淺談“非主流”光伏技術(shù)，是一個(gè)科普文章系列。因?yàn)槭?ldquo;非主流”，所以這個(gè)系列的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。這個(gè)系列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(chǎng)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(chǎng)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?/p>

汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)和火電廠(chǎng)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。火力發(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(chǎng)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(chǎng)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。