中国电气工程学报2021「中国电气工程学报」

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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。

闭合Fe-Si结构中磁致伸缩引起的机械共振研究

作者：李劲松；梁振宗；孙英伦；李国锋；余恪平

摘要：降低电力变压器和电机产生的有害噪声一直是诸多学者的研究热点。而产生这种噪声的振动系统很可能处于共振状态,并使之进一步加剧,其共振源又可能来自机械力或电磁力。该文研究叠置电工钢片结构磁致伸缩变形与机械共振之间的相互作用。

对共振现象的研究,通常考虑的是验证电磁力的频率及空间分布与固有频率及匹配结构振型相一致,但此次分析表明,磁致伸缩在无前述情况下也可以诱导共振,且采用冷轧晶粒取向（GO）和非晶粒取向（NO）电工钢片构成的框型和环型两种闭合结构证实了这一假设。针对振动位移进行有限元（FE）仿真计算和试验测量的数据对比,并描述铁磁性材料磁致伸缩张力引起的机械共振及相应的振动频谱。

交直流电缆共沟敷设电磁环境影响因素

作者：严有祥；朱婷；张那明；王曙鸿

摘要：随着城市电力的扩张以及电力需求的增大,为解决地下电缆传输空间用地紧张的问题,新建的直流电缆将敷设在原有的交流隧道中,从而使电缆隧道内电磁场变得更为复杂。

该文针对±320kV直流电缆和220kV交流电缆共沟敷设隧道建立电磁场仿真模型;计算隧道内的电磁场分布以及交流电缆在直流电缆上产生的感应电压;分析交直流电缆之间的距离、交流电缆和直流电缆的敷设方式以及单相交流电缆故障对电缆隧道电磁环境的影响,最后根据计算结果提出交直电缆间的最小距离以及交直流电缆的最优敷设方式。

基于解析插值离散时间傅里叶变换的精确频率估计

作者：杨超；李波；胡绪权；付志红

摘要：短时波动周期下,来自负频率的频谱泄漏是频域插值算法估计误差的主要来源。为消除频谱泄漏影响以实现任意波动周期下实正弦信号频率的精确估计,该文提出一种基于广义离散时间傅里叶变换（DTFT）插值解析的频率估计算法。

该算法利用位于频谱主瓣范围内的任意DTFT谱线构建对应实/虚部的线性方程组,进而通过方程组求解得到基于解析插值DTFT的无偏频率估计公式。此外,考虑实际中加性白噪声的影响,根据频率估计的统计特性分析给出一种简单且有效的迭代方法,从而确保频率估计的方均误差（MSE）在任意波动周期下能够一致逼近无偏频率估计的克拉美罗下届（CRLB）。仿真和实验结果验证了所提算法优于现有的DFT插值算法。

四回非全线平行线路零序分布参数测量方法

作者：高明鑫；胡志坚；倪识远；张志毅；牟洪江

摘要：随着电力系统的不断发展,输电走廊日益狭窄,四回线路共用一部分走廊的情况非常普遍,目前尚未有相应的线路分布参数测量方法。该文提出一种四回非全线平行线路分布参数精确测量方法,建立四回非全线平行线路的非均匀传输线模型,通过拉普拉斯变换完整地得到四回线路的传输矩阵,获得线路分布参数与线路两端的电压、电流之间关系的数学表达式。

在四种独立测量方式下同步测量四回非全线平行线路首末两端的零序电压与零序电流,代入该文所提计算公式,精确求解出24个零序分布参数。通过PSCAD仿真软件证明了该文方法的准确性,并与现有测量方法进行了比较。仿真结果表明,该文方法较现有测量方法具有更高的测量精度。

空间辐射环境对航天器分布式电力系统关键部件的影响及应对策略

作者：周荔丹；闫朝鑫；姚钢；胡文斌；赵敏

摘要：航天器分布式电力系统在运行过程中会遭受各类高能粒子的持续辐射,进而出现性能退化和故障激发,尤其是其集成的关键电力部件一旦发生故障,将严重影响在轨航天器的安全可靠运行。

