《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

基于正交磁场的无线能量和数据协同传输技术

作者：姚友素；唐程雄；王懿杰；刘晓胜；徐殿国

摘要：该文提出一种新型的无线能量和数据协同传输方案,通过采用基于平面方形线圈和DD线圈的正交磁耦合机构,降低交叉干扰,拓展设计自由度,简化电路分析。提出基于有限元仿真的正交磁耦合机构优化设计方法,阐明能量传输和数据传输交叉干扰小的原因,研究能量和数据传输特性。

为验证理论分析,搭建一个传输距离为mm、磁耦合机构（包括能量线圈和数据线圈）外尺寸为mm×mm×15mm、输出功率为47W的样机,样机效率可达68.4%,数据传输速率为1.0Mbit/s。通过对比数据单独传输及能量和数据协同传输时的波形,证明能量传输和数据传输干扰可忽略。

多负载磁耦合无线电能传输系统的拓扑发展和分析

作者：孙淑彬；张波；李建国；疏许健；荣超

摘要：近年来,多负载磁耦合无线电能传输技术已成为一个研究热点,其中系统拓扑是一个关键的研究内容,决定了该技术是否能够满足不同应用场景的需求,为此该文对多负载磁耦合无线电能传输系统拓扑进行梳理和分析。

首先,将多负载磁耦合无线电能传输系统拓扑进行分类,进而对单电容补偿型、高阶阻抗匹配型、多米诺结构型和多通道型等拓扑进行分析;接着,根据电源和发射线圈数量、补偿网络类型、系统构造方式和功率传输方法,分别介绍主要类型拓扑的工作原理、优缺点或适用场合;最后,提出多负载磁耦合无线电能传输系统拓扑所面临的问题,并展望了未来发展趋势。

基于输出能效最优的感应电能传输系统耦合线圈设计

作者：郝文美；张立伟；蔡娇；杨瑞；修三木

摘要：无网受流列车作为一种新型城市轨道交通车辆,摆脱了传统的架空接触网,借助耦合线圈进行电能传输,耦合线圈作为重要的传输媒介,其配置与布局既要与应用目标车型相匹配,又要保证感应电能传输系统的传输性能及稳定性。

基于此,该文首先提出一种适用于实际工程应用的耦合线圈设计及配置方法,从硬件设计的角度出发,综合考虑系统能效因素,给出一种针对目标车型的线圈设计方案,在目标控制策略下,系统应用该耦合线圈设计方案始终保持高效能的输出。然后针对实际车辆参数及线圈配置参数搭建仿真模型,仿真结果表明,该方法能够满足系统运行需求,并能实现较优的能效输出。最后基于提出的线圈设计方法,搭建1.5kW小型实验平台验证设计方案的合理性。

地磁感应电流作用下大型变压器的温升特性计算

作者：朱涛；王丰华

摘要：为准确分析电力变压器在地磁感应电流（GIC）作用下的温升特性,该文通过建立某kV三相共体油浸式电力变压器的电磁-流热场耦合三维仿真模型,计算变压器满负载运行及不同GIC作用下其内部构件的损耗密度和温度场分布,并依据IEEEC57.标准,计算GIC作用下变压器内部构件的动态温升曲线。

仿真计算结果与设计值的良好吻合说明了该文计算结果的正确性。同时发现,受GIC影响后,电力变压器的夹件、拉板、油箱等的涡流损耗分布极不均匀,且随GIC电流的增加而增大。GIC脉冲作用下的变压器金属构件局部温度会急剧上升,在A直流脉冲下,变压器主柱拉板的局部温升达到允许限值。研究结果可为GIC作用下大型变压器的耐受性能分析提供重要参考依据。

相同极性永磁体对感应式磁声磁粒子浓度成像过程影响的仿真

作者：闫孝姮；李政兴；潘也；陈伟华

摘要：感应式磁声磁粒子浓度成像（MACT-MI）是一种基于磁声耦合效应的磁性纳米粒子（MNPs）浓度成像新方法,为降低激励源幅值、增大磁声信号的信噪比,该文提出一种加入相同极性永磁体的MACT-MI新思路。根据Langevin顺磁理论,研究加入相同极性的永磁体后MACT-MI的电磁学与声学特性,进而对磁体系统进行设计,同时构建浓度渐变模型,采用多物理场仿真软件COMSOL对MACT-MI的物理过程进行求解,得到磁通密度、磁力和声压的二维分布及其对应的一维曲线。

