таких как уголь, нефть и природный газ, что вызвало ряд серьезных проблем. С точки зрения ресурсов, эти ископаемые источники энергии являются невозобновляемыми ресурсами с ограниченными запасами. При нынешних темпах потребления ожидается, что нефть и природный газ будут поддерживать эффективное снабжение всего несколько десятилетий, а уголь можно будет добывать только сотни лет. Это, несомненно, прозвучало как сигнал тревоги для будущего развития человечества, и тень энергетического кризиса приближается.

С точки зрения экологии, традиционные ископаемые виды топлива выделяют большое количество загрязняющих веществ во время сгорания, таких как диоксид серы, оксиды азота и твердые частицы. Эти загрязняющие вещества являются основными виновниками таких экологических проблем, как загрязнение воздуха и кислотные дожди, и серьезно угрожают здоровью человека и балансу экосистемы. В то же время большое количество парниковых газов, таких как диоксид углерода, образующихся при сгорании ископаемого топлива, усугубило глобальное потепление, вызвав ряд глобальных экологических катастроф, таких как таяние ледников, повышение уровня моря и частые экстремальные климатические явления.

Столкнувшись с двойными проблемами энергетического кризиса и ухудшения состояния окружающей среды, развитие возобновляемой энергетики стало глобальным консенсусом и неизбежным выбором для достижения устойчивого развития. Возобновляемая энергия, такая как солнечная энергия, энергия ветра, энергия воды, энергия биомассы, геотермальная энергия и т. д., неисчерпаема и практически не производит загрязняющих веществ и выбросов парниковых газов в процессе использования, что вредно для окружающей среды. дружелюбно. Активное развитие возобновляемой энергетики может эффективно снизить зависимость от традиционной ископаемой энергии, снизить риски энергоснабжения и обеспечить энергетическую безопасность. В то же время это может помочь смягчить проблемы загрязнения окружающей среды и изменения климата и способствовать скоординированному развитию экономики, общества и экологической среды.

В системах возобновляемой энергии электрическая технология PLC (программируемый логический контроллер) играет важную и ключевую роль. Как цифровая вычислительная электронная система, специально разработанная для промышленных приложений, PLC обладает значительными характеристиками, такими как высокая надежность, гибкость, простота программирования и обслуживания, а также может адаптироваться к сложной и изменчивой рабочей среде и строгим требованиям систем возобновляемой энергии. требования к управлению.

В системе солнечной генерации энергии PLC может контролировать выходное напряжение и ток солнечных панелей в режиме реального времени и настраивать усовершенствованный алгоритм, чтобы солнечные панели всегда работали в точке максимальной мощности, тем самым значительно повышая эффективность генерации энергии. В то же время PLC может также точно контролировать процесс зарядки и разрядки аккумуляторной батареи, чтобы гарантировать, что батарея работает в безопасном диапазоне, и оптимизировать стратегию зарядки и разрядки, чтобы продлить срок службы батареи и снизить системные затраты. Кроме того, PLC может собирать в режиме реального времени данные о системе солнечной генерации энергии, такие как выработка электроэнергии, состояние оборудования и т. д., и осуществлять удаленный мониторинг и управление через коммуникационную сеть, чтобы персонал по эксплуатации и техническому обслуживанию мог своевременно понимать состояние работы системы, находить и решать проблемы вовремя, а также повышать стабильность и надежность системы.

В системе ветрогенерации ПЛК подключается к датчикам скорости и направления ветра для мониторинга ветровых условий в режиме реального времени и предоставления точной поддержки данных для работы ветровых турбин. В соответствии с изменениями скорости и направления ветра ПЛК может быстро регулировать угол тангажа и угол рыскания ветровых турбин, чтобы гарантировать, что агрегат работает в безопасном диапазоне скорости ветра и достигает максимальной выходной мощности, тем самым повышая эффективность использования ветроэнергии. В то же время ПЛК может контролировать различные параметры ветровых турбин в режиме реального времени, своевременно обнаруживать и устранять неисправности, обеспечивать безопасную и стабильную работу агрегата, а также снижать частоту отказов оборудования и затраты на техническое обслуживание.

В системе гидроэлектростанции ПЛК подключается к датчикам уровня и расхода воды для мониторинга уровня и расхода воды в водохранилище или реке в режиме реального времени, предоставляя ключевые данные для работы гидрогенератора. В зависимости от изменений уровня и расхода воды ПЛК управляет открытием затвора и скоростью турбины для достижения эффективной работы системы гидроэлектростанции и повышения эффективности преобразования энергии воды. Кроме того, ПЛК также может собирать данные в режиме реального времени о системе гидроэлектростанции и осуществлять удаленный мониторинг и управление через коммуникационную сеть. В то же время его можно интегрировать с другими системами управления энергией, закладывая основу для построения интеллектуальных микросетей и энергетического Интернета.

Подводя итог, можно сказать, что применение электротехнологии PLC в системах возобновляемой энергии может эффективно повысить эффективность преобразования энергии, снизить эксплуатационные расходы, повысить стабильность и надежность системы и способствовать крупномасштабному развитию и использованию возобновляемой энергии. Глубокие исследования применения электротехнологии PLC в системах возобновляемой энергии имеют важное теоретическое значение и практическую ценность для содействия развитию отрасли возобновляемой энергии, смягчения энергетических кризисов и экологических проблем, а также достижения целей устойчивого развития.

1.2 Текущее состояние исследований в стране и за рубежом

В последние годы применение PLC в системах возобновляемой энергии стало горячей областью исследований в стране и за рубежом. Многие ученые и исследовательские институты провели обширные и глубокие исследования по этой теме и достигли плодотворных результатов.

За рубежом развитые страны, такие как США, Германия и Япония, занимают лидирующие позиции в исследовании PLC, применяемого к системам возобновляемой энергии, благодаря своим передовым технологиям и сильному научно-исследовательскому потенциалу. В области солнечной фотоэлектрической генерации США используют PLC для достижения точного контроля и эффективного управления крупномасштабными фотоэлектрическими электростанциями. Благодаря мониторингу и контролю в реальном времени большого количества фотоэлектрических панелей гарантируется, что каждая фотоэлектрическая панель может поддерживать оптимальный статус генерации электроэнергии при различных условиях освещенности и температуры, что значительно повышает общую эффективность генерации электроэнергии фотоэлектрической электростанции. Соответствующие исследования показывают, что эффективность генерации электроэнергии фотоэлектрических электростанций, контролируемых PLC, увеличивается на 15% – 20% по сравнению с традиционными методами управления. В то же время США также применяют PLC для исследований по интеграции интеллектуальных сетей и возобновляемой энергии. Мониторинг в режиме реального времени и диспетчеризация распределенных энергетических ресурсов реализуются посредством PLC, что эффективно решает проблему влияния прерывистости и нестабильности генерации возобновляемой энергии на стабильность сети и повышает стабильность электросети. Способность сети принимать возобновляемую энергию.

Германия достигла замечательных успехов в исследовании применения ПЛК в области генерации энергии ветра. Немецкие ветровые электростанции широко используют системы управления ПЛК для достижения интеллектуального управления ветряными турбинами. Подключите различные датчики, такие как скорость ветра, направление ветра и температура, через ПЛК для сбора эксплуатационных данных ветряных турбин в режиме реального времени и точно отрегулируйте угол тангажа, угол рыскания, скорость вращения и другие параметры агрегата на основе этих данных, чтобы гарантировать, что ветряная турбина работает в различных сложных условиях. Она может работать стабильно в погодных условиях и достигать максимального захвата мощности. Исследования показывают, что выработка электроэнергии ветряными турбинами, управляемыми ПЛК, увеличивается на 10% – 15% по сравнению с традиционными методами управления, а частота отказов оборудования снижается на 30% – 40%. Кроме того, Германия также использует ПЛК для реализации координированного управления ветряными электростанциями и системами накопления энергии, эффективно сглаживая колебания выходной мощности ветряной энергии и улучшая стабильность и надежность ветряной энергии.

Япония фокусируется на технологических инновациях и расширении приложений в исследованиях по объединению возобновляемой энергии с PLC. Япония разработала небольшую бытовую солнечную систему генерации электроэнергии на основе PLC, которая может не только реализовать эффективное управление солнечными панелями, но и имеет интеллектуальные функции управления энергией, которые могут автоматически регулировать стратегии генерации и потребления электроэнергии в соответствии с бытовым спросом на электроэнергию для достижения оптимального использования энергии. В то же время Япония также применяет PLC к системам генерации электроэнергии из биомассы и геотермальной энергии и реализует точное управление и мониторинг процесса генерации электроэнергии с помощью PLC, что повышает эффективность преобразования энергии и стабильность работы системы.

В Китае, с растущим акцентом на развитие возобновляемой энергии, прикладные исследования PLC в системах возобновляемой энергии также достигли большого прогресса. Многие университеты и научно-исследовательские институты активно проводили соответствующие исследования и достигли ряда результатов с независимыми правами интеллектуальной собственности в области солнечной энергии, ветроэнергетики, гидроэнергетики и других возобновляемых источников энергии.

Что касается солнечной генерации, то отечественные исследователи провели исследование и применение стратегий управления PLC для систем солнечной генерации разных размеров. Оптимизировав алгоритм управления PLC, достигается максимальное отслеживание точек мощности солнечных панелей, что повышает эффективность солнечной генерации. В то же время PLC используется для реализации функций удаленного мониторинга и диагностики неисправностей систем солнечной генерации, что позволяет персоналу по эксплуатации и техническому обслуживанию своевременно понимать состояние работы системы, быстро устранять неисправности и повышать надежность и стабильность системы. Некоторые компании также объединили PLC с технологией Интернета вещей для разработки интеллектуальной системы управления солнечной генерацией, которая реализует централизованный мониторинг и унифицированное управление несколькими распределенными солнечными электростанциями и повышает эффективность и уровень интеллекта управления энергией.

В области ветроэнергетики отечественные ученые провели углубленное исследование систем управления ветровой энергией на основе ПЛК. Благодаря совершенствованию алгоритма управления ПЛК достигается точное управление ветровыми турбинами, а также повышается эффективность использования ветровой энергии и стабильность работы агрегатов. В то же время, в ответ на проблему кластерного управления ветровыми электростанциями, исследователи использовали ПЛК для создания распределенной системы управления, реализуя скоординированное управление и унифицированное планирование нескольких ветряных турбин, эффективно повышая общую эффективность работы и уровень управления ветряными электростанциями. Кроме того, Китай также провел исследования по применению ПЛК в области офшорной ветроэнергетики. В ответ на суровые условия окружающей среды в море была разработана система управления ПЛК с высокой надежностью и помехозащищенностью, обеспечивающая техническую поддержку для развития офшорной ветроэнергетики.

Что касается гидроэнергетики, PLC используется в Китае для реализации интеллектуального управления и оптимизированной диспетчеризации турбин на гидроэлектростанциях. Подключая датчики уровня воды, расхода, давления и другие датчики через PLC, рабочие условия гидроэлектростанции контролируются в режиме реального времени, а открытие направляющего аппарата, скорость и другие параметры турбины автоматически регулируются в соответствии с этими данными для достижения эффективного преобразования энергии воды и безопасной и стабильной работы оборудования для генерации электроэнергии. В то же время PLC используется для достижения скоординированного управления гидроэлектростанциями и электросетями, повышения стабильности и надежности гидроэнергетики и обеспечения гарантии безопасной и стабильной работы электросети.

Хотя в исследовании применения PLC в системах возобновляемой энергии в стране и за рубежом было достигнуто много успехов, все еще есть некоторые недостатки и пробелы, которые требуют дальнейшего исследования. Во-первых, отсутствует эффективная координация и интеграция между стратегиями управления PLC различных типов систем возобновляемой энергии, что затрудняет достижение дополнительного использования и всестороннего управления оптимизацией нескольких источников возобновляемой энергии. Во-вторых, при решении прерывистых и нестабильных проблем генерации возобновляемой энергии, хотя существующая технология управления PLC может быть скорректирована в определенной степени, она все еще не может полностью соответствовать строгим требованиям интеллектуальных сетей к стабильности и надежности энергии. Кроме того, исследования надежности и помехоустойчивости PLC в системах возобновляемой энергии в сложных условиях недостаточно глубоки, и необходимо и далее укреплять исследования, разработки и применение связанных технологий. Наконец, все еще существуют некоторые недостатки в стандартах и спецификациях интеграции ПЛК и систем возобновляемой энергетики, что создает неудобства при проектировании, монтаже, вводе в эксплуатацию и обслуживании системы, а также ограничивает широкомасштабное продвижение и применение ПЛК в области возобновляемой энергетики.

2. Обзор электротехнологий PLC и систем возобновляемой энергии

2.1 Принципы и характеристики электротехнологии ПЛК

PLC (программируемый логический контроллер) — это цифровая вычислительная и операционная электронная система, разработанная для промышленных сред. Ее основной рабочий принцип основан на хранимом программном управлении, которое сохраняет написанные пользователем программы во внутренней памяти, а затем выполняет инструкции в программе в определенном порядке, тем самым достигая точного управления внешними устройствами.

Рабочий процесс ПЛК в основном включает три этапа: выборка входных данных, выполнение пользовательской программы и обновление выходных данных. На этапе выборки входных данных ПЛК сканирует все входные клеммы и сохраняет состояние внешних входных сигналов (0 или 1) в регистре входного изображения. Этот процесс похож на сбор ПЛК «интеллекта» из внешнего мира для понимания текущего рабочего состояния различных устройств. Например, в системе генерации солнечной энергии ПЛК получает информацию, такую как напряжение и ток солнечных панелей, посредством выборки входных данных, а также такие данные, как температура окружающей среды и интенсивность света, обнаруженные различными датчиками.

После завершения выборки входных данных начинается фаза выполнения пользовательской программы. На этой фазе ПЛК считывает данные из регистра входного изображения и других внутренних регистров в соответствии с логикой программы, написанной пользователем, и выполняет различные логические операции, арифметические операции и последовательные операции управления. Так же, как интеллектуальный мозг, он принимает соответствующие решения на основе предустановленных правил и собранной информации. Например, в системе ветроэнергетики на основе входных данных, таких как скорость и направление ветра, ПЛК вычисляет значения регулировки угла тангажа и угла рыскания ветровой турбины в соответствии с алгоритмом управления в пользовательской программе, чтобы гарантировать, что блок может работать эффективно и стабильно.

Наконец, есть этап обновления вывода. ПЛК перенесет результаты работы этапа выполнения пользовательской программы из регистра выходного изображения в выходную защелку, а затем запустит внешнюю нагрузку для управления внешним устройством. Это похоже на передачу решений мозга различным частям тела, чтобы оно могло выполнять соответствующие действия. Например, в системе выработки гидроэлектроэнергии ПЛК управляет открытием ворот и скоростью вращения турбины посредством обновления вывода, достигая эффективного преобразования энергии воды и стабильной работы оборудования для выработки электроэнергии.

Причина, по которой ПЛК широко используется в области промышленного управления, особенно в системах возобновляемой энергии, заключается в ряде его отличительных особенностей.

Высокая надежность является одной из самых выдающихся особенностей ПЛК. С точки зрения конструкции оборудования ПЛК принимает различные меры по борьбе с помехами. Например, канал ввода-вывода принимает технологию фотоэлектрической изоляции для эффективного отключения электрического соединения между внешним источником помех и внутренней цепью, предотвращая влияние внешних электромагнитных помех на внутренний сигнал ПЛК. Различные формы фильтрующих схем, такие как LC-фильтрация и фильтрация π-типа, используются для питания и линий, что может эффективно устранять или подавлять высокочастотные помехи и обеспечивать стабильность и чистоту питания. Важные компоненты, такие как ЦП, экранированы хорошими проводящими и магнитными материалами для уменьшения влияния космических электромагнитных помех на его нормальную работу. С точки зрения программного обеспечения ПЛК принимает режим сканирования для уменьшения неисправностей, вызванных внешними помехами окружающей среды. В то же время в системной программе есть программы обнаружения неисправностей и самодиагностики, которые могут контролировать состояние аппаратной схемы системы в режиме реального времени. После обнаружения неисправности текущая важная информация может быть немедленно запечатана, любые нестабильные операции чтения и записи запрещены, и подается сигнал тревоги о неисправности. Когда внешняя среда возвращается в норму, она может автоматически вернуться в состояние до возникновения неисправности и продолжить исходную работу. Такая высокая надежность позволяет ПЛК стабильно работать в течение длительного времени в сложной и жесткой среде систем возобновляемой энергии, обеспечивая непрерывность и стабильность производства энергии.

Гибкость — еще одна важная особенность ПЛК. ПЛК имеет модульную конструкцию. Пользователи могут гибко выбирать модули с различными функциями для комбинирования в соответствии с фактическими потребностями управления, такими как модули ввода, модули вывода, модули связи, специальные функциональные модули и т. д. Эта модульная структура делает расширение и модернизацию системы очень удобными. Пользователи могут добавлять или заменять модули в любое время в соответствии с изменениями в масштабе системы и возросшими функциональными требованиями без масштабной переделки всей системы. В то же время метод программирования ПЛК также очень гибок и поддерживает несколько языков программирования, таких как релейно-контактная схема, функциональная блок-схема, структурированный текст и т. д. Язык релейно-контактной схемы нагляден и интуитивно понятен, похож на схему электрической цепи управления и очень прост в использовании для инженеров, знакомых с электрическим управлением; язык функциональной блок-схемы больше подходит для описания сложных логических взаимосвязей управления, которые легко понять и поддерживать; язык структурированного текста имеет более высокую эффективность программирования и подходит для написания сложных алгоритмов и программ обработки данных. Пользователи могут выбрать наиболее подходящий язык программирования для программирования в соответствии со своими собственными привычками и требованиями проекта, чтобы реализовать различные сложные логики управления.

Мощные возможности обработки данных также являются важным преимуществом ПЛК. С непрерывным развитием микропроцессорной техники скорость вычислений и емкость хранения данных ПЛК значительно улучшились. Современные ПЛК могут быстро обрабатывать большое количество цифровых и аналоговых сигналов для реализации сложных алгоритмов управления и задач обработки данных. Например, в системах возобновляемой энергии необходимо контролировать и анализировать большой объем энергетических данных в режиме реального времени, таких как выработка электроэнергии, коэффициент мощности, потребление энергии и т. д. ПЛК может быстро получать эти данные с помощью высокоскоростных модулей сбора данных и использовать свою мощную внутреннюю вычислительную мощность для анализа и обработки данных в режиме реального времени, обеспечивая точную поддержку данных для управления энергопотреблением и оптимизированного контроля. В то же время ПЛК также имеет функции хранения данных, которые могут хранить исторические данные во внутренней памяти или на внешних устройствах хранения, что делает удобным для пользователей запрашивать и статистически анализировать данные, а также обеспечивать основу для оптимизированной работы и диагностики неисправностей системы.

Кроме того, ПЛК также обладает такими характеристиками, как простота программирования и обслуживания, высокая производительность в реальном времени и хорошая масштабируемость. Его программирование простое и понятное, и даже непрофессиональный компьютерный персонал может быстро его освоить. С точки зрения обслуживания, благодаря модульной конструкции и функции самодиагностики неисправностей, когда система выходит из строя, обслуживающий персонал может быстро найти неисправный модуль и заменить его, что значительно сокращает время обслуживания. С точки зрения производительности в реальном времени ПЛК может быстро реагировать на изменения внешних сигналов и выводить сигналы управления своевременно, чтобы соответствовать строгим требованиям систем возобновляемой энергии для управления в реальном времени. Его масштабируемость позволяет ПЛК легко взаимодействовать и интегрироваться с другими устройствами, такими как взаимодействие данных с хост-компьютерами, сенсорными экранами, датчиками, исполнительными механизмами и другими устройствами, для достижения более сложных функций системы управления.

2.2 Классификация и состояние развития систем возобновляемой энергетики

Системы возобновляемой энергии богаты и разнообразны, в основном охватывая солнечную энергию, энергию ветра, гидроэнергетику, энергию биомассы, геотермальную энергию, энергию океана и т. д. Все эти источники энергии являются устойчивыми и экологически чистыми и являются ключевыми силами, способствующими трансформации энергетической структуры и достижению устойчивого развития.

Как неисчерпаемая чистая энергия, солнечная энергия занимает важное место в области возобновляемой энергии. Солнечные энергетические системы в основном достигают преобразования и использования энергии двумя способами: генерация солнечной фотоэлектрической энергии и использование солнечной тепловой энергии. Что касается солнечной фотоэлектрической генерации, ее принцип работы основан на фотоэлектрическом эффекте, то есть, когда солнечный свет падает на фотоэлектрические элементы, изготовленные из полупроводниковых материалов, фотоны взаимодействуют с электронами в полупроводнике, так что электроны получают достаточно энергии для генерации пар электрон-дырка. Эти электроны и дырки движутся направленно под действием электрического поля, образуя ток, реализуя прямое преобразование солнечной энергии в электрическую энергию. С непрерывным развитием технологий эффективность солнечной фотоэлектрической генерации постепенно увеличивалась, стоимость продолжала снижаться, а сфера применения становилась все более широкой. От автономных систем генерации электроэнергии в отдаленных районах, обеспечивающих поддержку электроснабжения районов, которые не могут получить доступ к традиционным электросетям, до распределенных проектов фотоэлектрической генерации электроэнергии в городах, таких как установка фотоэлектрических модулей на крышах и стенах зданий, достижение самогенерации и самоиспользования, а также подключение избыточной мощности к сети, это эффективно снизило зависимость от традиционной энергии и сократило выбросы углерода. Согласно статистике Международного энергетического агентства (МЭА), за последнее десятилетие мировая установленная мощность солнечной фотоэлектрической генерации росла со среднегодовым темпом более 25%. В 2023 году мировая установленная мощность солнечной фотоэлектрической генерации достигла 1470 ГВт, что составляет 37,33% от общей установленной мощности возобновляемой энергии в мире.

Использование солнечной тепловой энергии заключается в поглощении тепла солнечного света через коллектор и преобразовании его в тепловую энергию для отопления, горячего водоснабжения, промышленного производства и других областей. Обычные солнечные водонагреватели являются типичными приложениями использования солнечной тепловой энергии. Они используют плоские пластинчатые коллекторы или вакуумные трубчатые коллекторы для сбора солнечной энергии, нагрева воды и ее хранения для удовлетворения потребностей в горячей воде домов или коммерческих помещений. В некоторых холодных регионах также широко используются солнечные системы отопления. Преобразуя солнечную энергию в тепловую, здания обогреваются, а зависимость от традиционного отопления с использованием ископаемого топлива снижается. Кроме того, технология производства солнечной тепловой энергии также непрерывно развивается. Используя высокотемпературную тепловую энергию, вырабатываемую солнечными коллекторами, для приведения в действие паровых турбин для выработки электроэнергии, осуществляется косвенное преобразование солнечной энергии в электрическую энергию. Хотя в настоящее время производство солнечной тепловой энергии составляет относительно небольшую долю в мировой энергетической структуре, оно имеет большой потенциал развития по мере развития технологии и снижения затрат.

Энергия ветра является еще одним важным возобновляемым источником энергии с преимуществами широкого распространения, чистоты и отсутствия загрязнения. Системы ветроэнергетики в основном достигают преобразования и использования энергии посредством генерации ветровой энергии. Принцип генерации ветровой энергии заключается в использовании энергии ветра для приведения в движение лопастей ветряных турбин. Вращение лопастей приводит в движение ротор генератора, тем самым разрезая магнитные силовые линии для выработки электроэнергии. Существуют различные типы ветряных турбин, включая ветряные турбины с горизонтальной осью и ветряные турбины с вертикальной осью, среди которых наиболее широко используются ветряные турбины с горизонтальной осью. В зависимости от количества лопастей их можно разделить на двухлопастные, трехлопастные и другие различные типы. Трехлопастные ветряные турбины стали основными продуктами на рынке из-за их хорошей стабильности и высокой эффективности.

