电工技术学报增刊「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。

近场磁耦合无线电能与信息同步传输技术的发展（下篇）：电路拓扑

作者：李建国；张波；荣超

摘要：近场磁耦合无线电能传输（WPT）近十年以来已取得长足发展,在日常生活中WPT技术随处可见。实际工程应用中稳定可靠的WPT系统的电能发射端与接收端之间不仅需要建立能量传输通道,同时也需要建立数据通信链路以实现闭环控制和信息交互,故实际为电能与信息同步传输（SWPIT）系统。SWPIT系统可在已有磁耦合WPT电路拓扑的基础上,通过添加信息调制与解调电路实现传能与通信。

该文回顾了近场磁耦合无线电能与信息同步传输技术中电路拓扑的发展,针对电路拓扑、信道优化等问题进行分析和归纳,最后展望了SWPIT系统的应用前景与发展趋势。

基于双层正交DD线圈抗偏移偏转的无线电能传输系统

作者：肖蕙蕙；周青山；熊山香；杨奕；谢诗云

摘要：针对磁场耦合式无线电能传输（WPT）系统的线圈偏移和偏转所导致的耦合系数减小及传输能效性下降的问题,面向电动汽车无线充电应用场合,该文提出一种基于双层正交DD（DQDD）线圈的高抗偏移偏转WPT系统,DQDD线圈内部两对DD线圈易于解耦,而且两者激发的合成磁场呈周期性旋转分布,此特征使得DQDD线圈兼具抗偏移和抗偏转性能。

给出了DQDD线圈的空间位置和导磁机构特征参数与耦合系数之间的作用规律,分析水平偏移、垂向偏移和垂向偏转三种情况下线圈互感的变化规律;构建基于双路逆变器-双路整流器的LCC-S谐振电路结构,推导同时具有发射线圈激励电流恒定并且系统输出电压不受负载影响的谐振元件参数配置条件,进而给出系统整体的传输效率。

为了验证所提出的DQDD耦合机构抗偏移偏转性能和系统传输特性,搭建130mm间距的500W样机装置,在水平横向和纵向偏移±150mm,垂向偏转0~90°范围内,样机的耦合系数保持率均不低于40%,系统的传输效率均不低于80%。

基于双边LCL变补偿参数谐振式无线充电系统的研究与分析

作者：王党树；董振；古东明；仪家安；栾哲哲 等

摘要：为了解决无线充电中恒流充电模式向恒压充电模式切换过程复杂、控制电路设计难度系数高的问题,该文基于双边LCL拓扑设计一种变补偿参数的磁耦合谐振式无线充电系统,该系统仅需投切副边额外增加的电感即可完成恒流充电向恒压充电的平滑转换,省去原、副边之间的通信,降低控制电路设计的复杂性,提高无线充电系统整体的效率和稳定性。

该文首先对双边LCL变补偿拓扑进行理论分析,推导得到系统原边恒流、副边恒流恒压的条件;然后通过对系统恒流向恒压切换过程进行瞬态分析,实现切换的平滑过渡;最后对所设计的无线充电系统进行仿真与实验验证。结果表明：该系统可以实现恒流向恒压的平滑切换,且在恒流3A和恒压60V的充电条件下充电电流偏差和充电电压偏差较低,分别为1.65%和1.8%,均满足电池充电要求;并在恒压充电模式下,系统副边谐振网络输出电流波形得到明显改善,波形畸变率由15.43%降到1.24%。

RLS锂电池全工况自适应等效电路模型

作者：郭向伟；邢程；司阳；朱军；谢东垒

摘要：递推最小二乘法（RLS）应用于锂电池这种多时间尺度系统时,会出现模型参数辨识精度低、工况适应性差等问题。为此,以双极化（DP）等效电路模型为研究对象,首先,根据模型参数不同的时变特性,通过分离欧姆电阻的辨识过程,使得RLS需要辨识的参数减少,并降低待辨识参数的相互影响,提高RLS辨识的精度及降低运算量;其次,根据模型参数在线辨识对恒流工况辨识精度低,而离线辨识对恒流工况辨识精度高的特点,提出全工况自适应输出等效电路模型,进一步提高模型精度。

