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《大容量模块化电能质量综合治理装置并联协调控制技术研究》

项目总结报告

一、项目概况

1）项目名称：

大容量模块化电能质量综合治理装置并联协调控制技术研究

2）立项时间：

2015年7月

3）项目编号：

BY2015070-10

4）项目负责人：

尤鋆

5）合作企业：

江苏凯沙电气有限公司

6）经费情况：

省拨款60万元，单位自筹2万元，共计62万元

项目编号

BY2015070-10

项目名称

大容量模块化电能质量综合治理装置并联协调控制技术研究

经费投入（万元）

经费支出（万元）

来源

投入数

科目

支出数

其中：

省拨款支出数

投入合计

支出合计

59.450732

57.450732

1、省拨款

（一）直接费用

51.950732

49.950732

2、部门、地方配套

1、设备费

19.293

3、承担单位自筹

（1）设备购置费

19.293

4、其他来源

（2）设备试制费

（3）设备改造与租赁费

2、材料费

9.468639

3、测试化验加工费

4、燃料动力费

0.29997

5、差旅费

2.2849

6、会议费

7、国际合作与交流费

3.199458

8、出版/文献/信息传播/知识产权事务费

6.370565

9、劳务费

10、专家咨询费

11、其他支出

0.0342

（二）间接费用

7.5

其中：

绩效支出

经费结余

2.549268，其中省拨经费结余2.549268

7）主要研究内容：

模块化多机并联系统拓扑结构及数学模型分析

模块化多机并联系统的功率单元较多，通过对多机并联系统进行建模，有利于从本质上分析和研究各个电气量之间的耦合或制约关系，为进一步研究模块间的交互影响奠定理论基础；针对两种并联分案，即独立模块并联及双VSC开闭环功率单元，分别给出等效数学模型；

模块化电能质量综合治理装置多机并联系统交互影响分析

构建模块化电能质量综合治理装置多机并联系统环流数学模型，研究环流等交互作用形成的机理及影响；研究直流侧电压、直流侧电容、开关频率、并网接口等参数变化对环流形成的影响；研究环流对于系统稳定性、谐波补偿精度的影响。

模块化电能质量综合治理装置多机并联系统协调控制策略

针对模块化多机并联系统的协调控制，需要考虑故障冗余、纹波对消、限流保护、环流抑制等问题，此部分是本项目的研究难点及关键点：

建立模块化多机并联补偿系统Matlab/Simulink仿真模型

在对模块化多机并联系统拓扑结构、数学模型、模块间交互影响分析的基础上，利用仿真软件Matlab/Simulink搭建两种并联系统的仿真模型。

针对多机并联系统故障冗余策略、纹波对消策略、限流保护策略及环流抑制策略等进行验证，论证所提协调控制策略的有效性和合理性，进一步优化所述协调控制策略。

模块化电能质量综合治理装置多机并联系统协调控制策略样机实现

搭建样机平台，进一步验证所提协调控制策略的有效性和合理性：

1）针对不同补偿组功率模块进行主电路硬件选型；2）设计基于DSP+FPGA双核心架构的主从控制器；3）针对所提协调控制策略进行软件开发并验证。

二、项目实施情况

（1）校企联合研发团队的组织：

本项目依托东南大学和江苏凯沙电气有限公司，组件了一支研发团队。

项目团队共计12人，包括高校教师、研究生和企业科研技术人员，从事相关领域研究多年，拥有丰富的大功率电力电子设备研发、调试及生产等方面的经验，队伍结构合理、技术能力强、实施经验丰富。

（2）实施计划的制定与落实：

第一阶段（2015年7月-2015年10月）

查阅文献，深入研究，总结并分析国内外文献中涉及模块化多机并联的论文及专利，建立模块化多机并联系统的拓扑结构及数学模型；通过对多机并联系统进行建模，有利于从本质上分析和研究各个电气量之间的耦合或制约关系，为进一步研究模块间的交互影响奠定理论基础；针对两种并联分案，即独立模块并联及双VSC开闭环功率单元，分别给出等效数学模型；

