电工技术学报增刊「电网技术期刊」

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《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。

无线电能传输技术应用研究现状与关键问题

作者：薛明；杨庆新；章鹏程；郭建武；李阳 等

摘要：自美国MIT研究团队于2007年公开发表对无线电能传输技术的研究成果以来,国内外专家学者从科学问题和关键技术两方面进行了广泛且深入的研究。伴随着难点问题的突破,无线输电作为一种新型电能传输方式所辐射的领域不断增多。该文首先对无线电能传输技术的分类和组成进行简要介绍;其次着眼于国内外10余年来,该技术在家用电子设备、智能家居、医疗器件、工业机器人、物联网、水下探测设备、交通和航天八大领域的应用,重点阐述该技术的应用水平和目前在不同领域中存在的难点问题;再次从文献和专利两方面对比分析国内外该技术的研究成果;最后总结了无线电能传输技术在各领域实际应用中的关键共性问题,并分析无线电能传输技术产业化发展现状。

一种快速预测有损腔体屏蔽效能和谐振模式的解析模型

作者：公延飞；陈星彤；高超飞；孙剑

摘要：该文提出一种分析平面波照射下有损腔体屏蔽问题的解析模型,该模型不仅可以快速预测有损腔体偏心开孔和任意位置目标点时的屏蔽效能,而且还可以准确分析损耗导电材料对较高频率处高阶谐振模式的抑制效应。首先根据电磁拓扑理论和电路理论,构建有损屏蔽腔体的等效电路以及信号流图;其次通过信号流图建立广义BLT方程,并利用该方程计算目标点所在横截面的最大电压响应;最后根据电压和电场分布的关系,得到目标点处的总电场分量。该模型能够方便地处理单孔、孔阵及双面开孔有损腔体的情况,并通过全波仿真软件CST验证了其有效性和准确性,为分析有损腔体的屏蔽问题提供一种可靠高效的计算方法。

单向载荷下铝板电磁超声兰姆波的波速响应特性

作者：张闯；李雪霏；刘素贞；田立红；裴宁

摘要：鉴于兰姆波（Lamb波）在传播过程中衰减较慢,利用超声Lamb波对金属薄板的应力检测已成为国内外研究的热点。为了更深入了解Lamb波的传播特性与金属薄板应力之间的关系,该文根据Lamb波在各向同性板的频散计算公式,给出单向载荷不同应力下铝板的频散曲线,并数值分析了Lamb波基本模态和一阶模态与应力场在同方向上的传播变化。根据频散方程的计算结果,Lamb波A1模态在速度变化方面比使用其他模态要敏感;且越接近截止频率的一阶模态速度变化越明显。为了验证仿真结果,实验施加单向应力载荷作用于1mm厚的6061铝板,考虑到压电探头激发多模态特性,该文利用电磁超声换能器激发单模态Lamb波,对比基本模态与一阶模态相速度变化率,A1模态的波速变化明显,实验结果与仿真数据相符。因此,该文提出的单向应力加载下超声Lamb波传播特性的研究可为后续金属薄板应力检测提供重要依据。

金属掺杂AgSnO2触头材料的仿真与实验

作者：张颖；王景芹；康慧玲；胡德霖

摘要：一直以来掺杂改善AgSnO2触头材料的电性能大多采用“试错”的方法进行实验研究,因此寻求有效的理论支撑具有非常重要的研究意义和应用价值。该文基于密度泛函理论的第一性原理,构建三种金属元素（Sr、Ga、Co）掺杂SnO2的晶胞模型,仿真研究掺杂后SnO2的稳定性与相对电导率,得到最佳的掺杂元素Co。通过实验进行验证,首先采用溶胶凝胶法制备掺杂的SnO2粉末,X射线衍射（XRD）验证了溶胶凝胶法能够实现仿真计算建立的置换掺杂模型,再利用粉末冶金法制备掺杂的AgSnO2电触头材料,经电性能测试验证了仿真结果的正确性。为筛选掺杂元素改善AgSnO2触头材料性能提供了理论依据。

