中国电气工程学报2021「2021是第几世纪」

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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。

电工理论与新技术

基于径向基神经网络的多负载无线电能传输系统自适应阻抗匹配方法

作者：吴月宝；赵晋斌；张少腾；张俊伟；汪学良

摘要：随着无线电能传输（WPT）技术的发展,同时给多个负载供电受到越来越多的关注。多负载WPT系统中,接收线圈之间的交叉耦合会使系统失谐,导致谐振频率处传输效率下降。该文首先分析了交叉耦合对传输效率的影响机理;然后提出基于径向基（RBF）神经网络算法的“T”型阻抗匹配网络,可根据不同负载对匹配网络中电容进行实时调整,实现系统与负载的自适应匹配;最后针对该方法搭建了实验平台,实验结果表明在交叉耦合影响最大时,系统传输效率从最低时的34%提升到了78%。

基于一种Gauss型积分算法的输电线路电压测量方法与试验

作者：汪金刚；颜晓军；李想；廖巨成；陶亚琴

摘要：针对电场积分法部分节点过于靠近导线、积分域划分不便于计算等问题,该文提出一种给定节点的Gauss型数值积分方法,从而降低非线性方程的求解难度,优化积分节点参数,提高电压测量精度。首先,结合空间电场数值积分法原型,建立给定节点的Gauss型积分方法计算模型,推导出含电场扰动因素的节点参数解析式;然后,利用Maxwell电磁仿真软件计算三相输电线路下方的电场分布情况,结合积分节点选取的限定因素,计算出节点坐标与对应权值;最后,搭建D-dot传感器测量实验平台检验所提出电压测量方法的有效性。根据5~20 kV电压范围内的重复试验结果,所提出的Gauss型电压测量方法相对误差小于0.5%,相比原型方法具有更好的测量效果。

从接地端取信号的便携式压电压力波法空间电荷测量系统设计与实现

作者：孔佳莹；曹泽宾；潘佳萍；郑飞虎；张冶文

摘要：提出了一种新型的从接地端提取信号的测量方案,从原理层面解决传统测量方案中从高压端取信号操作危险性高的缺陷。基于压电压力波法基本原理,设计复合探头并据此完成了便携式空间电荷测量系统的搭建。该测量系统可灵活应用于多种场合：在不外加高压的情况下,可独立完成不同厚度的聚乙烯平板样品内部空间电荷分布情况测量;若需要外加电压,也可与现有的高压源进行组合测量。实验结果表明：与传统从高压侧取信号的测量方案相比,该测量系统具有相同的空间分辨率且测量灵敏度相近。

基于差分进化算法的三维电场传感器解耦标定方法

作者：吴桂芳；崔勇；刘宏；张磊

摘要：空间电场信息的准确感知在电力系统传感和量测技术中具有重要价值,但目前并没有可靠的空间直流电场测量装置,对空间三维电场传感器的标定方法需要进一步研究。该文在三维可调外界电场下构建了同时含有维间耦合和角度偏差的校准模型,提出了在该模型下基于差分进化算法求解灵敏度系数矩阵的方法。通过对比研究发现该方法较为精确、稳定和快速,在多组仿真实验中误差率均小于3%（不考虑测量误差）。此外,对传感器空间角度对算法准确度的影响进行了分析。基于差分进化算法的三维电场传感器解耦标定方法,既可以简化标定装置设计的复杂度和难度,也可为其他类型的三维传感器标定提供参考。

电机及其系统

无刷双馈独立发电系统的改进无参数预测电流控制

作者：徐伟；陈俊杰；刘毅；黄守道；高剑；黄诚

摘要：无刷双馈感应发电机是一种新型交流感应电机,可用于并网发电和独立发电。模型预测电流控制以其概念直观和动态响应快的特点而备受关注。然而,由于其对模型参数的严重依赖,模型预测电流控制在无刷双馈感应发电机中的实际应用并不理想。为了克服这一问题,该文提出一种应用于独立无刷双馈发电系统的改进无参数预测电流控制方法,该方法用检测的电机状态信息替代系统参数来预测电流变化。仿真和实验表明该方法不仅保持了传统模型预测电流控制的快动态响应性能,同时又不受电机参数变化的影响,具有较强的鲁棒性。

基于反馈线性化的永磁直线同步电机自适应动态滑模控制

作者：张康；王丽梅

摘要：在高速、高精度永磁直线同步电机伺服系统中,直轴电流和交轴电流之间、线速度和电流之间存在的非线性耦合及参数摄动和负载扰动等不确定因素,严重影响速度跟踪精度和响应速度。为此,该文采用反馈线性化控制方法,通过坐标变换和状态反馈,将电机仿射非线性模型解耦线性化为独立的电流子系统和线速度子系统。在线性化模型的基础上,设计动态滑模控制器,降低反馈线性化控制对直线电机数学模型的依赖性,提高伺服系统的鲁棒性。同时设计自适应控制律估计系统不确定性扰动,削弱系统抖振现象。仿真和实验结果表明,所提出的控制策略能有效提高速度跟踪性能,增强系统的鲁棒性。