研究结果表明,加入相同极性永磁体后,MNPs受到的磁力更强,从而激发信噪比更大的磁声信号,有利于声信号的获取,在所设计的磁体系统激励下,MNPs产生的声压呈上下对称分布且方向相反,浓度均匀模型中声压的峰值出现在浓度边界处,浓度渐变模型声压的峰值出现在渐变中心处。研究结果可为成像装备的设计以及MACT-MI的后续实验乃至临床应用提供研究基础。

电机及其系统

被动补偿式外转子永磁脉冲发电机的放电特性

作者：陈亚千；张炳义；冯桂宏

摘要：为探究被动补偿式外转子永磁脉冲发电机（ORPMPCPA）的放电特性,在综合考虑放电过程中被动补偿作用对电枢绕组电感的影响以及机电能量转换造成转速变化等因素的基础上,建立ORPMPCPA对负载放电的数学模型,对ORPMPCPA放电时的脉冲电流形成过程、能量转化过程以及相关因素对脉冲电流波形的影响进行仿真分析。

结果表明,ORPMPCPA能在瞬间将转子内部储存的动能转化为强脉冲电能,且通过改变外电路中触发延迟角、两相绕组组合方式和外接电感数值,实现对脉冲电流波形的灵活调节。通过对比分析样机测试结果和仿真结果,证明所提出的ORPMPCPA放电特性分析方法的准确性。

一种12/10极模块化定子混合励磁开关磁阻电机分析

作者：丁文；李可；付海刚

摘要：为了提高传统开关磁阻电机（CSRM）的输出转矩、功率密度,降低电机的转矩脉动,该文提出一种新型的三相12/10极模块化定子混合励磁开关磁阻电机（MHSRM）。该电机定子由6个U型定子模块组成,每个U型定子块两极之间的槽口处嵌入永磁体,每个定子块构成独立的磁路,提高了电机的容错性,同时由于永磁体的加入,拥有更大输出转矩和功率密度。该文介绍MHSRM的拓扑结构、工作原理。

为了验证该电机的良好性能,运用有限元方法对相同结构尺寸的MHSRM、CSRM和无永磁体的分块定子开关磁阻电机（SRM）的静态电磁场和电磁特性进行对比,并分析了永磁体对MHSRM电磁转矩的影响。最后,制作相同尺寸的MHSRM和CSRM样机各一台,对两种电机的静态电磁特性、稳态和动态性能进行实验测试,并与6/5极结构的MHSRM进行部分性能对比,实验结果验证了有限元计算分析的正确性,证明MHSRM具有相对更好的电磁性能。

中低频轻载工况下引入虚拟电抗的感应电机变频调速系统稳定控制

作者：易山；卢子广；袁凯南；吴公平；黄守道

摘要：针对中低频轻载工况下感应电机变频调速系统存在的转速与电流振荡问题,该文提出一种引入虚拟电抗的感应电机变频调速系统V/f控制方法。首先,建立感应电机变频调速系统的数学模型,在此基础上分析V/f控制下感应电机变频调速系统的稳态性能。然后,分析引入虚拟电抗的感应电机变频调速系统的根轨迹,证明了引入虚拟电抗可提升感应电机变频调速的稳定性,达到抑制感应电机变频调速在轻载中低频工况下振荡的目的。

最后,通过Matlab/Simulink仿真和大功率感应电机变频调速系统的实验平台,验证了采用该文所提的引入虚拟电抗的V/f控制方法,可实现感应电机变频调速系统在中低频轻载工况下低转速脉动和低电流振荡运行。

五相永磁容错电机的相间短路容错控制

作者：顾理成；陈前；赵文祥；刘国海；夏雨航

摘要：永磁电机发生短路故障后,电机内的短路电流急剧增大,电机系统将失去平稳性,威胁重大装备的运行安全。与其他短路故障相比,相间短路破坏性最强。针对这一严重故障,该文提出一种五相永磁容错电机的相间短路容错控制。以稳定的输出转矩为目标,从消除相间短路引起的断相和短路电流这两个负面影响出发,构建最优容错电流。利用故障前后磁动势不变的基波降阶矩阵,重构非故障相电流,弥补相间短路下断相引起的转矩损失和转矩脉动。

进一步地,在非故障相中注入补偿电流,以注入电流与短路电流的磁动势和为零为原则,抑制短路电流引起的转矩脉动。利用叠加原理合成所需容错电流,并通过载波脉宽调制技术固定所提容错控制的开关频率。最后,通过实测20槽/14极五相永磁容错电机故障,容错运行下的动、静态特性,验证了所提控制策略的正确性和可行性。

