抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第16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。

大容量电力电子装置技术与应用专题

大容量电力电子装置技术与应用专题特约主编寄语

作者：阮新波教授；杨旭教授

混合式隔离型模块化多电平变换器

作者：林霖；裴忠晨；蔡国伟；刘闯；裴勇

摘要：基于模块化多电平变换器（MMC）的电力电子变压器（PET）因其多端口接入、模块化结构、易实现电压拓展、输出波形质量高等优点受到广泛关注。但由于该PET中压交流侧电压由中压直流母线产生,使其中压交流端口电压始终限制在中压直流端口电压以下。该文结合模块化拓扑结构与单级式功率变换思想,提出一种混合式隔离型模块化多电平变换器（HI-MMC）。首先,分析HI-MMC结构以及组成HI-MMC两种隔离型子模块的拓扑结构及调制策略,通过不同子模块的组合配置可使HI-MMC突破交/直流电压比的限制,实现各端口电压等级的灵活设计;同时,所提出的HI-MMC还具有单级式功率变换、控制系统简单、节约电容等优点;其次,研究不同电压比下各类子模块相应的配置方案,并建立单相HI-MMC系统平均等效模型;最后,通过搭建的一套10kW实验室HI-MMC样机验证了所提拓扑结构的有效性。

面向交直流混合配电应用的10kV-3MV·A四端口电力电子变压器

作者：高范强；李子欣；李耀华；王平；袁宇波

摘要：电力电子变压器是交直流混合配电系统中实现交直流电能变换与管控的核心设备,该文以应用于苏州同里交直流混合配电系统中10kV-3MV·A四端口电力电子变压器样机为对象,考虑示范工程中多电压等级的交直流设备接入需求,针对交直流混合配电接入的复杂应用场景,在电力电子变压器样机的电路拓扑设计和分布式控制技术方面开展研究,提出一种适用于多端口、直流真双极的电路拓扑及其端口协调控制策略。示范工程现场测试结果验证了该文中电力电子变压器样机设计能够满足交直流混合配电系统复杂应用需求,对于电力电子变压器在交直流混合配电网中推广应用及发展具有重要意义。

全桥三电平DC-DC变换器优化控制策略

作者：李伟；王辉；黄守道；吴轩

摘要：针对全桥三电平（FBTL）DC-DC变换器两个占空比协调优化控制、传输功率太小以及钳位电容电压平衡等问题,该文提出一种基于查表法的FBTL DC-DC变换器优化控制策略。首先,详细分析FBTL DC-DC变换器输入、输出特性,并设计一种钳位电容电压自平衡调制策略。其次,在所设计的钳位电容电压自平衡调制策略基础上,提出一种抗钳位电容电压扰动控制策略,并根据钳位电容输入功率差与电压最大调节能力的关系计算出占空比必须满足的条件。然后,建立一种以变压器输入电压谐波为目标函数,功率传输能力、钳位电容电压调节能力等为约束条件的优化模型,进而得到FBTL DC-DC变换器的优化控制策略。优化占空比离线计算,然后存储在数字控制系统里,控制时直接采用查表法得到最优占空比。所提出的方法无需变换器精确模型,控制过程简单、高效,控制效果优于传统控制策略。最后,在Matlab/Simulink平台和一台实验样机上验证了所设计的优化控制策略的正确性和有效性。

多电平均压型直流变换器输入电流纹波抑制策略

作者：倪梦涵；杨晓峰；王淼；李世翔；郑琼林

摘要：多电平均压型直流变换器（MVBDC）在中高压直流变换领域具有良好的应用前景,然而随着电平数的提高,MVBDC中谐振单元数目增加,易引起较大的输入电流纹波,进而影响变换器效率和器件寿命。该文以常见的耦合型和解耦型MVBDC为例,在分析MVBDC输入电流纹波与各级谐振电流之间关系基础上,提出一种输入电流纹波抑制策略。通过调整各谐振电流之间的相位,可有效降低MVBDC输入电流纹波、提高变换器效率。最后,通过搭建仿真模型和实验平台验证了上述理论分析的正确性和有效性。