基于实际工况的仿真实验表明,全工况自适应等效电路模型相比欧姆电阻已知的R-DP在线模型及DP离线模型具有更高的精度,能够在模型精度和运行速度之间取得更好的平衡。

一种可用于低真空管道的高温超导无铁心直线感应磁悬浮电机

作者：秦伟；马育华；吕刚；李媛；张洁龙

摘要：该文研究一种适用于低真空管道高速磁悬浮列车的高温超导无铁心直线感应悬浮电机,该电机是一种可以同时提供悬浮力和推进力的一体化电动式磁悬浮系统。首先,介绍该新型直线感应悬浮电机的拓扑结构及其工作原理。其次,采用积分法求解得到电机初级绕组的矢量磁位,以矢量磁位为求解变量,建立该新型直线电机的二维解析模型,得到各子域矢量磁位和磁通密度的数学表达式。在此基础上,研究无铁心初级绕组排列方式、导体板厚度等不同参数对电机性能的影响。最后,通过小型样机实验和有限元仿真计算,来验证解析模型的准确性和合理性。

基于精确子域模型的带护套转子高速永磁电机转子涡流损耗解析方法

作者：佟文明；侯明君；孙鲁；吴胜男

摘要：现有二维精确子域法在计算转子涡流损耗时,为了便于系数矩阵求解,通常忽略涡流反作用的影响。对于高速永磁电机,电枢电流中含有大量的时间谐波,涡流反作用对转子损耗影响大,忽略涡流反作用会严重影响计算精度。该文基于精确子域法,通过在有源区域内求解包含时间导数及导体运动速度的扩散方程,建立了一个考虑涡流反作用和各次时空谐波的高速永磁同步电机转子涡流损耗解析模型。

为提高计算精度,该模型对槽口建立方程考虑槽口对磁场分布的影响。为提高计算速度,利用电机的周期性,建立周期性边界条件。通过该解析模型研究了不同变频器开关频率及气隙长度下,各次时空谐波在转子上产生的涡流损耗变化规律。通过对一台7.5kW非晶合金高速永磁电机进行损耗分离实验,将解析结果与有限元、实验结果对比,证明了所提出解析模型的正确性。

基于温度实验的永磁同步电机损耗分离方法

作者：骆凯传；师蔚；张舟云

摘要：为了研究内置式永磁同步电机在不同工况及不同温度情况下永磁电机各部分的损耗,首先,基于运行参数及温度对永磁电机各损耗进行仿真,并建立基于运行参数及温度的损耗模型。在永磁电机定转子各部分预埋测温元件,采用变工况温度实验进行永磁电机温度及损耗实验。然后,结合电机导热特性及测温元件布置建立永磁电机等效热网络模型,通过永磁电机在不同工况下的温度及总损耗实验结果,采用扩展卡尔曼滤波算法对永磁电机进行各损耗的分离。最后,将分离出来的损耗与实测总损耗和计算损耗模型结果分析进行对比,验证损耗分离方法及基于工况和温度损耗模型的正确性。

采用整流技术的变频供电感应电机转子断条故障诊断方法

作者：王万丁；宋向金；陈前；赵文祥；祝洪宇

摘要：电机定子电流信号易受变频器电力电子开关器件和电磁干扰的影响,现有解调技术又存在计算量大的问题,为此,该文提出一种变频器供电侧电流与整流技术相结合的感应电机转子断条故障诊断方法。

所提方法依据开关函数和调制理论,首先建立了变频器供电侧电流解析表达式。其次利用整流技术对变频器供电侧电流进行处理,将特征频率从传统的边带频率转化为转子断条故障特征频率,有效地抑制了电源基频频谱泄漏的影响,从而实现电机在轻载或空载运行工况下的转子断条故障诊断。最后采集变频供电感应电机不同负载运行工况下供电侧电流数据进行验证。

