抢鲜看｜《电工技术学报》2024年第14期目次及摘要

《电工技术学报》是中国电工技术学会主办的电气工程领域综合性学术期刊，报道基础理论研究、工程应用等方面具有国际和国内领先水平的学术及科研成果。中国工程院院士马伟明任《学报》编委会主任，兼《学报》主编。

电工理论

电-磁-机耦合视域下考虑气隙影响的变压器铁心振动特性精细化模拟方法

赵小军；张佳伟；王浩名；苗宇；刘兰荣

目前,对于铁心振动计算通常采用有限元仿真来实现,但该方法计算时间长且效率低,为解决此问题,该文提出了基于机-电类比的铁心多场耦合特性精细化建模与计算方法。根据铁心步进搭接区域的结构特点,对搭接区域铁心进行磁路建模,建立考虑气隙影响的铁心等效磁路模型。

根据机-电类比方法和振动理论,建立可描述变压器铁心振动的集总式和分布式等效振动回路模型,基于搭接区域磁场分布特性建立二端口级联形式的等效振动回路模型,实现了铁心振动特性的快速精准计算。搭建了叠片铁心测试平台并进行实验,通过将测量结果与计算结果对比,发现励磁电流、铁心磁通密度、位移和加速度等具有较好的一致性,验证了所提方法的有效性和准确性。

基于积分解调的无线能量与信号同步传输方法

靖永志；付康；谯柯；杨亮涛；刘沁宇

针对电感耦合式无线能量与信号单耦合通道传输系统信号通道存在能量传输干扰和信号传输速率低等问题,提出一种基于积分解调的无线能量与信号同步传输方法。该方法首先将信号接收端载波与相干载波混频,然后送入积分器进行积分,再通过比较器还原原始数据。能量端采用双边LCC补偿拓扑结构,使负载在一定范围内变化时输出电流稳定。

通过对能量传输和信号传输通道中的电路结构与电压增益分析,得到系统参数对传输特性的影响规律。最后,通过实验平台对所提方法进行验证,实验表明,能量传输几乎不受信号传输影响,所提方法具有更高的频带利用率,并且对能量干扰载波具有较好的抑制能力,实现了1.2 Mbit/s信号传输速率。

虚拟多输入多输出无线电能与信息同步传输技术

周岩；刘志丹；李烁涵

在无线通信系统中,多输入多输出（MIMO）天线技术可有效提高信号传输速率和信道利用率。传统的能量调制式无线电能与信息同步传输（SWPIT）技术主要依赖单输入单输出线圈实现系统的供电和通信,难以实现多路并行通信。

该文针对需要多信号接收器的无线供电场景,提出一种虚拟MIMO-SWPIT技术以满足多端通信的需求。所提系统可在两种状态下工作：当仅需无线供电时,系统工作在谐振状态进行高效电能传输;当需要通信时,通过控制逆变器开关信号的相移角和频率,在发射线圈中构造非标准正弦多载波（即虚拟多输入）,以其中的基波和谐波分量作为通信载波传输信息。

系统接收回路对基波和谐波所携带的信息进行解调（即虚拟多输出）,同时谐波分量可用于负载供电。搭建的实验样机实现了稳定的电能与双通道信息并行同步传输,通信时电压波动低于3%,每路通道信息传输速率为4.0 kbit/s,验证了所提方案的可行性。

应用于自动导引小车无线充电系统的导航与供电一体化线圈研究

冯鸿运；林飞；杨中平；方晓春

在自动导引小车（AGV）中采用无线电能传输（WPT）可以提高AGV充电及搬运效率。相比于电动汽车,AGV的导航系统为WPT的应用增加了新的挑战。

为降低系统的复杂性和成本,该文提出一种无线充电线圈结构：DAD线圈,该线圈既可以实现无线供电,又可以实现偏移检测。首先,结合DAD线圈的气隙磁场分布,对比方形线圈结构,分析DAD线圈导航和供电的原理;然后,对采用LCC-S型补偿拓扑的DAD线圈进行建模分析,提出具有耦合机构输出电压不受负载影响的谐振元件参数配置条件,进而给出耦合机构的电压增益、输出功率与传输效率表达式。

最后,为验证所提出的 DAD 耦合机构偏移检测性能和系统传输特性,搭建30 mm间距的400 W无线充电样机装置,对DAD线圈的导航性能与供电性能进行了验证,在偏移范围为(-50~+50) mm之间,DAD线圈可以指示偏移方向与偏移大小,且效率波动在5%范围内,可以实现稳定的电能传输。

基于改进目标场法梯度线圈的感应式磁声磁粒子浓度成像研究

闫孝姮；淡新贤；陈伟华；刘方田

感应式磁声磁粒子浓度成像（MACT-MI）是一种基于磁声耦合效应的磁性纳米粒子（MNPs）浓度成像新方法。由于其磁声信号的信噪比低,导致系统成像质量不佳,该文提出一种改善MACT-MI信噪比的新思路：首先,基于经典目标场法（TFM）设计梯度线圈的思路,将最小化磁场相对误差定义为适应度函数,并采用鲸鱼优化算法对电流密度系数进行优化,设计了一种结构灵活、激励简单的高质量梯度磁场线圈;其次,为研究梯度磁场空间分布特征对MACT-MI的影响,该文构建不同的MNPs分布模型,并利用多物理场仿真软件COMSOL对MACT-MI的物理过程进行数值求解,得到成像区域的磁力和声压分布。

仿真结果表明,磁力和声压的有效波动范围与梯度磁场均匀空间的大小成正比,且随着均匀空间的缩小,磁力和声压的峰值也随之衰减,通过提高磁场的均匀度可以有效提高磁声信号的信噪比,改善系统成像质量。研究结果可为成像装备的设计以及MACT-MI的后续实验应用提供研究基础。

基于全连接神经网络的颅脑电阻抗成像参考电压预测方法

施艳艳；李玉珠；王萌；郑硕；付峰

电阻抗层析成像（EIT）作为一种新兴可视化技术,可通过电导率分布变化的重建图像获得人体组织病理变化信息,为疾病检测提供了一种选择。在基于EIT的颅脑疾病检测中,为了准确获取差分成像图像重建所需的参考电压,提出一种基于全连接神经网络（FCNN）的参考电压预测方法。

