中国电气工程学报2020年第31期「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。

关于电工学科前沿技术发展的若干思考

作者：马伟明

摘要：每一次科学研究范式的重大转变,必将推动科研创新的变革。当前,随着智能化技术的发展,以人工智能、大数据、云计算等为代表的新技术,正与各学科领域深度融合,推动产业模式的变革,拓展创新领域。

该文立足电工学科发展需求,结合新一轮科技革命的特点,从人工智能与电工学科的融合发展、全电移动平台对高性能电机研究的推动、多能源电力系统的发展,以及电磁能装备的突破对传统周期稳态/准稳态向极端条件下非周期瞬态工况拓展四个方面,对电工学科在多领域融合推动下的前沿发展问题进行了初步思考,并详细介绍了其背景需求和关键科学问题。希望能够引发广大同仁的探讨,推动我国电工技术的创新发展。

基于单管电路的恒流恒压无线充电系统研究

作者：王春芳；岳睿；李厚基；李聃

摘要：针对目前单管逆变无线电能传输（IPT）系统无法通过开关频率的切换实现由恒流输出（CCO）到恒压输出（CVO）转换的问题。该文提出一种用于单管电路（SSC）的P-CLCL补偿网络。所提P-CLCL高阶恒流恒压补偿网络可使单管电路在开关频率为fCC时输出恒流,在开关频率为fCV时输出恒压,解耦了输出与负载的关系。

该文还利用互感等效模型对系统进行建模,并分析该补偿网络在恒流输出及恒压输出时需要满足的电路参数条件;利用傅里叶分解详细给出一套适用于单管电路的等效不对称输入电压源波形的分析方法;在综合考虑零电压开通（ZVS）的实现、软开关裕度、开关管耐压大小的情况下,利用“Mathcad”画图的方法给出一套一次侧补偿电容的设计流程。最后,搭建一台25.2W的P-CLCL实验样机,通过仿真和样机的开闭环实验验证了理论分析的正确性。

旋转式无线充电系统偏移特性研究

作者：程志远；陈坤；李东东；李峥；邵会文

摘要：无线电能传输（WPT）技术因其采用非物理接触的方式传输电能,有效地解决了传统水下传能过程中漏水、漏电等问题,在水下用电设备中具有较好的应用前景。为此设计一种配有旋转式松耦合变压器（LCT）的笼状对接装置以实现水下无线传能,该装置可有效避免自动水下航行器（AUV）的径向偏移。

鉴于互感为影响无线电能传输性能的重要参数,该文针对LCT的互感求解问题展开研究,运用毕奥萨伐尔定律建立该结构的互感计算模型。并以此为基础,从互感、耦合系数、输出功率、效率及副边长度等多维度参数分析轴向偏移对旋转LCT的影响,仿真结果表明,旋转式LCT的轴向抗偏移能力较强。最后,设计并开发了一套LCL_S型补偿结构的无线电能传输系统装置,实验结果验证了理论与仿真分析的正确性,具有一定的工程应用价值。

电磁感应线圈发射子弹系统优化设计

作者：张晓；鲁军勇；李湘平；郭赟；武文轩

摘要：电磁发射子弹具有速度可调、响应时间短的优势,在防恐、维稳等方面具有重要的应用潜力。针对目前电磁轨道发射子弹存在的出膛初始扰动大、出膛后气动外形变化的问题,该文提出采用非接触式线圈发射子弹的方案,克服了轨道发射初始扰动和气动外形变化的难题。

通过建立线圈发射子弹的动态发射模型,并结合带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-II）建立线圈发射子弹系统的优化设计模型。提出分步优化设计思想,在满足子弹预定能级要求的前提下,以线圈发射装置长度和发射效率为优化目标,实现了对包括线圈截面参数、子弹结构参数、脉冲电源初始电压和触发时序等多个设计变量的优化设计。

优化结果表明：若以两个指标平均值最小为优化目标,则装置最短长度为0.123m,对应发射效率为4.89%。

基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征

作者：张闯；孙博；金亮；刘素贞；杨庆新

摘要：许多先进的检测技术已被证实能获取锂离子电池的荷电状态（SOC）,然而目前的检测手段未能同时满足精度和效率方面的要求。利用超声波对SOC的表征已经得到初步的认可,该方法检测效率高、对电池损伤小,但存在单个声学指标与电池材料动力学特性不清晰的问题。该文在分析锂离子电池SOC声学表征研究现状的基础上,将振铃计数引入电池SOC评价中,明确SOC与振铃计数的相关性。