考虑同步误差影响的直驱H型平台轮廓跟踪控制方法

作者：张康；王丽梅

摘要：为了解决系统同步误差对永磁直线同步电机（PMLSM）驱动H型平台轮廓跟踪精度的影响,该文将并联轴位置不同步引起的横梁偏转角定义为等效同步误差,以此构建适用于直驱H型平台的融合误差模型。同时,建立基于融合误差的非线性耦合模型,将系统控制目标由轮廓跟踪转变为融合误差收敛。采用反馈线性化对以融合误差为状态变量的非线性耦合动态方程进行解耦线性化。

针对线性模型,设计自适应积分滑模控制器（AISMC）,削弱反馈线性化控制对系统数学模型的强依赖性,提高系统对负载扰动和参数摄动的鲁棒性。实验结果表明,所提出的控制方法不仅能有效提高系统的轮廓精度和同步精度,而且增强了系统的鲁棒性。

电力电子

一种具有宽输出调压范围与低电压应力的单级无桥隔离型PFC变换器

作者：孙凯；贲洪奇；孟涛；赵志强；丁明远

摘要：针对单级无桥隔离型功率因数校正（PFC）变换器存在开关管电压应力大,工作于降压模式时,总谐波畸变率（THD）高、功率因数（PF）低的问题,提出一种具有宽输出调压范围与低电压应力的单级无桥隔离型PFC变换器。该变换器采用双绕组分裂电容的结构,降低了开关管与二极管的电压应力。通过引入工频开关管,消除变换器工作于降压模式时的输入电流畸变,实现降压模式下的高功率因数,从而有效拓宽输出电压的调节范围。变换器工作于断续导通模式（DCM）时,可实现二极管的零电流关断（ZCS）。

详细分析变换器的工作原理和运行特性,并通过软件进行仿真证明,最后通过搭建一台50W实验样机,验证了该变换器能工作于较宽输出电压范围,具有开关管电压应力小、功率因数高、控制简单和转换效率高等优点。

具有功率解耦能力的单级无桥式虚拟三端口整流器

作者：田涵雷；夏益文；陈茂林；梁国壮

摘要：为消除电解电容对高亮度发光二极管（HB-LEDs）寿命的影响,并迎合轻量化设计理念,提出一种具有功率解耦能力的单级无桥式虚拟三端口整流器。该拓扑采用路径优化的方式缩短能量传输路径,并通过功率器件共享的方式实现多级整合,极大地提升了器件利用率与电路功率密度;虚拟第三端口专用于功率解耦,从而有效缓解系统对大电容的依赖,为薄膜电容替代电解电容提供可能。此外,所提整流器可实现功率因数校正（PFC）,控制单元简单、易行。该文分析该整流器的工作原理,详述关键电路的参数设计,并通过额定输出功率为90W的实验样机验证了该整流器的优越性。

基于电网谐波电压前馈的虚拟同步整流器电流谐波抑制方法

作者：徐健；曹鑫；郝振洋；杨奇

摘要：虚拟同步机技术可使电力电子变换器表现出类似同步电机的阻尼和惯量特性,从而促进电源或负荷与电网的友好交互。然而,因实际电网运行工况较为复杂,电网电压畸变将导致虚拟同步变换器的并网电流发生严重畸变。为此,该文提出一种适用于畸变电网下的虚拟同步整流器电流谐波抑制方法。

首先,运用阻抗分析法,研究电网谐波电压对虚拟同步整流器并网电流的影响机制;其次,基于阻抗分析,提出一种电网谐波电压前馈的方法,通过增大谐波频率处的网侧阻抗,削弱电网谐波电压对并网电流的影响,实现对电流谐波的抑制;最后,采用小信号分析法,研究前馈因子的取值方法,并评估系统的稳态与动态性能。仿真和实验结果证明了该研究方法的正确性和有效性。

单相五电平整流器滑模模型预测控制

作者：朱艺锋；赵海龙；张国澎；陶海军；李绍令

摘要：五电平整流器由于具有大功率输出能力、网侧电流谐波小的特性而被广泛应用于高压电力传输变换场合。该文以耦合电感五电平整流器为研究对象,针对传统模型预测外环采用PI控制存在的动态性能差、抗扰动能力差的问题,提出滑模模型预测控制（SMMPC）算法。