表贴式三相永磁同步电机极槽径向力波补偿模型及参数辨识

作者：夏加宽；康乐；詹宇声；孙宜标；国明宇

摘要：在电机的径向力波调制中,谐波电流注入法是行之有效的方法,实现谐波电流注入法的关键是建立谐波电流注入补偿模型及参数辨识。该文根据麦克斯韦应力张量法,首先,推导出表贴式三相永磁同步电机由电磁作用产生的极槽径向力波的时空分布模型,判断具有补偿作用的谐波电流频次;其次,推导出单频次谐波电流注入补偿模型,并采用最小二乘法和牛顿迭代法进行参数辨识;再次,推导出双频次谐波电流同时注入时产生的耦合径向力波模型,并采用最小二乘法进行参数辨识;最后,推导出多频次谐波电流注入补偿模型。通过Ansys仿真和样机实验验证模型的正确性和有效性。

考虑逆变器非线性永磁同步电机高频注入电感辨识方法

作者：黄科元；周佳新；刘思美；黄守道

摘要：针对永磁同步电机（PMSM）传统的电感辨识方法受逆变器非线性影响的问题,该文提出一种考虑逆变器非线性影响的高频注入电感参数辨识方法。该方法在两相静止坐标系下注入高频旋转方波电压,并提出一种可抑制逆变器非线性的信号构造方法,采用该构造方法对两相静止坐标系下高频响应电流差值进行构造,得到永磁同步电机dq轴电感参数辨识信号。根据误差分析给出高频注入信号的选取方法。基于1.5kW内置式永磁同步电机（IPMSM）的实验结果表明,所研究方法能实现考虑饱和的电感参数辨识,具有收敛速度快、能够有效抑制逆变器非线性的影响、易于工程实现的优点。

直流母线电流采样电压空间矢量脉冲宽度调制

作者：申永鹏；郑竹风；杨小亮；李会仙；唐耀华

摘要：针对直流母线采样电机控制系统电压空间矢量脉冲宽度调制问题,分析传统空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）方法的电流采样机理,揭示其在直流母线采样系统中不可观测区域的存在机理,通过定义最小采样时间的概念精确划分出直流母线电流采样不可观测区域,进而通过插入测量矢量和补偿矢量提出直流母线采样电压空间矢量脉冲宽度调制（SSVPWM）方法及其电流重构策略。通过实验验证了所提方法的电流采样误差低于2%、相电流高次谐波含量低于3%、三相电流畸变率低于1.6%,为高性能矢量控制提供了精确的电流测量。

零磁通式电动悬浮等效模拟系统的特性分析与实验

作者：王一宇；蔡尧；宋旭亮；李刚；马光同

摘要：该文提出一种等效模拟零磁通式电动悬浮的系统,阐述系统的工作原理和结构组成,并结合有限元仿真与实验测试对系统的电磁力特性进行分析。建立系统的三维有限元模型,研究了线圈运动速度、磁体垂向与横向偏移、线圈极距对系统性能的影响规律。研制样机并进行实验测试,测试了不同工况下悬浮力的变化情况,并与仿真结果进行对比分析,证明了有限元模型的准确性与可靠性。另外,实验样机实现了磁体的起浮,为零磁通式电动悬浮在轨道交通的应用与设计提供了理论依据。

基于状态反馈线性化的IGBT外部热管理

作者：孙林；孙鹏菊；罗全明；王绪龙；周雒维

摘要：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的热管理技术能降低其运行时的结温波动,提高器件的可靠性。针对IGBT外部热管理系统中的非线性成分,建立系统的仿射非线性模型。通过引入状态反馈线性化方法对其进行线性化,弥补目前IGBT热管理控制系统设计中缺乏精确数学模型的缺陷。基于线性二次型调节器（LQR）设计一种闭环控制方法,通过调节外部散热条件以平滑IGBT运行时由于负载波动导致的低频结温波动。基于Buck电路进行实验,实验证明,所提算法对负载电流在额定值的60%~100%范围内波动时,能够降低约60%的结温波动,提高IGBT约69倍的寿命。最后,基于小电流注入法在线测量结温,验证了基于模型计算结温的准确性。