基于航天器上搭载的分布式电力系统,梳理其可能遭受的各种空间辐射环境及常见的辐射效应,探析系统中太阳电池、锂电池、电力电子器件、绝缘材料及电能控制器件等关键部件在辐射环境下的性能退化与故障激发机理,并且基于此机理提出材料、工艺、电路与版图设计、外部防护、软件算法、可靠性评估与故障态势感知等辐射应对策略,最后指出该领域有待开展深入研究的关键问题,为开拓该领域的后续研究提供参考。

磁齿轮复合永磁电机拓扑及应用综述

作者：黄海林；李大伟；曲荣海；任翔

摘要：磁齿轮复合电机（MGM）是一种自带减速效应的新型多气隙磁场调制型永磁电机,因其转矩密度大、功率因数高,近年来在混动/电动汽车、低速大转矩直驱、航空航天等领域的应用前景获得了业界的广泛关注;MGM非接触传动的特点使其在医药食品、新能源发电、石油化工等方面具有发展潜力。

该文首先介绍磁力齿轮及多种磁齿轮复合电机的工作原理,介绍和比较磁齿轮与电机常见的复合方式及其特点;按照单元排布方式、调制结构、电机及磁齿轮类型等分类梳理近年来MGM在拓扑结构上的研究和创新,介绍各类磁通方向及运行方式MGM的研究。然后介绍MGM近年来在高减速比、低成本、无级变速等一些关键问题上的进展。最后总结磁齿轮复合电机的业界应用现状,并对其应用前景进行展望。

不等宽不等厚Halbach部分分段永磁同步电机电磁性能解析计算与优化分析

作者：高锋阳；齐晓东；李晓峰；陶彩霞；高鹏

摘要：针对高功率密度的永磁同步电机电磁转矩波动和永磁体涡流损耗大的问题,提出一种Halbach部分分段结构,永磁体采用Halbach充磁方式,每极分为三段,主磁极采用单侧部分分段,边界磁极与主磁极不等厚且不等宽,并将其永磁体扩展为两种型式,即Hat型和T型。

采用精确子域模型法,将求解域划分为槽身、槽口、气隙以及永磁体四个区域,在二维极坐标下计算电机负载气隙磁通密度分布和电磁转矩。建立10极12槽三维电机模型对Hat型、T型以及其他相关五种电机结构进行电磁仿真、分级优化以及对比分析,求出最优Hat型和T型结构。

结果表明,Halbach部分分段结构可以降低永磁体涡流损耗、电磁转矩波动以及负载气隙磁通密度总谐波畸变率（THD）,T型Halbach部分分段结构的电磁性能高于Hat型,而Hat型Halbach部分分段结构可以进一步减小永磁体体积,节约生产成本。同时,在有限元应力场中建立三维永磁同步电机求解模型,求得等效应力和总变形,确保Hat型和T型Halbach部分分段结构永磁体的机械强度都维持在允许范围内。

基于IGBT结温波动平滑控制的主动热管理方法综述

作者：魏云海；陈民铀；赖伟；张金保；胡宇隆

摘要：IGBT作为功率变流器的核心器件,被广泛应用于电动汽车、轨道交通、航空航天和电力系统等领域,由于功率变流器的运行环境复杂多变,处理功率大幅波动,导致IGBT内部结温发生剧烈变化,器件在热应力持续作用下引起疲劳老化失效,进而影响系统运行可靠性的问题已受到业界的普遍关注和高度重视。

近年来,国内外学者围绕如何通过内部热管理来平抑功率器件的结温波动、延长运行寿命展开了大量的研究工作,从不同的角度提出各种主动热管理方法,这对延缓功率器件疲劳老化速率、提升器件运行可靠性有着重要意义。

该文分别从功率器件层面和变流器运行控制层面系统性地阐述和归纳现有IGBT主动热管理方法的原理和特点,并基于IGBT器件寿命评估模型对各类主动热管理方法的效果进行量化评估,从热应力缓解程度、实现难度、寿命延长倍数和适用范围等多角度进行综合对比分析,并对IGBT器件主动热管理方法的进一步研究提出建议,为IGBT器件健康管理和运行可靠性的提升提供参考意义。