与合作企业进行前期交流，安排后续的研发及生产计划；

第二阶段（2015年11月-2016年4月）

针对第一阶段提出的模块化拓扑结构，提出一种最优的协调控制策略，申请发明专利1项，发表国际会议论文1篇；

围绕模块化电能质量综合治理装置多机并联系统交互影响展开研究，重点是稳定性控制策略，包括基于分布式正阻尼有源导纳的APF并机系统稳定性控制方法，以及自适应负比例电网电压前馈的APF并机系统稳定性控制方法。

针对大功率电力电子装置底层算法展开研究，包括锁相、电流环控制器、小信号建模方法等。

第三阶段（2016年5月-2016年6月）

针对两种稳定性控制策略，利用MATLAB/Simulink进行仿真；

针对锁相方法、电流环控制器、小信号建模分析等方法进行仿真；

第四阶段（2016年7月-2017年6月）

设计原理样机主电路参数，采购元器件；

搭建主电路系统，调试；

根据实验结果，进一步优化算法；

针对前期的理论分析及仿真结果，围绕稳定性分析及控制、锁相、电流环控制器、小信号建模分析等，申请发明专利5项，发表国际会议论文1篇

第五阶段（2017年7月-2017年12月）

总结所有实验及仿真结果，进一步优化模块化多机并联系统关键技术；

针对前一阶段搭建的实验平台，组织第三方机构进行检测鉴定，并形成检测报告。

撰写SCI论文1篇；

项目总结、鉴定和验收。

（3）企业研发人员的培养培训：

项目为企业培养了4名技术骨干，在项目的实施过程中，这4名技术骨干与高校团队紧密合作，互相学习。

项目研发人员共有12人，包括东南大学的教授、博士生和硕士生8名和江苏凯沙电气有限公司的技术工程师4名。

在项目实施过程中，企业研发人员不仅负责项目所赋予的相关技术业务，而且积极参与其他相关技术的实施，通过不断的学习，这4名技术人员已能够独立进行相关研发工作。

（4）项目完成情况评价：

本项目围绕模块化多机并联型电能质量综合治理装置关键技术展开了研究，针对稳定性控制、模块化多机并联系统协调控制策略、锁相策略、电流环控制器、小信号分析建模等技术领域提出了创新点，建立了MATLAB/Simulink仿真模型，并搭建了实验平台。

项目完成内容如下：

提出了一种大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，并给出了一种模块化APF并机系统的最优限幅策略。

其中，动态协调控制方法如图1-图3所示。

通过主从控制器进行动态协调控制，具体为：

1）负载谐波含量少且各次谐波频谱分布均匀时，整机按照多机均流模式进行补偿，模块最少化运行；负载谐波含量多或各次谐波频谱分布差异较大时，整机按照多机分次+均流模式进行补偿，且多机分次补偿组按照动态优先级顺序集中补偿主要次谐波；2）主控制器实时检测并比较负载各次谐波含量，设定补偿动态优先级，并实时选择整机运行模式；3）主从控制器实时监测功率模块运行状态，并在故障停机状态下进行选择性故障重启。