基于改进多入多出无模型自适应控制的二维直线电机迭代学习控制

作者：曹荣敏；郑鑫鑫；侯忠生

摘要：二维直线电机在实际运行中存在强耦合、未知非线性等未建模动态控制问题,且易受外部干扰的影响。基于无模型自适应控制（MFAC）不依赖被控系统精确数学模型的特点及迭代学习控制（ILC）循序渐进的学习规律,提出一种改进多入多出无模型自适应控制（MIMO-MFAC）的二维直线电机迭代学习控制（ILC）复合控制方案。在无模型自适应控制输入准则函数中加入一阶差分单元,使改进多入多出（MIMO）无模型自适应反馈控制器具有很强的鲁棒性。迭代学习前馈控制器可以克服外部干扰,补偿系统非线性,前馈反馈优势互补,实现对期望输出的精度补偿,进一步减小位置跟踪误差。最后,将二维直线电机运动平台与LINKS-RT半实物仿真系统相结合,通过实验验证所提方案的有效性。

电力系统与综合能源

分布式协同控制方法及在电力系统中的应用综述

作者：杨珺；侯俊浩；刘亚威；张化光

摘要：为了满足传统电网向智能电网转型的需求,对电力系统中分布式协同控制算法的国内外研究现状进行梳理。首先,对比分析了传统集中式控制与分布式控制的优缺点,总结了包括事件触发一致性算法等分布式协同控制算法的研究现状;然后,分析了分布式协同控制算法在虚拟发电厂、经济调度、微电网频率控制以及配电网无功优化领域的典型应用;最后,对电力系统中分布式协同控制的发展趋势进行了展望,指出该研究领域亟需解决的问题和未来发展的方向。

基于优化稀疏编码的超短期负荷滚动多步预测

作者：储晨阳；秦川；鞠平；赵静波；赵健

摘要：小时级的超短期负荷预测是调度部门制定日内滚动计划的基础。该文提出了一种基于优化稀疏编码的超短期负荷多步预测算法,对未来4h的负荷进行滚动预测。首先,将历史负荷功率序列组成具有时延的特征字典和目标字典,并利用稀疏编码算法建立多步预测模型;然后,基于负荷曲线的相似性特性,借助实时的负荷功率特征向量与特征字典中原子的拓展符号化距离对特征字典原子进行筛选,提高了稀疏编码的预测精度;最后,对预测结果进行误差分析。针对负荷爬坡时段误差偏大的问题,通过基于负荷增量预测值的修正模型进行优化,进一步提高了预测精度。采用实际负荷数据进行分析,验证了所提方法的有效性。

考虑频率偏差的动态同步相量估计器

作者：李文番；张国钢；陈沐傈；钟浩杰；耿英三

摘要：电力系统负载变化和次同步谐振等诸多原因均会导致电力系统频率偏离标称频率,IEEE标准C37.118.1和最新修订后的C37.118.1a中规定的电力系统最大频率偏差可达5Hz,较大的频率偏差会导致基于泰勒傅里叶的同步相量测量算法产生严重误差。该文提出一种考虑频率偏差的动态同步相量估计器,该估计器在标称频率的两侧以固定的频率间隔生成多个离散频率,基于这些频率离线生成相应的动态滤波器,并将滤波器系数保存到存储器以便在线运行时查表使用。算法运行时,利用泰勒傅里叶的频率估计功能对信号频率进行预测,根据预测频率选择与之最接近的离散频率,通过查表法找到相应的滤波器对输入信号进行分析,实现了较大频偏时同步相量的精确测量。最后,通过仿真和实际信号数据对所提出的估计器进行了测试,测试结果表明,该估计器能够在较大频偏时实现对同步相量、频率和频率变化率的精确测量。

基于CPU-GPU异构的电力系统静态电压稳定域边界并行计算方法

作者：李雪；张琳玮；姜涛；陈厚合；李国庆

摘要：为提升区域互联电力系统静态电压稳定域边界（SVSRB）的构建效率,该文以直接法为基础,提出一种基于CPU-GPU异构的静态电压稳定域边界并行计算方法。该方法首先依据SVSRB拓扑特性,基于边界追踪算法实现直接法求解鞍结分岔（SNB）点时初值的高效选取,克服直接法对初值敏感这一瓶颈;然后结合CPU-GPU异构平台,将直接法求解SNB点计算量较大、计算耗时占比高的修正量求解部分由GPU完成,其他逻辑性强但计算量较低的部分由CPU完成,以实现SNB点的并行求解,降低直接法计算量大、计算复杂度高的不足,从而提升SVSRB的搜索效率;最后以WECC3机9节点测试系统,波兰电网2737节点和3120节点测试系统,欧洲电网7092节点、9241节点、11624节点和13659节点测试系统算例对该文所提方法进行了分析与验证,结果表明所提并行计算方法可实现电力系统静态电压稳定域边界的快速、准确搜索。

