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新型电力电子电器

以大容量电力电子开关器件为核心,围绕电力系统的动态无功补偿、电压跌落补偿、谐波抑制等需求,正在逐步形成一类全新的电力电子电器十五期间,本学科围绕大功率电力电子技术在输配电系统中的应用,重点对超导储能装置(SMES)、静止同步补偿器(STATCOM)、配电侧新型静止无功发生器(DSTATCOM)、动态电压调节器(DVR)等典型新型电力电子电器的关键技术及其工程应用开展研究,同时也对大功率电力电子变流器的共性技术——多电平变流器通用PWM控制算法和典型多电平变流器的性能控制策略进行了研究,取得了一系列理论和工程应用成果。

1)超导储能与磁共振成像装置研究

十五期间,承担了“863”计划超导专项重点项目、大型国企的重要项目以及同剑桥大学的中英合作项目。成功研制出国内第一台150kVA/0.5MJ的基于SMES和三端口式电流源型变流器的动态电压补偿装置。“863”课题用于改善电能质量的可控超导储能系统已通过科技部组织的专家验收以及教育部组织的专家鉴定,被评为国内领先、国际先进。

成功研制出0.3T永磁MRI磁体系统,获得了高质量的人体成像结果,并即将实现临床应用。 全面开发MRI技术,已研制出高质量的RF接受线圈以及预放大器,并在梯度放大器、系统软件和成像脉冲序列以及图像处理方面取得了良好的研究进展。以研制7T超导MRI动物系统为出发点,正在努力开创高场超导功能MRIfMRI)研究领域,已申请到十一五”“863”重点项目-高场动物MRI系统研发。

培养的博士生有1名(褚旭),硕士生有8名(田金锋、赖永传、刘伟、沈光辉、刘逊、江红胜、赖日新、朱晓敏)。

发表的代表性论文如下:

[1]   Xiaohua JIANG, Xu CHU, etc., "SMES System for Study on Utility and Customer Power Applications", 1765-1768, IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol. 11, No. 1, Part 2, March 2001.

[2]   Xu CHU, Xiaohua JIANG, etc., "SMES Control algorithms for Improving Customer Power Quality", 1769-1772, IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol. 11, No. 1, Part 2, March 2001.

[3]   Yongchuan LAI, Xiaohua JIANG and Guanghui Shen, "A Method to Reduce Eddy Currents within Iron Pole Plates of a 0.3T NdFeB MRI Magnet", 737-739, IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol. 12, No. 1, March 2002.

[4]   Liu Wei, Chu Xu and Jiang Xiaohua, “Design and Analysis of CSAF Based on SMES”, 2505-2510, Proceedings of the 2002 International Conference on Power System Technology (PowerCon2002), Kunming, China, 2002.

[5]   Xiaohua JIANG, Xu Chu, etc., “Development of a Solenoidal HTS Coil Cooled by Liquid or Gas Helium”, 1871-1874, IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol. 13, No. 2, June 2003.

[6]   蒋晓华,赋予能量管理角色的可控超导储能技术,电力系统自动化,第27卷第17期,1-32003年。

[7]   褚旭,蒋晓华 等,基于可控超导储能的波动负载补偿,电力系统自动化,第28卷第2期,50-532004年。

[8]   刘逊,朱晓光,褚旭,蒋晓华,基于超导储能的瞬时电压跌落补偿,电力系统自动化,第28卷第3期,40-442004年。

[9]   蒋晓华,褚旭 等,“20kJ/15kW可控超导储能实验装置,电力系统自动化,第28卷第4期,88-912004年。

[10] Xiaohua Jiang, Xun Liu, etc., “A 0.3 MJ SMES Magnet of a Voltage Sag Compensation System”, 717-720, IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol. 14, No. 2, June 2004.

[11] Xiaohua Jiang, Guanghui Shen, etc., “Development of an Open 0.3T NdFeB MRI Magnet”, 1621-1623, IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol. 14, No. 2, June 2004.

[12] Xiaoguang Zhu, Xiaohua Jiang, “Weighted Least Square Estimation Algorithm with Software Phase-Locked Loop for Voltage Sag Compensation by SMES”, 2034-2038, Proceedings of the 35th IEEE Power Electronics Specialists Conference, Aachen, Germany, 2004.

[13] Xun Liu, Xiaoguang Zhu, Xiaohua Jiang, “A Phasor Control Scheme for Voltage Sag Compensation by SMES”, 882-885, Proceedings of the 4th International Power Electrics and Motion Control Conference, Xian, China, 2004.

