奖项类别

科技进步奖（基础研究类）

主要完成单位

东北大学，北京理工大学，清华大学，南京师范大学

主要完成人

王睿，孙秋野，李明佳，张品佳，王鹏

项目亮点

项目围绕“双碳”战略，提出宽频振荡分析与消除、单三相能量互济控制、变换器集群边缘控制、负载侧主动支撑控制等技术，整体技术水平国际领先。

项目介绍

随着“碳达峰 碳中和”战略布局持续推进，风、光等新能源通过变换器连接到配电网或者微电网当中，成为区域电力系统节能减排、增质提效的重要载体。随之而来的高比例新能源和高比例电力电子设备（“双高”）特性，导致新能源变换器集群系统呈现阻抗不匹配而诱发的宽频振荡、供需不匹配而诱发的发散失稳问题显著。因此，该项目针对新能源变换器集群系统的稳定机理分析及协同控制理论，深度融合电气科学、工程热物理、控制科学等领域，研究成果直接支撑国计民生和国家安全的若干重大需求。项目组围绕稳定运行的共性基础理论问题进行了深入研究，主要科学发现如下：

1. 针对阻抗不匹配而诱发的宽频振荡问题，构建了全频域全工况非线性动态阻抗模型，发现了等效阻抗伴随电压/电流的相位可变性，解析了宽频振荡的产生机理，独创了阻抗模型下的控制参数稳定区域选取及动态阻抗重塑控制策略，宽频振荡预警精度提高66.7%。IEEE Fellow，丹麦奥尔堡大学Remus Teodorescu教授认为该成果首次提出了基于特征函数的小信号稳定性分析方法（the small-signal stability analysis based on characteristic functions was first proposed）。相关代表作获得国际权威期刊IEEE TEC最佳论文奖。

2. 针对相间能量不平衡而诱发的失稳问题，计及变换器镜像频率耦合特性，构建了频域空间的无穷维状态方程并揭示了相间通道的空间矢量旋转规律，提出了将三相不平衡电能方程转化为三相平衡的正-负-零序电能方程的广义序量分解技术，设计了内环转动惯量非线性控制-中环势能-动能前反馈控制-外环拟环流相角控制，实现了能量的跨相分配，PCC点三相不平衡度≤0.5%。IEEE Fellow，丹麦奥尔堡大学Guerrero J. M.教授认为该成果唯一解决了三相不平衡的问题（only Qiuye et al. deal with this issue）。

3. 针对新能源低效协同而诱发的失稳问题，阐明了面向变换器集群系统协同控制需求的信息-能量复合调制的内在特性，构建了大延时和低通信的信息交互网路框架，分别构建了集群系统群内分布式最优化协同控制和集群系统群间多目标类脉冲协同控制，形成多级边缘控制理论，最优工况效率≥98.8%。欧洲科学与艺术院Chen Zhe院士认为该成果实现了电流均衡（accurate current sharing）-电压恢复（accurate voltage regulation）-新能源高效消纳（maximum utilization rate of renewable energy）。相关代表作获得国际权威期刊IEEE TCE最佳论文奖。

4. 针对供需不匹配而诱发的发散失稳问题，深度挖掘冷-热等灵活负荷资源，构建了电-热-冷的多能多维度动态方程模型，提出了以慢时间尺度热-冷能消弭源-载随机波动导致的快时间尺度电能供需不平衡问题的控制框架，形成了多能虚拟异步机毫秒级能量平衡控制及其多机协同控制理论，瞬时平移电量≥30%偏移电量。中国科学院/美国科学院H. Vincent Poor院士认为该成果实现了功率的精准分担并减少环流（accurate power sharing and reduce circulating currents）。相关代表作在Web of Science 3203篇综合能源相关领域技术类论文中引用排名第一。

