2021全国电工理论与新技术学术年会「电力科学与技术学报」

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《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。

一种舰船下方磁场的信号重构及换算方法

作者：刘琪；孙兆龙；姜润翔；武晓康；雷怡琴

摘要：为了实现对舰船磁场信号的准确重构及换算,在缩比模型试验数据分析的基础上,对磁性处理后的船模磁场时频特性进行分析,建立起截止频率与最大能谱的关系,得到采样间隔与船长间的数学模型,提出适用于磁场的最大采样间隔计算方法,结合磁体模拟法进行磁场深度换算完成对该文方法的验证。

结果表明,该方法对目标形状鲁棒性好,水面舰艇和水下潜艇目标皆适用,在较大采样间隔条件下能完成较高精度的信号重构,当由浅向深进行换算时,换算误差皆小于7%,当换算的基准深度不小于3倍船宽时,能完成由浅向深和由深向浅双向的磁场换算,换算误差均小于10%。

谐波及直流偏磁下变压器叠片式磁屏蔽杂散损耗模拟与验证

作者：张长庚；田亚坤；李永建；利雅婷；杜振斌；程志光；杨庆新

摘要：为研究电力变压器叠片式磁屏蔽在谐波和直流偏磁条件下的杂散损耗,对TEAM P21基准族（V.2009）进行拓展改进,增加激励线圈匝数,增大导线截面积和磁屏蔽叠片的尺寸。搭建变压器杂散损耗测量平台,提出并实现了谐波及直流偏磁下杂散损耗的测量方法。测量得到取向硅钢片在谐波和直流偏磁下的磁性能数据,完成了复杂激励条件下杂散场和损耗的多工况三维瞬态有限元计算。通过杂散场和损耗的仿真与实验结果的对比,验证了测量方法及仿真计算的有效性。

结合仿真及实验结果,分析了谐波和直流偏磁下杂散损耗的分布及其影响,所得结果及结论有助于变压器磁屏蔽的优化设计和提高电磁设备的可靠性。

基于时频分析和深度学习的表面粗糙度超声模式识别方法

作者：蔡智超；孙翼虎；赵振勇；李毅博

摘要：表面粗糙度直接决定着工件的性能和使用寿命,由于传统的基于光学或三维形貌的表面粗糙度检测方法存在对工件表面清洁状态及操作环境要求较高等问题,因此,该文提出一种基于深度学习的非接触式电磁超声表面粗糙度识别方法。首先通过建立不同表面粗糙度的电磁超声有限元仿真模型,研究了涡流密度和洛仑兹力对激励与接收信号的影响。然后利用所提出的卷积神经网络,对从电磁超声换能器检测得到的A扫描信号的时频系数图进行特征提取,输入至预训练的支持向量机分类器中完成表面粗糙度识别和预测。

为了验证所提方法的有效性,对通过立铣工艺加工的表面粗糙度比较样块进行测试。实验结果表明,所提出的超声识别方法平均精度为98.83%,具有较高的预测精度与稳定性,解决了超声信号信噪比较低而导致信号特征识别困难的问题,同时减少了特征提取过程对于人工干预的依赖。

基于数据预处理和长短期记忆神经网络的锂离子电池寿命预测

作者：黄凯；丁恒；郭永芳；田海建

摘要：锂离子电池剩余使用寿命（RUL）可以评估电池的可靠性,是电池健康管理的重要参数。准确地预测电池的RUL可以有效提高设备的安全性并降低工作风险。该文提出一种自适应数据预处理结合长短期记忆神经网络（LSTM）的RUL预测框架。

选取容量作为健康因子,数据预处理阶段,首先使用自适应双指数模型平滑方法减少容量回升现象产生的负面影响,然后通过自适应白噪声完整集成经验模态分解（CEEMDAN）对数据进行降噪;模型构建阶段,利用预处理后的数据训练得到用于RUL预测的LSTM模型。以NASA和CALCE公开数据集为研究对象进行算法性能测试,实验结果表明,所提方法鲁棒性好,能够提供精确的RUL预测结果。