通过研究所提方法在不同信噪比情况下的图像重建性能,验证所提方法对参考电压预测的准确性和泛化能力。此外,还研究了头皮、颅骨和脑组织电导率分别发生变化时所提方法的有效性,并通过计算模糊半径和相关系数对图像重建质量进行了定量评价。结果表明,所提方法在一定电导率范围内和不同噪声水平下能够有效预测参考电压。

电机及其系统

双层复合护套高速永磁电机转子涡流损耗解析模型

佟文明；田野；李晓健；贾建国；李文东

在表贴式高速永磁电机中,双层复合护套可以有效抑制转子涡流损耗。目前,针对双层复合护套转子涡流损耗的研究主要采用有限元法,但该方法存在耗时、对薄护套网格剖分较困难等问题,因此该文基于精确子域法提出了一种考虑定子开槽、涡流反作用的双层复合护套高速永磁电机转子涡流损耗通用解析模型。

该模型同时考虑了永磁磁场励磁和电枢磁场励磁,可以计算负载磁场作用下的双层复合护套转子涡流损耗。此外,该模型还可进一步拓展至多层复合护套转子涡流损耗计算。通过该解析模型研究了双层复合护套不同护套厚度配比、不同护套材料对转子涡流损耗的影响。最后,将解析计算结果与有限元及C型铁心实验结果进行对比,验证了该解析模型的有效性。

基于动态磁网络法大型感应电机阻抗参数及起动特性计算

夏云彦；周洲；邵远亮；连如博

为提高大型感应电机动态阻抗参数及起动特性计算的准确性及计算效率,构建了考虑电机转子转速变化引起气隙磁导变化的非线性动态磁网络模型。以一台6.5 MW大型感应电机为例,分析起动电流变化对电机内各处饱和程度的影响机理,在此基础上,根据磁力线路径及电机内饱和程度确定动态磁网络模型中的非线性磁导的计算方法。

将动态磁网络模型与转子趋肤效应模型相结合,提出计及漏磁并考虑转子转速变化及饱和偏移现象的电机动态阻抗参数的计算方法。推导并建立基于转子多回路法的大型感应电机的动态数学模型,根据电机瞬态过程中的电磁耦合关系,确定动态数学模型与磁网络模型的动态耦合求解方法,提出大型电机瞬态过程中考虑电流、转速、饱和及趋肤程度变化的动态阻抗参数及起动特性的计算方法。通过与有限元计算结果及实验结果对比,验证了所提出计算方法的正确性。

基于改进同步解调方式的三级式同步电机无位置传感器起动控制

蔡正友；魏佳丹；胡文枝；张卓然；周波

针对航空三级式同步电机起动控制中存在的转子位置信息获取困难问题,在励磁电压高频谐波自注入方法分析的基础上,该文基于同步解调的基本思路,提出了一种无需极性判断和励磁电流采样环节的同步解耦信号生成方式,并根据主发电机中响应电压谐波的频谱特性设计了位置误差信息提取的精准谐波消除滤波器,可以降低转子位置估计闭环系统的阶次,增强系统的稳定性以适应更宽的转速范围。最后通过仿真和实验证明了所述改进同步解调方法能够实现高精度和宽转速范围的三级式同步电机无位置传感器起动控制。

基于积分滑模观测器的直线振荡电机谐振频率跟踪控制

廖凯举；徐伟；葛健；李东一；苏诗湖 等

现有直线振荡电机（LOM）无位置传感器谐振频率跟踪控制方法存在行程观测精度低、抗干扰能力差等问题,容易导致谐振频率跟踪精度低、频率振荡严重。为提高谐振频率跟踪控制性能,该文研究了一种基于积分滑模观测器（ISMO）的新型谐振频率跟踪控制方法。

首先,基于LOM工作在系统谐振频率点时行程-电流相位差为90°的特点,提出一种双互相关函数比值方法,消除了行程变化对谐振频率跟踪控制的影响。其次,采用积分滑模面及新型趋近律设计ISMO,并利用二阶广义积分器获取行程估算信号,大大提高了行程估算精度。最后,对比实验结果表明,所提方法能够有效提高谐振频率跟踪精度、稳定时间及抗干扰能力。

基于反推控制的永磁同步电机稳定性单矢量控制策略

余洋；张千慧；余宗哲；米增强

针对永磁同步电机传统单矢量控制需遍历所有基本矢量且忽略控制稳定性的问题,该文提出基于反推控制的永磁同步电机稳定性单矢量控制策略。

首先,在建立dq0坐标系下永磁同步电机数学模型的基础上,推导设计常规反推控制器;其次,根据反推控制器获取的控制电压确定最优电压矢量所在扇区,并通过数学推导证明每个扇区内必有一个稳定的基本电压矢量可供选择,提出通过基本电压矢量对应Lyapunov函数导数值两两比较的最优基本电压矢量选取方法;然后,对选取包括最优基本电压矢量在内的不同基本电压矢量时的控制性能进行对比分析;最后,对提出的控制策略进行仿真和实验验证。

结果表明,在驱动恒转矩、恒惯量负载和变转矩、变惯量涡簧负载的多个场景下,该文提出的控制策略均能有效追踪参考转速,并且与传统模型预测电流控制相比,所提控制策略的稳定性更强、输出量波动更小。

基于模型预测的直驱式波浪发电机机侧最优功率控制技术

黄磊；魏莱；杨建龙；胡敏强

直驱式波浪发电系统具有结构简单、成本低、效率高等优点,得到了国内外学者的广泛关注。该文以直驱式波浪发电系统为研究对象,分析并建立了直驱式波浪发电装置的水动力数学模型和永磁直线电机的动态数学模型。

推导了基于模型预测的功率控制策略用于直驱式波浪发电系统。在功率控制策略中从功率捕获策略和功率跟踪控制策略展开研究以实现将波浪能转换为电能并汇入直流母线。重点围绕功率捕获策略开展基于模型预测控制技术研究,分别从控制策略、预测区间和成本函数三个角度分析了基于模型预测的最优功率捕获策略。

