浅谈“非主流“光伏技术(二)

这篇文章的主要内容有两个，首先继续介绍谐波这个概念，然后介绍不同性质的工厂的电网环境和电能质量。为什么要介绍这些内容?因为分布式电站的应用越来越广泛，工厂的屋顶是最优质的资源，“有地方、用电多、电价高”。但目前绝大部分的技术人员只关心屋顶面积、承重情况、很少关心电网的电能质量问题。

1.1 认识谐波

在上一篇文章中详细介绍了谐波的危害和产生。电网谐波来自于三个方面：一是发电源质量不高产生谐波;二是输配电系统产生谐波;三是用电设备产生的谐波，其中用电设备产生的谐波最多。

图1 谐波的形状

基波就是发电厂发出的电能的波形，是标准的Sin或者Cos形状。频率是50Hz。谐波也是正弦波，但是频率不是50Hz。比如3次谐波的频率是3*50Hz=150Hz。5次谐波的频率是5*50Hz=150Hz。

图2 波形畸变

谐波最大的危害就是产生了波形畸变，图2就是谐波严重叠加后，产生的波形畸变。

谐波电流是导致变压器过热、电缆过热、跳闸、无功补偿装置烧毁的主要原因。

谐波电压是电子设备误动作的主要原因。在处理电子设备受干扰的问题是，更加关注电子设备接入电网的位置的谐波电压畸变率。一般要求电压畸变率小于5%。

谐波电流与谐波电压之间的关系是很多人搞不清的概念。了解他们之间的关系对于正确解决电能质量问题十分重要，下面对这两者的关系进行讲解，

谐波电流是谐波的根源，谐波电压是谐波电流的产物。因此，要彻底解决谐波导致的各种问题，就要从控制谐波电流入手。谐波电压是谐波电流流过线路阻抗时产生的，对于特定的配电系统，谐波电流与谐波电压之间的关系如下(欧姆定律)：谐波电压 = 谐波电流*电网阻抗

1.2 逆变器输出波形

逆变器是一种电力电子设备，同时也是一种谐波源。根据逆变器自身的算法和原理----脉宽调试技术PWM逆变器的波形是等效出来的。

图3逆变器输出波形图

图3可以看出，电压波形并不是光滑的正弦波。电流波形也有畸变。

1.3 PWM原理

脉宽调制(PWM)基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件(IGBT)的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

例如图4，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于∏/n，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(即冲量)相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

图4 面积等效原理

这样我们就不难理解，为什么逆变器是一种谐波源了。

2.1 不同种类工厂的电网环境和电能质量

工业企业电网谐波有3种：一是大功率用电设备频繁的启动和停止，比如轧钢设备;二是电解行业使用的电弧炉产生谐波;三是大规模电力电子设备产生的谐波。

2.1.1 钢铁和电解行业

钢铁企业的用电设备大多数为感性负荷、冲击大等特点,大量使用直流电机、变压器、电力电子装置等非线性负荷。会出现电网电压波动和闪变、三相不平衡,引起无功频繁波动、功率因数低、谐波含量超标等问题,使电网供电质量下降,严重影响到电网的运行。根据生产及工艺要求,钢铁企业的用电设备如大量的电弧炉、中频炉、轧机等非线性负荷,在工作过程中产生大量的谐波,导致电流波形发生畸变,严重影响系统电能质量。同时产生的电压闪变和波动、电压暂降等问题也对电能质量造成很大的影响。

电弧炉包括交、直流电弧炉,冶炼过程主要分两个阶段,即熔化期和精炼期。在熔化期,电弧阻抗不稳定,电流波形不规律,故谐波含量大,具有较多的3次及3的倍数次谐波,还存在一定的偶次谐波。对交流电弧炉来说,其中2-7次谐波幅值较大。电弧炉产生的电能质量主要有三方面:谐波问题、电压闪变及波动问题、三相不平衡问题。

精炼炉属含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。是用来对初炼炉所熔钢水进行精炼,要求具有较大的变压器容量、较大的电流波动范围、三相电流很不平衡,对供电质量及用电设备也存在很大的影响。

中频炉是一种将工频50Hz交流电转变为中频的电源装置,把三相工频交流电,整流后变成直流电,再把直流电变为可调节的中频电流,在感应圈中产生高密度的磁力线,切割感应圈里盛放的金属材料,在金属材料中产生很大的涡流。中频炉会产生大量的谐波(以nk±1为主,n为脉数),谐波是中频炉运行时主要的电能质量问题。

轧机是广泛使用的金属薄板加工设备,其源动力大多使用直流电机,配有大功率的整流电路,在生产过程中就必然会产生大量的谐波电流,并流入电网。轧机负荷主要为交直流传动设备,产生电压波动、谐波及无功冲击,对电网产生了污染。

2.1.2 纺织企业

在现代纺织企业中变频器得到了广泛应用。但变频器的整流装置会造成供电系统网侧含有大量的谐波成分，导致电能质量下降、电气设备的不正常运行，产生次品，生产过程中存在车间局部接触器跳闸或者低压母线停电的问题对企业造成了巨大的经济损失。

2.2 光伏系统接入后产生的影响

光伏逆变器是电流控制的逆变器，必须跟随电网的电压和频率。打个比方，一个笨学生听别人说1+1=3，他也说1+1=3。如果电网的波形不好，并网逆变器输出的波形也不会好到哪里去。

光伏并网逆变器是电力电子设备的一种，输出的波形是PWM原理等效出来的正弦波，有大量的直流分量，会造成波形畸变，污染电网。并网逆变器输出轻载时，谐波明显增大。光伏在额定出力的20%以下时，电流谐波总畸

变率(THD)会超过5%。若并网点含有多个谐波源，产生叠加高次谐波的功率谐振。

传统的配电网电压的波动与有功和无功负荷有关，引起电压波动是随时间变化而波动，靠近网络的末端越明显，光伏电源是非线性的直流电源，最大的制约是受天气和温度因素影响，引起光伏电源输出功率的变化最明显是光照强度的变化。光伏电站因随机性很强的输出功率，以致控制掌握运行

困难。配电网负载容量与光伏电源的容量不匹配时，随着环境条件较大变化，光伏电源输出功率则并网点电网电压也随着波动，还有光伏并网后，极其可能因为环境条件较大变化，引起系统潮流大小、方向和电压分布的变化。

我们需要注意的是，很多业主本身的电能质量不好，安装光伏系统以后，会把一些故障推卸到光伏系统上，这就要求EPC厂家需要对工厂的电能质量做一些调查分析。