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《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

飞机和风机叶片除冰用脉冲线圈结构对瞬态电磁场影响研究

作者：陈宇；蒋兴良；黄廷帆；姜涛；胡琴

摘要：在飞机和风机叶片电脉冲除冰中,为了提高线圈的脉冲效果,降低除冰装置质量,实现系统的微功耗设计,需要优化线圈结构。脉冲线圈作为脉冲除冰、脉冲焊接等应用中能源转换的关键部件,其瞬态电磁场求解复杂,一般难以得到解析解。

为了研究线圈结构参数对脉冲效果的影响,该文通过推导脉冲线圈的场-路数学方程,建立脉冲线圈和目标物的物理模型,并采用有限元软件对脉冲线圈的瞬态电磁场进行计算,得到脉冲线圈电磁参数时变特性。通过脉冲线圈的脉冲冲量试验对模型的准确性进行验证,在此基础上,分析线圈匝数、截面尺寸和线圈匝间距等结构参数对脉冲电流、脉冲力、脉冲效果的影响,为电脉冲除冰应用微功耗化设计提供优化思路和技术路线。

基于移相调制的无线供电与信息协同传输技术

作者：华超；周岩；胡震；朱建鑫

摘要：该文提出一种基于移相调制的无线供电与信息协同传输技术。通过控制全桥逆变器的频率和移相角,将工作状态分为两种：当系统仅需要无线供电时,移相全桥逆变器的工作频率等于系统一次和二次线圈谐振频率fp,实现无线电能的高效率传输;当系统需要同时进行无线供电与信号传输时,移相全桥逆变器控制频率采用fp/作为低频通信频率,通过调制移相角实现信号传输,利用其次谐波频率fp进行高效率无线电能传输。理论上,通信时所选择的工作相位点仅影响基波频率点幅值分量以实现解码,而对实现无线供电谐波频率点幅值没有影响。

该技术采用二次侧双谐振回路构造能量接收电路和信号解调电路,可在同一套硬件装置上实现信道复用,实现低频通信信号的传输和无线电能的高效率传输,在海洋等对通信频率敏感的介质条件下具有明显优势。

电机及其系统

基于计算前沿面的实时仿真数值积分并行构造及其数值模型解耦加速方法

作者：何绍民；张喆；卢倚平；杨欢；沈捷

摘要：数值仿真是先进智能计算的基础与底层核心技术,而计算速度是数值仿真的核心性能指标。然而,随着高开关频率功率器件在电机驱动等系统中的应用,短时间约束给实时及在线数值仿真的计算速度带来了严峻挑战。当前数字平台的计算结构朝着并行化的趋势发展,并行计算被视为短时间约束下优化计算速度的有效途径,但现有的数值模型和数值算法大多基于顺序计算的串行模式,缺乏可并行执行的冗余并行度。

因此,该文研究了数值算法的求解核心数值积分的并行优化方法,提出了计算前沿面的优化思路,为数值积分算法构造冗余并行度以实现并行计算,分析了其在数值精度与数值稳定性方面的影响,并讨论了在多步与高阶数值积分法上的可拓展性。同时,利用计算前沿面构造的冗余并行度,设计了数值模型的并行解耦分割,并应用于电驱系统实现了元件级的数值加速。最后,在硬件在环的实时数值环境中验证了优化方法的可行性、数值性能以及加速效果。

高速永磁电机转子过盈方式对转子应力的影响

作者：杨江涛；王镇宇；冯垚径；黄守道

摘要：该文对高速永磁电机（HSPMM）转子过盈方式对转子应力的影响进行研究。首先,在二维极坐标下建立了转子各部位统一几何模型的应力场数学模型,可求解不同边界条件下转轴、永磁体和护套的径向应力和周向应力。然后,基于建立的应力场数学模型得到不同过盈方式下转子应力的解析计算方法,分析了不同过盈方式对转子应力的影响。

在此基础上,提出“虚拟过盈”概念及虚拟过盈下的应力计算表达式,分析了其准确度并解释了其物理意义。最后,通过有限元（FEM）分析方法对一台额定功率为50kW、额定转速为r/min的高速永磁电机进行分析,说明了不同的过盈方式导致转子应力的差异,验证了理论分析的合理性。

不平衡电网下虚拟同步机的多模式协调策略

作者：潘子迅；杨晓峰；赵锐；崔晨阳；闫涛

摘要：新能源并网换流器采用虚拟同步机（VSG）控制有利于提升电网惯量和阻尼水平,但在电网电压不平衡时存在输出电流畸变和瞬时功率脉动的问题。为灵活调控不平衡电网下VSG输出电流质量与功率纹波,该文提出一种VSG多模式协调策略。

