2018年高等学校科学研究优秀成果科学技术奖、进步奖-直报类项目公示--安科瑞 华梅超
作者：华梅超 来源：网络 2018-07-30 浏览量：247
字号：T | T
大规模可再生能源并网消纳、电网柔性互联及高效节能、多能源互补的分布式供能是目前备受关注的研究热点和自主创新关键领域，而固态功率变换是上述领域的核心支撑技术，科技部在“十一五”、“十二五”、“十三五”期
项目名称
模块化固态功率变换系统协调优化控制关键技术及应用
提名单位（专家）
东南大学
主要完成人
赵剑锋，曹武，田杰，梅军，刘康礼，季晓春，董云龙
主要完成单位
东南大学，南京南瑞继保电气有限公司，江苏安科瑞电器制造有限公司
模块化固态功率变换系统协调优化控制关键技术及应用
提名单位（专家）
东南大学
主要完成人
赵剑锋，曹武，田杰，梅军，刘康礼，季晓春，董云龙
主要完成单位
东南大学，南京南瑞继保电气有限公司，江苏安科瑞电器制造有限公司
项目简介：
大规模可再生能源并网消纳、电网柔性互联及高效节能、多能源互补的分布式供能是目前备受关注的研究热点和自主创新关键领域，而固态功率变换是上述领域的核心支撑技术，科技部在“十一五”、“十二五”、“十三五”期间均围绕该领域设立了重大专项。受商用功率变换器件耐压及容量限制，通过器件直接串、并联提升装置功率等级的方法存在可靠性低、扩展性差等缺点。而采用模块化功率单元并联或串联方法可以有效解决上述问题，但亟需突破容量高效分配、稳定性分析及控制、功率单元实时保护等协调优化控制技术瓶颈。
东南大学自2003年起先后得到国家科技支撑、国家自然科学基金、江苏省科技支撑等近30项纵向及横向课题的持续资助，针对模块化固态功率变换系统容量高效分配、稳定性分析及控制、功率单元实时保护等重点难题，开展了从原理分析、创新发明到实际应用的系列研究，系统性地构建了大功率固态功率变换系统的理论体系。通过与南京南瑞继保、安科瑞、江苏博力等企业的深度合作，部分关键技术成果已经在大容量有源滤波装置、静止无功发生器、光伏并网、柔性直流输电装置等产品中得到成功应用，有力地支撑了大功率电能变换成套装置产业的发展。
大规模可再生能源并网消纳、电网柔性互联及高效节能、多能源互补的分布式供能是目前备受关注的研究热点和自主创新关键领域，而固态功率变换是上述领域的核心支撑技术，科技部在“十一五”、“十二五”、“十三五”期间均围绕该领域设立了重大专项。受商用功率变换器件耐压及容量限制，通过器件直接串、并联提升装置功率等级的方法存在可靠性低、扩展性差等缺点。而采用模块化功率单元并联或串联方法可以有效解决上述问题，但亟需突破容量高效分配、稳定性分析及控制、功率单元实时保护等协调优化控制技术瓶颈。
东南大学自2003年起先后得到国家科技支撑、国家自然科学基金、江苏省科技支撑等近30项纵向及横向课题的持续资助，针对模块化固态功率变换系统容量高效分配、稳定性分析及控制、功率单元实时保护等重点难题，开展了从原理分析、创新发明到实际应用的系列研究，系统性地构建了大功率固态功率变换系统的理论体系。通过与南京南瑞继保、安科瑞、江苏博力等企业的深度合作，部分关键技术成果已经在大容量有源滤波装置、静止无功发生器、光伏并网、柔性直流输电装置等产品中得到成功应用，有力地支撑了大功率电能变换成套装置产业的发展。
本项目主要科技创新成果如下：
①提出了模块化固态功率变换并联系统容量高效分配技术：提出了多机分次式、多机分次与全补偿组合式、双VSC交互并联式以及基于动态补偿优先级的容量最优分配方法，实现了模块化并联系统容量的最优利用。基于该技术成果，首次研制了14模块并联、5000A全有源谐波治理装置，并成功应用于化工行业低压大电流谐波污染的治理；