实验数据分析表明,所提方法能够提取从空载到重载不同运行工况下的转子断条故障特征分量,有较高的稳定性,而且所需计算量少,容易实现。

基于改进正余弦算法优化堆叠降噪自动编码器的电机轴承故障诊断

作者：李兵；梁舒奇；单万宁；曾文波；何怡刚

摘要：轴承是电机的重要组成部分,其故障振动信号存在噪声干扰,导致特征提取困难,堆叠降噪自动编码器（SDAE）通过将输入数据随机置零训练网络可以有效抑制噪声干扰。此外,不理想的超参数组合易引起SDAE诊断性能不佳。因此,提出一种基于改进正余弦算法（ISCA）优化SDAE的电机轴承故障诊断方法。

首先,在改进正余弦算法（SCA）粒子值更新公式中引入非线性惯性权重并对控制参数加入余弦变化构造ISCA,利用ISCA对SDAE超参数自适应选取;其次,利用具有最优网络结构的SDAE模型的无监督自学习特征提取方法提取振动信号特征参数,从而实现更好的故障诊断效果。仿真及现场实验结果表明,该方法收敛速度快、诊断准确率高,而且具有较强的鲁棒性,在电机轴承故障诊断方面具有较好的应用前景。

无刷直流电机无直轴电枢反应的非正弦转子磁场定向矢量控制技术

作者：李珍国；孙启航；王鹏磊；崔屹峰

摘要：该文提出一种考虑非正弦磁场分布特征的无刷直流电机转子磁场定向矢量控制技术,此技术既在无需换相区检测的前提下抑制了转矩脉动,又解决了由于直轴电枢反应造成的助磁和去磁的问题。

为此,首先,通过对比分析不同转子磁场分布下的转子磁链波形,得出在非正弦转子磁场分布下以转子位置角作为旋转角的等功率3s/2r变换不能实现转子磁场定向的结论;其次,通过改变等功率3s/2r变换矩阵中的旋转角,使得变换后转子磁链无q轴分量,从而建立非正弦转子磁场定向坐标系并得出该坐标系下的动态数学模型;最后,理论推导出无直轴电枢反应运行时给定参考转矩下所需的d、q轴电枢电流求解方程,并以此构建出无刷直流电机无直轴电枢反应的转子磁场定向矢量控制系统。所提控制技术通过相应的数字信号处理（DSP）驱动实验验证了其可行性和有效性。

基于改进型降阶观测器的永磁直驱伺服电动机转矩扰动抑制策略

作者：卜飞飞；郭子韬；顾毅君；轩富强；秦海鸿

摘要：由于永磁直驱电机的直驱特性,电机转速平稳性受转矩扰动影响大,低速运行时受齿槽转矩影响,电机转速波动剧烈。该文分析传统比例积分速度控制方法无法兼顾跟踪性能和抗扰性能的缺点。

为此引入传统降阶状态观测器,对转矩扰动进行估计和前馈补偿;分析系统扰动转矩到真实转矩之间传递函数的伯德图及锯齿波响应,根据零极点对消原则对传递函数进行期望设计,引入微分环节对传统降阶观测器进行改进,给出改进观测器的锯齿波响应并证明其补偿响应速度的提升,提出基于引入微分模块的降阶观测器前馈补偿方法。

搭建永磁直驱伺服电动机扰动抑制实验平台,通过仿真和实验验证改进的降阶观测器对补偿谐振的抑制具有良好性能,且抗扰动能力更强,实现较大扰动低速下的稳定运行。

基于在线参数辨识补偿的直线感应电机低开关频率模型预测控制策略

作者：徐伟；董定昊；葛健；李伟业；林国斌 等

摘要：为降低变换器硬件成本及开关损耗,强电流大功率的轨道交通用直线感应电机及驱动系统通常需运行在低开关频率模式下。但是,传统的低开关频率控制方法经常会在引入较为严重的谐波电流和推力波动的同时放大微处理器离散化带来的影响,从而恶化观测器性能。

针对该问题,该文提出一种带在线参数辨识的多步长有限集模型预测控制策略,可有效降低低开关频率下的电流谐波,同时利用高精度参数增强系统的可靠性。首先,采用目标函数带开关项的模型预测控制算法,实现了高采样频率下的低开关频率控制,并借助多步长模式成功抑制了因开关频率降低所引起的谐波含量上升等问题。其次,详细对比分析了两种方法控制下的低开关频率模式对观测器性能的影响。