建立了仿真模型并进行仿真分析,结果表明,采用基于模型预测的最优功率捕获策略可有效提高不规则波下发电机从波浪发电系统捕获能量。此外,采用以直流母线功率汇入最大为目标的成本函数可以有效地提高发电机输入直流侧能量,具有重要的实用价值。最后通过实验室模拟平台进行了实验测试。

基于一阶线性自抗扰控制器的同步磁阻电机无速度传感器控制

王建渊；王海啸；尹忠刚；李英杰；景航辉

同步磁阻电机在实现无速度传感器控制时出现交叉耦合效应,导致dq轴电感随着电流发生非线性变化,转速环使用传统PI控制器已无法满足系统较强的抗扰性能和较高的转子位置估计精度。为了改善此问题,该文提出一阶线性自抗扰控制器的同步磁阻电机无速度传感器控制策略,利用其机械运动状态方程,将同步磁阻电机的交叉耦合效应及负载扰动变化视为扰动。

首先通过扩张状态观测器对负载扰动快速观测并进行前馈补偿,以此来提高系统抗扰性;其次利用静止实验法,得到dq轴磁链与电流的非线性函数模型,将该模型运用至磁链观测器中,以减小交叉耦合效应,提高转子位置估计精度;最后在1.5 kW的同步磁阻电机对拖加载实验平台上进行实验,验证了该控制方案的有效性。

电力电子

并联IGBT占空比的温度特性建模与分析

黄海宏；彭岚；王海欣

并联IGBT是解决托卡马克（Tokamak）装置中等离子体垂直位移快速控制电源容量逐渐增大问题的有效途径。而并联IGBT之间的结温平衡是并联系统安全稳定运行的关键因素之一。因此,研究结温对并联IGBT功率损耗差异的影响对提高并联系统的稳定性至关重要。然而现有的研究成果主要集中在单个器件损耗模型或者是并联IGBT的最佳工作频率范围而未涉及对并联IGBT最佳工作占空比范围的讨论。

研究发现,当IGBT工作在正温度系数区间时,结温差异造成的通态损耗差异与开关损耗差异呈不同的温度特性。因此,提出零温度-占空比的概念来估计并联IGBT之间结温失配趋势。该文建立零温度-占空比模型,并以此来分析电路设计参数、IGBT器件参数以及结温差异对并联IGBT最佳工作占空比范围的影响。实验结果表明,通过零温度-占空比模型可以对并联IGBT的可靠性、电路设计参数以及器件选型提供可行的参考。

单相级联整流器开路故障诊断和容错均压空间矢量脉宽调制算法

徐翊宸；杨双寿；王悦；杨帆；马兰 等

针对单相级联H桥整流器（CHBR）的功率开关器件存在的开路故障问题,研究一种开关管开路故障的快速诊断算法,以及针对开关管开路故障的容错均压空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法。首先,该文分析单相CHBR功率开关管开路故障时电流流通路径的变化,建立电流误差变化率的分析模型,并提出一种基于电流误差变化率的快速诊断算法。

该算法可以快速且准确地定位到故障开关管,且易于在程序中实现。其次,该文提出一种故障容错均压SVPWM算法,该算法在开关管开路故障时利用冗余矢量和冗余开关状态可以使系统在发生故障时仍然可以正常运行,并且各模块间的直流电压也能保持均衡。最后,通过仿真和实验验证了该文所提算法的可行性。

无电流传感复合前馈控制无桥功率因数校正变换器

卢伟国；胡凌鹤；罗海魁；白月；张婷婷

有源功率因数校正（APFC）是AC-DC变换器的重要组成部分,其目的是改善输入侧电能质量,提高系统功率因数。传统的有源电流控制功率因数校正（PFC）变换器需要准确地提取升压电感电流,而双二极管式无桥PFC变换器升压电感位于整流部分之前,电感电流不再是单一方向流动,这使得其电流采样电路相比更复杂。为此该文提出一种基于观测器的无电流传感方案。

方案中针对占空比误差的不确定影响修正了无桥PFC电流观测器算法,实现了占空比误差自适应的电流观测器,进一步基于所提观测器实现对负载信息的观测,设计出无电流传感的复合前馈控制方案,运用负载观测信息改进电流内环参考形式,同时利用输出电压纹波观测值进行2次谐波前馈补偿,最终实现无电流传感控制条件下变换器高动态响应设计。

该文搭建了225 W单相双二极管式无桥PFC的实验样机,实验结果表明,在开关频率100 kHz时电流观测精度达到96.75%,所提控制方案输入电流的总谐波畸变率（THD）含量约为5%,功率因数（PF）约为99.85%,半载动态响应时间10 ms,相比于传统PI控制无桥PFC变换器提高了约90%。

基于虚拟阻抗的三相Buck整流器输入不平衡控制策略

谢飞；许建平；郭夏；曹海彬；陈欣

三相输入电压不平衡时,传统双环控制三相Buck整流器的输出电压存在二倍频脉动,输入电流发生明显畸变,严重影响整流器的性能和可靠性。为抑制输出电压脉动和输入电流畸变,该文通过建立三相Buck整流器在两相静止坐标系下的等效电路模型及功率传输数学模型,分析输出电压二倍频脉动及输入电流畸变产生的机理,在此基础上提出一种基于虚拟阻抗的输入不平衡控制策略,最后通过仿真和1 kW的实验样机验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。

面向输出性能优化的高低频混合型模块化多电平变换器及其调控策略

侯玉超；郭祺；涂春鸣；王鑫；汪颖

为破解中压模块化多电平变换器（MMC）输出性能提升与降本、增效难以有效兼顾的问题,该文提出一种基于高低频混合的新型MMC（NMMC）拓扑。NMMC每个桥臂包含1个由异质交叉连接模块（HCCM）构成的高频子模块和N-1个半桥变换器构成的低频子模块。HCCM的高频桥臂采用SiC MOSFET器件,而HCCM的换向桥臂及低频子模块均采用Si IGBT器件。针对NMMC拓扑,该文采用高低频混合调制策略,充分发挥了SiC MOSFET器件开关损耗低、Si IGBT器件通态损耗低的优势。