②解决了模块化固态功率变换系统的稳定性分析及控制难题：提出了基于全局导纳分析的并机系统稳定性判定方法，通过分析全局导纳的频域特性，可以有效得出影响并机系统稳定性的本质因素；提出了基于分布式正阻尼有源导纳、自适应负比例电网电压前馈的并机系统稳定性直接控制方法，明显改善了电流环导纳高频段阻尼特性，保证了并机系统的高可靠、稳定运行；
③克服了模块化固态功率变换系统的实时保护技术难题：提出了多电平变流器的桥臂过流保护方法，并将其成功应用于柔性直流输电成套装置；提出了并网变流器在极端运行情况下的实时保护方法，并将其成功应用于大容量有源滤波装置；提出了逆变电路开路故障的高效检测方法，可快速、准确定位故障元件；
④拓展了模块化固态功率变换系统的技术应用领域：提出了固态功率变换串联及并联系统的若干底层核心技术；基于模块化并联核心技术，发明了地铁供电系统的多目标综合控制节能方法及装置、高压脉冲电源；基于模块化串联核心技术，发明了双调谐除冰方法、多功能固态快速转换开关切换控制方法；融合模块化串、并联核心技术，发明了基于H桥级联拓扑结构的多功能电力电子变压器以及应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器。
本项目已申请国家发明专利48项（其中，获授权34项，在申请14项，专利实施许可3项），已发表 SCI /EI 收录论文近100篇；培养博士研究生12名，硕士研究生60名，在站全职博士后2名；项目经江苏省教育厅等部门组织的科技成果鉴定，达到了国际先进、国内领先水平；相关产品通过了中国电力科学研究院电力工业电气设备质量检验测试中心、国家太阳能光伏产品质量监督检验中心、苏州电器科学研究院等权威机构的型式实验；项目成果在南瑞继保、安科瑞、图腾、博力等多个国家级高新技术企业实现了产业化与规模应用，近3年累计新增产值12.19亿元，新增利润2.19亿元，取得了显著的经济效益和社会效益。
①提出了模块化固态功率变换并联系统容量高效分配技术：提出了多机分次式、多机分次与全补偿组合式、双VSC交互并联式以及基于动态补偿优先级的容量最优分配方法，实现了模块化并联系统容量的最优利用。基于该技术成果，首次研制了14模块并联、5000A全有源谐波治理装置，并成功应用于化工行业低压大电流谐波污染的治理；
②解决了模块化固态功率变换系统的稳定性分析及控制难题：提出了基于全局导纳分析的并机系统稳定性判定方法，通过分析全局导纳的频域特性，可以有效得出影响并机系统稳定性的本质因素；提出了基于分布式正阻尼有源导纳、自适应负比例电网电压前馈的并机系统稳定性直接控制方法，明显改善了电流环导纳高频段阻尼特性，保证了并机系统的高可靠、稳定运行；
③克服了模块化固态功率变换系统的实时保护技术难题：提出了多电平变流器的桥臂过流保护方法，并将其成功应用于柔性直流输电成套装置；提出了并网变流器在极端运行情况下的实时保护方法，并将其成功应用于大容量有源滤波装置；提出了逆变电路开路故障的高效检测方法，可快速、准确定位故障元件；
④拓展了模块化固态功率变换系统的技术应用领域：提出了固态功率变换串联及并联系统的若干底层核心技术；基于模块化并联核心技术，发明了地铁供电系统的多目标综合控制节能方法及装置、高压脉冲电源；基于模块化串联核心技术，发明了双调谐除冰方法、多功能固态快速转换开关切换控制方法；融合模块化串、并联核心技术，发明了基于H桥级联拓扑结构的多功能电力电子变压器以及应用于交直流混合配电网的MMC型多端口电力电子变压器。