基于Lemaitre等效应变原理推导了振铃计数与有效杨氏模量的对应关系,提出基于超声纵波的锂离子电池SOC在线检测方法,结合常规的声学指标研究了锂离子电池在充放电循环中有效杨氏模量演化规律。通过将常规的时域声学指标与振铃计数表征结果进行对比,验证了振铃计数对SOC表征的可行性。

基于循环谱特征和聚类分析的触电识别

作者：李春兰；罗杰；王长云；王海杨；杜松怀

摘要：针对触电事故具有随机性、难以识别的问题,提出一种基于循环功率谱密度特征和聚类分析的触电事故识别方法。首先利用循环功率谱分析获得触电前、后剩余电流信号的循环功率谱三维图,对剩余电流中150Hz成分对应的循环谱切面分析,提取特征循环频率1 200Hz的线谱占比,定义四种循环频谱特征;然后利用K-means聚类分析对不同维度的循环频谱组合特征进行聚类,提出了触电识别判据,同时提出加偏置修正的欧式距离测度提高了聚类识别准确率。

结果表明：单相电路时循环谱2、3、4组合特征与其他维度特征相比对触电事故的识别率最高,为94.67%,对应的触电前、后剩余电流聚类中心分别为20.597、57.682、4.773和4.102、11.387、0.923;三相电路时最佳识别特征为循环谱特征4,对应的触电前、后剩余电流聚类中心分别为16.136和2.197;加偏置项修正后的欧氏距离对触电事故识别率达到了99.33%。研究结果为有效识别触电事故提供一定理论参考。

低短路比电网下含负序控制双馈风机稳定性研究的几个关键问题

作者：徐海亮；吴瀚；李志；赵仁德；胡家兵

摘要：由于我国风电资源和电力负荷的逆向分布特性,低短路比已成为风电机组接入电网的主要形态。低短路比对称电网下,双馈风机与电网的交互作用易引发系统小干扰失稳。不对称电网下,电网正、负序阻抗及其序间耦合分量将与风机网侧、转子侧变流器产生更为复杂的交互作用,其带来的失稳风险亟需研究和评估。

对此,该文综合已有研究,首先,分析低短路比电网下含负序控制双馈风机稳定性研究的关键问题;然后,从阻抗建模、稳定性分析、控制策略改进等方面,提出相应的解决方案;最后,对相关技术的发展前景进行讨论和展望。

基于对抗式迁移学习的含柔性高压直流输电的风电系统次同步振荡源定位

作者：陈剑；杜文娟；王海风

摘要：风电场经柔性高压直流输电（VSC-HVDC）接入交流系统会产生次同步振荡（SSO）,定位风电场SSO源并及时采取针对性抑制措施是迫切需要解决的问题。该文通过建立风电场经VSC-HVDC并网电力系统线性化模型,分析风电场因发生交互而诱发SSO的机理,提出基于对抗式迁移学习的风电场SSO源定位方法。

该方法通过对仿真系统与实际系统的振荡特征进行对抗学习,缩小了仿真系统与实际系统地域差异,实现仿真系统离线建立的定位模型能够迁移到实际系统中进而对风电场次同步振荡源进行在线定位。通过设计多风电场经VSC-HVDC并网电力系统应用案例,验证分析了所提方法在不同系统中均具有较高的定位精度。这对电网调度运行基于广域测量系统识别振荡源或提供振荡抑制策略具有重要参考价值。

计及阻容式撬棒动作时间的双馈风机短路电流分析

作者：杨兴雄；束洪春；单节杉；孙士云；王春又

摘要：首先从机理和磁链角度出发,分析机端电压跌落时双馈式感应发电机短路电流特性。在此基础上,研究电阻串联电容的阻容式撬棒电路对短路电流的影响,并综合考虑撬棒动作时间,将故障过程分为两个阶段。以转子暂态磁链作为连接两个阶段的纽带,对计及阻容式撬棒投入时间的定转子短路电流解析式进行推导,结合解析式并从消除转子短路电流暂态直流分量角度考虑推出电容的表达式。