独立微电网风储协同调频的功率柔性分配策略

作者：张靖；张志文；胡斯佳；李勇；林锦杰

摘要：针对独立微电网运行中存在的频率波动与新能源利用率不高的问题,该文提出一种风机和储能装置协同参与调频的新型功率柔性分配策略。首先,分析多种分布式电源在独立微电网中的运行及控制方式;其次,建立独立微电网中风机和储能装置联合参与调频的状态空间模型;然后,以频率偏差最小和能源利用率最高为指标构建滚动时域内的优化目标函数,并根据频率变化实时调整目标函数中风机和储能出力项的权重以优化各自出力。

此外,所提策略能够参考风速和储能装置荷电状态的时变特性,在每个时间断面柔性调整约束条件的边界,提高其安全运行水平;最后,基于Matlab/Simulink仿真平台搭建独立微电网模型,并在多种工况下进行仿真研究,仿真结果表明,所提策略在满足风机与储能安全运行的前提下,能实现独立微电网频率控制的同时优化风机和储能装置的有功出力,降低弃风率,达到能量高效利用的目标,并且具有对模型参数依赖度低的特点,鲁棒性较好。

基于感应滤波的光伏电站谐波谐振抑制方法

作者：李勇；刘珮瑶；胡斯佳；林锦杰；罗隆福

摘要：光伏电站中大量光伏逆变器同时工作于“弱网络”条件下易与电网间产生谐波谐振,威胁电站的供电持续性和运行安全。该文围绕一个真实光伏电站,考虑上级电网阻抗的变化,建立了传统光伏电站的谐波域等效模型,对其谐振问题进行了分析。在此基础上,针对在光伏电站真实出现的谐波谐振,提出一种基于感应滤波的光伏电站谐波谐振抑制方法,详细分析了其谐波域模型和谐振抑制机理。

该方法中感应滤波变压器的滤波绕组采用特殊的零阻抗设计,外接全调谐无源滤波器能获得比较优良的谐波滤除能力,与此同时,因为它还改变了光伏电站整体网络的阻抗频率特性,故能有效消除真实光伏电站联网运行时的谐波谐振。最后,通过系统仿真和大型工程应用的实测数据验证了该方法在光伏电站谐波谐振治理中的优良特性。

电压暂降随机影响下考虑低压脱扣器保护动作机制的电压敏感设备运行状态评估

作者：王雪；唐正聪；刘兴杰

摘要：综合考虑系统侧电压暂降随机性和负荷侧低压脱扣器动作特性对设备的影响,提出一种电压敏感设备运行状态评估方法。基于低压脱扣器和敏感设备的耐受能力,定义了敏感设备的两种运行状态——有效运行状态和安全切断状态。

针对设备耐受能力在模糊区域的不确定性问题,引入基于证据理论的可靠性分析方法。利用离散化方法将离散型和连续型随机变量进行证据结构表征,将变量离散的子区间作为证据体,构造其基本概率分配。将所提方法应用到敏感设备的状态评估中,与拉丁超立方抽样仿真进行比较,验证了方法的有效性,并进一步探究了不同特征电压暂降分布和低压脱扣器延时设置对敏感设备运行状态的影响。研究结果可为低压脱扣器配置和暂降治理提供理论依据。

基于增广动态相量法的变压器励磁涌流频率自适应仿真

作者：龚振；刘承锡；姚良忠；杨波；庄俊；黄晓辉

摘要：电磁暂态仿真中,减小仿真步长可有效抑制非线性变压器仿真过冲失真问题,但大容量变压器的励磁涌流过程往往衰减缓慢,势必会造成仿真效率低,使得仿真时间明显增加。该文建立了一种含有非线性励磁支路的大容量变压器动态相量多尺度电磁暂态模型,并提出一种动态相量磁链预测方法,通过不同仿真步长对磁链和电流进行精准预测和仿真,解决了分段线性化在大步长下出现的过冲失真问题,实现了励磁涌流宽频特征下依旧可以在不牺牲较多谐波的情况下采用大步长仿真的功能。