基于分析结果,同时考虑到轨道交通用直线感应电机中励磁电感受边端效应影响程度较深,进一步综合分析了该模型预测方法的参数敏感性并引入参数在线辨识算法,实现了低开关频率下的励磁电感的精确估计,提高了模型预测控制算法的预测精度和参数鲁棒性,降低了驱动系统的谐波含量。大量仿真和实验充分表明,所提出的方法可很好地实现低开关频率下直线感应电机励磁电感的准确跟踪,配合多步长模型预测控制算法,可对驱动系统电流谐波进行有效抑制。

一种开关频率可控的有限集模型预测控制

作者：陈卓易；屈稳太；邱建琪

摘要：有限集模型预测控制（FCS-MPC）在逆变器控制中具有简单直观、响应快速、易于多目标优化等优点,但无调制器的特点造成逆变器开关频率随工作点、系统参数等多种因素变化。为保留FCS-MPC优点的同时解决开关频率不固定的问题,该文提出一种基于自适应代价函数的开关频率控制方法,通过检测开关频率与参考频率的误差,自动调节开关代价权重系数,实现开关频率对参考值的跟随。通过三相永磁同步电机逆变器驱动实验结果表明,所提出方法可以在全工作范围跟踪参考频率,对系统参数变化具有一定的鲁棒性,同时保留了FCS-MPC的优点。

基于SiC器件的隔离双向混合型LLC谐振变换器

作者：朱小全；刘康；叶开文；蒋黎明；金科

摘要：针对传统双有源桥型直流变换器的软开关范围窄、开关频率低等问题,该文提出一种隔离双向混合型LLC谐振变换器,适用于可再生能源分布式发电系统的储能结构中。在不增加使用额外器件的条件下,通过不同调制方案转换,该变换器可以在全桥变换器、双半桥变换器和单半桥变换器三种工作模式下混合运行。

在变压器励磁电感协助下,三种不同工作模式无论正向或反向运行,均可实现所有开关管的零电压开通,以减少开关管的开通损耗,实现高效的双向功率转换和宽电压增益调节,提高轻载下的变换器工作效率,且三种工作运行模式可以平滑、稳定地过渡切换。最后搭建一台基于SiC器件的800W样机,实验结果证明了该变换器拓扑及其控制方法的可行性、有效性和稳定性。

采用开关电感的Buck变换器CCM和DCM特性分析

作者：祁静静；吴学智；王久和；续文政；刘京斗

摘要：Buck型DC-DC变换器采用开关电感单元后能拓宽电压变换范围且减小器件电流应力,但该文经推导发现,因电感的串并联切换会使等效电流分别为单电感电流的一倍和两倍,导致与负载电流的关系不确定,并使变换器变为非最小相位系统。该文以开关电感Buck变换器（SLBC）为例,在分析工作原理的基础上,指出该变换器在连续导通模式（CCM）下开关电感单元电流与负载电流间存在六种与电感和占空比密切相关的匹配关系,同时存在负调现象。

在断续导通模式（DCM）下开关电感单元电流与负载电流间仅存在一种对应关系,且不存在负调现象。该文分别在CCM和DCM下使用状态空间平均法和全阶模型面积法建立SLBC的小信号模型,表明该变换器存在右半平面零点（RHPZ）,系统特性类似于升压型DC-DC变换器。依据六种电流关系和RHPZ相对位置,给出电感、电容值的最佳选择区域,综合满足稳态纹波和动态响应需求。最后通过实验验证了该文理论分析的正确性。

面向直流储能系统的飞跨电容三电平双向升降压变换器及其模型预测控制策略

作者：樊启高；吕华阳；毕恺韬；庄煜；朱一昕

摘要：光伏系统中直流母线电压受光伏发电端及负载影响变化范围较大,传统储能直流变换器难以适应储能侧及母线侧双端宽电压范围运行。该文提出一种适用于储能系统的飞跨电容三电平双向升降压变换器,该变换器具有对称的拓扑结构,能量向任意方向传递时,均可实现升、降压功率变换,从而解决储能系统在宽母线电压工况下的应用问题。