项目图片

完成单位介绍及对项目的贡献

第一完成单位东北大学牵头制定项目总体方案，统筹技术路线与示范推广。构建了覆盖全工况与全频域的非线性动态阻抗模型，提出了“阻抗-控制参数”联合选域与在线阻抗整形方法，揭示了等效阻抗相位随电压、电流耦合而实时漂移的本质机理，并据此形成类梯形稳定禁止区域、低维广义阻抗模型和模糊双曲正弦实时补偿策略，从而实现了瞬时级动态阻抗重塑与宽频振荡精准预警。进一步通过广义序量分解与相位镜像解耦，建立了正-负-零序能量映射和跨相功率再分配机制，完善了三相不平衡主动治理框架并阐明相间能流互济规律。为提升大规模协同能力，推出了云-边-端协同控制架构与分布式优化算法，原创信息-能量复合调制协议，研制了信息-能量路由器样机并牵头制定相关标准，同时将全栈控制软件嵌入主流工业控制器，支撑多能虚拟异步机方案工程化落地。针对单相高渗透带来的相间能量与源-荷失衡，构建了电能频域无穷维状态方程并采用张量分解-流形降维技术揭示三相-直流四维能量旋转规律，配合外环拟环流相角控制，实现了跨相与交直能量异步互济并显著降低跳闸风险。面向综合能源场景，建立了电-热-冷多维动态模型，引入广义基尔霍夫定律统一功率-频率-电压与熵-温度描述，提出了利用冷-热大惯性的多能虚拟异步机控制及三维立体下垂协同机制，全面提升了系统实时平衡能力与稳态韧性，并已在多省示范推广，推动成果迈向产业化。

第二完成单位聚焦新能源集群电力系统的长/短时储能系统的内外特性分析，深度挖掘热质储能系统对新能源变换器集群系统的主动支撑能力，突破传统以电定热或者以热定电的思维局限，设计了电网和冷-热网能量互补变换器，刻画了冷/热维度的功率-液体压强下垂曲线；提出了多尺度电能供需控制算法，形成了多能毫秒级能量平衡控制及其多机协同控制方法，对本项目的贡献对应“重要科学发现”中的科学发现点3和4以及代表作6的主要作者。对科学发现点3和4有重要贡献。

第三完成单位清华大学聚焦硬件与模型协同，将高带宽、宽功率范围的双向变流器与电机一体化平台、以及多机多端功率级硬件在环系统融为统一验证环境，为全频域阻抗建模与控制算法提供实时、可追溯的物理支撑。在此硬件基础上，团队提出了初值异构约旦连分式展开降阶法，突破高阶阻抗模型求解与可视化瓶颈，并通过真实振荡事故数据反演验证模型预测的频谱迁移路径，显著提升了机理还原精度。结合研制的惯量可调、快速响应非线性控制器及多能虚拟异步机控制板卡，将模糊双曲正弦补偿与电压/功率微分同胚映射嵌入控制环，实现了超短环路响应和宽频振荡即时抑制。配套的器件热管理与可靠性评估体系，形成了系列化硬件样机与测试规范。在大规模示范运行中，平台保持长期零误报，为成果从实验室走向工程化提供了设备、算法与标准的全链条保障。

第四完成单位南京师范大学聚焦集群系统边缘智能与通信，针对高延迟、窄带链路环境，提出了分布式最优协同与脉冲式多目标控制策略，显著提升了变换器集群系统的整体运行效率。团队构建了边缘节点在线阻抗辨识与动态重塑技术，可即时感知失稳模式并发出预警。同时，研发了序量解耦的一相负荷补偿方法与高速通信协议栈，增强配电侧电能质量，并完成了与工业软件平台的深度集成。围绕三相不平衡与环流失稳问题，进一步利用广义序量分解技术，将传统对称分量法与镜像频率耦合特征融合，构建了正-负-零序电能方程快速映射模型，为实时诊断和补偿提供清晰通道。在此基础上，开发多谐波dq坐标解耦与分数阶相位超前补偿相结合的外环拟环流相角调节方案，将环流能量转化为可控相角偏置，实现了跨相功率分配与谐振抑制，有效降低了暂态过电压及解列风险，整体提升高渗透率风光场站的稳态安全裕度。

第一完成人简介

王睿 研究员

东北大学

王睿，男，研究员/副教授，博士生/硕士生导师，IEEE Senior Member，2023年入选中国科协青年人才托举工程，2022年获中国电工技术学会优秀博士论文奖，2023年获中国仿真学会自然科学一等奖（排2），2023年获中国自动化学会自然科学一等奖（排2），2022年获IEEE TEC最佳论文奖（排1），2024年IEEE TCE最佳论文奖（排1），2024年获爱思唯尔RINENG优秀青年科学家奖。近五年，发表SCI一区论文超50篇，SCI引用超1000次，其中第一/通讯作者发表IEEE Trans期刊超25篇，主持“科创甬江2035”重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、国防基础科研计划、博士后特别资助、全国重点实验室开放课题、清华大学科技服务课题、国网湖北、福建、辽宁、青海电科院等超20项横/纵项课题，项目额超两千万。担任国际制冷学会E2专业委员会青年委员、中国制冷学会新型储能技术和综合能源系统工作委员会秘书长，IEEE PES 智能电网与新技术委员会（中国）韧性(弹性)电网技术分委会理事，辽宁省可再生能源学会理事等。