30MWp并网光伏电站发电单元设计

30MWp 并网光伏电站发电单元设计摘要 针对 30MWp 并网光伏电站的技术参数要求，提出发电单元设计方案，包括太阳能电池组件与逆变器选型等，并利用 RETScreen 软件对所选工程代表年的太阳辐射资料进行数据分析，做出曲线图，得到结论当太阳能电池组件的倾角为 36 度时，全年日平均太阳总辐射量最大。设计了 LCL 滤波器的参数，通过 Matlab/Simulink 对滤波器输出电流进行仿真并检测谐波含量，电流波形改善明显，输出电流谐波含量符合并网发电系统入网电流的谐波技术指标要求。关键词 光伏发电；逆变器； PWM ； LCL 滤波器；谐波分析中图分类号 TM464 文献标志码 A Design of Power Generating Unit in 30MWp Grid-connected Photovoltaic Power Plant Abstract A Power generating Unit design including the choices of PV module and inverter based on the technical parameters of Grid-connected photovoltaic PV Power Plant was proposed. Statistics analysis was conducted on solar radiation data of chosen engineering area in the typical year with the assistance of RETScreen. Based on the above analysis, the curve chart was done, which can be concluded that the average daily solar radiation got most in a year when the tilt angle of PV modules was 36 degrees. Design the technical parameters of the LCL filter. The output current and its harmonics through LCL filter were simulated via Matlab/Simulink. The result indicates that current waveform has been significantly improved due to the above experiment. Moreover, the harmonics content fulfill the index requirements for current harmonic technique of grid-connected system. Key words PV ; inverter; PWM; LCL filter; harmonics analysis 引言随着不可再生能源减少、电力紧张、环境污染等问题日趋严重，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为 30MWp ， 采用多边形布置，南北长约 800米，东西宽约 1100米，总占地面积约 70万平方米，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 1MWp 光伏发电单元，每个发电单元采用 1台 1000kVA 、 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30MWp 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 grid-connected 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，在直流侧采用先进的最大功率点跟踪 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 1MWp 电池方阵采用固定倾角运行AC 升压DC DC 太阳能电池列阵 DC/DC MPPT DC/AC 电网PWM LCL 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5Wp到 300Wp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为 30MWp ， 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 230Wp多晶硅电池组件。 详细参数见表 1， 并通过 Matlab/Simulink对多晶硅电池进行 MPPT 仿真分析 [3]， 在 0.02秒附近达到最大功率点。特性曲线见图 2。表 1 230Wp 多晶硅电池组件特性表TableⅠ Characteristic of 230MWp PV module 特性 YL230P-29b 标准测试条件下峰值功率230Wp 最佳工作电流 7.8A 最佳工作电压 29.5V 短路电流 8.4A 开路电压 37V 工作温度 -40℃～ 85℃最大系统电压 1000V 组件效率 14.1 组件尺寸 1650mm 990mm 50mm 质量 19.8kg 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 [5]cos12cos12 000 HHDR d 1 式中 R0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水平面上的月平均散射辐射量；H0水平面上的月平均总辐射量；β 方阵倾角；ρ 地面反射率；D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 diff erent 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 230Wp 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 SG500KTL500kW 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/dec进行衰减， 而传统 L 型滤波器则以 20dB/dec进行衰减 [5]， 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；CL 2 i L 2u gUdu i ucL 1 iL 1图 4 LCL 滤波器结构Fig.4 Structure of LCL f ilter 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 21 LLL6.75722035000003AUPIga 2 mHIfULasd 22.06.757100082.02708203式中 Ud为直流侧电压， fs为开关频率。一般说来， L1/L 2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[6]。因此得到FfUPC 550220502350000005.0235 22 4 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L10.18mH， L20.04mH ， C550μ F 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 56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 waveform of three-phase current without passing LCL f ilter 图 6 经过 LCL 滤波器的三相电流波形Fig.6 Simulation waveform of three-phase 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 30MWp 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。参考文献（英文部分文章题目字母大小写修改过）[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. 41131-34 Ma Hongmei, Li Peng, Huang Chengyu. Design of grid connected PV inverted control system based on SPMC75F2413A[J]. ELECTRIC DRIVE, 2011. 411 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, 3512 101-107 Zhao Zhengming, Lei Yi, He Fanbo, et al. Overview of large-scale grid-connected photovoltaic power plants[J]. Automation of Electric Power System, 2011, 3512 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. 417 21-24 Cai Mingxiang, Jiang Ximeng, Xie Wei. Improved increment conductance MPPT method for photovoltaic system[J]. ELECTRIC DRIVE, 2011. 417 21-24 [4] Klein S A. Calculation of monthly average insolation on tilted surface[J]. Solar Energy, 1977, 194325-329 [5] 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. 253 110－116 Liu Fei, Cha Xiaoming, Duan Shanxu. Design and research on parameter of LCL filter in three-phase grid-connected inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010. 253 110 － 116 [6] Liserre M., Blaabjerg F., Hanse S Design and control of an LCL-filter based three-phase active rectifier. IEEE Trans[J]. On IA, 2005, 4151281-1291