考虑寄生参数的双管升压变换器高频工作特性分析

作者：郭英军；孔德楷；汤雨；孙鹤旭；董砚

摘要：相比传统的Boost变换器,双管升压变换器可以获得更高的增益,有效地降低了开关管的电压/电流应力,可以作为光伏系统和燃料电池系统的接口变换器。为了提升功率变换系统的功率密度,需要进一步提升开关频率。然而低开关频率下对电路分析可以忽略的寄生参数在高频条件下将对变换器的增益和器件应力带来重要影响,但目前针对双管升压变换器的分析方法难以评估高频下电路寄生参数对性能的影响。

针对该问题,该文建立高频下考虑寄生参数的双管升压变换器模型,根据潜电路分析法提出考虑寄生参数的双管变换器潜在的电路模态,分析高频条件下寄生参数对双管升压变换器增益、功率器件的电压/电流应力、变换器损耗和效率等方面的影响。最后,在实验室中建立双管升压变换器实验平台,对高频下电路性能进行验证。

串联谐振间接矩阵型电力电子变压器高频电流特性分析及开关频率设计

作者：胡钰杰；李子欣；罗龙；赵聪；李耀华

摘要：串联谐振间接矩阵型电力电子变压器（PET）通过高频开关并减小直流电容容值可实现高功率密度。然而,小直流电容会改变谐振回路等效电容,并影响高频谐振电流特性,进而影响零电流软开关（ZCS）的实现。该文建立小直流电容下串联谐振间接矩阵型PET等效电路,推导高频电流时域解析表达式,并对ZCS条件下的开关频率进行设计,揭示直流电容和死区时间对开关频率的影响规律。仿真和实验结果验证了该文理论分析的正确性。

开关变换器传导干扰抑制策略综述

作者：何杰；刘钰山；毕大强；李晓

摘要：开关变换器广泛应用于可再生能源并网、电机驱动系统、消费电子供电等领域,其电磁干扰问题日益突出,因此该问题的解决非常重要。该文总结开关变换器传导干扰抑制策略及其最新进展,重点说明这些策略的基本原理、研究现状和作用特点。总结的策略主要包括滤波、电桥平衡、反相补偿、改进脉宽调制、改进功率器件/模块封装、优化电路板设计、改善开关过程等,这些策略可分为阻断传导干扰的耦合路径和削减干扰源的传导发射两大类。最后对开关变换器传导干扰抑制技术的关键问题和发展前景进行了讨论和总结。

基于重复控制和状态反馈的三相逆变器最优预见控制

作者：兰梓冉；郝瑞祥；角宏林；游小杰

摘要：针对离网逆变器带非线性负载时输出电压存在畸变问题,该文提出一种基于六倍频重复控制器与最优预见控制的复合控制策略,将六倍频重复控制器具有的无差调节和快速调节的优势与最优控制的线性二次型设计方法相结合,仅给定控制加权矩阵和输出加权系数就可求解出状态变量、重复控制器和指令的反馈系数,并保证系统稳定。根据被控对象的状态空间方程和六倍频重复控制器,设计扩大误差方程,将重复控制器参数设计问题转化为线性二次型问题,并通过黎卡提方程对控制参数进行最优整定。最后,搭建一台容量为10kV•A的样机,验证该文所提方法的有效性。

一种基于方波注入的星形级联静止同步补偿器的负序电流补偿策略

作者：陆道荣；魏缪宇；于宇；张钰铭；胡海兵

摘要：星形级联H桥静止同步补偿器（SCHB STATCOM）补偿负序电流时会产生三相不平衡有功功率,造成相间直流电压不均衡。为了实现相间直流电压均衡,通常需注入零序电压以重新分配三相有功功率。然而,传统的零序电压注入算法普遍基于有功功率的代数模型,方程组求解复杂且无法直观地表明零序电压的产生机理。此外,零序电压的注入将极大地增加STATCOM的输出电压,限制了负序电流的补偿范围。

