背景
近年來，能源與電力系統的主要發展方向包括可再生能源與儲能的大規模集成、分散式發電的廣泛套用以及需求側的主動回響調控等，而這些目標在系統層面的最終實現則需要一個整體系統的革新以達成電網與能源系統的可持續發展。基於這些目標，主動配電網路(ADN )概念被提出，目的是合理、安全和高效地利用各種形式能源，並根據系統運行狀態對負載側進行主動智慧型管理。微電網作為一種本質上的ADN，對配電系統的獨立性提出了更高的要求，其通過有效的發電/儲能側控制管理及負載合理平衡，使得配電系統能夠脫離主網而獨立持續運行。這種獨立運行能力使得配電系統對主網的依賴性大大減小，避免了集中式的大規模發電以及大功率、長距離的輸配電，提高了全網的效率與安全性。因此，基於多微電網的未來能源系統可以有更高的可靠性與靈活性。
當然，這一構想也為未來能源系統的發展帶來了很多挑戰，包括控制、協同、穩定性、管理、政策等各個層面。微電網的獨立運行要求也使得研究者們更多地考慮脫離電網運行時的一些新的特性與問題。電能質量是其中之一，尤其在弱電網併網或孤立運行時，不平衡負載和非線性負載會對系統電壓、電流質量造成很大的影響。
近年來，分散式發電系統越來越多地集成於現有電網系統中，而電力電子變換器和併網逆變器也逐漸成為其中不可或缺的單元。併網逆變器可以分為電壓源型逆變器( voltage source inverter, VSI)和電流源型逆變器( current source inverter, CSI)兩種，其區別主要在於輸人端電源類型。考慮到VSI具有更高的效率、可控性與靈活性，它的套用也最為廣泛。除了保證高效穩定的電能變換以及可靠的分散式發電系統集成外，併網逆變器也越來越多地被考慮用來提供電網輔助功能，如電壓和頻率支撐、電能質量調節等。風力發電、光伏發電以及中小儲能系統(蓄電池、飛輪、超級電容等)主要通過VSI併網，這些發電源有較大的可控性與靈活性，可以實現對電能質量的調節，因此是本文的主要討論對象。
分層控制體系
為了實現一個微電網的電能質量調控，首先需要考慮以下各關鍵性問題：
(1)電能質量的測量與監控。考慮關鍵或敏感負載區域，一套測量、通信與估測體系有其必要性；
(2)基於電力電子變換器的快速而準確的電壓、電流控制。併網逆變器應能快速準確地跟蹤正序、零序、負序以及諧波次電壓、電流參考；
(3)多目標控制系統的合理集成。針對不同控制目標(如功率控制及電壓支撐等)的各控制系統之間的協同控制關係到系統的可靠性與穩定性；
(4)分散式發電源之間的協同控制。考慮到分散式電源的功率限制與工作模式，其應能協同補償系統中的電能質量問題；
(5)用戶自定義的電能質量要求。根據用戶要求而進行相應電能質量調節是合理的，且能夠降低運行成本。
分層控制體系為了實現以上各目標，一個多層的控制系統架構是必須的，其基本組成如右圖所示。
本地控制主要為一次控制，可以包括：(1)內環電壓/電流控制，通常使用的控制方法有比例積分控制、比例諧振控制及重複控制等；(2)外環功率控制，下垂控制與主從控制是最常用的控制方法；(3)外環阻尼控制，虛擬阻抗和有源阻尼方法常用在這一控制中以提高系統穩定性。系統控制可以包括二次和三次控制。二次控制主要針對系統電能質量，包括電壓頻率、幅值、諧波、不平衡等。三次控制的核心通常是管理策略及最佳化算法，用以實現整體系統的高效、低成本運行，並能夠回響用戶需求，對電能質量進行調控。
電流/電壓給定跟蹤控制環節
VSI併網逆變器的兩種基本控制模式電流/電壓內環控制主要為了跟蹤外環傳送的電流、電壓及頻率給定。在電能質量調節的要求下，內環還需要能夠快速準確地跟蹤零序、負序以及諧波次分量。一個電壓源型逆變器的內環控制基本架構如右圖所示，包括電流源型控制模式(current controlled mode, CCM)與電壓源型控制模式(voltage controlled mode, VCM)。
CCM模式與VCM模式比較
CCM為經典的VSI併網控制方法，主要通過採集電網電壓並由鎖相環計算相位，同時檢測輸出電感電流並以此做反饋控制，且根據電網電壓相位來調節電感電流幅值與相位，以輸出定量的有功與無功。
