中国电气工程学报2021「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。

无线电能传输系统异物检测技术研究综述

作者：张献；邢子瑶；薛明；杨庆新；孙于

摘要：近几年,无线电能传输技术发展迅猛,使用过程中安全性要求越来越高。由于其结构上存在耦合气隙,在工作时不可避免地会介入异物。金属异物及生物体异物的介入使系统偏离正常工作点甚至引发安全事故,因此异物检测（FOD）技术受到广泛关注。

该文首先系统地阐述当前国内外无线电能传输系统异物检测技术的相关标准,并进一步指出当前检测标准存在的问题;其次将目前涌现的异物检测技术划分为辅助线圈异物检测技术、系统参数异物检测技术和传感器异物检测技术三大类别,针对每一类技术,分别分析其基本原理、解决的技术问题及检测类别,并对比三类检测技术的特性;最后进一步指出异物检测技术亟待解决的问题,为异物检测技术未来的研究提供方向。

无线传感器网络单线电能传输系统的电磁安全性分析

作者：李阳；李垚；王瑞；翟宇洁；石少博 等

摘要：目前,无线传感器网络最成熟的供电方式是电池供电,但由于该方法需要频繁更换电池,导致供电可靠性变差。单线电能传输可以兼顾传输距离与传输效率,同时具有分布灵活、无方向性的特点,因此可以用来解决无线传感器网络电池供电的问题。

该文针对单线电能传输系统电磁安全性问题,首先建立有电容球、无电容球两种单线电能传输系统模型及人体模型;然后对两种系统模型的电磁安全性进行仿真分析,主要对比研究了二者的空间电磁场分布、空间电磁场强度、体内电场强度和体内电流密度;最后利用实验的方法对仿真结果进行验证。研究表明,与有电容球系统相比,无电容球系统的各物理量数值均小于有电容球系统,其更符合限制时变电场和磁场的安全标准。

基于时域有限积分技术的四级串联快脉冲直线型变压器驱动源电磁特性

作者：邱浩；王曙鸿；孙凤举；王志国；何旭

摘要：快脉冲直线型变压器驱动源（FLTD）感应腔内部结构和媒质分布复杂,支路放电时快速上升沿脉冲将使空间离散更为繁密,导致计算量剧增。该文利用时域有限积分理论首次研究4级串联共用、独立腔体结构MA级FLTD在支路放电时的电磁场分布规律。使用场路耦合将电路中电容元件的放电电流作为激励耦合至三维场模型,使用非均匀网格对FLTD初级感应腔内的关键部件剖分网格进行加密处理,使用表面阻抗边界条件描述良导体以降低求解自由度数量,使用基于等效原理的区域分解算法将4级串联FLTD划分为24个不同的求解子区域。

结果表明,时域有限积分技术可有效分析FLTD初级腔体内脉冲放电瞬态过程,两种感应腔结构的输出性能和电磁场分布基本一致,4级串联共用腔体结构FLTD设计方案可行。

非正弦激励下纳米晶铁心损耗的计算方法与实验验证

作者：孙鹤；李永建；刘欢；万振宇

摘要：为了提高复杂激励下电力电子装置中铁心损耗的计算精度,该文提出两种用于计算矩形波叠加直流偏置激励（即非正弦激励）下铁心损耗的计算方法。

首先,修正延伸到矩形波激励计算的斯坦梅茨公式（RESE）以适应非正弦激励,并推导出相应的计算式。其次,考虑在非正弦激励下,等效电导率ρ的非线性,对铁耗分离法做进一步修正。然后,构建磁滞回线测试平台,在20kHz范围内对日立纳米晶铁心样品FT-3KS（Fe73.5CuNd3Si13.5B9）进行正弦及非正弦激励下损耗测试。对损耗测量结果进行数值拟合,得到各方法的解析计算式。最后,通过实测值与模型预测值对比分析,两种方法的平均预测误差控制在10%以内,验证了上述方法的有效性。