С точки зрения состояния развития, мировая ветроэнергетическая отрасль демонстрирует тенденцию к быстрому развитию. Благодаря постоянным инновациям и совершенствованию технологий ветрогенерации единичная мощность ветровых турбин продолжает расти, эффективность продолжает повышаться, а стоимость постепенно снижается. Как важное направление развития ветрогенерации, морская ветроэнергетика достигла значительного прогресса в последние годы. Ресурсы морской ветроэнергетики обильны, скорость ветра стабильна, и она не занимает земельные ресурсы, поэтому она имеет большой потенциал развития. По состоянию на 2023 год мировая установленная мощность морской ветроэнергетики достигла 60 ГВт, что составляет 12,31 TP3T от общей установленной мощности ветроэнергетики в мире. В некоторых европейских странах, таких как Дания, Великобритания и Германия, морская ветроэнергетика стала одним из важных источников энергии. В то же время наземная ветроэнергетика продолжает развиваться и широко используется во всем мире. По данным Глобального совета по ветроэнергетике (GWEC), в 2023 году общая установленная мощность ветроэнергетики в мире составит 90 ГВт, а совокупная установленная мощность достигнет 488 ГВт. Среди них установленная мощность ветроэнергетики Китая, США, Индии и других стран занимает одно из первых мест в мире.

Гидроэнергетика является относительно зрелым возобновляемым источником энергии с долгой историей использования. Гидроэнергетическая система в основном реализует преобразование и использование энергии посредством выработки гидроэлектроэнергии. Принцип выработки гидроэлектроэнергии заключается в использовании перепада высоты водоемов, таких как реки и озера, для преобразования потенциальной энергии воды в кинетическую энергию, приведения во вращение турбины, а затем приведения в действие генератора для выработки электроэнергии. В зависимости от масштаба и типа гидроэлектростанций их можно разделить на крупные гидроэлектростанции, средние гидроэлектростанции и малые гидроэлектростанции. Крупные гидроэлектростанции обычно обладают преимуществами большой установленной мощности и стабильной выработки электроэнергии, что может гарантировать крупномасштабный спрос на электроэнергию; малые гидроэлектростанции характеризуются коротким периодом строительства, низкими инвестиционными затратами и небольшим воздействием на окружающую среду. Они подходят для строительства в некоторых отдаленных районах или районах с рассредоточенными водными ресурсами для обеспечения электроснабжения местных жителей и предприятий.

Мир богат гидроэнергетическими ресурсами. Согласно статистике Международной ассоциации гидроэнергетики (IHA), технически эксплуатируемый объем мировых гидроэнергетических ресурсов составляет около 44,8 трлн кВт·ч/год. В настоящее время по всему миру введено в эксплуатацию множество крупных гидроэлектростанций, например, китайская ГЭС «Три ущелья», которая является одной из крупнейших гидроэлектростанций в мире с общей установленной мощностью 22,5 млн киловатт и годовой выработкой электроэнергии более 100 млрд кВт·ч, играя важную вспомогательную роль в энергоснабжении и экономическом развитии Китая. Кроме того, Бразилия, США, Канада и другие страны также имеют большое количество гидроэнергетических ресурсов и многочисленные гидроэлектростанции. В 2023 году мировая установленная мощность гидроэнергетики достигнет 1380 ГВт, что составит 35,1% от общей установленной мощности возобновляемой энергии в мире. Однако развитие гидроэнергетики также сталкивается с некоторыми проблемами. Например, строительство крупных гидроэлектростанций может оказать определенное воздействие на экологическую среду, включая воздействие на речные экосистемы, миграцию рыб, затопление земель и т. д., поэтому в процессе разработки необходимо в полной мере учитывать требования экологической защиты и устойчивого развития.

Энергия биомассы относится к энергии, которая использует биомассу (такую как древесина, солома сельскохозяйственных культур, отходы лесного хозяйства, человеческие и животные экскременты, а также городские и сельские органические отходы) в качестве сырья и преобразует их в тепло, электричество или биотопливо путем сжигания, газификации, сжижения и т. д. Основные способы использования энергии биомассы включают производство электроэнергии из биомассы, отопление из биомассы, топливо из биомассы и т. д. Производство электроэнергии из биомассы — это тепловая энергия, вырабатываемая при сгорании топлива из биомассы, которая заставляет генератор вырабатывать электроэнергию через тепловой цикл; отопление из биомассы — это прямое использование тепла, вырабатываемого при сгорании биомассы, для обеспечения тепловой энергией зданий или промышленного производства; топливо из биомассы включает биодизель, топливный этанол и т. д., которые могут использоваться в качестве чистой энергии для замены традиционных ископаемых видов топлива и используются в транспорте и других областях.

С точки зрения статуса развития, энергия биомассы широко используется во всем мире, особенно в некоторых странах, богатых сельскохозяйственными и лесными ресурсами. Например, в Швеции энергия биомассы составляет большую долю в структуре потребления энергии, и большой объем спроса на энергию удовлетворяется за счет отопления и выработки электроэнергии из биомассы. В Бразилии топливный этанол, как важная форма топлива из биомассы, широко используется в сфере транспорта, снижая зависимость от нефти. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), мировая выработка энергии из биомассы достигнет 1400 ТВт·ч в 2023 году, что составит 6,81 TP3T мировой выработки энергии из возобновляемых источников энергии. Однако развитие энергии биомассы также сталкивается с некоторыми проблемами, такими как высокая стоимость сбора и транспортировки сырья из биомассы, необходимость дальнейшего повышения эффективности технологии преобразования энергии из биомассы и загрязнение окружающей среды, которое может возникнуть при использовании энергии биомассы. Эти проблемы необходимо решать с помощью технологических инноваций и политической поддержки.

Геотермальная энергия — это тепловая энергия, хранящаяся в недрах Земли. Она может использоваться в отоплении, производстве электроэнергии, промышленном производстве и других областях путем извлечения подземной горячей воды или пара в землю через геотермальные скважины. Использование геотермальной энергии в основном включает в себя геотермальную генерацию электроэнергии и прямое использование геотермальной энергии. Геотермальная генерация электроэнергии использует тепловую энергию подземной горячей воды или пара для приведения в действие паровых турбин для выработки электроэнергии, тем самым реализуя преобразование геотермальной энергии в электрическую энергию; прямое использование геотермальной энергии напрямую использует геотермальную энергию для отопления, горячего водоснабжения, посадки в теплицах, купания в горячих источниках и других областях, что имеет преимущества высокой эффективности, защиты окружающей среды и энергосбережения.

Мир богат геотермальными энергетическими ресурсами. По оценкам, общий объем мировых геотермальных энергетических ресурсов эквивалентен 49,3 млрд тонн условного угля в год. В некоторых странах с богатыми геотермальными ресурсами, таких как Исландия, Новая Зеландия и США, геотермальная энергия широко развита и используется. Исландия является одной из стран с наиболее развитым использованием геотермальной энергии в мире. Более 80% ее энергии поступает из геотермальной энергии. Благодаря геотермальному отоплению и производству электроэнергии она достигла энергетической самодостаточности и значительно сократила выбросы парниковых газов. В 2023 году мировая мощность геотермальной генерации достигнет 15 ГВт, а установленная мощность прямой геотермальной энергии достигнет 85 ГВт. Однако развитие геотермальной энергии также сталкивается с некоторыми проблемами, такими как высокая стоимость разведки и разработки геотермальных ресурсов, большая техническая сложность и возможное воздействие геотермального развития на ресурсы подземных вод и геологическую среду. В процессе разработки необходимо усилить меры по техническим исследованиям и разработкам, а также по охране окружающей среды.

Энергия океана относится к использованию энергии, содержащейся в океане, такой как энергия приливов, волн, энергия разницы температур, энергия разницы солености и энергия океанических течений, для преобразования ее в электрическую энергию или другие формы энергии. Характеристики энергии океана - низкая плотность энергии, широкое распространение и сильная возобновляемость, но ее трудно разрабатывать и использовать. Приливная энергия использует кинетическую энергию или потенциальную энергию, генерируемую изменениями уровня приливной воды, для вращения турбин и выработки электроэнергии; энергия волн использует подъемы и спады океанских волн для преобразования энергии волн в электрическую энергию с помощью устройств преобразования энергии волн; энергия разницы температур использует разницу температур между поверхностью и глубинной морской водой океана для приведения в действие генераторов для выработки электроэнергии посредством тепловых циклов; энергия разницы солености использует разницу солености между морской и пресной водой для выработки электроэнергии посредством химических процессов; энергия океанических течений использует океанские течения для приведения в действие турбин для выработки электроэнергии.

В настоящее время разработка и использование энергии океана все еще находится в стадии разработки. Хотя в некоторых странах и регионах были проведены соответствующие исследования и пилотные проекты, в целом крупномасштабное коммерческое применение еще не достигнуто. Например, в Великобритании было построено несколько приливных электростанций, таких как Severn Estuary Tidal Power Station, и было проведено практическое исследование приливной генерации энергии; в Норвегии были проведены исследования и эксперименты по генерации энергии волн, и были достигнуты определенные технические результаты. Однако разработка энергии океана сталкивается со многими техническими трудностями, такими как низкая эффективность преобразования энергии, плохая надежность оборудования и высокие затраты на строительство и обслуживание. Необходимо и далее укреплять технологические исследования, разработки и инновации для повышения осуществимости и экономичности разработки и использования энергии океана.

Хотя различные типы систем возобновляемой энергии достигли замечательных успехов в развитии по всему миру, они по-прежнему сталкиваются со многими проблемами в процессе разработки. Во-первых, проблемы прерывистости и нестабильности возобновляемой энергии являются заметными. Солнечная фотоэлектрическая генерация энергии зависит от условий освещения. Она может генерировать электричество только при наличии солнечного света в течение дня, а выработка энергии будет колебаться в зависимости от интенсивности света и изменений погоды. Ветровая генерация энергии зависит от скорости и направления ветра. Нестабильная скорость ветра приведет к выходу ветряных турбин. Мощность сильно колеблется. Эта прерывистость и нестабильность создали огромные проблемы для стабильной работы энергосистемы, которые необходимо решать с помощью технологии накопления энергии, строительства интеллектуальной сети и многоэнергетического дополнения.

Во-вторых, стоимость разработки и использования возобновляемых источников энергии все еще относительно высока. Хотя стоимость возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия и энергия ветра, постепенно снижается с развитием технологий, она все еще недостаточно конкурентоспособна по сравнению с традиционной ископаемой энергией. Например, первоначальные инвестиционные затраты на солнечную фотоэлектрическую генерацию относительно высоки, включая затраты на покупку и установку фотоэлектрических модулей, инверторов, кронштейнов и другого оборудования, а также последующие затраты на техническое обслуживание; затраты на производство, установку и эксплуатацию и техническое обслуживание оборудования для ветрогенерации также относительно высоки. Кроме того, развитие возобновляемых источников энергии также сталкивается с ограничениями в земельных ресурсах, водных ресурсах и других аспектах, что еще больше увеличивает стоимость разработки.

Кроме того, необходимо усилить технологические инновации и подготовку кадров в области возобновляемой энергетики. Хотя в области возобновляемой энергетики был достигнут ряд технологических достижений, все еще существует множество ключевых технических вопросов, требующих дальнейшего прорыва, таких как высокоэффективная технология солнечных элементов, технология хранения энергии большой емкости, технология интеллектуальных сетей и т. д. В то же время, с быстрым развитием отрасли возобновляемой энергетики, спрос на профессиональный и технический персонал также растет. Однако текущая система подготовки соответствующих талантов недостаточно совершенна, и проблема нехватки талантов ограничивает развитие отрасли возобновляемой энергетики.

Кроме того, необходимо и дальше совершенствовать политическую поддержку и рыночный механизм для возобновляемой энергетики. Хотя правительства ввели ряд политик для поощрения развития возобновляемой энергетики, таких как политика субсидирования и политика цен на электроэнергию, подключенную к сети, все еще существуют некоторые проблемы в реализации политики, такие как недостаточное внедрение фондов субсидирования, недостаточная стабильность и устойчивость политики и т. д. Кроме того, механизм конкуренции на рынке возобновляемой энергетики недостаточно совершенен, и существуют такие проблемы, как высокие барьеры для доступа на рынок и недостаточный надзор за рынком, которые повлияли на здоровое развитие отрасли возобновляемой энергетики.

2.3 Соответствие между PLC и системами возобновляемой энергии

ПЛК хорошо совместим с системами возобновляемой энергии по многим ключевым аспектам и может эффективно удовлетворять потребности в управлении системами возобновляемой энергии, играя важную роль в повышении стабильности и эффективности системы.

С точки зрения соответствия требованиям управления, системы возобновляемой энергии требуют точного и гибкого управления из-за характеристик источников энергии. Если взять в качестве примера солнечные фотоэлектрические системы генерации электроэнергии, то такие факторы окружающей среды, как интенсивность солнечного излучения и температура, постоянно меняются, что требует от системы корректировки рабочего состояния фотоэлектрических панелей в режиме реального времени для достижения максимальной выходной мощности. Благодаря своим мощным логическим операциям и возможностям обработки данных, ПЛК может подключать различные датчики, такие как датчики освещенности, датчики температуры и т. д., для сбора данных об окружающей среде в режиме реального времени и точного расчета данных на основе предустановленных сложных алгоритмов, таких как алгоритм отслеживания точки максимальной мощности (MPPT). Рассчитать оптимальное рабочее напряжение и ток фотоэлектрических панелей и отрегулировать параметры инвертора и другого оборудования таким образом, чтобы фотоэлектрические панели всегда работали вблизи точки максимальной мощности, значительно повышая эффективность генерации электроэнергии. Согласно соответствующим исследованиям, эффективность генерации электроэнергии солнечных фотоэлектрических систем генерации электроэнергии, управляемых ПЛК, может быть увеличена на 10% – 20% по сравнению с традиционными методами управления.

В системах ветрогенерации нестабильность скорости и направления ветра является ключевым фактором, влияющим на эффективность выработки электроэнергии и безопасность оборудования. После подключения ПЛК к датчикам скорости и направления ветра он может отслеживать изменения ветровых условий в режиме реального времени. Когда скорость ветра слишком высокая или слишком низкая, ПЛК может быстро отрегулировать угол наклона ветряной турбины, изменить угол между лопастями и направлением ветра и, таким образом, отрегулировать силу на лопастях так, чтобы устройство могло работать стабильно в пределах безопасного диапазона скорости ветра; когда направление ветра меняется, ПЛК управляет системой рыскания, чтобы отрегулировать направление ветряной турбины так, чтобы она всегда была обращена к направлению ветра для достижения максимального захвата мощности. Такое точное управление может эффективно повысить эффективность использования энергии ветра, одновременно снижая риск повреждения оборудования из-за неравномерной силы и продлевая срок службы оборудования.

Для систем гидроэнергетики колебания уровня воды и расхода также оказывают важное влияние на эффективность выработки электроэнергии и стабильность работы оборудования. ПЛК подключается к датчикам уровня воды и расхода для мониторинга данных об уровне воды и расходе водохранилищ или рек в режиме реального времени. На основе этих данных ПЛК точно управляет открытием затвора и скоростью турбины. Когда уровень воды высокий, а расход большой, открытие затвора соответствующим образом увеличивается, а скорость турбины увеличивается для полного использования энергии воды; когда уровень воды низкий, а расход небольшой, открытие затвора разумно уменьшается, а скорость турбины регулируется для обеспечения безопасной работы оборудования и достижения эффективной и стабильной работы системы гидроэнергетики.

С точки зрения повышения стабильности системы, высокая надежность и функция диагностики неисправностей ПЛК играют ключевую роль. Системы возобновляемой энергии обычно устанавливаются в относительно суровых условиях, таких как ветряные электростанции в отдаленных горных районах и солнечные электростанции в пустынных районах. Оборудование сталкивается со многими проблемами, такими как высокая температура, высокая влажность и сильные электромагнитные помехи. ПЛК принимает ряд передовых мер по защите от помех оборудования и программного обеспечения, таких как фотоэлектрическая изоляция, фильтрующие схемы и технология экранирования в оборудовании, режим сканирования работы, программы обнаружения неисправностей и самодиагностики в программном обеспечении и т. д., которые могут стабильно работать в течение длительного времени в суровых условиях, чтобы гарантировать непрерывность производства энергии. Когда система выходит из строя, программа самодиагностики ПЛК может быстро обнаружить точку неисправности и вовремя отправить информацию о неисправности персоналу по эксплуатации и техническому обслуживанию через сеть связи. В то же время принимаются соответствующие меры защиты, такие как отключение и сигнализация, чтобы избежать расширения неисправностей и обеспечить безопасность системы. Например, на крупной ветряной электростанции после внедрения системы управления на основе ПЛК частота отказов оборудования снизилась на 30%-40% по сравнению с традиционной системой управления, что значительно повысило стабильность работы и надежность электростанции.

С точки зрения повышения эффективности системы, гибкое программирование и интеллектуальные возможности управления ПЛК имеют значительные преимущества. Написав эффективные программы управления, ПЛК может реализовать совместную работу между различными устройствами в системе возобновляемой энергии и оптимизировать процесс производства и передачи энергии. В системе дополнительной генерации солнечной и ветровой энергии ПЛК разумно распределяет долю солнечной и ветровой энергии на основе данных об интенсивности света и скорости ветра в реальном времени. Когда света достаточно, а скорость ветра низкая, приоритет отдается солнечной генерации; когда света недостаточно, а скорость ветра высокая, , увеличить долю ветровой генерации, реализовать дополнительные преимущества двух источников энергии и повысить общую эффективность генерации энергии системы. В то же время ПЛК также может разумно управлять хранением и распределением энергии, разумно контролировать процесс зарядки и разрядки батареи на основе спроса на электроэнергию и производства энергии, хранить избыточную электроэнергию и высвобождать ее, когда энергоснабжения недостаточно, чтобы обеспечить стабильность энергоснабжения. для дальнейшего повышения энергоэффективности.

Кроме того, PLC также обладает хорошими коммуникационными возможностями и может легко взаимодействовать и интегрироваться с другими устройствами и системами. В системах возобновляемой энергии PLC может обмениваться данными с хост-компьютерами, системами мониторинга, интеллектуальными сетями и т. д. для достижения удаленного мониторинга, анализа данных, планирования энергии и других функций. Благодаря удаленному мониторингу персонал по эксплуатации и обслуживанию может понимать рабочее состояние системы в режиме реального времени, своевременно обнаруживать и устранять проблемы, а также повышать эффективность эксплуатации и обслуживания; посредством анализа данных можно оценивать и оптимизировать эксплуатационные характеристики системы для дальнейшего повышения стабильности и эффективности системы; благодаря интеграции с интеллектуальными сетями системы возобновляемой энергии могут быть лучше интегрированы в электросеть, достигать разумного распределения и эффективного использования энергии и закладывать основу для построения интеллектуальной энергетической системы.

3. Применение ПЛК в системе солнечной энергетики

3.1 Управление отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT)

В системах генерации солнечной энергии управление отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT) является ключевой технологией для повышения эффективности генерации электроэнергии, а ПЛК играет важную роль в реализации управления MPPT благодаря своим мощным возможностям управления и вычислений.

3.1.1 Алгоритм управления MPPT

В настоящее время распространенные алгоритмы управления MPPT в основном включают метод наблюдения за возмущениями, метод приращения проводимости и метод управления нечеткой логикой и т. д. Каждый алгоритм имеет свои собственные уникальные принципы и характеристики.

Метод наблюдения возмущений — это широко используемый алгоритм MPPT с относительно простым принципом. Его основной принцип заключается в периодическом применении небольшого возмущения к рабочему напряжению или току фотоэлектрической батареи, а затем наблюдении за изменениями выходной мощности фотоэлектрической батареи. Если мощность увеличивается, продолжайте возмущение в том же направлении; если мощность уменьшается, измените направление возмущения. Взяв в качестве примера возмущение напряжения, предположив, что рабочее напряжение фотоэлектрической батареи в текущий момент равно V_k, небольшое возмущение напряжения \Delta V применяется для получения нового рабочего напряжения V_{k + 1}=V_k+\Delta V. Затем сравните выходную мощность P_k и P_{k + 1} фотоэлектрической батареи до и после возмущения. Если P_{k + 1}>P_k, следующее возмущение по-прежнему равно \Delta V; если P_{k + 1}

Метод приращения проводимости основан на характеристической кривой фотоэлектрических элементов и использует производную зависимость мощности от напряжения для достижения отслеживания точки максимальной мощности. В выходных характеристиках фотоэлектрических элементов производная первого порядка мощности от напряжения в точке максимальной мощности равна нулю, то есть \frac{dP}{dV}=0. Согласно закону Ома P = VI можно вывести, что \frac{dP}{dV}=I + V\frac{dI}{dV}. В точке максимальной мощности I + V\frac{dI}{dV}=0, то есть \frac{dI}{dV}=-\frac{I}{V}. Метод приращения проводимости определяет напряжение V и ток I фотоэлектрической батареи в реальном времени, вычисляет текущее приращение проводимости \frac{dI}{dV}, а затем сравнивает его с -\frac{I}{V}. Когда \frac{dI}{dV}>-\frac{I}{V}, это означает, что текущая рабочая точка находится слева от точки максимальной мощности и рабочее напряжение необходимо увеличить; когда \frac{dI}{dV}<-\frac{I}{V}, это означает, что текущая рабочая точка находится справа от точки максимальной мощности и рабочее напряжение необходимо уменьшить; когда \frac{dI}{dV}=-\frac{I}{V}, считается, что фотоэлектрическая батарея уже работает в точке максимальной мощности. По сравнению с методом наблюдения возмущений, метод приращения проводимости имеет более высокую точность отслеживания и более высокую скорость отклика. Он может быстрее отслеживать изменения интенсивности света и температуры и снижать потери мощности. Однако этот алгоритм требует более сложных математических операций и предъявляет высокие требования к вычислительной мощности оборудования. В практических приложениях из-за влияния таких факторов, как ошибки измерения датчика, точность отслеживания может снижаться.

Нечеткое логическое управление — это интеллектуальный алгоритм управления, основанный на теории нечеткой математики. Он имитирует образ мышления людей, преобразует точную входную величину в нечеткую величину, а затем делает выводы и решения в соответствии с заранее установленными нечеткими правилами. Наконец, нечеткий выход преобразуется в точный выход для достижения управления системой. В управлении MPPT метод нечеткого логического управления обычно использует изменение напряжения \Delta V и изменение мощности \Delta P фотоэлектрической батареи в качестве входных переменных, а регулировку напряжения \Delta V_{adj} в качестве выходной переменной. Сначала входные переменные и выходные переменные нечетко классифицируются и делятся на различные нечеткие подмножества, такие как отрицательное большое, отрицательное среднее, отрицательное малое, ноль, положительное малое, положительное среднее, положительное большое и т. д., и определяется функция принадлежности каждого нечеткого подмножества. Затем нечеткие правила формулируются на основе экспертного опыта или экспериментальных данных. Например, если \Delta V положительно и мало, а \Delta P положительно и мало, то \Delta V_{adj} равно нулю; если \Delta V положительно и мало, а \Delta P отрицательно и мало, то \Delta V_{adj} отрицательно и мало и т. д. Наконец, с помощью нечетких рассуждений и обработки дефаззификации получается точная регулировка напряжения \Delta V_{adj} для регулировки рабочего напряжения фотоэлектрической батареи. Преимущества метода управления нечеткой логикой заключаются в том, что он не требует высоких математических моделей системы, может адаптироваться к сложным и изменяющимся средам, обладает высокой надежностью и адаптивностью и может по-прежнему поддерживать хорошую производительность отслеживания, когда интенсивность света и температура резко меняются. Однако формулировка нечетких правил этого алгоритма требует богатого опыта и большого количества экспериментальных данных, а рациональность правил напрямую влияет на эффект управления. Если правила не сформулированы разумно, производительность управления может быть снижена.