VCM在近年來被更多地研究和採用，因其更適用於微電網的套用場合，用以實現微電網電壓、頻率的支撐以及併網與孤網運行的無縫轉換。VCM要求檢測輸出濾波器電感電流與電容電壓並做反饋雙環控制，同時可以通過檢測電網側電流與電壓來進行有功與無功的調節。
值得說明的是，CCM更多被套用在各種能源併網系統或微電網中。併網運行時，網側電壓較為穩定，各種形式分散式能源僅需要根據其發電/儲能情況與電網進行功率交換，而無需對電網電壓和頻率進行調節。孤網或弱電網情況下則更傾向於使用VCM，因其能夠對微電網或局部電網電壓和頻率進行支撐和調節，減小電壓波動。可再生能源因其發電特點，通常使用CCM工作模式;傳統發電機和儲能系統因其可控性與穩定性較高，則可以工作在VCM。
內環控制核心算法
對於CCM和 VCM控制中的電流環與電壓環，經典的比例積分、比例諧振、重複控制等方法以及近年來越來越多套用的非線性控制方法都可以作為其核心算法。
（1）比例積分(proportional -integral, PI)控制器
PI是經典、常用的控制方法。為了同時控制負序及諧波次分量，需要多個PI控制器並聯運行。每個PI控制器運行在各自的同步旋轉坐標系下，這些坐標系的旋轉頻率與旋轉方向則根據相應正序/負序及諧波階次來確定。
（2）比例諧振(proportional -resonant, PR)控制器
PR本質上等效於兩個PI控制器並聯運行在正序與負序旋轉坐標系下，因此PR控制可以同時實現正/負序分量的控制。同時，在參數設計合理的前提下，PR控制器能夠無靜差地跟蹤交流給定信號。相比較PI控制器而言，PR控制的優點主要在於:減少了控制器的數量，因正/負序可以同時控制;實現了交流信號的直接控制，簡化了單相交流變換器的控制;降低了控制系統的計算量。
（3）重複控制器
雖然PI與PR控制器可以用於不平衡與諧波補償控制中，但需要對各次諧波分別進行控制，導致了過多的控制環路並聯。而基於控制理論內膜原理的重複控制器可以實現對周期信號及其各整數次諧波信號的高精度控制。當然，重複控制也有其固有缺陷，一方面較長的控制延時時間限制了控制器的回響速度，另一方面因其內部植人模型周期通常是固定的，因此傳統的重複控制器在頻率變化系統中的套用有一定的局限性。近年來，重複控制與其他控制方法混合式的控制器以及頻率自適應的重複控制器等可用於解決上述缺陷，使得重複控制器在電能質量領域的套用成為可能。
（4）非線性控制
除了上述提到的典型線性控制算法外，非線性控制算法也被越來越多地套用在有源濾波器及併網逆變器控制領域。常用的非線性控制方法包括無差拍控制、預測控制和歇斯底里控制等。非線性控制方法的最大優點在於它沒有傳統線性控制方法的穩定性問題，可以在任何情況下保證系統的穩定運行，但其也受限於相應的缺陷:無差拍控制與預測控制需要詳細的系統電氣模型以預測電流與電壓的變化趨勢，因此這兩種控制方法若想要獲得較高的控制精度，需要較為精確的系統電氣參數;預測控制是基於一個內置的最佳化算法計算求得最優控制解，因此它需要一個強大的計算核心來實現最佳化問題的快速計算以保證較高的開關頻率;歇斯底里控制非常簡單並且快速，但其缺陷在於開關頻率的不確定性，使得濾波器設計與諧波抑制較為困難。
電能質量一次調節-本地控制
微電網電能質量的本地控制是通過發電側併網變流器的合理調節來實現本地非線性或不平衡負載電流的就地補償，避免了污染網側電流電壓;同時VCM控制下的電壓源型逆變器還能夠有效提高孤網以及弱電網條件下的負載側電壓質量。
電壓諧波與不平衡補償策略
在微網與配電網中，主要考慮的電能質量問題包括電壓幅值、頻率以及諧波與不平衡。電壓幅值與頻率的二次恢復已有非常可靠、成熟的方法來解決;而電壓諧波及不平衡的問題則更加棘手，尤其在中小型電氣系統中，不平衡與非線性負載的存在會明顯地導致電壓質量的惡化。在此情況下，併網逆變器需要能夠對正序及負序的各主要諧波次分量進行控制，以實現電壓質量的有效提高。