此外,针对高频子模块提出一种特定的电容电压平衡策略,并详细分析高频子模块的工作状态。进一步地,仿真及实验验证了所提拓扑结构、调制策略、均压策略的可行性和有效性。最后,将所提拓扑与现有MMC拓扑在器件成本和运行损耗方面进行综合对比,证明所提拓扑可以更好地平衡装置的成本及效率指标。

双有源桥串联欠谐振变换器的最小回流电流控制

高祎韩；周子航；张欣；马皓

该文采用时域分析法对双有源桥串联欠谐振电路进行了分析,得到电感电流在稳态时的表达式并推导所有开关管实现软开关的条件。由于电压增益偏离1时仅采用移相控制难以实现所有开关管的软开关,因此,该文在传统移相控制的基础上,引入额外的变频控制策略,使得电路在不同的电压增益和负载条件下都能有较好的软开关性能。然而,软开关的实现会增加电路的回流电流,影响电路的传输效率。该文对所提出的变频移相控制进行了进一步的优化,使其可以在确保电路实现软开关的同时产生最小的回流电流和电感电流有效值。所提出的控制策略在一台2 kW的样机中进行了验证。

不对称级联九电平逆变器线性功率均衡控制策略

叶满园；喻生铭；刘文芳；陈银波；邵云鹏

三单元不对称级联逆变器通常采用传统混合调制策略控制,但该策略下逆变器存在单元间输出功率不均衡以及低压单元开关损耗分配不均的问题,同时由于高低压单元之间输出电压极性不同时会出现电流倒灌,导致逆变器直流侧电压难以维持稳定,影响输出电压波形质量。

针对上述问题,该文提出基于功率元重组的混合功率均衡调制策略,该策略对逆变器高压单元采用低频方波调制,在控制单元输出功率大小的同时可以降低开关损耗,而对于低压单元,所提策略结合载波移幅调制和载波移相调制策略对其功率元进行分析重组,使逆变器在输出高质量电压波形的同时实现单元间输出功率的线性均衡和低压单元间开关损耗的均匀分配。最后进行仿真和实验验证。

计及金属化薄膜电容器与IGBT模块退化过程相关性的柔直换流阀组件可靠性评估方法

张午宇；齐磊；张翔宇；崔翔；郭宁明

基于模块化多电平拓扑的换流阀是柔性直流输电系统的核心装备,随着柔直换流阀运行电压、功率密度以及运行场景的不断拓展,其运行可靠性成为突出问题。现有的柔直换流阀可靠性评估方法忽略了金属化薄膜电容器与IGBT模块性能退化的耦合关系,致使评估结果不准确。为此,该文提出了计及金属化薄膜电容器与IGBT模块退化过程相关性的可靠性评估方法。

IGBT模块寿命采用威布尔分布,考虑了换流阀运行过程中的任务剖面变化;基于Wiener过程对金属化薄膜电容器的可靠性进行了评估,利用Copula理论将容值退化程度与IGBT模块寿命之间的耦合关系进行了建模。所提可靠性评估方法修正了现有不考虑相关性方法对柔直换流阀可靠性评估结果,平均无故障时间从4.05年修正为5.20年,评估结果更加精确。

结合特征根及模态分析法的逆变器多机并网系统谐波扰动响应分析

李戎；李建文；李永刚；孙伟

为了从本质上解释逆变器多机并网系统受到宽频谐波扰动后的动态行为,该文理论推导特征根与系统稳态和暂态响应的解析解,进而利用单个逆变器并网的实例验证了采用特征根分析系统谐波响应的可行性。针对逆变器多机并网系统,阐明特征根与谐振模态的对应关系,使得利用模态分析方法既能解析系统内部支路对不同谐振模态的可激励性和可观测性,又能视系统为一个整体对其稳定性进行分析。最后,通过仿真与实验验证了结合特征根分析逆变器并网系统动态行为的正确性及有效性。

高速列车电气化控制

基于先验知识的弓网接触电阻预测模型精度提升方法

时光；陈翼喆；李莹；张国威

高速列车的运行实践表明,随着运行速度提高,受电弓与接触导线分离的可能性越大,越容易产生弓网电弧。导致电弧产生的因素很多,但最终都归结到滑板与接触网的接触电阻上。首先利用滑动电接触实验机,研究了波动载荷、滑动速度和接触电流对接触电阻的影响,并进一步结合表面形貌特征,分析了磨损机制、电弧放电与接触电阻演变规律之间的关系。其次为了预测不同工况下的接触电阻,建立了径向基（RBF）神经网络回归模型,通过在模型训练中融入先验知识和采用改进的食肉植物优化算法（ICPA）优化RBF神经网络超参数,提升弓网接触电阻预测模型的精度。

有、无先验知识的ICPA-RBF模型预测性能对比仿真结果表明,两类先验知识分别有助于提高模型的收敛速度和预测精度。最后采用假设检验验证了模型的有效性。

基于双延迟深度确定性策略梯度的受电弓主动控制

吴延波；韩志伟；王惠；刘志刚；张雨婧

弓网系统耦合性能对于高速列车受流质量起着至关重要的作用,提高弓网耦合性能,一种有效的方法是针对受电弓进行主动控制调节,特别是在低速线路提速及列车多线路混跑时,主动控制可通过提高弓网自适应适配性,有效降低线路改造成本并提升受流质量。

针对受电弓主动控制问题,该文提出一种基于双延迟深度确定性策略梯度（TD3）的深度强化学习受电弓主动控制算法。通过建立弓网耦合模型实现深度强化学习系统环境模块,利用TD3作为受电弓行为控制策略,最终通过对控制器模型训练实现有效的受电弓控制策略。实验结果表明,运用该文方法可有效提升低速线路列车高速运行时弓网耦合性能及受电弓在多线路运行时的适应性,为铁路线路提速及列车跨线路运行提供新的思路。

高速列车大功率操纵过程分数阶建模及速度时滞预测

张坤鹏；严斐；杨辉；刘鸿恩；安春兰

针对现有司机操纵策略难以完整描述列车大功率操纵过程的微观变化,设计机理特性和数据驱动模型联合驱动的分数阶建模策略,来满足高速列车无级调速下安全平稳运行的要求。针对高速列车大功率操纵模式下的大惯性特性和司机反应时间,该文首先对大功率牵引系统和制动系统的时滞特性进行分析,进而对列车操纵策略设计精简冗余工序编码策略,从闭环控制角度实现速度时滞特性精准预测;其次提出了一种新的分数阶建模方法,并设计分数阶最小二乘算法对模型中的时变参数进行精细化辨识;最后基于现场实验数据验证了所提方法的有效性。

