峰值30MW并网光伏电站发电单元设计

，，，，

（宁夏大学 物理电气信息学院，宁夏 银川 750021）

随着不可再生能源减少，太阳能以永不枯竭、无污染、不受地域限制等优点开始由补充能源向替代能源过渡，并已从中小功率独立发电系统向并网发电系统方向过渡［1］。《国家能源发展规划》规定：大规模的太阳能光伏电站作为2010～2020年重点发展的领域之一［2］。本电站建成投运后，可与地方已建电站联网运行，有效缓解地方电网的供需矛盾，优化系统电源结构，减轻环保压力，促进地区经济可持续发展。

1 工程概述

光伏电站总装机容量峰值为30MW，采用多边形布置，南北长约800m，东西宽约1 100m，总占地面积约70万m2，土地性质为国有未利用荒山。周边有国道高速公路为邻，交通方便。

1.1 电气一次设计

电站共30个峰值为1MW光伏发电单元，每个发电单元采用1台1 000kV·A，10kV箱式升压变电站的方式，5台10kV箱式变电站在高压侧并联为1个联合箱式变单元；6个箱式变联合单元分别接入10kV母线侧，汇流为1回10kV出线，再经过35kV主变升压后以1回35kV出线接入周边电网。

1.2 电气二次设计

电站按无人值班的原则进行设计，采用以计算机监控系统为基础的监控方式。在办公楼设中控室，通过后台机实现对电池阵列、并网系统及电力系统的集中监控和管理。电站设置工业电视系统作为视频监视手段，与计算机监控系统共同完成对电站的监控。

2 发电单元设计

2.1 太阳能光伏发电系统的构成

峰值为30MW并网光伏电站属于集中式大型工程，主要由太阳能电池阵列、逆变器及升压系统三大部分组成，其中太阳能电池阵列及逆变器组合为发电单元部分。图1为光伏并网发电系统设计框图。

图1 光伏并网发电系统设计框图Fig.1 Block diagram of photovoltaic gridconnected generation system

太阳能通过光伏阵列转换成直流电，为了其始终运行于最大功率点，在直流侧采用最大功率点跟踪（MPPT）算法。通过脉冲宽度调制（PWM）技术控制三相逆变器转换成高频的三相斩波电压，利用LCL滤波器滤波，经升压后直接接入公共电网。

2.2 太阳能电池阵列的系统构成及组件选择

光伏电站中峰值为1MW电池方阵采用固定倾角运行方式，包括太阳能电池组串、汇流设备、逆变设备及升压设备等，由214路太阳能电池组串单元并联而成，每个组串单元又由21个多晶硅太阳能电池组件串联而成。多晶硅电池组件的功率规格较多，从峰值为5W到300W国内均有生产，且产品应用也较为广泛。由于工程设计装机容量峰值为30MW，组件用量大，占地面积广，安装量大，所以优先选用单位面积功率大的电池组件，以减少占地面积，降低组件安装量。

经分析比较，选择 YL230P－29b型峰值为230W多晶硅电池组件。详细参数为：标准测试条件下峰值功率＝230W，最佳工作电流＝7.8 A，最佳工作电压＝29.5V，短路电流＝8.4A，开路电压＝37V，工作温度为－40～＋85℃，最大系统电压＝1 000V，组件效率＝14.1%，组件尺寸为1 650mm×990mm×50mm，质量＝19.8 kg，并通过 Matlab／Simulink对多晶硅电池进行MPPT仿真分析［3］，在0.02s附近达到最大功率点。特性曲线见图2。

图2 多晶硅电池组件MPPT曲线Fig.2 MPPT curve of PV module

2.3 电池阵列的最佳倾角计算

电池阵列的安装倾角对光伏发电系统效率影响较大，对于固定式电池列阵来说，最佳倾角即为光伏发电系统全年发电量最大时的倾角。

计算倾斜面上月平均太阳辐射量，通常采用Klein所提出的计算方法［4］

式中：R0为倾斜面上的月平均太阳辐射量与水平面上的月平均太阳辐射量的比值；Hd0为水平面上的月平均散射辐射量；H0为水平面上的月平均总辐射量；β为方阵倾角；ρ为地面反射率；D为由当地纬度、太阳赤纬以及方位角确定的角度。