改进互联通信荷电状态下垂控制及功率均衡优化

作者：柴秀慧；张纯江；柴建国；赵晓君；焦猛

摘要：作为直流微电网中不可或缺的组成部分,分布式直流储能系统起着平抑系统能量波动、维持系统功率平衡的重要作用。为了提高储能系统工作的可靠性,该文对互联通信荷电状态（SOC）下垂控制策略进行深入研究。首先,对传统互联通信SOC下垂控制的系统性能及存在的问题进行分析,为之后控制策略的改进奠定基础;其次,提出改进互联通信SOC下垂控制策略,即在传统互联通信SOC下垂控制基础上引入变化系数;再次,通过对改进互联通信SOC下垂控制系统性能的分析,得到变化系数参数设计方法,在提高系统功率收敛速度的同时,限制功率输出最大值,从而提高系统可靠性;最后,对由两台储能模块构成的储能系统进行仿真和实验,实验结果验证了改进策略的快速性及对输出功率的限制。

一种无需高带宽通信线路的高精度自主均流控制策略

作者：支娜；丁可；黄庆辉；李武华；张辉

摘要：直流微电网并联系统多采用下垂控制实现功率分配,但线路阻抗的存在会降低其分配精度,传统均流策略基于高带宽通信网络采集电压或电流信息实现功率补偿,制造成本偏高、可靠性较低,同时通信线路存在通信延时,会对均流效果产生影响。为实现直流微电网并联系统变换器输出功率自主均分控制,提出一种无高带宽通信线路的直流微电网并联光储变换器均流策略。该策略通过分析恒压运行模式与下垂运行模式下,线路阻抗对并联变换器功率分配特性的影响规律,设计虚拟阻抗补偿环节,根据变换器自身输出电气特性,对变换器输出功率进行调节,实现输出功率的自主均分。仿真和实验结果表明,所提控制策略能够提高并联变换器的功率自主分配精度。

大容量交流电弧炉柔性供配电方案控制策略

作者：赵崇滨；姜齐荣；郭旭；刘东

摘要：合理化供配电技术是调控大容量交流电弧炉负载能量平衡的关键。含模块化电力电子功率单元的柔性供配电方案可显著减轻交流电弧炉运行对系统电能质量的影响,通过改进其多环节控制策略可以进一步提高交流电弧炉冶炼的性能并降低对系统的频率冲击。首先,该文提出功率单元逆变级采用电流控制模式取代电压控制模式与固有电极调节配合,提升控制系统带宽;其次,设计该方案针对多种运行工况的控制策略,增加其实际应用的灵活性与面向系统的友好性;再次,改进逆变级调制策略以抑制潜在的高频共模电流风险;最后,根据实际参数仿真验证了多种控制策略的有效性,可充分发挥所提方案电力电子主导的软硬件优势。

一种适用于配电网的新分布式潮流控制器拓扑

作者：唐爱红；翟晓辉；卢智键；郑旭；徐秋实

摘要：常规分布式潮流控制器（DPFC）需通过3次谐波电流以实现串联侧与系统的有功功率交换,串联侧所在支路首末端分别需△/YN、YN/△联结型变压器,因此在配电网中的安装地点受到一定限制。为此该文提出一种适用于配电网的新DPFC（NDPFC）拓扑;分析NDPFC工作原理,应用配电网典型系统验证其潮流调节范围与调控特性;此外,研究NDPFC串并联侧电磁暂态数学模型,为提高鲁棒性与控制精度,提出一种采用三环控制的串联侧Ⅰ、Ⅱ控制策略;最后,在不同配电网场景下,通过仿真验证了NDPFC可实现配电网综合潮流调控、补偿三相不平衡、促进新能源消纳,有效地提高了配电网电能质量。