抢鲜看｜《电工技术学报》2022年第21期目次及摘要

《电工技术学报》是中国电工技术学会主办的电气工程领域综合性学术期刊，报道基础理论研究、工程应用等方面具有国际和国内领先水平的学术及科研成果。中国工程院院士马伟明任《学报》编委会主任，兼《学报》主编。

电工理论

一种共享磁通多耦合模式的无线电能传输系统抗偏移方法

作者：张献；韩大稳；沙琳；杨庆新；王奉献

摘要：针对无线电能传输系统在发射侧和接收侧偏移时输出功率和传输效率降低的问题，该文从共享磁通的角度提出了基于LCC拓扑的反极性同心式补偿电感集成方法，并提出了两种集成结构。建立了基于多耦合工作模式和线圈品质因数的反极性同心式无线电能传输系统输出功率和传输效率的数学模型，从数学模型上验证了集成式结构的抗偏移能力，仿真结果显示集成式结构在正对和偏移情况下，其磁通密度均优于非集成式结构。搭建了补偿电感集成式结构的实验样机。

实验结果表明，补偿电感集成式结构在一定的偏移范围内能保持稳定的传输效率和输出功率，在相同输入电压和传输距离下比非集成式结构具有更高的传输效率和更大的传输功率。

基于LCC-S补偿网络的无线充电系统小信号模型

作者：郑广策；赵凯；王浩宇；梁俊睿；傅旻帆

摘要：基于磁场感应的无线电能传输（IPT）系统需要反馈控制实现稳定的输出，这依赖于一个精确且简单的小信号模型。近些年来，扩展描述函数法（EDF）在谐振变换器建模问题中有广泛运用。由于IPT系统的本质为高阶谐振变换器，因此该方法可以应用于IPT系统的建模中。但是由于IPT系统中包含大量谐振元件，直接通过EDF方法得到的模型往往具有较高阶数，通过一种基于电路化简的方法对电路中的谐振元件模型进行化简，可以同时保证模型的准确性与精简性。该文以LCC-S补偿的IPT系统为例，阐述化简方法。该方法也可以推广至其他高阶IPT系统中。

电机及其系统

直线振荡电机拓扑结构及应用综述

作者：徐伟；李想；廖凯举；柏丽丽；宫逸凡

摘要：直线振荡电机可直接产生直线往复驱动力，具有无运动转换机构、传动效率高、振动噪声小等优势，在直线压缩机、斯特林制冷机、热电联产设备、振动能量回收等众多领域具有广泛的应用前景。

该文首先详细阐述了直线振荡电机的工作原理，并在此基础上依据理想受迫谐振系统的要求，归纳了该类电机电磁特性的设计目标；其次，以时间为序，分类介绍了直线振荡电机的发展沿革和研究现状，包括各类电机的优缺点、拓扑结构以及应用变迁等；然后，以文献调研为基础，总结了目前该类电机普遍存在的四个方面的问题；最后，从工业应用需求出发，详细讨论了直线振荡电机在工艺、电磁特性和控制策略等方面存在的难点及关键问题，并对未来发展趋势进行了展望。

基于带通频率跟踪滤波器的永磁同步电机转子位置与速度估算

作者：李垣江；苗奎星；魏海峰；张懿；刘维亭

摘要：在电动助力车用永磁同步电机（PMSM）控制系统中，针对PMSM在正常运行过程中发生霍尔位置传感器安装位置偏移的问题，提出基于带通频率跟踪滤波器的电机转子位置与速度估算方法。

该算法将三相霍尔信号通过坐标变换转换为霍尔矢量，通过带通频率跟踪滤波器与锁相环提取霍尔矢量中的电机转子位置信息，以实现在霍尔位置传感器安装位置偏移情况下，对永磁同步电机转子位置与速度信息的正确估算。通过实验验证，该算法有效地减小了在霍尔位置传感器发生安装位置偏移时电机转速与电流的波动，提高了控制系统的可靠性和稳定性。

基于多物理场近似模型的高速永磁电机多目标优化设计

作者：戴睿；张岳；王惠军；张凤阁；张何

摘要：高速永磁电机（HSPMM）由于具有功率密度和效率高、体积小、质量轻及动态响应快等优点受到越来越多的关注。然而，HSPMM的设计是一个典型的非线性的多物理场耦合设计过程，难以建立准确的数学模型对其进行优化设计。该文提出一种基于多物理场近似模型（MPAM）的HSPMM多目标优化设计方法。

该方法采用MPAM进行多物理场的并行计算，并在优化过程中直接调用MPAM，可以有效地解决有限元模型（FEM）计算耗时的问题，同时也可以避免有限元优化过程中FEM迭代计算收敛困难的问题。最后，研制了一台1.1MW，18 000r/min的高速永磁电机，并进行了相关的实验，验证了该文所提出的HSPMM优化设计方法的可行性。

对称型多相电机断相容错运行下的电流谐波分析与补偿

作者：孙嘉伟；郑泽东；李驰；王奎；李永东

摘要：多相电机驱动系统可靠性高、容错能力强、控制灵活。该文对断相容错运行下，多相电机中低频奇数次电流谐波的特性和补偿方法进行了研究。利用广义Clarke变换，可将电机定子电流变换到各个子空间当中。研究发现，断相容错时，各次谐波电流以正负序分量同时存在的形式分布在所有子空间当中。传统谐波补偿方法只在特定子空间下进行补偿，在断相容错工况下性能有较大恶化。

该文提出一种改进电流谐波补偿方法，利用广义对称分量变换和正负序PI控制器实现各子空间内正负序谐波电流补偿，保证了断相容错时良好的补偿效果。在九相感应电机平台上对提出方法进行验证，实现了断相容错时对选定电流谐波的完全补偿，并降低了谐波带来的额外损耗和转矩脉动。