本项目已申请国家发明专利48项（其中，获授权34项，在申请14项，专利实施许可3项），已发表 SCI /EI 收录论文近100篇；培养博士研究生12名，硕士研究生60名，在站全职博士后2名；项目经江苏省教育厅等部门组织的科技成果鉴定，达到了国际先进、国内领先水平；相关产品通过了中国电力科学研究院电力工业电气设备质量检验测试中心、国家太阳能光伏产品质量监督检验中心、苏州电器科学研究院等权威机构的型式实验；项目成果在南瑞继保、安科瑞、图腾、博力等多个国家级高新技术企业实现了产业化与规模应用，近3年累计新增产值12.19亿元，新增利润2.19亿元，取得了显著的经济效益和社会效益。
主要完成单位及创新推广贡献：
主要完成单位1：东南大学
提出了多机分次式、多机分次与全补偿组合式、双VSC交互并联式以及基于动态补偿优先级的容量分配方法，实现了模块化并联系统容量的最优利用。基于该技术成果，首次研制了14模块并联、5000A全有源谐波治理装置，并成功应用于化工行业低压大电流谐波污染的治理；提出了基于全局导纳分析的并机系统稳定性判定方法，通过分析全局导纳的频域特性，可以有效得出影响并机系统稳定性的本质因素；提出了基于分布式正阻尼有源导纳、自适应负比例电网电压前馈的并机系统稳定性直接控制方法，可以明显改善电流环导纳高频段阻尼特性，保证并机系统的高可靠运行；提出了逆变电路开路故障的高效检测方法，可快速、准确定位故障元件；提出了大功率电能变换串联及并联系统的若干底层核心技术，并拓展了模块化大功率电能变换系统的技术应用领域。
主要完成单位2：南京南瑞继保电气有限公司
提出了柔性直流多电平换流器的桥臂过流保护方法，包括阀基电子设备检测阀桥臂过流故障保护配置方法，以及阀基电子设备检测过流故障时保护功能实现方法，在上层保护控制系统以及底层阀基电子设备中同时配置桥臂过流检测，并且在时序和定值上配合，通过该方法可以实现柔性直流输电系统在出现桥臂过流时，在系统不间断运行情况下减小故障电流影响，实现桥臂连接线和交流母线出现接地或者相间故障时对阀的过流保护，操作过程简单可靠，易于实现；提出了柔性直流输电领域中，孤岛状态下抑制多个换流站进入无源控制模式的方法。
提出了多机分次式、多机分次与全补偿组合式、双VSC交互并联式以及基于动态补偿优先级的容量分配方法，实现了模块化并联系统容量的最优利用。基于该技术成果，首次研制了14模块并联、5000A全有源谐波治理装置，并成功应用于化工行业低压大电流谐波污染的治理；提出了基于全局导纳分析的并机系统稳定性判定方法，通过分析全局导纳的频域特性，可以有效得出影响并机系统稳定性的本质因素；提出了基于分布式正阻尼有源导纳、自适应负比例电网电压前馈的并机系统稳定性直接控制方法，可以明显改善电流环导纳高频段阻尼特性，保证并机系统的高可靠运行；提出了逆变电路开路故障的高效检测方法，可快速、准确定位故障元件；提出了大功率电能变换串联及并联系统的若干底层核心技术，并拓展了模块化大功率电能变换系统的技术应用领域。
主要完成单位2：南京南瑞继保电气有限公司
提出了柔性直流多电平换流器的桥臂过流保护方法，包括阀基电子设备检测阀桥臂过流故障保护配置方法，以及阀基电子设备检测过流故障时保护功能实现方法，在上层保护控制系统以及底层阀基电子设备中同时配置桥臂过流检测，并且在时序和定值上配合，通过该方法可以实现柔性直流输电系统在出现桥臂过流时，在系统不间断运行情况下减小故障电流影响，实现桥臂连接线和交流母线出现接地或者相间故障时对阀的过流保护，操作过程简单可靠，易于实现；提出了柔性直流输电领域中，孤岛状态下抑制多个换流站进入无源控制模式的方法。
主要完成单位3：江苏安科瑞电器制造有限公司
提出了并网变流器在极端运行情况下的实时保护方法，并将其成功应用于大容量有源滤波装置；发明了基于多台有源电力滤波器并联运行的控制装置，既保证装置运行的经济性，提高设备的综合利用率，又可以保证装置中每台设备部得到均等地利用，进而提高整个系统运行的稳定性。
