隨著太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等新能源以分布式發(fā)電、微電網(wǎng)、中小型電站(含儲(chǔ)能電站、電動(dòng)汽車充電站)等形式大量接入配電網(wǎng)，使得新形勢(shì)下的智能電網(wǎng)面臨諸多新問題。圖1描述了智能電網(wǎng)架構(gòu)下的電能質(zhì)量控制結(jié)構(gòu)，其主要由分布式發(fā)電、輸配電網(wǎng)絡(luò)、用電負(fù)荷、電能質(zhì)量補(bǔ)償器等構(gòu)成。一方面，作為新能源接入的核心動(dòng)力，電力電子變換裝備的大量接入，使得輸配電網(wǎng)的電能質(zhì)量呈現(xiàn)新特征、新問題，亟待解決;另一方面，用電側(cè)負(fù)荷的多樣性、非線性、沖擊性等日益加劇，電能高效利用迫在眉睫，這些新問題給電能質(zhì)量控制技術(shù)帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。作為智能電網(wǎng)的核心，微電網(wǎng)是耦合了多種能源的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，其內(nèi)部的分布式電源具有間歇性、復(fù)雜性、多樣性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，其電能質(zhì)量呈現(xiàn)的新問題與新特征日益突出。因此，為保證微電網(wǎng)接入情況下配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，亟需研究和解決的關(guān)鍵問題之一就是電能質(zhì)量問題。

圖1 智能電網(wǎng)構(gòu)架下的電能質(zhì)量控制結(jié)構(gòu)圖

1電能質(zhì)量補(bǔ)償器的分類

電能質(zhì)量補(bǔ)償控制技術(shù)可分為主動(dòng)控制技術(shù)和被動(dòng)治理技術(shù)。圖2針對(duì)不同的電能質(zhì)量問題，對(duì)相應(yīng)的補(bǔ)償裝置進(jìn)行分類介紹。被動(dòng)治理技術(shù)是通過并接或串接額外的電力電子補(bǔ)償器來抑制或治理諸如諧波、無功、三相不平衡等電能質(zhì)量問題，補(bǔ)償裝置主要包括無源電力濾波器(PPF)、有源電力濾波器(APF)、混合型有源電力濾波器(HAPF)、無功補(bǔ)償器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)、電能質(zhì)量綜合調(diào)節(jié)器(UPQC)等。其中，基于模塊化多電平變換器(MMC)的電能質(zhì)量補(bǔ)償器因其低壓模塊化串級(jí)結(jié)構(gòu)，正成為中高壓電能質(zhì)量治理技術(shù)的研究熱點(diǎn)與未來趨勢(shì)。而主動(dòng)控制技術(shù)是用電設(shè)備或分布式電源通過改變自身的輸入或輸出阻抗特性來兼顧電能質(zhì)量治理功能。電能質(zhì)量主動(dòng)控制技術(shù)不僅可提升電能利用率，還能在無需增加額外的補(bǔ)償器的情況下，改善系統(tǒng)整體的電能質(zhì)量。

圖2 電能質(zhì)量補(bǔ)償控制器的分類圖

2電能質(zhì)量補(bǔ)償器的控制方法

目前，電能質(zhì)量補(bǔ)償器多采用電壓源型或電流源型變換器。常用的補(bǔ)償器電流控制方法主要有：滯環(huán)控制，無差拍控制，模型預(yù)測(cè)控制，比例積分(PI)控制，比例諧振(PR)控制，重復(fù)控制及非線性魯棒控制等。此外，通過改進(jìn)常規(guī)電流控制，可以改善單一電流控制方式的控制性能。比如：常規(guī)PI和矢量PI結(jié)合的控制方法，可簡(jiǎn)化諧波檢測(cè)環(huán)節(jié);諧波分頻補(bǔ)償方式，與傳統(tǒng)全頻段補(bǔ)償方式相比，提高各次諧波的檢測(cè)精度與補(bǔ)償精度，特別適用于各種高低壓混合有源濾波裝置等。

3大型分布式電站的電能質(zhì)量分析與控制

隨著光伏、風(fēng)能等大型分布式電站(10 kV~35 kV等級(jí))的滲透率的提高,主要由多逆變器構(gòu)成的分布式電站系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波與輸配電系統(tǒng)的交互耦合也愈加復(fù)雜。分布式電站輸出的諧波呈現(xiàn)出高頻次、寬頻域的特性。圖3為典型分布式電站諧振放大系數(shù)與諧波次數(shù)、輸電距離的關(guān)系。諧波在輸電網(wǎng)傳播的過程中，受輸電線中的分布電容以及背景諧波電壓等因素的影響，會(huì)產(chǎn)生電流和電壓的諧振放大。有2種治理方案可抑制寬頻域諧波在輸電網(wǎng)絡(luò)中的串并聯(lián)諧振問題，即：改變輸電網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過并聯(lián)電抗器達(dá)到消除諧振的目的;安裝高壓混合有源濾波裝置，降低流入電網(wǎng)的諧波電流含量。