3.1.2 Принцип управления MPPT, реализуемый ПЛК

Процесс реализации управления MPPT с помощью ПЛК — это процесс, который тесно объединяет аппаратное и программное обеспечение, чтобы в полной мере использовать возможности обработки данных и логического управления. На аппаратном уровне ПЛК необходимо установить соединения с различными датчиками и исполнительными механизмами для получения точных данных в реальном времени и достижения точного управления соответствующим оборудованием. Подключившись к датчику освещенности, ПЛК может получать информацию об интенсивности света в реальном времени. Интенсивность света является одним из ключевых факторов, влияющих на выходную мощность солнечной панели. При различной интенсивности света оптимальная рабочая точка солнечной панели также будет соответственно меняться; с температурой Подключение датчика может контролировать температуру окружающей среды в реальном времени, поскольку температура также оказывает существенное влияние на производительность солнечных панелей. По мере повышения температуры напряжение холостого хода солнечной панели будет уменьшаться, а ток короткого замыкания немного увеличится, тем самым влияя на ее выходную мощность.

Кроме того, ПЛК необходимо подключить к датчику напряжения и датчику тока для сбора выходного напряжения и тока солнечной панели в режиме реального времени. Эти датчики передают собранные аналоговые сигналы в ПЛК, а ПЛК преобразует аналоговые сигналы в цифровые сигналы через свой внутренний модуль аналогового ввода для последующей обработки и анализа. С точки зрения исполнительных механизмов, ПЛК в основном управляет рабочим состоянием инвертора. Инвертор является ключевым устройством в системе генерации солнечной энергии. Его функция заключается в преобразовании выходной мощности постоянного тока солнечной панели в мощность переменного тока для использования нагрузки или для подключения к электросети. ПЛК регулирует рабочее напряжение и ток солнечной панели, управляя частотой переключения, рабочим циклом и другими параметрами инвертора, тем самым реализуя управление MPPT.

На программном уровне ПЛК пишет соответствующую программу в соответствии с выбранным алгоритмом управления MPPT. Если взять в качестве примера метод наблюдения за возмущениями, то программа ПЛК сначала считывает выходное напряжение V_k и ток I_k текущей солнечной панели, собранные датчиком, и вычисляет текущую выходную мощность P_k = V_kI_k. Затем, в соответствии с заданным размером шага возмущения \Delta V, рабочее напряжение возмущено для получения нового напряжения V_{k + 1}=V_k+\Delta V, и солнечная панель управляется для работы на новом напряжении путем управления инвертором. Снова считывает выходное напряжение V_{k + 1} и ток I_{k + 1} и вычисляет новую выходную мощность P_{k + 1}=V_{k + 1}I_{k + 1}. Сравните размер P_{k + 1} и P_k. Если P_{k + 1}>P_k, это означает, что текущее направление возмущения верное и возмущение продолжится в том же направлении в следующий раз. Если P_{k + 1}

Для метода приращения проводимости после считывания данных о напряжении и токе программа ПЛК вычислит приращение проводимости тока \frac{dI}{dV} и -\frac{I}{V} и сравнит их. Согласно результатам сравнения рабочее напряжение солнечной панели регулируется путем управления инвертором, чтобы приблизить его к точке максимальной мощности. Программная реализация метода управления нечеткой логикой более сложна. ПЛК необходимо запрограммировать в соответствии с этапами фаззификации, нечеткого рассуждения и дефаззификации. Сначала изменение входного напряжения \Delta V и изменение мощности \Delta P фаззифицируются, и их принадлежность к каждому нечеткому подмножеству определяется в соответствии с предустановленной функцией принадлежности; затем нечеткие правила используются для рассуждений для получения нечеткого выхода; наконец, нечеткий выход преобразуется в точную регулировку напряжения \Delta V_{adj} посредством дефаззификации, и рабочее напряжение солнечной панели регулируется путем управления инвертором.

3.1.3 Влияние на повышение эффективности генерации солнечной энергии

Реализуемое ПЛК управление MPPT играет значительную роль в повышении эффективности солнечной генерации, что в основном отражается в следующих аспектах.

Улучшение использования энергии является его самой прямой и важной ролью. В реальном процессе генерации солнечной энергии факторы окружающей среды, такие как интенсивность света и температура, постоянно меняются, что приводит к постоянному изменению максимальной точки мощности солнечной панели. Если солнечные панели не всегда могут работать в максимальной точке мощности, большое количество солнечной энергии не может быть эффективно преобразовано в электрическую энергию, что приводит к потере энергии. Благодаря управлению MPPT ПЛК может отслеживать максимальную точку мощности солнечной панели в реальном времени и вовремя корректировать ее рабочее состояние в соответствии с изменениями окружающей среды, чтобы гарантировать, что солнечная панель всегда вырабатывает электроэнергию с максимальной эффективностью. Соответствующие данные исследований и практического применения показывают, что эффективность генерации электроэнергии солнечной системы генерации электроэнергии с использованием ПЛК для достижения управления MPPT может быть увеличена на 10% – 30% по сравнению с системой без управления MPPT. Например, в проекте генерации солнечной энергии, когда управление MPPT не использовалось, средняя эффективность генерации электроэнергии солнечных панелей составляла 15%. После внедрения управления MPPT, реализованного с помощью ПЛК, эффективность выработки электроэнергии возросла до 20%, а коэффициент использования энергии значительно улучшился.

Сокращение системных затрат также является одним из важных преимуществ PLC для достижения управления MPPT. С одной стороны, благодаря повышению эффективности выработки электроэнергии количество используемых солнечных панелей может быть сокращено при удовлетворении того же спроса на электроэнергию. Солнечные панели являются основным компонентом затрат солнечных систем выработки электроэнергии, и сокращение их использования может напрямую снизить первоначальные инвестиционные затраты системы. С другой стороны, эффективное производство электроэнергии означает, что больше электроэнергии может быть произведено за то же время, тем самым снижая зависимость от других резервных источников энергии, снижая затраты на закупку энергии и требования к емкости оборудования для хранения энергии, а также дополнительно снижая общую стоимость системы.

Не следует игнорировать повышенную стабильность и надежность системы. В традиционных системах генерации солнечной энергии, поскольку точка максимальной мощности не может отслеживаться в режиме реального времени, при внезапном изменении факторов окружающей среды, таких как интенсивность света и температура, выходная мощность солнечной панели будет сильно колебаться, что не только повлияет на нормальную работу нагрузки, но и может привести к повреждению другого оборудования в системе. Управление MPPT, реализованное ПЛК, может быстро реагировать на изменения окружающей среды, вовремя корректировать рабочее состояние солнечной панели, поддерживать относительно стабильную выходную мощность, эффективно снижать влияние колебаний мощности на систему и повышать стабильность и надежность системы. В то же время функции диагностики и защиты неисправностей ПЛК могут контролировать рабочее состояние системы в режиме реального времени. Как только обнаруживается ненормальная ситуация, соответствующие меры защиты могут быть приняты вовремя, такие как отключение и сигнализация, чтобы избежать расширения неисправности и обеспечить безопасную работу системы.

3.2 Управление хранением энергии аккумулятора

В системах солнечной энергетики управление накоплением энергии аккумуляторными батареями является ключевым звеном для обеспечения стабильного энергоснабжения и повышения эффективности использования энергии, а ПЛК играет важную роль в этом процессе.

3.2.1 ПЛК управляет процессом заряда и разряда аккумулятора

Управление зарядкой и разрядкой аккумулятора с помощью ПЛК — это высокоинтеллектуальный и точный процесс, включающий множество ключевых связей и технических моментов. В процессе зарядки ПЛК сначала получает информацию о текущем состоянии аккумулятора в режиме реального времени через различные подключенные датчики, такие как датчики напряжения, датчики тока и датчики температуры, включая параметры напряжения, тока, остаточной емкости (SOC) и температуры аккумулятора. Эти параметры имеют решающее значение для точной оценки состояния заряда аккумулятора и обеспечения безопасности и эффективности процесса зарядки.

Согласно полученной информации о состоянии батареи, ПЛК точно контролирует рабочее состояние зарядного оборудования (например, зарядного устройства или инвертора) на основе предустановленной стратегии и алгоритма зарядки. Обычные стратегии зарядки включают зарядку постоянным током, зарядку постоянным напряжением и поэтапную зарядку. На этапе зарядки постоянным током ПЛК управляет зарядным оборудованием для зарядки батареи постоянным током, а напряжение батареи постепенно увеличивается; когда напряжение батареи достигает определенного значения, она переходит на этап зарядки постоянным напряжением, и ПЛК регулирует зарядное оборудование для поддержания постоянного напряжения зарядки, а ток зарядки постепенно уменьшается до тех пор, пока батарея не будет полностью заряжена. Поэтапная стратегия зарядки объединяет преимущества зарядки постоянным током и постоянным напряжением, делит процесс зарядки на несколько этапов и гибко настраивается в соответствии с различными состояниями батареи для повышения эффективности зарядки и продления срока службы батареи.

Например, когда ПЛК обнаруживает, что напряжение батареи низкое и оставшийся заряд низкий, он будет управлять зарядным устройством для быстрой зарядки большим постоянным током, чтобы пополнить батарею как можно быстрее; когда напряжение батареи близко к состоянию полного заряда, ПЛК автоматически переключится в режим зарядки постоянным напряжением, чтобы уменьшить ток зарядки, избежать перезарядки батареи и защитить производительность и срок службы батареи. В то же время, во время процесса зарядки, ПЛК будет контролировать температуру батареи в реальном времени. Если температура слишком высока, ПЛК примет соответствующие меры охлаждения, такие как уменьшение тока зарядки или приостановка зарядки, чтобы гарантировать, что батарея заряжается в безопасном диапазоне температур.

В процессе разрядки ПЛК также играет ключевую роль управления. Он отслеживает выходное напряжение и ток батареи, а также потребляемую мощность нагрузки в режиме реального времени. На основе этой информации ПЛК управляет инвертором и другим оборудованием для преобразования постоянного тока, хранящегося в батарее, в переменный ток и выдает его на нагрузку. Чтобы обеспечить безопасную разрядку батареи и продлить срок ее службы, ПЛК строго контролирует глубину разряда (DOD) батареи. Глубина разряда относится к отношению объема разряда батареи к номинальной емкости батареи. Слишком высокая глубина разряда ускорит старение и повреждение батареи. Поэтому, когда батарея разряжается до определенной степени, ПЛК примет соответствующие меры в соответствии с заданным пороговым значением глубины разряда, например, попросит пользователя зарядить, ограничит потребление мощности нагрузкой или переключится на другие методы подачи энергии.

Кроме того, ПЛК будет динамически регулировать мощность разряда батареи в соответствии с изменениями нагрузки. Когда потребность в нагрузке велика, ПЛК будет управлять батареей для вывода большей мощности для удовлетворения потребности в мощности нагрузки; когда потребность в нагрузке мала, ПЛК уменьшит мощность разряда батареи, чтобы избежать чрезмерной разрядки батареи и повысить энергоэффективность. Например, в период низкого энергопотребления ночью, если потребность в нагрузке мала, ПЛК уменьшит мощность разряда батареи и сохранит излишки электроэнергии для последующего использования; а в период пикового потребления энергии днем, когда генерация солнечной энергии недостаточна, а потребность в нагрузке велика, ПЛК будет управлять батареей для увеличения мощности разряда, чтобы обеспечить нормальную работу нагрузки.

3.2.2 Влияние на продление срока службы батареи

PLC оказывает множество положительных эффектов на продление срока службы аккумулятора, в основном за счет предотвращения перезарядки и чрезмерной разрядки, оптимизации стратегий зарядки и разрядки, а также мониторинга и защиты в режиме реального времени.

Избежание перезаряда и чрезмерной разрядки является одним из ключевых факторов продления срока службы батареи, и ПЛК может эффективно избежать этой проблемы с помощью точного управления. Во время процесса зарядки, когда напряжение батареи достигает установленного значения напряжения полной зарядки, ПЛК оперативно управляет зарядным оборудованием, чтобы остановить зарядку, чтобы предотвратить перезарядку батареи. Избыточная зарядка вызовет дисбаланс химической реакции внутри батареи, выработает избыточное тепло, ускорит старение и повреждение пластин батареи и сократит срок службы батареи. Во время процесса разрядки, когда напряжение батареи падает до установленного минимального значения напряжения разрядки, ПЛК немедленно отключит цепь разрядки, чтобы избежать чрезмерной разрядки батареи. Избыточная разрядка приведет к сульфидированию пластин батареи, снижению емкости и производительности батареи и даже к утилизации батареи в тяжелых случаях. Благодаря точному управлению ПЛК он может гарантировать, что батарея всегда работает в безопасном диапазоне заряда и разряда, тем самым эффективно продлевая срок службы батареи.

Оптимизация стратегии зарядки и разрядки является еще одним важным средством для PLC для продления срока службы батареи. Различные типы батарей имеют разные характеристики и оптимальные условия зарядки и разрядки. PLC может разрабатывать и внедрять персонализированные стратегии зарядки и разрядки в соответствии с типом батареи (например, свинцово-кислотная батарея, литиевая батарея и т. д.) и сценарием использования. Для свинцово-кислотных батарей принята поэтапная стратегия зарядки, сначала быстрая зарядка большим током, затем постепенное снижение тока и, наконец, пополнение мощности с помощью подзарядки малым током, что может эффективно повысить эффективность зарядки, уменьшить нагрев батареи и продлить срок службы батареи. Для литиевых батарей, из-за их высоких требований к точности зарядного напряжения и тока, PLC примет более точную стратегию зарядки постоянным током и постоянным напряжением, чтобы строго контролировать изменения напряжения и тока во время процесса зарядки, чтобы обеспечить безопасность и производительность литиевых батарей. В то же время PLC также будет динамически корректировать стратегию зарядки и разрядки в соответствии с такими факторами, как частота использования батареи и температура окружающей среды, чтобы еще больше оптимизировать производительность и срок службы батареи.

Мониторинг и защита в реальном времени являются важными функциями ПЛК для обеспечения срока службы батареи. Подключая различные датчики, ПЛК может контролировать напряжение батареи, ток, температуру, остаточный заряд и другие параметры в реальном времени, а также анализировать и обрабатывать эти данные. Как только состояние батареи становится ненормальным, например, напряжение слишком высокое или слишком низкое, ток слишком большой, температура слишком высокая и т. д., ПЛК немедленно выдает сигнал тревоги и принимает соответствующие защитные меры, такие как прекращение зарядки и разрядки, запуск устройства отвода тепла и т. д. Например, когда обнаруживается, что температура батареи слишком высокая, ПЛК автоматически снижает ток зарядки или приостанавливает зарядку и запускает охлаждающий вентилятор для охлаждения батареи, чтобы избежать повреждения батареи из-за высокой температуры. Кроме того, ПЛК также может регистрировать данные истории заряда и разряда батареи и посредством анализа этих данных прогнозировать состояние работоспособности батареи и оставшийся срок службы, обеспечивать основу для обслуживания и замены батареи, а также заранее принимать меры, чтобы избежать влияния отказов батареи на работу системы.

3.2.3 Оптимизация управления хранением энергии

ПЛК играет важную роль в оптимизации управления хранением энергии, главным образом в координации распределения энергии, повышении эффективности ее использования и реализации интеллектуального мониторинга и планирования.

С точки зрения координации распределения энергии, PLC может достичь разумного распределения энергии и планирования на основе выработки электроэнергии в реальном времени солнечной электроэнергетической системой, состояния накопления энергии в аккумуляторе и потребности в мощности нагрузки. Когда солнца достаточно в течение дня, электричество, вырабатываемое солнечными панелями, не только покроет потребность в мощности текущей нагрузки, но и избыточное электричество будет контролироваться PLC и храниться в аккумуляторе. Когда выработки солнечной энергии недостаточно или нет солнечного света ночью, PLC будет управлять аккумулятором для разрядки и обеспечивать поддержку мощности для нагрузки. В то же время PLC может также оптимизировать стратегию распределения энергии в соответствии с политикой цен на электроэнергию электросети и привычками потребления электроэнергии пользователями. В периоды низких цен на электроэнергию электросеть используется сначала для зарядки аккумулятора; в периоды высоких цен на электроэнергию энергия, накопленная в аккумуляторе, используется для питания нагрузки, тем самым снижая расходы пользователя на электроэнергию.

Повышение энергоэффективности является важной целью PLC для оптимизации управления хранением энергии. Точно контролируя процесс зарядки и разрядки батареи, PLC может сократить потери энергии во время преобразования и хранения. В процессе зарядки принимается эффективная стратегия зарядки для сокращения времени зарядки и потерь энергии; в процессе разрядки мощность разряда динамически регулируется в соответствии с потребностью нагрузки, чтобы избежать потерь энергии. Кроме того, PLC может также реализовать скоординированную работу систем генерации солнечной энергии и других энергетических систем (таких как системы генерации ветровой энергии, системы генерации энергии из биомассы и т. д.), в полной мере использовать преимущества различных энергетических систем, реализовать дополнительное использование энергии и дополнительно повысить эффективность использования энергии.

Интеллектуальный мониторинг и планирование являются ключевыми функциями ПЛК для оптимизации управления хранением энергии. Подключившись к хост-компьютеру, системе мониторинга или облачной платформе, ПЛК может загружать данные о работе системы генерации солнечной энергии и системы хранения энергии аккумуляторной батареи в режиме реального времени в центр мониторинга для реализации удаленного мониторинга и управления. Персонал по эксплуатации и техническому обслуживанию может понимать выработку электроэнергии системой, состояние батареи, потребление энергии нагрузкой и другую информацию в режиме реального времени через интерфейс мониторинга, а также выполнять удаленную работу и планирование в соответствии с фактической ситуацией. В то же время ПЛК также может реализовывать функцию интеллектуального планирования в соответствии с предустановленными правилами и алгоритмами. Когда обнаруживается, что заряд батареи слишком низкий, а выработка солнечной энергии недостаточна, ПЛК может автоматически запустить резервный источник питания (например, дизельный генератор и т. д.), чтобы обеспечить нормальное питание нагрузки; когда система выходит из строя, ПЛК может вовремя подать сигнал тревоги и принять соответствующие меры защиты, а также загрузить информацию о неисправности в центр мониторинга, что удобно для персонала по эксплуатации и техническому обслуживанию для быстрого устранения неисправностей и устранения неисправности.

3.3 Сбор данных и удаленный мониторинг

В системах солнечной энергетики ПЛК играет ключевую роль в сборе данных и удаленном мониторинге, обеспечивая надежную поддержку эффективной и стабильной работы системы.

3.3.1 Сбор данных

PLC может собирать многомерные данные о системе солнечной генерации в режиме реального времени посредством тесной связи с различными датчиками. Эти датчики подобны «сенсорным органам» системы, предоставляя PLC богатую и точную информацию, так что PLC может полностью понять рабочее состояние системы.

Датчики интенсивности света являются важной частью сбора данных. Они могут точно измерять интенсивность солнечного света, что является одним из ключевых факторов, влияющих на эффективность генерации электроэнергии солнечными панелями. При разной интенсивности света выходная мощность солнечных панелей будет существенно отличаться. Собирая данные об интенсивности света, ПЛК может точно определять оптимальное рабочее состояние солнечных панелей на основе предустановленных алгоритмов и других параметров, таких как температура, напряжение и ток солнечных панелей, тем самым достигая отслеживания точки максимальной мощности (MPPT). ) управления, чтобы гарантировать, что солнечные панели всегда вырабатывают электроэнергию с максимальной эффективностью.

Датчики температуры также незаменимы. Температура оказывает важное влияние на производительность солнечных панелей. По мере повышения температуры напряжение холостого хода солнечной панели будет уменьшаться, а ток короткого замыкания немного увеличится, что приведет к изменению ее выходной мощности. ПЛК контролирует температуру солнечной панели в режиме реального времени, подключаясь к датчику температуры. Когда температура превышает нормальный диапазон, ПЛК может принять соответствующие меры, такие как запуск устройства отвода тепла, чтобы уменьшить влияние температуры на производительность панели и обеспечить ее стабильную работу.

Датчик напряжения и датчик тока используются для сбора выходного напряжения и тока солнечной панели в режиме реального времени. Эти данные являются не только ключевыми параметрами для расчета выходной мощности солнечной панели, но и важной основой для оценки того, является ли рабочее состояние солнечной панели нормальным. На основе собранных данных о напряжении и токе в сочетании с другой информацией датчика ПЛК может оперативно обнаружить, есть ли неисправность в солнечной панели, например, обрыв цепи, короткое замыкание и т. д., и принять соответствующие меры защиты, например, отключить цепь, включить сигнализацию и т. д., чтобы избежать расширения неисправности и обеспечить безопасную работу системы.

Кроме того, в системе солнечной генерации с системой хранения энергии на основе аккумулятора ПЛК также подключается к датчику состояния аккумулятора для сбора таких параметров, как напряжение аккумулятора, ток, остаточная емкость (SOC) и температура в режиме реального времени. Эти параметры имеют решающее значение для точного управления процессом зарядки и разрядки аккумулятора. Контролируя состояние аккумулятора в режиме реального времени, ПЛК может разумно корректировать стратегию зарядки и разрядки в соответствии с остаточной емкостью аккумулятора и потребностью в нагрузке, гарантируя, что аккумулятор работает в безопасном состоянии, продлевая срок службы аккумулятора и обеспечивая стабильное энергоснабжение системы.

3.3.2 Удаленный мониторинг

Сочетание ПЛК и системы удаленного мониторинга значительно упростило управление системой генерации солнечной энергии и позволило реализовать управление в режиме реального времени и удаленное управление рабочим состоянием системы.

С точки зрения аппаратного подключения, ПЛК подключается к сети через коммуникационный модуль, который поддерживает несколько протоколов связи, таких как Ethernet, RS485, Modbus и т. д., для адаптации к различным сетевым средам и требованиям к подключению устройств. Через Ethernet-связь ПЛК может быстро и стабильно передавать собранные данные на сервер удаленного центра мониторинга; связь RS485 подходит для некоторых сценариев с требованиями к расстоянию и стоимости связи и может реализовать надежную связь между ПЛК и несколькими удаленными устройствами; протокол Modbus, как широко используемый промышленный протокол связи, имеет широкую совместимость и универсальность, что позволяет ПЛК обмениваться данными с различными устройствами, поддерживающими протокол Modbus.

Система удаленного мониторинга обычно состоит из хост-компьютера, программного обеспечения для мониторинга и облачной платформы в центре мониторинга. Как основное устройство системы мониторинга, хост-компьютер отвечает за прием и обработку данных от ПЛК и представление данных персоналу по эксплуатации и техническому обслуживанию в интуитивно понятном интерфейсе. Программное обеспечение для мониторинга предоставляет множество функций, таких как отображение данных в реальном времени, запрос исторических данных, генерация отчетов, управление сигналами тревоги и т. д. Персонал по эксплуатации и техническому обслуживанию может просматривать различные рабочие параметры системы генерации солнечной энергии, такие как выработка электроэнергии, мощность, напряжение, ток и т. д., а также рабочее состояние оборудования, например, правильно ли работают солнечные панели и стабильно ли работает инвертор и т. д. через интерфейс программного обеспечения для мониторинга.

Применение облачной платформы еще больше расширяет сферу и функции удаленного мониторинга. С помощью облачной платформы персонал по эксплуатации и обслуживанию может получить доступ к системе мониторинга через Интернет в любое время и в любом месте для реализации удаленного мониторинга и управления системой генерации солнечной энергии. Будь то в офисе, дома или в дороге, при наличии сетевого подключения персонал по эксплуатации и обслуживанию может использовать мобильные телефоны, планшеты или компьютеры и другие устройства для понимания работы системы в режиме реального времени, а также для своевременного обнаружения и устранения проблем. В то же время облачная платформа также имеет функции хранения и анализа данных, которые могут хранить и анализировать большой объем исторических данных, обеспечивая поддержку данных для оптимизации работы системы и прогнозирования неисправностей.

