隨著太陽能、風能、生物質能等新能源以分布式發(fā)電、微電網(wǎng)、中小型電站(含儲能電站、電動汽車充電站)等形式大量接入配電網(wǎng)，使得新形勢下的智能電網(wǎng)面臨諸多新問題。圖1描述了智能電網(wǎng)架構下的電能質量控制結構，其主要由分布式發(fā)電、輸配電網(wǎng)絡、用電負荷、電能質量補償器等構成。一方面，作為新能源接入的核心動力，電力電子變換裝備的大量接入，使得輸配電網(wǎng)的電能質量呈現(xiàn)新特征、新問題，亟待解決;另一方面，用電側負荷的多樣性、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量控制技術帶來了機遇與挑戰(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雜系統(tǒng)，其內部的分布式電源具有間歇性、復雜性、多樣性、不穩(wěn)定性等特點，其電能質量呈現(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)定運行，亟需研究和解決的關鍵問題之一就是電能質量問題。

圖1 智能電網(wǎng)構架下的電能質量控制結構圖

1 電能質量補償器的分類

電能質量補償控制技術可分為主動控制技術和被動治理技術。圖2針對不同的電能質量問題，對相應的補償裝置進行分類介紹。被動治理技術是通過并接或串接額外的電力電子補償器來抑制或治理諸如諧波、無功、三相不平衡等電能質量問題，補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)、無功補償器、動態(tài)電壓恢復器(DVR)、電能質量綜合調節(jié)器(UPQC)等。其中，基于模塊化多電平變換器(MMC)的電能質量補償器因其低壓模塊化串級結構，正成為中高壓電能質量治理技術的研究熱點與未來趨勢。而主動控制技術是用電設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量治理功能。電能質量主動控制技術不僅可提升電能利用率，還能在無需增加額外的補償器的情況下，改善系統(tǒng)整體的電能質量。

圖2 電能質量補償控制器的分類圖

2 電能質量補償器的控制方法

目前，電能質量補償器多采用電壓源型或電流源型變換器。常用的補償器電流控制方法主要有：滯環(huán)控制，無差拍控制，模型預測控制，比例積分(PI)控制，比例諧振(PR)控制，重復控制及非線性魯棒控制等。此外，通過改進常規(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結合的控制方法，可簡化諧波檢測環(huán)節(jié);諧波分頻補償方式，與傳統(tǒng)全頻段補償方式相比，提高各次諧波的檢測精度與補償精度，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量分析與控制

隨著光伏、風能等大型分布式電站(10kV~35kV等級)的滲透率的提高,主要由多逆變器構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)絡中的串并聯(lián)諧振問題，即：改變輸電網(wǎng)絡參數(shù)，通過并聯(lián)電抗器達到消除諧振的目的;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)、輸電距離的關系

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

分布式電源、儲能、負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種運行模式，微電網(wǎng)電能質量問題既存在共性，也有各自的特點。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)電能質量問題的新特征及控制技術主要體現(xiàn)在2個方面。

1)微電網(wǎng)內部環(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側的端口等效輸出阻抗存在差異，導致逆變器間基波、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，實現(xiàn)功率均分。

2)微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式下的諧振分析與抑制方法：微電網(wǎng)并網(wǎng)運行模式下，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，通過采用主動式無源阻尼和有源阻尼方法，或被動式有源濾波方法，可解決逆變器間引起的耦合諧振的問題，但相關研究有待進一步深入。

5 電能質量控制技術的發(fā)展趨勢和前景

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)，對電能質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)的電能質量分析與控制技術研究任重道遠，也對電能質量補償器提出了高標準和新需求。同時，碳化硅等寬禁帶器件的推廣及新型變換器拓撲的發(fā)展也將推動電能質量治理裝置的發(fā)展。此外，分布式電源與電能質量補償器的協(xié)同控制、兼具主動電能質量治理功能的先進電力電子變換裝置，也有望得到深入研究和推廣應用。

作者介紹

羅安：中國工程院院士,湖南大學教授,國家電能變換與控制工程技術研究中心主任。30多年來,他一直圍繞制約我國大功率特種電源與電能質量控制的關鍵工程技術難題,發(fā)明了多種大功率電能變換系統(tǒng)及控制方法,突破了多項共性核心技術,首創(chuàng)的關鍵裝備多項性能指標優(yōu)于國外同類產(chǎn)品,并應用到冶金、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,促進了相關行業(yè)的科技進步。

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

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

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