抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第10期目次及摘要
中国电工技术学会活动专区
CES Conference
《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
考虑超磁致伸缩材料非均匀性的大功率电声换能器阻抗特性
作者：赵能桐；杨鑫；陈钰凯；罗安
摘要：为了辐射更高的声功率,大功率超磁致伸缩电声换能器常采用多根超磁致伸缩棒材组合的结构,从而辐射更高声功率。现有的阻抗分析方式一般将超磁致伸缩棒材视作均匀一致的个体进行计算,然而该材料所采用的定向凝固制备方法存在固有缺陷,导致材料性能一致性不高,因此将棒材性能均匀化处理的阻抗分析并不准确。该文首先利用有限元仿真展示四根棒材参数互异所带来的阻抗影响。在使用分布参数法进行阻抗分析的基础上,进一步考虑每个棒材不同位置参数的差异。然后将棒材按单位长度进行微分,探究棒材不同位置参数互异带来的影响,以相同参数所占微元进行积分求和,进而分析得到换能器整体的阻抗。通过与传统集总参数模型和实验数据的拟合效果进行对比,可知该文所提出阻抗分析方法更准确,对换能器的设计有重要的指导意义。
双线圈吸引式板件电磁成形过程中的涡流竞争问题
作者：熊奇；杨猛；周丽君；宋先祺；李哲
摘要：电磁成形是利用脉冲电磁力实现轻质合金快速塑性成形的一种高能率加工技术,可显著提高材料的成形极限并改善成形性能。吸引式电磁成形则是其中的一种独特应用,利用两种不同脉宽的电流驱动同一线圈来产生吸引式电磁力,适用于板件凹痕修复、微小管件成形等领域。单线圈结构对两种电流的参数匹配要求非常严格,且能量利用效率极低。为解决这一问题,该文提出两种电流各自驱动一个线圈的双线圈结构吸引式电磁成形方案,并进行仿真验证。然而研究过程中发现,双线圈结构带来新的涡流密度竞争现象,将会引起成形缺陷。为了消除这一缺陷,该文进一步研究涡流竞争产生的原因和机制,最终通过调整线圈的结构参数,在直径200mm的AA1060-H28铝合金板件双线圈吸引式电磁成形方案中,消除成形缺陷。相关研究结果能够加深对吸引式板件电磁成形过程的理解,对于拓展电磁成形技术在板件加工上的应用具有重要意义。
电磁脉冲板件焊接设备研制及镁/铝合金板焊接实验研究
作者：李成祥；杜建；周言；沈婷；姚陈果
摘要：镁合金、铝合金作为轻质材料,因具有优异性能可替代传统钢材而广泛应用于轻量化设备制造中。然而,由于镁合金与铝合金物理、化学性能存在差异,使得传统工艺难以实现两者之间的良好焊接。电磁脉冲焊接（EMPW）借助电磁力实现金属材料的冶金结合,有望解决镁合金、铝合金的焊接难题。为探究电磁脉冲焊接镁合金-铝合金的可行性及影响因素,该文从电磁脉冲焊接原理着手,研制出一套28kJ的电磁脉冲焊接设备原型机,并在此基础上研究镁合金板（基板）、铝合金板（飞板）电磁脉冲焊接所需外部条件（放电电压和焊接间隙）以及镁合金自身力学特征对焊接条件的影响。结果显示：电磁脉冲焊接技术能够实现镁合金、铝合金板件的可靠焊接;在一定范围内,放电电压的升高能够提高接头的机械性能;焊接间隙的增加使接头的机械性能先提高后降低。此外,镁合金板件自身特殊结构导致的力学各向异性也将影响接头的机械性能,相同条件下,与轧制方向成0°时,焊接所得接头拉伸强度最佳;与轧制方向成90°时,接头拉伸强度最低。该文可为电磁脉冲焊接镁合金-铝合金板件提供技术支撑和理论参考。
电机及其系统
基于果蝇算法的多边形柱状热分析模型结构化网格优化划分方法
作者：郭宇轩；张小平；刘东浩；张铸；朱广辉