基于方向行波能量的小电流接地系统故障选线方法

作者：王建元；朱永涛；秦思远

摘要：现有行波选线方法易受到高阻接地、行波全反射、噪声及其他恶劣接地条件的影响,存在灵敏度和准确度不高的问题。据此提出一种利用故障电流方向行波能量的配电线路接地选线方法。该方法选取各线路一定数据窗的暂态零序方向电流波形,对其经小波分解得到相应频带系数,利用所得系数和波阻抗的组合可求得各线路方向行波能量,根据方向行波能量的大小关系合理地构造判据表达式,充分利用故障信息,最大限度地放大故障支路与健全支路的区分度,使得故障线路可靠识别。理论分析、仿真和实测结果均表明,该选线方法对选线的灵敏度和准确度有较大提升。

直流配电网低压侧稳定燃弧阈值电压研究

作者：熊兰；陈永辉；杨子康；唐海龙；郭珂

摘要：分布式电源、电力电子技术以及直流负荷的大规模应用推动了直流配电网的发展,但直流电弧因没有过零点难以自行熄灭,严重威胁了直流配网的安全性。该文搭建了含直流低压母线（最大电压值380V）、电弧发生器与负荷的模拟实验平台,设计电弧实验以探究阻感负载下电弧的稳定燃烧点,以及阻性和感性负荷对燃弧过程和电弧特性的影响,得到了最大等效负荷（电阻280Ω、电感30mH）时直流电弧的稳定燃弧电压阈值。将电弧的伏安特性与电压平衡方程式相结合,对电弧稳定燃烧点和电弧燃炽时间进行理论推导,建立了低电压直流电弧的稳定燃弧阈值电压数学模型,并通过Matlab数值拟合方法验证了模型的准确性。该模型分析数据与实验数据的相关系数为0.992 4,可以较好地反映低压阻感性负载稳定燃弧的电压阈值,为确定直流配电网的供电电压及低压直流电弧的稳定燃弧条件提供工程参考。

计及源荷不确定性的独立型交直流混合微网多能源协调优化调度

作者：蔡瑶；卢志刚；孙可；何良策；耿丽君

摘要：传统独立型交直流混合微网的可再生能源供电比例高,但储能和其他可控电源容量有限,易出现切负荷或弃风弃光现象。首先,为提高系统的供能可靠性和可再生能源的消纳水平,设计出一种基于氢储系统实现交流、直流、氢气、热力与天然气能源系统深度耦合的能量枢纽结构;其次,为实现设计系统的多能源协调优化调度,构建出一种计及源荷不确定性的两阶段鲁棒优化模型,模型中第一阶段确定所有能源转换和存储设备的运行状态,第二阶段确定最恶劣场景及各设备出力方案,并且可利用不确定度参数灵活调整调度结果的保守性;然后,基于强对偶理论和大M法将优化模型转换为具有混合整数线性形式的主问题和子问题,并采用列与约束生成算法求解;最后,算例分析结果表明所建模型的合理性,求解算法的有效性以及调度结果的鲁棒性和经济性。

光储微网系统多目标协调控制策略

作者：郭立东；雷鸣宇；杨子龙；王一波；许洪华

摘要：基于光伏储能 电采暖的光储微网系统可以有效解决西部农村社区清洁能源供应量不足问题。为了提高光储微网系统的能量控制效果和工程实用性能,该文通过构建包含电力费用、储能系统荷电状态（SOC）、供暖舒适度等变量的多目标函数,提出一种计算量较低的储能与电热负荷多目标协调控制策略。为了简化目标函数求解过程,引入求导和单调性分析等优化方法。为了降低系统计算量,以住宅建筑保温性能为评价标准,提出一种带宽能量控制模式,降低了被控单元的控制频率,提高了算法的工程应用价值。搭建Matlab/Simulink仿真平台,依据西部青海省某示范光储微网系统实际数据,仿真对比分析基于传统能量控制策略和基于多目标协调控制策略的光储微网系统性能,验证该文所提控制策略的有效性和优越性。

