抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第18期目次及摘要
中国电工技术学会成立40周年华诞
《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。
生物电工技术及应用专题
生物电工技术及应用特约主编寄语
特约主编：张冠军
特约副主编：徐桂芝；姚陈果；刘定新
靶向金纳米棒联合纳秒脉冲电场对体外A375黑色素瘤2D模拟组织的消融效果研究
作者：米彦；代璐健；刘权；张倩；唐均英
摘要：为改善纳秒脉冲电场（nsPEF）治疗肿瘤的电气安全性,在证实靶向金纳米棒联合低强度nsPEF可有效杀伤离体肿瘤细胞的基础上,该文进一步研究该联合治疗方法对体外黑色素瘤2D模拟组织的消融效果。首先,使用叶酸修饰后的靶向金纳米棒结合A375黑色素瘤细胞,并通过暗场显微观察验证了其靶向结合效果。然后,对靶向修饰的A375黑色素瘤2D模拟组织施加不同参数（电压、脉冲宽度和脉冲个数）的nsPEF,通过钙黄绿素试剂进行活细胞染色,在荧光显微镜观察下得到肿瘤细胞的消融图像和消融面积。将Comsol有限元仿真得到的电极附近的电场强度分布结果与消融图像的边界进行拟合,得到不同参数下的阈值电场强度大小。结果表明,在不同脉冲参数下,靶向金纳米棒的加入较单独施加nsPEF时的消融面积增加约11.9%~74.9%,阈值电场强度降低约18.2%~25.0%。该文的研究为靶向金纳米棒联合低强度nsPEF更安全、高效治疗肿瘤的进一步动物实验奠定了基础。
基于均值点展开的单变元降维法在EIT不确定性量化研究中的应用
作者：赵营鸽；李颖；王灵月；崔阳阳；王冠雄
摘要：在电阻抗成像（EIT）技术中,介质参数的不确定性会对正问题计算产生影响,进而影响图像重构,因而,对EIT介质参数不确定性量化的研究具有重要的意义。采用四层同心圆模型和二维圆模型作为仿真算例对EIT正问题进行研究,将电导率分布参数作为无相互作用的随机输入变量,使其服从随机均匀分布,基于均值点展开的单变元降维法（UDRM）计算得到边界电极电压的均值、标准差和概率分布等相关统计信息,分析电导率的不确定性对模型输出边界测量电压的影响,并与蒙特卡罗模拟（MCS）法、混沌多项式展开（PCE）法仿真结果进行比较。结果表明,UDRM能够准确高效地处理低维不确定性问题,且在处理高维不确定性问题时能有效缓解“维数灾难”问题。
高频即时磁刺激对神经兴奋性与电压门控钠钾离子通道的影响
作者：朱海军；尹晓楠；丁冲；侯文涛；徐桂芝
摘要：经颅磁刺激作为一种无创的脑刺激技术,因其在神经调控方面的良好效果,已广泛应用于科学研究与临床应用。该文旨在研究不同强度的即时磁刺激对神经兴奋性与电压门控钠离子通道及电压门控钾离子通道的影响。对急性小鼠大脑切片施加0T、0.3T、0.5T的高频即时磁刺激,采用全细胞膜片钳技术记录海马齿状回颗粒神经元的静息电位与诱发神经放电,以及电压门控钠通道、瞬时外向钾通道、延迟整流钾通道在激活、失活、恢复等不同过程中的通道电流。结果表明,磁刺激可以改变相关离子通道的动力学特性来激活钠电流抑制钾电流,进而提高神经兴奋性,且磁刺激的这种神经调控作用具有强度依赖性。
基于电流扰动法阻抗测量的经颅电刺激装置研究
作者：徐硕；徐坤；李棋；陈俊语；许赟
摘要：多通道经颅电刺激作为一种非侵入式神经刺激技术,具有更高的聚焦度和灵活度,但电极数的增加也加大了电极故障的风险,对电刺激装置的安全性和可靠性提出了更严格的要求。电极阻抗能反映皮肤接触状态及电极电化学变化,电极阻抗的在线监测有助于提高电刺激期间的安全性。由于多通道电刺激中存在串扰问题,直接测量电极阻抗误差较大,该文提出一种适用于多通道电刺激的新型在线阻抗测量方法,通过在刺激波形上叠加短时、小幅值电流扰动实现串扰解耦,从而测量各电极阻抗,实现对故障电极的定位。在上述方法的基础上,设计复合放大器增强型Howland电流源电路,采用现场可编程门阵列（FPGA）控制器,搭建多通道多模式经颅电刺激装置。最后通过该装置开展一系列人体实验研究,实现基于电流扰动法的电极阻抗在线监测,并在几类常见电极接触不良实验中成功定位故障电极。