摘要：针对交流牵引电机转子导条等多边形柱状热分析模型结构化网格划分质量不高的问题,提出一种结构化网格优化划分方法。建立交流牵引电机热分析的求解域模型,确定交流牵引电机多边形柱状模型的四边形区域质量计算方法,提出一种基于内置四边形的多边形柱状模型四边形区域划分方法,并采用果蝇优化算法（FOA）对各分区方式的综合质量进行优化以获得相应的最佳分区方式,再通过有限元法对其效果进行仿真验证,同时与传统结构化网格划分法进行对比仿真分析,最后通过实验对上述分析作进一步的实验验证,结果表明,该文所提出的结构化网格优化划分方法较传统结构化网格划分法显著提升了交流牵引电机多边形柱状模型的网格划分质量,从而有效提高了交流牵引电机热分析的准确性,具有较好的应用价值。
感应电机电流环非线性积分滑模控制策略
作者：王勃；王天擎；于泳；罗成；徐殿国
摘要：滑模控制器能有效提升感应电机电流环鲁棒性,然而传统滑模控制存在严重的抖振问题,虽然通过引入趋近律能有效降低系统抖振,但仍无法实现系统在有限时间内收敛。为此,该文提出一种感应电机非线性积分滑模电流控制器,在削弱系统抖振的同时,实现了定子电流误差在有限时间内收敛。首先,设计非线性积分滑模面,有效避免了传统积分滑模面中初始误差大而导致的积分饱和问题。其次,通过将滑模面的信息引入幂次趋近律,实现控制器对系统状态的自适应收敛,有效地削弱了系统抖振。最后,对比实验结果验证了所提出算法的有效性。
基于改进型自调整轴系幅值收敛电流解调算法的旋转高频电压注入法
作者：麦志勤；肖飞；刘计龙；张伟伟；连传强
摘要：应用于旋转高频电压注入法的自调整轴系幅值收敛（SFAC）电流解调算法简单实用,可实现静止工况下永磁同步电机转子初始位置高精度辨识。但分析发现,由于位置估计误差随转速变化而变化,该算法不适用于非零速区间。为此,提出一种改进型SFAC（ISFAC）电流解调算法。该算法在估计坐标系下对高频电流解调并构造转子位置误差信号,利用正序、负序高频电流相移等值异号的特性实现电流相移自动抵消,不仅省去复杂的位置误差补偿策略,而且将原SFAC算法的速度适用范围由零速区拓宽至非零速区。该文对SFAC算法的原理以及导致非零速区位置估计误差的原因进行分析,并介绍ISFAC算法的实现过程。最后利用RT-Lab平台对传统SFAC算法与ISFAC算法的位置估计性能进行对比验证。
电力电子
基于暂态分析和系统辨识的光伏并网逆变器建模（英）
作者：翁公羽；茆美琴；张榴晨；Nikos Hatziargyriou
摘要：建立并网光伏发电系统的模型是研究其与电网交互过程的基础。光伏系统的暂态特性不仅受天气情况、电网工况等环境因素的影响,还取决于商用逆变器的内部结构以及控制策略,然而它们并不对外公开,这给系统的分析带来了困难。为了解决这个问题,该文提出一种基于暂态分析和系统辨识的光伏并网逆变器通用建模方法。将光伏逆变器视作内部结构以及控制算法未知的黑箱,通过先后施加扰动和测取响应并结合系统辨识的方法来建立其模型。以一个3kW的商用光伏逆变器为研究对象,搭建硬件在环实验系统来研究并验证这一建模方法。结果显示,在多种扰动对应的暂态过程中,模型的输出均准确地拟合了逆变器的实际输出,证明了这一建模方法的有效性。
基于整流侧辅助调控的交错并联LLC谐振变换器
作者：孙加祥；吴红飞；汤欣喜；杨帆；邢岩