当励磁涌流刚发生时,磁链动态相量变化较大,利用较小仿真步长对磁链进行预测,从而根据电流-磁链曲线拟合关系求得励磁涌流;当检测到磁链频谱集中在工频附近时,磁链的动态相量形式将保持恒定,采用大仿真步长预测磁链,从而根据电流-磁链关系求得准确的励磁电流,在采用大步长的同时解决了过冲失真问题,增加了仿真的计算效率。最后的仿真结果验证了该文提出的变压器模型及动态相量预测法的正确性和有效性。

基于切换调制波的三电平有源中点钳位逆变器优化容错技术研究

作者：卫炜；高瞻；赵牧天；赵鲁；李耀华；葛琼璇

摘要：传统基于空间矢量脉宽调制的容错技术可在不增加硬件设备的情况下实现三电平有源中点钳位（ANPC）逆变器的容错运行,但存在两电平跳变、中点电压不平衡和输出电流畸变的缺陷。为解决以上缺陷,该文首先分析了三电平ANPC逆变器在开路故障时的有效开关状态,然后推导了控制三相只输出负、零电平和正、零电平的调制波;然后在此基础上,依据故障相电流方向切换使用调制波并利用有效开关状态输出三相电平,提出基于切换调制波的优化容错技术（OFTBSM）及其中点电压平衡控制策略;最后,分析OFTBSM的容错性能、中点电压波动和谐波性能。

仿真和实验结果证明,OFTBSM可使三电平ANPC逆变器在单相最多四个器件同时开路时保持平稳运行,并可防止两电平跳变、降低电流谐波、控制中点电压平衡。此外,OFTBSM还具备鲁棒性强、计算简单、实现方便的优点。

一种改进的可消除Vienna整流器电流过零畸变的控制方法

作者：王金平；刘圣宇；张庆岩；姜卫东

摘要：该文首先介绍了Vienna整流器的基本原理,并在此基础上分析Vienna整流器的电流过零畸变问题。该文重点从空间矢量图的角度,分析在网侧单位功率因数运行条件下,Vienna整流器输入电流产生过零畸变的本质。此外,对比分析在整流器侧单位功率因数运行条件下的控制方法。

在此基础上,推导出一种改进的可以消除Vienna整流器电流过零畸变且最大程度提高电网侧功率因数的方法。最后,对Vienna整流器网侧单位功率因数运行的控制方法、整流器侧单位功率因数运行的控制方法以及所提的改进控制方法进行实验对比。相应的实验结果验证了该文所提控制方法的可行性和优越性。

全浸式蒸发冷却IGBT电热耦合模型研究

作者：张玉斌；温英科；阮琳

摘要：电力电子器件的小型高集成度发展趋势对散热技术提出挑战。相较于间接液冷,采用全浸式蒸发冷却技术的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,具有器件温升低、温度分布均匀的优点,因此其应用于IGBT冷却具有可行性和优越性。该文提出全浸式蒸发冷却IGBT电热耦合模型的建模方法。

首先,基于参数拟合法,建立了IGBT模块的电模型,计算功率损耗;其次,根据等效导热系数,建立了全浸式蒸发冷却条件下IGBT的热模型,并在线性时不变系统的假设下得到了全浸式蒸发冷却IGBT的降阶模型;然后,建立了全浸式蒸发冷却IGBT电热耦合模型;最后,通过仿真和实验对建立的模型逐一进行验证,结果表明,所提出的模型能够准确表征IGBT的电、热及其耦合特性,并且具有模型参数提取简单、仿真速度快的优点。

微米尺度气体击穿的数值模拟研究进展

作者：孟国栋；折俊艺；应琪；高新宇；成永红

摘要：随着电力装备、电子器件和新概念武器等的设计和应用向着小型化和集成化的方向发展,高场强下微纳结构的绝缘问题日益突出。针对微纳尺度范围的电气击穿机理和绝缘性能,近二十年来国内外相关学者开展了大量的理论、实验和数值模拟工作,并取得了重要的成果。与宏观尺度击穿和放电过程的仿真不同,当击穿距离在微米尺度时,其电子平均自由程与击穿距离可比,此时需要考虑场致电子发射过程;同时,由于击穿距离小,在数值模拟时要求网格划分更为精细,这大大增加了计算工作量。