内置式永磁同步电机动态偏心故障下的轴电压解析分析和削弱

作者：赵方伟；王秀和；赵文良；孙玲玲；彭博

摘要：对于变频器驱动的内置式永磁同步电机,大多数研究集中于变频器共模电压对轴承电压的影响,忽略了磁路不平衡导致的轴电压。针对内置式永磁同步电机动态偏心故障下的轴电压,首先,运用解析法推导轴电压的表达式,分析轴电压的特征频率;其次,研究改变转子磁极的极弧系数削弱偏心轴电压的方法;最后,建立4极6槽、2极9槽、4极9槽、8极9槽在内的4台内置式永磁同步电机偏心轴电压模型,进行有限元验证。

仿真结果表明,通过削弱固有轴电压分量可以削弱偏心轴电压,40%偏心度下4台电机削弱效果分别为59.05%、26.90%、43.31%、 22.60%。

二维场计及横向漏电流影响的感应电机损耗与转矩分析

作者：谢颖；毛攀；胡圣明；马泽新；魏静微

摘要：通常中小型电机多应用感应电机,通过转子斜槽的结构达到抑制寄生转矩、电磁振动和噪声等目的,同时斜槽结构会增加转子导条间的横向电流,影响感应电机的起动性能以及电机效率。因此,该文主要研究横向电流对单斜槽感应电机性能的影响,通过总结单斜槽感应电机中横向电流在转子表面的分布规律,提出一种能计及横向电流的2D多截面有限元模型,相比已有计算横向漏电流时的3D模型,有效减少了仿真时间。

通过在转子内建立过渡层的方式,利用多截面有限元的方法等效斜槽感应电机,在2D有限元仿真中考虑横向漏电流,利用此模型预测三相感应电机中横向漏电流对电机性能的影响,通过对Y802-2感应电机内横向漏电流损耗进行仿真,并与三维有限元的损耗值进行对比,验证模型的可行性与有效性,同时利用此模型分析横向电阻值对电机的起动转矩特性的影响。

永磁直线同步电机自适应模糊神经网络时变滑模控制

作者：魏惠芳；王丽梅

摘要：针对永磁直线同步电机（PMLSM）在跟踪不同参考轨迹运动时,易受参数变化、外部扰动以及摩擦力等不确定因素影响而降低伺服性能的问题,提出一种基于自适应模糊神经网络时变滑模控制器（AFNNTSMC）的精密位置跟踪方法。

首先,在PMLSM数学模型的基础上,将时变滑模面引入到传统滑模控制器（SMC）中设计时变滑模控制器（TSMC）。通过调整时变滑模面的斜率,可以在保证鲁棒性的前提下,有效缩短系统状态到达滑动模态的时间,提高系统的响应速度。其次,由于TSMC中斜率值较难获得,因此将其与模糊神经网络相结合设计AFNNTSMC方法。通过采用Lyapounov函数设计自适应律,对时变滑模面的斜率值实时估计并在线调整,保证系统达到最佳伺服性能。最后,在参数变化和外部扰动两种实验条件下,验证所提方法的有效性。

实验结果表明,AFNNTSMC可以有效提高系统的响应速度和位置跟踪精度,对不确定性因素具有较强的鲁棒性。

基于估计位置反馈电流解调算法的改进型高频旋转电压注入无位置传感器控制策略

作者：麦志勤；刘计龙；肖飞；李科峰；郑云波

摘要：高频旋转电压注入法是一种常用的永磁同步电机零低速区转子位置估计方法,其电流解调通常采用同步轴系高通滤波器（SFHF）算法实现,但不足之处在于,不仅电流解调过程复杂,而且位置估计误差随转速的变化而变化。为此,提出一种基于估计位置反馈（EPF）的电流解调算法。

一方面,利用EPF电流解调算法设计高效的位置误差补偿策略,消除转速对位置估计精度的影响;另一方面,采用该电流解调算法后系统具有独立的位置估计环路,通过在位置环采用陷波器（NF）对谐波成分陷波,有效地扩展了位置环闭环带宽,从而提高了高动态加减速工况的位置估计精度。

该文回顾传统高频旋转电压注入法的实现过程,详细介绍EPF电流解调算法以及位置估计误差补偿策略,并分析利用NF对位置环带宽进行扩展的原理。最后搭建永磁同步电机实验平台对所提策略进行实验验证。