最后,在Matlab/Simulink平台上搭建1.5MW双馈风机动态模型,对短路电流解析式的正确性以及阻容式撬棒在抑制转子浪涌电流、改善无功功率吸收、滤除转子侧故障电流直流分量等方面的有效性进行验证。

考虑孤岛源-荷不确定性的直流配电网可靠性评估

作者：马钰；韦钢；李扬；李牧；邓申玮

摘要：针对含高渗透率分布式发电（DG）的直流配电网,提出一种考虑孤岛源-荷不确定性的直流配电网可靠性评估方法。根据设备的运行状态及冗余度,分别建立了换流器、直流变压器和直流断路器的马尔科夫可靠性模型。

针对DG及负荷的不确定性,利用多场景技术（包括拉丁超立方抽样、结合Nataf变换的Cholesky分解和场景削减技术）生成孤岛内源-荷典型场景,提出一种考虑孤岛持续时间的孤岛形成概率计算方法,结合DG供电情况及孤岛形成概率对最小路法进行改进,采用改进后的最小路法计算直流配电网可靠性指标。通过算例验证了所提方法的有效性,对比了DG接入前后负荷点及系统的可靠性指标。

基于时空关联分解重构的风速超短期预测

作者：潘超；李润宇；蔡国伟；王典；张永会

摘要：考虑风速的空间关联性进行多步预测是规模化风电并网的研究热点,该文采用一种改进的多位置多步风速预测方法。首先,提出风速矩阵时空关联分解重构策略,对风场内各风机进行灰色关联分析,并据此利用时序控制的空间关联优化算法进行优选排序,获取典型风机及临近域空间信息,对该空间信息进行重构,以提高空间特征提取效率;然后,将重构的时空三维信息输入卷积记忆网络,以降低信息缺失对预测精度的影响,并进行空间特征提取及多步超短期预测;最后,通过对不同风电场的风速及风功率进行预测,验证所提方法的预测精度和泛化能力。

计及信息失效的柔性配电系统集中-分散协调控制策略优化

作者：刘文霞；富梦迪；李涵深；王丽彬

摘要：柔性多状态开关（FMSS）接入配电网,能够通过主动控制实现配电网正常与故障情况下的优化运行,同时也加深了对控制的依赖。为降低通信设备随机故障带来的运行风险,该文提出一种计及信息失效的柔性配电系统集中-分散协调控制策略优化方法。

首先,建立柔性配电信息物理系统模型,分析了系统在不同状态下的控制方式;然后,采用自适应模糊C均值聚类方法与故障树法处理运行和故障场景的不确定性,在此基础上,以电压偏差与失负荷量最小为目标,建立了分布式资源集中-分散控制策略的双层优化模型,上层优化通信故障的分布式资源分散控制策略,下层仿真多场景下的柔性配电系统分布式资源的集中-分散协调优化运行;最后,以三端FMSS连接的三个IEEE 33节点系统作为测试算例,算例结果表明：通信设备随机故障下,分布式电源采用注入上限控制、FMSS延续故障前策略,可有效降低系统运行风险。

考虑负荷特性的区域冷热电联供系统站网协同优化设计方法

作者：姚志力；王志新

摘要：现有的区域能源站规划未考虑负荷时空特性,且能源站的选址、设备选型定容、网络布局和管道选径等与区域冷热电联供系统的经济性直接相关,为此,该文提出考虑负荷特性的区域冷热电联供系统站网协同优化设计方法。

首先,基于负荷空间分布特征采用改进p-中位模型建立冷热电联供站点数量、选址和供能范围划分模型,基于负荷时序互补特性,考虑多能流耦合和网络协调,提出基于Prim算法的网络布局和管道选径优化模型;然后,基于冷热电联供站、网规划间的相互作用,以区域站网年化总成本最低为目标对冷热电联供站点的设备选型定容和管网布局、管道选径进行交替协同优化;最后,采用Matlab对某规划区域算例进行仿真。

结果表明,该文提出的考虑负荷特性的区域冷热电联供系统站网协同优化模型实现了负荷在时空尺度上的负荷转移,负荷分配更加均匀,同时,提高了设备和管网的利用率及区域冷热电联供系统的经济性,验证了所提方法的有效性。

