峰值30MW并網(wǎng)光伏電站發(fā)電單元設(shè)計

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（寧夏大學(xué) 物理電氣信息學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

隨著不可再生能源減少，太陽能以永不枯竭、無污染、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)開始由補(bǔ)充能源向替代能源過渡，并已從中小功率獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)方向過渡［1］?！秶夷茉窗l(fā)展規(guī)劃》規(guī)定：大規(guī)模的太陽能光伏電站作為2010～2020年重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一［2］。本電站建成投運(yùn)后，可與地方已建電站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，有效緩解地方電網(wǎng)的供需矛盾，優(yōu)化系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)，減輕環(huán)保壓力，促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概述

光伏電站總裝機(jī)容量峰值為30MW，采用多邊形布置，南北長約800m，東西寬約1 100m，總占地面積約70萬m2，土地性質(zhì)為國有未利用荒山。周邊有國道高速公路為鄰，交通方便。

1.1 電氣一次設(shè)計

電站共30個峰值為1MW光伏發(fā)電單元，每個發(fā)電單元采用1臺1 000kV·A，10kV箱式升壓變電站的方式，5臺10kV箱式變電站在高壓側(cè)并聯(lián)為1個聯(lián)合箱式變單元；6個箱式變聯(lián)合單元分別接入10kV母線側(cè)，匯流為1回10kV出線，再經(jīng)過35kV主變升壓后以1回35kV出線接入周邊電網(wǎng)。

1.2 電氣二次設(shè)計

電站按無人值班的原則進(jìn)行設(shè)計，采用以計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)的監(jiān)控方式。在辦公樓設(shè)中控室，通過后臺機(jī)實現(xiàn)對電池陣列、并網(wǎng)系統(tǒng)及電力系統(tǒng)的集中監(jiān)控和管理。電站設(shè)置工業(yè)電視系統(tǒng)作為視頻監(jiān)視手段，與計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)共同完成對電站的監(jiān)控。

2 發(fā)電單元設(shè)計

2.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

峰值為30MW并網(wǎng)光伏電站屬于集中式大型工程，主要由太陽能電池陣列、逆變器及升壓系統(tǒng)三大部分組成，其中太陽能電池陣列及逆變器組合為發(fā)電單元部分。圖1為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計框圖。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 Block diagram of photovoltaic gridconnected generation system

太陽能通過光伏陣列轉(zhuǎn)換成直流電，為了其始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn)，在直流側(cè)采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法。通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)控制三相逆變器轉(zhuǎn)換成高頻的三相斬波電壓，利用LCL濾波器濾波，經(jīng)升壓后直接接入公共電網(wǎng)。

2.2 太陽能電池陣列的系統(tǒng)構(gòu)成及組件選擇

光伏電站中峰值為1MW電池方陣采用固定傾角運(yùn)行方式，包括太陽能電池組串、匯流設(shè)備、逆變設(shè)備及升壓設(shè)備等，由214路太陽能電池組串單元并聯(lián)而成，每個組串單元又由21個多晶硅太陽能電池組件串聯(lián)而成。多晶硅電池組件的功率規(guī)格較多，從峰值為5W到300W國內(nèi)均有生產(chǎn)，且產(chǎn)品應(yīng)用也較為廣泛。由于工程設(shè)計裝機(jī)容量峰值為30MW，組件用量大，占地面積廣，安裝量大，所以優(yōu)先選用單位面積功率大的電池組件，以減少占地面積，降低組件安裝量。

經(jīng)分析比較，選擇 YL230P－29b型峰值為230W多晶硅電池組件。詳細(xì)參數(shù)為：標(biāo)準(zhǔn)測試條件下峰值功率＝230W，最佳工作電流＝7.8 A，最佳工作電壓＝29.5V，短路電流＝8.4A，開路電壓＝37V，工作溫度為－40～＋85℃，最大系統(tǒng)電壓＝1 000V，組件效率＝14.1%，組件尺寸為1 650mm×990mm×50mm，質(zhì)量＝19.8 kg，并通過 Matlab／Simulink對多晶硅電池進(jìn)行MPPT仿真分析［3］，在0.02s附近達(dá)到最大功率點(diǎn)。特性曲線見圖2。

圖2 多晶硅電池組件MPPT曲線Fig.2 MPPT curve of PV module

2.3 電池陣列的最佳傾角計算

電池陣列的安裝傾角對光伏發(fā)電系統(tǒng)效率影響較大，對于固定式電池列陣來說，最佳傾角即為光伏發(fā)電系統(tǒng)全年發(fā)電量最大時的傾角。

計算傾斜面上月平均太陽輻射量，通常采用Klein所提出的計算方法［4］

式中：R0為傾斜面上的月平均太陽輻射量與水平面上的月平均太陽輻射量的比值；Hd0為水平面上的月平均散射輻射量；H0為水平面上的月平均總輻射量；β為方陣傾角；ρ為地面反射率；D為由當(dāng)?shù)鼐暥?、太陽赤緯以及方位角確定的角度。

