边春瑞 牛海春 王振宇 韩军晓 陈志超
青岛黄海学院 山东 青岛 266427
摘要：在光伏发电系统中，浮尘、扬沙等环境因素对光伏发电效率有着较大影响。为提高光伏发电效率，需对光伏组件进行定期的清洁和维护。采用西门子PLC S7-200为核心控制器，结合雨雪传感器、温湿度传感器、智能风速报警仪、霍尔电流传感器、蠕动泵等外围结构设备，设计了光伏发电系统清洁装置。通过光伏组件的电流值、雨雪天气和温度程序化判断清洁条件，提高了装置的清洁效率，
关键词：光伏清洁装置；PLC；上位机；远程数据传输
1引言
随着光伏发电产业的不断发展，光伏发电效率对电力产业整体的影响占比日益增高，而光伏积尘现象导致发电效率受影响的情况却愈发严重。光伏电站装机总容量的不断上升，粉尘造成的经济损失也将不可避免的不断扩大。2030年，全球光伏发电装机总容量预计约为1400GW，因粉尘影响造成的直接经济损失预计也将高达130亿美元。在我国水资源较为贫乏的西部地区，一些电厂一年更是要清洁数十次，资源消耗十分严重，维护成本高昂，技术还十分不成熟，需要投入大量的研究。因此，通过清洁光伏组件，提高太阳能发电效率，构建洁净的光伏发电系统，实现低成本、高可靠性、高效率发电系统的建设，具有重要的现实意义。
2整体结构设计
光伏发电系统清洁装置分上下位机两大部分，下位机主要有PLC和传感器，上位机主要有WinCC监控程序、数据库、远程服务器，整体结构见图1。完整的光伏自动化清洁系统实现光伏清洁、信息采集、清洁判断、远程监控等功能，PLC为核心控制器，WinCC上位机进行监控。系统具有远程数据传输功能，达到方便电站运维和管理的效果。整体设计结构图如图1所示。
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图1 整体设计结构图
3 PLC控制软件设计
3.1 I/O点数分析
根据控制要求和设备型号对PLC的输入输出进行分配。
（1）输入信号。清洁装置能够通过传感器采集需要的信息并根据PLC程序判断输入输出，从而做出各种动作，实现控制效果。因此需要规划送入PLC的输入信号，有以下三个：
①电流传感器，测量带清洁装置光伏组件的输出电流，输出信号为电压模拟量。
②温湿度传感器，使用探头检测清洁装置周围的温湿度并通过变送器将数据传送至PLC，使用接口为RS485，协议为Modbus-RTU。
③雨雪传感器，传感器通讯采用常开触点，当传感器感应接触有雨雪后输出120VAC或24VDC电压。
（2）输出信号。PLC将通过输出直接或间接控制输出设备：
中间继电器，控制蠕动泵2台，在PLC给出动作信号后将水槽中的水抽出，用于对光伏组件进行清洁。
3.2 I/O分配
由于PLC的输入输出数量有限，且每一个点都是一个独立的触点，不能重复，需要进行定义才能够使用，因此先进行I/O点分配，然后根据分配好的点来绘制电气原理图并编写程序。I/O分配见表1、表2。
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清洁装置通过将光伏组件表面的灰尘等杂物去除从而提高发电效率，通过测量光伏组件的电流来判断是否需要清洁，当电流值低于清洁电流阈值时启动蠕动泵进行清洁。在雷雨天气下，由于雨水本身能对光伏组件起到清洁效果，所以选择在有雨雪时不进行清洁。为了防止低温对清洁带来的影响，清洁工作时温度不能过低，否则会出现水的反胀或结冰，对设备造成损坏。为降低气候因素对清洁工作带来的干扰，选择于无雨雪、温度正常的环境下进行清洁，即雨雪传感器无输出，温度传感器输出大于5℃时进行清洁。考虑到蠕动泵的流量，清洁方式定为喷水清洁30秒，清洁后电流值未回归电流阈值以上时发出报警并待机蠕动泵。当遇到雨雪或低温天气时发出报警，所有警报均在WinCC上位机弹出报警信息，
4 WinCC监控系统设计
本设计建立的WinCC软件工程由主界面、数据曲线、报警记录三部分组成，每一部分不同的内容，功能特性各不相同，在不同的界面能够看到现场信息的不同部分，使用以太网转PPI的方式与PLC建立通讯连接。WinCC还能够通过VBS脚本将PLC传送的数据发送到指定的数据库表中。WinCC整体结构图见图3。
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图3 WinCC整体结构图
5 结束语
本设计通过定时清洁和电流判断清洁两种清洁方式进行清洁判断，在不影响发电效率的情况下最大可能的对光伏组件进行清洁维护。通过雨雪传感器、温湿度传感器、智能风速报警仪等采集气象信息，确保能够在安全的环境下工作，避免了因不可预计的外力因素导致的设备损毁等情况，同时提高了工作效率。通过霍尔电流传感器、蠕动泵与PLC控制进行光伏组件的清洁，选用WinCC绘制了HMI监控界面上位机监控，通过SQL Server、Visual Studio抓取数据并上传数据至远程服务器，实现了本地-远程服务器的异地监控功能。
参考文献
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基金项目：青岛黄海学院2020年度大学生科技创新活动项目“新能源光伏发电系统清洁装置的设计”（HHKJCX2012）。