[14] 刘逊,褚旭,蒋晓华,超导储能装置中的电流源型逆变器,电力电子技术,第38卷第4期,20-222004年。

[15] 褚旭,蒋晓华,永磁磁共振成像中射频表面线圈的优化设计”, 清华大学学报,第45卷第3期,351-3542005年。

[16] 褚旭,朱晓敏,蒋晓华,开放式永磁磁共振成像系统中的平板式正交发射线圈的设计”, 电工电能新技术,第24卷第2期,32-362005年。

[17] 褚旭,蒋晓华, 姜建国,磁共振成像系统中射频线圈的优化设计”, 中国电机工程学报,第25卷第13期,139-1432005年。

[18] 蒋晓华,赖日新,核磁共振成像系统中的梯度放大器,电力电子技术,第39卷第3期,111-1122005年。

[19] Xiaohua Jiang, Xiaoguang Zhu, etc., “A 150kVA/0.3MJ SMES Voltage Sag Compensation System”, 1903-1906, IEEE Trans. on Applied Superconductivity, Vol. 15, No. 2, June 2005.

[20] 朱晓敏,蒋晓华,等效电路法在双调谐射频线圈设计中的应用”, 清华大学学报,第46卷第7期,1200-12042006年。

2)静止同步补偿器(STATCOM)关键技术与装置研究

十五期间,结合我国电力系统重大工程实际需求-大负荷区暂态电压稳定控制问题,本学科对FACTS中用于改善暂态电压稳定的装置-静止同步补偿器(STATCOM)进行了多年的基础理论研究及工程应用研究。承担了国家电网公司重大科技攻关项目-±50MVar STATCOM的关键技术研究及±50MVar STATCOM装置的研制。±50MVar STATCOM装置2006128日投入工业运行,2006410日通过国家电网公司组织的专家验收,是世界上首台10MVA容量级的基于IGCT链式逆变器的STATCOM装置。验收意见认为,项目组创新性的解决了多项关键技术问题,该示范工程通过产、学、研相结合研发了具有自主知识产权的新型FACTS装置,其核心技术达到了国际领先水平。承担了国家973计划(课题编号:2004CB217907)《提高大型互联电网运行可靠性的基础研究》的子课题7“提高电网可靠性的大功率电力电子技术和多馈入直流输电系统的基础理论研究。建立了相关的研究团队及实验研究平台,培养了3名博士生(沈斐、耿俊成、魏文辉),1名硕士生(刘炳)。

十五期间部分具有代表性的理论成果有:

[1] 魏文辉,刘文华,倪镭,等。链式STATCOM直流侧电容稳态分析及参数设计。电力系统自动化,2004284):2831EI04258220375

[2] 刘文华,宋强,滕乐天,等。基于链式逆变器的50MVA STATCOM的直流电压平衡控制,电机工程学报,2004244):145150   EI04278252294

[3] 魏文辉,刘文华,滕乐天,等。大容量链式STATCOM的基频优化PWM控制,清华大学学报,2004, 44(10):1306-1309   EI05018772450

[4]袁志昌,宋强,腾乐天,刘文华,魏文辉. 大容量链式STATCOM150Hz优化PWM控制策略的研究. 电工技术学报,2004198):83~87.EI05098867186

[5] 朱永强,刘文华,宋强。D-STATCOM不平衡负荷补偿电流的优化设计,电力系统自动化,2005298:65-69   EI05229136527

[6] 魏文辉 刘文华 宋强。基于逆系统方法有功-无功解耦PWM控制的链式STATCOM动态控制策略研究,中国电机工程学报,2005. 25(3):23-28   EI05149025539

[7] 刘文华,宋强,张东江,陈天锦。50MVA STATCOM的链节及其背靠背额定工况运行试验,电工技术学报,2005,20(2):17-22EI05149026453

3)多电平变流器的控制策略研究

在多电平变流器通用PWM控制算法研究及典型多电平变流器性能控制策略研究方面取得重要成果,奠定了在国内该研究领域的领先地位。首次提出了基于参考电压分解和零序电压等效的对于电平数目具有通用性的多电平SVM算法,使冗余开关状态选择与逆变器性能优化控制得到了有机的结合,解决了多电平逆变器开关状态复杂性与算法统一性之间的矛盾;证明了多电平载波调制和SVM方法之间的等效关系,在此基础上发展出了适用于任意多电平变流器的直接PWM控制方法,并提出了悬浮电容箝位式逆变器的悬浮电容电压控制方法及混合7电平/9电平逆变器的电容电压平衡控制方法。在国内首次完成了具有自主知识产权的基于IGCT串联的6Kv/1600kW高压变频调速装置的研制,相关成果在APECPESCIECONIPEMC等国际重要电力电子技术会议发表论文8篇。十五期间在该方向上培养的博士生有3名(宋强、严干贵、陈远华),硕士生有4名(卢军锋、吕建升、张新成、郭立)。

十五期间代表性成果有:

[1]   Wenhua Liu, Qiang Song, Xiaorong Xie, et. al. 6kV/1800kVA Medium Voltage Drive with Three-Level NPC Inverter Using IGCTs. Proceedings of APEC’2003, pp: 223-227  EI03147424798

