項目名稱 
模塊化固態功率變換系統協調優化控制關鍵技術及應用
提名單位（專家） 
東南大學
主要完成人 
趙劍鋒，曹武，田杰，梅軍，劉康禮，季曉春，董云龍
主要完成單位 
東南大學，南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇安科瑞電器制造有限公司

 

項目簡介：
      大規模可再生能源并網消納、電網柔性互聯及高效節能、多能源互補的分布式供能是目前備受關注的研究熱點和自主創新關鍵領域，而固態功率變換是上述領域的核心支撐技術，科技部在“十一五”、“十二五”、“十三五”期間均圍繞該領域設立了重大專項。受商用功率變換器件耐壓及容量限制，通過器件直接串、并聯提升裝置功率等級的方法存在可靠性低、擴展性差等缺點。而采用模塊化功率單元并聯或串聯方法可以有效解決上述問題，但亟需突破容量高效分配、穩定性分析及控制、功率單元實時保護等協調優化控制技術瓶頸。
      東南大學自2003年起先后得到國家科技支撐、國家自然科學基金、江蘇省科技支撐等近30項縱向及橫向課題的持續資助，針對模塊化固態功率變換系統容量高效分配、穩定性分析及控制、功率單元實時保護等重點難題，開展了從原理分析、創新發明到實際應用的系列研究，系統性地構建了大功率固態功率變換系統的理論體系。通過與南京南瑞繼保、安科瑞、江蘇博力等企業的深度合作，部分關鍵技術成果已經在大容量有源濾波裝置、靜止無功發生器、光伏并網、柔性直流輸電裝置等產品中得到成功應用，有力地支撐了大功率電能變換成套裝置產業的發展。

本項目主要科技創新成果如下：
      ①提出了模塊化固態功率變換并聯系統容量高效分配技術：提出了多機分次式、多機分次與全補償組合式、雙VSC交互并聯式以及基于動態補償優先級的容量最優分配方法，實現了模塊化并聯系統容量的最優利用。基于該技術成果，首次研制了14模塊并聯、5000A全有源諧波治理裝置，并成功應用于化工行業低壓大電流諧波污染的治理；
      ②解決了模塊化固態功率變換系統的穩定性分析及控制難題：提出了基于全局導納分析的并機系統穩定性判定方法，通過分析全局導納的頻域特性，可以有效得出影響并機系統穩定性的本質因素；提出了基于分布式正阻尼有源導納、自適應負比例電網電壓前饋的并機系統穩定性直接控制方法，明顯改善了電流環導納高頻段阻尼特性，保證了并機系統的高可靠、穩定運行；
      ③克服了模塊化固態功率變換系統的實時保護技術難題：提出了多電平變流器的橋臂過流保護方法，并將其成功應用于柔性直流輸電成套裝置；提出了并網變流器在極端運行情況下的實時保護方法，并將其成功應用于大容量有源濾波裝置；提出了逆變電路開路故障的高效檢測方法，可快速、準確定位故障元件；
      ④拓展了模塊化固態功率變換系統的技術應用領域：提出了固態功率變換串聯及并聯系統的若干底層核心技術；基于模塊化并聯核心技術，發明了地鐵供電系統的多目標綜合控制節能方法及裝置、高壓脈沖電源；基于模塊化串聯核心技術，發明了雙調諧除冰方法、多功能固態快速轉換開關切換控制方法；融合模塊化串、并聯核心技術，發明了基于H橋級聯拓撲結構的多功能電力電子變壓器以及應用于交直流混合配電網的MMC型多端口電力電子變壓器。
      本項目已申請國家發明專利48項（其中，獲授權34項，在申請14項，專利實施許可3項），已發表 SCI /EI 收錄論文近100篇；培養博士研究生12名，碩士研究生60名，在站全職博士后2名；項目經江蘇省教育廳等部門組織的科技成果鑒定，達到了國際先進、國內領先水平；相關產品通過了中國電力科學研究院電力工業電氣設備質量檢驗測試中心、國家太陽能光伏產品質量監督檢驗中心、蘇州電器科學研究院等權威機構的型式實驗；項目成果在南瑞繼保、安科瑞、圖騰、博力等多個國家級高新技術企業實現了產業化與規模應用，近3年累計新增產值12.19億元，新增利潤2.19億元，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

 

主要完成單位1：東南大學
      提出了多機分次式、多機分次與全補償組合式、雙VSC交互并聯式以及基于動態補償優先級的容量分配方法，實現了模塊化并聯系統容量的最優利用。基于該技術成果，首次研制了14模塊并聯、5000A全有源諧波治理裝置，并成功應用于化工行業低壓大電流諧波污染的治理；提出了基于全局導納分析的并機系統穩定性判定方法，通過分析全局導納的頻域特性，可以有效得出影響并機系統穩定性的本質因素；提出了基于分布式正阻尼有源導納、自適應負比例電網電壓前饋的并機系統穩定性直接控制方法，可以明顯改善電流環導納高頻段阻尼特性，保證并機系統的高可靠運行；提出了逆變電路開路故障的高效檢測方法，可快速、準確定位故障元件；提出了大功率電能變換串聯及并聯系統的若干底層核心技術，并拓展了模塊化大功率電能變換系統的技術應用領域。
 
