中国电工技术学会活动专区
CES Conference
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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。
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电工理论与新技术
作者：李永建；利雅婷；林志伟；程志光；田亚坤；陈瑞颖
摘要：谐波分量会引起电气设备激励波形畸变,使铁心损耗增加。为研究该工况下铁心材料磁特性的变化,该文将畴壁移动时的复杂能量变化和最小化过程简化为驱动力,将阻碍畴壁移动的钉扎力简化处理为粘滞摩擦力,由此采用非线性力学Bouc-Wen模型对材料的磁滞现象进行描述。通过引入表征磁畴磁化的旋转项对Bouc-Wen模型进行修正,采用修正模型实现准静态条件下的磁滞回线模拟。通过进一步考虑涡流引起的阻力项,扩展该模型为动态模型,能够模拟不同频率的正弦以及高阶谐波激励条件下的非对称回线,并详细讨论了不同激励条件下所提出模型中的阻尼系数的变化规律及其频率效应。通过对比实测结果与模型预测结果,验证了模型的正确性与准确性。
作者：闫孝姮；李政兴；孙迪；陈伟华；高鹏
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,产生更加稳定的声压信号,该文提出一种基于矩阵式线圈的磁声磁粒子浓度成像系统,采用天牛须-鱼群优化算法对矩阵式线圈进行优化设计,根据优化结果采用多物理场仿真软件COMSOL对MACT-MI的物理过程进行求解,并将结果与Maxwell线圈进行对比,同时基于实际生物组织环境中的MNPs分布,构建浓度渐变模型,得到了成像区域的磁力、声压分布。结果表明,该文设计的矩阵式线圈能在较小的激励下产生大小相等且分布更为均匀的梯度磁场,从而产生更为稳定的声压信号;根据所构建的浓度渐变模型,MNPs所受磁力和声压波形宽度均与渐变区域宽度成正比,声压峰值与渐变区域的浓度梯度成正比。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。
作者：徐显能；徐征
摘要：印制电路板（PCB）射频线圈具有性能优良、占用空间少且制作工艺简单的特点,常用于无线电能传输以及单边核磁测井等领域。为分析线圈性能,需计算交流电阻、电感以及射频磁场分布。由于PCB线圈铜线厚度与外围尺寸跨度大,尤其在考虑金属涡流时,常规有限元软件与解析法在处理这种多尺度电磁场问题时的计算速度与精度无法达到要求。在0.5~15MHz频率范围内,该文采用部分元等效电路（PEEC）法计算金属涡流下PCB线圈（铜厚为35μm）的阻抗与射频磁场分布。建立平面矩形螺旋PCB线圈的PEEC模型;通过计算结果与实测结果对比,总结给出PEEC剖分参数选取方法;分析PEEC模型下线圈的磁场分布;最终实现金属涡流下PCB线圈的阻抗与射频磁场的准确且快速计算。该文工作可为应用于无线电能传输以及单边核磁测井等领域的PCB线圈分析提供参考。
作者：李中启；李晶；全倡辉；张学毅；黄守道
摘要：互感是无线电能传输系统的一个关键参数,在电动汽车线圈耦合机构中添加磁屏蔽材料,可以有效减少磁泄漏,增强线圈之间的互感。目前还没有方法计算带磁屏蔽任意位置矩形线圈之间的互感。为此该文基于双傅里叶变换和麦克斯韦方程组推导了带磁屏蔽条件下的磁通密度。并在此基础上,利用空间直角坐标变换法,得到了任意相对位置两个矩形线圈的互感计算式。与传统的近似计算方法不同,所提出的方法是计算互感的解析方法,可以对线圈间互感进行精确的数值求解。最后,以两个具有多种位置变化情况的矩形螺旋线圈为例进行了模型验证,互感的理论计算值和有限元仿真结果及实验结果吻合良好,验证了所提方法的有效性。