首先,研究不平衡电网下的VSG瞬时功率脉动抑制机理,在功率恒定模式分析并网电流谐波特征的基础上,利用VSG虚拟功率计算电流参考指令并引入协调系数对其修正;其次,在多谐振电流内环控制下实现VSG电流平衡-功率恒定多模式协调,并研究协调系数影响及其取值区间选取方法;最后,通过仿真与实验结果验证了该文理论分析与所提控制策略的有效性。

电力电子

基于变电阻驱动的SiC器件开关轨迹协同调控

作者：邹铭锐；曾正；孙鹏；王亮；王宇雷

摘要：得益于优异的电-热性能,SiC器件在新能源变流器中得到了越来越多的应用。然而,相对于Si器件,SiC器件的开关速度更快、安全裕度更低、电磁干扰更大,制约了其安全可靠运行。

基于栅极驱动电阻的动态切换,该文提出一种四阶段变电阻的SiCMOSFET器件开关轨迹调控方法,实现开关速度、损耗、过冲、振荡、串扰、延迟等多项性能的协同优化,建立驱动电阻对SiC器件开关轨迹定量调控的数学模型,发现开关性能量化指标与开关轨迹不同阶段之间的解耦规律,提出分阶段变电阻的驱动方法,实现开关轨迹中多个控制目标之间的协同优化,给出驱动电阻取值的通用设计方法,提出驱动电阻切换的交错时序逻辑,对比传统驱动方法,采用大量实验结果,验证了所提模型方法的有效性。

计及轻量化设计的多电平光伏逆变器

作者：田涵雷；韩沛松；唐嵩峰；陈茂林；梁国壮

摘要：为满足轻量化设计而直接移除变压器将导致光伏阵列对地的杂散电容存在共模漏电流,给整体系统造成电磁干扰和安全性问题。同时,多电平设计降低了输出电压谐波分量和器件电压应力。

鉴于此,提出一种非隔离型共地式多电平光伏逆变器,简言之,该逆变器通过引入新型开关电容网络,得到输入侧负极与输出侧中性点相连接的拓扑结构,理论上可完全消除杂散电容对地的共模漏电流。同时,相较于桥式电路,所提电路输入侧电压利用率高,克服了对其电压等级的依赖和天气条件的限制。此外,提出一种前馈空间矢量调制（FSVM）策略,完成输出变量与波动的电容电压解耦。最后,通过搭建一个V/1kW的实验平台来验证所提方案的正确性和可行性。

一种开关损耗优化的Z源逆变器调制策略

作者：姜翼展；张经纬；何凤有；王强；张伟峰

摘要：现有的Z源逆变器调制策略较少考虑功率因数的变化。当功率因数变化时,由于通过开关器件的电流发生相位变化,原有调制策略所产生的开关器件损耗便不是最优的。该文提出一种广义Z源逆变器空间矢量调制（ZSVM2）策略,可以实现功率因数小于1时开关损耗最优。

该文通过分析Z源逆变器独有的直通电流分布情况,得到开关损耗的计算方法。通过移动开关器件所通过的直通电流与交流电流相对位置,找到最低开关损耗发生位置。最后,通过Matlab/Simulink并联合PLECS仿真证明了所提出调制方法的有效性,同时搭建了小功率平台进行实验验证。该策略不与其他控制策略冲突,可以在此基础上叠加其他策略。

一种基于ghγ坐标系的三电平四桥臂逆变器简化空间矢量脉宽调制方法

作者：张志；陈浩辉；陈思哲；张兆云；李义云

摘要：针对中点钳位型三电平四桥臂逆变器拓扑,该文提出一种基于ghγ坐标系的简化三维空间矢量脉宽调制方法。该方法以各冗余小矢量为中心点,将原矢量空间降阶分解为若干个两电平四桥臂矢量空间,仅需要简单的坐标变换和计算就能得到开关器件的占空比,还能自动获取冗余矢量和相邻电压矢量并优化组成开关序列,克服了传统三电平空间矢量调制方法存在过多的四面体选择、占空比计算过程存在较多的三角函数运算和需人工查找冗余矢量并存储大量开关序列的缺点。

同时,针对中点电位平衡的问题,提出一种通过调节冗余矢量占空比以精确补偿电容电荷量的计算方法。所提简化调制方法能拓展应用于多电平四桥臂逆变器中。最后,通过仿真和实验结果验证了该文所提方法的正确性和有效性。

