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面向智能電網的電能質量分析與控制技術綜述

知識百科

隨著太陽能、風能、生物質能等新能源以分布式發電、微電網、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 ， 使得新形勢下的智能電網面臨諸多新問題 。 圖1描述了智能電網架構下的電能質量控制結構 ， 其主要由分布式發電、輸配電網絡、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 ， 使得輸配電網的電能質量呈現新特征、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 。 作為智能電網的核心 ， 微電網是耦合了多種能源的非線性復雜系統 ， 其內部的分布式電源具有間歇性、復雜性、多樣性、不穩定性等特點 ， 其電能質量呈現的新問題與新特征日益突出 。 因此 ， 為保證微電網接入情況下配電網的安全穩定運行 ， 亟需研究和解決的關鍵問題之一就是電能質量問題 。

面向智能電網的電能質量分析與控制技術綜述

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圖1 智能電網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、動態電壓恢復器（DVR）、電能質量綜合調節器（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 ， 改善系統整體的電能質量 。
面向智能電網的電能質量分析與控制技術綜述

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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PI和矢量PI結合的控制方法 ， 可簡化諧波檢測環節；諧波分頻補償方式 ， 與傳統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（10 kV~35 kV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所產生的諧波與輸配電系統的交互耦合也愈加復雜 。 分布式電站輸出的諧波呈現出高頻次、寬頻域的特性 。 圖3為典型分布式電站諧振放大系數與諧波次數、輸電距離的關系 。 諧波在輸電網傳播的過程中 ， 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絡中的串并聯諧振問題 ， 即：改變輸電網絡參數 ， 通過并聯電抗器達到消除諧振的目的；安裝高壓混合有源濾波裝置 ， 降低流入電網的諧波電流含量 。
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圖3 分布式電站諧振放大系數與諧波次數、輸電距離的關系
4、微電網及含微電網配電系統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是目前新能源分布式發電的主要形式之一 。 微電網存在孤島和并網2種運行模式 ， 微電網電能質量問題既存在共性 ， 也有各自的特點 。 共性集中表現在：怎樣有效解決集群分布式逆變器產生的寬頻域、高頻次的諧波電流 。
微電網電能質量問題的新特征及控制技術主要體現在2個方面 。
1)微電網內部環流抑制方法：多逆變器由于控制方式、濾波參數等因素的不同 ， 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、諧波環流的產生 ， 影響逆變器間的功率均分效果及微電網電壓穩定 。 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流 ， 實現功率均分 。
2)微電網并網運行模式下的諧振分析與抑制方法：微電網并網運行模式下 ， 并聯逆變器閉環等效阻抗之間、逆變器閉環等效阻抗與配電網等效阻抗之間都存在耦合 ， 隨著并聯臺數的增加 ， 容易引起低次諧波諧振現象發生 ， 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展趨勢和前景
【面向智能電網的電能質量分析與控制技術綜述】 新能源或分布式能源以微電網/電站/分布式發電的形式大量接入電網 ， 對電能質量問題分析與解決途徑提出了新的挑戰 ， 面向智能電網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展也將推動電能質量治理裝置的發展 。 此外 ， 分布式電源與電能質量補償器的協同控制、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 。