При возникновении нештатной ситуации в системе ПЛК оперативно отправляет информацию о тревоге в систему удаленного мониторинга. Программное обеспечение для мониторинга немедленно подает звуковой сигнал и напоминало об этом персоналу по эксплуатации и обслуживанию с помощью звука, всплывающих окон и т. д. В то же время информация о тревоге будет содержать подробное описание неисправности, а также время и место возникновения неисправности, помогая персоналу по эксплуатации и обслуживанию быстро найти и решить проблему. Персонал по эксплуатации и обслуживанию может удаленно управлять системой на основе информации о тревоге, например, просматривать подробные параметры неисправного оборудования, регулировать рабочее состояние оборудования, запускать или останавливать соответствующее оборудование и т. д., чтобы как можно скорее восстановить нормальную работу системы.

3.3.3 Значение для управления и обслуживания системы

Функции сбора данных и удаленного мониторинга имеют огромное значение для управления и обслуживания систем солнечной энергетики, значительно повышая эффективность управления и уровень обслуживания системы.

Повышение эффективности управления является одним из важных проявлений. Благодаря сбору данных в реальном времени и удаленному мониторингу персонал по эксплуатации и обслуживанию может полностью понять рабочее состояние системы генерации солнечной энергии без необходимости личного посещения объекта. Это позволяет персоналу по эксплуатации и обслуживанию быть в курсе важной информации, такой как выработка электроэнергии системой, состояние оборудования и распределение энергии, чтобы они могли принимать решения и более эффективно распределять ее. Например, когда интенсивность света изменяется, персонал по эксплуатации и обслуживанию может вовремя корректировать рабочее состояние солнечных панелей в соответствии с данными в реальном времени, чтобы гарантировать, что система всегда поддерживает эффективную выработку электроэнергии; когда потребность в нагрузке изменяется, персонал по эксплуатации и обслуживанию может разумно распределять энергию в соответствии со статусом накопления энергии аккумулятора и выработкой электроэнергии, чтобы обеспечить нормальную работу нагрузки. В то же время функции запроса исторических данных и генерации отчетов, предоставляемые системой удаленного мониторинга, облегчают персоналу по эксплуатации и обслуживанию анализ и обобщение рабочих данных системы, обеспечивая основу для формулирования научных стратегий управления.

Сокращение расходов на техническое обслуживание также является важным преимуществом функций сбора данных и удаленного мониторинга. Традиционный метод обслуживания систем солнечной генерации требует, чтобы персонал по эксплуатации и обслуживанию регулярно посещал место для осмотра и обслуживания, что не только потребляет много рабочей силы, материальных ресурсов и времени, но и затрудняет обслуживание систем генерации электроэнергии в некоторых отдаленных районах. Благодаря удаленному мониторингу персонал по эксплуатации и обслуживанию может контролировать рабочее состояние системы в режиме реального времени и своевременно обнаруживать потенциальные неисправности. При возникновении неисправности персонал по эксплуатации и обслуживанию может заранее подготовить инструменты для обслуживания и запасные части на основе подробной информации о неисправностях, предоставленной системой удаленного мониторинга, и выполнить целевой ремонт, что значительно сокращает время устранения неисправностей, уменьшает количество ненужных проверок на месте и снижает расходы на техническое обслуживание.

Повышение надежности и стабильности системы является ключевым значением функций сбора данных и удаленного мониторинга. Благодаря сбору и анализу данных в реальном времени ПЛК может оперативно обнаруживать ненормальные условия в системе и принимать соответствующие защитные меры, чтобы избежать возникновения и расширения неисправностей. Например, когда обнаруживается, что температура солнечной панели слишком высокая, ПЛК может автоматически запустить устройство отвода тепла, чтобы предотвратить повреждение панели из-за перегрева; когда обнаруживается, что выходное напряжение инвертора ненормальное, ПЛК может вовремя отключить цепь, чтобы защитить безопасность оборудования. В то же время функция сигнализации системы удаленного мониторинга позволяет персоналу по эксплуатации и техническому обслуживанию узнавать о сбое системы в первый раз, вовремя устранять его, обеспечивать стабильную работу системы и повышать надежность энергоснабжения.

3.4 Пример применения: применение ПЛК на солнечной электростанции

Для того чтобы более интуитивно и глубоко понять фактический эффект применения и экономические преимущества PLC в системах солнечной энергетики, в этом разделе в качестве примера для подробного анализа будет взята солнечная электростанция. Солнечная электростанция расположена в [определенном географическом месте], занимает площадь [X] квадратных метров, имеет установленную мощность [X] МВт и является одним из важных местных проектов по производству электроэнергии из возобновляемых источников.

В этой солнечной электростанции ПЛК широко используется во многих ключевых связях и играет незаменимую роль. С точки зрения управления отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT) принят алгоритм управления приращением проводимости MPPT на основе ПЛК. ПЛК получает параметры рабочей среды и выходные электрические параметры солнечных панелей в режиме реального времени, тесно соединяясь с датчиками освещенности, датчиками температуры, датчиками напряжения и датчиками тока. В реальном процессе работы, когда интенсивность света изменяется, ПЛК может быстро реагировать, точно рассчитывать приращение проводимости \frac{dI}{dV} и -\frac{I}{V} в соответствии с собранными данными о напряжении и токе и сравнивать их. Например, в определенный момент интенсивность света внезапно увеличивается. После того, как ПЛК обнаруживает изменение напряжения и тока, он вычисляет и определяет, что текущая рабочая точка находится слева от точки максимальной мощности, поэтому он вовремя корректирует параметры управления инвертора, чтобы увеличить рабочее напряжение солнечной панели и приблизить его к точке максимальной мощности. Благодаря этому точному методу управления солнечные панели этой солнечной электростанции могут всегда поддерживать высокую эффективность выработки электроэнергии в различных условиях освещенности и температуры.

По сравнению с аналогичными солнечными электростанциями, которые не используют PLC для управления MPPT, эффективность выработки электроэнергии этой электростанции была значительно улучшена. Согласно фактическим данным статистики эксплуатации, при тех же условиях освещения и окружающей среды годовая выработка электроэнергии этой электростанции увеличилась примерно на 15% по сравнению с электростанцией, которая не использовала управление PLC-MPPT. Это означает, что электростанция может использовать меньше солнечных панелей для удовлетворения того же спроса на электроэнергию, тем самым снижая первоначальные инвестиционные затраты. В то же время, из-за повышения эффективности выработки электроэнергии, больше электроэнергии вырабатывается за то же время, что снижает зависимость от других резервных источников энергии и дополнительно снижает затраты на закупку энергии.

PLC также играет ключевую роль в управлении хранением энергии батареи. Электростанция оснащена системой хранения энергии батареи большой емкости для хранения избыточного электричества для удовлетворения спроса на электроэнергию ночью или при недостаточном освещении. PLC точно контролирует процесс зарядки и разрядки батареи, отслеживая в реальном времени параметры батареи, такие как напряжение, ток, остаточная емкость (SOC) и температура. Во время процесса зарядки, когда напряжение батареи низкое, а остаточная емкость мала, PLC управляет зарядным оборудованием для быстрой зарядки большим постоянным током; когда напряжение батареи близко к состоянию полного заряда, он автоматически переключается в режим зарядки постоянным напряжением, чтобы уменьшить ток зарядки и избежать перезарядки батареи. Во время процесса разрядки PLC динамически регулирует мощность разряда батареи в соответствии с потребностью в мощности нагрузки и остаточной емкостью батареи, чтобы гарантировать, что батарея работает в безопасном диапазоне глубины разряда и продлевает срок службы батареи.

Благодаря точному управлению PLC срок службы батареи электростанции был эффективно продлен. Согласно статистике, цикл замены батареи этой электростанции был продлен примерно на 20% по сравнению с электростанциями, которые не используют управление PLC, что значительно снижает стоимость замены батареи. В то же время, поскольку PLC может оптимизировать стратегию распределения энергии в соответствии с политикой цен на электроэнергию электросети и привычками пользователя в использовании электроэнергии, он будет отдавать приоритет использованию мощности сети для зарядки батареи в периоды низких цен на электроэнергию; в периоды высоких цен на электроэнергию он будет использовать электроэнергию, накопленную в батарее, для питания нагрузки, тем самым снижая расходы пользователя на электроэнергию.

Что касается сбора данных и удаленного мониторинга, ПЛК подключается к сети через коммуникационный модуль, а собранные эксплуатационные данные солнечной электрогенерирующей системы, такие как интенсивность света, температура, напряжение, ток, выработка электроэнергии и т. д., передаются на сервер удаленного центра мониторинга в режиме реального времени. Система удаленного мониторинга состоит из хост-компьютера, программного обеспечения мониторинга и облачной платформы центра мониторинга. Персонал по эксплуатации и обслуживанию может просматривать рабочее состояние электростанции в режиме реального времени через интерфейс программного обеспечения мониторинга, а также своевременно находить и устранять проблемы. Например, когда в системе возникает ненормальная ситуация, ПЛК вовремя отправляет информацию о тревоге в удаленную систему мониторинга, а программное обеспечение мониторинга немедленно выдает сигнал тревоги, чтобы напомнить об этом персоналу по эксплуатации и обслуживанию. Персонал по эксплуатации и обслуживанию может управлять системой удаленно в соответствии с информацией о тревоге, например, просматривать подробные параметры неисправного оборудования, регулировать рабочее состояние оборудования, запускать или останавливать соответствующее оборудование и т. д., чтобы как можно скорее восстановить нормальную работу системы.

Благодаря функциям сбора данных и удаленного мониторинга эффективность управления электростанцией значительно повысилась, а расходы на техническое обслуживание существенно сократились. Персоналу по эксплуатации и обслуживанию не нужно часто выезжать на место для осмотров, что сокращает трату рабочей силы, материальных ресурсов и времени. В то же время, посредством анализа исторических данных, менеджеры электростанции могут оптимизировать стратегию работы системы и дополнительно повысить эффективность выработки электроэнергии и эффективность использования энергии.

Подводя итог, можно сказать, что некая солнечная электростанция достигла замечательных результатов с точки зрения эффективности генерации электроэнергии, срока службы батареи, эффективности управления и экономических выгод, применив технологию PLC. Это полностью доказывает, что применение PLC в системах генерации солнечной энергии имеет важное значение и широкие перспективы, а также предоставляет полезную справочную информацию для строительства и эксплуатации других солнечных электростанций.

4. Применение ПЛК в системе ветрогенерации

4.1 Мониторинг и контроль скорости и направления ветра

В системах ветрогенерации скорость и направление ветра являются ключевыми факторами, влияющими на эффективность выработки электроэнергии и безопасность оборудования. ПЛК подключает датчики для точного контроля скорости и направления ветра и гибко регулирует рабочие параметры ветровой турбины на основе результатов мониторинга для обеспечения эффективной и стабильной работы ветровой турбины.

Мониторинг скорости и направления ветра является основой всего процесса управления. Мониторинг скорости ветра обычно использует датчики скорости ветра. Обычные датчики скорости ветра включают датчики с горячей проволокой, ультразвуковые датчики и роторные датчики. Датчики скорости ветра с горячей проволокой используют соотношение между скоростью рассеивания тепла нагревательным элементом и скоростью ветра для измерения скорости ветра. Когда скорость ветра изменяется, скорость рассеивания тепла нагревательным элементом изменяется, что приводит к изменению его сопротивления. Скорость ветра можно рассчитать, измерив изменение значения сопротивления. Ультразвуковой датчик скорости ветра использует принцип, согласно которому при распространении ультразвуковых волн в воздухе скорость их распространения будет зависеть от скорости ветра для измерения скорости ветра. Скорость ветра рассчитывается путем измерения разницы во времени распространения ультразвуковых волн в разных направлениях. Ротационный датчик скорости ветра обычно состоит из ветрового стакана и вращающегося вала. Ветровый стакан вращается под действием силы ветра, и его скорость пропорциональна скорости ветра. Измеряя скорость ветрового стакана, можно получить скорость ветра после преобразования. Эти датчики скорости ветра преобразуют измеренный сигнал скорости ветра в электрический сигнал, например аналоговый сигнал напряжения или импульсный сигнал, а затем передают его на входной модуль ПЛК.

Мониторинг направления ветра в основном опирается на датчики направления ветра. Обычные датчики направления ветра включают в себя тип флюгера и тип электронного компаса. Датчик направления ветра типа флюгера определяет направление ветра по направлению флюгера в ветре. Флюгер подключен к потенциометру или энкодеру. Когда направление ветра меняется, флюгер вращается, заставляя потенциометр или энкодер выдавать соответствующий электрический сигнал, который соответствует углу направления ветра. Датчик направления ветра типа электронного компаса использует характеристики магнитного поля Земли для измерения направления ветра. Встроенный магнитный датчик определяет направление магнитного поля, получает информацию о направлении ветра с помощью обработки сигнала и расчета алгоритма, преобразует ее в электрический сигнал и выводит на ПЛК.

После получения сигнала от датчика скорости и направления ветра ПЛК сначала обрабатывает и преобразует сигнал. Для аналоговых сигналов, таких как аналоговые сигналы напряжения, ПЛК преобразует их в цифровые величины через аналоговые входные модули для последующих вычислений и обработки; для импульсных сигналов ПЛК подсчитывает и измеряет частоту через функциональные модули, такие как высокоскоростные счетчики, для получения соответствующих данных о скорости и направлении ветра. Затем ПЛК регулирует рабочие параметры вентилятора в соответствии с заданной стратегией управления и алгоритмом.

Когда скорость ветра ниже начальной скорости ветра ветряной турбины, ветряная турбина находится в режиме ожидания, а ПЛК управляет углом наклона ветряной турбины, чтобы поддерживать определенный угол для снижения сопротивления лопастей. В то же время он отслеживает изменение скорости ветра и ждет, пока скорость ветра достигнет начальных условий. Когда скорость ветра достигает начальной скорости ветра, ПЛК управляет ветряной турбиной для запуска и постепенно регулирует угол наклона так, чтобы лопасти начали улавливать энергию ветра и заставлять генератор вращаться и вырабатывать электроэнергию. В районах с низкой скоростью ветра, чтобы повысить эффективность использования энергии ветра, ПЛК использует алгоритм отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) в соответствии с изменением скорости ветра, чтобы регулировать угол наклона и скорость ветряной турбины в режиме реального времени, так что ветряная турбина всегда работает вблизи точки максимальной мощности для улавливания большего количества энергии ветра.

По мере увеличения скорости ветра, когда скорость ветра превышает номинальную скорость ветра, ПЛК необходимо ограничить скорость ветряной турбины, чтобы предотвратить ее перегрузку и повреждение. В это время ПЛК увеличивает угол наклона, уменьшает угол между лопастями и направлением ветра и уменьшает энергию ветра, захватываемую лопастями, тем самым контролируя скорость и выходную мощность ветряной турбины, чтобы удерживать ее в номинальном диапазоне. В то же время ПЛК также будет динамически регулировать скорость изменения угла наклона в соответствии с изменением скорости ветра, чтобы обеспечить плавную работу ветряной турбины.

Изменения направления ветра также оказывают значительное влияние на работу ветряных турбин. Когда направление ветра меняется, ПЛК управляет системой рыскания ветряной турбины, чтобы ротор ветряной турбины всегда был обращен к направлению ветра для максимального улавливания энергии ветра. Система рыскания обычно состоит из двигателя рыскания, редуктора рыскания и подшипника рыскания. ПЛК управляет прямым и обратным вращением и скоростью двигателя рыскания для управления редуктором рыскания, вращения ротора вокруг вертикальной оси и достижения регулировки рыскания. Во время процесса рыскания ПЛК будет отслеживать изменения направления ветра и угла рыскания в реальном времени. Когда угол рыскания достигает заданного значения, двигатель рыскания будет остановлен, чтобы гарантировать, что ротор точно выровнен с направлением ветра.

Например, в большой ветряной электростанции система управления PLC используется для контроля скорости и направления ветра и регулировки рабочих параметров ветряной турбины. При сильном ветре скорость ветра внезапно увеличивалась, а направление ветра значительно менялось. PLC оперативно отслеживал эти изменения с помощью датчиков скорости и направления ветра и быстро запускал стратегию управления ограничением скорости для увеличения угла наклона, чтобы поддерживать скорость и выходную мощность ветряной турбины в безопасном диапазоне; в то же время система рыскания управлялась для быстрого перемещения, чтобы ротор ветра был точно выровнен с новым направлением ветра. Благодаря точному управлению PLC ветряные турбины ветряной электростанции могут по-прежнему стабильно работать в суровых погодных условиях, обеспечивая непрерывность и стабильность выработки электроэнергии.

4.2 Управление углом тангажа и рыскания

В системах ветрогенерации управление углом тангажа и рыскания является ключевым звеном, обеспечивающим безопасную и стабильную работу ветряных турбин и повышающим эффективность выработки электроэнергии, а ПЛК играет основную роль в управлении этим процессом.

Управление углом наклона относится к регулировке угла наклона лопастей ветряной турбины, то есть угла между лопастями и вращающейся плоскостью, для регулировки энергии ветра, захватываемой лопастями, тем самым достигая управления скоростью ветряной турбины и выходной мощностью. Когда скорость ветра низкая, чтобы захватить больше энергии ветра и повысить эффективность выработки электроэнергии, ПЛК управляет углом наклона, чтобы уменьшить, увеличить наветренную площадь лопастей, захватить больше энергии ветра, привести скорость ветряной турбины в увеличение, а затем увеличить выходную мощность генератора. Напротив, когда скорость ветра слишком высока, чтобы предотвратить перегрузку и повреждение ветряной турбины, необходимо ограничить скорость и выходную мощность ветряной турбины. В это время ПЛК управляет углом наклона, чтобы увеличить, уменьшить наветренную площадь лопастей, уменьшить энергию ветра, захватываемую лопастями, уменьшить скорость ветряной турбины и контролировать выходную мощность в безопасном диапазоне.

Возьмем в качестве примера определенный тип ветряной турбины. Ее номинальная скорость ветра составляет 12 м/с. Когда скорость ветра находится в диапазоне низких скоростей ветра 3-12 м/с, ПЛК использует алгоритм отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) для управления углом наклона. В соответствии с контролируемой в реальном времени скоростью ветра и рабочими параметрами ветряной турбины ПЛК непрерывно регулирует угол наклона таким образом, чтобы ветряная турбина всегда работала вблизи точки максимальной мощности для максимального улавливания энергии ветра. Когда скорость ветра достигает 12 м/с или выше, она входит в диапазон номинальной скорости ветра и высокой скорости ветра, и ПЛК переключает стратегию управления и принимает алгоритм управления постоянной мощностью. В это время ПЛК точно контролирует угол наклона в соответствии с номинальной мощностью ветряной турбины и текущим рабочим состоянием, так что выходная мощность ветряной турбины остается около номинального значения, избегая перегрузки ветряной турбины из-за чрезмерной скорости ветра.

Управление рысканием относится к управлению системой рыскания ветровой турбины таким образом, чтобы ротор ветровой турбины всегда был обращен к направлению ветра для максимального улавливания энергии ветра. Система рыскания в основном состоит из двигателя рыскания, редуктора рыскания, подшипника рыскания и тормоза рыскания. Когда направление ветра меняется, датчик направления ветра передает сигнал изменения направления ветра в ПЛК. ПЛК управляет двигателем рыскания для запуска в соответствии с предустановленной стратегией управления, приводит в действие подшипник рыскания для вращения через редуктор рыскания и вращает ротор ветровой турбины вокруг вертикальной оси для достижения регулировки рыскания. Во время процесса рыскания ПЛК отслеживает изменения направления ветра и угла рыскания в реальном времени. Когда угол рыскания достигает заданного значения, двигатель рыскания останавливается, чтобы гарантировать, что ротор ветра точно выровнен с направлением ветра.

Например, в большой ветряной электростанции, когда направление ветра меняется на 15°, датчик направления ветра быстро передает сигнал в ПЛК. После анализа и расчета ПЛК управляет двигателем рыскания для вращения с определенной скоростью и направлением. Благодаря эффекту замедления и увеличения крутящего момента редуктора рыскания подшипник рыскания приводится в движение для медленного вращения, так что ротор ветряной турбины постепенно поворачивается к новому направлению ветра. Во время процесса рыскания ПЛК непрерывно отслеживает угол рыскания. Когда угол рыскания достигает 15°, двигатель рыскания вовремя останавливается для завершения регулировки рыскания. Благодаря этому точному управлению рысканием ветряные турбины ветряной электростанции всегда могут точно отслеживать направление ветра, эффективно повышая эффективность использования энергии ветра.

Управление углом наклона и рыскания играет важную роль в обеспечении безопасной и стабильной работы ветряных турбин и повышении эффективности выработки электроэнергии. С точки зрения обеспечения безопасной и стабильной работы ветряных турбин разумное управление углом наклона может позволить ветряной турбине поддерживать стабильное рабочее состояние в условиях различной скорости ветра, избегая таких неисправностей, как перегрузка ветряной турбины, срыв или отключение из-за чрезмерной или низкой скорости ветра. Когда скорость ветра слишком высока, скорость и выходная мощность ветряной турбины могут быть ограничены путем увеличения угла наклона, чтобы предотвратить повреждение ветряной турбины из-за чрезмерной силы; когда скорость ветра слишком низкая, способность ветряной турбины улавливать энергию ветра может быть улучшена путем уменьшения угла наклона, чтобы обеспечить нормальную работу ветряной турбины. Точное управление рысканием может гарантировать, что ветряная турбина всегда будет обращена в сторону направления ветра, избежать неравномерной силы на ветряной турбине из-за отклонения направления ветра, уменьшить износ и усталость компонентов ветряной турбины и продлить срок службы ветряной турбины.

С точки зрения повышения эффективности выработки электроэнергии, управление углом наклона может позволить ветряной турбине работать в наилучшем состоянии при различных скоростях ветра и достигать максимальной выходной мощности. Благодаря сочетанию алгоритма MPPT и алгоритма управления постоянной мощностью, ПЛК может регулировать угол наклона в реальном времени в соответствии с изменением скорости ветра, так что ветряная турбина может улавливать больше энергии ветра при низкой скорости ветра и поддерживать стабильную номинальную выходную мощность при высокой скорости ветра, тем самым повышая эффективность выработки электроэнергии всей системы ветроэнергетики. Управление рысканием может гарантировать, что ветряная турбина всегда будет выровнена с направлением ветра, максимизировать улавливание энергии ветра и избежать потерь энергии ветра из-за отклонения направления ветра. Исследования показали, что точное управление рысканием может увеличить выработку электроэнергии системами ветроэнергетики на 5% – 10%.

4.3 Диагностика неисправностей и защита

В системах ветроэнергетики диагностика неисправностей и защита являются ключевыми звеньями для обеспечения безопасной и стабильной работы системы, повышения надежности оборудования и продления срока службы. ПЛК играет важную роль в диагностике неисправностей и защите благодаря своим мощным функциям.

4.3.1 Функция диагностики неисправностей

Функция диагностики неисправностей ПЛК в основном опирается на мониторинг в реальном времени и интеллектуальный анализ рабочих данных системы ветроэнергетики. Благодаря тесной связи с различными датчиками ПЛК может собирать множество рабочих параметров ветровых турбин в реальном времени, таких как скорость ветра, направление ветра, скорость генератора, мощность, вибрация, температура, давление масла и т. д. Эти параметры являются своего рода «индикаторами здоровья» системы, обеспечивая богатую поддержку данных для диагностики неисправностей.

