抢鲜看｜《电工技术学报》2020年第24期目次及摘要

《电工技术学报》

《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。

电工理论

中国聚变工程实验堆纵场超导磁体高性能Nb3Sn CICC导体稳定性分析

作者：张正硕；郑金星；宋云涛；刘旭峰；陆坤

摘要：针对中国聚变工程实验堆（CFETR）高参数等离子体约束要求，其纵场（TF）混合磁体的设计方案为采用三种不同性能的超导导体绕制，峰值磁场可达14.43T，最大应力超过700MPa。该文结合CFETR纵场磁体面临的稳态以及瞬态热负荷条件，系统分析混合磁体中高性能Nb3Sn四饼线圈在不同扰动长度及扰动时间工况下的稳定性温度裕度和能量裕度，并对背景场强度及有效应变等因素对稳定性裕度的影响进行讨论。结果表明，高性能Nb3Sn CICC导体在峰值磁场及-0.7%~-0.5%有效应变预计区间内拥有2.0K以上的温度裕度；但极端条件（B=14.43T,ε=-0.7%）下的电磁扰动（Lp=10m, tp=100ms）对应导体能量裕度仅有11.41mJ/cc，局部恶劣工况下导体能量裕度下降严重的问题亟待解决。针对高场区单饼线圈在典型扰动下行为的计算表明，典型机械扰动（Lp=0.1m, tp=1ms）引起的失超能够在5s内使导体热点温度升高至接近120K，这对磁体失超保护系统提出了较高的要求。

退火速率对环保型聚乳酸材料直流击穿和电导电流特性的影响

作者：李科；张云霄；周远翔；张灵；滕陈源

摘要：聚乳酸（PLA）是一种绝缘性能良好、可生物降解的环保型聚合物材料。为研究退火速率对PLA直流击穿和电导电流特性的影响，该文制备三种退火速率的PLA试样，即冰水冷却（PLA-W）、空气冷却（PLA-A）和缓慢冷却（PLA-S），并针对温度场下PLA的直流击穿及电导电流特性展开研究。结果表明：PLA-S直流击穿场强最高，温度从30℃升至70℃,三种试样的直流击穿场强下降，PLA-S降幅最小，仅为16.7%。PLA-S的电导率随温升而单调上升，PLA-A和PLA-W的电导率呈现上升-下降-上升的趋势。结合差示扫描量热和偏光显微观测发现，缓慢退火促进PLA结晶，晶胞尺寸大且均匀性好，PLA-S的结晶度达50%，玻璃化转变温度较PLA-W提升23.7%；PLA-W和PLA-A结晶不完善，温升过程出现晶胞生长或成核结晶，结晶度提高以致电导率呈上升-下降-上升趋势。

一种基于感应隔离的双极性脉冲发生器

作者：董守龙；王艺麟；余亮；马剑豪；姚陈果

摘要：脉冲功率技术在诸多领域有着广泛的应用前景，对脉冲发生器的输出参数也提出了更高的要求，包括脉冲电压幅值、电流峰值、脉宽和重复频率等。该文针对脉冲电场的生物医学应用背景，提出一种基于感应隔离的可调极性脉冲发生器方案。在每级电路模块中包含了1个电容、2个开关和1个隔离变压器。通过控制开关的导通时序，可以实现正负极性的脉冲输出，隔离变压器在放电时可以隔离电位变化。理论分析及实验结果表明，该脉冲发生器的基本原理仍为“并联充电、串联放电”，可以输出双极性方波脉冲，且脉冲极性、宽度、幅值均可灵活调节。研制的感应隔离脉冲发生器可输出幅值为±6kV、脉宽为200~1 000ns、上升沿为10ns的极性可调脉冲。此外，模块化的设计可以通过增加模块数量等实现更高参数的脉冲输出。