此外,该文提出基于所提变换器的模型预测控制（MPC）策略,该策略通过建立电感电流的预测模型,引入电感电流和输出电压的双闭环控制,实现稳定输出电压的控制目标。同时,建立飞跨电容的独立预测电压闭环,在保证输出稳压的基础上,实现对双侧飞跨电容电压的独立控制。最后,通过搭建小功率实验平台验证了所提变换器及其控制策略的有效性。

高速磁悬浮牵引系统大功率三电平整流器特定谐波消除脉宽调制策略

作者：赵牧天；葛琼璇；张波；范恩泽；朱进权

摘要：高速磁悬浮列车牵引供电系统采用大功率背靠背三电平有源中点钳位（ANPC）变流器。为在低开关频率下降低网侧电流谐波,基于三相静止坐标系的线性扩张状态观测器（LESO）和比例谐振（PR）控制,提出一种适用于大功率三电平整流器的特定谐波消除脉宽调制（SHEPWM）策略,并设计相应的死区补偿方法。高速磁悬浮列车在运行过程中,定子段换步会造成逆变侧负载剧烈变化,从而引起网侧电流的大幅度改变。

考虑到SHEPWM动态性能较差,提出一种在换步阶段对离线计算的开关角进行在线修正的方法,可提高基于SHEPWM整流器闭环控制的动态调节能力。最后,利用背靠背三电平ANPC变流器实验平台进行实验,验证了SHEPWM提高网侧电流质量的优越性以及所提策略提高SHEPWM闭环控制动态性能的有效性。

面向高峰均比低频脉冲功率负载的脉冲电流补偿器及其控制方法

作者：杨帆；李林；朱建鑫；吴红飞

摘要：高峰均比低频脉冲功率负载给机载交直流电源系统的安全稳定运行带来挑战。该文提出面向高峰均比低频脉冲功率负载的脉冲电流补偿器,利用双向AC-DC变换器和小容量储能电容实现高峰均比脉冲负载电流与交流源输出电流的解耦,同时实现低频脉动电流和高频谐波电流补偿,使得交流源仅需提供平稳的负载平均功率。

为了改善脉冲电流补偿器对脉冲负载电流的补偿精度,减小解耦电容电压在脉冲负载功率突变时的过冲和跌落,提出了解耦电容电压和脉冲电流基准前馈相结合的控制方法。该文详细分析脉冲电流补偿器的工作原理和特性,并通过实验验证了所提出的脉冲电流补偿器及其控制方法的有效性。

微电网低压接口变换器的参数寻优自抗扰控制

作者：陶珑；王萍；王议锋；马小勇；程鹏宇

摘要：混合储能微电网的并、离网模式灵活切换可较好地容纳分布式能源,但在复杂的工况下,其用电端降压接口的电能质量会受到影响。为此,该文提出一种带有参数自寻优的模糊自抗扰控制（FLADRC）策略对传统双闭环PI控制方式的外环进行改造。

首先,根据需求对变换器模型进行分析与化简,并通过状态空间平均法进行建模;然后,依据状态方程包含的模型信息设计了FLADRC的线性扩张状态观测器（LESO）矩阵;之后,在频域分析部分,探究应用FLADRC时的系统性能,从理论上分析FLADRC的跟踪性、收敛性和抗扰性,并基于分析结果给出参数自寻优的模糊逻辑规则;此外,运用李雅普诺夫稳定性理论证明了应用FLADRC时微电网接口变换器的稳定性;最后,在40kW的实验平台上进行实验测试,得到了在多种工况下不同控制策略的动态曲线。实验结果验证了该文所提FLADRC方法的可行性和有效性。

基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应控制

作者：黄仁志；全相军；吴在军；胡秦然；李淑锋

摘要：针对三相逆变器控制,该文提出一种基于多重谐振控制器的参考值前馈自适应控制。首先,基于复变量建立状态空间模型,并设计状态反馈控制,作为功率控制输入,用以改善系统动态响应。同时,设计参考值动态前馈控制,定义动态前馈增益为信号控制输入,创新性地利用积分谐振控制器,自适应调节动态前馈增益,即信号控制输入,从而达到无静差控制。基于根轨迹方法分析整定多重谐振控制参数。该文提出的控制方法是一种新型的多重谐振控制结构,给出一种新的自适应控制思路,且所提控制方法具有良好的电压调节能力,如快速暂态响应、稳态误差小及总谐波畸变率低等。最后,通过实验验证了所提多谐振自适应控制的有效性。

