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淺談“非主流”光伏技術(shù)，是一個(gè)科普文章。因?yàn)槭?ldquo;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(jìn)行介紹，達(dá)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(mén)的“能源互聯(lián)網(wǎng)”。

一、為什么并網(wǎng)難，電站限電，是因?yàn)殡娋W(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(shí)產(chǎn)生的熱能，通過(guò)發(fā)電動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電方式。我國(guó)的煤炭資源豐富，火力發(fā)電占比有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)電系統(tǒng)是由勵(lì)磁機(jī)、勵(lì)磁盤(pán)、發(fā)電機(jī)、變壓器、高壓斷路器、升壓站、配電裝置等組成。發(fā)電是勵(lì)磁機(jī)(永磁機(jī))發(fā)出高頻電流，副勵(lì)磁機(jī)發(fā)出的電流經(jīng)過(guò)勵(lì)磁盤(pán)整流，再送到主勵(lì)磁機(jī)，主勵(lì)磁機(jī)發(fā)出電后經(jīng)過(guò)調(diào)壓器以及滅磁開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)碳刷送到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)旋轉(zhuǎn)其定子線(xiàn)圈便感應(yīng)出電流，強(qiáng)大的電流通過(guò)發(fā)電機(jī)出線(xiàn)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(jī)組的容量要大的多。至少30MW起步，目前最大單機(jī)容量1GW。而且不看天吃飯，有煤就行。



圖1-1

如上圖所示，b變電站高峰時(shí)期最大負(fù)荷為63MW，a變電站下面有兩個(gè)火電廠出力48MW，由于b變電站下面的負(fù)載A和B是可變負(fù)載，并不是所有時(shí)刻都工作在最大負(fù)荷，所以大部分時(shí)刻 a、b變電站的負(fù)荷是平衡的。如果有功率過(guò)剩或者功率不足可以通過(guò)A變電站進(jìn)行調(diào)節(jié)。



圖1-2

如圖1-2所示，新增了一個(gè)c變電站和2個(gè)總功率為60MW的光伏電站，一般情況下，整個(gè)電網(wǎng)的潮流方向?yàn)閏-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(gè)變電站就相當(dāng)與處在孤網(wǎng)運(yùn)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(shí)，c變電站可以出力，由于光伏出力過(guò)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(gè)電網(wǎng)就會(huì)崩潰，所以需要將c變電站解裂(切除)。

有很多讀者會(huì)問(wèn)，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(jī)，使用太陽(yáng)能發(fā)電。在解釋這個(gè)問(wèn)題之前，我先舉一個(gè)例子，我們平時(shí)駕駛汽車(chē)的時(shí)候經(jīng)常會(huì)遇見(jiàn)堵車(chē)，堵車(chē)時(shí)間長(zhǎng)了，我們會(huì)熄火。因?yàn)榧词蛊?chē)的檔位空檔狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速仍然會(huì)保持在1000轉(zhuǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)依然會(huì)耗費(fèi)汽油。根據(jù)能量守恒原理，汽油在汽缸里燃燒時(shí)能量沒(méi)有轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(車(chē)輛行駛)就只能轉(zhuǎn)化成熱量，造成浪費(fèi)，夏天高溫時(shí)甚至?xí)鹱匀弧?br />
汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)和火電廠的發(fā)電機(jī)組原理類(lèi)似，都是化石能源轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或者電能。發(fā)動(dòng)機(jī)空檔時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)1000的轉(zhuǎn)速。同理我們國(guó)家的電網(wǎng)有一個(gè)固定的頻率，頻率的固定數(shù)值是50Hz，有一個(gè)偏差范圍，49.5hz-50.2hz。這個(gè)頻率是靠發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的固定轉(zhuǎn)速來(lái)維持的?；鹆Πl(fā)電機(jī)大部分是同步發(fā)電機(jī)的，也就是它的頻率是和轉(zhuǎn)速成正比的。有功功率對(duì)應(yīng)頻率，發(fā)電廠控制的是頻率，也就是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果頻率高了，就降一點(diǎn)。如果有功負(fù)荷低了，頻率就上升，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，然后它就降轉(zhuǎn)速，使之平衡。

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

火力發(fā)電機(jī)組還有一個(gè)特點(diǎn)，啟停一次非常麻煩。啟動(dòng)的時(shí)候需要重新點(diǎn)火，鍋爐需要重新加溫。這個(gè)過(guò)程需要50多個(gè)小時(shí)，需要各種燃料幾十萬(wàn)元。從經(jīng)濟(jì)和社會(huì)用電安全角度來(lái)說(shuō)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(shuō)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(duì)于這一點(diǎn)我們必須承認(rèn)。光伏發(fā)電有一個(gè)缺點(diǎn)就是間歇性。只有白天能發(fā)，晴天能多發(fā)。這一點(diǎn)會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)不小的麻煩，特別是大型地面電站，所以電網(wǎng)會(huì)要求大型地面電站安裝光功率預(yù)測(cè)裝置，這種裝置是提高電網(wǎng)調(diào)峰能力、增強(qiáng)電網(wǎng)接納光電的能力、改善電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性與經(jīng)濟(jì)性的最為有效、經(jīng)濟(jì)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(cè)將使得光電可以積極地參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，規(guī)避由供電的不可靠性而受到的經(jīng)濟(jì)懲罰。