根据工程所在地纬度及其太阳辐射资料，利用RETScreen软件进行分析可得：当光伏电站电池组件倾角为36°时，全年日平均太阳总辐射量最大。图3为工程区不同倾斜面上日平均太阳辐射量变化曲线。

图3 工程区不同倾斜面上日平均太阳辐射量变化曲线图Fig.3 Curve of mean daily solar radiation on different tilted surfaces in engineering area

2.4 逆变器的选型

由于光伏电站容量较大，从运行维护的角度考虑，应尽量选用容量大的逆变设备，可在一定程度上降低投资，减少后期维护的工作量，并提高系统可靠性；但若逆变器容量过大，则在一台逆变器发生故障时，发电系统损失发电量也较大。因此，选用容量单台为500kW的逆变器。通过对各种型号的逆变器比较分析，SMA500和SG500KTL两者容量符合要求，电气参数基本接近，而且初选的峰值为230W多晶硅电池组件也能与这两种逆变器良好匹配。由于SMA的500kW逆变器价格相对较高，因此工程选用国产SG500KTL 500kW三相桥式逆变器。

3 LCL滤波器设计及其仿真

由于三相并网逆变器中含有非线性元件并采用高频开关，因此会造成并网电流、电压波形畸变，增加高次谐波量。因为LCL型滤波器对高频分量以60dB进行衰减，而传统L型滤波器则以20dB进行衰减［4］，所以LCL型滤波器比传统L型滤波器具有更好的高频衰减特性。在滤波效果相同的情况下，LCL滤波器成本更低、体积更小。因此，采用LCL滤波器对逆变器输出电流谐波进行抑制。LCL滤波器结构如图4所示。其中L1和L2是滤波电感；C是滤波电容。

图4 LCL滤波器结构Fig.4 Structure of LCL filter

3.1 LCL滤波器的参数设计

在三相逆变器中，取电感纹波电流Ia为额定电流的20%。LCL总电感值L＝L1＋L2

式中：Ud为直流侧电压；fs为开关频率。

一般说来，L1／L2可以取4到6之间的数值，而电容的无功功率被限制在系统的10%以内，同时滤波电容C的取值可以考虑大些以节约电感磁芯材料［5］。因此得到：

式中：f为基波频率；P为输出功率。

综上所述可得到LCL型滤波器的滤波参数：L1＝0.18mH，L2＝0.04mH，C＝550μF。

3.2 系统仿真结果

为了验证LCL滤波器滤波效果，利用Matlab／Simulink分别对经过和不经过LCL滤波器的三相电流进行仿真，仿真波形如图5、图6所示，图7为对滤波后电流的谐波分析。由比较可得，经过LCL滤波之后，电流波形改良明显。谐波含量为1.03%，低于5%的并网发电系统入网电流的谐波技术指标。滤波器对高次谐波抑制效果良好，适用于大功率系统。

图5 未经过LCL滤波器的三相电流波形Fig.5 Simulation waveforms of three－phase current without passing LCL filter

图6 经过LCL滤波器的三相电流波形Fig.6 Simulation waveforms of threephase current passing LCL filter

图7 经LCL滤波器后的电流谐波检测Fig.7 Harmonics detection of the current passed LCL filter

4 结论

本文对峰值30MW大型光伏电站进行多晶硅电池组件以及逆变器进行了分析、研究和设计。利用RETScreen软件设计光伏阵列的最佳倾角，计算得出逆变器LCL滤波器技术参数。通过Matlab／Simulink建立光伏电站发电单元模型并仿真，得到的三相电流波形良好，谐波含量低。结果表明：该设计方案实用、可行，具有一定的工程实用性。

［1］马红梅，李鹏，黄成玉.基于SPMC75F2413A的小功率光伏并网系统的设计［J］.电气传动，2011，41（1）：31－34.

［2］赵争鸣，雷一，贺凡波，等.大容量并网光伏电站技术综述［J］.电力系统自动化，2011，35（12）：101－107.

［3］蔡明想，姜希猛，谢巍.改进的电导增量法在光伏系统MPPT中的应用［J］.电气传动，2011，41（7）：21－24.

［4］刘飞，查晓明，段善旭.三相并网逆变器LCL滤波器的参数设计与研究［J］.电工技术学报，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.