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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(yáng)能以永不枯竭、無(wú)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?guó)家能源發(fā)展規(guī)劃》規(guī)定：大規(guī)模的太陽(yáng)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(zhǎng)約800m，東西寬約1 100m，總占地面積約70萬(wàn)m2，土地性質(zhì)為國(guó)有未利用荒山。周邊有國(guó)道高速公路為鄰，交通方便。

1.1 電氣一次設(shè)計(jì)

電站共30個(gè)峰值為1MW光伏發(fā)電單元，每個(gè)發(fā)電單元采用1臺(tái)1 000kV·A，10kV箱式升壓變電站的方式，5臺(tái)10kV箱式變電站在高壓側(cè)并聯(lián)為1個(gè)聯(lián)合箱式變單元；6個(gè)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(jì)

電站按無(wú)人值班的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用以計(jì)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(tái)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)共同完成對(duì)電站的監(jiān)控。

2 發(fā)電單元設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)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(yáng)能電池陣列、逆變器及升壓系統(tǒng)三大部分組成，其中太陽(yáng)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(jì)框圖。

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

太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池組串、匯流設(shè)備、逆變?cè)O(shè)備及升壓設(shè)備等，由214路太陽(yáng)能電池組串單元并聯(lián)而成，每個(gè)組串單元又由21個(gè)多晶硅太陽(yáng)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(guó)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(jì)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(cè)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(duì)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(jì)算

電池陣列的安裝傾角對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)效率影響較大，對(duì)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(shí)的傾角。

計(jì)算傾斜面上月平均太陽(yáng)輻射量，通常采用Klein所提出的計(jì)算方法［4］

式中：R0為傾斜面上的月平均太陽(yáng)輻射量與水平面上的月平均太陽(yáng)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?yáng)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(yáng)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(shí)，全年日平均太陽(yáng)總輻射量最大。圖3為工程區(qū)不同傾斜面上日平均太陽(yáng)輻射量變化曲線。

圖3 工程區(qū)不同傾斜面上日平均太陽(yáng)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?cè)O(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(tái)逆變器發(fā)生故障時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)損失發(fā)電量也較大。因此，選用容量單臺(tái)為500kW的逆變器。通過對(duì)各種型號(hào)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(jià)格相對(duì)較高，因此工程選用國(guó)產(chǎn)SG500KTL 500kW三相橋式逆變器。

3 LCL濾波器設(shè)計(jì)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(huì)造成并網(wǎng)電流、電壓波形畸變，增加高次諧波量。因?yàn)長(zhǎng)CL型濾波器對(duì)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(duì)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(jì)

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(wú)功功率被限制在系統(tǒng)的10%以內(nèi)，同時(shí)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(yàn)證LCL濾波器濾波效果，利用Matlab／Simulink分別對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)Fig.7 Harmonics detection of the current passed LCL filter

4 結(jié)論

本文對(duì)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(jì)。利用RETScreen軟件設(shè)計(jì)光伏陣列的最佳傾角，計(jì)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(jì)方案實(shí)用、可行，具有一定的工程實(shí)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(jì)［J］.電氣傳動(dòng)，2011，41（1）：31－34.

［2］趙爭(zhēng)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(dòng)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(dòng)，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(jì)與研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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.

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