该文借助几何分析方法,构造零序电压相量在三相电流方向上的投影三角形,推导零序电压相量与该三角形外心的几何关系,揭示零序电压的产生机理,从而提出一种新的零序电压计算方法。在此基础上,进一步将零序电压以方波形式注入,提高了STATCOM的直流电压利用率,从而拓宽了负序电流补偿范围。最后,分别在SCHB STATCOM结构10kV/±1Mvar仿真和400V/±7.5kvar实验平台验证该文提出的零序电压注入算法的可行性。

基于组合补偿网络的抗偏移恒流输出无线电能传输系统研究

作者：谢文燕；陈为

摘要：针对无线电能传输（WPT）系统线圈相对位置偏移引起传输效率降低、输出电流不稳定和发射线圈过电流问题,提出一种抗偏移恒流输出型WPT系统及其参数配置方法。该系统将LCC-LCC和串联-串联（S-S）补偿网络进行输入串联和输出串联,并采用QDQPs磁耦合结构。

在此基础上,通过合理的参数配置,不仅实现了与负载无关的恒流输出,而且可以实现抗x方向、y方向、z方向以及xy方向线圈同时偏移的性能,还可以避免发射线圈过电流。该文分析所提系统的传输特性,从理论上证明了系统具有良好的抗偏移性能。最后,搭建了一个280W实验平台,验证了理论分析的正确性和可行性。

LCC-LC串联混合型抗偏移恒流无线充电

作者：巩兆伟；李金刚；同向前；张宁超

摘要：针对电动汽车无线充电线圈偏移造成充电电流不稳定和效率低的问题,提出基于参数优化的LCC-LC串联混合型抗偏移恒流无线充电设计方法。建立LCC和LC补偿网络的数学模型,分析二者电流输出特性,得到LCC输出电流与互感呈正相关,LC输出电流与互感呈负相关。

采用DDQ线圈结构,解决初级、次级线圈同侧解耦及异侧解耦控制,实现LCC和LC均与负载无关的独立恒流输出;通过系统参数优化选择合适的谐振网络参数,采用串联混合结构实现补偿网络电压输入互补,进而使系统具有抗偏移恒流输出能力。最终搭建310W实验样机,验证系统恒流抗偏移输出效果。实验结果表明,在横向偏移50%范围下系统输出电流仍能保持较好的稳定性,在设定值的5%范围内波动,并且最高效率可达91%。

纳/微秒复合脉冲提高细胞电融合效率的仿真与实验研究

作者：李成祥；李新皓；柯强；姚成；姚陈果

摘要：传统的细胞电融合技术通常采用持续时间为微秒级的短时高压电脉冲诱导细胞电穿孔来实现。然而,高幅值微秒脉冲在促进细胞电融合的同时易导致细胞过度穿孔而死亡,从而限制了细胞的融合效率。

为进一步提高细胞电融合率,该文基于纳秒脉冲电场所诱导的“超穿孔现象”,结合常规的微秒脉冲电融合技术,提出纳/微秒复合脉冲协同诱导细胞电融合的方法。以SP2/0小鼠骨髓瘤细胞为实验对象,利用COMSOL软件分析复合脉冲作用下细胞膜上跨膜电压与穿孔密度的分布,并进行初步的电融合实验,探究该融合方法对细胞融合率和死亡率的影响。

仿真结果显示,传统微秒脉冲作用下,细胞膜的两极与接触区域的跨膜电压均超过穿孔阈值,显著穿孔面积超过10%。而等剂量的纳/微秒复合脉冲作用下,跨膜电压仅在细胞接触区域达到较高值,电穿孔也集中于该区域。实验结果同样证明,该方法能够保证较低细胞死亡率（10%）的同时达到较高的细胞融合效率（75%）。该研究为细胞电融合技术的进一步发展提供了新的思路。

