风光能供电系统在居住小区中的应用
摘要：在一些沿海地区，风能和太阳能蕴藏量丰富，利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。本文阐述沿海地区一处小型居住区应用风光供电系统，为小区内公共照明提供电能。使用PLC编程控制系统，集过流、过压、超温等多种保护电路，供电系统性能稳定可靠。
关键词：风能发电 太阳能发电 风光能供电系统 应用
风能和太阳能是地球上资源丰富、可再生的绿色能源，与传统高耗、污染和不可再生能源比较，发展前景十分广阔。它具备独特的优势和巨大的开发利用潜力，有利于保持人与自然的和谐及能源与环境的协调发展。现时国家提出节能减排、使用绿色能源的号召，风能和太阳能发电及应用等技术已快速进入航天、通信、交通、制造业及居民家庭生活等领域。
风能早期就被人们利用在抽水、磨面、带动小型运动机械等，随着技术发展，现时越来越多被应用在发电领域。把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，即是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。目前的风车技术，做到大约每秒三米的微风速度，发电机就可以开始发电。
太阳能发电分太阳光发电和太阳热发电两种，目前常用太阳能光发电。太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式，包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电等几种形式，在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能。有两种转化方式，一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等；另一种方式是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。
一、风光能供电系统组成
风光能供电系统的组成结构如图1所示，主要由风能发电、太阳能发电、PLC集中控制系统、逆变器和控制面板等组成。风能和太阳能使用一个风光控制器，输出24V直流电压送到PLC控制系统，由PLC程序控制，会根据光敏传感器和功能按钮控制直流逆变器功率输出。白天，风能和太阳能给蓄电池组充分充电，晚上，由蓄电池组和风能给楼梯灯、走廊灯和路灯供电。在正常风量情况下，晚上风能发电功率基本能满足负载要求，小区的楼梯灯、走廊灯和路灯均使用LED光源灯具，功率小亮度高。考虑到极端天气因素，若风能和太阳能都无法满足负载用电要求时，本系统还连接有市电220V交流电，通过PLC检测控制，能在大约15mS时间完成逆变器和市电供电之间切换，保证系统不会断电。
图1 风光能供电系统组成结构图
二、居住小区供电要求和功能设置
1、供电容量计算
居住小区内有3幢均为8层的住宅楼，1幢住宅楼的楼梯灯和走廊灯有16盏，3幢住宅楼共有楼梯灯和走廊灯48盏，公共路灯有7盏。楼梯灯和走廊灯使用10W的LED灯，路灯使用90W的LED灯，负载总功率为：
楼梯灯和走廊灯总功率：48х15 = 720 W
路灯总功率：7х90 = 630 W
供电总功率：720 + 630 = 1350 W
负载使用220V交流供电，风能和太阳能输出的24V直流电需经过逆变器转换为交流电，选用转换效率为95%的逆变器，则最低直流输入功率为：
1350 ÷ 0.95 ≈ 1421 W
考虑到7盏路灯同时开启，启动瞬间电流大，为了保证有足够的功率容量，选用输出2500W的直流逆变器。
风能发电机选用输出额定电压24V、额定电流25A、额定功率600W的产品，太阳能发电选用220W单晶硅电池板，输出电压24V、峰值电流7.38A的产品。风能发电机使用两台，太阳能电池板使用4块，理论计算并联输入的直流功率达到2080W，即使在微风的阴雨天气中，都能满足负载功率需求。电池选用两个24V、250Ah免维护胶体太阳能蓄能电池，电池组容量达到500Ah，自放电小，适合大电流充放电。