不平衡电网电压下基于模块化多电平变流器的统一电能质量调节器的微分平坦控制

作者：江畅；程启明；马信乔；赵淼圳

摘要：电网电压不平衡时,电流电压波动较大,基于模块化多电平变换器（MMC）的统一电能质量调节器（UPQC）采用简单的PI控制难以调节电能质量。针对MMC-UPQC在电网电压不平衡的运行状态,提出一种基于正负序分离MMC-UPQC的微分平坦控制（DFBC）方法,它能够综合治理电压和电流的电能质量问题。首先,根据MMC-UPQC的拓扑结构,建立其在不平衡电网下的数学模型,分析MMC-UPQC的内部特性,验证MMC-UPQC的平坦性和稳定性;然后,根据正负序分离方法,采用无需锁相环方法对检测量进行分离,基于微分平坦控制理论,搭建结合前馈参考轨迹和误差反馈补偿的微分平坦控制器,并将其应用到多电平、高电压的MMC-UPQC电能质量补偿系统中,综合解决电网电压不平衡状态下的电网电能质量问题;最后,通过实验验证了基于所提微分平坦控制器的MMC-UPQC系统解决电压暂升、暂降和注入谐波问题的有效性和优越性。

大容量DC-DC变流器输出阻抗特性分析及应用

作者：彭方成；范学鑫；王瑞田；刘金辉；陈金萌

摘要：舰船低压变配电系统中的大容量电力电子设备级联后,可能由于阻抗不匹配而导致电压振荡失稳。为了探究影响电力电子级联系统静态稳定性的因素,该文针对大容量DC-DC变流器进行建模和阻抗特性分析。首先,基于开关网络平均法建立变流器的小信号模型,推导出相应的输出阻抗模型。在此基础上,根据阻抗比判据进行稳定性原理分析,明确变流器输出阻抗幅值的峰值是造成阻抗不匹配的主导因素。进一步地,通过探究不同运行模式下变流器控制方式、控制参数和滤波器参数对输出阻抗幅值的影响,为改善系统静态稳定性找准优化的方向。最后,通过PSCAD/EMTD仿真和试验验证了该文稳定性分析的正确性。

基于电压和电流特征的双馈风电变流器功率器件开路故障综合诊断

作者：李辉；杨甜；谭宏涛；周芷汀；郑杰

摘要：变流器功率器件开路故障监测与识别对提高双馈风电系统智能运维至关重要。针对现有基于变流器电压或电流单一特征以及固定阈值的方法难以同时实现功率器件故障诊断监测与识别问题,该文提出一种基于变流器直流母线电压的故障监测与基于转子电流故障识别的综合诊断方法。首先,理论分析变流器功率器件开路故障对直流母线电压的影响,基于累积和（CUSUM）算法,提出基于直流母线电压特征的故障监测方法;其次,针对转子输出电流非平稳特性和阈值固定问题,提出基于归一化输出电流平均值和绝对平均值为故障特征量及自适应阈值的故障识别方法;最后,仿真模拟不同功率器件先后开路,验证所提方法的有效性,以风速随机及电网电压跌落为场景验证所提方法的鲁棒性。同时,以功率器件典型开路故障实验数据验证仿真分析的准确性。仿真与实验结果表明,所提方法能准确实现变流器功率器件开路故障诊断。

高功率密度SiC静止无功补偿器强迫风冷散热综合建模及优化设计方法

作者：林弘毅；伍梁；郭潇；陈国柱

摘要：为了提高大功率高功率密度电力电子装置热设计的准确性和设计效率,该文综合热传导、对流换热与流体力学理论,针对电力电子装置的典型强迫风冷散热系统,提出基于截面积二次方根为无量纲特征长度的综合热模型,并提出一种强迫风冷散热系统体积最优的优化设计方法。以380V/50kvar高功率密度静止无功补偿器（SVG）为例,比较所提出的综合热模型与温升实验的热阻,综合热模型平均热阻误差在7%以内,即在SVG满载运行时,散热器平均表面温升的绝对误差ΔTe在1.3℃以内。该文提出的综合热模型相对于传统热模型精度提升62%,证明了综合热模型的准确性。基于所提出的优化方法设计的散热系统体积4.03L,对比传统方法设计的体积5.7L,体积缩小30%,从而证明了该文提出优化设计方法的可行性。