电力系统与综合能源

大规模风电汇集系统电压不平衡机理、因素及影响规律

作者：刘其辉；逄思敏；吴林林；刘辉；徐曼

摘要：我国风电集中并网地区往往呈现电网结构薄弱、就地负荷小、当地缺乏无功支撑等特点，容易出现电压不平衡现象，严重时导致大量风机脱网，给电网的安全运行带来极大影响。

为了分析风电汇集系统电压不平衡产生机理，首先，建立了计及网侧变流器（GSC）、机侧变流器（RSC）及锁相环（PLL）控制环节的双馈风力发电机（DFIG）的基频负序阻抗模型，并由单机模型推广至风电场集群基频负序阻抗模型；然后，基于实际风电汇集系统，构建风电汇集地区负序等效电路，剖析风电汇集地区电压不平衡机理，分析源、网侧主要因素对汇集母线电压不平衡的影响规律；最后，基于Matlab/Simulink仿真平台，验证机理分析及影响规律的正确性。

基于神经网络的数据驱动互联电力系统负荷频率控制

作者：陈宗遥；卜旭辉；郭金丽

摘要：针对高度复杂的电力系统存在的建模误差和不确定性等问题，该文基于无模型自适应控制算法提出一种不依赖电力系统模型信息的负荷频率控制策略。首先将电力系统的动力学模型抽象为一般的非线性函数，在其I/O数据之间引入时变的伪偏导数，将非线性电力系统等效为动态线性数据模型；然后构建一个径向基神经网络在线估计系统的伪偏导数，并使用优化理论设计数据驱动的负荷频率控制方案，在理论上严格分析了闭环电力系统的稳定性和径向基神经网络估计方法的收敛性；最后在互联电力系统上验证该负荷频率控制方法在不利用模型信息的前提下，能够取得良好的跟踪性能。

考虑风电不确定性的电力系统恢复全过程两阶段鲁棒优化方法

作者：顾雪平；白岩松；李少岩；信向誉；王铁强

摘要：我国能源低碳转型过程中电力系统的风电接入比例将不断提高，研究新形势下的恢复控制问题对提升电力系统的保底安全性具有重要意义。

针对风电接入背景下的电力系统恢复决策优化问题，该文建立了考虑风电不确定性的全过程两阶段鲁棒优化模型。第一阶段考虑已恢复节点重要度指标、负荷恢复量以及风功率波动场景集，对系统元件恢复次序做出决策；第二阶段包含双层目标，外层目标为最大化风功率波动对系统负荷恢复量的影响，内层目标为在最恶劣的风电波动场景下最大化系统负荷恢复量，并利用对偶原理将第二阶段问题转化为单层优化问题。采用区间不确定集描述风功率时空不确定性，通过列与约束生成算法求解此两阶段优化问题，利用启发式方法加速主问题求解。最后，通过新英格兰39节点系统与实际电网算例验证所提方法的鲁棒性与实用性。

高比例风电接入系统光热发电-火电旋转备用优化方法

作者：张尧翔；刘文颖；庞清仑；申自裕

摘要：随着风电等波动性新能源发电逐渐增加，高比例风电接入电网备用不足问题自益凸显。与此同时，新兴的光热发电具有可时移、可调节特性，能有效承担系统的备用需求，但光热发电受储热与光资源的强相关性约束，备用能力受限。如何利用有限的光热发电与火电进行联合备用优化，满足高比例风电系统备用需求，成为当前亟待研究的问题。

首先该文分析了高比例风电接入系统旋转备用对风电消纳的影响；其次，对光热-火电联合提供旋转备用的可行性进行了分析，针对光热储热约束，提出采用电加热设备提高光热电站备用能力；然后，基于电加热设备电转热特性，建立了含电加热光热电站用电及发电调峰备用模型，基于此，建立光热发电-火电旋转备用优化模型；最后，通过改进的IEEE 30节点系统进行仿真验证，证明该文所提方法的有效性。

基于多任务联合模型的居民用电模式分类方法

作者：徐明杰；赵健；王小宇；宣羿；陈伯建

摘要：识别海量居民用户的用电行为模式并进行合理分类，可为需求侧精益化管理提供辅助决策。该文提出一种基于卷积神经网络自动编码器与层次聚类多任务联合模型的居民用电模式分类方法。

首先，提出基于同时刻量测数据均值的缺失值填补方法和基于季节性极端学生化偏差检验的异常点检测方法，对海量且高维的用电数据进行数据清洗与修正；其次，利用卷积神经网络自动编码器对居民用电数据进行特征提取，获取可表征用户用电行为的特征向量；然后，结合层次聚类算法以及轮廓系数指标确定用户聚类个数以及聚类中心向量，并利用聚类中心向量初始化神经网络聚类层，进行用户聚类，将特征提取过程与用户聚类过程进行联合，组成多任务学习神经网络，实现端到端的用电模式分类；最后，结合环境温度和电价影响因素，在实际数据集进行验证。

电力电子

IGBT关断时刻的应力波测量优化及影响因素分析

作者：耿学锋；何赟泽；王广鑫；刘松源；李运甲

摘要：绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）是电能变换的核心器件，其健康状态与系统的可靠运行直接相关。声发射（AE）是一种快速、无损、在线的检测方法，广泛应用于电力行业，在IGBT的状态评估中具有潜在的应用价值。已有的研究表明：IGBT在关断瞬间能够产生应力波（SW），且AE传感器能够对应力波信号进行测量，但在测量时容易受到周围电场的干扰。

该文分析了普通AE传感器干扰信号产生的原因，提出基于差分式AE传感器的应力波测量方法，并从理论角度论证了差分式AE传感器的抗干扰机理。搭建试验平台，通过试验证明差分式AE传感器具有较好的抗电气干扰能力，能够对IGBT关断应力波进行有效地提取。进一步地，对不同关断电流条件下的IGBT进行应力波的测量和分析，发现关断电流与应力波的强度强相关，可为后续探索应力波产生机理及实现IGBT在线监测提供参考。

基于分时复合的无线供电三倍频逆变器

作者：赵建松；王军华；蔡昌松；牟建学；罗阳

摘要：受开关器件工作频率的限制，传统高频方波逆变器输出电压的频率难以提高，为满足无线电能传输系统运行频率高频化的要求，该文基于传统移相全桥逆变器，提出一种输出方波频率为开关器件工作频率3倍的逆变器及其驱动策略，并分析了逆变器在无线电能传输系统等效模型下的工作模态。