基于调制波分解的Vienna整流器的调制方法

作者：姜卫东；胡业波；张庆岩；王金平；高梁

摘要：Vienna整流器是一种控制简单、可靠性高的升压型整流器,被广泛应用到风能发电系统、航空电源以及新能源电动汽车等领域。由于Vienna整流器结构的特性,传统的调制方法会导致电流过零点畸变。因此,该文从调制波分解的角度分析电流过零点畸变产生的原因,针对现有的调制策略存在的不足,在其基础上进行改进,提出一种在维持直流侧中点电压平衡的情况下,可以最大程度地降低电流畸变的调制方法。该文将Vienna整流器的传统空间矢量调制、具有过零钳位的空间矢量调制与所提调制方法进行了比较,通过实验验证了所提调制方法的可行性和优越性。

基于正交频分复用-多进制正交幅度调制的DC-DC变换器能量信息一体化技术

作者：郭昊；李岩；侯冰冰；井永腾

摘要：电力电子变换器通过功率与数据信息的复合调制,可使其在电能变换传输的同时进行数据信息的传输,从而实现能量信息一体化。该文以交错并联DC-DC变换器为研究对象,提出基于正交频分复用-多进制正交幅度调制（OFDM-MQAM）的能量信息一体化方法,并详细介绍变换器进行OFDM-MQAM的原理和具体实现方式,使能量信息一体化传输中的通信速率得到提升。

建立变换器传输电能和信息的数学模型,在模型基础上计算分析输出电压纹波与数据信息传输的关系,并以此提出带有码元组合补零环节的OFDM-MQAM,大幅优化通信所引起的电压纹波。此外,针对多路载波引起的相位延时,通过所设计的解调环节避免OFDM系统的信道间和符号间干扰。最后通过一台交错并联的5V/10VBoost变换器完成了技术方法的实验验证。

一种大幅度减小间接矩阵变换器高频共模电压的调制策略

作者：鲁紫荆；李珊瑚；操孙鹏；刘旭；孙庆国

摘要：现有的间接矩阵变换器共模电压抑制策略大都聚焦于降低峰值而缺少对减小高频共模电压幅值的研究。基于有效矢量作用下的共模幅值和正负特性,该文提出一种大幅度减小间接矩阵变换器高频共模电压的新型调制策略。

该策略的共模电压在一个输入扇区内正负方向不发生变化：整流级调制选择相邻两个有效矢量,逆变级调制在输入1、、5扇区选择输出共模电压方向始终为正的有效电压矢量V2、V4、V6;在输入2、4、6扇区选择输出共模电压方向始终为负的有效电压矢量V1、V、V5。通过减小共模电压在一个载波周期内的跳变次数和变化幅值,可以大幅度减小高频共模电压。最后,通过仿真和实验结果验证了该方法的有效性。

并联级联H桥电源电流跟踪优化与环流抑制的模型预测控制

作者：黄海宏；颜碧琛；王海欣

摘要：分布式控制在级联H桥（CHB）变换器并联的电源中可提升输出容量及可靠性。然而,常规分布式控制器可能由于硬件或控制参数的不匹配而导致输出功率不平衡,从而在CHB支路之间形成不稳定的环流,这将导致：①支路电流的稳定性与跟踪性能变差;②均流电抗器易饱和。对此该文提出一种基于Luenberger观测器状态重构的主从模型预测控制,所提策略可以实现参考电流跟踪和环流抑制的控制优化。

此外,通过载波可以轻松实现级联H桥交错和并联控制器同步,从而固定开关频率。基于推导出的电流预测模型,当多个并联CHB支路具有不同的输出功率时,可以实现优化的电流跟踪响应并消除环流。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

考虑恒功率负载的直流微电网稳定性与鲁棒性控制策略

作者：张泽华；宋桂英；张晓璐；周继尧；王瑞民

摘要：为解决直流微电网中Boost变换器带恒功率负载引起的不稳定问题,提出一种自适应反步控制。首先,采用坐标变换将系统模型转换为标准形式,避免寄生电阻对主控制器的影响。其次,为了改善系统的鲁棒性,利用扩展非线性干扰观测器和基于变换器动态模型设计的输入电压观测器在线估计和补偿外部扰动、寄生电阻与集总不确定项干扰。

经过优化后的自适应反步控制可以在系统初始参数有限且不精准的前提下运行。之后运用李雅普诺夫与混合势函数理论验证控制器的大信号稳定性,并给出控制器参数设计原则,保证了输出电压的全局轨迹跟踪和快速动态响应。最后,通过仿真与实验验证了所提控制在恒功率负载高度渗透直流微电网下的有效性与优越性。