一种快速响应直流限流器拓扑结构与参数设计

作者：袁佳歆；陈鹤冲；陈凡；张哲维

摘要：配合限流器使用的限流式直流断路器将成为直流断路器往高遮断容量发展的新趋势,然而原先提出的永磁饱和型故障限流器存在延长故障电流下降时间的问题。对此该文在原先提出的永磁饱和型故障限流器的基础上进行拓扑优化,提出一种新型快速响应直流限流器。其在原有限流器的拓扑结构中通过磁耦合引入一条辅助支路,消除原有限流器在直流断路器故障开断时延长故障电流下降时间的负面影响,加速开断进程,同时能够极大程度地减小断路器的吸能应力,一定程度上降低过电压应力。该新型限流器能全程自适应动作,无需触发控制装置,响应直接迅速,且二极管处于低压侧,降低了对地绝缘成本。通过理论分析,介绍该新型快速响应直流限流器的工作原理,通过数学推导,分析其主要电磁参数设计要求;通过磁路有限元仿真与电路仿真计算相结合,验证该新型限流器的可行性;设计一台小容量实验样机,通过现场实验与小容量仿真对比验证了该新型快速响应限流器能有效提升电流下降速度。

考虑滤波电容等效串联电阻的输出本质安全型Buck-Boost变换器分析与设计

作者：皇金锋；李林鸿；任舒欣；刘树林

摘要：应用于煤矿、石化等危险环境的Buck-Boost变换器不仅要满足本质安全要求,同时还要满足电气性能指标如纹波电压的要求。现有本质安全开关变换器参数设计依据理想纹波电压表达式,但实际上受寄生参数如电容等效串联电阻（ESR）的影响,按照理想公式设计的电容无法满足纹波电压指标要求,通常要选择2~4倍的裕度,这样会增加变换器短路时爆炸风险。电容的ESR不仅会引起开关变换器纹波电压波形畸变,同时还对纹波电压的大小有重要影响,为了更好地指导本质安全Buck-Boost变换器的参数设计,该文分析电容ESR引起变换器纹波电压畸变的机理,建立考虑电容ESR的Buck-Boost变换器纹波电压精确数学模型及峰值电感电流模型,基于此模型提出在输入电压、负载电阻及电容ESR变化的动态范围内本质安全型Buck-Boost变换器的参数设计方法。实验结果表明,选择1.2倍裕度的电容即可满足Buck-Boost变换器纹波电压及输出本质安全要求,有效地提高了变换器的本质安全性能。

基于虚拟阻抗的逆变器死区补偿及谐波电流抑制分析

作者：陈杰；章新颖；闫震宇；韦徵；陈新

摘要：并网逆变器作为可再生能源发电系统与大电网之间的关键接口,在控制模式及电能质量方面有着较高的要求。间接电流控制逆变器既有较快的电流响应,也可实现并/离网模式的平滑转换。该文以并网逆变器为研究对象,对开关体器件死区效应产生的谐波电流以及电网电压背景谐波造成的并网电流畸变问题进行分析。进而提出虚拟并联陷波阻抗、串联谐振阻抗的改进控制策略,有效抑制了因上述两个问题引起的谐波电流,显著改善了并网电流质量。仿真及实验验证了所提方法的有效性。

