淺談“非主流”光伏技術(shù)，是一個科普文章。因為是“非主流”，所以本篇文章不著重介紹并網(wǎng)光伏技術(shù)，而從其他周邊不被了解的技術(shù)入手進行介紹，達到科普的目的。文章主要介紹電網(wǎng)、電氣一次、電氣二次、微網(wǎng)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等其他新能源系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能電網(wǎng)技術(shù)、以及現(xiàn)在比較熱門的“能源互聯(lián)網(wǎng)”。一、為什么并網(wǎng)難，電站限電，是因為電網(wǎng)壟斷嗎?

火力發(fā)電是利用煤、石油、天然氣等固體、液體、氣體燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能，通過發(fā)電動力裝置轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電方式。我國的煤炭資源豐富，火力發(fā)電占比有絕對的優(yōu)勢。

發(fā)電系統(tǒng)是由勵磁機、勵磁盤、發(fā)電機、變壓器、高壓斷路器、升壓站、配電裝置等組成。發(fā)電是勵磁機(永磁機)發(fā)出高頻電流，副勵磁機發(fā)出的電流經(jīng)過勵磁盤整流，再送到主勵磁機，主勵磁機發(fā)出電后經(jīng)過調(diào)壓器以及滅磁開關(guān)經(jīng)過碳刷送到發(fā)電機轉(zhuǎn)子，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子通過旋轉(zhuǎn)其定子線圈便感應(yīng)出電流，強大的電流通過發(fā)電機出線分兩路，一路送至廠用電變壓器，另一路則送到SF6高壓斷路器，由SF6高壓斷路器送至電網(wǎng)。(是不是相當(dāng)復(fù)雜)

與光伏相比，火力發(fā)電機組的容量要大的多。至少30MW起步，目前最大單機容量1GW。而且不看天吃飯，有煤就行。


如上圖所示，b變電站高峰時期最大負荷為63MW，a變電站下面有兩個火電廠出力48MW，由于b變電站下面的負載A和B是可變負載，并不是所有時刻都工作在最大負荷，所以大部分時刻 a、b變電站的負荷是平衡的。如果有功率過?；蛘吖β什蛔憧梢酝ㄟ^A變電站進行調(diào)節(jié)。


如圖1-2所示，新增了一個c變電站和2個總功率為60MW的光伏電站，一般情況下，整個電網(wǎng)的潮流方向為c-A、c-b、a-b、a-A;但是如果A變電站出現(xiàn)故障，a、b、c三個變電站就相當(dāng)與處在孤網(wǎng)運行狀態(tài)(不是孤島狀態(tài))。當(dāng)白天b變電站需求功率大于a變電提供的功率時，c變電站可以出力，由于光伏出力過大，需要限電;當(dāng)b變電站的需要功率小于a變電站提供功率，如果c變電站繼續(xù)出力，整個電網(wǎng)就會崩潰，所以需要將c變電站解裂(切除)。

有很多讀者會問，為什么不限制火力發(fā)電出力，或者白天直接切斷火力發(fā)電機，使用太陽能發(fā)電。在解釋這個問題之前，我先舉一個例子，我們平時駕駛汽車的時候經(jīng)常會遇見堵車，堵車時間長了，我們會熄火。因為即使汽車的檔位空檔狀態(tài)，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速仍然會保持在1000轉(zhuǎn)，發(fā)動機依然會耗費汽油。根據(jù)能量守恒原理，汽油在汽缸里燃燒時能量沒有轉(zhuǎn)換成機械能(車輛行駛)就只能轉(zhuǎn)化成熱量，造成浪費，夏天高溫時甚至?xí)鹱匀弧?br />
汽車的發(fā)動機和火電廠的發(fā)電機組原理類似，都是化石能源轉(zhuǎn)化為機械能或者電能。發(fā)動機空檔時發(fā)動機有一個1000的轉(zhuǎn)速。同理我們國家的電網(wǎng)有一個固定的頻率，頻率的固定數(shù)值是50Hz，有一個偏差范圍，49.5hz-50.2hz。這個頻率是靠發(fā)電機的轉(zhuǎn)子的固定轉(zhuǎn)速來維持的?；鹆Πl(fā)電機大部分是同步發(fā)電機的，也就是它的頻率是和轉(zhuǎn)速成正比的。有功功率對應(yīng)頻率，發(fā)電廠控制的是頻率，也就是發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，如果頻率高了，就降一點。如果有功負荷低了，頻率就上升，發(fā)電機轉(zhuǎn)速升高，然后它就降轉(zhuǎn)速，使之平衡。