电力系统与综合能源

计及调峰辅助服务的风电场/群经济制氢容量计算

作者：孔令国；陈钥含；万燕鸣；王晓晨；韩子娇等

摘要：针对“双碳”目标下风电深度消纳及电网灵活性提升的规模化风电制氢经济容量配置问题,该文提出计及调峰辅助服务的风电场/群经济制氢容量计算方法,实现单个风电场及省级风电最佳制氢容量计算。在计及电解水制氢系统规模化成本效应的情况下,以净现值最大为目标,考虑电网调峰需求,构建制氢容量经济优化目标函数,对电解水制氢系统的初始投资成本、制氢电价、氢气售卖价格、电解槽转化率和设备退化率等参数进行敏感性分析,并在其基础上预测未来风电场/群制氢经济性。

通过吉林省49个风电场进行算例分析,结果表明,风电制氢参与调峰辅助服务市场能够在最大化消纳风电、提升电网动态调节能力的同时,计算出49个风电场及吉林省省级最佳经济制氢容量。该文为风电场/群制氢容量配置提供有效计算方法。

直流牵引供电回流系统与杂散电流扩散的联合仿真模型

作者：刘炜；周林杰；唐宇宁；潘哲；尹乙臣

摘要：直流牵引供电系统杂散电流产生的直流干扰问题日趋严重。为研究杂散电流的干扰程度,将直流牵引供电回流系统与杂散电流扩散模型进行联合仿真。考虑段场与正线之间的互相影响,建立段场集中点电流源泄漏与正线沿线钢轨分布式泄漏共同作用下的动态杂散电流在分层介质中的扩散模型。提出分层模型的精细积分主元加权迭代方法,从而避免一般方法求解失败的问题,实现高精度、高效率求解分层格林函数。

以中国实际地铁工程为例,采用该文模型对段场的杂散电流和附近土壤地表电位梯度的现场测试进行过程还原,实测与仿真结果误差在8.46%以内。直流牵引供电系统正线与段场之间采用阻断式连接方案,可使得附近土壤的地表电位梯度降低46.5%。

考虑园区自备热电联产机组运行约束的电热耦合系统动态优化调度

作者：黄悦华；陈庆；张磊；叶婧；卢天林

摘要：园区企业对自备热电联产（CHP）机组进行技术改造可以显著提升其快速调节能力,但是调度过程对CHP机组动态过程精细化建模不足,导致调度方案难以匹配CHP机组的运行状态。该文提出一种考虑园区自备CHP机组状态运行约束的电热耦合系统（CEHS）动态优化调度方法。

首先,考虑CHP机组快速调节下的电能、流量、压力等状态量特性建立机组的动态约束,进而构建CEHS动态优化调度模型;然后,针对含微分方程约束的CEHS动态优化难以求解的问题,提出一种动态自适应粒子群-径向基拟序贯双层优化求解策略;最后,基于改进的IEEE0节点系统验证该文所提方法的正确性和有效性。

基于旋转移相变压器的电压源型无功补偿器及其控制策略

作者：颜湘武；郭燕；彭维锋；贾焦心；邵晨等

摘要：由于以光伏、风电为代表的可再生能源的间歇性、随机性特征,当分布式电源高渗透率并入电网时往往导致供电线路有功、无功功率的波动,造成有源配电网潮流分布与控制复杂化,网损增加,频率和电压品质下降。

为了改善这一状况,该文参考静止无功补偿器（STATCOM）的电压源型换流器（VSC）结构提出一种基于旋转移相变压器（RPST）的电压源型无功补偿器（VSVC）的新拓扑,分析VSVC在容性和感性两种典型工况下的工作原理;研究VSVC并联稳态数学模型,应用瞬时无功理论,提出一种包含功率外环控制和电流内环控制的双闭环控制策略,具有良好的鲁棒性和控制精度。

最后,通过仿真和实验验证了该文所提拓扑结构以及控制策略的有效性,满足有源配电网无功补偿器的灵活配置,可实现无功功率的连续、双向调节,并具有易实现高电压、大容量化,以及成本低、易运维、抗冲击性强和耐受性好等优势。