提出了并网变流器在极端运行情况下的实时保护方法，并将其成功应用于大容量有源滤波装置；发明了基于多台有源电力滤波器并联运行的控制装置，既保证装置运行的经济性，提高设备的综合利用率，又可以保证装置中每台设备部得到均等地利用，进而提高整个系统运行的稳定性。
推广应用情况：
经过本项目组成员的共同努力，在国家科技支撑计划、国家自然科学基金、多项江苏省科技厅项目以及国家电网公司科技项目支持下，产学研相结合，在模块化大功率固态功率变换系统控制、关键技术及应用方面取得了多项创新性成果，技术转化所形成的产品性能稳定，达到了国家标准乃至国内领先水平，满足了客户需求。该项目的技术成果近三年已累计完成新增产值超过12亿元，该项目的技术成果已经获得了较好的应用效果，未来仍然拥有很大的发展与应用空间。
经过本项目组成员的共同努力，在国家科技支撑计划、国家自然科学基金、多项江苏省科技厅项目以及国家电网公司科技项目支持下，产学研相结合，在模块化大功率固态功率变换系统控制、关键技术及应用方面取得了多项创新性成果，技术转化所形成的产品性能稳定，达到了国家标准乃至国内领先水平，满足了客户需求。该项目的技术成果近三年已累计完成新增产值超过12亿元，该项目的技术成果已经获得了较好的应用效果，未来仍然拥有很大的发展与应用空间。
主要知识产权证明目录：
主要完成人情况：
完成人1：赵剑锋，排名1 ，院长，教授，工作单位：东南大学，完成单位：东南大学
对本项目技术创造性贡献：为本项研究的总负责与组织者，经过十多年在模块化固态功率变换系统协调优化控制关键技术及应用领域的研究与积累，建立了模块化固态功率变换系统完整理论体系，提出了项目总体研究方案与技术路线，带领项目组研究人员开展了模块化固态功率变换系统控制、谐振变频除冰、地铁供电系统的多目标综合控制技术等方面研究，并掌握了核心技术，投入本项目研究时间占本人工作量的70%，对各创新点均有贡献。
完成人2：曹武，排名2，讲师，工作单位：东南大学，完成单位：东南大学
对本项目技术创造性贡献：研究了并联型模块化固态功率变换系统控制技术，并结合低压大容量的电能质量治理场合，提出了三种多机并联谐波补偿的分配方案，掌握了模块并联运行时的电流控制关键技术。针对其中的模块单元，发明了电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法；针对多机系统，提出了多机分次和开闭环结合谐波补偿方案。投入本项目研究时间占本人工作量的80%。对创新点1，2，4有很大贡献。
对本项目技术创造性贡献：为本项研究的总负责与组织者，经过十多年在模块化固态功率变换系统协调优化控制关键技术及应用领域的研究与积累，建立了模块化固态功率变换系统完整理论体系，提出了项目总体研究方案与技术路线，带领项目组研究人员开展了模块化固态功率变换系统控制、谐振变频除冰、地铁供电系统的多目标综合控制技术等方面研究，并掌握了核心技术，投入本项目研究时间占本人工作量的70%，对各创新点均有贡献。
完成人2：曹武，排名2，讲师，工作单位：东南大学，完成单位：东南大学
对本项目技术创造性贡献：研究了并联型模块化固态功率变换系统控制技术，并结合低压大容量的电能质量治理场合，提出了三种多机并联谐波补偿的分配方案，掌握了模块并联运行时的电流控制关键技术。针对其中的模块单元，发明了电流滞环跟踪控制的过采样数字实现方法；针对多机系统，提出了多机分次和开闭环结合谐波补偿方案。投入本项目研究时间占本人工作量的80%。对创新点1，2，4有很大贡献。
完成人3：田杰，排名3，研究员级高工，工作单位：南京南瑞继保电气有限公司，完成单位：南京南瑞继保电气有限公司
对本项目技术创造性贡献：解决了模块化固态功率变换系统的设计、开发、生产、运行等方面的关键问题，提出了柔性直流多电平换流器的桥臂过流保护方法；提出了柔性直流输电领域中，孤岛状态下抑制多个换流站进入无源控制模式的方法。投入本项目研究时间占本人工作量的80%。对创新点3做出了较大贡献。