[2] Wenhua Liu, Qiang Song, Qingguang Yu. Analysis of High di/dt Current Pulses in Three-level NPC inverters Using Series Connected IGCTs and RC Snubbers. Proceeding of IECON’200327712776  EI04128063181

[3] 宋强,刘文华,姜齐荣。基于参考电压分解的新型多电平逆变器空间矢量调制方法。电力系统自动化,2002,26 (20):35-38EI03057346737

[4] 宋强,刘文华,严干贵,王仲鸿。基于零序电压注入的三电平NPC逆变器中点电位平衡控制方法。中国电机工程学报,2004245):5762   EI04308283231

[5] 陈远华,刘文华,严干贵,宋强。一种新型的多电平逆变器直接PWM算法。电力系统自动化,2004286):6064(EI04268238344)

[6] 刘文华 陈远华 张新成。混合七电平逆变器的变频调速PWM控制策略,中国电机工程学报,2004. 24(11):58-63  (EI<, SPAN lang=EN-US> :05028785716)

[7] 严干贵,刘文华,陈远华,韩英铎。悬浮电容逆变器的通用PWM控制方法。电机工程学报,2003236: 3540 (EI:03397651780)

[8] Chen Yuanhua, Liu Wenhua, Yan Gangui, Song Qiang. Research of Capacitor Voltage Balance Control of H-bridge Inverter of Hybrid 9-Level Inverter.  Proceeding of APEC’200417141719  (EI04228179421)

[9]宋强,刘文华,陈远华。多电平逆变器载波调制与空间矢量调制的等效关系。电力系统自动化,20042819):3641 EI04538754199

4)电能质量分析与控制

在电能质量分析与控制技术研究中,本学科成功地研制了第三代配电网快速动态无功补偿装置、有源滤波器、动态电压调节器及统一电能质量控制器系列样机,在国内该学科领域处于领先地位。研制成功的用于钢铁、冶金系统非线性负荷快速补偿的配电新型静止无功发生器(DSTATCOM)工业装置已经在鞍钢成功运行。新产品通过北京市鉴定,认为产品属于产学研合作的创新成果,填补了国内空白,整体性能达到国际先进水平,其中三电平载波移相直接瞬时电流分相控制方法以及高压大电流功率模块及整机对充测试技术处于国际领先水平。提出的动态电压调节器的能量优化控制策略及算法处于国际先进水平,以该算法为基础的论文已在IEE学报上发表。研制成功的低压动态电压调节器工业装置已经在现场运行,并多次成功补偿电压跌落。期间还完成了国家863“用于改善电能质量的可控超导储能系统项目中基于可控超导储能系统的串联型动态电压调节器子题的研制,并完成两项境外合作项目串并联电能质量控制平台的研制与开发(与澳门大学合作)、三相四线制电能质量补偿器的研制与开发(与澳门大学合作)。

十五期间在该方向上培养博士生3名(杨潮、张秀娟、朱永强),硕士生9名(唐志、赵地、蒋霞、谢旭、王峰、黄玮、王志泳、胡雨辰、李建国)

十五期间的代表性论著:

[1] Zhang Xiujuan, Jiang Qirong, Han Yingduo, Yangchao. Injected voltage calculation in three-phase series power quality controllersIEE Proceedings Circuits, Devices & Systems152 (6): 735-743 DEC 2005  (SCI998KS)

[2] 张秀娟,姜齐荣,韩英铎. 一种新型的单相统一电能质量调节器,电力系统自动化2004.12Vol.28, No.23p76-80 EI05058822005

[3] 姜齐荣,谢小荣,陈建业. 电力系统并联补偿-结构、原理、控制与应用,机械工业出版社,20048

[4] 张秀娟,杨潮,唐志等. 串联型电能质量控制器注入电压的研究. 中国电机工程学报,2003.2 Vol.23, No.2. p15-20EI03247507017

[5] 杨潮,张秀娟,唐志等. 三相串联电能质量控制器及其补偿电压算法. 清华大学学报,2003.3, Vol.43, No.3, p289292 EI03347606077

[6] 唐志,杨潮,马维新等. 串联型电能质量补偿器主电路设计方案. 电力系统自动化,2002.10, Vol.26, No.19, p22-25EI03017306562

[7] 杨潮,韩英铎,马维新. 单相串联电压质量补偿器控制器的研究. 电力系统自动化, 2002. 10, Vol.26, No.19, p45-48 EI02427145211

[8] 李晓萌,张秀娟, 周金明, 姜齐荣. 动态电压调节器的电磁兼容设计及测试,电力系统自动化,2004.5, Vol.28, No.9, pp70-73EI04308283413

[9] 朱永强,刘文华,宋强。D-STATCOM不平衡负荷补偿电流的优化设计,电力系统自动化,2005298:65-69   EI05229136527