首先,分析整流器的五电平产生原理,在此基础上建立外环与内环控制所需的动态方程。然后,针对该整流器详细设计滑模模型预测控制算法。最后,仿真和实验结果均表明,该滑模模型预测算法不仅保留了模型预测固定开关频率、延时误差小的优点,同时与PI模型预测控制相比,其动态响应速度与抗扰动能力更加优异。

基于动态事件触发的Vienna整流器模型预测控制

作者：周运红；张爱民；黄晶晶；杜羽东；张蕾

摘要：为了解决直流充电系统中应用于Vienna整流器的有限控制集-模型预测控制（FCS-MPC）方法占用过多计算资源、影响系统性能的问题,该文提出一种结合动态事件触发规则的模型预测控制（DET-MPC）策略。

该方法实时检测系统数据并计算状态误差,只有当系统状态满足事件触发条件时,才更新系统采样数据并进行下一步的模型预测控制计算,否则将保持原有开关状态以减少计算负担;通过在事件触发条件中引入动态变量,使得系统状态发生变化时,能快速调节事件触发条件,以保证系统稳态性能。为了验证所提DET-MPC方法,进行了实验对比分析,结果表明,所提方法能在保证系统性能的前提下能有效减少计算负担,降低开关损耗,提高系统效率,并且在各系统状态变化后有较好的稳态性能。

面向电流源型PWM整流器直流侧电压的多环路控制策略

作者：郭强；周琛力；李山

摘要：三相电流源型PWM整流器作为低压直流配电系统有源前端时,因网侧LC滤波环节和直流侧电容的存在使系统控制难度增加。

首先,在同步旋转坐标系下建立电压定向数学模型,通过控制网侧电流d轴与q轴分量,完成系统有功、无功功率的独立控制;其次,基于相量法提出一种电容电流补偿方法,仅构建电容电压前馈通道,实现间接电流控制策略下功率因数校正;然后,采用电容电压反馈有源阻尼法对网侧LC谐振进行抑制,详细分析反馈增益对系统稳定性的影响;此外,该文通过在内环引入直流侧电感电流反馈以及阻尼因子,进一步改善系统性能;之后,利用频域法与根轨迹法对整个控制环路进行分析,辅助Matlab/SISO设计工具,在离散域中直接优化设计控制器零点位置与环路增益;最后,通过仿真和实验结果验证了所提出的方法的可行性和有效性。

有源中点钳位五电平逆变器悬浮电容预充电控制策略

作者：李科峰；高山；刘计龙；肖飞；麦志勤

摘要：有源中点钳位五电平（ANPC-5L）拓扑是一种适用于中高压变频驱动的新型拓扑结构。现有ANPC-5L逆变器悬浮电容预充电方法具有简单可靠、不需要外部充电电路等优势,但也存在开关管电压应力过大、强制互补的开关管直通等不足。

针对此问题,该文提出一种悬浮电容预充电控制策略,通过在交流侧布置预充电电阻,即可实现直流侧支撑电容和桥臂内悬浮电容同时预充电,预充电过程中既可以确保支撑电容中点电位为母线电压的一半,也可以确保各桥臂悬浮电容电压为母线电压的四分之一。该文分析预充电过程的等效电路,推导预充电过程中电容电压的时域解析表达式,得出预充电电路参数设计的理论依据。通过电路仿真,对所提预充电控制策略进行了验证,同时在一台功率等级为kW的ANPC-5L逆变器样机上对所提控制策略进行了实验验证。

微电网负载端接口变换器的自抗扰稳压控制

作者：陶珑；王萍；王议锋；马小勇；程鹏宇

摘要：混合储能微电网具有非线性、强耦合、负载扰动强、并/离网模式切换灵活等特性,针对传统控制难以取得理想效果的问题,该文将二阶线性自抗扰控制（2nd-LADRC）技术引入微电网负载端接口变换器的控制中。

首先,根据状态空间平均法对被控对象进行分析并提取模型信息,根据状态方程与传递函数从系统层面设计2nd-LADRC控制器;然后,通过频域分析,验证2nd-LADRC控制器的收敛性和抗扰性,探讨观测器带宽与抗扰性能之间的关联,并运用Lyapunov理论分析应用2nd-LADRC控制器时的系统稳定性,得出系统在工程意义上是稳定的;最后,设计一台40kW实验样机,模拟在微电网和负载功率波动时不同控制策略的实验场景。实验结果验证了2nd-LADRC控制方法的可行性和有效性。