在基於分散式發電的微網系統中，低電壓穿越( low voltage ride-through, LVRT)、網側電流質量以及併網點(或關鍵負載點)電壓質量為主要考慮的指標。而通過使用併網逆變器進行電能質量調節的方法主要源自於APF的相關技術，尤其是基於模擬電阻的諧波抑制方法。因此，此方法不僅提高了電壓質量，也增加了系統阻尼，非常適用於微電網的套用場合。模擬電阻法首先通過Park變換以及高通濾波器( high pass filter, HPF)提取輸出電壓的交直軸諧波分量；該諧波分量再被逆變為三相交流信號，並與一個比例係數相乘。依此控制方法，整個控制系統將APF模擬為一個針對該次諧波的電阻以作抑制。
基於模擬電阻迴路原理的APF原理可以直接套用於工作在CCM的併網電壓源型逆變器，因為二者只需要單電流環控制，結構相似。但考慮到微電網套用背景下VCM併網電壓源型逆變器的廣泛套用，該方法需要進行一定改進。基於這個目標，有文獻提出了改進方法，實現了在對輸出電壓/頻率進行控制的前提下同時進行諧波補償的功能。
類似的，這種方法也可以套用於三相電壓不平衡補償。在微網背景下，有文獻提出了一種利用併網變流器的控制來將分散式發電系統模擬為負序導納的方法，以降低微網負載端的電壓不平衡。這個負序導納的數值由各分散式發電系統容量決定，可合理地分配負序功率。
虛擬阻抗的方法也可以在兩相旋轉坐標系下實現。有文獻提出了一種混合虛擬阻抗方法，其正序基頻分量使用阻感性虛擬阻抗，負序及諧波次分量使用阻容性虛擬阻抗。
基於模擬電阻原理的APF方法可直接適用於CCM工作的VSI，而經過改進與集成後，也可以用於VCM工作的電壓源型逆變器，並與其原有控制環路(如有功及無功下垂控制等)有效集成，在保證併網逆變器輸出定量有功和無功的前提下，同時具有電能質量調節功能。
低電壓穿越LVRT
LVRT表示發電機在網側發生故障導致電壓下降的情況下保持短時間持續聯網，以保證電網有足夠的時間做出保護動作。這一特性能夠避免電網多米諾效應而最終導致全網失電。針對這一特性，各個國家和地區都制定了相應標準。
在光伏系統中，其LVRT主要是通過控制併網逆變器的輸出電流來實現的。電流的相位通過鎖相環與電網電壓同步，電流內環跟蹤外環電流給定確保精確的功率和電流控制。正常運行模式下，光伏系統工作在最大功率點跟蹤(maximum powerpoint tracking, MPPT)模式;在網側出現電壓下降狀況時，MPPT模式應迅速切換為低電壓穿越模式，否則將出現過流現象。一些既有的控制方法很好地實現了LVRT的基本功能，並同時最佳化了其他目標，如恆定有功輸出、恆定有功電流輸出等。再者，在三相系統中，考慮到低電壓故障可能是非對稱性短路故障，因此正序和負序電流需要同時控制，以保證此工況下的系統安全。正、負序電流的同時控制通常通過兩個並行的控制迴路來實現，它們分別工作在正序和負序同步旋轉坐標系下;而正、負序電流參考主要根據控制目標來計算，如恆定無功支撐和電壓幅值平衡等。除此以外，還有一些智慧型控制方法，例如基於Takagi-Sugeno-Kang型模糊神經網路控制；使用人工神經網路的矢量控制。因這些智慧型控制方法的複雜度高，故尚未得到廣泛套用，而隨著數字控制晶片計算能力和速度的升級，期待這些方法能夠有更多的套用空間。
類似地，在風能變換系統(wind energy conversion systems, WECS )中，LVRT也是通過併網變換器的電流控制來實現的。基於雙饋感應發電機(doubly fed induction generator, DFIG)的WECS是市場中使用最廣泛的，其定子直接與電網相連，而其轉子通過背靠背的變換器與電網相連。在網側電壓下降時，如沒有可靠的保護控制機制，其風機感應發電機會出現過熱、轉矩波動以及感應電動勢較大狀況，若繼續持續工作，將會影響風機系統安全以及壽命。傳統的方法是通過短路轉子線圈而使風機脫離電網，但此時電網在故障下將得不到風機發電系統的支持，有可能導致更大的區域失電，這種應對策略在現行的大部分電網標準中是被禁止的。另一種方法是通過合理地控制網側變換器來實現LVRT。各種不同的控制策略可以集成於WECS中以實現一些基本的控制目標，如：