经颅磁刺激模式差异性对大鼠工作记忆神经网络关联特性的影响研究
作者：郭苗苗；王中豪；张天恒；吉利辉；徐桂芝
摘要：经颅磁刺激（TMS）技术因具有无痛无创和非侵入式等特点已被广泛应用于临床神经功能调控领域。工作记忆是重要的认知神经功能,但TMS对工作记忆功能的影响机制尚不清晰,且各模式TMS对认知功能的影响差异较大。因此,探究TMS技术对工作记忆（WM）的调控机制有重要的临床意义。首先,该文将成年Wistar大鼠分为空白对照（control）组、重复经颅磁刺激（rTMS）组、连续性Theta节律刺激（cTBS）组及间断性Theta节律刺激（iTBS）组;然后,利用在体多通道技术采集四组大鼠执行T迷宫工作记忆任务过程中前额叶皮层（PFC）的局部场电位信号（LFPs）;最后,通过对比分析四组大鼠WM任务过程中的行为学差异、LFPs的相关性及LFPs网络连接特性等,探索不同模式经颅磁刺激技术大鼠WM中神经网络的影响。结果表明,刺激组大鼠达到WM任务“学会”标准所用时间均少于空白对照组（P<0.05;刺激组LFPs信号电极对间的相关性显著高于空白对照组;刺激组LFPs信号的网络连接密度显著增大（P<0.05且全局效率显著增大（P<0.05。因此,iTBS、cTBS及rTMS均能在一定程度上改善成年Wistar大鼠PFC中神经元集群之间的关联同步性,其中,iTBS的改善效果最为明显。该文为进一步探索经颅磁刺激技术对工作记忆的影响机制提供理论支持。
纳秒脉冲作用下核孔复合体影响细胞核膜电穿孔变化的仿真研究
作者：程显；陈硕；吕彦鹏；葛国伟；连昊宇
摘要：纳秒脉冲电场能够透过细胞膜,靶向作用到细胞核膜产生电穿孔,从而诱导细胞死亡。而细胞核膜上存在的大量具有高电导率的核孔复合体（NPC）将会制约细胞核膜上电穿孔的发展。然而,现有纳秒脉冲电穿孔的仿真研究中尚未考虑此因素的影响。基于此,该文建立考虑细胞核上NPC存在的五层细胞介电模型,在细胞核膜不同区域等距离设置8个核孔进行仿真研究。通过COMSOL软件的电流模块和偏微分计算分析模块,首次研究NPC对细胞核电穿孔程度的影响。结果表明,与无核孔时的细胞核电穿孔状态相比,NPC的存在会导致附近一定区域内的核膜上电穿孔程度显著性下降,甚至会转变为未电穿孔状态,NPC附近核膜电穿孔衰减程度也与NPC的位置相关;随着NPC数量的增加（2~32个）,细胞核膜上电穿孔明显衰减的区域也逐渐增加,当NPC个数达到32个时,细胞核膜上电穿孔程度发生衰减的区域百分比已达到89.93%,衰减50%以上的区域百分比为36.00%,衰减90%以上的区域百分比可达到22.94%,而因NPC存在导致周围区域由穿孔状态变为未穿孔状态的百分比也达到2.54%。上述研究表明,NPC的存在会极大地降低周围细胞核电穿孔效应及整体细胞核电穿孔的程度,从而显著影响纳秒脉冲杀伤肿瘤细胞的效果。因此,在对靶向诱导细胞核膜电穿孔的纳秒脉冲电场参数选择时,应考虑NPC的影响。
微毫秒脉冲电场致细胞DNA转染的仿真研究
作者：彭豪；张琳；刘欣；郭飞
