抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第15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。
高电压与等离子体专题
交直流复合电压下流动变压器油中金属微粒运动规律和局部放电特性研究
作者：姚雨杭；潘成；唐炬；骆欣瑜；夏苏怡
摘要：流动变压器油中自由金属微粒引起的局部放电（PD）特性与其运动规律密切相关。该文利用搭建的变压器油循环流动装置,获得了交直流复合电压作用下流动油中自由金属微粒的运动特性,同时研究了流动油中自由金属微粒引发的PD特性。试验结果显示,在交流电压下PD最剧烈;当复合电压中直流分量增多时,起始放电电压降低,放电重复率、放电量和单位时间累积放电量增大。为分析试验结果,构建了复合电压下的层流固-液两相流模型,仿真得到自由金属微粒的运动轨迹,仿真结果显示在交流电压下微粒只在下电极附近上下往复运动,并频繁与电极发生碰撞;外施电压含有直流分量时,微粒在上、下电极间往复运动,且落点间距随着直流分量的增加而变窄,仿真与实验结果具有较好的一致性。最后,该文根据验证后的仿真模型,分析了金属微粒运动对PD特性的影响机制。
微型射频离子推力器放电等离子体全局模型仿真研究
作者：李亦非；付宸聪；蔡国飙；王伟宗
摘要：微型射频离子推力器具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大、性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一。射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关。该文建立了多软件联合仿真的射频离子推力器放电等离子体全局模型,对所设计放电室内径为40mm的微型射频离子推力器开展了包含电磁场、温度场、电路、等离子体化学反应的多物理场耦合仿真分析,并研究了等离子体放电特征参数及推力器性能参数随输入功率、屏栅电势、工质流量及射频频率等因素的变化规律。结果表明,所建立的全局模型计算结果与实验数据吻合良好,输入功率、屏栅电势、工质流量是调节微型射频离子推力器性能的主要因素,该研究为综合调控微型射频离子推力器的工作性能奠定了良好基础。
电场不均匀系数对SF6/N2混合气体负直流电晕电流脉冲特性的影响
作者：何彦良；丁未；孙安邦；张冠军
摘要：为了研究SF6/N2混合气体负直流电晕电流脉冲特性,建立SF6/N2混合气体二维轴对称针-板几何模型,对不同电场不均匀系数下的负直流电晕放电进行了仿真计算。通过将放电过程中正离子、负离子和电子的连续性方程与泊松方程耦合,研究负电晕电流脉冲的形成机制,分析了电场不均匀系数对带电粒子变化过程和电流脉冲特征参数的影响,并通过针-板模型电晕放电实验平台验证了仿真模型的有效性。仿真结果表明,电流脉冲形成过程中,电子数密度远小于离子数密度,且正离子数密度大于负离子数密度;每个电流脉冲对应一个负离子云的形成和迁移,随着电场不均匀系数减小,由于针电极和负离子云之间的静电排斥,负电晕会呈现先偏离针尖发展、而后又向针尖回移的趋势;电流脉冲幅值整体呈增大趋势,初始电流脉冲宽度增大,脉冲上升时间和下降时间增长,同时脉冲重复率减小。
不同类型电源激励下HMDSO添加比例对Ar介质阻挡放电特性的影响
作者：张龙龙；崔行磊；刘峰；方志