电工理论

频域反射法中阻抗变化类型判断技术

作者：饶显杰；周凯；黄永禄；李明志；李蓉

摘要：利用行波的反射可以有效地探测电缆的局部缺陷和故障等阻抗异变点,反射波的传播距离和极性可分别用于定位阻抗异变点和判断阻抗异变点的类型。频域反射（FDR）技术是识别电缆中反射波的有效手段之一,但是现有FDR技术仅能计算反射波的传播距离,而不能判断波形极性,因此,该文提出一种FDR的波形极性判断技术。首先阐述FDR中反射波的识别原理,将Hanning自卷积窗的快速傅里叶变换插值算法用于FDR中反射系数谱分析,对FDR测试下限频率和频变波速造成的相位偏差进行修正,得到频率值和修正后的相位值用于计算反射波的传播距离和判断波形极性;然后对单反射波和多反射波的电缆模型进行仿真,检验该技术的可行性;最后在实验室105m长的10kV交联聚乙烯电力电缆上制作阻抗异变点对该方法的准确性进行验证。仿真和实验结果表明,该文所提方法可以有效获取FDR中反射波的传播距离和极性。

基于空间域谐波控制的电磁超声Lamb波模态抑制方法

作者：翟国富；李永虔；刘玥怡；秦伊人

摘要：电磁超声换能器（EMAT）激励的Lamb波中经常存在多种模式,给波形分析造成困难,甚至会干扰对缺陷信息的判断,从而导致误判。常规的EMAT线圈空间波数谱中含有谐波,谐波是造成多模式现象的重要原因。该文提出试件涡流密度分布（洛伦兹力分布）相当于对线圈电流密度分布的空间低通滤波,通过对线圈空间域进行有效设计从而抑制空间域谐波,进而实现激发单波数正弦形式的涡流密度分布。结合正弦脉冲宽度调制（SPWM）技术的特点,提出将时域中的SPWM技术应用于空间域以实现线圈参数设计。通过建立有限元仿真模型,仿真证明了正弦形式的涡流密度空间分布可以被激励。该文以激励S0模态Lamb波为例进行实验,实验结果表明,由波数谱中的3次谐波激励的A0模态被极大地抑制,抑制比为21dB。

电机及其系统

基于V型三段磁极错位削弱永磁直线电机推力波动的方法

作者：兰志勇；谢斌；祝涤非；金维宇

摘要：6槽7极单边平板型永磁同步直线电机（PMLSM）运行过程中会产生推力波动,导致机床加工精度变差。针对此问题,提出一种将磁极错位与V型磁极相结合的优化方法来改善其性能。首先采用许克变换法对端部磁场进行分析,得到由端部效应引起的总推力波动解析表达式,再对解析式中傅里叶系数进行分析,得出端部效应引起推力波动的主要谐波次数;然后通过对多种永磁体结构进行有限元仿真,由力特性得出采用V型三段错位磁极的方法,当两端磁极与中间磁极所产生的谐波相位互差90°时可有效削弱推力波动;最后根据此方法制作样机。有限元结果及样机实验验证了此方法的可行性,对单边平板型PMLSM优化设计有着重要的指导意义。

轨道交通车辆永磁同步牵引系统断电区穿越控制策略

作者：张伟伟；肖飞；刘计龙；麦志勤；林克文

摘要：永磁同步牵引传动系统是轨道交通车辆稳定运行的重要组成部分,由于车辆经过断电区时,供电系统会出现短暂失电而引起母线电压突变,对牵引系统造成电流冲击以及LC振荡,甚至触发系统发生重大故障,影响系统运行。为使车辆能够平稳穿越断电区,该文通过建立轨道车辆永磁同步牵引系统穿越断电区的等效电路,推导出系统进入断电区前后的数学模型,并在此基础上提出一种通过整流发电稳定母线电压穿越断电区的控制策略,避免关闭牵引系统和断开主接触器,同时降低驶离断电区时母线电压突变,从而减小牵引系统的冲击及振荡。仿真和试验结果验证了所提控制策略的有效性和可行性。