摘要：为研究微毫秒脉冲电场对细胞摄取DNA的影响规律,基于孔密度、孔径及DNA迁移方程,建立脉冲电场作用下球形细胞DNA转染的数学模型,仿真计算典型脉冲参数作用下胞内DNA浓度的变化特性。仿真结果表明：在单个脉宽100μs、电场强度1kV/cm的脉冲作用下,胞内DNA浓度由0增至7.8×10-8mol/m3;而在单个脉宽1ms、电场强度0.5kV/cm的脉冲作用下,胞内DNA浓度增至1.1×10-8mol/m3。同时研究上述两种脉冲组成的双脉冲作用下,其时间间隔（0~1s）以及施加顺序对细胞摄取DNA的影响,结果显示,先施加100μs后再施加1ms脉冲时,不同时间间隔下胞内DNA浓度均为3.45×10-7mol/m3;而当改变脉冲施加顺序且脉冲时间间隔小于10ms时DNA浓度为8.9×10-8mol/m3,当间隔增至1s时,DNA浓度增至1.68×10-7mol/m3。此外,仿真结果显示,特定条件下DNA摄取浓度与脉冲幅值正相关。仿真结果为脉冲致细胞DNA转染的应用提供了脉冲参数优选指导。
纳秒电脉冲对肝脏组织不可逆电穿孔消融区分布的时域有限差分法仿真
作者：胡亚楠；包家立；朱金俊；朱朝阳；岑泽南
摘要：纳秒电脉冲消融是一种新型的电外科手术技术,在肿瘤切除中可以无创或少创器官旁组织,尤其是血管,达到既切除肿瘤,又不伤及周边组织的目的。纳秒电脉冲参数,如脉冲电压、脉冲持续时间、脉冲数、脉冲率等的选择是术前治疗计划设计的关键,术前进行仿真研究对手术设计至关重要。以人体模型Duke为对象,采用人体生物电磁仿真软件平台Sim4Life中的时域有限差分法（FDTD）,对电脉冲波形、脉冲电压和电极间距在肝组织中的电场、能量密度、消融区域进行仿真。结果显示,在肝组织及旁组织中,电极中心电场强度较高,周边较低;脉冲波型对肝组织中电场和能量密度分布没有显著改变;消融区域包裹着电极;脉冲波型对消融区域没有变化,但脉冲电压和电极间距对消融区域有很大影响。因此,FDTD可以术前对电脉冲治疗计划设计,脉冲电压和电极间距两个参数是主要设计参数,Sim4Life是治疗计划设计的良好平台。
基于皮层神经元模型的经颅磁声电刺激神经网络放电活动仿真分析
作者：张帅；许家悦；李梦迪；赵明康；徐桂芝
摘要：基于脑皮层真实神经元模型搭建皮层神经网络,对模型在经颅磁声电刺激下的电活动响应特性进行仿真分析。采用短时傅里叶变换方法对不同刺激方式和经颅磁声电刺激不同刺激参数下神经元局部场电位信号进行时频联合分析。结果显示,经颅磁声电刺激方式可达到与神经元自身突触激活和阶跃电流刺激方式相近的刺激效果;神经元不同位置在经颅磁声电刺激下的电活动响应有所区别,胞体附近膜电压变化最为明显,且局部场电位能量强度最大;随着调制频率和刺激电流两个参数的增大,神经网络的局部场电位信号能量强度均呈现先增强后减弱的趋势。这表明经颅磁声电刺激可对神经电活动产生促进与抑制两种效果,改变刺激参数可以实现对生物体神经活动的调节。研究结果有助于揭示经颅磁声电刺激的神经作用机制,为其应用于神经调节和神经系统疾病治疗提供理论依据和参考。
高分辨率磁共振电特性成像及脑肿瘤诊断初步研究
作者：李晓南；任雯廷；国强；黄欣
摘要：由于离子浓度变化等因素,正常组织和肿瘤组织的介电特性有显著的差异。采用磁共振介电特性成像重建电导率和介电常数分布,有可能跟踪肿瘤演进。该文推导出单一人体组织匀质条件下的新介电特性重建算法,为减小拉普拉斯运算引入的噪声,提出控制步长方法以提高图像数据的抗噪性。以正交单通道鸟笼型线圈和杜克头数据模型为对象,由Sim4Life软件仿真验证新介电特性重建算法的准确性。在GE 3T磁共振机Discovery MR750W平台上,结合稳态自由进动序列,采集了1例脑转移肿瘤被试的射频磁场数据,完成了单倍和2倍步长下的电导率分布重建。与原始相位像相比,电导率重建像的结构分辨力有明显提升。未来,新型磁共振介电特性成像与正电子发射断层成像等融合,有望在肿瘤的早期诊断方面取得应用。
电工理论
稀土超磁致伸缩棒材特性测试平台优化与实验研究
作者：杜杲娴；杨鑫；韦艳飞；宁倩；罗安