摘要：交错并联技术是提高电源模块输出能力的有效手段,谐振腔参数的微小差异会导致交错并联LLC谐振变换器严重的不均流问题。该文通过在LLC谐振变换器的高频整流电路中引入有源开关、构建混合型整流器,利用整流侧的辅助控制,主动对输出电流较小模块的电压增益进行补偿,从而实现了相同开关频率交错并联运行的LLC谐振变换器的均流调节。文中详细分析混合整流LLC谐振变换器的工作原理和特性,并根据具体应用场景给出均流电路的不同实现方式。最后,通过实验结果证明了所提出的均流控制方法的可行性和有效性。
谐振式单开关多路低纹波输出LED驱动器
作者：吕寻斋；刘雪山；周群；史旭；贺明智
摘要：该文提出一种谐振式单开关多路低纹波输出LED驱动器。所提出的LED驱动器由前级Buck-Boost功率因数校正（PFC）变换器与后级谐振式多路均流输出DC-DC变换器通过一个有源开关整合而成,简化了拓扑结构和控制回路。该LED驱动器利用谐振电容的电荷平衡实现多路输出的均流控制,因此只需控制其中一条输出支路的电流,其他输出支路可实现自动均流。利用宽带宽电压模式控制环路,消除了Buck-Boost PFC变换器输出电压纹波对各输出支路的影响,即实现了多路低电流纹波输出。最后搭建了一台82W的三路恒流输出实验样机,验证了理论分析的正确性。
一种用于电-氢多能互补型微电网的双有源桥集成Boost拓扑及其控制
作者：孙孝峰；张绘欣；张涵；王洪龙；王宝诚；李昕
摘要：该文提出一种双有源桥（DAB）集成Boost变换器拓扑,并对其在PWM+移相控制方式下的工作原理和软开关情况进行分析。对多个该变换器进行串并联组合,得到可应用于电-氢多能互补型微电网中高电压等级直流母线与制氢电解槽之间的DC-DC环节的输入串联-输出并联（ISOP）型直流变压器。通过输出电压环、输入稳压环和输入均压环的联合控制,ISOP型直流变压器可以实现在串联侧的电压均衡、并联侧的电压稳定以及各子模块变压器一次、二次电压匹配。在理论分析的基础上搭建以STM32+FPGA为核心控制器的实验样机,验证了所提出的电路拓扑的正确性及控制策略的有效性。
基于全碳化硅功率组件的变流器母排杂散电感解析计算方法
作者：刘博；刘伟志；董侃；马强；刁利军
摘要：碳化硅（SiC）器件的高开关速度使得其对杂散参数更为敏感,容易激发高频振荡和超调。因此需要对功率回路杂散电感进行准确计算,其中以母排电感最为关键。该文首先对现有母排电感计算方法分析比较,并提出一种考虑趋肤效应影响的母排电感计算方法;在此基础上,结合有限元仿真定量分析空间几何参数、器件布局和母排开孔等因素对母排电感的影响,并通过最小二乘逼近得到多异结构母排电感解析计算公式。最后,使用该方法计算1 200V/423A SiC MOSFET测试平台的母排电感,并分别与Ansys Q3D仿真提取结果和实验测试结果对比,结果表明,该方法计算大功率变流器叠层母排杂散电感具有较高的实用性和准确性,可为SiC MOSFET的应用研究和叠层母排的布局设计提供有益支撑。
基于全复数型滤波器的三相锁相环技术
作者：何宇；漆汉宏；邓小龙
摘要：近年来,前置复数滤波器（CCF）的锁相环（PLL）技术成为电网同步研究中的热点。然而,现有的CCF-PLL已被证实其数学模型和控制性能与传统的实数滤波器型PLL基本一致。为提高系统的控制性能,该文提出一种CCF结构完全复数化的三相PLL技术。首先,给出前级滤波结构关于电压的传递函数,验证该结构可以准确分离出电网的基波正负序分量。其次,进行前级结构关于基波正序相位的数学建模,结合后级的同步旋转坐标系PLL,构建整个PLL系统关于相位的数学模型,并利用三阶最佳校正法对系统进行设计,确定相关控制参数。研究发现,若采用与CCF-PLL相同的开环截止频率,所提PLL的中频段宽度更宽、相位裕度更大。另外,还设计了多重全复数滤波结构级联的三相PLL,以便更彻底地抑制电网谐波。最后,通过仿真和实验进行验证,结果表明,相比CCF-PLL,所提PLL的控制性能更佳。