完成人4：梅军，排名4，副教授，工作单位：东南大学，完成单位：东南大学
对本项目技术创造性贡献：提出了模块化固态功率变换的若干底层核心技术，包括具有环流反向自消除能力的对称双级联直流变换单元、基于简化平衡因子的三电平虚拟空间矢量均压调制方法等。投入本项目研究时间占本人工作量的40%。对创新点4有很大贡献。
完成人5：刘康礼，排名5，博士后，工作单位：东南大学，完成单位：东南大学
对本项目技术创造性贡献：针对模块化并联谐波补偿装置容量分配方法提出优化方案，结合上下层主从控制器间的协调配合，实现了多机并联型APF补偿容量的最优利用；提出面向大型非线性冲击性负荷谐波治理的大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，提高了补偿系统运行可靠性。投入本项目研究时间占本人工作量的90%，对创新点1、2有较大贡献。
对本项目技术创造性贡献：解决了模块化固态功率变换系统的设计、开发、生产、运行等方面的关键问题，提出了柔性直流多电平换流器的桥臂过流保护方法；提出了柔性直流输电领域中，孤岛状态下抑制多个换流站进入无源控制模式的方法。投入本项目研究时间占本人工作量的80%。对创新点3做出了较大贡献。
完成人4：梅军，排名4，副教授，工作单位：东南大学，完成单位：东南大学
对本项目技术创造性贡献：提出了模块化固态功率变换的若干底层核心技术，包括具有环流反向自消除能力的对称双级联直流变换单元、基于简化平衡因子的三电平虚拟空间矢量均压调制方法等。投入本项目研究时间占本人工作量的40%。对创新点4有很大贡献。
完成人5：刘康礼，排名5，博士后，工作单位：东南大学，完成单位：东南大学
对本项目技术创造性贡献：针对模块化并联谐波补偿装置容量分配方法提出优化方案，结合上下层主从控制器间的协调配合，实现了多机并联型APF补偿容量的最优利用；提出面向大型非线性冲击性负荷谐波治理的大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，提高了补偿系统运行可靠性。投入本项目研究时间占本人工作量的90%，对创新点1、2有较大贡献。
完成人6：季晓春，排名6，高工，工作单位：江苏安科瑞电器制造有限公司，完成单位：江苏安科瑞电器制造有限公司
对本项目技术创造性贡献：提出了一种基于多台有源电力滤波器并联运行的控制装置，大幅提高了设备的利用率及稳定性；提出了一种用于APF电路的实时保护装置和保护方法，可实现对APF整流器部分进行保护、保证APF安全可靠运行。投入本项目研究时间占本人工作量的70%，对创新点1、3有较大贡献。
对本项目技术创造性贡献：提出了一种基于多台有源电力滤波器并联运行的控制装置，大幅提高了设备的利用率及稳定性；提出了一种用于APF电路的实时保护装置和保护方法，可实现对APF整流器部分进行保护、保证APF安全可靠运行。投入本项目研究时间占本人工作量的70%，对创新点1、3有较大贡献。
完成人7：董云龙，排名7，高工，工作单位：南京南瑞继保电气有限公司，完成单位：南京南瑞继保电气有限公司
对本项目技术创造性贡献：提出了柔性直流多电平换流器的桥臂过流保护方法；提出了柔性直流输电领域中，孤岛状态下抑制多个换流站进入无源控制模式的方法。投入本项目研究时间占本人工作量的60%。对创新点3做出了较大贡献。
对本项目技术创造性贡献：提出了柔性直流多电平换流器的桥臂过流保护方法；提出了柔性直流输电领域中，孤岛状态下抑制多个换流站进入无源控制模式的方法。投入本项目研究时间占本人工作量的60%。对创新点3做出了较大贡献。