基于宽频带同步基频提取滤波器的永磁同步电机转子位置与转速估计

作者：章春娟；王慧贞；刘伟峰；傅子锐

摘要：由于滑模观测器的固有抖振及控制算法延迟、死区效应等非理想因素的影响,估计反电动势信号包含的谐波难以完全消除,已成为影响系统控制精度的主要因素。为了提升表贴式永磁同步电机的转子位置与转速观测精度,该文提出一种宽频带同步基频提取滤波器,提取估计反电动势基波。

在此基础上,提出宽频带同步基频提取滤波器（WSFEF）与锁频环结合的信号处理方法,锁频环（FLL）的应用实现了WSFEF跟踪频率的自适应。构造基于WSFEF-FLL-锁相环（PLL）的位置与转速估计方法,将其应用到滑模控制中,增强了对谐波的抑制能力,提高了转子位置和转速估计的动态性能。仿真和实验验证了所提方法的可行性和有效性。

L-R复合调制T型半桥LCC谐振变换器

作者：袁义生；易尘宇；彭能

摘要：针对宽输出电压范围应用场合下,传统LCC谐振变换器变频调制调频范围宽,而采用定频调制时有软开关范围窄、轻载环流大的问题,该文基于半桥LCC谐振变换器提出一种线性-谐振（L-R）复合调制的T型半桥LCC谐振变换器。

所提变换器通过添加一组Boost桥臂,在传统谐振模态中加入Boost储能模态,使得谐振电流在一个周期内呈线性、谐振型两个状态的变化,提高了传统谐振模式下的电压增益,且具有全负载范围无环流、软开关的特点。所提变换器采用脉冲频率调制-脉冲宽度调制（PFM-PWM）复合调制方式,具有谐振-线性回馈（R-LF）、线性升压-谐振（LB-R）两种工作模式,在较小的频率范围内能够实现宽范围输出,在轻载下能够保持定频PWM,提高了轻载效率。

该文详细介绍了变换器的工作原理,根据时域关系推导电压增益的表达式,最后基于恒流恒压（CC-CV）充电给出设计步骤,搭建一台实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性。

基于电荷泵的燃料电池有源网络升压变换器

作者：唐钧涛；戚志东；裴进；单梁

摘要：高增益DC-DC变换器是燃料电池发电技术的关键环节,有利于改善燃料电池小电压、大电流特性。但是由于传统Boost变换器存在电压增益有限、电感电流纹波大、功率器件应力高的缺陷,无法满足燃料电池发电系统并网运行的需求。

该文提出一种基于电荷泵的燃料电池有源网络升压变换器,将有源网络变换器中输入侧的电感用电荷泵结构代替。该变换器结合电荷泵电压倍增能力强和有源网络结构输入电流纹波小的优势,具有电压增益高、电感电流平均值小、开关器件电压/电流应力低、鲁棒性强的特点。最后搭建一套燃料电池前级功率变换实验样机,验证了变换器的高效率与有效性,当输入电压为20V、输出电流为1.25A时,系统整体效率可以达到94.1%。

带恒功率负载的双极性直流系统稳定性分析及其有源阻尼方法

作者：游逍遥；刘和平；苗轶如；廖建权；黄远胜

摘要：恒功率负载因其负阻特性,会对直流系统的稳定性产生不利影响,造成系统电压振荡。已有的稳定性研究主要针对单极性直流系统,缺少对双极性直流系统的稳定性分析及控制方法的研究。

该文以采用半桥型电压平衡器架构的双极性直流系统为例,首先,对双极性直流系统的稳定性判据进行阐述;然后,采用状态空间平均法建立电压平衡器的模型,得到其控制对输出电压的传递函数;在此基础上,针对恒功率负载带来的稳定性问题,提出一种基于并联虚拟电阻的有源阻尼控制方法,以改善其稳定性;同时,还利用Lyapunov间接法分析不平衡负载对双极性系统的稳定性的影响,得出双极性系统的稳定性由系统的总输出功率决定的结论;最后,由仿真和实验验证了所提的双极性直流系统稳定性分析方法和有源阻尼方法的有效性。