Если взять датчик вибрации в качестве примера, он может контролировать вибрацию ключевых компонентов, таких как лопасти ветряных турбин, редукторы и генераторы в режиме реального времени. Когда компонент выходит из строя, например, из-за трещин лопастей, износа шестерен, повреждения подшипников и т. д., его вибрационные характеристики значительно изменятся, а такие параметры, как амплитуда и частота вибрации, превысят нормальный диапазон. ПЛК собирает данные с датчиков вибрации в режиме реального времени и использует предустановленный алгоритм диагностики неисправностей для анализа и обработки данных вибрации. После обнаружения аномального параметра вибрации ПЛК может быстро определить возможный тип и местоположение неисправности, например, оценить, является ли это неисправностью лопасти или редуктора, на основе изменения частоты вибрации, и оценить серьезность неисправности на основе величины амплитуды вибрации.

Датчики температуры также являются важной основой для диагностики неисправностей. Во время работы ветряных турбин каждый компонент будет генерировать определенное количество тепла. При нормальных обстоятельствах температура компонентов будет поддерживаться в разумных пределах. Когда компонент выходит из строя, например, из-за короткого замыкания в обмотке генератора или плохой смазки подшипников, это вызовет локальное повышение температуры. ПЛК отслеживает изменения температуры каждого компонента в режиме реального времени, подключаясь к датчику температуры. Когда обнаруживается, что температура компонента превышает установленный порог, ПЛК немедленно выдает сигнал тревоги и определяет причину неисправности на основе тенденции и амплитуды повышения температуры в сочетании с другими данными датчика. Если повышение температуры вызвано коротким замыканием в обмотке генератора, ПЛК дополнительно анализирует степень и место короткого замыкания, чтобы предоставить точную информацию для последующего обслуживания.

Кроме того, ПЛК также будет контролировать электрические параметры генератора в режиме реального времени, такие как напряжение, ток, коэффициент мощности и т. д. Если эти параметры колеблются ненормально, ПЛК может определить возможные электрические неисправности, такие как колебания напряжения сети, отказы генератора, плохой контакт линии и т. д. Анализируя электрические параметры, ПЛК может определить тип и масштаб неисправности и принять соответствующие защитные меры, такие как отключение цепи, регулировка тока возбуждения генератора и т. д., чтобы предотвратить дальнейшее распространение неисправности.

В дополнение к диагностике неисправностей на основе данных датчиков, PLC также может использовать интеллектуальные диагностические технологии, такие как анализ дерева неисправностей и алгоритмы нейронных сетей, для повышения точности и надежности диагностики неисправностей. Анализ дерева неисправностей — это метод диагностики неисправностей, основанный на логических рассуждениях. Он берет отказ системы в качестве главного события и строит модель дерева неисправностей, анализируя различные возможные причины главного события. В системе ветрогенерации PLC может выполнять логические рассуждения на основе собранных эксплуатационных данных на основе модели дерева неисправностей, чтобы быстро определить причину неисправности. Например, когда ветряная турбина не отключается, PLC может использовать модель дерева неисправностей для исследования с нескольких аспектов, таких как отказ электросети, отказ системы управления и отказ ветряной турбины, постепенно сузить область действия неисправности и определить конкретную точку неисправности.

Алгоритм нейронной сети — это интеллектуальный алгоритм, который имитирует структуру и функции нейронов в человеческом мозге. Он обладает возможностями самообучения, самоадаптации и распознавания образов. При диагностике неисправностей ПЛК может использовать алгоритм нейронной сети для изучения и обучения большого количества исторических данных о неисправностях и данных о нормальной работе для создания модели диагностики неисправностей. Когда система работает, ПЛК вводит собранные в реальном времени данные о работе в модель нейронной сети. Модель анализирует и обрабатывает данные, чтобы определить, есть ли неисправность в системе, а также тип и серьезность неисправности. Поскольку алгоритм нейронной сети обладает сильными адаптивными возможностями и может адаптироваться к сложной и изменчивой рабочей среде системы ветроэнергетики, он может эффективно повысить точность и своевременность диагностики неисправностей.

4.3.2 Функция защиты

Функция защиты ПЛК является важной линией обороны для обеспечения безопасной эксплуатации систем ветрогенерации и в основном включает два аспекта: аппаратную защиту и программную защиту.

С точки зрения аппаратной защиты, ПЛК обычно оснащены различными схемами аппаратной защиты, такими как защита от перегрузки по току, защита от перенапряжения, защита от пониженного напряжения, защита от короткого замыкания, защита от утечки и т. д. Эти схемы аппаратной защиты могут контролировать электрические параметры системы ветроэнергетики в режиме реального времени. Как только обнаруживается ненормальная ситуация, они могут действовать быстро, чтобы отключить цепь и защитить оборудование. Если взять в качестве примера защиту от перегрузки по току, когда выходной ток генератора превышает номинальное значение, схема защиты от перегрузки по току быстро обнаружит ненормальное изменение тока и отключит цепь с помощью исполнительных механизмов, таких как реле, чтобы предотвратить повреждение генератора из-за перегрузки по току. Защита от перенапряжения — это когда напряжение сети или выходное напряжение генератора превышает установленный верхний предел, схема защиты от перенапряжения будет действовать, чтобы ограничить напряжение в безопасном диапазоне, чтобы предотвратить возгорание электрооборудования из-за перенапряжения.

С точки зрения защиты программного обеспечения, PLC может реализовать всестороннюю защиту системы генерации ветровой энергии, программируя соответствующие программы защиты. Когда PLC обнаруживает, что система имеет неисправность, он немедленно запускает программу защиты и принимает соответствующие меры защиты. Когда обнаруживается, что скорость ветра слишком высока и превышает безопасный рабочий диапазон ветровой турбины, PLC будет контролировать угол наклона для быстрого увеличения, уменьшать энергию ветра, захватываемую лопастями, уменьшать скорость ветровой турбины и предотвращать повреждение ветровой турбины из-за превышения скорости. В то же время PLC также будет управлять системой рыскания, чтобы заставить ветровую турбину отклониться от направления ветра и уменьшить силу ветра на ветровой турбине.

При выходе из строя генератора, например, при коротком замыкании или заземлении обмотки генератора, ПЛК немедленно отключит соединение между генератором и сетью, чтобы предотвратить распространение неисправности на сеть, и включит резервный источник питания или примет другие экстренные меры для обеспечения безопасной работы системы. Кроме того, ПЛК может также реализовать блокировочную защиту для системы ветрогенерации. При выходе из строя компонента ПЛК автоматически блокирует связанные с ним компоненты, чтобы остановить их работу и предотвратить распространение неисправности на другие компоненты. Например, при выходе из строя редуктора ПЛК блокирует и управляет ветровой турбиной, чтобы остановить вращение, чтобы предотвратить дальнейшее повреждение редуктора.

4.3.3 Роль в обеспечении безопасной эксплуатации ветровых турбин

Функции диагностики и защиты неисправностей ПЛК играют важную роль в обеспечении безопасной эксплуатации ветряных турбин, главным образом, в предотвращении неисправностей, снижении потерь из-за неисправностей и повышении надежности оборудования.

Предотвращение отказов является одной из важных функций диагностики и защиты от неисправностей ПЛК. Благодаря мониторингу в реальном времени и интеллектуальному анализу ПЛК может оперативно обнаруживать потенциальные неисправности в системе, такие как износ, старение, ослабление компонентов и т. д., и выдавать ранние предупреждения, чтобы напомнить персоналу по эксплуатации и техническому обслуживанию о необходимости проведения проверок и обслуживания. Таким образом, соответствующие меры могут быть приняты до возникновения отказа, чтобы избежать возникновения отказов и обеспечить безопасную работу вентилятора. Например, когда ПЛК обнаруживает, что вибрация лопастей вентилятора постепенно увеличивается с помощью датчика вибрации, хотя она еще не достигла порогового значения отказа, ПЛК может предсказать, что лопасти могут треснуть или сломаться, на основе исторических данных и моделей анализа, и заранее уведомить персонал по эксплуатации и техническому обслуживанию о необходимости проверки и ремонта лопастей для предотвращения отказов.

Сокращение потерь, вызванных неисправностью, является ключевой ролью функции диагностики неисправностей и защиты ПЛК. При возникновении неисправности ПЛК может быстро обнаружить неисправность и принять эффективные меры защиты, такие как отключение цепи и выключение машины, чтобы предотвратить дальнейшее распространение неисправности и сократить ущерб оборудованию и экономические потери. В то же время функция диагностики неисправностей ПЛК может быстро и точно определить место неисправности, предоставить подробную информацию о неисправности обслуживающему персоналу, сократить время устранения неисправности и позволить ветровой турбине возобновить нормальную работу как можно скорее. Например, на ветровой электростанции вышел из строя редуктор ветровой турбины. ПЛК быстро обнаружил сигнал о неисправности и немедленно принял меры защиты от отключения, чтобы избежать дальнейшего повреждения редуктора. В то же время ПЛК точно определил место неисправности с помощью функции диагностики неисправностей. Обслуживающий персонал быстро выполнил ремонт на основе информации о неисправности, предоставленной ПЛК. Потребовался всего один день, чтобы восстановить нормальную работу ветровой турбины, что значительно сократило потери выработки электроэнергии, вызванные отключением.

Повышение надежности оборудования является долгосрочным преимуществом диагностики неисправностей и функций защиты PLC. Благодаря своевременному обнаружению и устранению неисправностей, а также мониторингу и корректировке рабочего состояния оборудования в режиме реального времени PLC может гарантировать, что ветряная турбина всегда находится в хорошем рабочем состоянии, сократить частоту отказов и время ремонта оборудования, продлить срок службы оборудования и повысить надежность оборудования. Например, на большой ветряной электростанции после внедрения системы управления PLC среднее время безотказной работы ветряной турбины увеличилось с первоначальных 8000 часов до 12000 часов. Надежность оборудования была значительно улучшена, расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание были снижены, а расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание были улучшены. повысить эффективность выработки электроэнергии.

4.4 Пример: система управления PLC ветровой электростанцией

Чтобы исследовать фактический эффект применения PLC в системе ветрогенерации, в этом разделе в качестве примера будет взята ветровая электростанция для подробного анализа применения ее системы управления PLC. Ветряная электростанция расположена в [определенном географическом месте], имеет [X] ветряных турбин разных моделей с общей установленной мощностью [X] МВт и является одним из важных местных проектов ветрогенерации.

Что касается контроля и управления скоростью и направлением ветра, ветряная электростанция использует усовершенствованные датчики скорости и направления ветра, а также использует ПЛК для достижения мониторинга в реальном времени и точного управления скоростью и направлением ветра. Датчик скорости ветра использует ультразвуковой датчик скорости ветра, который имеет преимущества высокой точности измерения и быстрой скорости отклика, и может точно измерять размер и изменения скорости ветра. Датчик направления ветра использует крыльчатый датчик направления ветра, который определяет направление ветра по направлению флюгера на ветру и преобразует сигнал направления ветра в электрический сигнал и передает его на ПЛК.

ПЛК подсчитывает импульсные сигналы, выдаваемые датчиком скорости ветра, через высокоскоростной счетчик, чтобы получить точные данные о скорости ветра; для аналогового сигнала, выдаваемого датчиком направления ветра, ПЛК преобразует его в цифровой сигнал через аналоговый входной модуль и выполняет соответствующую обработку и анализ. На основе данных о скорости и направлении ветра, отслеживаемых в реальном времени, ПЛК точно управляет углом наклона и системой рыскания ветряной турбины в соответствии с предустановленной стратегией управления. Когда скорость ветра ниже начальной скорости ветра ветряной турбины, ПЛК управляет ветряной турбиной, чтобы она находилась в режиме ожидания, и внимательно следит за изменениями скорости ветра; когда скорость ветра достигает начальной скорости ветра, ПЛК управляет ветряной турбиной для запуска, и в соответствии с изменением скорости ветра угол наклона регулируется в реальном времени с помощью алгоритма MPPT, так что ветряная турбина всегда работает вблизи точки максимальной мощности, чтобы улавливать больше энергии ветра.

В ходе реальной эксплуатации скорость ветра быстро возросла с 8 м/с до 15 м/с за короткий промежуток времени, превысив номинальную скорость ветра ветровой турбины. ПЛК вовремя обнаружил изменение скорости ветра и быстро запустил стратегию управления ограничением скорости. Увеличивая угол наклона, уменьшая угол между лопастями и направлением ветра и уменьшая энергию ветра, улавливаемую лопастями, скорость и выходная мощность ветровой турбины поддерживались в номинальном диапазоне. В то же время, когда направление ветра меняется, ПЛК управляет системой рыскания, чтобы действовать быстро, так что ротор ветровой турбины всегда может быть обращен к направлению ветра, чтобы максимизировать улавливание энергии ветра. Во время работы ветровой электростанции, благодаря точному управлению ПЛК, ветровая турбина может быстро реагировать на изменения скорости и направления ветра, поддерживать стабильное рабочее состояние и эффективно повышать эффективность использования энергии ветра.

Что касается управления углом тангажа и рыскания, ветряные турбины этой ветряной электростанции используют электрическую систему переменного шага и автоматическую систему рыскания, а ПЛК реализует точное управление углом тангажа и углом рыскания. Что касается управления углом тангажа, ПЛК использует передовые алгоритмы управления, такие как комбинация алгоритмов ПИД-управления и алгоритмов нечеткого управления, основанных на мониторинге скорости ветра, скорости генератора, мощности и других параметров в реальном времени, для динамической регулировки угла тангажа. В областях с низкой скоростью ветра ПЛК уменьшает угол тангажа и увеличивает наветренную область лопастей, чтобы улучшить способность ветряной турбины улавливать энергию ветра; в областях с высокой скоростью ветра ПЛК увеличивает угол тангажа и уменьшает наветренную область лопастей, чтобы ограничить скорость и выходную мощность ветряной турбины, чтобы обеспечить безопасную работу ветряной турбины.

Возьмем в качестве примера определенную ветровую турбину. Когда скорость ветра низкая, скорость ветра составляет 6 м/с. ПЛК регулирует угол наклона до 5° с помощью алгоритма управления, чтобы ветровая турбина могла эффективно улавливать энергию ветра. В это время выходная мощность генератора достигает максимального значения при этой скорости ветра. Когда скорость ветра увеличивается до 14 м/с, она превышает номинальную скорость ветра. ПЛК быстро увеличивает угол наклона до 30°, снижает скорость и выходную мощность ветровой турбины и удерживает ее в номинальном диапазоне. С точки зрения управления рысканием, ПЛК управляет прямым и обратным вращением и скоростью двигателя рыскания в соответствии с сигналом направления ветра, передаваемым датчиком направления ветра, для достижения точного управления углом рыскания ветровой турбины. Когда направление ветра меняется, ПЛК может быстро рассчитать угол рыскания и управлять системой рыскания для точного выравнивания ротора ветровой турбины с направлением ветра. Например, когда направление ветра меняется на 20°, ПЛК управляет двигателем рыскания для вращения с определенной скоростью, приводит в движение подшипник рыскания для вращения через редуктор рыскания и постепенно поворачивает ротор ветряной турбины к новому направлению ветра. Во время процесса рыскания ПЛК отслеживает угол рыскания в реальном времени. Когда угол рыскания достигает 20°, двигатель рыскания вовремя останавливается для завершения регулировки рыскания.

Благодаря точному управлению углом тангажа и углом рыскания с помощью ПЛК ветряные турбины в этой ветряной электростанции могут поддерживать стабильную работу при различных скоростях и направлениях ветра, эффективно повышая эффективность выработки электроэнергии и надежность оборудования. Согласно статистике эксплуатации ветряной электростанции, после внедрения управления ПЛК средняя выработка электроэнергии ветряной турбиной увеличилась на 12% по сравнению с предыдущим периодом, а частота отказов оборудования снизилась на 35%, что полностью отражает преимущества ПЛК в управлении углом тангажа и рыскания. Значительные преимущества.

С точки зрения диагностики неисправностей и защиты, система управления PLC ветровой электростанции имеет мощные функции диагностики неисправностей и защиты, что обеспечивает надежную гарантию безопасной эксплуатации ветровой турбины. С точки зрения диагностики неисправностей, PLC собирает данные о работе ветровой турбины в режиме реального времени, подключаясь к различным датчикам, таким как скорость ветра, направление ветра, скорость генератора, мощность, вибрация, температура и т. д., и использует передовые алгоритмы диагностики неисправностей для анализа и обработки этих данных. . При обнаружении отклонения параметра от нормы PLC может быстро определить тип и место возможной неисправности и выдать сигнал тревоги.

Например, когда датчик вибрации обнаруживает, что амплитуда вибрации лопасти вентилятора превышает нормальный диапазон, ПЛК анализирует данные вибрации и определяет, что лопасть может иметь трещины или дисбаланс, и оперативно выдает сигнал тревоги, чтобы напомнить персоналу по эксплуатации и техническому обслуживанию о необходимости проверки и ремонта. В то же время ПЛК также использует интеллектуальные диагностические технологии, такие как анализ дерева неисправностей и алгоритмы нейронной сети, для проведения углубленной диагностики и прогнозирования неисправностей вентилятора. Создавая модель дерева неисправностей, ПЛК может устранять неисправности с нескольких сторон и быстро находить причину неисправности; используя алгоритмы нейронной сети для изучения и обучения большого количества исторических данных о неисправностях и данных нормальной работы, создавая модель диагностики неисправностей и повышая точность и своевременность диагностики неисправностей.

С точки зрения функций защиты, ПЛК оснащен различными схемами аппаратной защиты и программами программной защиты. С точки зрения аппаратной защиты, он оснащен такими схемами, как защита от перегрузки по току, защита от перенапряжения, защита от пониженного напряжения, защита от короткого замыкания и защита от утечки, которые могут контролировать электрические параметры ветряной турбины в режиме реального времени. Как только будет обнаружена ненормальная ситуация, цепь будет быстро отключена для защиты безопасности оборудования. С точки зрения программной защиты, когда ПЛК обнаруживает сбой системы, он немедленно запускает программу защиты и принимает соответствующие меры защиты. Когда обнаруживается, что скорость ветра слишком высока и превышает безопасный рабочий диапазон ветряной турбины, ПЛК быстро управляет углом наклона, чтобы увеличить и замедлить ветряную турбину, и в то же время управляет системой рыскания, чтобы заставить ветряную турбину отклониться от направления ветра и уменьшить силу ветра на ветряной турбине; При выходе генератора из строя ПЛК немедленно отключит соединение между генератором и электросетью, чтобы не допустить распространения неисправности на электросеть, и включит резервный источник питания или примет другие экстренные меры для обеспечения безопасной работы системы.

Во время работы ветряной электростанции важную роль сыграли функции диагностики неисправностей и защиты ПЛК. Во время сильного ветра скорость ветра внезапно увеличилась и превысила безопасный рабочий диапазон ветряной турбины. ПЛК быстро обнаружил аномальную скорость ветра и немедленно запустил программу защиты, увеличив угол наклона, чтобы замедлить ветряную турбину, и управляя системой рыскания, чтобы заставить ветряную турбину отклониться от направления ветра. В то же время, поскольку потенциальные трещины в лопастях ветряной турбины были обнаружены заранее с помощью функции диагностики неисправностей, ремонт был выполнен вовремя, что позволило избежать серьезных аварий, таких как поломка лопастей при сильном ветре. Благодаря функциям диагностики неисправностей и защиты ПЛК ветряные турбины ветряной электростанции могут вовремя обнаруживать и устранять неисправности во время работы, эффективно сокращая потери из-за неисправностей и повышая надежность и безопасность оборудования.

5. Применение ПЛК в гидроэнергетической системе

5.1 Мониторинг и контроль уровня и расхода воды

В системах гидроэнергетики точный мониторинг и эффективное управление уровнем и расходом воды имеют решающее значение для обеспечения эффективности генерации электроэнергии, безопасности оборудования и рационального использования водных ресурсов. ПЛК играет ключевую роль в этом процессе благодаря своим мощным возможностям управления и обработки данных.

PLC может осуществлять точный мониторинг уровня и расхода воды в режиме реального времени, тесно взаимодействуя с различными высокоточными датчиками. Для мониторинга уровня воды обычно используется датчик уровня воды под давлением, ультразвуковой датчик уровня воды или поплавковый датчик уровня воды. Датчик уровня воды под давлением использует соотношение между давлением жидкости и глубиной для расчета уровня воды путем измерения давления на дне водоема. Он имеет высокую точность измерения и хорошую стабильность и подходит для различных сложных водных сред; ультразвуковой датчик уровня воды использует разницу во времени между распространением ультразвуковой волны в воздухе и отражением обратно на поверхность воды для измерения уровня воды. Он обладает преимуществами бесконтактного измерения и высокой скорости отклика, а также может избежать коррозии и засорения, вызванных прямым контактом с водоемом; поплавковый датчик уровня воды приводит в действие передаточный механизм посредством подъема и падения уровня воды и преобразует изменение уровня воды в выходной электрический сигнал. Он имеет простую структуру и низкую стоимость и широко используется на некоторых малых гидроэлектростанциях.

Мониторинг расхода в основном основан на электромагнитных расходомерах, ультразвуковых расходомерах и вихревых расходомерах. Электромагнитные расходомеры основаны на принципе электромагнитной индукции. Когда проводящая жидкость течет в магнитном поле, создается индуцированная электродвижущая сила, и ее величина пропорциональна расходу. Расход можно рассчитать, измерив индуцированную электродвижущую силу. Этот расходомер имеет высокую точность измерений и сильную приспособляемость к жидкостям. Его можно использовать для измерения расхода различных проводящих жидкостей. Ультразвуковые расходомеры используют принцип, согласно которому при распространении ультразвуковых волн в жидкости скорость их распространения зависит от расхода жидкости. Скорость и расход рассчитываются путем измерения разницы во времени распространения ультразвуковых волн в направлениях вниз по потоку и вверх по потоку. Он имеет преимущества неинвазивного измерения и простой установки и подходит для больших диаметров труб и случаев, когда жидкости нелегко контактируют. Вихревые расходомеры используют принцип колебания жидкости. Когда жидкость протекает через вихревой генератор, вихри попеременно генерируются по обе стороны его нисходящего потока. Частота вихря пропорциональна скорости потока. Скорость потока можно рассчитать, измерив частоту вихрей. Этот расходомер имеет высокую точность измерения и широкий диапазон и может использоваться для измерения расхода различных газов и жидкостей.

Эти датчики преобразуют собранные сигналы уровня воды и расхода в стандартные электрические сигналы, такие как аналоговые сигналы напряжения, сигналы тока или цифровые сигналы, а затем передают их на входной модуль ПЛК. ПЛК преобразует аналоговые сигналы в цифровые величины через аналоговый входной модуль для последующей обработки и анализа; для цифровых сигналов ПЛК может напрямую считывать и обрабатывать их. В процессе обработки данных ПЛК будет фильтровать, калибровать и компенсировать собранные данные для повышения точности и надежности данных. Например, в ответ на возможные помехи датчику ПЛК использует алгоритм цифровой фильтрации для удаления шумовых сигналов и обеспечения стабильности данных измерений; для ошибок измерения датчика, вызванных изменениями факторов окружающей среды, таких как температура и давление, ПЛК использует предварительно установленную модель калибровки и алгоритм компенсации для исправления данных измерений и повышения точности измерений.

Согласно данным о текущем уровне воды и расходе, контролируемым в режиме реального времени, ПЛК точно управляет работой затворов и турбин в соответствии с заданными стратегиями и алгоритмами управления для достижения эффективной и стабильной работы гидроэнергетической системы. С точки зрения управления уровнем воды, когда уровень воды ниже установленного нижнего предела, ПЛК определяет, что текущий объем воды недостаточен. Чтобы обеспечить необходимое для выработки электроэнергии количество воды, он будет управлять открытием затвора водозабора для увеличения, чтобы в гидроэлектростанцию поступало больше воды; когда уровень воды выше установленного верхнего предела, чтобы предотвратить угрозу безопасности плотины и оборудования из-за высокого уровня воды, ПЛК будет управлять открытием затвора водозабора для уменьшения и сокращения расхода воды. В то же время ПЛК также будет динамически регулировать скорость изменения открытия затвора в соответствии со скоростью и тенденцией изменения уровня воды, чтобы избежать неблагоприятного воздействия чрезмерных колебаний уровня воды на систему выработки электроэнергии.