所提方法提高了大功率APF并机系统的可靠性，并且实现了动态容量优化分配，具有很好的可行性和实用价值。

该部分内容申请了1项发明专利（已取得授权，如图4所示），并发表了2篇EI收录的国际会议论文。

图1大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法流程图

图2大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法实现示意图

图3大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制-故障重启方法流程图

图4已授权专利：

大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法

提出了一种自适应负比例电网电压前馈的APF并机系统稳定性控制方法，电网PCC处电压分别经过前馈控制器F（s）和控制系统延时环节后与原扰动增益D（s）输出叠加。

通过自适应调整负比例前馈系数，从而改变扰动增益D（s），进而改变电流环导纳频域特性，实现改善其频域增益阻尼特性。

所述方法在不影响电流环性能的前提下，可明显改善电流环导纳高频段阻尼特性，并且无需额外增加无源器件、无需改动APF硬件设计方案，具有很好的可行性和实用价值。

该部分内容申请了1项发明专利。

提出了一种基于分布式正阻尼有源导纳的APF并机系统稳定性控制方法，其特征在于：

通过为每台APF均并联有源阻尼导纳，独立改善各自电流环导纳阻尼特性，使得叠加后的电流环导纳在谐振频次附近增益由负阻性变为正阻性，从而改善APF并机系统的稳定性。

本发明所述方法，在不影响各台APF电流环性能的前提下，可明显改善电流环导纳谐振频次附近阻尼特性，并且相较于传统的APF并机系统稳定性间接控制方法，所提方法无需额外增加无源器件、无需改动APF硬件设计方案，具有很好的可行性和实用价值。

该部分内容申请了1项发明专利。

提出了一种基于统一复数形式构造的单三相通用锁相方法，包括单/三相复数形式统一单元、环外广义滤波单元和闭环锁相单元；单/三相复数形式统一单元用于对电网单相或三相电压信号进行统一复数形式构造；环外广义滤波单元用于无静差提取复数信号中基波正序分量；闭环锁相单元用于闭环跟踪所提取基波正序分量的角频率和相位。

所提方法统一了单相及三相系统电网同步的目标、结构和方法，同时可实现电网电压存在谐波畸变、三相不平衡时的快速高精度电网同步，结构简单易于实现，具有很好的可行性和实用价值。

该部分内容同时申请了1项发明专利，并撰写了一篇SCI论文。

提出了一种基于动态相量法的数字移相调制器小信号建模方法，包括

（1）确定数字移相调制器输入及输出信号；

（2）利用动态相量法将输入输出信号进行分解，推导输入扰动情况下输出信号动态相量的任意次谐波分量的通用表达式；（3）列写输出信号的时域表达式，对其进行广义动态相量分解，保留其主导谐波成分，忽略其他谐波分量；（4）对输出信号动态相量进行小信号扰动及一阶泰勒级数展开，写成通用表达式形式，得到数字移相调制器指令值与移相角之间的小信号传递函数。

该方法揭示了数字移相调制器的小信号动态特性，方法简洁易于实现，为数字控制系统参数设计提供了相关理论基础及有效技术支撑，具有可行性和实用价值。

该部分内容申请了1项发明专利。

提出了一种并网变流器复矢量PI控制器解耦与延时补偿方法，以被控对象的矢量模型为基础，直接将控制器的零点设置在被控对象的极点处，得到复系数电流控制器模型；针对数字控制的一拍延时以及变流器固有的零阶保持特性，计算得到系统延时传递函数，通过在复矢量PI控制器后串联延时补偿项实现电流环的延时补偿。

该方法为并网变流器的电流环设计提供了一种简便有效的方法，最大程度地抑制电流环d、q轴电流耦合问题，通过延时补偿增大系统的相角裕度，提高电流环的稳定性并改善动态响应性能。

该部分内容申请了1项发明专利。

搭建了模块化多机并联型电能质量综合治理装置实验平台，并通过所有功能测试，取得了第三方检测报告（如下图所示），主要技术参数如下：

装置投入后，网侧THD小于5%，功率因数大于0.95；满载输出时，效率高于95%；响应时间小于20ms；具有输出超限保护、过流保护、功率模块过温保护、直流母线过欠压保护、交流输出过欠压保护、交流输入缺相保护、交流输入错相保护、指定频次补偿等功能。