电力电子

基于双输入双向脉冲电压单元的三相航空静止变流器

作者：李尚；葛红娟；尹航；杨帆；Michael Pecht

摘要：该文提出一系列双输入双Buck脉冲电压单元,进一步提出三相双输入航空静止变流器拓扑族。该拓扑族无桥臂直通风险,可以四象限工作,同时实现一个电压周期内负载的五电平输出,有效地减小了谐波含量。该文详细分析拓扑族的四象限工作模态,提出适用于该拓扑族的双载波自适应调制策略,并建立拓扑族的数学模型,推导基于小信号模型的传递函数,进行系统电压-电流双闭环参数设计、动态性能分析等研究。实验结果说明,该文提出的双输入双向脉冲电压单元、拓扑族结构、调制策略具有可行性,验证了三相航空静止变流器数学模型、传递函数、参数设计的正确性,以及系统在负载变化时的快速响应能力。

针对直流偏移和谐波干扰的单相锁相环

作者：曾君；岑德海；陈润；刘俊峰

摘要：针对电网普遍存在的直流偏移和谐波干扰等问题,提出一种基于二阶广义积分器锁相环（SOGI-PLL）的改进型锁相环算法。该方法在前级二阶广义积分器（SOGI）中增加积分支路并且改为固定频率结构,以抑制直流偏移和简化参数设计;在后级锁相环（PLL）环路中引入滑动平均值滤波器（MAF）,去掉比例积分控制器的积分环节,以增强滤波性能和加快动态响应速度。利用伯德图分析和小信号模型推导等方法,指导改进结构设计,确定相应的参数。所提出的改进型单相锁相环技术可以有效地消除直流偏移和高频谐波,同时具备良好的动态性能和稳定性。最后,通过Matlab/Simulink仿真和相关实验验证了该方法的优越性。

高电压与放电

机械式真空直流断路器弧后电流测量研究

作者：程显；徐鹏飞；葛国伟；李鑫；田小倩

摘要：机械式直流断路器弧后特性是表征其开断性能的重要参数。为获得直流开断过程中真空开关弧后电流峰值与时间、电流零点附近的di/dt、du/dt等影响规律,该文首先分析基于电流转移的机械式真空直流断路器弧后电流测量原理,设计机械式真空直流断路器弧后电流测量装置参数,搭建基于强迫过零方式的机械式直流开断实验平台,测量开断电流为1.5kA情况下机械式真空直流断路器弧后电流,讨论换向频率和恢复电压对弧后电流的影响。研究表明,基于电流转移的弧后电流测量装置可以有效测量弧后电流,弧后电流随着换向频率和恢复电压的增大而增大,恢复电压在相位上稍滞后弧后电流约100ns,且换向频率对弧后电流的影响大于恢复电压的影响,为断路器开断性能的优化研究提供了参考。

水中大电流脉冲放电电弧通道发展过程分析

作者：刘毅；赵勇；任益佳；林福昌；李化

摘要：针对基于Braginskii阻抗模型求解电弧通道注入能量时,与实验设置相关的放电系数求解过程复杂,且结果难以准确地反映电弧通道发展特性等问题,该文提出基于电弧通道电压、电流的水中大电流脉冲放电电弧通道发展过程分析方法。采用“活塞”模型阐述通道快速膨胀过程及激波产生机理,提出基于电弧通道电压、电流实测数据剥离电感分量计算注入通道能量的方法,借助能量平衡方程对通道发展过程进行建模分析。与基于传统Braginskii阻抗模型的求解结果对比表明,该文提出的方法可以更准确地描述电弧通道的加速膨胀特性,为深入探究电弧通道的发展机理提供依据。