摘要：绝缘材料表面湿闪、污闪会对电力系统安全带来隐患。利用低温等离子进行疏水改性,可降低水滴在绝缘材料表面的浸润程度,抑制其吸附污渍、粉尘,进而提高耐湿闪、污闪等沿面耐压能力。为此,可在放电气体中添加疏水反应媒质,在材料表面引入相应疏水性基团,提高其疏水性。该文在Ar大气压介质阻挡放电（DBD）中添加六甲基二硅醚（Hexamethyldisiloxane, HMDSO）作为疏水反应媒质,研究高频、微秒脉冲和纳秒脉冲电源激励下HMDSO添加比例对DBD光学和电气特性影响规律。结果表明,不同电源激励下DBD均呈现丝状放电模式,尤其纳秒脉冲DBD放电区域中出现明亮的放电细丝,添加HMDSO后,DBD均匀性得到改善。高频和微秒脉冲激励下,HMDSO的添加会导致放电电流减小,发射光谱强度降低,放电减弱,而纳秒脉冲激励下放电电流和发射光谱强度先增加后减小,在添加比例为1.5%时,放电电流和发射光谱最大,放电最强。采用等效电路模型计算相应的能量效率,高频DBD能量效率最低,约为20%;纳秒脉冲DBD能量效率最高,约为70%,HMDSO添加对DBD能量效率影响不明显。三种类型电源相比,纳秒脉冲电源激励下放电强度和能量效率最大,在合适的HMDSO添加比例下产生活性粒子的能力更强,可为疏水改性提供更加有利的条件。
大气压低温等离子体射流制备刺激响应型凝胶
作者：石富坤；郭雨怡；王群；Juergen F. Kolb；庄杰
摘要：利用大气压低温等离子体射流直接处理甲基丙烯酸-2-羟乙酯（HEMA）与甲基丙烯酸二乙氨基乙酯（DEAEMA）单体的混合液从而得到刺激响应型凝胶。这种等离子体聚合凝胶的产生无需偶联剂或引发剂。X射线光电子能谱仪（XPS）分析结果表明这种等离子体聚合凝胶保留了两种单体的功能团。接触角和表面能的测量计算说明这种凝胶具有可稳定保持的亲水性。电阻抗谱分析显示这种凝胶具有可逆pH响应特性。体外细胞毒性实验证明凝胶具有良好的生物相容性和安全性,可以显著增强骨肉瘤细胞MG63的贴附和增殖。
环保型罐式多断口真空断路器均压配置研究
作者：程显；杜帅；葛国伟；田小倩；陈辉
摘要：环保型罐式多断口真空断路器是未来高压真空断路器的发展趋势之一,但目前对罐式多断口真空断路器的均压配置问题研究不足。该文建立罐式多断口真空断路器三维电场模型,对比分析了罐式与传统柱式真空断路器的结构电压、电场分布和等效电容参数的差异,发现罐式结构对地杂散电容增大造成其电压分布更加不均匀。研究了罐式多断口真空断路器的单边、 双边、三边和圆筒状的不同均压电容配置结构对断口间电压分布、罐体内部电场强度的影响规律。研究表明：不同均压配置结构的断口间均压效果由优到差依次为圆筒状、单边、三边、双边,圆筒状均压配置金属连接件处最大电场强度为3kV/mm,远小于其他方式的15~20kV/mm,该研究为罐式多断口真空断路器均压配置提供了参考依据。
基于直流辉光放电等离子体的气体压力传感器
作者：李帆；罗海云；杜娟；聂超群
摘要：研究了一种基于直流辉光放电等离子体原理的气体压力测量方法,设计了一种等离子体压力传感器,并对该传感器的放电维持电压与气压之间的关系进行了稳态及动态标定实验。稳态标定实验结果表明,50μm 间隙适用于气压量程0.4~2.0atm(1atm=101325Pa),220μm 适用于气压量程0.5~5.0atm,此时电流选取在3.0~5.0mA之间。动态标定实验在激波管实验台上进行,结果表明等离子体压力传感器和参考Endevco压阻式传感器的上升时间基本一致,均为1μs;且通过计算动态传递函数可得,该等离子体压力传感器及其电源、电子电路系统的固有频率为146.6kHz,未来可以为航空发动机、冲压发动机严苛高温环境及超高速流动中的高频压力脉动信息的获取提供支撑。
局部过热下C3F7CN/EP气固绝缘系统劣化特性
作者：曹人杰；王璁；屠幼萍；张颖；艾昕