主要完成單位2：南京南瑞繼保電氣有限公司
      提出了柔性直流多電平換流器的橋臂過流保護方法，包括閥基電子設備檢測閥橋臂過流故障保護配置方法，以及閥基電子設備檢測過流故障時保護功能實現方法，在上層保護控制系統以及底層閥基電子設備中同時配置橋臂過流檢測，并且在時序和定值上配合，通過該方法可以實現柔性直流輸電系統在出現橋臂過流時，在系統不間斷運行情況下減小故障電流影響，實現橋臂連接線和交流母線出現接地或者相間故障時對閥的過流保護，操作過程簡單可靠，易于實現；提出了柔性直流輸電領域中，孤島狀態下抑制多個換流站進入無源控制模式的方法。

 

主要完成單位3：江蘇安科瑞電器制造有限公司
      提出了并網變流器在極端運行情況下的實時保護方法，并將其成功應用于大容量有源濾波裝置；發明了基于多臺有源電力濾波器并聯運行的控制裝置，既保證裝置運行的經濟性，提高設備的綜合利用率，又可以保證裝置中每臺設備部得到均等地利用，進而提高整個系統運行的穩定性。

 

推廣應用情況：
      經過本項目組成員的共同努力，在國家科技支撐計劃、國家自然科學基金、多項江蘇省科技廳項目以及國家電網公司科技項目支持下，產學研相結合，在模塊化大功率固態功率變換系統控制、關鍵技術及應用方面取得了多項創新性成果，技術轉化所形成的產品性能穩定，達到了國家標準乃至國內領先水平，滿足了客戶需求。該項目的技術成果近三年已累計完成新增產值超過12億元，該項目的技術成果已經獲得了較好的應用效果，未來仍然擁有很大的發展與應用空間。

 

 

 

完成人1：趙劍鋒，排名1 ，院長，教授，工作單位：東南大學，完成單位：東南大學
對本項目技術創造性貢獻：為本項研究的總負責與組織者，經過十多年在模塊化固態功率變換系統協調優化控制關鍵技術及應用領域的研究與積累，建立了模塊化固態功率變換系統完整理論體系，提出了項目總體研究方案與技術路線，帶領項目組研究人員開展了模塊化固態功率變換系統控制、諧振變頻除冰、地鐵供電系統的多目標綜合控制技術等方面研究，并掌握了核心技術，投入本項目研究時間占本人工作量的70%，對各創新點均有貢獻。
 
完成人2：曹武，排名2，講師，工作單位：東南大學，完成單位：東南大學
對本項目技術創造性貢獻：研究了并聯型模塊化固態功率變換系統控制技術，并結合低壓大容量的電能質量治理場合，提出了三種多機并聯諧波補償的分配方案，掌握了模塊并聯運行時的電流控制關鍵技術。針對其中的模塊單元，發明了電流滯環跟蹤控制的過采樣數字實現方法；針對多機系統，提出了多機分次和開閉環結合諧波補償方案。投入本項目研究時間占本人工作量的80%。對創新點1，2，4有很大貢獻。  

完成人3：田杰，排名3，研究員級高工，工作單位：南京南瑞繼保電氣有限公司，完成單位：南京南瑞繼保電氣有限公司
對本項目技術創造性貢獻：解決了模塊化固態功率變換系統的設計、開發、生產、運行等方面的關鍵問題，提出了柔性直流多電平換流器的橋臂過流保護方法；提出了柔性直流輸電領域中，孤島狀態下抑制多個換流站進入無源控制模式的方法。投入本項目研究時間占本人工作量的80%。對創新點3做出了較大貢獻。 
 
完成人4：梅軍，排名4，副教授，工作單位：東南大學，完成單位：東南大學
對本項目技術創造性貢獻：提出了模塊化固態功率變換的若干底層核心技術，包括具有環流反向自消除能力的對稱雙級聯直流變換單元、基于簡化平衡因子的三電平虛擬空間矢量均壓調制方法等。投入本項目研究時間占本人工作量的40%。對創新點4有很大貢獻。 
 
完成人5：劉康禮，排名5，博士后，工作單位：東南大學，完成單位：東南大學
對本項目技術創造性貢獻：針對模塊化并聯諧波補償裝置容量分配方法提出優化方案，結合上下層主從控制器間的協調配合，實現了多機并聯型APF補償容量的最優利用；提出面向大型非線性沖擊性負荷諧波治理的大功率APF并機諧波補償系統動態協調控制方法，提高了補償系統運行可靠性。投入本項目研究時間占本人工作量的90%，對創新點1、2有較大貢獻。

完成人6：季曉春，排名6，高工，工作單位：江蘇安科瑞電器制造有限公司，完成單位：江蘇安科瑞電器制造有限公司
對本項目技術創造性貢獻：提出了一種基于多臺有源電力濾波器并聯運行的控制裝置，大幅提高了設備的利用率及穩定性；提出了一種用于APF電路的實時保護裝置和保護方法，可實現對APF整流器部分進行保護、保證APF安全可靠運行。投入本項目研究時間占本人工作量的70%，對創新點1、3有較大貢獻。

 

完成人7：董云龍，排名7，高工，工作單位：南京南瑞繼保電氣有限公司，完成單位：南京南瑞繼保電氣有限公司
對本項目技術創造性貢獻：提出了柔性直流多電平換流器的橋臂過流保護方法；提出了柔性直流輸電領域中，孤島狀態下抑制多個換流站進入無源控制模式的方法。投入本項目研究時間占本人工作量的60%。對創新點3做出了較大貢獻。