因此,该文综述了近年来微米尺度气体击穿的理论研究和数值模拟的研究进展,重点对微米尺度电气击穿的数值计算方法、仿真模型建立、击穿过程以及影响因素等方面进行分析和总结,提出当前面临的主要问题和挑战,并展望了未来需要关注的研究方向。该文的研究结果可为未来微纳尺度放电击穿特性研究和理论探索提供参考。

交流电压下气固界面电荷积聚与放电特性研究进展

作者：张贵新；李大雨；王天宇

摘要：在高电压长时间作用下,固体绝缘表面容易积聚电荷,并有可能诱发绝缘子沿面闪络,进而影响电力系统的安全可靠运行。研究交流电压下固体绝缘表面的电荷积聚特点及放电特性,对于提高绝缘子的沿面闪络电压、改善绝缘子制造水平等都具有重要意义。

该文结合目前正在进行的研究工作,针对当前交流电压作用下电荷积聚和放电特性研究中的关键问题,如电荷测量方法、电荷积聚原因、分布特点、影响因素以及表面电荷与沿面闪络电压的关系等进行阐述,对近年来相关的电荷积聚与放电特性研究进展进行总结,并对下一步的研究工作进行展望并提出建议,旨在为未来交流电压作用下绝缘子表面电荷的相关研究提供参考。

基于绕组热点温度反馈的特高压交流变压器低频加热干燥方法研究

作者：杜志叶；肖湃；郝兆扬；段辞涵；谢齐家

摘要：特高压变压器现场组装完成后,经加热干燥后的油温会影响变压器绝缘安全。针对传统热油循环法在寒冷地区现场加热特高压变压器效率偏低的问题,该文建立典型特高压交流变压器绕组流体-温度耦合数值模型,仿真分析1000kV特高压交流变压器热油循环加热及低频加热的温升规律,提出一种基于低频加热绕组热点温度反馈结果确定散热器油泵开启合理时间的变压器加热干燥方法,通过温升试验验证仿真模型与算法的可行性。

结果表明低频加热配合散热器热油循环技术在7h时刻开启散热器油泵可以大幅缩短加热时间,提升加热效率。研究结果为寒冷地区特高压交流变压器的加热干燥提供了新的解决方案。

温度和频率对环氧树脂/碳化硅晶须复合材料交流非线性特性的影响

作者：陈向荣；黄小凡；王启隆；王恩哲；张添胤

摘要：为了研究不同温度和频率下的交流非线性电导和介电性能,该文制备了纯环氧及不同掺杂质量分数的环氧树脂/碳化硅晶须复合材料,分别使用透射电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、X射线衍射仪、动态热机械分析仪和差示扫描量热仪研究了碳化硅晶须填料的改性效果、试样的断面微观形貌、填料和试样的物相结构信息、试样的热机械特性和试样的玻璃化转变温度,通过介电谱仪偏压模块测试了材料的交流电导率和介电常数,分析了温度和频率对材料交流非线性电导和介电特性的影响。

结果表明：对于相同掺杂质量分数的环氧树脂/碳化硅晶须复合材料,在相同频率下,随着温度的升高,其非线性交流电导率系数减小,非线性介电常数系数、非线性交流电导率开关场强和非线性介电常数开关场强均增大;在相同温度下,随着频率的增加,其非线性交流电导率系数和非线性介电常数系数均减小,非线性交流电导率开关场强和非线性介电常数开关场强均增大。不同温度和频率下的非线性电导特性和非线性介电特性的产生机理分别通过双肖特基势垒模型和界面电荷弛豫模型进行解释。研究结果为EP/SiCw复合材料的高温高频应用提供了实验和理论依据。

典型电场下C4F7N/CO2/O2混合气体工频击穿特性研究

作者：杨圆；高克利；袁帅；颜湘莲；毕建刚

摘要：研究表明O2可以抑制C4F7N/CO2混合气体的分解,从而提升气体工程应用可靠性,但C4F7N/CO2/O2混合气体绝缘特性相关研究较少。为评估O2对C4F7N/CO2混合气体工频绝缘特性的影响,该文搭建了击穿试验平台,获得了典型运行气压、O2含量和电场形式下的工频击穿电压。