一般情況下，社會用電的總功率大致遵循一條曲線，發(fā)電廠按照這個曲線決定投放燃料，如果用電功率出現(xiàn)突降，這類帶有很大慣性的設(shè)備是沒法跟著同步降下來的，最多只能逐步降下來，在此期間的煤炭燃燒的熱量會大于需求量，多出的部分只能通過冷卻塔散失到空氣里，非常浪費。

火力發(fā)電機組還有一個特點，啟停一次非常麻煩。啟動的時候需要重新點火，鍋爐需要重新加溫。這個過程需要50多個小時，需要各種燃料幾十萬元。從經(jīng)濟和社會用電安全角度來說我們只能切除光伏用電，不能影響火電。

二、新能源發(fā)電的間歇性和電力諧波

很多人說光伏電是“垃圾電”電能質(zhì)量差，電網(wǎng)不愿意收，所以不好并網(wǎng)和送出。對于這一點我們必須承認。光伏發(fā)電有一個缺點就是間歇性。只有白天能發(fā)，晴天能多發(fā)。這一點會給電網(wǎng)帶來不小的麻煩，特別是大型地面電站，所以電網(wǎng)會要求大型地面電站安裝光功率預(yù)測裝置，這種裝置是提高電網(wǎng)調(diào)峰能力、增強電網(wǎng)接納光電的能力、改善電力系統(tǒng)運行安全性與經(jīng)濟性的最為有效、經(jīng)濟的手段之一。從發(fā)電企業(yè)角度考慮，精準(zhǔn)的光伏功率預(yù)測將使得光電可以積極地參與市場競爭，規(guī)避由供電的不可靠性而受到的經(jīng)濟懲罰。

光伏電站光伏功率預(yù)測系統(tǒng)主要是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、物理建模、光伏功率預(yù)測軟件、圖形、報表和輔助模塊等組成。(如圖1-3)

由于了有準(zhǔn)確的實時的氣象數(shù)據(jù)，通過精確的算法可以預(yù)測出一個時間段后的光伏發(fā)電功率。如果功率有波動及時做出調(diào)整因為有了這個技術(shù)，風(fēng)、光新能源的間歇性的問題得到了很好的解決。

還有一種說法是光伏發(fā)電的諧波大，對電網(wǎng)有污染。

波形畸變是由電力系統(tǒng)中的非線性設(shè)備引起的，流過非線性設(shè)備的電流和加在其上的電壓不成比例關(guān)系。圖1-4給出了在一個簡單的非線性電阻上施加正弦電壓的例子，非線性電阻上電壓和電流的關(guān)系隨所給出的特性曲線變化。雖然該電阻上所加電壓是理想正弦波，但流過其中的電流卻是非正弦的，即出現(xiàn)了諧波畸變問題。當(dāng)電壓有較小增加時，電流可能成倍增加，并且其波形也將發(fā)生變化。


諧波的形狀有很多種，我們可以簡單的理解成只要不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，就是諧波。下圖1-6看上有一些復(fù)雜，代表的意思是發(fā)電機(G)發(fā)電通過升壓變壓器(T-1)送入電網(wǎng)(L)然后通過降壓變壓(T-2)送到負荷處。


JXd、JXT1這些符號都是變壓器和線路的阻抗(也可以簡單認為是電阻)各種線路和設(shè)備的阻抗都是非線性的，都會產(chǎn)生各種各樣的諧波。

電力系統(tǒng)的諧波源，按其非線性特性分類主要有三大類：

(1)鐵磁飽和型：各種鐵芯設(shè)備，如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性。

(2)電子開關(guān)型：主要為各種交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備以及PWM變頻器等電力電子設(shè)備。

(3)電弧型：交流電弧爐和交流電焊機等。

圖1-5顯示的就是鐵磁飽和型諧波源。

光伏發(fā)電中的并網(wǎng)逆變器和風(fēng)力發(fā)電中的風(fēng)電變流器屬于電力電子設(shè)備，是會向電網(wǎng)中輸入諧波。圖1-8中分別顯示了50Hz下電壓和電流的標(biāo)準(zhǔn)波形(平滑)，用MATLAB仿真結(jié)果。