T型三电平并网逆变器有限集模型预测控制快速寻优方法

作者：辛业春；王延旭；李国庆；王朝斌；王尉

摘要：三电平变流器控制系统采用有限集模型预测控制（FCS-MPC）,滚动优化需要遍历所有开关状态,针对其导致处理器运算量增加、处理时间长的问题,提出一种T型三电平并网逆变器优化计算量的FCS-MPC方法。通过构建基于电压预测的单目标代价函数,避免设计权重系数问题,减化单次寻优的步骤;根据直流母线电位分布选择冗余小矢量,实现中点电位平衡,使每个控制周期的预测次数减小至3次,提高寻优效率。有限控制集在预测过程中将所包含矢量的加权误差二次方最小作为依据划分,并利用矢量角补偿系统延迟,提高预测精度,使并网电流质量得到改善。搭建基于RT-Lab的功率硬件在环仿真系统和物理装置验证所提控制策略,实验结果验证了所提理论分析的正确性和控制策略的有效性。

基于虚拟频率的直流微电网下垂控制策略

作者：刘彦呈；庄绪州；张勤进；朱鹏莅；郭昊昊

摘要：在直流微电网的传统下垂控制中,电路参数及线路阻抗的不一致造成DC-DC变换器下垂特性均存在差异,降低了变换器的均流精度。下垂控制还会造成一定程度的直流母线电压跌落。为了提高直流微电网的控制性能,模拟交流微电网的频率下垂控制机理,提出一种基于虚拟频率的多DC-DC变换器下垂控制方法。在控制器中构造了频率与输出电流成比例的虚拟交流量,利用低带宽通信共享各变换器的虚拟频率并求出平均值。该平均频率及虚拟交流量进一步用于产生虚拟无功功率以调整变换器的电压设定点,协调各变换器输出电流的大小。在不造成母线电压跌落的前提下,提高了多变换器间的负载电流分配精度。利用小信号模型分析虚拟频率下垂控制的闭环稳定性。最后,通过仿真和基于Starsim和dSPACE快速原型样机的实验,验证了该方法的有效性。

基于不同接地方式与列车工况的负阻变换器牵引供电系统轨道电位与杂散电流

作者：顾靖达；杨晓峰；郑琼林；商战；赵治钧

摘要：为解决城市轨道交通中轨道电位与杂散电流导致的安全问题,该文提出一种负阻变换器牵引供电系统（NRC-TPS）。在传统牵引供电系统（CON-TPS）的基础上,NRC-TPS通过直接安装电力电子设备,为列车电流提供零阻回路,缩短其回流至牵引变电所的路径长度。由于杂散电流的产生源头减少,NRC-TPS能够降低城市轨道交通系统的轨道电位与杂散电流。此外,考虑牵引变电所的接地方式与列车工况,该文详细研究NRC-TPS的工作原理、轨道电位与杂散电流的分布规律。建模与实验结果表明,NRC-TPS无需改造列车与轨道等基础部件,即可有效降低轨道电位与杂散电流,在既有线路和新建线路中均具有良好的应用前景。

一种高效鲁棒的低阶迭代通量线方法求解高压直流输电线路离子流场

作者：张建功；万保权；程启问；邹军

摘要：迭代通量线方法是一种被广泛应用于求解高压直流输电线路下离子流问题的方法,在每根流线上需要求解一个多变量的最小二乘优化问题。该文从迭代通量线方法出发,结合递推格式将每根流线上问题简化为单变量优化问题,从而使得通量线方法的计算规模被大大减小。实验表明,该文所提方法能够有效提高求解效率和在不同初值下的鲁棒性。该文提出的低阶迭代通量线方法能够有效应用于具有复杂几何结构的离子流模型。

盘型悬式绝缘子串自然覆冰直流放电发展路径特点及影响因素分析

作者：舒立春；刘延庆；蒋兴良；胡琴；周龙武

摘要：绝缘子覆冰严重影响输电线路的安全运行,研究覆冰绝缘子放电发展路径有助于完善绝缘子覆冰放电理论。鉴于现有研究缺乏对盘型悬式绝缘子自然覆冰放电路径的系统分析,该文在现场进行绝缘子覆冰直流闪络试验,得到盘型悬式绝缘子雨凇覆冰和混合凇覆冰直流放电过程及放电路径的特点。研究结果表明：盘型悬式绝缘子雨凇覆冰闪络时,电弧总体从两端向中部发展;而混合凇覆冰放电过程中会出现多次电弧变暗或“熄弧”现象,且闪络路径分散性较大,电弧总是分段存在的,电弧的位置和数量具有随机性。此外,覆冰形态和自然风对盘型悬式绝缘子闪络放电路径有很大的影响,对于雨凇覆冰,覆冰程度越重,冰棱长度越长,电弧越易桥接;电弧会在风力的作用下产生漂移和变形而集中在覆冰绝缘子的背风面。