结果表明随着气压增加,1mm气隙准均匀电场下的C4F7N/CO2/O2混合气体击穿电压接近线性增长,而在稍不均匀和极不均匀电场下呈现一定的饱和增长趋势,6mm气隙极不均匀电场下则呈现N形变化规律。C4F7N/CO2/O2混合气体击穿电压对较高气压和较长气隙下的极不均匀场敏感度较高,0.45MPa及以上气压下6mm气隙极不均匀电场与1mm气隙稍不均匀电场的击穿电压接近。O2对部分气压和氧气含量下的击穿电压有一定的负面影响,0.15~0.65MPa气压下,分别添加体积分数为4%、2%、8%、4%、8%和8%的O2时,工频击穿电压最多仅下降6.2%。

从工频绝缘设计和提升气体化学稳定性角度考虑,添加2%~8%体积分数的O2是一种可行的三元混合气体方案。

锇掺杂单层SnS2对SOF2和SO2F2吸附特性

作者：桂银刚；陈盈；唐超；陈显平

摘要：基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算,研究了SOF2和SO2F2两种SF6分解气体在SnS2及Osn（n=1~2）掺杂改性的SnS2材料表面的气敏响应。从吸附能、能带结构、态密度、前线轨道等方面,对比分析三种材料分别对SOF2及SO2F2的气敏响应机理。

研究发现,本征SnS2对SOF2及SO2F2的气敏响应特性不佳,但在Os掺杂后,掺杂处成为材料表面的活性位点,有效地提高了两种气体在SnS2表面的气敏响应特性：Osn-SnS2（n=1~2）对SOF2表现出良好的吸附效果,其中Os2-SnS2对SO2F2也具有理想的传感特性。该研究为实验开发用于检测SF6分解气体的高性能气敏传感器提供了理论基础。

绝缘层厚度对高压直流电缆电场和温度场分布的影响

作者：魏艳慧；郑元浩；龙海泳；李国倡；李盛涛

摘要：高压电缆电场和温度场分布是绝缘层厚度设计需要重点考虑的因素。该文建立了高压直流电缆电-热耦合仿真模型;测量并分析电缆绝缘层和半导电屏蔽层的电阻特性和导热特性随温度的变化规律;计算绝缘层厚度对电缆电场和温度场的影响规律,讨论了载流量和敷设方式对不同绝缘层厚度电缆温度场分布的影响。

实验结果表明,随着温度的升高（25~90℃）,XLPE电阻率下降2~3个数量级,半导电屏蔽层则由21.4Ω cm增加至75.5Ω cm;整体上,半导电屏蔽层导热系数约为绝缘层的两倍。将实验参数代入仿真模型,发现绝缘层厚度从20mm增加至35mm时,绝缘层内侧电场降低约34%,绝缘层内外温差增加约54%;随着载流量的增加,绝缘层温差由800A的3.5℃增加到2400A的 31.4℃;三种敷设方式散热效率由高至低依次为隧道敷设、直埋敷设和管道敷设。

纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体驱动 CH4-CH3OH转化制备液态化学品的特性研究

作者：黑雪婷；高远；窦立广；李江伟；陈根永；邵涛

摘要：开发非合成气路线的CH4-CH3OH直接制取高碳液态化学品转化技术可有效规避传统工业中面临的高危反应条件、废水排放、原子经济性低等问题。该文以CH4、CH3OH为原料,采用纳秒脉冲放电等离子体驱动CH4-CH3OH直接合成C2-C4液态产品,主要探究了Ar添加和脉冲上升沿、下降沿对CH4-CH3OH放电中电学特性和转化特性的影响,并进行机理探究。

实验结果表明,CH4-CH3OH-H2O体系实验的主要气态产品为H2、CO、C2H6和C3H8,主要液态产品为C2H5OH、C3H7OH。总流速固定时,Ar添加后产生的彭宁电离有利于液态产品的生成,总液体选择性最高为16.4%;在电压和频率固定时,变化六种不同的上升沿、下降沿条件,发现较大的上升沿、下降沿有利于液态产品的生成,当上升沿、下降沿为500ns时,总液体选择性为14.7%。