根據(jù)工程所在地緯度及其太陽輻射資料，利用RETScreen軟件進(jìn)行分析可得：當(dāng)光伏電站電池組件傾角為36°時，全年日平均太陽總輻射量最大。圖3為工程區(qū)不同傾斜面上日平均太陽輻射量變化曲線。

圖3 工程區(qū)不同傾斜面上日平均太陽輻射量變化曲線圖Fig.3 Curve of mean daily solar radiation on different tilted surfaces in engineering area

2.4 逆變器的選型

由于光伏電站容量較大，從運(yùn)行維護(hù)的角度考慮，應(yīng)盡量選用容量大的逆變設(shè)備，可在一定程度上降低投資，減少后期維護(hù)的工作量，并提高系統(tǒng)可靠性；但若逆變器容量過大，則在一臺逆變器發(fā)生故障時，發(fā)電系統(tǒng)損失發(fā)電量也較大。因此，選用容量單臺為500kW的逆變器。通過對各種型號的逆變器比較分析，SMA500和SG500KTL兩者容量符合要求，電氣參數(shù)基本接近，而且初選的峰值為230W多晶硅電池組件也能與這兩種逆變器良好匹配。由于SMA的500kW逆變器價格相對較高，因此工程選用國產(chǎn)SG500KTL 500kW三相橋式逆變器。

3 LCL濾波器設(shè)計及其仿真

由于三相并網(wǎng)逆變器中含有非線性元件并采用高頻開關(guān)，因此會造成并網(wǎng)電流、電壓波形畸變，增加高次諧波量。因為LCL型濾波器對高頻分量以60dB進(jìn)行衰減，而傳統(tǒng)L型濾波器則以20dB進(jìn)行衰減［4］，所以LCL型濾波器比傳統(tǒng)L型濾波器具有更好的高頻衰減特性。在濾波效果相同的情況下，LCL濾波器成本更低、體積更小。因此，采用LCL濾波器對逆變器輸出電流諧波進(jìn)行抑制。LCL濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中L1和L2是濾波電感；C是濾波電容。

圖4 LCL濾波器結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of LCL filter

3.1 LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計

在三相逆變器中，取電感紋波電流Ia為額定電流的20%。LCL總電感值L＝L1＋L2

式中：Ud為直流側(cè)電壓；fs為開關(guān)頻率。

一般說來，L1／L2可以取4到6之間的數(shù)值，而電容的無功功率被限制在系統(tǒng)的10%以內(nèi)，同時濾波電容C的取值可以考慮大些以節(jié)約電感磁芯材料［5］。因此得到：

式中：f為基波頻率；P為輸出功率。

綜上所述可得到LCL型濾波器的濾波參數(shù)：L1＝0.18mH，L2＝0.04mH，C＝550μF。

3.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果

為了驗證LCL濾波器濾波效果，利用Matlab／Simulink分別對經(jīng)過和不經(jīng)過LCL濾波器的三相電流進(jìn)行仿真，仿真波形如圖5、圖6所示，圖7為對濾波后電流的諧波分析。由比較可得，經(jīng)過LCL濾波之后，電流波形改良明顯。諧波含量為1.03%，低于5%的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)入網(wǎng)電流的諧波技術(shù)指標(biāo)。濾波器對高次諧波抑制效果良好，適用于大功率系統(tǒng)。

圖5 未經(jīng)過LCL濾波器的三相電流波形Fig.5 Simulation waveforms of three－phase current without passing LCL filter

圖6 經(jīng)過LCL濾波器的三相電流波形Fig.6 Simulation waveforms of threephase current passing LCL filter

圖7 經(jīng)LCL濾波器后的電流諧波檢測Fig.7 Harmonics detection of the current passed LCL filter

4 結(jié)論

本文對峰值30MW大型光伏電站進(jìn)行多晶硅電池組件以及逆變器進(jìn)行了分析、研究和設(shè)計。利用RETScreen軟件設(shè)計光伏陣列的最佳傾角，計算得出逆變器LCL濾波器技術(shù)參數(shù)。通過Matlab／Simulink建立光伏電站發(fā)電單元模型并仿真，得到的三相電流波形良好，諧波含量低。結(jié)果表明：該設(shè)計方案實用、可行，具有一定的工程實用性。

［1］馬紅梅，李鵬，黃成玉.基于SPMC75F2413A的小功率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電氣傳動，2011，41（1）：31－34.

［2］趙爭鳴，雷一，賀凡波，等.大容量并網(wǎng)光伏電站技術(shù)綜述［J］.電力系統(tǒng)自動化，2011，35（12）：101－107.

［3］蔡明想，姜希猛，謝巍.改進(jìn)的電導(dǎo)增量法在光伏系統(tǒng)MPPT中的應(yīng)用［J］.電氣傳動，2011，41（7）：21－24.

［4］劉飛，查曉明，段善旭.三相并網(wǎng)逆變器LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計與研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2010，25（3）：110－116.

［5］Liserre M，Blaabjerg F，Hanse S.Design and Control of an LCL－filter Based Three－phase Active Rectifier［J］.IEEE Trans.on IA，2005，41（5）：1281－1291.

［6］Klein S A.Calculation of Monthly Average Insolation on Tilted Surface［J］.Solar Energy，1977，19（4）：325－329.