基于无功优化的三端口双向DC-DC变换器控制策略

作者：黄珺；付亚楠；吕晓飞；何许国；霍鹏冲

摘要：针对三端口双向DC-DC变换器（TPBDC）在端口电压不匹配时无功回流大、软开关范围小以及效率低的问题,该文提出一种以最小无功为目标的效率优化控制策略。分析TPBDC各端口的电压电流特性,基于占空比控制和相量分析法建立各端口功率模型。通过构建最小无功优化问题并求解最优控制量,在宽电压范围内减小TPBDC的无功回流。进一步分析TPBDC在优化控制下的软开关特性,提出最优控制量的选取策略。

实验结果表明,该文所提优化控制策略使TPBDC在宽电压工况下具有更小的无功回流和更宽的软开关范围,从而显著提升变换器在端口电压不匹配及轻载条件下的传输效率。

基于耦合电感的交错Boost变换器性能优化

作者：王议锋；王忠杰；陈博；王浩；陈庆

摘要：该文围绕交错Boost变换器稳态和动态性能综合优化这一问题展开研究。通过采用反向耦合电感代替传统分立电感,利用其在一个开关周期的不同时间段内具有不同的等效电感这一优势,可以同时实现对变换器稳态和动态性能的优化。在高频工作条件下,采用反向耦合电感可以进一步减小功率电感损耗,提升变换器效率。

该文以两路交错Boost变换器为例,首先对耦合电感的等效电感进行理论推导;然后对变换器的稳态和动态性能进行理论分析,指出反向耦合电感在改善变换器稳态和动态性能方面的优势;最后结合GaN功率开关器件,搭建一台开关频率为kHz,额定功率为W的实验样机,并与采用分立电感的交错Boost变换器进行实验对比。结果证明,采用耦合电感可以提升变换器稳态和动态性能,验证了该文理论分析的正确性。

高电压与放电

电力设备绝缘损伤形式及自修复材料研究进展

作者：孙文杰；张磊；毛佳乐；雒佳明；成永红

摘要：电力设备绝缘材料在生产、安装、敷设以及服役期间受到各种人为、环境因素的影响,易出现材料本体缺陷、机械损伤以及电气损伤等不同的绝缘损伤形式。自修复材料能通过材料内部分子的物理相互作用或是一定的化学反应识别损伤并对其进行修复。自修复绝缘材料的发展对延长电力设备的使用寿命和维持设备运行稳定性具有重要意义,将有效推动电力物联网和坚强智能电网的发展。该文总结了电力设备绝缘材料的基本缺陷及损伤形式,并归纳综述了可实现绝缘材料自修复功能的方法。

环保绝缘介质C5F10O混合气体体积分数比定量检测

作者：李亚龙；张晓星；卫卓；王毅；李祎等

摘要：C5F10O混合气体在中低压电压等级电气设备中替代SF6气体作为绝缘介质具有很好的应用前景。因C5F10O的体积分数比对其混合气体的电气性能起到决定性作用,而已有的研究中,C5F10O混合气体大多是采用道尔顿分压法配制,存在配气误差无法确定的问题。

该文基于紫外差分光谱法提出快速准确的定量检测C5F10O混合气体体积分数比的方法,实验发现,C5F10O气体在~nm波段有紫外吸收峰,峰值位于nm处,通过对C5F10O气体的吸收峰进行检测,标准气体的体积分数比反演曲线线性确定系数高达0.,检测绝对误差小于0.05%,理论检测下限低至×10-6。

该文的研究成果可用于指导配制体积分数比更加精确的C5F10O混合气体以及在工程应用中实时在线监测C5F10O混合气体的体积分数比变化和监测环境中C5F10O的泄漏,为运维人员制定运维计划提供参考。

去粉化对硅橡胶复合绝缘子性能的影响

作者：张志劲；梁田；向缨竹；蒋兴良

摘要：运行在高海拔、强紫外、盐雾高湿等恶劣环境中的硅橡胶复合绝缘子表面会发生不同程度的粉化现象,影响绝缘子的运行性能。该文对在三种不同环境条件下老化10年以上的复合绝缘子伞裙粉化现象进行研究,分别测试了去除粉化层前后的憎水性、粗糙度、介电性能、微观形貌以及表面化学成分,分析去除粉化带来的性能变化。

研究结果表明,去除粉化层后,复合绝缘子伞裙样品憎水性变差、粗糙度降低、介电性能下降,材料表面暴露出大量的微形孔洞,而表面化学成分可以恢复到与硅橡胶内部接近的状态。去粉化处理对复合绝缘子性能的改善不具有一致性,因此在实际运行中,是否需要对粉化复合绝缘子立即进行去粉化处理有待进一步研究。