一种基于开关电容的九电平逆变器

作者：陈思哲；徐梦然；范元亮；常乐；杨苓

摘要：基于开关电容的多电平逆变器具有电路拓扑简单和电容电压自动平衡等优点。然而,现有开关电容型多电平逆变器存在元器件数量较多和电压应力较大等缺点。

针对这些问题,该文提出一种九电平逆变器,该电路通过较少的元器件数量和较低的元器件电压应力实现了4倍升压的九电平输出,具有较低的成本和较小的体积;结合最近电平逼近法和基频调制策略来产生开关控制信号,通过开关管的有序通断实现良好的交流电输出。对九电平逆变器的工作原理、调制策略和电路参数等方面进行详细分析,最后搭建一台样机进行实验,证明了所提出电路的有效性和可行性。

用于谐波劣化分析的并网逆变器阻抗灰箱拟合方法

作者：吴滨源；李建文；李永刚；王月；孙伟

摘要：大规模分布式新能源经逆变器接入配电网,并网逆变器与弱电网间形成复杂交互,谐波劣化问题凸显。谐波劣化分析的关键之一是并网逆变器阻抗模型的建立。白箱阻抗建模需要结构、参数、控制方式等内部信息,黑箱阻抗建模结果一般无物理意义,两种建模方法均存在应用缺陷。

为弥补二者的不足,该文以白箱阻抗建模的结果为求解目标,以黑箱阻抗建模的方法为求解途径,通过有理函数逼近算法灰箱拟合并网逆变器阻抗传递函数。首先通过双模式扰动获取离散阻抗数据;然后利用矩阵束改进矢量匹配法,实现初始参数的自动获取,缩短迭代计算耗时;再次基于RT-Lab搭建半实物实时仿真平台,通过对比实验验证该文方法的有效性和优势;最后基于阻抗拟合结果开展谐波劣化分析,验证该文方法的实用性。

基于在线扰动补偿的三电平PWM整流器级联式无差拍控制策略

作者：余晨辉；汪凤翔；林贵应

摘要：该文以三电平脉宽调制（PWM）整流器为研究对象,提出一种基于在线扰动补偿的级联式无差拍控制（CDBC）策略。该策略内外环均采用了无差拍控制方式,并建立龙伯格观测器分别对功率模型扰动和负载扰动进行估计和补偿,实现有功功率和无功功率的解耦控制以及系统快速响应。

在参数设计方面,采用极点配置方法整定观测器增益,并引入期望周期数对电压环系数进行调节,从而实现内外环较高匹配性。在稳态和动态条件下,对所提控制策略进行仿真和实验,结果表明,相比于传统的无差拍功率控制（DBPC）,所提控制策略可以实现更加准确的单位功率因数和更强的抗负载扰动能力。

多相交错并联DC-DC变换器单电流传感器控制策略

作者：郭强；李山；谢诗云；杨奕

摘要：针对多相交错并联DC-DC变换器相间均流问题,该文提出一种具有动态均流能力的单电流传感器控制策略。

首先,根据变换器工作模态建立全息数学模型,深入分析造成相间电流不平衡的成因,推导出稳态下各相电流与寄生电阻、负载电流及占空比解析表达式。其次,考虑器件非理想特性,利用恒定占空比交替测试法估算各相寄生电阻;将电压环控制器输出量作为基准值,引入占空比补偿因子实现相间电流均衡。然后,基于系统小信号模型利用频域法对控制环路进行分析,辅助Matlab/SISO设计工具,优化控制器零点位置与环路增益,并利用根轨迹研究负载变化对系统稳定性影响;同时增加负载电流前馈补偿环路以降低输出阻抗,进一步改善系统动态性能。

最后,搭建三相交错并联Buck变换器数字控制实验样机进行稳态与动态测试,其结果验证了所提出控制策略的可行性与正确性。

城市轨道交通直流自耦变压器牵引供电系统故障保护研究

作者：王淼；杨晓峰；李世翔；倪梦涵；郑琼林

摘要：直流自耦变压器（DCAT）牵引供电系统凭借良好的轨道电位和杂散电流治理能力在城市轨道交通领域具有广泛应用前景。然而当直流牵引供电网络发生短路或DCAT自身故障时,传统DCAT由于缺乏故障保护能力,其直流支撑电容和谐振电容可通过故障处放电,进而导致DCAT器件损坏和故障扩散等。