作者：刘哲；苏玉刚；邓仁为；钱林俊；戴欣
摘要：单电容耦合无线电能传输（SCC-WPT）消除了传统电场耦合式无线电能传输（EC-WPT）中交叉耦合电容的影响,更适用于二维平面移动设备的无线供电。但现有的SCC-WPT系统由于其功率等级小、传输效率低限制了该技术的进一步发展。该文对SCC-WPT系统的拓扑结构和参数设计方法进行研究,给出一种可使系统输出功率和效率大幅度提升的拓扑结构和两种参数设计方法。基于提出的拓扑和参数设计方法搭建实验样机,通过实验对系统的能效特性、输出特性和抗偏移性能进行研究。实验样机在采用LCC配谐方法时输出功率达到1.43kW,效率达到85.9%,且具有恒流特性;采用LC配谐方法时,系统输出功率达到1.24kW,效率达到91.9%,且具有恒压特性;同时两种配谐方法都使系统具有较好的抗偏移特性。该文的研究成果给SCC-WPT技术提供了新的研究思路,有利于促进SCC-WPT系统的机理研究和该技术的进一步发展。
作者：王维；曾振炜；王劼忞；杨靖宇
摘要：输电杆塔实时在线监测技术随着智能电网的同步建设已成为数字化新基建的重要领域,但在线监测设备供能问题亟待解决。由于高低势位绝缘距离的限制,杆塔低压侧监测设备所需能量不能直接由高压侧供给,该文对采用多米诺无线供电系统为杆塔监测设备供电的方式进行研究,利用互感耦合理论对其进行建模分析,结合仿真进一步分析了多米诺线圈位置对系统传输性能的影响规律。结果表明,当传输距离恒定时,谐振线圈采用非均匀多米诺排列的无线供电系统,对其优化可以达到更好的传输性能。在110kV输电线路实际场景中,采用提出的非均匀多米诺排列方式相比于均匀多米诺排列在传输距离为1.015m时传输效率提高了30%,且满足高压环境下的绝缘要求。
作者：米彦；吴晓；徐进；郑伟；马驰
摘要：为探究细胞膜的力学性能对电穿孔的影响,该文将细胞膜视为一种超弹性材料,在COMSOL中建立细胞膜上局部单个微孔的机电耦合模型,分析细胞膜弹性应变能对微孔形成的影响,并比较了细胞膜弹性模量不同时微孔形成过程的差异。结果表明,细胞膜的应变能一方面增大了从疏水孔向亲水孔转变时的越过能垒,并且膜弹性模量越大,越过能垒越大,且二者线性相关;另一方面,应变能的增加使微孔稳定,阻止微孔无限扩大,稳定尺寸与细胞膜力学性能和跨膜电位有关。该文通过仿真揭示了细胞膜的力学性能在电穿孔中的重要作用,并为研究细胞结构对电穿孔的影响机制提供了理论参考。
电机及其系统
作者：章回炫；范涛；边元均；温旭辉；孙鸿雁
摘要：高性能永磁同步电机控制系统对电流环的动态性能要求很高,传统的PI控制带宽有限,且易出现超调等现象,基于电流预测的无差拍控制具有较好的动态响应。为此,提出了一种在同步旋转轴系下改进时序的电流预测无差拍控制算法。通过对传统电流预测无差拍控制的时序分析,电流控制器对电流指令进行分段采样,基于永磁同步电机交直轴电压方程模型得到电压指令的补偿值,消除了原有电流指令滞后一拍的计算延时。同时,分析功率器件非理想因素与延时效应对电压状态量产生的偏差,引入电压重构算法,减小状态量误差对电流跟踪精度的影响。仿真和实验结果表明,与传统无差拍电流预测控制相比,改进后的电流预测控制算法有效地提高了电流环的动态性能和稳态精度。
作者：张庆湖；贾喆武；王东