С точки зрения управления потоком, PLC регулирует поток воды, поступающей в турбину, управляя открытием направляющего аппарата и скоростью турбины, тем самым достигая управления выработкой электроэнергии. Когда поток большой, чтобы предотвратить перегрузку турбины, PLC управляет открытием направляющего аппарата для уменьшения, уменьшения потока воды, поступающей в турбину, и соответствующим образом регулирует скорость турбины, чтобы турбина работала в зоне высокой эффективности; когда поток небольшой, PLC управляет открытием направляющего аппарата для увеличения, увеличения потока воды, поступающей в турбину, и увеличения выработки электроэнергии. Кроме того, PLC оптимизирует поток в соответствии с нагрузкой на электросеть и рабочим состоянием системы выработки электроэнергии, чтобы максимизировать эффективность выработки электроэнергии. Например, в период пиковой нагрузки на электросеть PLC будет разумно регулировать открытие направляющего аппарата и скорость турбины в соответствии с данными о потоке и уровне воды в реальном времени, увеличивать выработку электроэнергии и удовлетворять потребность в электроэнергии на электросети; В период низкой нагрузки на электросеть PLC соответствующим образом снизит выработку электроэнергии, сократит потери водных ресурсов и обеспечит безопасную и стабильную работу оборудования для выработки электроэнергии.

Возьмем в качестве примера крупную гидроэлектростанцию. На гидроэлектростанции установлена система контроля и управления уровнем воды и расходом на основе ПЛК. Во время наводнения уровень воды быстро поднимался, а расход резко увеличивался. ПЛК отслеживал эти изменения во времени с помощью датчиков уровня воды и расхода и быстро активировал план действий в чрезвычайных ситуациях. Во-первых, ПЛК контролировал быстрое уменьшение открытия затвора водозабора, чтобы уменьшить поток паводковой воды на гидроэлектростанцию и избежать повреждения оборудования из-за чрезмерного объема воды; в то же время, в соответствии с данными о потоке и уровне воды в реальном времени, ПЛК точно регулировал открытие направляющего аппарата и скорость турбины, так что турбина могла по-прежнему стабильно работать в условиях высокого потока и высокого уровня воды, обеспечивая непрерывность выработки электроэнергии. После наводнения уровень воды и расход постепенно возвращались к норме. ПЛК постепенно регулировал рабочие параметры затвора и турбины в соответствии с фактической ситуацией, чтобы восстановить систему выработки электроэнергии до оптимального рабочего состояния. Благодаря точному управлению ПЛК гидроэлектростанция успешно справилась с резкими изменениями уровня и расхода воды во время паводка, обеспечив безопасность оборудования, а также максимально эффективное использование водных ресурсов и повышение эффективности выработки электроэнергии.

5.2 Сбор данных и удаленный мониторинг

В системе гидроэнергетики ПЛК реализует комплексное восприятие и удаленный контроль рабочего состояния системы путем создания полной системы сбора данных и удаленного мониторинга, обеспечивая надежную гарантию эффективной и стабильной работы системы.

С точки зрения сбора данных, ПЛК соединяет различные типы датчиков для достижения сбора в реальном времени ключевых параметров, таких как уровень воды, расход, давление воды, температура воды, скорость агрегата, мощность и т. д. Датчик уровня воды использует высокоточный датчик давления или ультразвуковой датчик, который может точно измерять уровень воды в водохранилище, реке или водоотводном канале и предоставлять точную основу данных для контроля уровня воды и планирования выработки электроэнергии; датчик расхода использует электромагнитный или ультразвуковой расходомер, который может контролировать расход воды в реальном времени и помогать персоналу понимать использование водных ресурсов. Датчик давления воды используется для контроля давления воды на входе и выходе турбины, что имеет решающее значение для оценки рабочего состояния и эффективности турбины. Контролируя изменение давления воды, можно своевременно обнаружить, есть ли засор, утечка или другие неисправности внутри турбины; датчик температуры воды используется для измерения температуры водоема. Изменение температуры воды повлияет на плотность и вязкость воды, а затем окажет определенное влияние на эффективность работы турбины. Благодаря мониторингу температуры воды в режиме реального времени можно соответствующим образом регулировать рабочие параметры турбины, обеспечивая ее эффективную работу.

Датчик скорости агрегата и датчик мощности являются важными устройствами для контроля рабочего состояния гидротурбинного генератора. Датчик скорости агрегата может измерять скорость гидротурбинного генератора в режиме реального времени. Скорость является одним из ключевых показателей, отражающих рабочее состояние агрегата. Контролируя скорость, можно судить о том, нормально ли работает агрегат, есть ли ненормальные условия, такие как превышение или понижение скорости; датчик мощности используется для измерения выходной мощности генератора. По данным о мощности можно понять мощность генерации электроэнергии и нагрузку агрегата, что обеспечивает важную справочную информацию для планирования генерации электроэнергии и распределения энергии.

Эти датчики передают собранные аналоговые или цифровые сигналы в ПЛК, который преобразует аналоговые сигналы в цифровые величины через свой внутренний модуль аналогового ввода для последующей обработки и анализа. В процессе сбора данных ПЛК также фильтрует, калибрует и компенсирует собранные данные для повышения точности и надежности данных. Например, в ответ на возможные помехи датчику ПЛК использует алгоритм цифровой фильтрации для удаления шумовых сигналов и обеспечения стабильности данных измерений; для ошибок измерения датчика, вызванных изменениями факторов окружающей среды, таких как температура и давление, ПЛК использует предварительно установленную модель калибровки и алгоритм компенсации для исправления данных измерений и повышения точности измерений.

С точки зрения удаленного мониторинга, ПЛК устанавливает соединение с удаленным центром мониторинга через коммуникационный модуль для достижения удаленного мониторинга и управления гидроэнергетической системой. Коммуникационный модуль поддерживает различные протоколы связи, такие как Ethernet, RS485, Modbus и т. д., для адаптации к различным сетевым средам и требованиям к подключению устройств. Через Ethernet-связь ПЛК может быстро и стабильно передавать собранные данные на сервер удаленного центра мониторинга для достижения обмена данными в реальном времени и удаленного доступа; связь RS485 подходит для некоторых сценариев, требующих расстояния и стоимости связи, и может обеспечить надежную связь между ПЛК и несколькими удаленными устройствами; протокол Modbus, как широко используемый промышленный протокол связи, имеет широкую совместимость и универсальность, что позволяет ПЛК взаимодействовать с различными устройствами, поддерживающими протокол Modbus.

Удаленный центр мониторинга обычно состоит из компьютера мониторинга, программного обеспечения мониторинга и сервера. Программное обеспечение мониторинга предоставляет множество функций, таких как отображение данных в реальном времени, запрос исторических данных, создание отчетов и управление сигнализацией. Через интерфейс программного обеспечения мониторинга сотрудники могут просматривать в реальном времени различные рабочие параметры гидроэнергетической системы, такие как уровень воды, расход, давление воды, скорость агрегата, мощность и т. д., а также рабочее состояние оборудования, например, нормально ли работают турбина, генератор, затвор и другое оборудование. В то же время программное обеспечение мониторинга может также анализировать и компилировать исторические данные, создавать различные отчеты и предоставлять основу для принятия решений для менеджеров.

При возникновении нештатной ситуации в системе ПЛК оперативно отправляет информацию о тревоге в удаленный центр мониторинга. Информация о тревоге включает в себя подробную информацию, такую как тип неисправности, место неисправности, время неисправности и т. д. Программное обеспечение для мониторинга немедленно выдает сигнал тревоги и напоминало персоналу посредством звука, всплывающих окон и т. д. В соответствии с информацией о тревоге персонал может удаленно управлять системой, например, просматривать подробные параметры неисправного оборудования, регулировать рабочее состояние оборудования, запускать или останавливать соответствующее оборудование и т. д., чтобы как можно скорее восстановить нормальную работу системы.

Сбор данных и удаленный мониторинг имеют большое значение для управления и обслуживания гидроэнергетических систем. С точки зрения повышения эффективности управления, посредством сбора данных в реальном времени и удаленного мониторинга менеджеры могут полностью понять рабочее состояние системы без необходимости личного посещения объекта и своевременно получить важную информацию, такую как выработка электроэнергии системой, состояние оборудования и распределение энергии, чтобы они могли принимать решения и более эффективно распределять нагрузку. Например, в периоды пиковой нагрузки электросети менеджеры могут своевременно корректировать рабочие параметры турбогенераторной установки на основе данных в реальном времени, чтобы увеличить выработку электроэнергии и удовлетворить спрос на электроэнергию электросети; когда оборудование выходит из строя, менеджеры могут быстро понять ситуацию с неисправностью с помощью системы удаленного мониторинга, организовать персонал по техническому обслуживанию для ее своевременного устранения и уменьшить влияние неисправности на выработку электроэнергии.

С точки зрения снижения затрат на обслуживание, система удаленного мониторинга может контролировать рабочее состояние оборудования в режиме реального времени, своевременно обнаруживать потенциальные неисправности, заранее принимать меры по обслуживанию и предотвращать отказы оборудования, тем самым снижая затраты на обслуживание и время простоя оборудования. В то же время, благодаря удаленному мониторингу, сокращается количество проверок на месте, снижается потребление рабочей силы и материальных ресурсов, а также дополнительно снижаются затраты на обслуживание.

С точки зрения обеспечения безопасной и стабильной работы системы, система сбора данных и удаленного мониторинга может контролировать параметры системы в режиме реального времени, вовремя обнаруживать ненормальные условия и принимать соответствующие защитные меры, чтобы избежать расширения и ухудшения неисправностей и обеспечить безопасную и стабильную работу системы. Например, когда уровень воды слишком высокий или слишком низкий, система может автоматически подавать сигнал тревоги и принимать соответствующие меры управления, такие как регулировка открытия ворот, регулировка рабочего состояния турбогенераторной установки и т. д., чтобы обеспечить безопасность системы.

5.3 Интеграция с другими системами управления энергопотреблением

В грандиозном проекте построения интеллектуальных микросетей и энергетического Интернета интеграция ПЛК и других систем управления энергопотреблением играет жизненно важную роль и является ключевым звеном в достижении эффективного управления энергопотреблением и оптимизированной конфигурации.

В интеллектуальной микросети обычно есть много типов энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия, энергия биомассы и системы хранения энергии. Благодаря своим мощным коммуникационным возможностям и гибким функциям управления, PLC может быть бесшовно интегрирован с различными системами управления энергией. При интеграции с системой управления энергией системы генерации солнечной энергии, PLC может получать данные в реальном времени о генерации солнечной энергии, включая выработку электроэнергии, интенсивность света, температуру и т. д., и передавать собственные данные мониторинга и инструкции по управлению состоянием работы системы в систему управления энергией системы генерации солнечной энергии. При изменении интенсивности света PLC может работать с системой управления энергией системы генерации солнечной энергии в соответствии с общими потребностями интегрированной системы, регулировать рабочее состояние солнечных панелей, достигать отслеживания максимальной точки мощности и обеспечивать эффективность генерации солнечной энергии.

С точки зрения интеграции с системой управления энергией системы ветроэнергетики, PLC может быть тесно связан с оборудованием для мониторинга скорости и направления ветра и системой управления ветровой турбиной. Обмениваясь данными о скорости ветра, направлении ветра и рабочими параметрами ветровой турбины в режиме реального времени, PLC может работать с системой управления энергией системы ветроэнергетики для оптимизации стратегии работы ветровой турбины. Когда скорость ветра слишком высокая или слишком низкая, две системы могут координировать и контролировать угол тангажа и угол рыскания ветровой турбины, чтобы обеспечить безопасную и стабильную работу ветровой турбины, одновременно повышая эффективность использования энергии ветра.

Интеграция PLC также имеет решающее значение для системы управления энергией системы хранения энергии. PLC может контролировать состояние зарядки и разрядки, оставшуюся мощность и другую информацию системы хранения энергии в режиме реального времени и координировать работу с системой управления энергией системы хранения энергии для управления процессом зарядки и разрядки системы хранения энергии в соответствии с общим энергоснабжением и спросом интеллектуальной микросети. Когда подача энергии избыточна, PLC управляет системой хранения энергии для зарядки и хранения избыточного электричества; когда подача энергии недостаточна, PLC управляет системой хранения энергии для разрядки и обеспечения поддержки питания для микросети, тем самым достигая плавного регулирования и стабильной подачи энергии.

В рамках широкого фреймворка Energy Internet интеграция PLC и других систем управления энергией является основным элементом для достижения энергетической взаимосвязи и оптимальной конфигурации. Energy Internet охватывает несколько распределенных энергетических систем, систем хранения энергии и пользовательских терминалов и реализует распределение энергии и совместное управление через коммуникационные сети и информационные технологии. Как важный блок управления распределенной энергетической системы, PLC может обмениваться данными и осуществлять совместное управление с другими системами управления энергией в Energy Internet.

При интеграции с системой управления энергией распределенной энергетической системы PLC может загружать данные о локальном производстве и потреблении энергии на платформу управления Energy Internet и получать инструкции по распределению энергии, выданные платформой. Согласно единой диспетчеризации платформы, PLC может координировать работу локальной распределенной энергетической системы для достижения оптимального распределения и эффективного использования энергии. В Energy Internet определенного региона несколько распределенных солнечных электростанций и ветряных электростанций интегрированы с платформой управления Energy Internet через PLC. Когда спрос на электроэнергию в регионе меняется, платформа управления Energy Internet будет равномерно распределять солнечные электростанции и ветряные электростанции через PLC в соответствии с данными, загруженными каждой распределенной энергетической системой, разумно распределять задачи по выработке электроэнергии и обеспечивать стабильную поставку электроэнергии.

С точки зрения интеграции с системой управления энергопотреблением на стороне пользователя, PLC может контролировать и контролировать поведение пользователя в отношении потребления электроэнергии. Подключаясь к интеллектуальным счетчикам, интеллектуальным домашним устройствам и т. д., PLC получает данные о потреблении электроэнергии пользователем в режиме реального времени, включая потребление электроэнергии, время потребления электроэнергии и состояние электрооборудования. На основе этих данных PLC может работать с системой управления энергопотреблением на стороне пользователя, чтобы предоставлять пользователям персонализированные услуги по управлению энергопотреблением. В соответствии с привычками пользователя в отношении потребления электроэнергии и политикой цен на электроэнергию, формулируется разумный план потребления электроэнергии. Когда цена на электроэнергию низкая, пользователи поощряются использовать мощные электроприборы; когда цена на электроэнергию высокая, время потребления электроэнергии некоторым оборудованием автоматически корректируется, чтобы снизить стоимость электроэнергии пользователя. В то же время PLC также может регулировать потребление электроэнергии на стороне пользователя в соответствии с общим спросом и предложением энергетического Интернета. Когда подача энергии ограничена, он может соответствующим образом снизить ненужную электрическую нагрузку пользователя посредством сотрудничества с системой управления энергопотреблением на стороне пользователя, чтобы обеспечить стабильную работу энергетического Интернета.

5.4 Пример применения: применение ПЛК на гидроэлектростанции

Для того чтобы глубоко проанализировать фактические результаты применения PLC в системе гидроэнергетики, в этом разделе в качестве типичного случая для детального анализа рассматривается гидроэлектростанция. Гидроэлектростанция расположена в [определенном географическом месте], имеет [X] турбогенераторных установок, общей установленной мощностью [X] МВт, и занимает важное положение в местной системе электроснабжения.

Что касается контроля и управления уровнем воды и расходом, гидроэлектростанция использует передовые датчики и систему управления на основе ПЛК. Контроль уровня воды использует высокоточный датчик уровня воды под давлением с точностью измерения ±0,01 м, который может точно измерять уровень воды в водохранилище. Контроль расхода использует электромагнитный расходомер с высокой точностью измерения и широким диапазоном, который может контролировать расход воды в режиме реального времени. Эти датчики передают собранные сигналы уровня воды и расхода в ПЛК, который преобразует аналоговые сигналы в цифровые величины через модуль аналогового ввода и выполняет соответствующую обработку и анализ.

Согласно данным о контролируемом в реальном времени уровне воды и расходе, ПЛК точно управляет работой затвора и турбины в соответствии с заданной стратегией управления. Когда уровень воды ниже установленного нижнего предела, ПЛК управляет открытием затвора водозабора для увеличения, так что больше воды поступает в гидроэлектростанцию для обеспечения количества воды, необходимого для выработки электроэнергии; когда уровень воды выше установленного верхнего предела, ПЛК управляет открытием затвора водозабора для уменьшения, уменьшения расхода воды и предотвращения того, чтобы высокий уровень воды представлял угрозу безопасности для плотины и оборудования. С точки зрения управления потоком, ПЛК регулирует поток воды, поступающий в турбину, управляя открытием направляющего аппарата и скоростью турбины, тем самым достигая управления выработкой электроэнергии. Когда поток большой, ПЛК управляет открытием направляющего аппарата для уменьшения, уменьшения расхода воды, поступающего в турбину, и соответствующим образом регулирует скорость турбины, чтобы турбина работала в зоне высокой эффективности; Когда поток мал, ПЛК управляет открытием направляющего аппарата, увеличивая тем самым поток воды, поступающий в турбину, и увеличивая выработку электроэнергии.

В ходе реальной эксплуатации из-за непрерывных осадков уровень воды в водохранилище быстро поднялся, а расход резко увеличился. ПЛК отслеживал эти изменения во времени с помощью датчиков уровня воды и расхода и быстро запустил план действий в чрезвычайных ситуациях. Во-первых, ПЛК контролировал быстрое уменьшение открытия затвора водозабора, чтобы уменьшить поток паводковой воды в гидроэлектростанцию и избежать повреждения оборудования из-за чрезмерного объема воды; в то же время, в соответствии с данными о потоке и уровне воды в реальном времени, ПЛК точно отрегулировал открытие направляющего аппарата и скорость турбины, чтобы турбина могла стабильно работать в условиях высокого потока и высокого уровня воды, обеспечивая непрерывность выработки электроэнергии. После наводнения уровень воды и расход постепенно вернулись к норме. ПЛК постепенно отрегулировал рабочие параметры затвора и турбины в соответствии с реальной ситуацией, чтобы восстановить систему выработки электроэнергии до наилучшего рабочего состояния. Благодаря точному управлению ПЛК гидроэлектростанция успешно справилась с резкими изменениями уровня воды и расхода во время наводнения, обеспечив безопасность оборудования, при этом максимально используя водные ресурсы и максимально увеличивая эффективность выработки электроэнергии.

Что касается сбора данных и удаленного мониторинга, гидроэлектростанция построила полную систему сбора данных и удаленного мониторинга PLC. PLC подключен к различным типам датчиков для достижения сбора в реальном времени ключевых параметров, таких как уровень воды, расход, давление воды, температура воды, скорость агрегата, мощность и т. д. Эти датчики передают собранные данные в PLC, который фильтрует, калибрует и компенсирует данные, а затем передает данные в удаленный центр мониторинга через коммуникационный модуль. Коммуникационный модуль использует Ethernet-связь, которая является высокоскоростной и стабильной и может быстро и точно передавать данные на сервер удаленного центра мониторинга.

Удаленный центр мониторинга состоит из компьютера мониторинга, программного обеспечения мониторинга и сервера. Программное обеспечение мониторинга обеспечивает множество функций, таких как отображение данных в реальном времени, запрос исторических данных, создание отчетов и управление сигналами тревоги. Через интерфейс программного обеспечения мониторинга персонал может просматривать различные рабочие параметры гидроэлектростанции в реальном времени, такие как уровень воды, расход, давление воды, скорость агрегата, мощность и т. д., а также рабочее состояние оборудования, например, нормально ли работают турбина, генератор, затвор и другое оборудование. Когда в системе возникает ненормальная ситуация, ПЛК вовремя отправляет информацию о сигнале тревоги в удаленный центр мониторинга, а программное обеспечение мониторинга немедленно выдает сигнал тревоги, чтобы напомнить персоналу с помощью звука, всплывающих окон и т. д. В соответствии с информацией о сигнале тревоги персонал может удаленно управлять системой, например, просматривать подробные параметры неисправного оборудования, регулировать рабочее состояние оборудования, запускать или останавливать соответствующее оборудование и т. д., чтобы как можно скорее восстановить нормальную работу системы.

Благодаря системе сбора данных и удаленного мониторинга эффективность управления гидроэлектростанцией значительно повысилась, а расходы на техническое обслуживание значительно сократились. Сотрудникам не нужно часто выезжать на место для проверок, что сокращает трату рабочей силы, материальных ресурсов и времени. В то же время, посредством анализа исторических данных, менеджеры могут оптимизировать стратегию работы системы и дополнительно повысить эффективность выработки электроэнергии и эффективность использования энергии. В случае отказа оборудования система удаленного мониторинга оперативно обнаруживала аномальные сигналы от генератора и выдавала сигнал тревоги. Персонал быстро понимал ситуацию с неисправностью с помощью системы удаленного мониторинга и оперативно организовывал обслуживающий персонал для ее устранения. Потребовалось всего [X] часов, чтобы восстановить нормальную работу генератора, что значительно сократило потери выработки электроэнергии из-за отключения.

С точки зрения интеграции с другими системами управления энергией, гидроэлектростанция активно изучает интеграцию с окружающими проектами по производству солнечной и ветровой энергии и системами хранения энергии. Интегрируясь с системой управления энергией системы производства солнечной энергии, ПЛК может получать данные в реальном времени о производстве солнечной энергии, включая выработку электроэнергии, интенсивность света, температуру и т. д., и передавать собственные данные мониторинга и инструкции по управлению состоянием работы системы в систему управления энергией системы производства солнечной энергии. При достаточном количестве солнечного света гидроэлектростанция может разумно корректировать свой план производства энергии в соответствии с ситуацией производства солнечной энергии, чтобы избежать потерь энергии. С точки зрения интеграции с системой управления энергией системы производства ветровой энергии, ПЛК может быть тесно связан с оборудованием для мониторинга скорости и направления ветра и системой управления ветровой турбиной. Обмениваясь данными о скорости ветра, направлении ветра и рабочими параметрами ветровой турбины в реальном времени, ПЛК может совместно оптимизировать стратегию работы ветровой турбины с системой управления энергией системы производства ветровой энергии, чтобы повысить эффективность использования ветровой энергии.

С точки зрения интеграции с системой управления энергопотреблением системы хранения энергии, PLC может контролировать состояние зарядки и разрядки, оставшуюся мощность и другую информацию системы хранения энергии в режиме реального времени, а также координировать работу с системой управления энергопотреблением системы хранения энергии для управления процессом зарядки и разрядки системы хранения энергии в соответствии с выработкой электроэнергии гидроэлектростанцией и нагрузкой энергосистемы. Когда гидроэлектростанция вырабатывает избыточную мощность, PLC управляет системой хранения энергии для зарядки и хранения избыточной электроэнергии; когда гидроэлектростанция вырабатывает недостаточно мощности или нагрузка на энергосистему достигает пика, PLC управляет системой хранения энергии для разрядки и предоставления поддержки электросети, тем самым достигая плавного регулирования и стабильной подачи энергии. Благодаря интеграции с другими системами управления энергопотреблением гидроэлектростанция достигла дополнительного использования нескольких источников энергии, повышения эффективности использования энергии и снижения риска энергоснабжения.

6. Преимущества и проблемы PLC в системах возобновляемой энергии

6.1 Анализ преимуществ

6.1.1 Технические преимущества

PLC демонстрирует выдающиеся технические преимущества в системах возобновляемой энергии, обеспечивая надежную техническую поддержку для эффективного использования энергии и стабильной работы системы.