摘要：C3F7CN/CO2混合气体被认为是当前最具潜力的SF6替代气体。研究局部过热缺陷下环保型气固绝缘系统的劣化特性,可以为环保型气体绝缘电气设备的运维提供参考。该文搭建了局部过热模拟试验平台,开展C3F7CN/EP在不同温度下的劣化试验,获得气体分解产物随温度和时长的变化特性、EP表面物化特性和C3F7CN/EP气固绝缘系统劣化后的电气特性。结果表明：局部过热分解产物主要有CF4、CHF3、CF3CN、C3H3F3、C3F6、C2N2、C2H6、C2F4、C3F8,625℃下局部过热10h后混合气体的击穿电压下降了20.38%;环氧树脂在105℃时不分解,279℃时开始分解,400℃和625℃时完全被破坏,环氧树脂表面发生了C-C、C=C、C-O键的断裂;相比未老化试样,279℃时环氧树脂试样的冲击闪络电压下降了约6.4%;局部过热后主要气体分解产物的相对绝缘强度比C3F7CN略差;基于密度泛函理论（DFT）分析了C3F7CN/EP劣化机理,EP表面的C链在局部高温的作用下断裂,带隙减小,电导率增大,闪络电压下降;提出C3H3F3气体可作为诊断C3F7CN/EP绝缘系统过热分解的特征产物。
电机与电器
永磁同步直线电机无模型电流控制
作者：苏光靖；李红梅；李争；周亚男
摘要：为改善永磁同步直线电机的动态响应性能,提高电机控制系统的鲁棒性,针对传统永磁同步直线电机PID控制方法中参数不确定性导致的控制不稳定问题,提出一种无模型电流控制方法。该文基于超局部模型设计永磁同步直线电机控制系统的无模型电流控制器,分别搭建PID控制和无模型电流控制系统,在此基础上进行稳态运行、负载突加减和电机参数摄动的仿真及实验对比。结果表明,所提方法改善了永磁同步直线电机控制系统的动态响应性能,对电机参数不确定性具有较强的鲁棒性。
基于转速信号的电机首次安装角度不对中故障检测
作者：杨明；黄旭；任博阳；柴娜；徐殿国
摘要：为了提高电机运行的安全性和可靠性,减少电机首次安装中存在的角度不对中现象,提出一种基于电机转速信号的电机首次安装角度不对中故障检测方法。该方法不需要任何健康数据及历史数据信息,更不需要额外安装振动传感器。该文首先分析了角度不对中故障影响转速信号的机理;然后利用快速傅里叶变换及最小二乘法对转速信号进行处理,根据其二倍转频幅值随转速变化所拟合曲线的二次项系数,并结合S型分布隶属度函数,综合评判电机的首次安装不对中程度;最后搭建了永磁同步电机角度不对中故障的仿真模型和实验平台,仿真及实验结果证明了该方法用于永磁同步电机首次安装角度不对中故障检测的可行性与有效性,具有广阔的应用前景。
电力电子
适用于频变输电线的动态相量谐波分析建模与仿真
作者：解润生；张国荣；高凯；彭勃
摘要：通常采用窗口快速傅里叶变换（WFFT）对电力电子化配电网中快速变化时域波形进行谐波分析,但WFFT易出现误差从而无法准确获得谐波暂态特性。为此,该文提出一种可用于配电网谐波暂态分析的频变输电线动态相量（DP）模型。采用矢量匹配法对模域频变输电线模型中特征导纳和传播系数进行有理函数拟合,在频变输电线状态空间方程表示基础上建立其DP模型,同时对输电线末端晶闸管控制电抗器（TCR）建立DP模型,将TCR与电网间谐波动态耦合描述为以各阶相量为状态量的解析式。基于Matlab对简单测试系统的DP模型进行计算,能够直接分析系统中各节点电压和支路电流的谐波暂态特性,还可获取瞬时电能质量参数。基于EMTP搭建的仿真系统暂稳态结果验证了DP模型的有效性和准确性。
中频圆导线变压器漏感的精确解析计算
作者：尹浩；苏建徽；赖纪东；于翔；金陵
