淺談“非主流”光伏技術，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光伏技術，而從其他周邊不被了解的技術入手進行介紹，達到科普的目的。文章主要介紹電網、電氣一次、電氣二次、微網系統、風力發電系統等其他新能源系統、物聯網技術、智能電網技術、以及現在比較熱門的“能源互聯網”。一、為什么并網難，電站限電，是因為電網壟斷嗎?

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

發電系統是由勵磁機、勵磁盤、發電機、變壓器、高壓斷路器、升壓站、配電裝置等組成。發電是勵磁機(永磁機)發出高頻電流，副勵磁機發出的電流經過勵磁盤整流，再送到主勵磁機，主勵磁機發出電后經過調壓器以及滅磁開關經過碳刷送到發電機轉子，當發電機轉子通過旋轉其定子線圈便感應出電流，強大的電流通過發電機出線分兩路，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。(是不是相當復雜)

與光伏相比，火力發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。如果有功率過剩或者功率不足可以通過A變電站進行調節。


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，整個電網的潮流方向為c-A、c-b、a-b、a-A;但是如果A變電站出現故障，a、b、c三個變電站就相當與處在孤網運行狀態(不是孤島狀態)。當白天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變電站繼續出力，整個電網就會崩潰，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電出力，或者白天直接切斷火力發電機，使用太陽能發電。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，發動機的轉速仍然會保持在1000轉，發動機依然會耗費汽油。根據能量守恒原理，汽油在汽缸里燃燒時能量沒有轉換成機械能(車輛行駛)就只能轉化成熱量，造成浪費，夏天高溫時甚至會引起自然。

汽車的發動機和火電廠的發電機組原理類似，都是化石能源轉化為機械能或者電能。發動機空檔時發動機有一個1000的轉速。同理我們國家的電網有一個固定的頻率，頻率的固定數值是50Hz，有一個偏差范圍，49.5hz-50.2hz。這個頻率是靠發電機的轉子的固定轉速來維持的。火力發電機大部分是同步發電機的，也就是它的頻率是和轉速成正比的。有功功率對應頻率，發電廠控制的是頻率，也就是發電機的轉速，如果頻率高了，就降一點。如果有功負荷低了，頻率就上升，發電機轉速升高，然后它就降轉速，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，發電廠按照這個曲線決定投放燃料，如果用電功率出現突降，這類帶有很大慣性的設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、新能源發電的間歇性和電力諧波

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

光伏電站光伏功率預測系統主要是由數據采集、數據處理、物理建模、光伏功率預測軟件、圖形、報表和輔助模塊等組成。(如圖1-3)

由于了有準確的實時的氣象數據，通過精確的算法可以預測出一個時間段后的光伏發電功率。如果功率有波動及時做出調整因為有了這個技術，風、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電的諧波大，對電網有污染。

波形畸變是由電力系統中的非線性設備引起的，流過非線性設備的電流和加在其上的電壓不成比例關系。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，即出現了諧波畸變問題。當電壓有較小增加時，電流可能成倍增加，并且其波形也將發生變化。


諧波的形狀有很多種，我們可以簡單的理解成只要不是標準的正弦波，就是諧波。下圖1-6看上有一些復雜，代表的意思是發電機(G)發電通過升壓變壓器(T-1)送入電網(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)各種線路和設備的阻抗都是非線性的，都會產生各種各樣的諧波。

電力系統的諧波源，按其非線性特性分類主要有三大類：

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

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

(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。

光伏發電中的并網逆變器和風力發電中的風電變流器屬于電力電子設備，是會向電網中輸入諧波。圖1-8中分別顯示了50Hz下電壓和電流的標準波形(平滑)，用MATLAB仿真結果。


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，實際上并網逆變器輸入電網的電能中是含有大量的直流分量的，這一點不可以否認。電力電子設備的諧波含量在IEC是有標準的并網逆變器應該小于3%。

諧波的危害很大，對電力系統和家用電器都有很大的危害。

2.1對電力系統變壓器接點的影響

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。總有效值電流的增加會引起導體損耗增加。

2.1.2渦流損耗

渦流是由磁鏈引起的變壓器的感應電流。感應電流流經繞組、鐵芯以及變壓器磁場環繞的其它導體時，會產生附加發熱。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

配電系統或終端用戶設備中的諧波電流，將對同一路徑中的通迅線路產生干擾。諧波電流在相應并聯導線中感應的電壓頻率通常在音頻范圍內。一般情況下，540Hz(9次，基波為頻率60Hz)至1200Hz范圍內的諧波產生的干擾危害性較大。在三相四線系統中三倍頻諧波(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

計算機廠家一般規定計算機和數據處理系統允許接受饋電電壓的THDu為3%或5%。惡劣的電能質量的具體影響包括：使計算機數據混亂、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。某些電視衛星發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的并聯電容器，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熱和發光，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有非常成熟的技術，相關諧波抑制技術內容，將會在以后的文章中介紹。