摘要：环形绕组无刷直流电机（CWBLDCM）是一种新型的多相非正弦永磁电机,其转矩性能与绕组电流换向过程密切相关。该文提出了一种利用绕组自身反电动势和母线电压来改善电机转矩性能的混合换向方法,该方法有两个换向控制参数（β,γ）,随着控制参数的变化,换向过程可能呈现出四种典型的换向状态。首先对各换向状态进行了分析、仿真和实验验证;然后比较了不同换向状态下的转矩性能;最后根据比较结果,提出了一种针对CWBLDC电机转矩性能的优化控制策略。
作者：李修东；郑晓钦；王海峰；吴新振
摘要：输出转矩最大（MT）与定子铜耗最小（ML）是多相电机缺相容错运行时常见的两种优化目标,而现有容错控制方案多在两者之间选择,难以同时兼顾。该文针对九相永磁同步电机缺一相、两相故障,提出一种最大转矩范围内可同时兼顾两种目标的优化控制策略。该策略首先以MT为目标,计算出故障电机的最大输出转矩;然后在最大转矩范围内以ML为目标对不同负载工况下的定子铜耗进行优化,实现了故障电机最大转矩范围内的最优铜耗控制;最后,通过一台9kW九相永磁同步电机不同缺相容错控制实验,验证所提策略的有效性。
电力系统与综合能源
作者：张骞；边晓燕；徐鑫裕；黄阮明；李灏恩
摘要：风电并网系统次同步振荡阻尼特性及其影响因素的准确有效辨识,是解决实际风电场并网系统工程中次同步振荡问题的前提和关键。为避免传统次同步振荡分析方法的复杂建模,该文提出一种利用风电场参数及运行数据的次同步振荡阻尼特性及其影响因素分析方法。首先,基于奇异值增长率谱的奇异值分解法（SVD）提升Prony法的抗噪性,从振荡数据中提取模态信息;其次,选取振荡的影响因素并进行相关性分析及共线性诊断;然后,采用主成分回归（PCR）减少回归分析中的共线性问题,建立阻尼比估计模型,辨识出影响风电场次同步振荡阻尼比的主导因素;最后,通过双馈风电场经柔直并网系统仿真验证了所提方法的有效性及准确性。
作者：黄大为；王孝泉；于娜；陈厚合
摘要：针对大量光伏接入配电网造成的诸如网损增加、电压波动和越限等调压方面的问题,该文提出一种日前无功/电压优化控制与实时自治控制相结合的混合时间尺度无功/电压控制方法。在日前时间尺度上,构建了以期望网损、电压偏移以及电压越限风险为目标,综合考虑变压器有载分接头和电容器组动作,以及光伏逆变器无功发生能力约束的不确定优化模型,为高效求解无功动态优化这一高维度的混合整数非线性规划问题,提出一种基于概率潮流的松弛-聚类-校正动态无功优化解耦求解方法;在实时时间尺度上,以日前优化控制结果为运行基准点,推导出逆变器无功出力调节增量与光伏实时出力预测误差之间的近似关系,融合日前时间尺度的电压灵敏度信息构建了仅依赖本地实时信息的实时自治控制策略。通过改进的IEEE 33系统进行仿真分析,验证了所提无功/电压控制策略的有效性。
作者：李云峰；高云鹏；蔡星月；朱彦卿；吴聪
摘要：针对电网中电能质量扰动信号在强噪声环境下扰动时刻难以准确检测问题,该文提出一种基于自适应辛几何模态分解（SGMD）和短时能量差分因子的电能质量扰动检测算法。基于自适应SGMD改进传统SGMD的滤波重构环节,准确重构电能质量扰动信号,计算重构信号的短时能量,推导基于短时能量的无参自适应阈值算式,构建短时能量差分因子,据此开发基于虚拟仪器的电能质量扰动检测平台,以实现电能质量扰动准确实时检测。仿真和实测结果表明,该文提出的算法在噪声环境下对单一扰动、复合扰动与过零扰动,均能有效地检测扰动起止时刻,且能有效地克服扰动幅值波动对检测结果的影响,相较于现有检测算法,其测量结果更加快速准确。
作者：张海亮；王艺博；蔡国伟；刘闯；葛维春