摘要：中频变压器作为反激直流变换器的核心部件,变压器漏感过大时产生的尖峰电压对开关器件的影响是不可忽视的。另外在谐振直流变换器中,变压器漏感需要与谐振电容、频率匹配才能使电路达到理想工作状态。因此,在设计直流变换器时,对变压器漏感进行精确的计算变得尤为重要。现有计算漏感的数值法无法灵活地运用于变压器设计中,解析法得到广泛的推广。目前中频圆导线变压器漏感的解析计算法大多基于面积等效法,但是等效后会使变压器窗口处绝缘区域面积偏大,漏感计算结果不够准确。另外也有对中频圆导线的频率效应进行直接分析,但忽略了匝间的不规则空隙,导致漏感计算结果偏小。为此,该文提出一种更加精确的漏感解析计算方法,不仅对圆导线的频率效应进行分析,而且考虑了匝间不规则空隙,以提高漏感的解析计算精度。最后基于搭建的变压器样机进行实验,验证了所提方法的正确性和有效性。
电力系统与综合能源
基于相位校正李雅普诺夫指数的电力系统暂态电压稳定评估
作者：王长江；姜涛；陈厚合；李国庆；刘福锁
摘要：采用广域测量信息进行电力系统暂态电压稳定评估是实现电压稳定状态在线监测的有效手段,但实测电压时间序列数据的相位变化和测量误差,易造成暂态电压稳定评估结果的误判。为此,提出一种基于相位校正李雅普诺夫指数（PCMLE）的暂态电压稳定评估方法。首先,根据相空间重构理论及节点电压幅值变化率-偏差的变化规律,将暂态电压稳定评估问题转变为关键节点电压幅值变化率的最大李雅普诺夫指数轨迹分析问题;然后,在保留暂态电压动态过程的情况下利用相位矫正方法重构初始时间窗口数据,消除电压相位变化的影响,克服了MLE需预设初始时间窗口和观测窗口长度的缺陷,进一步通过滑动平均值法抑制测量误差的影响;最后,通过修改后IEEE 39和南方电网实际算例的仿真分析,验证了所提暂态电压稳定评估方法的准确性和有效性。
计及线路接头温升约束的受端电网转供优化模型
作者：周念成；兰雪珂；莫复雪；雷超；王强钢
摘要：为缓解高温天气及负荷高位运行情况下线路接头异常温升引起的持续发热,该文提出一种计及线路接头温升约束的受端电网转供优化模型。首先在电热耦合理论基础上分析了线路接头温升等效热模型及其参数估计方法,并以潮流变化量为中间变量,推导了在当前运行点负荷变化时线路接头温升线性方程。然后,结合220kV/110kV受端电网拓扑,构建了潮流转移下的线路接头温升约束,并与有功功率平衡约束、线路最大允许载流量动态约束和电网辐射型结构组成约束集,以电网运行方式调整的开关动作总次数为优化目标,提出计及线路接头温升约束的受端电网转供优化模型,该模型为混合整数线性规划问题,采用CPLEX工具箱进行求解。最后,通过对实际220kV/110kV受端电网进行仿真分析,验证了该模型的有效性。
LCC-HVDC送端电网等值方案研究
作者：高本锋；王刚；刘毅；刘新元；胡永强；郝育黔
摘要：大规模新能源经电网换相高压直流输电（LCC-HVDC）送出时,极易引发送端电网暂态过电压。通过建立LCC-HVDC及送端等值电网电磁暂态仿真模型,可以详细分析其暂态过电压特性,进而优化其控制策略。目前,针对LCC-HVDC送端电网等值的相关研究较少。结合工程需求,给出一种适用于LCC-HVDC送端电网的等值方案。首先,根据主干网各梯级断面点节点残压大小与LCC-HVDC电气耦合强弱的关系,提出一种基于节点残压的内部系统主干网确定方法。该方法在快速确定内部系统范围的同时,可有效避免等值过程中可能因人为因素而引起的等值误差;然后,以梯级断面点为依据划分拓扑区域,以等值前后各拓扑区域电气特性一致为原则,提出内部系统中包括新能源电源在内的等值电源、负荷及变压器等元件的详细参数确定方法;最后,给出LCC-HVDC送端电网多端口戴维南等值方法,简化了外部系统。基于国内某LCC-HVDC送端电网等值方案实际算例,验证了所提等值方案的有效性。
源网荷储多元协调控制系统的研究及应用
作者：孙惠；翟海保；吴鑫