摘要：目前,国内外对稀土超磁致伸缩棒材（简称棒材）参数的测量和提取方法不尽相同,且大都没有考虑测试过程中由于棒材伸长导致的预应力变化问题,测量结果无法直接对比,误差无法确定,准确性无从考量。因此,换能器仿真设计没有可靠的特性数据做支撑。该文设计搭建一套稀土超磁致伸缩棒材特性测试平台,考虑由于棒材伸长导致预应力变化的因素,可对棒材静态及准静态性能进行测试,包括棒材的磁致伸缩性能、B-H曲线、杨氏模量等。重点对平台的保压装置进行设计优化,设置对比实验,实验结果表明,在测试过程中采用该文设计的保压装置,预应力变化率可由无保压装置的10.625%降至1.134%以下,且实验证明棒材性能测试更准确。最后对平台测试的B-H曲线、应力-应变曲线（曲线）结果进行处理,得到磁导率和杨氏模量两个重要参数,并分析其随磁场强度和预应力的变化趋势。该平台的设计及优化为超磁致伸缩棒材参数的提取提供了一种更为可靠的测定方法。
非晶合金铁心损耗与磁致伸缩特性测量与模拟
作者：迟青光；张艳丽；陈吉超；张殿海；赫荣臻
摘要：针对电力机车对中频变压器低损耗、低噪声的设计要求,该文对中频变压器用铁心材料非晶合金的损耗与磁致伸缩特性开展深入研究。模拟中频变压器的实际工作状态,对非正弦激励下非晶合金的损耗特性进行测量。在此基础上,对传统的斯坦梅兹损耗计算公式进行修正,同时考虑到不同频率下损耗计算公式的通用性,对损耗计算公式的系数进行变系数改进。考虑中高频变压器的振动噪声问题,采用激光测试仪,对非晶合金铁心材料的磁致伸缩特性进行测试分析,并建立铁心材料磁致伸缩特性的预估模型。实验验证了所提损耗和磁致伸缩模型的有效性,为中高频变压器的优化设计提供理论依据。
热扰动冲击下的高温超导电缆失超恢复特性
作者：祝乘风；厉彦忠；谭宏博；史佳敏；聂杨
摘要：高温超导（HTS）电缆在运行过程中,不可避免会遇到热扰动冲击,当热扰动能量足够大时会引起高温超导电缆的局部失超,并沿着电缆轴向传播。该文通过建立等效电路模型和一维传热模型,实现电场和温度场的耦合求解,得到高温超导电缆在热扰动冲击下的失超恢复特性,并考虑热流脉冲和液氮流速对电缆失超恢复过程的影响。结果表明：当热扰动能量低于临界恢复能量时,高温超导电缆在液氮冷却下逐渐恢复至超导态;否则,电缆的失超段将沿着轴向传播,导致电缆整体失超。随着努塞尔数的增大,临界恢复能量呈指数增大。电缆恢复时间与液氮流速呈幂律关系。该文计算结果对高温超导电缆的正常运行具有指导意义。
电磁成形过程中线圈温升及结构优化
作者：王紫叶；杨猛；熊奇
摘要：电磁成形过程中线圈温升过高会缩短其使用寿命,优化线圈结构可以在不影响成形效果的情况下降低温升。该文以管件电磁成形所使用的螺线管线圈为研究对象,利用电磁场—机械结构场—温度场耦合有限元模型,针对线圈绕制工艺的特点,详细探讨线圈层数、匝数、高度、宽度、匝间距以及层间距这六种结构参数对线圈温升及成形效果的影响。仿真结果表明,合适的结构参数均能抑制线圈温升,同时保持工件成形效果,但六种结构参数的影响程度并不相同。该结果为管件电磁成形线圈的结构优化设计提供了建议,为提高线圈使用寿命指明了方向。
基于分数阶理论的锂离子电池高频等效电路模型
作者：吴健；尹泽；李豪；赵滨；季巧 等
摘要：在有电池参与供电的能源系统中通常使用电力电子设备来控制电池和负载或激励之间的能量流动,这就使得电池处于高频应力状态。该文针对锂离子电池电化学阻抗谱（EIS）高频部分实部增长的现象,基于分数阶理论选择三种拟合结果较好的等效电路模型FOM1、FOM2和FOM3。在1kHz、2kHz、4kHz和10kHz频率下对电池进行纹波电流充放电实验,利用实验数据对不同模型电池端电压进行拟合。通过对拟合结果进行对比分析,FOM2精度最高、FOM1计算量最小,根据使用场景要求的不同可以进行不同的选择。此外,在参数辨识的过程中,将FOM2简化得到FOM4,二者的时域拟合结果非常接近,但是EIS拟合结果却相差很大。在对四种模型进行进一步的分析后发现,在针对高频进行建模时,为了提高EIS拟合精度而建立的复杂模型不仅增加了计算量,同时可能无法提高时域拟合的精度。
电机及其系统