与其他高频逆变器相比，其输出交流方波的频率提升为原来的3倍，开关管的电流应力降低为原来的1/3，开关管发热损耗进一步降低，具有输出更高频率的潜力；同时采用软开关技术保证逆变器较高的效率，并可利用简单成熟的移相控制方案或变频控制方案对输出功率进行调节。最后搭建了用于无线供电系统的三倍频逆变器实验平台，验证了该逆变器理论分析的正确性和可行性。

具备闭锁和非闭锁模式抑制直流故障电流的新型模块化多电平变换器拓扑

作者：束洪春；邵宗学；江耀曦；包广皎；王文韬

摘要：现有直流线路短路故障电流抑制方法存在抑制速率与经济性的矛盾。该文提出了可在闭锁和非闭锁两种模式下低成本实现直流故障电流快速抑制的模块化多电平变换器（MMC）子模块拓扑，即五电平钳位交叉子模块（FLCCSM）结构；分析了闭锁和非闭锁抑制模式下的直流故障穿越过程；解析了在两种抑制模式下满足故障穿越条件的子模块电容投入到故障回路的配置数量；提出了电容成组投切的均衡控制策略以提升其均压效果。

Matlab/Simulink仿真结果表明，FLCCSM-MMC在闭锁模式下能将直流故障电流快速抑制到零，主要用于处置直流永久性故障。在非闭锁模式下能将桥臂电流快速抑制到小于2倍桥臂电流额定值，非闭锁模式下MMC仍具有输送一定功率的能力，适用于处置直流瞬时性故障，且故障前后电容电压保持均衡。FLCCSM-MMC具有故障电流抑制速度快、可靠性高、器件成本低、运行损耗小的优势。

基于空间矢量调制的Vienna整流器无模型预测电流控制

作者：张永昌；屈祈延；杨海涛

摘要：三相三电平Vienna整流器具有开关应力低、功率因数高等优点。为了消除传统无差拍预测电流控制（DPCC）对系统参数的依赖性，该文提出一种无模型预测电流控制（MFPCC）方法，其特点是利用超局部模型代替原有的Vienna整流器精确模型，并利用过去两个时刻的电压和电流信息实现超局部模型的增益和动态部分的在线更新。进一步结合DPCC预测得到下一时刻参考电压矢量，通过空间矢量调制（SVM）得到开关驱动信号。

该方法鲁棒性强、计算量小、稳态和动态性能良好。在参数精确和失配的情况下，对传统DPCC和该文所提方法进行稳态和动态性能对比，仿真和实验结果验证了所提方法的优越性。

高带宽数字控制LCL型并网逆变器及其提高并网系统鲁棒性的谐振抑制技术研究

作者：沈姝衡；方天治；章益凡

摘要：数字控制LCL型并网逆变器的固有控制延时会影响原有谐振阻尼方案的控制特性，从而降低并网逆变器在弱电网下的鲁棒性。

该文首先基于不同参数建立多机并联系统在弱电网下的多输入多输出矩阵，并推出了确保系统进网电流稳定性以及各模块交互电流稳定性的三条判据。进一步地，基于频域阻抗法分析数字控制延时在模块采用不同开关频率的情况下对系统鲁棒性的影响，进而发现在系统中引入高带宽逆变器对于抑制低频谐振的有效性。然后，分析了高频模块与低频模块之间的交互稳定性，据此选取高带宽并网逆变器的开关频率。

最后，在实验室搭建了一台基于新型宽禁带器件GaN的高带宽并网逆变器原理样机，并将其并入低频模块并网系统中，通过实验验证了所提出的高带宽并网逆变器有助于提高弱电网下系统的鲁棒性，从而为提高分布式发电系统的稳定性提供了新思路。

高电压与放电

纳米MgO/环氧树脂复合材料的陷阱特性及对电树枝特性的影响研究

作者：程子霞；邢威威；张云霄；周远翔；滕陈源

摘要：随着电压等级的不断提升,因电树枝老化而导致的绝缘材料失效问题日益严重。为研究纳米MgO对环氧树脂电树枝老化的影响,制备了不同MgO填充量（质量分数0~1%）的纳米MgO/环氧树脂复合材料,对其电树枝的起始和生长过程进行观测。

结果表明,在微量填充下,纳米MgO/环氧树脂复合材料的耐电树枝性能随填充量的增加而提高。当纳米MgO质量分数为1%时,纳米MgO/环氧树脂复合材料的起树概率降低了45%、电树枝长度降低为纯环氧树脂的1/3、交流击穿场强提高了14.1%。

由介电特性和陷阱特性分析可得,随填充量的增加,复合材料的介电常数减小,陷阱能级加深。纳米MgO的加入提高了复合材料的陷阱能级,降低了载流子的迁移率和浓度,进而提高了纳米MgO/环氧树脂复合材料的耐电树枝性能。

水带对憎水性表面交流闪络特性与电场分布的影响

作者：刘士利；李卫东；李振新；潘璐瑶

摘要：复合绝缘子憎水性减弱时,在潮湿环境中其表面容易汇聚水珠形成水带,从而影响绝缘子表面电场分布和沿面闪络特性。该文采用聚四氟乙烯板模拟水带生成环境,试验研究了直线型和折线型水带形态对憎水性表面闪络过程的影响;基于有限元数值计算,分析了水带及周围电场分布,并结合试验结果探讨了水带影响电弧发展路径的机理。

研究结果表明,水带张角θ越小,水带电场越小,而水带之间的干带电场强度越大;同时,水带横向间距d越小,干带电场强度也越大。因此,当憎水性表面存在折线型水带时,电弧依θ和d的不同而呈现三种不同的发展路径。