摘要：从传统的“源随荷动”调度模式向“源网荷储多元协调调度控制”模式转变发展,基于此设计源网荷储资源综合管理平台系统。通过接入层、网络层、平台层、应用层四层系统结构构建整个系统,利用海量数据统一管理技术、多源数据统一融合技术、多源数据统一服务技术、资源全息感知与决策等阐述实现源网荷储的各应用场景支撑的关键技术,最终落地试点华东调控分中心通过源网荷储综合资源管理平台接入的各类调节资源,选择国庆期间华东地区新能源消纳形势最为严峻的安徽电网作为试验对象。通过源网荷储综合资源管理平台发布调峰需求,利用电动汽车公司、同里区域综合能源体等资源的可调能力,支援安徽区域的节假日午间新能源消纳,减少电网峰谷差,降低电网运行风险。
多斩波器电流协同控制
作者：邓其军；曾文彬；戴小然；王向东
摘要：在由多个降压斩波器各自驱动独立负载的某军事应用场景中,要求各个降压斩波器的输出电流在启动阶段和稳态阶段均具有良好的一致性。如果不加以控制,电流的一致性会受负载差异和启动通信延时等因素的严重影响。该文基于多智能体协同控制思想设计了一种相邻电流协同控制策略,用相邻电流值实时补偿电流设定值的方式实现了系统的控制目标。通过对实际多降压斩波器系统进行实验,引入工业以太网EtherCAT进行信息交互以满足控制系统的实时性要求,从而验证了相邻电流协同控制算法对解决多斩波器电流协同问题具有良好的效果。
直驱风机惯量支撑与一次调频协调控制策略
作者：颜湘武；王德胜；杨琳琳；贾焦心；李铁成
摘要：在风力发电机传统最大功率跟踪控制的基础上,增加惯量支撑和一次调频功能,可以使风机表现出并网友好型特点。合理设计调频功能的供能方式至关重要,并且不同功能间的协调控制是技术难点。该文针对单台并网直驱风机,在全风速工况下,提出一种惯量支撑与一次调频协调控制策略,通过采用附加功率给定控制,利用风机机械动能实现虚拟惯量支撑,在背靠背变流器直流母线侧配置储能,并结合变功率跟踪控制实现一次调频功能。该策略通过多种能量形式的互补配合,不仅能降低储能配置容量,还可解决频率的二次跌落问题,并避免常规减载预留备用带来的电能浪费、调节裕度不足等问题,从而整体提升风机控制性能和调频经济性。根据相关行业标准,设计了协调策略的逻辑控制原则,以实现电网频率发生波动后不同调频方式间的平滑切换。最终通过搭建四机两区域仿真系统验证了该策略的优良特性。
附加频率控制双馈风电场频率响应特性建模与参数辨识
作者：陈鹏伟；戚陈陈；陈新；陈杰；李朝晖
摘要：随着风电渗透率的增加,风电机组参与电力系统调频已成为间歇式风电消纳的共识。为实现含高比例风电电力系统频率特性的高效准确分析,该文首先建立了附加频率控制下双馈异步风电机组（DFIG）双输入（风速、频率）-单输出（并网功率）频率响应模型,并通过劳斯近似,依次建立了DFIG频率响应4阶和2阶模型;进而针对双馈风电场整体频率响应特性的建模需求,结合矩阵束法和最小二乘法,设计了采用数据重构的双馈风电场频率响应降阶模型参数辨识算法;最后,基于DFIG单机并网系统和含双馈风电场的扩展IEEE 30节点系统,通过对比Matlab/Simulink电磁暂态仿真结果,分别验证了频率响应降阶模型和所提参数辨识算法的准确性和有效性。
基于旁路直流回路的城轨交通再生制动能量调度研究
作者：沈小军；魏鸿扬
摘要：城轨交通已成为城市耗能大户,提升列车再生制动能量的利用率对降低牵引能耗具有重要的意义。该文在分析接触网阻抗影响列车间再生制动能量传输机理的基础上,提出一种基于旁路直流回路的城轨交通再生制动能量管理与利用新思路,建立了一种基于电力电子变换器的旁路直流回路拓扑及其控制策略,并采用情景分析法开展了可行性及有效性验证。案例研究结果表明,提出的旁路直流回路拓扑及控制策略是可行的,可实现再生制动能量利用率约10%的有效提升;与地面储能系统的集成,可减少储能装置充放电次数和充放电深度,延长储能装置的使用周期与寿命。研究成果可为城轨交通再生制动能量管理与利用提供参考。