微秒脉冲电场强度对BNNSs取向程度和环氧树脂复合材料热导率的影响

作者：米彦；葛欣；刘露露；苟家喜；戴锦炎

摘要：脉冲电场可以诱导绝缘高导热填料在基体中取向排列,使其在热流方向上形成高效热传导网络,可以有效地提高复合材料的热导率,但电场强度的影响规律尚不清晰。因此,该文使用微秒脉冲电场诱导氮化硼纳米片（BNNSs）取向排列,研究不同脉冲电场强度对BNNSs取向程度及复合材料热导率的影响,同时基于固化过程中BNNSs的受力情况,分析电场强度对填料取向程度和复合材料热导率的影响机理。

结果表明,BNNSs的取向度和复合材料的热导率均随电场强度的增加而增加,在12kV/mm的高电场强度作用下,BNNSs平均取向角达到75.56°,复合材料的热导率提高到纯环氧树脂的2.6倍。但电场强度对两者的影响规律并不完全一致,在较高电场强度下,BNNSs的取向程度趋于饱和,而复合材料热导率的增加没有出现饱和现象。该研究是对微秒脉冲电场诱导填料取向以提高复合材料热导率的初步研究,可以为低填充量下制备具有高热导率的复合材料提供指导。

高压频域介电谱诊断XLPE电缆局部绝缘老化缺陷的研究

作者：王昊月；李成榕；王伟；王晓威；徐启龙

摘要：热老化和水树老化是导致交联聚乙烯（XLPE）电缆绝缘性能下降的重要原因,及时发现和处理热老化和水树老化缺陷,对于电缆安全运行具有重要意义。为了解决超低频（0.1Hz）介电损耗检测对电缆局部老化检测灵敏度不高、无法实现老化缺陷类型区分的问题,开展高压频域介电谱诊断XLPE电缆绝缘老化缺陷的研究。

通过加速老化,制备了水树老化和热老化电缆线段,在不同电压等级下检测27.4m长10kV电缆局部老化前后的频域介电谱（0.01~0.1Hz）,构造和分析介电谱曲线的分层度S和迟滞度D,并与超低频（0.1Hz）介电损耗检测的方法进行比较。

研究结果表明,超低频难以发现局部热老化和70%贯通的局部水树老化缺陷,而高压频域介电谱对局部热老化和局部水树老化反应灵敏;局部热老化和局部水树老化缺陷试样的曲线分层度S均大于1,可作为电缆老化的判断依据;局部水树老化试样的曲线迟滞度D显著大于局部热老化试样,可以作为XLPE电缆局部热老化和局部水树老化区分的特征量。

基于陷阱分布的PI/ZnO复合薄膜介电特性

作者：李天娇；张博；乌江

摘要：航天器在空间环境中的运行稳定性与聚酰亚胺（PI）等航天介质材料绝缘性能息息相关,而其介质内部载流子陷阱是影响绝缘性能的重要因素之一,因此,探究陷阱分布对介质电气性能的影响对保障航天器介质安全使用具有重要意义。

该文制备不同掺杂量（质量分数0.5%、1%、3%）的纳米PI/ZnO复合薄膜并进行介电性能测试,通过热刺激电流法和表面电位衰减法分别测量薄膜体陷阱和表面陷阱能级分布并计算其载流子迁移率,测量体积电阻率和击穿场强。该文基于多核模型对纳米ZnO的引入使聚合物的介电性能发生改变的现象进行解释;从陷阱能级的角度分析深、浅陷阱对极化离子的影响机制,讨论陷阱整体的分布对介电常数变化的影响。这些分析和研究为调控材料的绝缘性能、提高航天器的安全性提供了新的思路和方法。

单组分光敏微胶囊/纳米SiO2/环氧树脂复合绝缘介质的自修复特性

作者：梁琛；司马文霞；孙魄韬；刘丰萁；邵千秋

摘要：以环氧树脂为代表的固体绝缘介质在长期电/机械应力作用下不可避免地会产生局部裂纹,严重影响其服役寿命。该文针对上述问题制备一种含有单组分紫外光敏微胶囊的环氧树脂复合绝缘介质,当环氧树脂表面产生裂纹损伤时,机械应力集中于胶囊壳体并使其破裂,囊芯光敏修复剂流出填充损伤通道,在外施紫外激励下实现损伤通道的固化自愈。同时通过向环氧基体内引入纳米SiO2作为紫外光屏蔽介质,实现对囊芯光敏修复剂的紫外保护。