低气压下航空线缆的局部放电特性

作者：江军；李治；张本栋；李文源；张潮海

摘要：为实现飞机电气化,电源电压等级不断升高,多电飞机电气系统中线缆绝缘发生局部放电（PD）的风险随之增加。该文通过设置线缆对接地金属板放电、线缆对线缆架放电和线缆与线缆间放电三种典型模型,全面探究了航空线缆在低气压以及典型工作频率下的局部放电特性。试验结果表明,三种放电模型的局部放电起始电压（PDIV）都随着气压的下降而降低,50kPa以上时线缆与线缆间放电模型的PDIV高出其他模型的2倍以上。

电压频率的增大将显著增加模型的放电重复率,10kPa下的线缆对线缆架放电影响效果最为明显。相同工况下,不同放电模型局部放电相位分析（PRPD）谱图的相位宽度及“极性效应”强弱存在差异,这些特征有助于放电模型类型的识别,也将为航空线缆设计与故障诊断提供借鉴和参考。

耦合磁场直流空气断路器栅片特性对灭弧性能的影响研究

作者：彭世东；李静；曹云东；刘树鑫；于龙滨

摘要：栅片材料与结构对断路器的灭弧性能有着重要的影响。该文建立了永磁体作用下灭弧室内磁场的计算模型与电弧磁流体动力学（MHD）模型,实现了两者的耦合。在此基础上,对永磁体作用下栅片材料与栅片结构对电弧动态特性的影响进行了仿真,同时考虑电源极性的影响,得出了永磁体作用下灭弧室内磁场的空间分布、电磁耦合作用下灭弧室内温度分布与气流分布,提取了灭弧室内平均温度与电弧燃弧时间等关键参数,讨论了栅片材料与栅片结构对电弧特性的影响。

结果表明,外施磁场作用下铁栅片会造成灭弧室内磁短路现象。相同仿真条件下,含铁栅片的灭弧室燃弧时间最长;动触头作为阳极更有利于弧根跃迁,燃弧时间缩短;当分断电流相同时,铜-绝缘栅片对电弧的冷却效果最佳;栅片倾角可以改变气流场分布,从而影响燃弧时间。

基于正交实验新型真空灭弧室触头磁场仿真与参数优化设计

作者：董华军；温超阳；孙鹏；刘林林；郭方准

摘要：通过触头结构设计实现真空电弧有效调控是提高真空开关开断性能的重要措施之一。为提高真空灭弧室触头开断性能,该文采用SolidWorks建立了一种新型带铁心真空灭弧室3D模型,并利用三维有限元法,对触头片的开槽长度、开槽角度、工艺孔直径以及铁心个数四个参数进行单因素及正交仿真实验,选取上述四个因素作为优化对象,将电流峰值时纵向磁感应强度最大、滞后时间最小和导体电阻最低作为优化目标,得到触头参数与磁场特性的回归方程。通过对电流峰值时触头间隙中心平面纵向磁感应强度、电流过零时磁场滞后时间以及导体电阻进行多目标优化分析,得到了最优的磁场特性。

结果表明,当开槽长度为25mm、开槽角度为25°、工艺孔直径为15mm、铁心个数为14时,触头的磁场特性最好。

风力发电机叶片覆冰量化分析及其应用

作者：胡琴；王欢；邱刚；舒立春；蒋兴良

摘要：风力发电机叶片覆冰量化分析是认识和解决覆冰问题的基础。考虑到目前国内外对此鲜有研究,该文在多功能人工气候实验室中对小型风力发电机进行人工覆冰试验,获取雨凇、硬雾凇和软雾凇三种覆冰条件下的叶片覆冰冰型,并对覆冰结果进行深入分析;同时,给出了较为完善的叶片覆冰标定方法,实现对叶片覆冰的量化分析,进而对其实际应用进行了分析。

研究结果表明：覆冰集中于叶片的前缘区域,且在截面翼型表面驻点附近的覆冰范围大约为叶片弦长的11%;覆冰在叶片展向上呈现线性增长趋势,大约占据叶片长度的70%,且在靠近叶尖处约30%~40%的叶片长度区域上覆冰较为明显。因而,可将靠近叶尖处约30%~40%的叶片长度且占据叶片弦长11%的截面翼型表面所形成的前缘区域作为重点研究区域,即在实际应用中可将其设计为最佳覆冰防护区域及叶片覆冰厚度监测点的设定区域。该文研究结果可为解决风机覆冰问题提供数据参考。

电能存储与应用

低温环境下锂离子电池荷电状态与超声透射飞行时间的关系研究

作者：吴立峰；刘昊；林仲钦；徐策；马国明

摘要：为掌握低温下锂离子电池荷电状态（SOC）与超声检测特征量之间的关系,开展了圆柱卷绕型锂离子电池荷电状态超声检测与理论分析。设计了一种超声换能器固定装置来提高超声信号检测的稳定性和灵敏度。建立特征提取算法,提取超声信号幅值和超声飞行时间两个特征参量,获得低温环境下锂离子电池的最大可用容量。

结果表明,在低温环境下,超声飞行时间特征量相较于超声信号幅值特征量能更准确地反映锂离子电池的荷电状态。该文还研究了低温对锂离子电池负极材料弹性模量、质量、长度的影响,建立了低温环境下锂离子电池荷电状态与超声透射飞行时间量化方程,量化方程与检测数据之间的拟合决定系数为0.9668。该研究可为低温环境下锂离子电池SOC的准确检测提供参考。

基于区域电压的锂离子电池不均匀发热模型

作者：刘素贞；陈晶晶；张闯；金亮；杨庆新

摘要：锂离子电池温度空间分布的不均匀性随着放电倍率的增大而加剧，严重影响电池寿命和安全性。针对锂离子电池放电过程中温度空间分布不均匀的情况，提出一种新的基于区域电压的不均匀发热模型，用来实时预测电池温度分布。

考虑电池尺寸和热特性，将电池分为九个区域并进行开路电压测试，实时记录每个区域表面温度变化，采用每10%荷电状态（SOC）下降期间测量的表面温度和环境温度数据计算得到区域电压，根据区域电压获得电池的区域发热量，并建立三维仿真模型得到电池温度空间分布。

使用该不均匀发热模型预测了放电倍率为0.5C、1C、2C、3C和4C时的电池温度空间演变，仿真结果显示该模型能捕获温度的不均匀分布，并通过实验验证，温度误差在1℃以内，相对误差在5%以内，表明该模型能够对温度分布进行有效监测。

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