基于电磁仿真软件的平面变压器共模电磁干扰建模方法及其应用

作者：高璐；徐策；董光冬；龚春英；张方华

摘要：传统的变压器模型多为集总电容模型，在10MHz以上的频段，模型与实测特性存在较大偏差，难以反映变压器的高频电磁干扰（EMI）特性。该文提出利用S21参数来衡量变压器共模EMI性能，研究平面变压器高频3D建模方法。通过实际测试验证了3D建模方法的准确性，并将该建模方法应用于某高频变压器的共模EMI性能评估及优化设计中，从制造工艺水平和材料特性参数等方面，分析影响变压器共模S21参数一致性的关键因素，为提高产品性能的一致性提供了质量管控依据。

电机与电器

共母线开绕组永磁同步电机缺相容错型直接转矩控制

作者：林晓刚；黄文新；姜文；赵勇；吴旭

摘要：为了进一步提升共母线开绕组永磁同步电机系统在一相开路故障情况下的运行性能，提出一种基于改进空间矢量调制的缺相容错型直接转矩控制策略。首先，分析共母线开绕组永磁同步电机直接转矩控制系统无故障和一相开路时运行机理上的区别。基于此，对直接转矩控制系统中电磁转矩、定子磁链的控制器进行重构，并将零序电流控制器移除。采用重构后的电磁转矩、定子磁链控制器可生成定子电压参考值。然而，如若继续沿用无故障时的空间矢量调制策略，将无法生成所需的实际定子电压。为此，在分析剩余非故障相所能产生电压矢量的基础上，提出一种改进型空间矢量调制策略。最后，在一台功率为1kW的开绕组永磁同步电机上对所提容错型直接转矩控制策略进行验证。实验结果表明，采用所提策略使得该电机驱动系统在发生一相开路故障的情况下仍具有较小的电磁转矩和定子磁链纹波。

新能源汽车驱动系统速度传感器故障检测与容错控制法

作者：肖丽；高峰；侯淑萍；余璐；张慧芳 等

摘要：针对新能源汽车驱动系统速度传感器失效问题，提出一种基于改进高阶滑模观测器的车用永磁同步电机驱动系统故障检测与容错控制方法。首先利用改进超螺旋算法对高阶滑模观测器进行优化设计，提高不同干扰类型下系统收敛性与跟踪精度。其次利用新型滑模观测器计算出转速估计值，选取实际转速与估计转速的差值为故障特征量，提出传感器失效检测法，同时利用新型滑模观测器代替失效传感器完成相应功能，从而实现容错控制。最后对新能源汽车恒速驱动与变载驱动的行驶模式进行仿真分析与实验验证。结果表明，在不同行驶工况下，新能源汽车永磁同步电机驱动系统能够准确及时检测出失效故障且容错性能良好。与传统高阶滑模观测器驱动系统相比，所提方法速度跟踪精度更高、容错控制效果更好。

基于正序分量在线位置误差补偿的旋转高频注入法

作者：彭威；乔鸣忠；蒋超；张志斌；高键鑫

摘要：旋转高频注入法能够估算永磁同步电机零速和低速下的转子磁极位置，但在转子磁极位置解调过程中使用滤波器会带来估算误差。该文提出一种利用正序电流分量对转子估算误差进行在线补偿的方法，阐述了该方法在电机零速、低速运行过程中的补偿机理，理论推导在解调过程中正序电流和负序电流相位变化的关系，分析在考虑定子电阻影响时利用正序电流对滤波器导致误差的补偿效果。针对外差法求得的误差补偿量和转子位置存在多个收敛点的问题进行改进，增加收敛点检测环节，可排除部分错误收敛点。仿真和实验验证了所提方法对于转子位置误差补偿的效果。

热老化对干式空心电力电抗器匝间绝缘操作过电压耐受特性的影响

作者：聂洪岩；魏新劳；姚远航；朱博；于春来

摘要：为研究热老化对干式空心电力电抗器匝间绝缘操作过电压耐受特性的影响，进行匝间绝缘模型试样操作过电压耐受次数随热老化程度的变化规律试验，得到过电压耐受次数与热老化程度之间的函数模型。根据匝间绝缘模型试样的击穿电压、绝缘电阻、局部放电等电气参量及聚酯薄膜的断裂伸长率、拉伸强度等力学性能参量和表面形貌随热老化程度的变化规律，分析热老化对干式空心电力电抗器匝间绝缘操作过电压耐受特性的影响机理。研究结果表明：热老化不会导致匝间绝缘击穿电压、绝缘电阻、局部放电等电气性能的降低；热老化引起的匝间绝缘主材-聚酯薄膜力学性能下降是导致干式空心电力电抗器匝间绝缘操作过电压耐受特性呈指数规律下降的根本原因。该文研究成果为进一步开展多因素联合作用下干式空心电力电抗器匝间绝缘的劣化机理奠定了基础。

