第六届电源科技奖获奖展示 | 一等奖：多电平变换器的拓扑与控制及高压变频调速装置的研发与产业化

多电平变换器具有电压等级高、开关器件电压应力小、dv/dt小、谐波性能好等突出优点，本项目针对H桥级联型、有源中点箝位型、混合箝位型以及模块化多电平变换器等多种多电平拓扑的高性能控制及其在高压变频调速等领域的应用展开深入研究。在清华大学与北京利德华福电气技术有限公司的紧密合作下，在国内率先开展高压变频节能技术的研究和产品开发，并在国家863计划和多项自然科学基金的支持下，经过20余年的不断努力，取得了如下一系列成果：

（1）研制了基于DSP的全数字化矢量控制型H桥级联高压变频器，满足快速动态响应和高输出转矩等高性能调速需求。针对强振动高粉尘等恶劣环境以及高可靠性低成本要求，研制出无速度传感器矢量控制系统，提出了一种改进磁链观测模型以及一种基于改进电压模型的低速发电状态稳定措施，解决了H桥级联型多电平变换器低速发电状态磁链观测和转速辨识的不稳定问题。针对矿井提升等需要能量回馈的场合，研制出无输入滤波电感的四象限H桥级联型高压变频器。

（2）针对电机频繁起制动的场合，发明了一种带储能单元的新型混合H桥级联型多电平变换器拓扑及其储能单元电容电压平衡控制方法和能量管理策略，通过额外增加一个储能单元和相应的控制算法，实现电机制动能量的有效回收利用。

（3）发明了一种新型的模块化级联型多电平变换器（MMC）拓扑结构，通过增加一个中间单元能够减少子模块数量。同时提出了一种基于高频零序电压和环流注入的电容电压低频波动抑制方法，能够有效解决电机起动和低速运行时的电容电压低频波动问题。

（4）针对模块化多电平矩阵变换器（M3C）提出了一种全频域优化控制方法，以及桥臂故障情况下的不对称8桥臂容错运行方法，能大幅提高故障后容错运行能力。

（5）发明了一类新型的混合箝位型多电平拓扑，使用器件数量少、且不存在开关器件直接串联问题，并解决了其电容电压平衡控制问题。

该项目发表科技论文100余篇，其中SCI检索论文25篇，ESI高被引论文1篇，出版专著4部，获授权发明专利14项。第二完成单位利德华福在高压变频器市场表现出色，曾连续9年位列中国高压变频器市场占有率之首，2014年销售量即突破10000套，同时大量出口俄罗斯、印度和拉美等国家和地区，其他合作单位包括广州智光电气、洛阳源创以及新能动力（北京）等也有不俗的表现，截至2019年累计销售超过200亿元，产生巨大的经济、环保和社会效益。相关技术还应用于中国商飞、中国船舶重工集团、中车株洲研究所、中国电子信息产业集团等合作单位，为我国大飞机、高铁及国防建设做出了贡献。

1. 清华大学

清华大学作为项目第一完成单位，负责项目总体方案设计，提出研究的主体思路、核心理论和控制方法。依托清华大学电力系统国家重点实验室的资源优势，李永东教授及其带领的“先进电能变换与电气化交通系统”科研团队经过20余年的攻关，研发了基于DSP的全数字化矢量控制/无速度传感器矢量控制/无输入电感的四象限H桥级联型高压变频器、带储能单元的新型混合H桥级联多电平变换器、新型无变压器模块化级联型多电平变换器、模块化多电平矩阵变换器以及有源中点箝位/混合箝位多电平变换器等多项关键技术。并与企业合作开展上述成果的工程实现与推广应用，在高频变频调速节能、工业自动化、国产多电飞机研发、高铁牵引供电以及国防建设等多个领域都得到了很好的应用，取得了巨大的经济效益和良好的社会效益。发表相关论文100余篇，授权发明专利8项。并于2018年荣获中国自动化领域年度团队奖。

2. 北京利德华福电气技术有限公司

北京利德华福电气技术有限公司作为项目第二完成单位，成立于1998年，是国内研发、生产和销售高压变频器的专业制造商之一。利德华福电气是“GB/T12668.4-2006调速电气传动系统“等国家标准的起草者之一，并拥有多项高压变频器相关核心技术。研发和技术人员占30%，硕士以上学历占10%。在高压变频器研发方面持续不断地注入研发经费并与清华大学达成技术合作，结合经验丰富的研发队伍，引入精益生产系统，大幅提升了高压变频器的稳定性、安全性和可靠性。在本项目中利德华福电气主要负责包括硬件设计制造、软件开发、实验测试等在内的工程实现与推广应用。完成了矢量控制型高压变频器、无速度传感器高压变频器以及四象限高压变频器等多项成果的产品化。曾连续9年位列中国高压变频器市场占有率之首。到2014年销售量即突破10000套，并大量出口俄罗斯、印度和拉美，为项目成果的推广应用做出了重要贡献。授权发明专利6项。