为此该文提出了一种故障保护型直流自耦变压器（FP-DCAT）,在分析FP-DCAT工作原理基础上,研究了FP-DCAT系统的故障机理,并提出相应的故障保护方案。FP-DCAT故障保护后系统仍可正常运行,但轨道电位和杂散电流却可能因故障FP-DCAT切除而增大,因此研究了故障保护对系统轨道电位和杂散电流的影响。最后,仿真结果表明FP-DCAT系统可有效地实现故障保护,且系统轨道电位和杂散电流变化与理论分析一致,确保FP-DCAT系统在城市轨道交通中安全可靠的运行。

高速列车变流器“扫频式”dq阻抗测量中的频率耦合干扰机理及抑制策略

作者：潘鹏宇；胡海涛；肖冬华；宋依桐；何正友

摘要：高速列车以电力电子四象限变流器（4QC）作为能量转换单元,其与牵引供电网的阻抗特性不匹配将导致系统出现低频振荡、谐波放大等现象,影响电气化铁路的安全稳定运行。阻抗测量技术能够有效获取实际工程系统的阻抗特性,有较广的应用前景。

现有研究表明,由4QC控制系统不对称等特性带来的频率耦合效应将干扰“宽频式”阻抗测量结果的准确性,若要避免,可选择“扫频式”的阻抗测量方法。然而,该文发现当采用“扫频式”方法进行4QC的dq阻抗测量时,其频率耦合效应同样会恶化测量结果的准确性,因此,详细分析其干扰机理并提出一种便捷有效的抑制策略。最后,基于Matlab/Simulink及硬件在环测试平台搭建详细的4QC阻抗测量模型,测量结果验证了所揭示的干扰机理及所提出的抑制策略的正确性与有效性。

计及回流系统设备行为过程的钢轨电位动态仿真

作者：刘炜；杨龙；李国玉；李思文；樊国桢

摘要：为控制杂散电流与钢轨电位,钢轨电位限制装置（OVPD）、连接装置（CD）等设备广泛运用于轨道交通运营线路,直流牵引供电系统中的钢轨电位异常问题越来越引起重视。回流系统设备的状态切换会造成钢轨电位动态分布发生显著变化。建立回流系统等效电路模型时不应只考虑正线,也应当考虑段场以及回流设备的行为过程。

为此,该文建立OVPD和段场等效电路的通用模型,并提出计及回流设备行为过程的直流牵引供电计算方法。以某实际地铁工程为例,对运营线路进行仿真,采用该文算法的计算结果与实际工程中的钢轨电位变化过程更加吻合。

在此基础上,讨论分析正线与段场之间的相互影响,结果表明,段场单向导通装置（UCD）的设置无法避免正线与段场之间的相互影响;段场钢轨直接接地更易恶化正线钢轨电位,相较于正线与段场之间采用阻断式连接装置（BCD）的情况下,正线钢轨电位Umax和Umin分别提高34.46%和降低33.97%。

高压复合绝缘子用GFRP材料吸湿特性及湿应力分布数值模拟

作者：侯思祖；钟正；刘云鹏；耿江海

摘要：在我国南方长期高温高湿环境下,外界水分逐渐侵入复合绝缘子芯棒内部,会造成芯棒酥朽劣化甚至会使整支绝缘子断裂,因此准确模拟及分析水分入侵过程对于解决此类问题至关重要。该文仿真计算外界环境温度分别为10℃、20℃和30℃,相对湿度为90%下高压复合绝缘子用玻璃纤维增强环氧树脂（GFRP）材料的瞬态吸湿扩散过程及材料内部的湿应力变化情况。

结果显示,水分在GFRP材料内部的扩散过程满足Fick定律,且吸湿扩散率和饱和吸湿率均随环境温度的升高而有所增大;在GFRP材料内部纤维分布密集处和纤维-基体界面处存在较大的湿应力和湿失配应力,且其与吸湿量正相关。当饱和吸湿率在0.008%~0.4%时,材料内部最大湿应力可达到48.07~66.06MPa。