电力电子

不同老化试验方法下SiC MOSFET失效机理分析

作者：陈杰；邓二平；赵子轩；吴宇轩；黄永章

摘要：SiC MOSFET凭借其优异的电热特性,正逐渐投入市场，长期运行其可靠性成为关注的重点，功率循环试验是考核器件可靠性最重要的老化试验。MOSFET具有三种导通模式，分别对应三种不同的功率循环测试方法。为探究和对比SiC MOSFET在不同老化试验方法下的失效机理和失效表征参数的变化规律，对其在不同导通模式下进行功率循环试验，基于不同导通模式下的特性分析，重点对比正向MOSFET模式和体二极管模式。SiC MOSFET中的界面陷阱会造成阈值电压漂移，为此提出一种判断准则以及相应的功率循环试验方法，可以将阈值电压漂移对试验结果的影响最小化，并在老化试验过程中实现结温、通态压降和热阻的在线测量。结果表明，在两种模式下失效方式均为键合线老化，但是老化后的电热反馈机制不同，造成其退化规律和寿命不同，相同热力条件下体二极管模式下的寿命约为正向MOSFET模式下的两倍。

T型开关电容可扩展多电平逆变器

作者：王要强；袁艺森；陈天锦；王克文；梁军

摘要：针对传统多电平逆变器扩展结构复杂、器件数量较多等问题，提出一种T型开关电容可扩展多电平逆变拓扑，通过T型双电容模块分压和逐级充电实现多电平输出。该逆变器可以保证前级分压电容的电压平衡，且后级开关电容逐级充电，使得逆变器模块化扩展之后器件的使用数量随着电平数按对数曲线增加，低于线性增加的传统拓扑。七电平逆变器在30V的直流输入下能输出峰值为45V的交流脉冲宽度调制（PWM）波电压，实现了1.5倍的电压增益。无需H桥即可实现逆变过程，降低了开关管总电压应力。该文分析了所提逆变器的拓扑结构、工作原理、调制策略和扩展比较，并通过实验验证了新型T拓扑电路的正确性与可行性。

基于特征次谐波补偿的单相统一电能质量调节器并联变换器控制策略

作者：孟令辉；舒泽亮；闫晗；朱唯伟；毛文君

摘要：单相统一电能质量调节器（UPQC）并联侧和串联侧变换器之间存在脉动的功率差，脉动的功率在直流电容上产生低频电压纹波并影响变换器的补偿效果。该文分析单相UPQC中并联侧变换器直流母线低频纹波产生的原因以及对补偿效果的影响。为了抑制对补偿电流的影响，在电压外环加入陷波器减少电压纹波产生谐波参考电流，在电流内环引入网侧电流特征次谐波补偿，进一步抑制电压纹波对调制信号的影响。仿真和实验验证了对低频纹波分析的正确性，以及所提控制策略抑制直流纹波影响的可行性和有效性。

基于三相电流型五电平整流器的空间矢量脉宽调制算法

作者：张强；吴延飞；张保顺；张玉川

摘要：针对由多个三相电流源型桥式整流器并联组成的电流型多电平整流器（MCSR），采用传统的空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法涉及大量三角函数运算,影响控制器的运算效率。该文研究一种基于三相电流型五电平整流器（5L-CSR）的60°坐标系SVPWM算法，该方法有效地简化了基本矢量及其作用时间的计算过程。并且针对均流电感存在的电流平衡问题，提出合理分配冗余开关组合作用时间和作用顺序的方法，使得单个调制周期内均流电感承受平均电压为零，进而解决了均流电感电流不平衡问题，实现了直流侧自均流。最后，搭建三相5L-CSR的仿真模型以及实验样机进行验证。