电场均匀性对细水雾短空气间隙工频放电特性的影响

作者：陈宝辉；邓捷；孙易成；刘毓

摘要：细水雾是一种绝缘性能较高的消防技术。利用球-球间隙模拟稍不均匀电场,利用棒-板间隙模拟不均匀电场,开展细水雾在球-球和棒-板短间隙下的工频放电特性及仿真分析研究。研究发现,球-球间隙下,细水雾雾滴产生的电场畸变影响大于细水雾雾滴在电场荷电的影响,细水雾球隙击穿电压总小于空气球隙击穿电压。当间隙距离为2~8cm时,细水雾击穿电压较同条件的空气击穿电压降低37.6%~38.2%。棒-板间隙下,随着电极间隙的增长,细水雾雾滴产生的电场畸变影响程度降低。间隙为3.5~8cm时,电场畸变的影响高于电场荷电的影响,细水雾间隙击穿电压低于空气间隙击穿电压6.0%~8.5%;间隙为12cm时,细水雾雾滴在电场荷电的作用超过了细水雾雾滴对电场畸变的影响,细水雾间隙的击穿电压甚至高于空气间隙击穿电压3.6%~4.4%。研究结果对细水雾在电力设备火灾防治中的应用具有指导作用。

基于输入阻抗谱的电力电缆本体局部缺陷类型识别及定位

作者：李蓉；周凯；万航；谢敏；饶显杰

摘要：为解决局部放电（PD）法和反射系数谱（RCS）法在电力电缆本体局部缺陷类型识别及定位方面存在的不足,提出一种基于输入阻抗谱的电力电缆本体局部缺陷类型识别及定位方法。首先,依据电力电缆分布参数模型,通过仿真分析,得到含有容性/感性缺陷的电力电缆输入阻抗谱特征。然后,运用电力电缆输入阻抗谱、Kaiser窗实现对电力电缆局部缺陷的高灵敏度定位,得到具有直观性的定位谱图。最后,在实验室13m长的电力电缆上制作两种局部缺陷样本（铜屏蔽层缺损缺陷与热老化缺陷）,用于验证所提方法的有效性。仿真和实验结果表明,该方法对长度大于5cm或电容变化大于±5%的局部缺陷具有较高的识别灵敏度,不仅能对电力电缆本体局部缺陷类型进行识别,还能实现对微弱缺陷的有效定位。

基于改进型直流真空断路器弧后暂态仿真及介质恢复特性分析

作者：李博；包涌泉；彭振东；杨晨光；沙新乐

摘要：应用于大电流、高di/dt分断环境的直流真空断路器,以绝缘恢复为主要特征的弧后暂态过程直接影响其分断特性。在鞘层发展过程中,弧后阴极表面电场强度及功率密度是引起电弧重燃的两种因素,为探究熄弧后真空断路器恢复电压变化规律,该文首先从提升弧后介质恢复能力的角度出发,在燃弧电流峰值约23kA、熄弧电流变化率约300A/μs的等级上先后开展不同试验方案,并在连续过渡型鞘层数学建模基础上做出一定修缮,引入触头开距动态变化过程和电弧有效直径变量,依据改进后电弧模型指导换流回路参数设计。最后将PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真与分断试验现象进行等价对比分析,显示试验过程中真空断路器弧后电弧重燃趋势与仿真结果较为贴合,且通过仿真结果可判定重击穿的类别,从而验证了改进后真空断路器弧后电磁暂态建模的精确性。