受潮对硅油浸渍绝缘纸的频域介电性能影响

作者：周利军；黎枝鑫；廖维；张俊；王东阳

摘要：硅油作为矿物油潜在的替代品,已经广泛运用在变压器等油浸式电力设备当中。为了研究受潮对硅油浸渍绝缘纸频域介电性能的影响,该文首先通过理论推导提出了一种介电响应测试中电导损耗和极化损耗的分离方法;然后制备了不同水分含量的硅油浸渍绝缘纸样品,对实验结果中的电导损耗和极化损耗进行了分离,并讨论了水分含量对介电响应过程的影响规律;最后通过对数据进行HN（Havriliak-Negami）模型参数辨识,提取了介电特征量与水分含量之间的映射关系。

研究结果表明：不同水分含量硅油浸渍绝缘纸极化损耗曲线均存在损耗峰,随水分含量增加,损耗峰的频段逐渐变宽,且向高频方向移动;所提电导损耗和极化损耗分离方法能够显著提高HN模型数据重构精度;介电驰豫强度Δε、积分特征量S1、S2和水分含量之间满足的函数关系可以为硅油浸渍绝缘纸水分含量评估提供参考。

硅烷偶联剂改性纳米AlN对碳化硅器件封装用有机硅弹体耐电及老化特性的影响

作者：陈向荣；王启隆；黄小凡；张添胤；任娜

摘要：为了研究硅烷偶联剂改性纳米氮化铝（AlN）对有机硅弹体耐电及高温老化特性的影响,该文将纯有机硅弹体及其硅烷偶联剂改性纳米AlN复合材料在250℃高温下热老化500h,对老化前后的试样进行形貌分析、扫描电镜（SEM）断面表征、热重分析（TGA）、直流电导率及去极化电流测试、空间电荷测量、介电谱、直流击穿实验和量子化学计算,并对硅弹体基体和纳米AlN界面在老化过程中的状态变化进行分析,提出热老化前后的界面模型。

结果表明：纯有机硅弹体热老化后热分解产生大量断链和内部微孔,其浅陷阱密度增加;对于纳米复合材料,老化前硅弹体基体与纳米AlN之间存在界面间隙,浅陷阱深度减小;热老化前后的界面状态对硅弹体纳米复合材料的热稳定性和电气性能产生了明显的影响,热老化后硅弹体基体与纳米AlN之间形成化学键和氢键,提高纳米复合材料的热分解温度,也使其深陷阱深度和密度增加。相比于老化后的纯有机硅弹体,老化后的纳米复合材料直流电导率更低、空间电荷积累更少、直流击穿场强明显提升,且质量分数3%纳米掺杂的复合材料具有最好的热分解抑制效果。

研究结果表明,适量掺杂的硅烷偶联剂改性纳米AlN可显著提升有机硅弹体的耐电及老化特性,满足碳化硅器件封装材料长期高温应用的要求。

基于改进Bootstrap-Bayes的电子式剩余电流动作断路器可靠性评估

作者：刘帼巾；王泽；李想；赵兴洲；缪建华

摘要：作为一种高可靠性、长寿命产品,电子式剩余电流动作断路器可获得的试验数据很少。为了对其可靠性进行评估,提出一种基于改进Bootstrap-Bayes的可靠性评估方法。首先,进行温度为加速应力的剩余电流动作断路器的加速退化试验,利用退化数据外推得到伪失效寿命,经检验,电子式剩余电流动作断路器伪失效寿命服从双参数威布尔分布;然后,采用灰色GM(1, 1)模型对试验数据进行扩充作为先验信息,通过马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）算法中的Gibbs抽样结合Bayes公式得到参数估计值;最后,利用Arrhenius加速模型实现正常使用环境下剩余电流动作断路器的可靠性评估。