高电压与放电

特高压换流变压器拉板损耗的频率特性分析

作者：黄天超；王泽忠

摘要：以三维准静态电磁场方程为基础,结合换流变压器拉板表面磁场强度分布的特点,推导得到拉板损耗的近似数学表达式。通过对该公式进行分析,得到了不同电流频率下,拉板开全槽和不开槽时各自损耗的变化规律及彼此之间损耗频率指数的差别。为了验证理论分析的正确性并进一步确定实际拉板损耗计算的频率指数数值,针对一台800kV单相四柱式特高压换流变压器的拉板损耗进行了八分之一有限元仿真计算。结果表明,不论拉板开槽与否,其损耗的频率指数都随着电流频率数值的增大而减小。但拉板开槽在大幅减小基波损耗的同时也增加了高次谐波损耗,因此其损耗频率指数将远大于不开槽时的数值,实际换流变压器负载损耗计算中损耗频率指数可取1.5。拉板不开槽时取值为0.6,该值与理论推导给出的数值0.5基本吻合。

应用于功率变换器的多绕组高频变压器模型

作者：王迎迎；程红

摘要：实施功率变换器的电路仿真时需要较精确的多绕组高频变压器等效电路模型。传统的多绕组变压器星形模型不仅存在负漏感导致的振荡问题,而且其在仿真暂态问题时存在精度较差的问题。基于对偶原理的多绕组变压器模型在仿真暂态时可以更准确,但其拓扑复杂,很难根据端口测量信息确定模型参数。该文利用数值仿真的方法分析多绕组变压器的磁场分布,研究存在交替绕制的复杂绕组结构下多绕组高频变压器的对偶电路模型及其参数的确定方法。提出利用磁路中各磁阻的磁场能量和磁通确定非线性电感的方法,使复杂模型拓扑不受端口测量信息的限制。通过施加多幅值的激励电流来确定磁路中的非线性磁阻,然后通过转换得到非线性电感。最后,将等效电路模型与多边形模型和实验结果进行比较,验证了模型的准确性。

电能存储与应用

参与调峰的储能系统配置方案及经济性分析

作者：李军徽；张嘉辉；李翠萍；陈国航；张昊天

摘要：配置储能系统是减少机组调峰负担、增加风电接纳空间的有效手段。该文提出一种储能辅助电网调峰的配置方案。该方案外层模型为优化配置模型,以储能系统净收益、火电机组出力标准差改善量以及新增风电接纳量指标构成多因素优化模型,采用迭代计算的方法得到配置备选集内所有方案的多因素指标,选取最优值作为兼顾技术性及经济性的储能系统配置结果。外层模型各指标依靠内层模型输出参数进行计算,内层模型为优化调度模型,综合考虑储能系统运行成本、火电机组运行成本以及弃风惩罚成本,以系统调峰运行成本最小为目标,优化系统风电接纳量,并得到储能系统充放电功率及火电机组出力。最后,基于某局部电网实测数据,验证了配置方案的有效性,并对储能系统全寿命周期内的经济性进行分析。

高速铁路混合储能系统容量优化研究

作者：袁佳歆；曲锴；郑先锋；闵永智

摘要：随着我国高铁里程和班次的增多,高铁机车刹车时回馈送到电网的制动功率和能量越来越大。为了充分利用这部分能量,该文提出一种基于超级电容器和锂离子电池的混合储能系统及优化配置方法,旨在获得最大的经济效益。首先,建立混合储能系统的数学模型;然后,建立高速铁路牵引供电系统日运行成本的经济优化模型,以成本最低为优化目标,采用混合整数线性规划方法对储能配置方案优化;最后,以国内某高铁站实际负荷为例进行计算,结果显示采用混合储能系统部分吸收再生制动能量时经济收益最高,日总成本节省了3%。

有轨电车基于工况识别的强化学习能量管理策略

作者：莫浩楠；杨中平；林飞；王玙；安星锟

摘要：储能式混合动力有轨电车以储能系统作为唯一动力源,对能量管理策略进行优化设计,可以提高有轨电车的运行性能及经济效益。将有轨电车的需求功率看做马尔科夫过程,且为避免驾驶工况变化较大时对能量管理策略的影响,提出基于工况识别的强化学习能量管理策略。首先,通过历史行驶数据构建有轨电车驾驶工况并得到不同工况下的马尔科夫功率状态转移矩阵;然后,以混合储能系统能耗最小为目标,通过强化学习算法得到不同工况下的功率分配策略;最后,以改进的学习向量化（LVQ）神经网络对当前的驾驶工况进行实时识别,控制系统通过当前识别的工况以及列车状态做出实时决策。以实车数据进行仿真验证,优化后的策略可以降低储能系统损耗,并且可应用于不同的驾驶工况中。以90kW混合储能平台进行实验验证,验证了该策略在实际工程应用中的可行性。