综上，项目完成了合同中的任务要求。

图5苏州电器科学研究院出具的检测报告（额定电流：

500A）

（5）预算执行情况：

项目总经费为62万元，其中省拨款60万元，单位自筹经费2万元，基本按照项目合同的经费预算情况使用，目前经费结余25492.68元。

分别用于设备费、材料费、测试化验加工费、会议费、专利申请维护费、论文版面费、差旅费以及劳务费等。

三、项目技术情况

（1）项目的研究方法及技术路线

本项目采用理论分析、仿真计算和实验研究相结合的技术路线，在理论研究的基础上提出针对性解决方法，然后进行综合设计仿真计算，搭建实验样机进行研究，测试系统性能。

并根据实验结果，反馈修正控制策略，改进设计以及对算法进行优化。

针对大容量模块化电能质量综合治理装置并联协调控制技术研究，不同于对单机电能质量治理装置的研究，需要针对模块化多机并联结构的拓扑结构、数学模型、交互影响进行深入研究。

本项目采取的具体技术路线如下：

（1）首先，针对模块化多机并联系统拓扑结构及数学模型进行深入分析，通过对模块化多机并联系统进行建模，有利于从本质上分析和研究各个电气量之间的耦合或制约关系，为进一步研究模块间的交互影响奠定理论基础；针对两种并联分案，即独立模块并联及双VSC开闭环结构，分别给出等效数学模型；

图6本项目采取的技术路线

（2）其次，针对模块化多机并联系统交互影响进行分析，研究模块化多机并联系统中各个单元的交互耦合关系，定性和定量的分析系统存在失稳的本质因素，并提出模块化并联系统的稳定性分析方法，并给出有效的稳定性控制策略。

（3）然后，针对模块化多机并联系统协调控制技术进行研究，包括模块化并联系统故障冗余策略、补偿容量配置策略、纹波对消策略、最优限流保护策略、谐波分频次独立控制策略。

（4）最后，通过仿真及实验验证所述控制策略的有效性及合理性。

在对模块化多机并联系统拓扑结构、数学模型、模块间交互影响分析的基础上，搭建并联系统的仿真模型。

针对多机并联系统故障冗余策略、纹波对消策略、限流保护策略及稳定性控制策略进行验证，论证所提协调控制策略的有效性和合理性，进一步优化所述协调控制策略。

搭建实验样机平台，进一步验证所提协调控制策略的有效性和合理性。

（2）项目解决的关键技术

模块化电能质量综合治理装置多机并联系统拓扑结构及数学模型

模块化电能质量综合治理装置多机并联系统交互影响分析

模块化电能质量综合治理装置多机并联系统协调控制策略

模块化电能质量综合治理装置多机并联系统底层控制策略

模块化电能质量综合治理装置多机并联系统样机平台设计及验证

（3）取得的突破性进展及创新点

提出了一种大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，提高了大功率APF并机系统的可靠性，并且实现了动态容量优化分配。

该部分内容申请了1项发明专利（已取得授权，如图2所示），并发表了2篇EI收录的国际会议论文。

提出了一种自适应负比例电网电压前馈的APF并机系统稳定性控制方法，在不影响电流环性能的前提下，可明显改善电流环导纳高频段阻尼特性，并且无需额外增加无源器件、无需改动APF硬件设计方案。

该部分内容申请了1项发明专利。

提出了一种基于分布式正阻尼有源导纳的APF并机系统稳定性控制方法，在不影响各台APF电流环性能的前提下，可明显改善电流环导纳谐振频次附近阻尼特性，并且相较于传统的APF并机系统稳定性间接控制方法，所提方法无需额外增加无源器件、无需改动APF硬件设计方案。

该部分内容申请了1项发明专利。

提出了一种基于统一复数形式构造的单三相通用锁相方法，统一了单相及三相系统电网同步的目标、结构和方法，同时可实现电网电压存在谐波畸变、三相不平衡时的快速高精度电网同步，结构简单易于实现。

该部分内容同时申请了1项发明专利，并撰写了一篇SCI论文。

提出了一种基于动态相量法的数字移相调制器小信号建模方法，揭示了数字移相调制器的小信号动态特性，方法简洁易于实现，为数字控制系统参数设计提供了相关理论基础及有效技术支撑。