计及电枢和零序回路电阻压降的可变磁通磁阻电机弱磁控制
作者：郭佳强；刘旭；李珊瑚
摘要：在可变磁通磁阻电机的弱磁控制中,忽略电枢和零序回路上的电阻压降会影响弱磁区内参考电流的计算,这会导致电流环饱和,电机电流不能跟随给定值。在这种情况下,电机在弱磁区的输出功率会受到限制。为了解决此问题,提出一种计及电枢和零序回路电阻压降的弱磁控制方法。首先,该方法基于电压方程以及电压和电流的约束,利用拉格朗日极值法求取弱磁区内考虑电阻压降后的最优电流参考值的公式。其次,利用牛顿拉夫逊迭代法根据当前电机的状态计算出电流参考值。然后,考虑电阻压降后,弱磁区内参考电流的计算准确度得到提高,有利于可变磁通磁阻电机在弱磁区内的稳定运行。最后,通过实验结果验证了该方法的有效性。
基于参数优化变分模态分解的交流变频电机转子断条故障识别方法
作者：李睿彧；刘飞；梁霖；罗爱玲；徐光华
摘要：该文提出一种基于变分模态分解（VMD）和Park变换的交流变频电机早期转子断条故障识别方法。重点对低速状态下电机早期断条故障特征频率识别展开研究,基于电流信号特点结合萤火虫优化算法（FA）设定变分模态分解参数,进一步强化其自适应分解能力,并在此基础上获取三相电流的基频分量信息,通过Park变换检测早期故障特征。仿真与实验结果表明,该方法检测电机早期转子断条故障特征优于经验模态分解（EMD）方法,并可实现故障特征频率的早期定位,这对电机的故障辨识和预警具有重要支撑意义。
电力电子
基于门极放电补偿的串联IGBT有源驱动电路
作者：周野；王旭；鲜亮；杨丹
摘要：针对串联IGBT关断期间存在的分压不均问题,该文提出一种旨在补偿关断瞬态各IGBT输入电容放电偏差的有源驱动电路以实现电压平衡控制。该驱动电路由产生补偿电量的电流吸收电路、基于实时承压实现闭环控制的控制采样电路及将高速高带宽模拟器件与相对低速控制算法相结合的触发电路三部分构成。与其他应用于IGBT串联的有源驱动电路相比,该电路仅使用原驱动IC输出信号的下降沿作为触发信号,且不引入额外的电源与信号隔离单元,易于与现有驱动电路相结合。控制采样周期与IGBT开关周期一致,避免了昂贵的高频控制芯片及模数/数模转换器的使用。该文在分析串联IGBT关断过程中门极放电偏差产生原因的同时对该驱动电路各部分原理予以说明,并给出其参数选取与设计原则。最后,通过实验验证了该驱动方案在串联IGBT均压控制上的有效性与适用性。
一种用于优化LC-DAB级联系统稳定性的虚拟阻抗控制技术
作者：周兵凯；杨晓峰；李继成；农仁飚；郑琼林
摘要：将LC滤波器级联在双有源桥（DAB）变换器输入端,可改善输入电流质量,但DAB变换器和LC滤波器之间的相互作用易导致LC-DAB级联系统出现振荡现象。该文首先建立DAB变换器的状态空间平均化小信号数学模型,推导LC-DAB变换器的输入和输出阻抗模型以用于预测级联系统稳定性。基于此,采用有源阻尼的优化思路,分别提出基于LC-DAB变换器一次侧电容电压的并联虚拟阻抗和一次电流的串联虚拟阻抗控制策略,从而使得级联系统在全功率范围内均能稳定运行。实验结果证明,该阻抗模型及所提控制策略的有效性及正确性。
基于非常规平衡电抗器的直流侧谐波抑制方法
作者：廉玉欣；杨世彦；杨威
摘要：为提高多脉波整流器的谐波抑制能力,提出一种基于非常规平衡电抗器的直流侧谐波抑制方法。在常规平衡电抗器的基础上,增加一次侧抽头数和二次绕组,并通过一次侧抽头控制电路和二次侧整流电路与负载相连,进而提高整流器输出电压脉波数和输入电流的阶梯数,降低了输入电流总谐波畸变率（THD）。以输入线电流THD最小为目标,分析非常规平衡电抗器的工作模式和参数优化设计方法。实验结果验证了理论分析的正确性,应用非常规平衡电抗器后,并联型整流器的输出脉波数可从12脉波增加至24、36、48脉波,输入线电流THD由15.15%降低至3.81%,谐波抑制能力得到显著提升。