光伏電站光伏功率預(yù)測(cè)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(cè)軟件、圖形、報(bào)表和輔助模塊等組成。(如圖1-3)

由于了有準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)，通過(guò)精確的算法可以預(yù)測(cè)出一個(gè)時(shí)間段后的光伏發(fā)電功率。如果功率有波動(dòng)及時(shí)做出調(diào)整因?yàn)橛辛诉@個(gè)技術(shù)，風(fēng)、光新能源的間歇性的問(wèn)題得到了很好的解決。



圖1-3

還有一種說(shuō)法是光伏發(fā)電的諧波大，對(duì)電網(wǎng)有污染。

波形畸變是由電力系統(tǒng)中的非線(xiàn)性設(shè)備引起的，流過(guò)非線(xiàn)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(gè)簡(jiǎn)單的非線(xiàn)性電阻上施加正弦電壓的例子，非線(xiàn)性電阻上電壓和電流的關(guān)系隨所給出的特性曲線(xiàn)變化。雖然該電阻上所加電壓是理想正弦波，但流過(guò)其中的電流卻是非正弦的，即出現(xiàn)了諧波畸變問(wèn)題。當(dāng)電壓有較小增加時(shí)，電流可能成倍增加，并且其波形也將發(fā)生變化。



圖1-4 諧波

諧波的形狀有很多種，我們可以簡(jiǎn)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(jī)(G)發(fā)電通過(guò)升壓變壓器(T-1)送入電網(wǎng)(L)然后通過(guò)降壓變壓(T-2)送到負(fù)荷處。


圖1-5

JXd、JXT1這些符號(hào)都是變壓器和線(xiàn)路的阻抗(也可以簡(jiǎn)單認(rèn)為是電阻)各種線(xiàn)路和設(shè)備的阻抗都是非線(xiàn)性的，都會(huì)產(chǎn)生各種各樣的諧波。

電力系統(tǒng)的諧波源，按其非線(xiàn)性特性分類(lèi)主要有三大類(lèi)：

(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(xiàn)性。

(2)電子開(kāi)關(guān)型：主要為各種交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開(kāi)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(jī)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(huì)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1-6



圖1-7

圖1-7中的波形為逆變器實(shí)際輸出的電壓、電流(鋸齒形)波形，實(shí)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(diǎn)不可以否認(rèn)。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(duì)電力系統(tǒng)和家用電器都有很大的危害。

2.1對(duì)電力系統(tǒng)變壓器接點(diǎn)的影響

變壓器在基波頻率時(shí)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(fù)荷電流含有諧波時(shí)，將在三個(gè)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(fù)荷容量相同，那么諧波電流將使得有效值電流大于額定值。總有效值電流的增加會(huì)引起導(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(chǎng)環(huán)繞的其它導(dǎo)體時(shí)，會(huì)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(shí)，鐵損的增加取決于諧波對(duì)外加電壓的影響以及變壓器鐵芯的設(shè)計(jì)。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(duì)通訊的干擾

配電系統(tǒng)或終端用戶(hù)設(shè)備中的諧波電流，將對(duì)同一路徑中的通迅線(xiàn)路產(chǎn)生干擾。諧波電流在相應(yīng)并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)中三倍頻諧波(3次、9次 、15次)最容易引起問(wèn)題。因?yàn)檫@些諧波在三相中相位相同，它們?cè)谥芯€(xiàn)直接相加，從而對(duì)通訊線(xiàn)路產(chǎn)生很大的干擾。

2.3諧波對(duì)家用電氣的干擾

2.3.1諧波對(duì)計(jì)算機(jī)的影響

計(jì)算機(jī)廠家一般規(guī)定計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)混亂、指令地址出錯(cuò)、丟失記憶、程序破壞，還能使計(jì)算機(jī)使用的UPS工作失常。

2.3.2對(duì)電腦自動(dòng)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(fù)荷時(shí)的基波和諧波綜合電壓達(dá)到1.2倍額定電壓，一臺(tái)全自動(dòng)洗衣機(jī)通電后，很快損壞兩塊電腦插件。

2.3.3對(duì)電視機(jī)的影響

當(dāng)諧波電壓影響電源峰值電壓時(shí)，能使電視機(jī)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(shí)，能影響信號(hào)傳輸，使電視屏幕上出現(xiàn)異常色帶。

2.3.4對(duì)家用電器的電容器的影響

洗衣機(jī)、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(shí)，會(huì)受到較大諧波電流，引起發(fā)熱并減少壽命。

2.3.5對(duì)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(duì)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(huì)使白熾燈損失壽命。

目前對(duì)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(huì)在以后的文章中介紹。



原標(biāo)題： 淺談“非主流”光伏技術(shù)