(1)保持有功恆定(消除有功三角函式變數部分)；
(2)保持無功恆定(消除無功三角函式變數部分)；
(3)消除負序電流分量。
基於Crowbar電子保護裝置的典型風機併網變換器結構一種電子保護裝置(Crowbar)也被安裝在該系統中，如右圖所示網。其原理是通過短路轉子繞組來吸收轉子側變換器的故障電流。
有功與無功基本控制環上述LVRT方法均只適用於CCM下工作的VSI。近年來，以VCM模式工作的VSI因其可以更好地穩定電網電壓和頻率也被越來越多地套用在分散式發電系統和微網系統中。有研究給出了一種基於下垂控制的光伏系統，並在其基本控制策略之中集成了電能質量調節的功能，使得該併網逆變系統能夠根據電網電壓的下降程度準確地注人有功和無功。其電壓給定計算控制環如圖所示。但因其為單相交流系統，該文獻並沒有考慮三相非對稱性故障模式和負序分量的控制。
電能質量的系統控制
微電網電能質量的系統控制可以包括二次控制與三次控制，實現包括發電系統協調、補償出力最佳化、用戶側回響等控制目標。相較於一次控制來說，系統控制的研究工作才剛剛展開，工業套用尚未形成，且其方法、結構與實現方式都有待於進一步研究與改進，但系統層面的電能質量調控對微電網的可靠運行是必要的，也是未來主要的研究方向之一。針對二次控制與三次控制方法，闡述二次控制、三次控制與本地控制的集成方式，並例舉一些研究案例。
二次控制-協同補償的實現
從供電角度來看，電能質量的問題主要是負載端的電壓質量。在微網與配電網中，當一個微網系統中存在有多個發電機並聯時，它們應能夠協同對微網內的電能質量進行調節。基於電流、電壓內環和一次調節控制，主要闡述從整個微網層面所進行的二次調節，其主要目的是使多台發電機能夠同時對電網中的電能質量進行調控，合理分配各發電機的補償出力。
微電網電能質量的二次控制集成以一個典型的微網系統為例（右圖）。
多個發電機向該微網系統供電。為了提高敏感負載匯流條(SLB)或併網點(PCC)的電能質量，二次控制可以被採用。首先，測量SLB的電能質量並分析得到其負序或諧波電壓含量;然後通過二次控制計算相應補償量，並通過通信方式傳送到各個發電機端，二次控制的核心算法可以為一個PI控制器，通過比較檢測量和給定量來得到補償量;最後在併網逆變器的本地控制器中，補償量被傳遞給電壓內環以實現補償效果。這種控制方法主要針對工作在VCM控制下的VSI，可以實現不平衡電壓的補償和電壓諧波的抑制。
雖然所提出的控制方案可以有效提高負載側的電壓質量，但各發電機的電流/功率限制以及補償能力也需要加以考慮。基於這些問題，有研究提出了一種改進的補償方案，建議在已有微電網系統結構中加人若干小容量的APF。雖然併網逆變器仍然提供大部分補償處理，但在發電機側的電能質量降低到臨界允許值或發電機補償能力有限的情況下，APF可以啟動以緩解發電系統的壓力。
除了上述方法以外，容性虛擬阻抗的方法也可以進行改進並套用在二次控制中，以提高負載側電能質量。有文獻還討論了負序容性虛擬阻抗的數值調節問題，並提出了一種自適應的虛擬阻抗調節方法。該方法實現了基頻負序以及3, 5, 7次諧波電壓的抑制，有效提高了系統電能質量。
在微網電能質量調節中，除了電能質量以外，各發電系統的功率均分也相當重要，關係著系統的穩定性與安全性。傳統的下垂控制能夠實現基頻有功和無功的均分，而無法兼顧負序和諧波次功率(因負序及諧波次功率為波動功率)。基於這種考慮，研究者們提出了各種控制方法，包括集中式、分散式與分散式等類型，以更精確地調節發電機補償出力，合理地分配各發電系統的負擔。集中式與分散式方法均需要通信系統的支持，而二者的區別在於分散式的控制方法有更高的靈活性與魯棒性，並能避免信息的大量集中處理。一致性算法叫是近年來套用較為廣泛的通信算法，它通過分享關鍵信息，使得各個分散式發電單元間形成自動的一致性，以實現負序電流、諧波電流的合理分配。分散式控制方法不同於其他兩種控制方法，它不需要通信系統，但通常基於虛擬阻抗方法。其優點是可以避免搭建通信連線，無需集中式的信息處理;缺點是控制精度相對較低，也因缺乏信息交流難以實現系統層面的有效配置。除此以外，由於虛擬阻抗對系統的動態性能影響較大，它的使用也需要更多的系統層面建模分析，以進行參數最佳化，保證系統的穩定性。