2、系统功能设置
风光能供电系统在实际使用中，功能设置如下：
（1）、供电系统稳定，风能和太阳能全天侯发电，当处于无风、阴雨天等极端天气环境时，蓄电池能提供约10小时的电能。
（2）、楼梯灯和走廊灯自带人体感应开关，在阴暗天和晚上，当有人出现时自动点亮。路灯受程序和光敏传感器控制，白天遇到阴暗天气和晚上19点至早上6点开启。
（3）、当遇到极端天气环境，风光能无法发电充电，蓄电池电压低于放电下限电压21.6V时，系统自动切换到市电220V供电；当蓄电池电压恢复充电，电压达到25.4V时，系统能自动切换回风光能供电；当蓄电池电压达到充电上限电压28.8V时，系统能及时断开充电回路，保护电池。
（4）、PLC集中控制系统带面板操作按钮，有自动运行按钮、停止按钮、楼梯灯手动开关按钮和路灯手动开关按钮。
（5）、市电切换电路采用高速接触器，切换时间小于15mS，同时带互锁功能，任一时刻，负载只能由逆变器或市电回路单边供电。
三、PLC 控制系统I/O图和电路接线图
按照居住小区的供电要求，结合系统功能设置，采用三菱FX2N-16MR PLC设计程序，系统I/O分配表见表1，I/O连接图如图2所示。使用4个接触器作执行器件，面板设计4个按钮开关，功能分别设置为启动、停止、楼梯灯手动控制和路灯手动控制，系统电路接线图如图3所示。
表1 PLC控制系统I/O分配表
输入信号 输出信号
代号 输入点
编号 名 称 代号 输出点
编号 名 称
SB1 X0 自动运行按钮 KM1 Y0 电池充放电通断接触器
SB2 X1 停止按钮 KM2 Y1 逆变器电源通断接触器
SA1 X2 路灯手动开关 KM3 Y2 逆变/市电供电切换接触器
SA2 X3 楼梯灯手动开关 KM4 Y3 楼梯灯走廊灯供电接触器
J1 X4 光敏传感器控制 KM5 Y4 路灯供电接触器
J2 X5 超压报警保护
J3 X6 欠压报警保护
图2 PLC控制系统I/O图
图3 风光能供电系统电路接线图
四、梯形图
根据PLC控制系统功能设置和I/O分配图，编写控制程序，梯形图如图4所示。
图4 PLC控制系统梯形图
五、供电系统安装与调试
风光能供电系统的安装需符合GB50258-96《电气装置安装工程1KV以下配线工程施工及验收规范》的有关规定，设备安装位置合理，便于维护检修。供电逆变器满载输出时需输入约1421W的功率，直流24V端电流接近60A，所以，蓄电池组与逆变器的接线不宜过长，导线截面积选择要足够大。
供电系统调试步骤：
1、断开所有负载，将蓄电池组与控制器连接，再连接风能发电机和太阳能电池板，启动自动运行，调试PLC控制系统是否正常。
2、设置控制器超压值为28.8V，欠压值为21.6V，超压报警和欠压报警信号连接到PLC输入端，人为接通其输入，检查KM1和KM2接触器控制是否正常。
3、手动通断SA1、SA2，检查KM4、KM5接触器控制是否正常。
4、假设J3接通，欠压保护启动，检查KM3接触器切换是否正常，能否在逆变器和市电供电网络中快速切换。
5、以上调试均正常后，接通负载供电，检查控制器输出的电压和电流，并设置其它功能参数。
6、假设J1接通，检查路灯能否正常启动。
以上调试全部通过后，风、光能供电系统即可投入正常运行。
六、结束语
风能和太阳能发电产品的性能及性价比逐渐被人们认同和接受，应用技术越来越成熟，未来使用领域会更广阔，飞入寻常百姓家只是迟早的事情。虽然风光能供电系统首期投入成本较高，但凭借其高效的发电，稳定的工作性能，后期维护保养便捷，用电成本更低。随着更多节能低耗的用电设备在家庭中使用，风光能供电系统的可扩容、高效率、便施工的特点，比传统供电更具优越性，值得在居住小区中大范围推广使用。
参考文献：
（1） 《电气控制与PLC应用技术》， 黄永红 编著， 机械工业出版社 11年9月第1版。
（2） 《三菱PLC应用案例解析》， 张 豪 编著， 中国电力出版社 12年9月第1版。
（3） 《太阳能光伏发电应用技术 》（第2版），杨金焕 编著 电子工业出版社 13年4月第2版。