基于自适应S变换与截断紧致奇异值分解的局部放电源复杂染噪特征提取方法

作者：宁暑光；何怡刚；程彤彤；隋永波；黄源

摘要：针对局部放电（PD）源信号复杂染噪,导致PD源特征提取较为困难的问题,提出一种基于自适应S变换与截断紧致奇异值分解（TCSVD）的PD源复杂染噪特征提取方法。首先,对S变换进行了优化改进,应用于PD源获取时频域矩阵,自适应的滤除窄带干扰信号,提取局部放电有用时频信号;其次,利用紧致奇异值分解对提取的时频矩阵进行分解;然后,提出拟合求导法寻找到奇异值阈值参数并对奇异值进行截断,从而滤除PD源中的白噪声信号;最后,通过理论仿真与现场测试对该文所提出的PD源特征提取方法进行了验证分析。

实验结果表明,该特征提取方法对复杂染噪的PD信号有很好的特征提取能力,能够有效地提取局部放电信号的有用信息。

应用电场强度等效法的特高压交流双回线路双摆防舞器电晕试验及优化设计

作者：刘鹏；郭伊宇；林锐；赵纪倩；全姗姗

摘要：针对一起特高压交流双回输电线路上双摆防舞器电晕放电现象,结合有限元法和电场强度等效法仿真分析并优化了实际线路和单相简化试验布置中双摆防舞器表面电场,获得电晕试验电压并进行电晕试验。

研究结果表明,缩短有效摆臂长度、增大摆锤半径可以有效地提高双摆防舞器起晕电压;原椭球摆锤双摆防舞器未通过电晕试验,建议在保证双摆防舞器总重量一定情况下,可通过缩短有效摆臂长度,采用大尺寸空心球形摆锤方案调整其电场特性。优化后双摆防舞器已通过三相带电运行试验,无电晕放电现象。该研究成果可为线路金具设计和制造提供指导。

用于覆冰环境测量的旋转多导体直径选择方法研究

作者：韩兴波；吴海涛；郭思华；蒋兴良；王钰洁

摘要：覆冰严重威胁输电线路的安全稳定运行,获得实时的覆冰环境参数,开展覆冰预测研究是输电线路防冰、减灾工作的基础。旋转多导体法是一种常用的覆冰环境参数测量方法,但该方法在导体直径选择上一直没有完善的理论依据。

该文根据旋转多导体法基本原理,建立旋转多导体覆冰增长计算模型,对旋转多导体表面的水滴碰撞、冻结等过程进行数值模拟,分析旋转导体在不同直径、不同环境条件下的覆冰增长规律,量化各环境参数对旋转导体覆冰增长速率的影响特性,提出一种可靠的旋转多导体直径的选择方法。

结合仿真结果得出：不同环境条件下不同直径旋转导体间的覆冰速率差异性不同,多导体直径选择需兼顾的主要条件为最大化不同直径导体间的覆冰速率差异,使得导体覆冰速率能随覆冰环境参数的改变而灵敏变化。

12kV真空灭弧室触头合闸冲击下疲劳寿命研究

作者：董华军；李东恒；钟建英；朱晔；郭方准

摘要：真空灭弧室合闸过程中,触头往往会承受较大的合闸冲击,在多次合闸操作后,触头极有可能产生疲劳破坏,从而影响真空灭弧室的工作性能。该文建立VS1型真空断路器操动机构动力学仿真模型,对断路器合闸过程中动触头动态特性进行计算;并利用三维非线性显示动力学分析软件LS-DYNA对杯状纵磁触头合闸冲击碰撞过程进行模拟,得到触头结构在合闸冲击作用下各时刻的应力应变结果;在nCode软件中建立真空灭弧室触头结构疲劳寿命分析流程,对触头结构疲劳寿命危险区域进行预测,并对支撑盘结构进行优化以提高触头结构疲劳寿命。

结果表明：在冲击载荷作用下,杯状纵磁触头杯指及触头片开槽处会产生应力集中现象,易发生破坏;三种支撑盘结构中,凸台型支撑盘能使触头结构应力分布更加合理,可有效提高触头疲劳寿命。