三次控制-最佳化補償與用戶側回響
綜上可以看出，二次調節的主要目標是實現微電網公共負載點或併網點電能質量的調節，其實現方式主要是通過計算一個補償量，並同時發給所有併網發電系統。雖然二次調節基本實現了指定負載點電能質量的提高，但它還存在幾個方面的問題:第一，所有併網發電系統的補償出力相同，而未考慮其容量、線路阻抗及工作情況的差異;第二，適用於小區域或負載較為集中的微電網系統，而對於用戶較為分散或多負載匯流條的微電網則無法通用;第三，僅依靠二次控制無法回響用戶端的需求，因不同用戶對電能質量的需求可能因時而異。因此，系統層面的三次最佳化很有必要。其主要目標包括:第一，在電能質量二次調節基礎上，最佳化各併網發電系統的補償出力，以實現微電網效率與經濟性等最佳化目標，並考慮各發電系統的容量與補償能力;第二，通過建模分析與實時最佳化，實現多負載點的電能質量調節;第三，實現針對用戶電能質量要求變化的回響調節。為了實現以上各控制目標，近一兩年來很多研究工作初步開展，以下就已有的研究作一個簡單的總結。
針對多負載節點的微電網系統，有文獻提出了一種電流限制和均分的控制策略，其通過設計一個負序阻抗控制器來實現負序功率的分配。其中負序阻抗的取值主要根據各負載節點不平衡負載和負序電流情況來計算，並考慮到各個發電機的功率容量。但此方法需要一個同步測量體系，如同步相量測量裝置(PMU)。
為了實現用戶自定義的電能質量調節,有研究提出了一種多目標最佳化算法，旨在最優地利用各併網逆變器。一個基於災難決策理論的電能質量分析架構也被設計出，用以實現總諧波失真(THD)和功率因數(PF)的同時調節。基於多目標算法和災難決策理論的管理層與發電系統的控制層構成了一個多層次的控制系統。用戶也可以與系統管理員直接交流並設定其電能質量要求。系統管理員通過智慧型管理層制定相應控制方法，在保證系統安全的前提下實現電能質量地靈活調節。
當微網系統中有各種不同工作模式的發電機時，主從控制法也可以作為一個很好的備選方法，這種方法被證明可以有效地實現多微網系統的電能質量調節四。該方法假設在何個微網系統中存在一個主發電單元和多個從屬發電單元，其中主發電單元工作在電壓源型控制模式，對微網的電壓和頻率進行直接調控;而各從屬發電單元工作在電流源模式。從屬發電單元選擇性地對本地的諧波和負序電流進行補償;而主發電單元承擔剩餘的所有負載。各微網中的主發電單元通過下垂控制自動調控，實現多微網之間的有功/無功分配。該文還提出使用保守功率理論(conservative power theory)實現各諧波、負序分量的解藕控制。其仿真實驗結果證明該方法能夠實現電能質量調節並保證了諧波/負序功率與無功的均分。
用戶自定義的電能質量控制用戶自定義的電能質量調節在微電網項目以及日本仙台的4年微網項目中被重點考慮，其概念如右圖所示。
結語
闡述、討論了微電網電能質量調節的各種控制方法和管理策略以及相應控制系統整體架構，分層控制理念是本文的必要基礎，包括參考跟蹤控制（電壓電流控制內環）、一次控制、二次調節和三次最佳化管理。三層各有分工但構成一個整體，從而實現微網的全面協調與管理。
未來的電網將是多微網的靈活集成體，對各微網之間的互相連線、電能交換與電能質量影響需要更多的深人研究。除此以外，電能質量的調節仍需考慮系統實際因素，包括發電系統的功率等級限制、補償能力調整以及用戶的電能質量要求等;系統的經濟性、穩定性、效率等其他目標也需要與電能質量調節相互聯繫，以實現整個系統的全面最佳化控制。未來微電網中的電能質量控制應該結合使用傳統無源、有源濾波器和併網逆變器，在系統的設計和安裝階段即考慮濾波器和發電機的選位及功率等級等因素，使得系統的電能質量調節更加便捷、容易。