圖3 分布式電站諧振放大系數(shù)與諧波次數(shù)、輸電距離的關(guān)系

4微電網(wǎng)及含微電網(wǎng)配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析與控制

分布式電源、儲(chǔ)能、負(fù)荷通過電力電子變換器接入微電網(wǎng)是目前新能源分布式發(fā)電的主要形式之一。微電網(wǎng)存在孤島和并網(wǎng)2種運(yùn)行模式，微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題既存在共性，也有各自的特點(diǎn)。共性集中表現(xiàn)在：怎樣有效解決集群分布式逆變器產(chǎn)生的寬頻域、高頻次的諧波電流。

微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題的新特征及控制技術(shù)主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。

1)微電網(wǎng)內(nèi)部環(huán)流抑制方法：多逆變器由于控制方式、濾波參數(shù)等因素的不同，造成逆變器在公共連接點(diǎn)側(cè)的端口等效輸出阻抗存在差異，導(dǎo)致逆變器間基波、諧波環(huán)流的產(chǎn)生，影響逆變器間的功率均分效果及微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。采用虛擬阻抗技術(shù)可以改變逆變器自身的輸出阻抗幅頻特性，從而使得各逆變器的等效輸出阻抗相同，可有效降低逆變器間的環(huán)流，實(shí)現(xiàn)功率均分。

2)微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式下的諧振分析與抑制方法：微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行模式下，并聯(lián)逆變器閉環(huán)等效阻抗之間、逆變器閉環(huán)等效阻抗與配電網(wǎng)等效阻抗之間都存在耦合，隨著并聯(lián)臺(tái)數(shù)的增加，容易引起低次諧波諧振現(xiàn)象發(fā)生，造成特定次諧波電流的放大，通過采用主動(dòng)式無源阻尼和有源阻尼方法，或被動(dòng)式有源濾波方法，可解決逆變器間引起的耦合諧振的問題，但相關(guān)研究有待進(jìn)一步深入。

5電能質(zhì)量控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和前景

新能源或分布式能源以微電網(wǎng)/電站/分布式發(fā)電的形式大量接入電網(wǎng)，對(duì)電能質(zhì)量問題分析與解決途徑提出了新的挑戰(zhàn)，面向智能電網(wǎng)的電能質(zhì)量分析與控制技術(shù)研究任重道遠(yuǎn)，也對(duì)電能質(zhì)量補(bǔ)償器提出了高標(biāo)準(zhǔn)和新需求。同時(shí)，碳化硅等寬禁帶器件的推廣及新型變換器拓?fù)涞陌l(fā)展也將推動(dòng)電能質(zhì)量治理裝置的發(fā)展。此外，分布式電源與電能質(zhì)量補(bǔ)償器的協(xié)同控制、兼具主動(dòng)電能質(zhì)量治理功能的先進(jìn)電力電子變換裝置，也有望得到深入研究和推廣應(yīng)用。

作者介紹

羅安：中國(guó)工程院院士, 湖南大學(xué)教授, 國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心主任。30多年來, 他一直圍繞制約我國(guó)大功率特種電源與電能質(zhì)量控制的關(guān)鍵工程技術(shù)難題, 發(fā)明了多種大功率電能變換系統(tǒng)及控制方法, 突破了多項(xiàng)共性核心技術(shù), 首創(chuàng)的關(guān)鍵裝備多項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品, 并應(yīng)用到冶金、化工、鐵路等200多家企業(yè), 提高了電能利用率與產(chǎn)品品質(zhì), 促進(jìn)了相關(guān)行業(yè)的科技進(jìn)步。

徐千鳴：湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院博士研究生，主要研究方向包括多電平變換器，電能質(zhì)量控制。

馬伏軍：博士，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院助理教授，主要研究方向包括鐵路供電系統(tǒng)功率控制、電能質(zhì)量控制，電氣節(jié)能技術(shù)。

陳燕東：博士，湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院助理研究員，主要研究方向包括微電網(wǎng)控制、分布式發(fā)電控制，電能質(zhì)量控制。

原標(biāo)題:【MPCE】面向智能電網(wǎng)的電能質(zhì)量分析與控制技術(shù)綜述