该文利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶红外光谱仪、热重分析仪、宽频介电谱分析仪等测试微胶囊与复合介质的本征性能与自修复特性,结果表明,微胶囊壳体致密且均匀,具有良好的耐热性能;SiO2复合介质紫外屏蔽效果显著,能保证囊芯修复剂的反应活性;复合介质在保持环氧材料良好本征性能的同时实现了对机械损伤的自修复。

基于改进TOPSIS模型的绝缘纸机-热老化状态评估方法

作者：姜雅男；于永进；李长云

摘要：为克服传统逼近理想解排序（TOPSIS）法中权重矩阵赋值及获得正、负理想值时人为因素引起的随机性,该文利用主成分分析（PCA）法对多特征量进行融合,依据主成分确定综合评价指标,联合实验数据得到正负理想值,从而建立改进TOPSIS模型,并结合振动与温度联合作用下换流变压器用绝缘纸的老化状态评估算例验证了改进TOPSIS模型的有效性。

首先结合绝缘纸加速机-热老化实验及试样的机械、电气性能指标和对应裂解产物的糠醛含量,由改进TOPSIS模型对聚合度、抗拉强度、糠醛含量和特征频率下介质损耗因数等表征绝缘纸老化的多特征量进行融合;然后获得综合评价指标与绝缘纸抗拉强度间的量化关系,并依此将绝缘性能优良和严重劣化时对应的抗拉强度分别作为正、负理想值;进一步结合绝缘纸抗拉强度损失率给出贴近度序区间的设置原则,实现了绝缘纸老化状态的量化评估。

研究表明,改进TOPSIS法既纳入了可表征绝缘纸老化状态的多个特征量,亦克服了传统TOPSIS法的不足,可用于准确评估机-热协同老化时绝缘纸的老化状态。

高压直流继电器磁吹系统的建模与设计

作者：苏伟龙；许志红

摘要：高压直流（HVDC）继电器触头系统结构紧凑,难以利用栅片或产气材料来提高触头的开断性能。通过磁吹系统的外加磁场能够加快电弧的运动速度,提高灭弧能力。永磁体作为磁吹系统的关键部分,其外部磁感应强度分布不均匀,且尺寸对磁场的大小和分布影响较大,这对磁吹系统的设计造成了一定的困扰。

针对此问题,该文建立磁吹系统三维有限元模型,重点分析永磁体尺寸对其外部磁场的影响,并建立相关数学模型;分析永磁体外部磁场分布的特点,得出外部磁场分布均匀度与永磁体尺寸的关系。最后,结合高压直流继电器的开断电弧特性,考虑电弧的受力情况及电弧的停滞时间,对永磁体的尺寸、充磁方向及安装位置进行设计,为提升高压直流继电器触头开断性能奠定了理论基础。

考虑空间形位偏差的万能式断路器关键零件断裂失效研究

作者：周学；李东晖；金玥；翟国富

摘要：在万能式断路器合闸时,弹簧所储存的能量以撞击的形式经打击杆传递给连杆机构。由工艺因素引起的打击杆形位偏差对打击杆的断裂过程产生影响,使操作机构的使用寿命远低于设计指标。该文根据多体动力学理论,建立操作机构的虚拟样机模型。通过试验采集储能杠杆和联动轴的运动状态,对虚拟样机的准确性进行验证。然后使用实际产品的测量数据,获得打击杆端点相对滚子的空间形位偏差范围。再使用虚拟样机参数建模表现偏差情况,分析打击杆载荷峰值和裂纹萌生周期的变化。最后假设打击杆上已存在椭圆形裂纹,研究偏差对裂纹尖端应力强度因子的影响。该文给出打击杆空间形位偏差对其断裂过程的影响,可以为设计及工艺改进提供理论指导。