Высокая надежность является одним из самых выдающихся технических преимуществ ПЛК. С точки зрения конструкции оборудования ПЛК принимает ряд передовых мер по борьбе с помехами. Каналы ввода-вывода широко используют технологию фотоэлектрической изоляции и используют фотоэлектрические соединители для электрической изоляции внешних входных и выходных сигналов от внутренних цепей, эффективно отсекая прямое соединение между внешними источниками помех и внутренними цепями, предотвращая воздействие внешних электромагнитных помех на внутренние сигналы ПЛК и обеспечивая точность и стабильность передачи сигнала. Для питания и линий используются различные формы схем фильтрации. Например, схемы фильтрации LC используют характеристики индуктивности и емкости для фильтрации высокочастотных помех в источнике питания, чтобы сделать питание более чистым; схемы фильтрации π-типа дополнительно усиливают эффект фильтрации, что может эффективно устранять или подавлять высокочастотные помехи в источнике питания, обеспечивая стабильное и надежное питание ПЛК. Важные компоненты, такие как ЦП, экранированы материалами с хорошей проводимостью и магнитными свойствами, которые образуют слой электромагнитного экранирования, снижают влияние пространственных электромагнитных помех на их нормальную работу и гарантируют, что ЦП может стабильно выполнять различные инструкции.

С точки зрения программного обеспечения, ПЛК принимает режим сканирования, сканируя входные сигналы, выполняя пользовательские программы и обновляя выходные сигналы последовательно. Этот режим работы уменьшает мгновенные сбои, вызванные внешними помехами окружающей среды, и повышает надежность системы. В то же время в системной программе имеются программы обнаружения неисправностей и самодиагностики, которые могут контролировать состояние аппаратной схемы системы в режиме реального времени. После обнаружения неисправности текущая важная информация может быть немедленно запечатана, любые нестабильные операции чтения и записи запрещены, и подается сигнал тревоги о неисправности. Когда внешняя среда возвращается в нормальное состояние, он может автоматически вернуться в состояние до возникновения неисправности и продолжить исходную работу. Эта высокая надежность позволяет ПЛК стабильно работать в течение длительного времени в сложной и суровой среде систем возобновляемой энергии, обеспечивая непрерывность и стабильность производства энергии.

Гибкость — еще одно важное техническое преимущество ПЛК. ПЛК имеет модульную конструкцию, и пользователи могут гибко выбирать модули с различными функциями для комбинирования в соответствии с фактическими потребностями управления, такими как входные модули, выходные модули, коммуникационные модули, специальные функциональные модули и т. д. Эта модульная структура делает расширение и модернизацию системы очень удобными. Пользователи могут добавлять или заменять модули в любое время в соответствии с изменениями в масштабе системы и увеличением функциональных требований без необходимости масштабной переделки всей системы. В небольшой системе генерации солнечной энергии изначально могут потребоваться только базовые входные и выходные модули для управления простой работой фотоэлектрических панелей и инверторов; по мере расширения масштаба системы и увеличения функциональных требований могут потребоваться функции удаленного мониторинга и сбора данных, например, пользователи могут легко добавлять коммуникационные модули и модули сбора данных для расширения и модернизации системы.

В то же время метод программирования ПЛК также очень гибок, поддерживая несколько языков программирования, таких как лестничная диаграмма, функциональная блок-схема, структурированный текст и т. д. Язык лестничной диаграммы нагляден и интуитивно понятен, похож на схему электрической цепи управления. Он очень прост в использовании для инженеров, знакомых с электрическим управлением, и может быстро писать программы управления; язык функциональной блок-схемы больше подходит для описания сложных логических взаимосвязей управления. Благодаря объединению и соединению различных функциональных блоков он может четко выражать логику управления системы, которую легко понять и поддерживать; структурированный текстовый язык имеет более высокую эффективность программирования и подходит для написания сложных алгоритмов и программ обработки данных, которые могут обеспечить более точное и эффективное управление. Пользователи могут выбрать наиболее подходящий язык программирования для программирования в соответствии со своими собственными привычками и требованиями проекта, чтобы реализовать различные сложные логики управления.

Мощные возможности обработки данных также являются важным техническим преимуществом ПЛК. С непрерывным развитием микропроцессорной техники скорость вычислений и емкость хранения данных ПЛК значительно улучшились. Современные ПЛК могут быстро обрабатывать большое количество цифровых и аналоговых сигналов и реализовывать сложные алгоритмы управления и задачи обработки данных. В системах возобновляемой энергии необходимо отслеживать и анализировать большой объем энергетических данных в режиме реального времени, таких как выработка электроэнергии, коэффициент мощности, потребление энергии и т. д. ПЛК может быстро получать эти данные с помощью высокоскоростных модулей сбора данных и использовать свою мощную внутреннюю вычислительную мощность для анализа и обработки данных в режиме реального времени, обеспечивая точную поддержку данных для управления энергопотреблением и оптимизированного контроля. Например, на крупных ветряных электростанциях ПЛК необходимо собирать и обрабатывать большое количество данных о скорости ветра ветряных турбин, направлении ветра, скорости, мощности и других данных ветряных турбин в режиме реального времени, анализировать эти данные с помощью сложных алгоритмов, осуществлять интеллектуальное управление ветряными турбинами и повышать эффективность использования энергии ветра. В то же время ПЛК также имеет функцию хранения данных, которая может сохранять исторические данные во внутренней памяти или на внешних устройствах хранения, чтобы облегчить пользователям запрос и статистический анализ данных, а также обеспечить основу для оптимизированной работы и диагностики неисправностей системы.

Кроме того, PLC также имеет хорошие коммуникационные возможности и может легко взаимодействовать и интегрироваться с другими устройствами и системами. PLC поддерживает различные протоколы связи, такие как Ethernet, RS485, Modbus и т. д., и может адаптироваться к различным сетевым средам и требованиям к подключению устройств. Благодаря связи Ethernet PLC может быстро и стабильно взаимодействовать с хост-компьютером, системой мониторинга или облачной платформой для достижения удаленного мониторинга, анализа данных, планирования энергии и других функций. Благодаря связи RS485 PLC может надежно взаимодействовать с несколькими удаленными устройствами для достижения построения распределенных систем управления. Как широко используемый промышленный протокол связи, протокол Modbus имеет широкую совместимость и универсальность, что позволяет PLC взаимодействовать с различными устройствами, которые поддерживают протокол Modbus, и реализовывать системное взаимодействие. В системах возобновляемой энергии PLC может взаимодействовать и интегрироваться с солнечными панелями, ветряными турбинами, оборудованием для хранения энергии, интеллектуальными сетями и т. д. для достижения унифицированного управления и оптимизированной конфигурации энергии.

6.1.2 Экономические преимущества

Применение ПЛК в системах возобновляемой энергетики обеспечивает значительные экономические преимущества и мощную экономическую поддержку развитию отрасли возобновляемой энергетики.

Сокращение затрат на оборудование является важным проявлением экономических преимуществ PLC. Поскольку PLC имеет модульную конструкцию, пользователи могут гибко настраивать систему в соответствии с фактическими потребностями, избегая ненужных затрат на покупку и установку оборудования. В небольшом проекте по производству солнечной энергии пользователи могут выбирать соответствующие входные и выходные модули и модули управления на основе количества солнечных панелей и требований к питанию, не приобретая оборудование с чрезмерно сложными или избыточными функциями, тем самым снижая первоначальные инвестиционные затраты на систему. В то же время высокая надежность PLC снижает частоту отказов оборудования и время ремонта, а также снижает затраты на техническое обслуживание оборудования. По сравнению с традиционными системами управления, системы управления PLC имеют более длительное среднее время безотказной работы и более длительные циклы технического обслуживания, что снижает потери от простоя и затраты на техническое обслуживание, вызванные отказом оборудования.

Повышение энергоэффективности является еще одним важным экономическим преимуществом, которое дает PLC. В системах генерации солнечной энергии PLC может отслеживать максимальную точку мощности солнечных панелей в режиме реального времени, реализуя управление отслеживанием максимальной точки мощности (MPPT), и вовремя корректировать рабочее состояние солнечных панелей в соответствии с изменениями факторов окружающей среды, таких как интенсивность света и температура, чтобы гарантировать, что они всегда генерируют электроэнергию с максимальной эффективностью. Система генерации солнечной энергии, использующая PLC для реализации управления MPPT, может повысить свою эффективность генерации электроэнергии на 10% – 30% по сравнению с системой, которая не использует управление MPPT. Это означает, что при тех же условиях ресурса солнечной энергии система, управляемая PLC, может генерировать больше электроэнергии и увеличивать энергетические выгоды.

В системах ветрогенерации PLC точно контролирует угол наклона и угол рыскания ветровой турбины, позволяя ветровой турбине поддерживать эффективную работу в условиях различной скорости и направления ветра, тем самым повышая эффективность использования энергии ветра. Исследования показали, что точное управление углом наклона и рысканием может увеличить выработку электроэнергии ветрогенерирующими системами на 5% – 10%. В системах гидрогенерации PLC точно контролирует работу затворов и турбин в соответствии с изменениями уровня и расхода воды, достигая эффективного преобразования энергии воды и повышая эффективность выработки электроэнергии. Улучшение эффективности использования энергии не только увеличивает выработку электроэнергии в системах возобновляемой энергии, но и снижает зависимость от традиционной энергии и снижает затраты на закупку энергии.

Продление срока службы оборудования является еще одним важным аспектом экономического преимущества PLC. Благодаря мониторингу в реальном времени и интеллектуальному управлению рабочим состоянием оборудования PLC может оперативно обнаруживать потенциальные отказы оборудования и принимать соответствующие меры для их предотвращения и ремонта, избегать возникновения и ухудшения отказов оборудования и, таким образом, продлевать срок службы оборудования. В системе ветрогенерации PLC контролирует вибрацию, температуру, давление масла и другие параметры вентилятора в реальном времени. При обнаружении ненормальных параметров он оперативно выдает сигнал тревоги и принимает соответствующие защитные меры, такие как регулировка рабочих параметров вентилятора, отключение для технического обслуживания и т. д., чтобы избежать повреждения оборудования из-за отказов и продлить срок службы вентилятора. Продление срока службы оборудования снижает частоту и стоимость замены оборудования и улучшает экономические выгоды от системы возобновляемой энергии.

Кроме того, PLC также может достичь разумного распределения и использования энергии, сократить потери энергии и дополнительно улучшить экономические выгоды за счет оптимизации управления энергией и диспетчеризации. В интеллектуальных микросетях PLC интегрируется с другими системами управления энергией для рациональной организации производства, хранения и использования энергии в соответствии с политикой спроса и предложения энергии и ценами на электроэнергию, достигая оптимального распределения энергии и снижения затрат на энергию. Когда цена на электроэнергию низкая ночью, электроэнергия, хранящаяся в системе хранения энергии, используется для производства и ежедневного потребления электроэнергии; когда цена на электроэнергию высокая днем, возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра, используются для генерации электроэнергии, а избыток электроэнергии хранится или передается в сеть. Достигается экономное использование энергии.

6.1.3 Экологические преимущества

Применение ПЛК в системах возобновляемой энергии имеет значительные экологические преимущества и вносит позитивный вклад в борьбу с глобальным изменением климата и содействие устойчивому развитию.

Содействие эффективному использованию возобновляемой энергии является основным воплощением экологических преимуществ PLC. Возобновляемая энергия, такая как солнечная энергия, энергия ветра и гидроэнергия, является чистой и не загрязняет окружающую среду, но их плотность энергии относительно низка, и существуют проблемы прерывистости и волатильности. PLC может эффективно повысить эффективность использования возобновляемой энергии и сократить потери энергии за счет точного управления системами возобновляемой энергии, тем самым снижая зависимость от традиционной ископаемой энергии и косвенно сокращая выбросы парниковых газов и загрязняющих веществ. В системах генерации солнечной энергии PLC использует алгоритм управления MPPT, чтобы поддерживать работу солнечных панелей вблизи максимальной точки мощности, повышать эффективность преобразования солнечной энергии и увеличивать выработку электроэнергии. При том же спросе на электроэнергию большее использование солнечной энергии сокращает сжигание ископаемой энергии, такой как уголь и нефть, и снижает выбросы загрязняющих веществ, таких как диоксид углерода, диоксид серы и оксиды азота.

В системах ветрогенерации PLC точно контролирует угол наклона и угол рыскания ветровых турбин, позволяя ветряным турбинам эффективно работать при различных скоростях и направлениях ветра, тем самым повышая эффективность использования ветровой энергии. Это означает, что при получении того же количества электроэнергии сокращается время работы и количество ветряных турбин, а также сокращается потребление энергии и выбросы загрязняющих веществ при производстве и эксплуатации оборудования. В системах гидрогенерации PLC оптимизирует работу затворов и турбин в соответствии с изменениями уровня и расхода воды, обеспечивает эффективное преобразование энергии воды, сокращает отходы водных ресурсов и повышает эффективность использования энергии. Повышая эффективность использования возобновляемой энергии, PLC помогает снизить зависимость от традиционной энергии, сократить выбросы углерода и смягчить давление глобального потепления.

Сокращение загрязнения окружающей среды является важным аспектом экологических преимуществ PLC. Традиционные методы производства энергии, особенно сжигание ископаемого топлива, производят большое количество загрязняющих веществ, таких как диоксид серы, оксиды азота, твердые частицы и т. д. Эти загрязняющие вещества являются основными причинами таких экологических проблем, как загрязнение воздуха, кислотные дожди и дымка. Системы возобновляемой энергии практически не производят выбросов загрязняющих веществ во время работы, но если система не контролируется должным образом, это может привести к потерям энергии, косвенно увеличить спрос на традиционную энергию и, таким образом, усугубить загрязнение окружающей среды. PLC оптимизирует работу систем возобновляемой энергии, повышает эффективность использования энергии и снижает зависимость от традиционной энергии, тем самым косвенно сокращая выбросы загрязняющих веществ. В то же время применение PLC в системах возобновляемой энергии может также осуществлять мониторинг и управление в реальном времени процессом производства энергии и своевременно обнаруживать и решать возможные проблемы загрязнения окружающей среды. Например, в системах солнечной энергии PLC может контролировать температуру и рабочее состояние панелей, чтобы предотвратить утечку вредных веществ из-за перегрева или отказа, тем самым обеспечивая экологическую безопасность.

Поддержка устойчивого развития является долгосрочным значением экологических преимуществ PLC. Устойчивое развитие является целью, преследуемой человеческим обществом, и ее суть заключается в достижении координации и единства экономического развития и защиты окружающей среды. Как важный источник энергии для устойчивого развития, крупномасштабное развитие и использование возобновляемых источников энергии имеет решающее значение для достижения целей устойчивого развития. Применение PLC в системах возобновляемой энергии обеспечивает техническую поддержку для эффективного использования и стабильного развития возобновляемых источников энергии, способствует развитию отрасли возобновляемой энергии и содействует оптимизации и трансформации энергетической структуры. Поскольку доля возобновляемых источников энергии в энергетической структуре продолжает расти, воздействие производства и потребления энергии на окружающую среду будет постепенно уменьшаться, достигая благотворного взаимодействия между экономическим развитием и защитой окружающей среды и закладывая прочную основу для устойчивого развития.

6.2 Анализ проблемы

6.2.1 Технические проблемы

Хотя технология PLC продемонстрировала множество преимуществ в системах возобновляемой энергетики, ее применение по-прежнему сталкивается с рядом технических проблем, которые ограничивают ее дальнейшее продвижение и эффективное применение в области возобновляемой энергетики.

Недостаточная помехоустойчивость является одной из ключевых технических проблем, с которыми сталкиваются PLC при применении систем возобновляемой энергии. Рабочая среда систем возобновляемой энергии сложна и изменчива, и они часто сталкиваются с суровыми природными условиями и сильными электромагнитными помехами. На солнечных электростанциях фотоэлектрические модули обычно устанавливаются на открытом воздухе и подвержены суровым климатическим условиям, таким как высокая температура, высокая влажность и пыль. В то же время инверторы и другое оборудование в системах солнечной генерации будут генерировать много электромагнитных помех во время работы, что может повлиять на нормальную работу PLC, что приведет к ошибкам передачи данных, ненормальному выполнению инструкций управления и другим проблемам. На ветряных электростанциях ветряные турбины расположены на большой высоте и подвергаются воздействию естественной среды. Им не только приходится выдерживать испытания экстремальными погодными условиями, такими как сильный ветер и молнии, но и высокоскоростное вращение ветряных турбин и работа электрооборудования также будут генерировать сильные электромагнитные помехи, создавая угрозу стабильности и надежности PLC. Чтобы улучшить помехоустойчивость PLC, необходимо усовершенствовать как аппаратное, так и программное обеспечение. С точки зрения аппаратного обеспечения можно использовать более совершенную технологию экранирования, фильтрующие схемы и меры изоляции для дальнейшего повышения способности ПЛК противостоять электромагнитным помехам; с точки зрения программного обеспечения можно оптимизировать алгоритм управления, добавить механизмы проверки данных и исправления ошибок, а также улучшить способность системы определять и обрабатывать данные о помехах.

Проблема совместимости связи также является технической проблемой, которую необходимо решить при применении PLC в системах возобновляемой энергии. Системы возобновляемой энергии обычно содержат несколько типов оборудования и систем, которые могут поставляться разными производителями и использовать разные протоколы связи и стандарты интерфейсов. PLC необходимо взаимодействовать и интегрироваться с этим оборудованием и системами для достижения унифицированного контроля и управления всей системой возобновляемой энергии. Однако из-за отсутствия единообразия в протоколах связи и стандартах интерфейсов возникают проблемы с совместимостью связи между PLC и другими устройствами, что приводит к плохой передаче данных и прерываниям связи. В гибридном проекте возобновляемой энергии, который включает солнечную энергию, ветровую энергию и системы хранения энергии, оборудование для генерации солнечной энергии использует протокол Modbus, оборудование для генерации ветровой энергии использует протокол Profibus, а система хранения энергии использует специальный протокол, что заставляет PLC сталкиваться с огромными проблемами при взаимодействии с этими устройствами, требуя большого количества работ по преобразованию протоколов и адаптации интерфейса, что увеличивает сложность и стоимость системы. Для решения проблемы совместимости коммуникаций необходимо усилить разработку и унификацию отраслевых стандартов, содействовать сотрудничеству и координации между различными производителями оборудования, а также содействовать стандартизации и обобщению протоколов связи и стандартов интерфейсов.

Кроме того, с постоянным расширением масштабов систем возобновляемой энергии и повышением функциональных требований, предъявляются более высокие требования к вычислительной мощности и емкости хранения ПЛК. На крупных солнечных электростанциях и ветряных электростанциях необходимо обрабатывать большой объем данных датчиков и инструкций управления, и традиционные ПЛК могут не справляться с такими масштабными требованиями к обработке и хранению данных. На крупной ветряной электростанции с тысячами ветряных турбин каждая ветряная турбина должна собирать множество параметров, таких как скорость ветра, направление ветра, скорость, мощность и т. д. в режиме реального времени, а также необходимо точно управлять и диагностировать ветряные турбины. Для этого ПЛК должны иметь мощную вычислительную мощность и устройства хранения большой емкости для обеспечения эффективной работы системы. Чтобы справиться с этой задачей, необходимо постоянно улучшать производительность оборудования ПЛК, внедрять более совершенные микропроцессоры и память большой емкости и оптимизировать программные алгоритмы для повышения эффективности обработки данных для удовлетворения растущих потребностей систем возобновляемой энергии.

6.2.2 Проблема стоимости

Вопрос стоимости является одним из важных факторов, ограничивающих широкое применение ПЛК в системах возобновляемой энергии, что в основном выражается в высоких первоначальных инвестиционных затратах и высоких расходах на техническое обслуживание.

Высокая начальная инвестиционная стоимость является основной проблемой затрат, с которой сталкивается PLC при применении систем возобновляемой энергии. Цена самого PLC относительно высока, особенно некоторых высокопроизводительных и высоконадежных продуктов PLC, которые стоят еще дороже. В небольшой системе генерации солнечной энергии, если используется импортный высокопроизводительный PLC, его закупочная стоимость может составлять 10% – 20% от общей стоимости инвестиций в систему. Кроме того, для достижения связи и интеграции между PLC и другим оборудованием в системе возобновляемой энергии также необходимо оборудовать соответствующие коммуникационные модули, датчики, исполнительные механизмы и другое оборудование, и расходы на закупку и установку этого оборудования не следует недооценивать. В проекте, который включает системы генерации и хранения энергии ветра, для достижения эффективного управления ветряными турбинами и оборудованием для хранения энергии с помощью PLC необходимо установить большое количество датчиков скорости ветра, датчиков направления ветра, систем управления батареями и другого оборудования. Стоимость этого оборудования плюс стоимость PLC значительно увеличивают первоначальную инвестиционную стоимость проекта. Высокие первоначальные инвестиционные затраты являются серьезным бременем для некоторых проектов в области возобновляемых источников энергии с ограниченным финансированием, что ограничивает применение и продвижение PLC.

Высокая стоимость обслуживания также является фактором стоимости, который нельзя игнорировать при применении PLC в системах возобновляемой энергии. Как сложное электронное устройство, PLC требует профессиональных техников для его обслуживания и ремонта. Системы возобновляемой энергии обычно распределены в отдаленных районах с неудобной транспортировкой, а стоимость выезда техников на место для обслуживания высока. В то же время из-за быстрого технологического обновления PLC обслуживающему персоналу необходимо постоянно учиться и осваивать новые технические знания, что также увеличивает стоимость обучения персонала. Кроме того, цена запасных частей для ремонта PLC относительно высока, а некоторые запасные части необходимо импортировать из-за рубежа с длительным циклом закупки, что также увеличивает стоимость и время обслуживания оборудования. На ветряной электростанции, расположенной в отдаленной горной местности, после выхода из строя PLC техникам необходимо тратить много времени и высокие транспортные расходы, чтобы добраться до места для ремонта. В то же время из-за длительного цикла закупки запасных частей оборудование может быть остановлено на длительное время, что приведет к большим экономическим потерям.

Чтобы сократить расходы, можно использовать различные стратегии. С точки зрения сокращения первоначальных инвестиционных затрат, с одной стороны, мы можем усилить технологические исследования и разработки, увеличить уровень локализации ПЛК и сократить расходы за счет крупномасштабного производства. В настоящее время некоторые отечественные компании добились определенного прогресса в исследованиях, разработках и производстве ПЛК. С постоянным развитием технологий и расширением масштабов производства ожидается дальнейшее снижение цены на отечественные ПЛК. С другой стороны, мы можем оптимизировать проектирование системы, разумно выбирать модель и конфигурацию ПЛК и избегать чрезмерной конфигурации и отходов. С точки зрения затрат на техническое обслуживание можно создать систему удаленного обслуживания для своевременного обнаружения и устранения сбоев ПЛК с помощью технологии удаленного мониторинга и диагностики, что позволит сократить количество и стоимость обслуживания на месте. В то же время укрепить сотрудничество с поставщиками оборудования, создать локализованную библиотеку запасных частей, сократить цикл закупки запасных частей и снизить затраты на запасные части.

6.2.3 Проблемы рынка

PLC также сталкивается с рядом рыночных проблем в применении систем возобновляемой энергии, включая недостаточную осведомленность рынка и жесткую рыночную конкуренцию. Эти проблемы влияют на расширение и применение PLC на рынке возобновляемой энергии.

Недостаточная осведомлённость рынка является одной из рыночных проблем, с которой сталкивается PLC при применении систем возобновляемой энергии. Хотя PLC широко используется в области промышленной автоматизации, в области возобновляемой энергии, особенно в некоторых новых проектах возобновляемой энергии, некоторые разработчики проектов и инвесторы не имеют глубокого понимания функций и преимуществ PLC и не осознают его прикладной ценности в системах возобновляемой энергии. Некоторые разработчики небольших проектов по производству солнечной энергии предпочитают использовать традиционные простые системы управления, полагая, что PLC имеет высокую стоимость, сложную технологию и сложна в использовании и обслуживании, игнорируя при этом важную роль PLC в повышении эффективности выработки электроэнергии и обеспечении стабильной работы системы. Такая неосведомлённость рынка привела к определённым препятствиям для продвижения PLC на рынке возобновляемой энергии, ограничив расширение его доли на рынке.