基于大信号模型的多模块LCC级联变换器输出电压不均衡分析法

作者：伍梁；孙晓玮；赵钧；陈国柱

摘要：相对于单模块LCC变换器，输入并联输出串联（IPOS）多模块LCC级联变换器的拓扑具有模块化、元件电气应力小、输出纹波小、输出电压高、功率大等优势，但是各模块间谐振参数的偏差会引起模块输出电压不均衡。该文针对容性滤波的LCC谐振变换器，采用基波等效法计算出变换器电压电流的基波分量，利用广义状态空间平均法建立LCC变换器的状态方程，随后推导出单模块的LCC变换器大信号模型。在此基础上，推导出IPOS两模块LCC变换器的大信号模型，并以此模型来分析谐振参数偏差对模块间输出电压均衡的影响。最后搭建两模块LCC变换器的样机平台，验证了所提出的多模块LCC变换器大信号模型具有良好的准确度，所提模型可为谐振参数的容差分析提供依据。

航空Vienna整流器故障诊断与容错控制

作者：郝振洋；徐子梁；陈宇；任小永；张之梁

摘要：Vienna整流器因其高效率、高功率密度等优点得到广泛的关注，为满足航空应用中高可靠性的要求，研究Vienna整流器故障诊断和容错控制非常有必要。该文通过分析Vienna整流器在单个开关管开路故障情况下输入电流的特点，首先提出一种基于固定相位电流变化率的故障诊断方案；然后对等效空间矢量脉宽调制（SVPWM）方式下故障情况的矢量特性进行分析，提出一种通过矢量替代与合成，实现在大部分区域维持三电平运行，小部分区域转化为不控整流运行的容错控制策略；最后通过仿真和实验验证了所提策略的可行性。

电力系统

基于自律分散控制的网孔型直流电网下垂系数计算方法

作者：曹昕；韩民晓；周光阳；张利东

摘要：现有的对于直流电网的研究多集中于放射状直流电网拓扑的下垂系数计算，针对复杂直流电网的研究较少。该文提出一种基于自律分散控制的网孔型直流电网下垂系数计算方法。首先，由系统级控制采集和交换换流站信息，使各换流站获取相同的全局信息；其次，将全局信息代入最优潮流优化模型计算各换流站的有功功率和直流电压参考值；随后，定义虚拟节点并将直流电压参考值的平均值定义为虚拟电压值，取直流系统中直流电压等于虚拟电压值的点，将这些等势点合为虚拟节点从而简化网络拓扑；接着，分别计算最优潮流分布下和当前工况下各节点相对于虚拟节点的虚拟电阻和实际电阻值，此时，下垂系数等于两种电阻值差的倒数；最后，在PSCAD/EMTDC中搭建了六端直流电网。通过仿真，分析并验证了所提方法的可行性。

柔性直流配电网混合拓扑变流器的自治控制

作者：吴杰；李传江；周鸣；茅红伟

摘要：针对柔性直流配电网中混合拓扑模块化多电平换流器（MMC），提出一种适用于其并网和孤岛运行的自治控制策略，以提高直流配电网的可靠性。首先，提出混合MMC功率模块等效电容储能与变流器侧交流电压矢量角频率增量间的比例控制结构，作为变流器自治控制外环，实现利用变流器自身子模块电容缓冲功率波动的目的，与传统虚拟同步机外环所采用的惯性环节相比，动态响应速度有所提升。其次，设计总体控制结构包括自治控制外环和电流内环，其中，外环提供系统惯性，内环实现电流跟踪控制和对暂态电流较强的抑制。进一步地，建立混合MMC自治控制小信号模型，分析惯性等主要控制参数对系统特征根分布和稳定性的影响。最后，搭建直流配电网混合MMC仿真模型，分别对孤岛和并网运行方式以及暂态故障进行仿真，验证所提自治控制策略的正确性和有效性。