摘要：风电出力具有随机和波动性特点,其并网容量的增加导致火电机组调节压力不断加大,弃风问题日趋严重,电力系统调控难度攀升。为解决系统弃风问题,该文在火电机组参与调度的基础上,提出利用电熔镁高载能负荷的可调节特性,将其作为新的调节资源,与火电机组协同配合,消纳受阻风电。首先,分析电熔镁高载能负荷运行特性,建立电熔镁高载能负荷参与调度模型;其次,提出以风电消纳量最大和系统运行成本最小为目标的源荷协调双层优化模型;最后,采用优化软件CPLEX进行求解,仿真结果表明：电熔镁高载能负荷参与电网优化调度可有效减少弃风、降低系统运行成本。
作者：谭力铭；尹项根；王义凯；乔健；徐雯
摘要：定子接地故障是大型水轮发电机中最为常见的故障类型,有效的接地故障定位方法能够缩短故障排查时间,提高供电可靠性。现有定位方法未考虑负载工况下电枢反应对绕组电压分布的影响,该文基于对电枢反应机理的深度研究,得出不同负载工况下定子绕组电压与空载情况下定子绕组电动势分布规律相同的结论。据此,该文提出自适应工况的大型水轮发电机定子接地故障定位方法。根据空载情况下发生接地故障时中性点电压和故障绕组电压间的幅值相位关系构建故障评价函数,并依据机端电压的实际测量值确定实时工况下的故障绕组电压分布形式,对故障评价函数进行调整。在故障绕组上设置虚拟故障点并计算各点对应的故障评价函数,将其极小值对应的点定义为故障定位结果。在PSCAD/EMTDC中搭建水轮发电机的准分布参数模型进行仿真验证,仿真结果表明所提定位方法在不同的故障场景和运行工况下均能准确定位故障位置,为故障检修提供参考。
作者：李博通；刘涛；杨昕陆；温伟杰；李斌
摘要：直流配电网内故障元件的快速、可靠识别及准确隔离是直流配电网的技术难点之一。针对故障自清除型换流器结合快速隔离开关的直流配电方式,该文提出一种无需检测线路两端电气量的故障元件识别方法。研究了基于网络结构及母线电气量的母线虚拟电压计算方法;利用母线虚拟电压在不同故障位置时的差异,研究直流线路故障的快速识别及定位方法,并提出利用换流器内子模块投切选择实现母线故障与线路端部故障的辅助识别方法。该故障元件识别方法仅利用换流器出口电流和母线电压实现全配电网的故障元件快速识别,而无需测量线路两端电气量,且不受配电网结构限制,兼顾了经济性和可靠性。
作者：张建承；张甜甜；熊鸿韬；韩兵；苏成丰
摘要：该文提出基于模型实测校核的柔性励磁系统无功阻尼控制器参数整定方法。通过线性化方法构建包含柔性励磁系统的Philips-Heffron模型,得到发电机电力系统稳定器（PSS）控制通道和无功阻尼控制通道的复转矩数学模型,开展影响控制器参数整定因素的量化分析。通过实测PSS控制通道的无补偿相频特性对复转矩模型进行校核,在校核模型的基础上,依据阻尼转矩相位校正要求对无功阻尼控制器的超前滞后等控制参数进行整定。现场应用结果表明,整定后的无功阻尼控制器显著提升了发电机对有功振荡的阻尼抑制效果,验证了柔性励磁系统无功阻尼控制技术的有效性,为进一步发挥柔性励磁系统双通道控制优势应对新型电力系统宽频振荡问题奠定良好的基础。
电力电子
作者：刘平；陈梓健；苗轶如；杨江涛；李伟
摘要：受内部寄生参数与结电容的影响,碳化硅（SiC）功率器件在高速开关过程中存在极大的电流电压过冲与高频开关振荡,严重影响了SiC基变换器的运行可靠性。因此,该文首先对SiC MOSFET开关特性进行深入分析,揭示栅极电流与电流电压过冲的数学关系;然后提出一种变栅极电流的新型有源驱动电路;通过对SiC MOSFET开关瞬态的漏极电流变化率dId/dt、漏-源极电压变换率dVds/dt以及栅极电压Vgs的直接检测与反馈,在开关过程的电流和电压上升阶段对栅极电流进行主动调节,抑制电流电压过冲与振荡;最后在多个工况下对本文所提方案进行实验验证。结果表明,与常规驱动方案相比,该文方法减小了30%~50%的电流电压过冲,有效抑制振荡与电磁干扰,提高了SiC MOSFET变换器的运行可靠性。