电力系统与综合能源
风电机组健康状态预测中异常数据在线清洗
作者：马然；栗文义；齐咏生
摘要：风电机组数据采集与监视控制系统（SCADA）运行数据中含有大量异常数据,对风电机组健康状态预测影响严重,为此针对实测风速-功率、转速-功率数据,提出一种异常数据在线清洗方法。由于机组性能退化过程中数据特征趋于复杂,基于经验Copula-互信息（ECMI）选择关键特征参量作为数据清洗对象,并基于Copula建立置信等效功率区间描述其非线性与不确定性。针对置信边界外的堆积点和离群点,结合其时序特征与密度分布建立Copula数据清洗模型（Copula-TFDD）,依次进行在线清洗。最后,基于实际数据与人工模拟数据分析模型的精度、运算效率以及对机组健康状态预测的影响表明,Copula-TFDD能准确并实时地识别各类异常数据,有效提升风电机组健康状态预测的性能。
基于一种新型牵引补偿变压器的牵引变电群贯通供电系统负序补偿
作者：王辉；李群湛；解绍锋；金安旭
摘要：针对牵引变电所群贯通供电系统负序补偿问题,该文提出基于一种新型牵引补偿变压器与静止无功发生器的负序补偿方案和控制策略。研究牵引补偿变压器的拓扑结构和负序补偿方案,根据无功补偿单元的数目将补偿方案分为补偿模式Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。从牵引负荷电流有功分量和无功分量角度出发,分别定义负序和无功的约束因子,基于变压器磁动势平衡方程、端口接线方程和对称分量法等构建不同补偿模式下的负序与无功综合补偿数学模型。定义最大无功功率补偿量,将其作为确定补偿方案的依据。提出适用于负序补偿方案的电压和电流双闭环控制策略,通过仿真验证了补偿方案及控制策略的正确性和有效性。基于牵引变电所实测数据分析补偿方案的确定方法,结果表明,合适的补偿方案可以降低补偿装置容量。
高电压与放电
基于方向梯度直方图属性空间的局部放电模式识别改进算法
作者：宋思蒙；钱勇；王辉；盛戈皞；江秀臣
摘要：该文提出一种基于方向梯度直方图（HOG）属性空间的局部放电模式识别改进算法,旨在提高特征对样本信息的概括能力,并克服分类器对高维特征的识别局限。首先,构造局部放电脉冲序列分布（PRPS）模式作为识别依据,利用局部细分叠加窗口滑移的迭代算法自动化构建PRPS图像的HOG属性空间;然后,通过线性变换协方差矩阵的方式重构HOG属性空间,使其满足相互独立性;接着,根据属性重要性重新排列空间后,依次增加输入朴素贝叶斯分类器的属性个数,基于分类精度搜索最佳属性子集;最后,按照归约属性的相对重要性进行加权,最终设计出HOG属性选择加权朴素贝叶斯分类器。大量样本测试结果证明,此算法能够达到很高的识别精度,对传统识别算法的优化效果明显,有较好的应用价值。
融合频域介电谱及支持向量机的变压器油浸纸绝缘老化状态评估
作者：范贤浩；刘捷丰；张镱议；王子潇
摘要：变压器油纸绝缘老化-受潮协同效应能够显著影响其频域介电谱（FDS）数据,因此,在绝缘严重受潮情况下难以利用FDS技术实现纸绝缘老化状态的准确评估。鉴于此,该文融合FDS以及支持向量机（SVM）提出了一种考虑水分-老化协同效应的变压器油浸纸绝缘老化状态评估方法。在当前的研究中,首先,制备具有不同老化及受潮状态的油浸纸绝缘样本,并基于FDS测试提取用于表征绝缘劣化状态的特征参量。其次,基于多元回归分析构建用于训练老化状态分类模型的拟合介电特征参量数据库。最后,利用拟合介电特征参量数据库和SVM构建用于老化状态评估的分类模型。研究结果证明,构建的分类模型可以准确评估不同受潮状态的变压器油浸纸绝缘样本的老化状态。