高电压与绝缘

基于改进胶囊网络的接触网吊弦故障识别与定位

作者：卞建鹏；郝嘉星；赵帅；李凡；孙晓云

摘要：针对接触网吊弦的接触面积小且易与电力线混淆，传统的故障识别算法存在如吊弦的误识别、识别效率低和不能实时检测等问题。相比传统卷积神经网络，胶囊网络（CapsNet）首次采用矢量作为输入，可以很好地保留目标的方向、角度等特征信息，更适合识别复杂背景下的吊弦。因此，该文提出一种基于改进胶囊网络和CV模型结合的吊弦故障识别算法，通过1×1归约层和3×3卷积核简化传统9×9胶囊网络的卷积层，并采用优化算法进行参数寻优，缩短训练权重时间；同时输出量保留了方向与角度，能更准确地对烧伤、载流环折断、脱落等故障的吊弦进行分类；通过对吊弦巡检图像应用该文方法，吊弦定位准确率提高到95%。与前馈神经网络（BPNN）和Alex Krizhevsky设计的AlexNet等方法进行对比，所提出的吊弦故障识别方法可以准确、迅速地从复杂背景识别出吊弦，并准确地找到吊弦故障的位置，大大提高了输电线路智能巡检的效率。

退运中压XLPE和EPR电缆老化特性分析

作者：周凯；李诗雨；尹游；林思衍；云浩

摘要：通过对退运交联聚乙烯（XLPE）和乙丙橡胶（EPR）电缆进行理化性能测试和介电性能测试，研究退运电缆老化特性及界面极化效应。对电缆绝缘进行宽频介电谱测试和红外光谱分析，发现退运电缆绝缘内外侧的介电参数和各特征基团吸收峰强存在明显差异。通过对新电缆与退运电缆进行不同电压下的极化去极化电流（PDC）测试，提取了界面极化电流成分。结果表明：退运电缆存在非均匀老化现象，绝缘内侧老化程度较外侧更严重，绝缘内部存在“界面效应”，在PDC测试过程中存在界面极化电流，且绝缘非均匀老化程度越严重、PDC测试电压越高，界面极化电流越大。可以采用红外基团相对吸收比Rn表征绝缘非均匀老化程度，采用界面极化电荷量Q表征绝缘界面极化强度，以对运行老化电缆的老化特性进行分析。

基于特征参量Kh10的复合绝缘子污闪试验

作者：戴罕奇；孙月；王黎明

摘要：该文基于特征参量Kh10研究复合绝缘子污闪试验。以真型复合绝缘子为研究对象，测量试品受潮期间泄漏电流及特征参量Kh10，并尝试通过Kh10表征污层受潮后的综合状态。试验发现：对于尺寸较大的人工污秽复合绝缘子，测量Kh10时应尽量保证测量区域电场分布均匀，且测量电压不宜过高，应避免剧烈放电导致污层受潮，状态突变。在此基础上，该文改进复合绝缘子受潮试验方法，通过测量个别伞裙受潮期间Kh10，以局部区域受潮状态表征整支绝缘子受潮情况，并将污层受潮状态与绝缘子闪络电压建立联系。研究认为，对于尺寸较大的真型复合绝缘子，特征参量Kh10能有效表征污层综合状态，对于同型号复合绝缘子，若闪络试验前Kh10值趋同，则试品闪络电压接近，此结论不受污层污秽度、污秽成分、憎水性能差异影响。该研究有利于改进复合绝缘子人工污秽试验方法，也可用于优化自然污秽绝缘子状态监测。

地震灾害模拟及配电网的风险评估

作者：郑国鑫；雷霞；王湘；罗小春

摘要：地震对电力系统的损害极为严重，而配电网的抵御能力相对输电网来说更为脆弱，因此有必要对遭受地震灾害的配电网进行风险评估。该文首先根据地震动参数衰减方程估算出配电网区域的地震动强度，结合配电网设备的脆弱性模型计算出受损设备的比例；然后通过蒙特卡洛模拟随机地震，寻找地震中概率最大的配电网故障重数以进行故障场景模拟；综合考虑配电网的运行方式及拓扑结构，以复杂网络理论的网络中心性评估配电网网架的受损性，进行随机地震后配电网的风险评估，以辨识出配电网的薄弱点供灾前预防；最后以四川靠近龙门山断裂带的某10kV配电网为例，进行地震灾害下配电网的风险评估，验证了该文所提方法的可行性。