HVDC送端交流系统故障引起换相失败的机理分析

作者：朱海；郝亮亮；和敬涵；郭智琳；陈争光

摘要：通常认为高压直流输电（HVDC）的换相失败是由受端交流系统或换流阀故障引起,但工程实践中发现,送端交流故障同样可能引发逆变器的换相失败。目前,针对此类换相失败的研究较少,且大多局限于传统的母线电压幅值特征,对其机理研究不够深入。鉴于此,首先通过分析故障后的交直流系统响应,指出与一般受端故障不同,送端交流故障引发的换相失败发生在故障切除后的恢复阶段,且受端母线电压幅值大小不是其关键因素。

在此基础上,对故障切除后的受端母线电压相位特性进行剖析,得出有功功率的恢复会导致受端母线电压相位前移,进而压缩关断裕度并造成触发延迟。进一步地,在不同故障程度下分析了系统换相失败过程对应的触发指令与直流电流的变化。

结果表明,当送端故障相对轻微,受端保持定关断角（CEA）控制时,相位前移及突增的直流电流是导致逆变器换相失败的主要原因;而在送端故障程度加深,受端切换至定电流（CC）控制后,相位前移是换相失败的主要原因。最后,基于CIGRE标准模型,仿真验证了分析的正确性。

高电压与放电

基于M-W极化模型的低电场极性反转下XLPE/硅橡胶空间电荷与电场分布特性研究

作者：宋柯；钱定冬；鲍国栋；王伟；齐佳乐

摘要：相比于单一介质的电缆绝缘,高压直流电缆附件复合绝缘因介质不连续性更易在界面处积聚空间电荷。在基于电网换相器的高压直流（LCC-HVDC）输电系统中,进行潮流反转调整时需改变电压极性,高压直流电缆附件将会承受极性反转电场,尽管是短时的,但由于空间电荷的累积效应也会在局部产生极高的电场,严重影响绝缘性能。

为此,该文利用实验获得交联聚乙烯（XLPE）与硅橡胶（SR）电导率与电场强度的变化关系,基于Maxwell-Wagner（M-W）极化模型仿真研究了低电场极性反转下XLPE/SR双层介质中空间电荷与电场的分布特性。

结果表明：室温下,SR的低电场电导率要高于XLPE,且SR电导率受电场强度的影响相对较小而XLPE则较大。由于界面电荷极性变化滞后于电压极性变化,极性反转期间界面处残留的负极性电荷造成SR中出现最大瞬态电场;电压极性反转越快,XLPE/SR界面残留的负极性电荷越多,SR中的最大瞬态电场强度越高;外施电压越高,由于SR与XLPE的电导率比值降低,SR中的最大瞬态电场畸变率越小。

基于正交匹配-伪魏格纳分布的电缆缺陷定位

作者：操雅婷；周凯；孟鹏飞；金宇；王昱皓

摘要：时频域反射法（TFDR）采用时频联合的方法对电缆缺陷进行定位,但定位信号时频谱中存在交叉项干扰,导致无法对电缆局部缺陷进行精确定位。该文提出采用正交匹配追踪（OMP）和伪魏格纳分布（PWVD）结合的算法,实现了对实测电缆定位信号特征提取,以及信号时频谱中交叉项干扰抑制。

首先通过OMP算法对原信号进行分解;然后对分解后的子信号分别求取PWVD时频分布;最后通过对时频谱线性叠加,获得定位信号更精确的时频表达,有效地消除了交叉项干扰。搭建了10kV交联聚乙烯电缆仿真模型进行研究,并选取了长度40m含两个中间接头、m含缺陷及m含中间接头的XLPE电缆对算法进行实验验证。仿真及实验结果表明,OMP-PWVD改进算法能有效抑制交叉项干扰,且具有较强抗干扰能力,有效地提高了时频域反射法的定位精度。

激光触发真空开关导通电感测量及特性研究

作者：欧健；廖敏夫；卢刚；张运良；韩小涛

摘要：激光触发真空开关（LTVS）导通时开关本身电感参数及电弧的电感参数是影响开关导通时延、精度以及可靠性的因素。该文提出一种改进的RLC振荡电路测量LTVS导通时电感的方法,消除回路阻抗对测量的影响,并且减少了燃弧过程中电弧状态改变对测量产生的误差。搭建了LTVS导通实验平台,获得了不同工作电压、激光能量下LTVS导通的电感参数。

实验结果表明：LTVS导通时,在前2个电流衰减周期内电感保持稳定,然后降低40~nH;LTVS的电感参数随着工作电压升高而变大,当工作电压从1.6kV增加到.0kV,LTVS的电感值从nH增长到nH;改变LTVS的触发激光能量对电感参数影响并不明显。该文的研究工作为设计低电感LTVS和放电过程中等离子体通道变化提供了一定的参考价值。

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