采用涡流自热环防止输电线路冰雪灾害的方法研究
作者：黄亚飞；蒋兴良；任晓东；黎芷毓
摘要：输电线路覆冰现象对电网的安全运行造成极大危害,国内外一直在探索和研究各种对于输电线路防冰止雪的有效方法和技术措施。该文根据输电线路导线覆冰积雪的形成过程,提出在导线上分段加装铁磁复合材料制成的涡流自热环,使其在导线传输电流产生的磁场下产生电磁热损耗,实现导线不停电自动除冰方法。该文通过磁热分析,对不同传输电流下涡流自热环的发热功率特性进行了计算;同时通过对导线除冰过程热平衡的分析,计算出不同风速、不同温度条件下导线的临界除冰功率。在人工气候室内开展LGJ-400/35导线的涡流自热环防/除冰试验。试验结果表明,间隔布置的涡流自热环可以明显抑制导线覆冰的形成,除布置处完全融冰外,可使整段导线的覆冰质量减少18.38%~30.61%。理论和试验结果表明,对微地形、微气象地区等电网小范围重冰区而言,涡流自热环是一种简单、有效的不停电导线防冰除冰措施。
电能存储与应用
考虑环境温度影响的锂离子电池改进双极化模型及其荷电状态估算
作者：庞辉；郭龙；武龙星；晋佳敏；刘凯
摘要：建立准确合理的锂离子电池数学模型,精确估算锂离子电池（LIB）终端电压及荷电状态（SOC）对于开发高效实用的电池管理系统十分重要。首先,该文建立一种改进的环境温度依赖的锂离子电池双极化（DP）模型。然后,基于锂离子电池的动态实验数据,利用遗忘因子最小二乘法（FFLS）对该锂离子电池模型关键参数进行辨识,并将其拟合为环境温度的连续函数。同时,根据扩展卡尔曼滤波（EKF）算法,提出一种适用于不同环境温度的锂离子电池荷电状态估计方法。最后,采用-10℃、20℃和50℃下动态压力测试（DST）和US06循环工况的实验数据,对该文的锂离子电池模型进行仿真分析和验证。结果表明,该文提出的改进DP模型能够准确反映环境温度对模型参数的影响,且在电池终端电压和SOC估算方面具有较高的精度和较宽的温度适用范围。
基于一致性模型的梯次利用锂离子电池组能量利用率估计方法
作者：赵伟；闵婕；李章溢；孙瑞；姜研
摘要：锂离子电池的不一致性导致电池组的容量和寿命等指标显著小于电池单体,且该问题在梯次利用的应用场景下更为严重。电池组老化后,电池组内电池不一致性参数之间并非相互独立,而是相互耦合,因此造成电池组一致性建模困难,降低了电池组的能量利用率的估计精度。针对梯次利用电池筛选成组和成组后的状态评估,该文提出一种基于Copula理论的电池组一致性建模方法,同时实现了电池参数分布特性和参数间相关性的准确刻画。基于电池组一致性模型,提出一种电池组能量利用率估计方法,并进行实验验证,估计误差在1%以内。最后分析电池组能量利用率的影响因素,以指导电池组的优化成组和使用。
基于多影响因素建立锂离子电池充电内阻的动态模型
作者：潘海鸿；张沫；王惠民；冯喆；陈琳
摘要：锂离子电池内阻建模对研究电池热管理具有重要意义。充电内阻受温度、充电倍率等众多因素的影响,该文分析电池的内阻变化特性与多种影响因素（充电倍率、荷电状态以及温度）之间的关系,采用最小二乘法的二元多项式和三次样条插值算法对不同充电倍率、荷电状态以及温度下的电池充电内阻进行建模,并采用所建立的多因素动态内阻模型对不同状态下的充电内阻进行估算。实验结果表明,所建立的动态内阻模型获得的内阻估算值与实验值的最大误差不超过6mΩ,证明所提出的电池充电内阻建模方法的有效性。