圖1-7中的波形為逆變器實際輸出的電壓、電流(鋸齒形)波形，實際上并網(wǎng)逆變器輸入電網(wǎng)的電能中是含有大量的直流分量的，這一點不可以否認。電力電子設(shè)備的諧波含量在IEC是有標(biāo)準(zhǔn)的并網(wǎng)逆變器應(yīng)該小于3%。

諧波的危害很大，對電力系統(tǒng)和家用電器都有很大的危害。

2.1對電力系統(tǒng)變壓器接點的影響

變壓器在基波頻率時的損耗最小，但其附加發(fā)熱受電壓畸變影響較大，尤其還受電流畸變的較大影響。負荷電流含有諧波時，將在三個方面引起變壓器發(fā)熱的增加：

2.1.1有效值電流

如果變壓器容量正好與負荷容量相同，那么諧波電流將使得有效值電流大于額定值?？傆行е惦娏鞯脑黾訒饘?dǎo)體損耗增加。

2.1.2渦流損耗

渦流是由磁鏈引起的變壓器的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流流經(jīng)繞組、鐵芯以及變壓器磁場環(huán)繞的其它導(dǎo)體時，會產(chǎn)生附加發(fā)熱。這部分損耗以引起渦流的諧波電流的頻率的平方增加。因此，該損耗是變壓器諧波發(fā)熱損耗的重要組成部分。

2.1.3鐵芯損耗

考慮諧波時，鐵損的增加取決于諧波對外加電壓的影響以及變壓器鐵芯的設(shè)計。電壓畸變的增加將使得鐵芯疊片中渦流電流增加，總的影響取決于鐵芯疊片的厚度以及鋼芯的質(zhì)量。由諧波引起的這部分損耗的增加，與前兩種情況下相比通常較小。

2.2諧波對通訊的干擾

配電系統(tǒng)或終端用戶設(shè)備中的諧波電流，將對同一路徑中的通迅線路產(chǎn)生干擾。諧波電流在相應(yīng)并聯(lián)導(dǎo)線中感應(yīng)的電壓頻率通常在音頻范圍內(nèi)。一般情況下，540Hz(9次，基波為頻率60Hz)至1200Hz范圍內(nèi)的諧波產(chǎn)生的干擾危害性較大。在三相四線系統(tǒng)中三倍頻諧波(3次、9次 、15次)最容易引起問題。因為這些諧波在三相中相位相同，它們在中線直接相加，從而對通訊線路產(chǎn)生很大的干擾。

2.3諧波對家用電氣的干擾

2.3.1諧波對計算機的影響

計算機廠家一般規(guī)定計算機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)允許接受饋電電壓的THDu為3%或5%。惡劣的電能質(zhì)量的具體影響包括：使計算機數(shù)據(jù)混亂、指令地址出錯、丟失記憶、程序破壞，還能使計算機使用的UPS工作失常。

2.3.2對電腦自動控制的家用電器的影響

惡劣的電能質(zhì)量也能破壞微電腦型家用電器的正常工作，甚至損壞電腦。例如，某家屬樓低壓電源在假日低谷負荷時的基波和諧波綜合電壓達到1.2倍額定電壓，一臺全自動洗衣機通電后，很快損壞兩塊電腦插件。

2.3.3對電視機的影響

當(dāng)諧波電壓影響電源峰值電壓時，能使電視機圖像大小和亮度發(fā)生變化。0.5%的間諧波電壓能引起電視圖像翻滾。某些電視衛(wèi)星發(fā)送站的電源電壓中的5~13次諧波電壓較大時，能影響信號傳輸，使電視屏幕上出現(xiàn)異常色帶。

2.3.4對家用電器的電容器的影響

洗衣機、某些日光燈和氣體放電燈裝有改善功率因數(shù)的并聯(lián)電容器，在電源電壓的諧波含有率較高時，會受到較大諧波電流，引起發(fā)熱并減少壽命。

2.3.5對白熾燈的影響

諧波電流和基波電流一樣使白熾燈發(fā)熱和發(fā)光，白熾燈對諧波影響并不敏感。但白熾燈的壽命是和電壓的高次方成反比的，電壓有效值升到比額定電壓高1%(例如由THDu=14%而引起的)，白熾燈壽命縮短12%以上。因此，諧波電壓也會使白熾燈損失壽命。

目前對諧波的治理已經(jīng)有非常成熟的技術(shù)，相關(guān)諧波抑制技術(shù)內(nèi)容，將會在以后的文章中介紹。