作者：鲁静；同向前；尹军；申明
摘要：新型L-LLC谐振型双向DC-DC变换器具有隔离、高效等特点,采用轻载下的间歇工作模式是当前提升变换器轻载效率的一种有效手段。该文提出一种在定间歇开通时间内,通过优化该时段内的脉冲宽度来提高轻载效率的三脉冲间歇控制策略。基于时域分析,精确预测出间歇开通阶段第一个脉冲宽度,使变换器在最短时间内达到稳态最高效率点,其后两个脉冲均工作在谐振频率点上,并通过改变间歇闭锁时间以适应间歇阶段负载的变化。该间歇控制策略无需测量谐振电容电压,简化了电路,在提高变换器轻载效率的同时可使输出电压纹波最小。搭建了一台760V/380V/6kW实验样机,实验结果验证了所提三脉冲间歇控制策略的正确性和有效性。
作者：董帅；林晨；张千帆；张潍攀；朱春波
摘要：高频电流纹波影响了变换器电感体积和质量,针对准开关升压逆变器,传统的直通调制算法并不能做到电感电流纹波最小。该文提出一种最小电感电流纹波的空间矢量调制方法,重新分配了开关管导通与关断时序。在此基础上,推导使得电感电流纹波最小时直通占空比和导通占空比所满足的数学关系。最后,通过仿真和实验对比了所提出的新型调制算法和传统算法在抑制电感电流纹波方面的性能,结果证明了理论分析的正确性。
高电压与放电
作者：周远翔；张征辉；张云霄；朱小倩；黄猛
摘要：为了探究热-机械应力共同作用对电缆附件硅橡胶绝缘性能的影响,该文设计并开展了硅橡胶的热-力联合老化试验,对比分析了老化前后硅橡胶的力学性能、电气性能和微观结构。结果表明：随着老化程度的加剧,试样拉伸强度和断裂伸长率下降,硬度增加;老化后试样的击穿强度整体上呈现先增加后降低的趋势,在老化时间一定的情况下,击穿强度随着拉伸应力的增大而减小,相对介电常数逐渐增加。结合交联密度和红外光谱测试结果分析认为,在老化前期,硅橡胶主链间发生氧化交联反应,自由体积和载流子迁移率减小,击穿强度增加;老化后期,交联体系结构和分子链被破坏,自由体积和载流子迁移率增大,击穿强度下降。在机械应力耦合作用下,卷曲的分子链沿着机械应力方向被拉伸,且处于拉伸状态的分子链在高温作用下更容易发生断裂,造成材料绝缘性能的进一步劣化,为电缆附件硅橡胶老化状态评估提供了一定的理论依据。
作者：黎枝鑫；王东阳；温荣婷；廖维；周利军
摘要：油浸纸老化过程中产生的微水和酸等杂质不仅对老化具有催化作用,其中的极性产物还会参与到材料的介电响应过程中。为了利用传统老化动力学模型从微观分子链断裂角度准确地描述油浸纸老化过程的特点,以及利用频域介电谱无损、快速测量的特点,更好地分析油浸纸老化过程,该文通过对油浸纸老化的分析以及理论推导,提出一种不同介电响应过程的分离方法用来分析不同老化油浸纸试样频域介电谱曲线,引入老化修正平移系数和时变指前因子的概念,并将其代入传统老化动力学模型得到了老化修正模型。制备了不同老化程度的油浸纸试样,对试样进行聚合度和频域介电谱测试,并将修正老化动力学模型代入聚合度-时间曲线中,验证了模型的正确性。最后提出了一种油浸纸老化评估方法,并通过试验验证了该方法的有效性。结果表明：基于老化修正平移系数和时变指前因子的油浸纸老化修正模型能够很好地拟合聚合度变化曲线,基于此提出的老化评估方法,相对误差较小,可以用于评估油浸纸老化。
作者：王昊月；王晓威；孙茂伦；王伟；李成榕