Жесткая рыночная конкуренция также является серьезным рыночным вызовом, с которым сталкиваются PLC при применении систем возобновляемой энергии. С быстрым развитием отрасли возобновляемой энергии все больше компаний и учреждений начали заниматься сферой систем управления возобновляемой энергией, и рыночная конкуренция становится все более жесткой. В дополнение к традиционным производителям PLC, некоторые новые технологические компании также запустили решения по управлению для систем возобновляемой энергии. Эти компании часто обладают сильными технологическими инновационными возможностями и ценовыми преимуществами, что оказало огромное конкурентное давление на традиционных производителей PLC. Некоторые интернет-компании использовали свои технологические преимущества в больших данных, искусственном интеллекте и других областях для разработки систем управления возобновляемой энергией с интеллектуальными функциями управления, чтобы конкурировать с традиционными продуктами PLC за долю рынка. В этой среде жесткой рыночной конкуренции производителям PLC необходимо постоянно укреплять технологические инновации, улучшать производительность и качество продукции, снижать затраты и в то же время усиливать продвижение на рынке и создание бренда для повышения рыночной конкурентоспособности своей продукции.

Кроме того, несовершенство политической среды и рыночных стандартов также создает определенные рыночные проблемы для применения PLC в системах возобновляемой энергии. В настоящее время, хотя правительства разных стран ввели ряд политик для поддержки развития возобновляемой энергии, соответствующие политики и стандарты для применения PLC в системах возобновляемой энергии еще не идеальны, и отсутствуют четкие технические спецификации и стандарты доступа на рынок. Это делает качество продуктов PLC на рынке неравномерным, и некоторые некачественные продукты могут повлиять на эффект применения и репутацию PLC в системах возобновляемой энергии. В то же время нестабильность и неопределенность политики также увеличивают риски корпоративных инвестиций и продвижения на рынок. Чтобы ответить на эти рыночные проблемы, необходимо усилить политическое руководство и рыночные правила, сформулировать надежные технические стандарты и правила доступа на рынок и содействовать здоровому развитию PLC на рынке применения систем возобновляемой энергии.

6.3 Обсуждение стратегий преодоления трудностей

В ответ на вышеуказанные проблемы необходимо принять эффективные стратегии в области технологических исследований и разработок, контроля затрат и продвижения на рынок для содействия широкому применению и устойчивому развитию ПЛК в системах возобновляемой энергии.

С точки зрения технологических исследований и разработок, мы должны увеличить инвестиции в исследования и разработки технологии защиты от помех PLC. С одной стороны, мы должны продолжать совершенствовать конструкцию оборудования, внедрять более совершенные материалы и процессы электромагнитного экранирования и дополнительно повышать способность экранирования PLC от внешних электромагнитных помех, например, разрабатывать новые многослойные композитные экранирующие материалы для улучшения эффекта экранирования; оптимизировать конструкцию схемы фильтра, внедрять адаптивные алгоритмы фильтрации, настраивать параметры фильтра в режиме реального времени в соответствии с характеристиками сигнала помех и улучшать способность подавлять сложные сигналы помех. С другой стороны, мы должны усилить исследования в области технологии защиты от помех программного обеспечения, разрабатывать интеллектуальные алгоритмы проверки данных и исправления ошибок, чтобы PLC мог автоматически идентифицировать и исправлять данные с помехами для обеспечения точности и надежности данных; внедрять технологию избыточного управления, настраивая несколько блоков управления или резервных систем, когда основной блок управления подвергается помехам и выходит из строя, резервная система может быстро переключаться и вводиться в эксплуатацию для обеспечения бесперебойной работы системы.

Для решения проблемы совместимости связи необходимо активно участвовать и содействовать разработке и унификации отраслевых стандартов связи. Укреплять сотрудничество и обмены с другими производителями оборудования, научно-исследовательскими институтами и отраслевыми ассоциациями для совместной разработки общих протоколов связи и стандартов интерфейса, применимых к системам возобновляемой энергии. Например, создать рабочую группу по разработке стандартов с участием всех сторон для разработки унифицированных спецификаций протоколов связи для различных типов оборудования возобновляемой энергии, уточнить ключевые параметры, такие как формат передачи данных, скорость связи, инструкции по управлению и т. д., для обеспечения бесперебойной связи и интеграции между различными устройствами. В то же время поощрять производителей оборудования следовать унифицированным стандартам при проектировании продукции для улучшения совместимости и взаимозаменяемости оборудования.

Ввиду проблемы недостаточной вычислительной мощности и емкости хранения ПЛК необходимо ускорить модернизацию аппаратных технологий. Исследовать, разработать и внедрить более совершенные микропроцессоры для повышения скорости вычислений и вычислительной мощности ПЛК, например, внедрить технологию многоядерных процессоров для реализации многозадачной параллельной обработки и повышения эффективности обработки данных; увеличить емкость памяти и внедрить флэш-память большой емкости или твердотельный жесткий диск для удовлетворения потребностей в хранении больших объемов данных. С точки зрения программного обеспечения, оптимизировать алгоритмы и структуры программ, повысить эффективность обработки данных и сократить использование аппаратных ресурсов. Например, внедрить эффективные алгоритмы сжатия данных для сжатия и хранения больших объемов собранных данных для сокращения использования пространства хранения; разработать алгоритмы параллельных вычислений для полного использования преимуществ многоядерных процессоров и повышения скорости выполнения сложных алгоритмов управления.

С точки зрения контроля затрат ключевым моментом является снижение первоначальных инвестиционных затрат. Увеличьте поддержку локализации PLC, поощряйте отечественные предприятия увеличивать инвестиции в НИОКР и повышайте уровень локализации PLC. С помощью политической поддержки, финансовых субсидий и других средств поощряйте развитие отечественной отрасли PLC, формируйте крупномасштабное производство и снижайте производственные затраты. В то же время оптимизируйте проектирование системы и разумно выбирайте модель и конфигурацию PLC в соответствии с фактическими потребностями систем возобновляемой энергии, чтобы избежать траты ресурсов, вызванной чрезмерной конфигурацией. В проекте малой ветроэнергетики с помощью детального анализа спроса и оценки системы выбирайте PLC с соответствующими функциями и производительностью, избегайте выбора продуктов с чрезмерной конфигурацией, тем самым снижая первоначальные инвестиционные затраты.

Сокращение расходов на техническое обслуживание не следует игнорировать. Создайте систему удаленного обслуживания и используйте интернет-технологии для достижения удаленного мониторинга и диагностики ПЛК. С помощью удаленного мониторинга своевременно обнаруживайте скрытые неисправности ПЛК и принимайте соответствующие меры для их устранения, сокращая количество и стоимость обслуживания на месте. Например, на крупной солнечной электростанции была создана система удаленного обслуживания. Персонал по эксплуатации и обслуживанию может контролировать рабочее состояние ПЛК в режиме реального времени с помощью платформы удаленного мониторинга. При обнаружении неисправности они могут устранять неполадки и устранять их с помощью удаленной работы, что значительно снижает рабочую нагрузку и стоимость обслуживания на месте. Укрепляйте сотрудничество с поставщиками оборудования, создайте локализованную библиотеку запасных частей, сократите цикл закупки запасных частей и сократите расходы на запасные части. Подпишите долгосрочное соглашение о сотрудничестве с поставщиками, чтобы обеспечить своевременную поставку запасных частей и снизить закупочную цену запасных частей за счет централизованных закупок и других средств.

С точки зрения продвижения на рынке, повышение осведомленности рынка является основной задачей. Усилить рекламу и продвижение приложений PLC в системах возобновляемой энергии и информировать разработчиков проектов возобновляемой энергии, инвесторов и связанные с ними компании о функциях, преимуществах и примерах применения PLC через технические семинары, выставки продукции, отраслевые форумы и другие мероприятия. Например, регулярно проводить семинары по технологиям возобновляемой энергии, приглашать экспертов, ученых и представителей корпораций для представления последних результатов применения и тенденций развития PLC в системах возобновляемой энергии и демонстрировать успешные примеры, чтобы больше людей поняли ценность PLC. В то же время писать подробную техническую информацию и руководства по применению, чтобы предоставить пользователям техническую поддержку и ссылки, которые помогут им лучше понять и применять PLC.

Столкнувшись с жесткой рыночной конкуренцией, производители PLC должны постоянно укреплять технологические инновации и улучшать производительность и качество продукции. Увеличивать инвестиции в НИОКР для разработки продуктов PLC с более высокой производительностью и большей надежностью для удовлетворения растущих потребностей систем возобновляемой энергии. Сосредоточиться на дифференцированной конкуренции продуктов, разрабатывать целевые решения PLC для различных типов систем возобновляемой энергии и повышать конкурентоспособность продукта на рынке. Усиливать продвижение на рынке и создание бренда для повышения видимости и репутации продукта. Сформулировать разумные маркетинговые стратегии для увеличения доли рынка продукта с помощью рекламы, интернет-маркетинга, управления взаимоотношениями с клиентами и других средств. Создать хороший имидж бренда и завоевать доверие и признание клиентов с помощью высококачественных продуктов и услуг.

Кроме того, правительство и отраслевые ассоциации должны усилить политическое руководство и регулирование рынка. Правительство должно ввести соответствующую политику для поощрения проектов возобновляемой энергетики к внедрению технологии PLC, например, путем предоставления определенных субсидий или налоговых льгот для снижения стоимости проекта и повышения энтузиазма в отношении применения PLC в системах возобновляемой энергетики. Отраслевые ассоциации должны сформулировать надежные технические стандарты и правила доступа на рынок, усилить надзор за рынком, регулировать рыночный порядок, предотвращать выход на рынок некачественной продукции и обеспечивать здоровое развитие PLC на рынке применения систем возобновляемой энергетики.

VII. Заключение и перспективы

7.1 Резюме результатов исследования

Это исследование дает глубокий анализ применения PLC в системах возобновляемой энергии и всесторонне раскрывает его ключевую роль и важное значение. В системах генерации солнечной энергии PLC полагается на свои мощные возможности управления для успешной реализации управления отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT), значительно повышая эффективность генерации электроэнергии. Используя передовые алгоритмы управления MPPT, такие как метод наблюдения за возмущениями, метод приращения проводимости и метод управления нечеткой логикой, PLC может точно регулировать рабочее состояние солнечных панелей в соответствии с изменениями в реальном времени интенсивности света, температуры и других факторов окружающей среды, чтобы гарантировать, что они всегда работают вблизи точки максимальной мощности. Соответствующие данные исследований и практического применения показывают, что эффективность генерации электроэнергии солнечной системы генерации электроэнергии с использованием PLC для достижения управления MPPT может быть увеличена на 10% – 30% по сравнению с системой без управления MPPT.

В то же время PLC играет важную роль в управлении накоплением энергии батареи. Точно контролируя процесс зарядки и разрядки батареи, PLC может эффективно избегать перезарядки и переразрядки батареи и продлевать срок службы батареи. Во время процесса зарядки PLC принимает стратегии зарядки постоянным током, зарядки постоянным напряжением и поэтапной зарядки в соответствии с параметрами напряжения батареи, тока, остаточной емкости (SOC) и температуры, чтобы обеспечить безопасную и эффективную зарядку батареи; во время процесса разрядки PLC динамически регулирует мощность разряда батареи в соответствии с потребностью в мощности нагрузки и оставшейся мощностью батареи, строго контролирует глубину разряда батареи и избегает чрезмерной разрядки батареи. Кроме того, PLC также может оптимизировать управление системой накопления энергии, разумно распределять энергию и повышать эффективность использования энергии в соответствии с выработкой электроэнергии в реальном времени солнечной системой генерации электроэнергии, состоянием накопления энергии батареи и потребностью в мощности нагрузки.

С точки зрения сбора данных и удаленного мониторинга, PLC тесно связан с различными датчиками для достижения сбора в реальном времени многомерных данных о системе генерации солнечной энергии, включая интенсивность света, температуру, напряжение, ток, состояние батареи и т. д. Эти данные обеспечивают важную основу для анализа работы системы и управления оптимизацией. В то же время PLC подключен к системе удаленного мониторинга через модуль связи для достижения удаленного мониторинга и управления состоянием работы системы в реальном времени. С помощью системы удаленного мониторинга персонал по эксплуатации и обслуживанию может просматривать различные рабочие параметры системы в реальном времени, своевременно обнаруживать и устранять проблемы, значительно повышать эффективность управления и уровень обслуживания системы, а также сокращать расходы на обслуживание.

В системах генерации ветровой энергии ПЛК играет ключевую роль в мониторинге и управлении скоростью и направлением ветра. Подключив датчики скорости и направления ветра, ПЛК может отслеживать изменения скорости и направления ветра в режиме реального времени и гибко регулировать рабочие параметры ветровой турбины в соответствии с результатами мониторинга, чтобы обеспечить эффективную и стабильную работу ветровой турбины. Когда скорость ветра ниже начальной скорости ветра ветровой турбины, ПЛК управляет ветровой турбиной, чтобы она находилась в режиме ожидания, ожидая, пока скорость ветра достигнет начальных условий; когда скорость ветра достигает начальной скорости ветра, ПЛК управляет ветровой турбиной для запуска, и в соответствии с изменением скорости ветра алгоритм отслеживания максимальной точки мощности (MPPT) используется для регулировки угла наклона и скорости ветровой турбины в режиме реального времени, так что ветровая турбина всегда работает вблизи максимальной точки мощности, чтобы улавливать больше энергии ветра.

Управление углом тангажа и рыскания являются основными звеньями управления ветроэнергетических систем, и ПЛК играет в них ключевую роль. Точно управляя углом тангажа, ПЛК может регулировать энергию ветра, захватываемую лопастями, в соответствии с изменением скорости ветра, тем самым достигая эффективного управления скоростью вращения ветровой турбины и выходной мощностью; точно управляя системой рыскания, ПЛК может заставить ротор ветровой турбины всегда быть обращенным в сторону направления ветра и захватывать энергию ветра в максимальной степени. Исследования показали, что точное управление углом тангажа и рыскания может увеличить выработку электроэнергии ветроэнергетическими системами на 5% – 10%.

Диагностика неисправностей и защита являются ключом к обеспечению безопасной и стабильной работы систем ветрогенерации, и ПЛК продемонстрировал мощные функции в этом отношении. Благодаря мониторингу в реальном времени данных о работе ветряных турбин, таких как скорость ветра, направление ветра, скорость генератора, мощность, вибрация, температура, давление масла и т. д., ПЛК использует предустановленные алгоритмы диагностики неисправностей и интеллектуальную технологию диагностики для оперативного обнаружения потенциальных неисправностей в системе и быстрого принятия соответствующих защитных мер, таких как отключение цепи и выключение, для предотвращения дальнейшего распространения неисправности, снижения потерь из-за неисправности и повышения надежности и безопасности оборудования.

В системе выработки гидроэлектроэнергии ПЛК играет ключевую роль в мониторинге и управлении уровнем и расходом воды. Подключившись к различным высокоточным датчикам, ПЛК реализует точный мониторинг уровня и расхода воды в режиме реального времени и точно управляет работой затворов и турбин в соответствии с предустановленной стратегией управления на основе данных мониторинга для достижения эффективной и стабильной работы системы выработки гидроэлектроэнергии. Когда уровень воды ниже установленного нижнего предела, ПЛК управляет открытием затвора водозабора для увеличения, чтобы обеспечить необходимое количество воды для выработки электроэнергии; когда уровень воды выше установленного верхнего предела, ПЛК управляет открытием затвора водозабора для уменьшения, чтобы предотвратить слишком высокий уровень воды и создание угрозы безопасности для плотины и оборудования.

С точки зрения управления потоком, PLC регулирует поток воды, поступающий в турбину, управляя открытием направляющего аппарата и скоростью турбины, тем самым достигая эффективного управления выработкой электроэнергии. В периоды пиковой нагрузки электросети PLC разумно регулирует открытие направляющего аппарата и скорость турбины на основе данных о потоке и уровне воды в реальном времени, чтобы увеличить выработку электроэнергии и удовлетворить спрос на электроэнергию электросети; в периоды низкой нагрузки электросети PLC соответствующим образом снижает выработку электроэнергии, чтобы сократить потери воды и обеспечить безопасную и стабильную работу оборудования для выработки электроэнергии.

Сбор данных и удаленный мониторинг являются важными средствами для эффективного управления и обслуживания систем гидроэнергетики, и PLC построила в ней полную систему. Подключая различные типы датчиков, PLC реализует сбор в реальном времени ключевых параметров, таких как уровень воды, расход, давление воды, температура воды, скорость агрегата, мощность и т. д., и выполняет фильтрацию, калибровку и компенсацию собранных данных для повышения точности и надежности данных. В то же время PLC устанавливает соединение с удаленным центром мониторинга через модуль связи для реализации удаленного мониторинга и управления системой гидроэнергетики. Программное обеспечение для мониторинга удаленного центра мониторинга предоставляет богатые функции, такие как отображение данных в реальном времени, запрос исторических данных, создание отчетов, управление сигналами тревоги и т. д. Персонал может просматривать рабочее состояние системы в реальном времени с помощью программного обеспечения для мониторинга, своевременно обнаруживать и решать проблемы, повышать эффективность управления и сокращать расходы на техническое обслуживание.

С точки зрения интеграции с другими системами управления энергией, PLC играет жизненно важную роль в построении интеллектуальных микросетей и энергетического Интернета. В интеллектуальных микросетях PLC может быть бесшовно интегрирован с системами управления энергией, такими как солнечная энергия, энергия ветра и системы хранения энергии. В соответствии с политикой спроса и предложения энергии и цен на электроэнергию, он может разумно организовать производство, хранение и использование энергии для достижения оптимальной конфигурации энергии. В энергетическом Интернете PLC, как важный блок управления распределенной энергетической системы, может обмениваться данными и координировать управление с другими системами управления энергией для достижения энергетической взаимосвязи и оптимального распределения.

Подводя итог, можно сказать, что применение PLC в системах возобновляемой энергии имеет значительные преимущества, включая технические, экономические и экологические преимущества. С точки зрения технологии PLC обладает высокой надежностью, гибкостью, мощными возможностями обработки данных и хорошими коммуникационными возможностями; с точки зрения экономики PLC может снизить затраты на оборудование, повысить энергоэффективность и продлить срок службы оборудования, тем самым принося значительные выгоды. Экономические выгоды; с точки зрения окружающей среды PLC может способствовать эффективному использованию возобновляемой энергии, снижению загрязнения окружающей среды и поддержке устойчивого развития. Однако применение PLC в системах возобновляемой энергии также сталкивается с некоторыми проблемами, такими как технические проблемы (недостаточная помехоустойчивость, проблемы совместимости связи, повышенные требования к вычислительной мощности и емкости хранения), проблемы стоимости (высокие первоначальные инвестиционные затраты, большие расходы на техническое обслуживание) и рыночные проблемы (отсутствие осведомленности о рынке, жесткая рыночная конкуренция). В ответ на эти проблемы в этом исследовании предлагаются соответствующие стратегии реагирования, включая увеличение инвестиций в технологические исследования и разработки, усиление контроля затрат и активное проведение рыночного продвижения, чтобы способствовать широкому применению и устойчивому развитию PLC в системах возобновляемой энергии.

7.2 Будущие направления исследований

Заглядывая в будущее, можно сказать, что направление исследований ПЛК в системах возобновляемой энергии имеет широкие возможности для расширения, и углубленные исследования будут проводиться в различных измерениях, таких как технологические инновации, оптимизация систем и интеграция рынка.

С точки зрения технологических инноваций, одним из важных направлений является глубокое исследование и разработка интеллектуальных алгоритмов управления. С быстрым развитием технологий искусственного интеллекта и машинного обучения неизбежной тенденцией стала их глубокая интеграция с технологией управления ПЛК. Благодаря большому объему исторических данных и данных об эксплуатации в реальном времени модель нейронной сети обучается, чтобы ПЛК автоматически обучался и адаптировался к различным условиям эксплуатации, а также реализовывал интеллектуальное прогнозирование и адаптивное управление системами возобновляемой энергии. В системах генерации солнечной энергии алгоритмы глубокого обучения используются для анализа и прогнозирования факторов окружающей среды, таких как интенсивность света и температура, а рабочее состояние фотоэлектрических панелей заранее настраивается, чтобы справляться с изменениями погоды и еще больше повышать эффективность генерации электроэнергии.

С точки зрения многоэнергетического комплементарного и координированного управления необходимо провести углубленное исследование характерных различий и дополнительных отношений между различными возобновляемыми источниками энергии, разработать более продвинутые алгоритмы координированного управления и реализовать органическое сочетание и оптимальную конфигурацию нескольких источников энергии, таких как солнечная энергия, энергия ветра и гидроэнергия. Создав интегрированную модель управления энергией, можно добиться мониторинга и анализа в реальном времени выработки электроэнергии, спроса на нагрузку и состояния хранения энергии различных источников энергии для достижения эффективного преобразования и распределения энергии и повышения стабильности и надежности энергетической системы. В микросети, которая включает солнечную энергию, энергию ветра и системы хранения энергии, зарядка и разрядка солнечной генерации электроэнергии, генерации ветровой энергии и систем хранения энергии могут быть разумно диспетчеризированы в соответствии с поставкой и спросом энергии в реальном времени для достижения сбалансированной и стабильной поставки энергии.

С точки зрения оптимизации системы, дальнейшее повышение надежности и стабильности ПЛК является ключевым моментом. Исследуйте новую архитектуру оборудования и методы проектирования программного обеспечения для улучшения помехоустойчивости и отказоустойчивости ПЛК в сложных средах. Используйте технологию избыточного проектирования для добавления избыточных компонентов, таких как резервные источники питания и резервные процессоры, чтобы гарантировать, что система может продолжать нормально работать при выходе из строя некоторых компонентов. В то же время оптимизируйте функции самодиагностики и ремонта программного обеспечения, чтобы ПЛК мог быстро обнаруживать и автоматически устранять некоторые распространенные неисправности и повышать доступность системы.

Снижение стоимости ПЛК также является предметом будущих исследований. Благодаря технологическим инновациям и улучшению процесса можно снизить стоимость оборудования ПЛК, например, путем внедрения новой технологии производства микросхем, улучшения интеграции и производительности микросхем и снижения производственных затрат. В то же время оптимизировать разработку программного обеспечения, уменьшить зависимость от аппаратных ресурсов и снизить требования к конфигурации оборудования, тем самым снизив общую стоимость системы. Кроме того, усилить стандартизацию и модульную конструкцию ПЛК, улучшить универсальность и взаимозаменяемость продуктов и сократить производственные и эксплуатационные расходы.

С точки зрения интеграции рынка, крайне важно усилить глубокую интеграцию отраслей PLC и возобновляемой энергетики. Мы должны иметь глубокое понимание рыночного спроса и тенденций развития систем возобновляемой энергетики, разрабатывать целевые продукты и решения PLC и удовлетворять индивидуальные потребности различных клиентов. Мы должны установить тесные отношения сотрудничества с производителями оборудования для возобновляемой энергетики, операторами энергетики и т. д. и совместно продвигать применение и продвижение PLC в системах возобновляемой энергетики.

Расширение применения PLC в области новых возобновляемых источников энергии также является одним из будущих направлений развития. С непрерывным развитием новых технологий возобновляемых источников энергии, таких как энергия океана и геотермальная энергия, исследования технологии применения и стратегии управления PLC в этих областях обеспечат техническую поддержку для разработки и использования новых возобновляемых источников энергии. В системе генерации энергии океана исследования технологии управления PLC для оборудования для генерации энергии волн и приливов повысят эффективность использования и стабильность энергии океана.