进一步研究分析得出,材料内部吸湿和脱湿周期性循环且湿应力水平较高的情况下,易产生微裂纹、微孔洞、纤维-基体界面脱粘开裂等缺陷,并进一步促进材料的吸湿。该文将计算值与已有文献中的试验值进行比较,相对误差在±5%以内,验证了模型的合理性和计算结果的正确性。研究结论对揭示复合绝缘子芯棒酥朽断裂机理、提高复合绝缘子使用寿命具有重要的参考价值。

“快速发展型”放电故障及其对油纸绝缘的损伤特性

作者：魏意恒；杨丽君；徐治仁；杨旭；刘诣

摘要：超、特高压变压器绝缘电场强度接近设计极限,高电场强度下由于局部放电引发击穿的过程具有快速发展的特点。在出厂及交接试验中频繁发生多起“快速发展型”放电故障案例,即从检测到局部放电再到主绝缘击穿或临近击穿仅几分钟,对变压器运行造成极大隐患。

为探究“快速发展型”放电故障形成原因及其对油纸绝缘的损伤特性,该文研究油纸绝缘在极不均匀电场下的U-t特性曲线及电寿命模型,提出采用U-t特性曲线区分“普通型”和“快速发展型”放电故障。研究结果表明,在极不均匀电场下,油纸绝缘的电寿命U-t特性服从反幂函数模型,可采用不同电场区域反幂函数模型中电压耐受指数n值作为两种放电类型的区分依据。

从油纸绝缘的损伤痕迹来看,“快速发展型”与“普通型”放电具有相似处和各自特点：两种放电都会产生电晕和滑闪放电,且伴有白斑和气体产生;不同点在于,“快速发展型”放电发展速度快,对纸板损伤严重,会产生明亮的放电通道和表面的树枝状碳痕,而“普通型”放电发展相对缓慢,且对纸板损伤较轻,只会在针尖处产生点状碳痕。树枝状碳痕是“快速发展型”放电故障的主要特征,其生长分为快速生长和缓慢生长两个阶段,并且符合绝缘材料中电树枝的生长规律。

研究成果可为区分“快速发展型”和“普通型”放电故障提供参考依据,为掌握“快速发展型”放电故障规律并进行有效预警和诊断奠定基础。

微型断路器电寿命评估

作者：何志鹏；赵虎

摘要：由电弧烧蚀触头材料而引起触头失效是导致微型断路器电寿命劣化的主要原因,研究微型断路器电寿命评估方法对提高用电网络安全性和可靠性具有重要意义。该文以额定电流16A的微型断路器作为电寿命试验对象,利用高速摄像机观察触头间电弧的运动过程,从电弧电压中提取反映断路器电寿命退化过程的特征量,研究累积燃弧能量、跌落时间与触头烧蚀量之间的对应关系,并利用这两个趋势特征量构建微型断路器电寿命评估模型。

研究结果表明,电压跌落时间具有随开断次数增加而增大的趋势。利用试验数据对模型评估准确度进行测试,测试结果表明,该文提出的方法适用不同开断电流的情形,可以用于微型断路器电寿命的评估,评估误差在可接受范围内。

脉冲电场提取丹参脂溶性成分

作者：周程；闫泽垚；刘克富

摘要：有效成分的提取是中药制药的关键环节,传统提取方法存在效率低、耗时长的缺点,开展新的中药有效成分提取方法的研究十分必要。该文将脉冲电场（PEF）方法应用于传统中药丹参成分的提取中,以脂溶性丹参酮类化合物丹参酮ⅡA、隐丹参酮、丹参酮Ⅰ为目标提取物,分别对影响提取的主要参数电场强度、脉宽、脉冲数和液料比进行单因素实验分析。在此基础上,利用正交方法获得最优提取条件。

结果显示,在10kV/cm电场强度、1 500个脉冲、5.5μs、20：1液料比、1min处理时间的条件下,与常规提取相比,PEF技术能显著提高目标产物含量（85%）并大大缩短提取时间（min）。在PEF与中等温度（50℃）协同提取条件下,不仅能克服过高的温度带来的热敏性丹参酮的降解效应,也能提高溶质向溶剂的扩散速率和提取效率。PEF高效、无污染,为提取中药成分尤其是热敏性成分提供了新思路,并展现出良好的应用前景。