摘要：热老化是导致XLPE电缆绝缘性能下降的重要原因,实现热老化的诊断对电缆安全具有重要意义,为此该文对XLPE电缆整体和局部热老化高压频域介电谱特性进行研究。通过内外加热法制备了整体热老化电缆试样和用于模拟局部热老化电缆线段,分别在不同老化阶段检测了整体热老化、局部热老化段与完好电缆比值为10%、4%的10kV缺陷电缆的高压频域介电谱（0.01~0.1Hz,最高检测电压U0）,分析了局部老化段占比对介电常数的影响,定义并分析了曲线分层度L、斜率、曲线积分和非线性度η。研究结果表明：高压频域介电谱对整体、局部热老化反应灵敏;具有一定老化程度的整体热老化、局部热老化缺陷电缆试样的L均大于1,L矩阵可作为电缆老化现象的诊断参数;较高检测电压等级（1.0U0）介电谱曲线的η对老化程度的变化敏感,且受局部缺陷占比影响较小,可以作为电缆老化程度的诊断特征;局部老化段的占比减小会使高压频域介电谱出现分层对应的时间延后,介电谱曲线积分值、曲线斜率减小,可以结合η的数值及曲线积分、斜率值所在数值区间判定电缆是否为局部老化;介电谱曲线是否出现迟滞现象可以作为区分XLPE电缆热老化和水树老化的依据。
作者：韩兴波；吴海涛；郭思华；蒋兴良；王钰洁
摘要：覆冰威胁输电线路的安全稳定运行,准确地预测导线覆冰增长是输电线路防冰减灾工作的基础。导线覆冰增长一般都伴随着导线的扭转过程,扭转和覆冰增长的相互影响使得导线各个位置覆冰速率不同、冰形更为多样复杂。为提高导线覆冰数值计算的准确度,该文从流体力学和导线扭转基本力学出发,综合考虑导线各处扭转角度的差异和扭转冰形对空气中过冷却水滴扰流特性的影响,建立了导线覆冰扭转动态数值计算模型。通过仿真计算重点分析了三种不同型号的导线不同位置覆冰后扭转角度的变化规律,以及导线扭转对覆冰增长的影响特性。结果表明：覆冰后,导线扭转角度从两端向中心逐渐增大;相对于未扭转,导线扭转条件下的水滴碰撞范围更大,覆冰速率更快;导线端部和中心位置覆冰形态差异较大,导线端部扭转角度较小,覆冰趋于翼形;导线中部扭转角度大,覆冰趋于圆筒形,风速和空气中水滴中值体积直径较大时,大直径导线在扭转条件下的覆冰增长速率更快。
电能存储与应用
作者：肖迁；穆云飞；焦志鹏；孟锦豪；贾宏杰
摘要：为实现电池剩余使用寿命（RUL）在线预测和降低数据离群值对预测精度影响,提出基于改进轻量型梯度提升机（LightGBM）的RUL在线预测方法。首先,为实现RUL在线预测,通过等压降时间与容量衰减的关系,选取等压降时间为健康因子;然后,为降低数据离群值对预测精度的影响,构建基于LightGBM的预测模型,采用Bagging的学习方式,忽略离群值权重;接着,为进一步降低离群值影响,基于一种兼具自适应性和鲁棒性的损失函数（ARLF）对LightGBM进行改进,通过超参数α限制损失函数一阶导数幅值的饱和值,在残差增长时,限制离群值对梯度的影响;最后,通过行驶工况下电池全生命周期容量测试实验数据,对比基于不同损失函数的RUL在线预测效果,验证所构建健康因子和所提预测方法的有效性。
作者：李宁；何复兴；马文涛；蒋林；张小平
摘要：锂离子电池荷电状态（SOC）估计技术是电动汽车电池监测系统（BMS）设计的重要组成部分。该文提出一种基于经验模态分解（EMD）的门控循环单元（GRU）神经网络的锂离子电池荷电状态估计方法,在GRU估计SOC的基础上,引入EMD算法分解放电电流,不仅提高GRU模型对长时间电流信号保持长期信息的能力,而且提高锂离子电池荷电状态估计精度。仿真实验表明,与传统的循环神经网络和长短期记忆网络相比,该文所提基于EMD-GRU方法的锂离子电池SOC估计平均绝对误差为1.5093%,同比降低了20.7924%。
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