该部分内容申请了1项发明专利。

提出了一种并网变流器复矢量PI控制器解耦与延时补偿方法，为并网变流器的电流环设计提供了一种简便有效的方法，最大程度地抑制电流环d、q轴电流耦合问题，通过延时补偿增大系统的相角裕度，提高电流环的稳定性并改善动态响应性能。

该部分内容申请了1项发明专利。

提出了一种最优限幅策略，通过设定补偿优先级，优先补偿主要频次谐波分量。

该部分发表了一篇EI论文。

搭建了模块化多机并联型电能质量综合治理装置实验平台，并通过所有功能测试，取得了第三方检测报告。

四、合同任务指标完成情况

（1）原合同任务指标

进行模块化电能质量综合治理装置多机并联系统拓扑结构及数学模型分析；开展模块化电能质量综合治理装置多机并联系统交互影响分析及环流抑制策略研究；模块化多机并联协调控制技术，包括故障冗余、最优限流、容量配置、纹波对消、谐波分频次独立控制策略等；模块化电能质量综合治理装置多机并联协调控制技术仿真模型搭建及样机实现。

考核指标：

1、整机输出电流不低于500A，补偿后网侧电流功率因素大于0.95、THD小于5%，控制器采用DSP+FPGA双核心架构。

2、项目的顺利实施可以加快大容量模块化多机并联型电能综合治理装置技术的发展，促进产业结构调整和优化升级。

3、形成样机及控制器1套；仿真模型1套；研究报告1份；申请发明专利3-4项；发表论文6-7篇，其中SCI至少1篇，EI至少3篇。

（2）实际完成指标情况：

分别针对模块化电能质量综合治理装置多机并联系统关键技术展开了研究，围绕协调控制策略、稳定性控制策略、锁相策略、电流环控制器、小信号模型分析等撰写了相关论文和专利，如下：

发明专利：

赵剑锋，刘康礼，曹武，尤鋆.大功率APF并机谐波补偿系统动态协调控制方法，申请号：

CN201510837613.5,申请日：

20151126.

曹武,赵剑锋,刘康礼,范栋琛,吴木木,尤鋆.基于统一复数形式构造的单三相通用锁相方法,申请号：

CN201710248108.6，申请日：

20170417.

曹武,赵剑锋,刘康礼,尤鋆.一种自适应负比例电网电压前馈的APF并机系统稳定性控制方法，申请号：

CN201710085574.7，申请日：

20170217.

曹武,赵剑锋,刘康礼,尤鋆.基于分布式正阻尼有源导纳的APF并机系统稳定性控制方法，申请号：

CN201611040769.1，申请日：

20161121.

赵剑锋,乐越,高铁峰,曹武,尤鋆,许胜.基于动态相量法的数字移相调制器小信号建模方法，申请号：

CN201710440955.2，申请日：

20170613.

赵剑锋，张森，赵志宏，仲宙宇，曹武，尤鋆，许胜.并网变流器复矢量PI控制器解耦与延时补偿方法，申请号：

CN201710440952.9，申请日：

20170613.

发表论文：

LiuKangli,CaoWu,ZhaoJianfeng,etal.UnifiedDigitalPLLwithMultipleComplexResonatorsforBothSingle-andThree-phaseGridSynchronization.IEEEAccess.（SCI收录）

LiuKangli,CaoWu,ZhaoJianfeng,etal.OptimizedCurrentControlandDynamicCoordinationStrategyforLarge-capacityHarmonicCompensationSystem.The2ndIEEESouthernPowerElectronicsConference.2016.（EI收录）

LiuKangli,CaoWu,ZhaoJianfeng,etal.ImprovedParallelOperationforMulti-modularShuntAPFUsingDualHarmonicCompensationLoop.IEEE8thInternationalPowerElectronicsandMotionControlConference.2016.（EI收录）

