项目简介
       深海油田开发过程中，电潜泵、压缩机等水下采油设备，其系统结构可等效为电机变频驱动系统。变频器到海底电机之间存在着长达几十公里的距离，需要用长电缆进行连接。传统电压源型变频驱动系统远距离驱动过程中由于电能在长电缆上传输的波过程，会导致电机端过电压问题，进而危机系统安全，损耗电机寿命。本项目针对深海油田远距离驱动这一工程问题进行研究，拟通过研究电流源型远距离变频驱动系统的特性，分析长电缆中电能传输波过程的科学本质，对比传统电压源型元距离变频驱动系统，分析过电压问题产生原因及解决方案，进而提高深海油田开采系统的可靠性，并通过搭建RTDS 实时仿真系统，为下一步可应用于工程实践的装备研发打下基础。该项目对长电缆电机变频驱动这一类典型的科技难题，提供一定的工程借鉴和理论指导意义。

       项目特点
       本项目聚焦工程实际，以深海油田开采项目中遇到的远距离变频驱动实际问题为研究对象，探究电能在长电缆传输中的波过程，以及解决远距离变频驱动过电压问题的方案。本项目具有以下特点：1)传统电压源型变频驱动系统较为成熟，但应用于远距离驱动时过电压问题严重，本项目研究其对偶结构，即电流源型变频驱动系统，通过研究其拓扑特点及控制方式，分析其应用于远距离变频驱动场景的效果与问题，提供对应应对措施；2)本项目紧密联系工程实际，重点关注企业应用的各类指标及问题，如电缆安全性、工程实施复杂性等，具有可行的落地转化途径，并为后期装备研发与落地建立基础。
       技术要点
       本项目以海上油田开采项目中的远距离变频驱动系统为研究对象，考虑工程应用实际，探究针对远距离变频驱动系统过电压等问题的解决方案，包含以下技术要点：
       (1) 对于电压信号的基频部分，由于电缆距离过长，线路损耗明显，导致变
频器端电压信号经过较大损耗后到达海底电机端时，压降较大，影响电机的实时控制性能，甚至导致海底电机无法正常启动，本项目拟在控制算法上对电缆首端电压进行补偿，以克服长电缆带来的电压损耗问题；

       (2) 传统电压源型变频器输出电压脉冲信号的高频部分，由于线路参数必须按照分布式参数建模，电压电流在线路中的传播过程构成“波过程”，因此在电机端线路参数发生突变处会产生“波反射”，电压脉冲信号传递至电机端时产生“行波叠加”，导致电机端电压脉冲信号发生高频阻尼振荡，负载阻抗越大振荡越明显，进而引发过电压问题，危及系统安全，损耗电机寿命。本项目拟采用电流源型拓扑结构，研究针对此拓扑的开环控制策略，同时分析此拓扑结构下的过电压问题及方案。

       技术创新点
       本项目的创新点包括：
       (1) 针对电流源型远距离变频驱动系统，发现了影响电机正常起动的两个关键因素，即 PWM 脉冲信号突变带来的过电压、长电缆上基波电压降落。利用变频器出口处的滤波电容电压反馈实现了恒压频比 VF 控制，针对 VF 曲线采用起动电压补偿和稳态电压补偿两种方式，有效应对了电机起动时起动阻转矩和电缆较长时电缆电压损耗大的问题。
       (2) 以电流源型变频驱动系统为研究对象，通过利用模型预测控制的灵活性，添加对滤波电容出口电压的控制项，有效提升了系统的
       稳态性能，并降低了滤波电容电压的谐波含量，为进一步应用于远距离变频驱动系统提供了可能。

图1 大功率直驱永磁同步风电变流器设备及实际应用场景

图2罗克韦尔PowerFlex 7000电流源型变频驱动设备
       获奖情况
       获2017 年德国电气工程协会杰出学术贡献奖。
       应用前景
       所取得成果主要应用于远距离变频驱动系统
      1、经济效益
       成果预期在效率、电能质量和功率密度方面突破当前阻碍微电网电能变换和海洋风力发电发展的关键技术，掌握其核心技术，在提高效率的同时增强系统运行的稳定性，有利于孵化电力电子高端装备产业转化，促进能源产业转型升级。成果可应用于工程实践借鉴，为解决远距离驱动系统过电压问题，减小绝缘设备损耗，增加电机等设备使用寿命。

        2、社会效益

       项目注重研制开发具有自主知识产权、适用于实际工程应用的核心装备，致力于高校先进理论与产业界工程实践能力的深度融合，切实有效推进关键理论和核心技术的成果转化。
该成果所研究的适用于微电网电能变换和海洋风力发电的关键控制技术，助力新旧动能转换，有利于发展海洋经济，提高对海洋风能的利用程度，进而提高风力发电占比，为能源结构调整优化提供一定的技术支撑，为降低火电占比（2018 年全国为 71.0%，山东省为 95.7%），实现能源、环境可持续发展提供动力。

       3、环境效益

       解决海洋风力发电关键技术问题有助于提高海洋风能利用率，优化我国能源消费结构，从而缓解我国化石能源的传统发展方式带来的严重的能源和环境问题，减少污染。该成果所提海洋风电变流器多目标优化及控制策略可促进大规模海洋风电产业的发展，对建设友好型新时代能源体系具有十分重要的意义。