④曹武，刘康礼，赵剑锋.有源滤波输出限幅的需求分析和实现策略.电工技术学报.（EI收录）

技术指标情况：

2017年11月22日，项目承担单位委托苏州电器科学研究院股份有限公司，针对本项目的硬件平台进行了检测，主要技术参数如下：

额定电流：

500A

满载效率：

>96.21%

响应时间：

15.46ms

综合补偿：

THDA=4.91%，THDB=4.82%，THDC=4.78%。

功率因数：

A相0.995，B相0.997，C相0.9998。

功能：

输出超限保护；输出过流保护；功率模块过温保护；直流母线过欠压保护；交流输入过欠压保护；交流输入错相保护；交流输入缺相保护；指定频次补偿。

所有技术指标均达到或超过了合同约定的技术指标。

五、项目绩效分析

（1）经济及社会效益分析、应用前景分析

电力网络中使用的大量非线性负荷产生了大量的谐波，这些谐波的存在严重影响了用电设备的安全可靠运行。

另外，电网中存在的大量无功功率，占用了电力设备容量，增加设备及线路损耗，导致线路及变压器的电压降增大，引起电压剧烈波动，使得供电质量严重降低。

以上这些电能质量问题的存在，不利于建设“绿色”电网，因而需要研制谐波污染及无功功率综合治理装置。

未来几年，我国将不断加强节能技术创新，积极推进节能技术与装备产业化，预计2017年高效节能技术与装备市场占有率将提高到45%左右，产值超过7500亿元。

而有源电力滤波器以及静止无功发生器作为在高效节能技术与装备市场中不可或缺的工具，其广泛运用一方面可以提高电能使用效率，直接起到节能减排的作用，另一方面也对因节能设备大量运用所导致的电能质量问题进行综合治理，保障了电网运行的安全和环保，因此未来几年随着政府对节能环保要求的进一步提高，电能质量治理装置将迎来快速增长时期。

本项目的开展，将进一步推动低压大电流谐波污染治理技术的进步，加快企业谐波治理产品的产业化，增强企业的竞争力，加快推动绿色电网的发展。

（2）对促进社会发展、科技进步和企业创新能力提升的作用

近几年来，江苏省尤其是南方城市的电力企业，相继开始针对有源电力滤波器以及静止无功发生器展开研究，并推出了一系列产品。

然而，推出的系列产品多以单机形式出现，难以针对大电流谐波污染源进行有效治理。

本项目开展的大容量模块化电能质量综合治理装置并联协调控制技术研究，弥补了我省电力企业对于大容量模块化多机并联协调控制策略研究的短板，给这些电力企业带来更强的生命，走在同行业竞争队伍的前列，同时也可以更好地迈入高新技术领域行列。

项目的顺利实施加快了配电网电能质量综合治理技术的发展，形成产业集群，促进产业结构调整和优化升级，支撑区域经济增长。

六、存在问题、有关建议及下一步研究设想

尽管本项目对大容量模块化电能质量综合治理装置并联协调控制技术展开了较为深入和系统的研究，但限于时间有限，仍然有一些问题有待进一步深入研究，具体包括以下：

（1）新能源并网、储能或谐波治理等领域所应用的逆变器，有可能具有公共直流母线和公共交流母线，即所谓的交互并联结构。

该拓扑结构下，由于逆变器的电压幅值、相位或频率不同，容易导致模块间产生内部环流，增加系统损耗，降低系统效率，以及并联模块电流的应力不均和严重的电磁干扰，因此需要对交互并联系统的环流产生及抑制问题展开深入研究。

首先，需要针对多逆变器交互并联拓扑结构建立数学模型；然后，在此基础上，研究多机间环流形成的机理，从而揭示环流形成的具体影响因素；最后，在对多机内部环流形成机理及载波移相对于环流的影响分析的基础上，提出多机内部环流有效抑制策略。

（2）弱电网下的锁相环策略将影响并机系统的

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