基于声发射检测技术的电力电子器件/模块机械应力波综述

作者：李孟川；何赟泽；孟志强；周雅楠；李运甲

摘要：针对部分机构已有的能够表征电力电子器件/模块状态的机械应力波研究均分散在信号提取、信号分析和状态表征等方面,没有进行系统总结,该文首先对机械应力波的基础内容进行讨论,总结对比适用于电力电子器件/模块的产生机理、测试检测电路和信号处理方法;随后对电力电子器件/模块机械应力波的研究现状进行综述,归纳总结机械应力波的组成模式、源机制、频域特征与健康状态的对应关系;最后从机理分析、研究对象、信号处理、状态表征和检测装置五个方面对电力电子器件/模块机械应力波存在的关键问题进行分析,并提出未来的研究方向。

基于零矢量嵌入的双向隔离型 AC-DC矩阵变换器分段同步控制策略

作者：梅杨；许策；鲁乔初

摘要：针对双向隔离型AC-DC矩阵变换器,提出一种基于零矢量嵌入的分段同步控制策略。其中,前级 3-1矩阵式变换电路采用对称双线电压调制法,以提高电压传输比;后级全桥电路采用互补控制,简单易实现;前后级电路之间分段同步,并通过在前级电路中嵌入零矢量以实现能量的双向传输。

仿真和实验结果表明,网侧电流三相平衡正弦,功率因数接近于1,输出电压和电流平稳,纹波小,且电感电流峰峰值随直流侧电压增加呈先减小后增大的趋势,当nUo=√3Ui时,电感电流峰峰值最小,即电流应力最小。

由此可见,采用该文提出的控制策略可实现双向隔离型AC-DC变换器能量的双向流动,保证了良好的输入输出性能。通过与传统控制策略的仿真与实验对比,采用所提出控制策略的双向隔离型AC-DC矩阵变换器在较低输出电压范围内具有更小的电感电流应力,有助于降低器件损耗,提高变换器效率,并提升系统可靠性。

脉冲电压下电力电子装备绝缘电荷特性研究综述

作者：何东欣；张涛；陈晓光；巩文洁；李清泉

摘要：电力电子装备长期处于高频、陡脉冲电压的运行工况下,其绝缘系统易发生早期失效,可能会威胁电力系统运行的安全性和可靠性。因此,探究脉冲电压下绝缘劣化机理对保障电力系统安全稳定运行具有重要意义。

该文综合国内外研究现状,介绍了几种常见电力电子装备及其运行工况,通过对绝缘体击穿与沿面闪络影响机理的论述,揭示了电荷行为对绝缘劣化的重要作用,阐述了脉冲电压参数对电荷特性影响的研究进展,并对目前研究存在的不足进行了总结与探讨。未来应提升脉冲电压下电荷测试技术,明确脉冲边沿时刻电荷动态特性,以阐明绝缘劣化机理。这些研究成果将为脉冲电压下电力电子装备绝缘材料和电力系统的优化设计提供参考和理论指导。

XLPE配电电缆缺陷诊断与定位技术面临的关键问题

作者：单秉亮；李舒宁；杨霄；王伟；李成榕

摘要：交联聚乙烯（XLPE）电缆性能优异,在城市配电系统应用广泛。目前部分配电电缆即将达到或已超过其设计寿命,如何准确诊断“老龄化”电缆的状态继而保障配电网运行可靠性是一项重大挑战。

该文深入分析现有电缆典型缺陷诊断方法和定位技术应用于XLPE配电电缆状态诊断过程中的有效性,指出长电缆中缺陷诊断灵敏度和定位准确性、电缆老化段与集中性缺陷的辨识与定位等存在的关键问题。在此基础上,从提高电缆中集中性缺陷诊断灵敏度、实现对长电缆中缺陷的准确定位、开展电缆中局部老化段的定位与诊断研究等方面给出了建议。

硝酸对硅橡胶的老化作用机理研究

作者：张妮；汪政；杨粤；彭向阳；方鹏飞

摘要：在硅橡胶复合绝缘子的运行过程中,硝酸的产生、渗透和老化会降低硅橡胶的性能,并影响到电网设备的安全运行。该文结合多种表征技术系统研究硝酸对硅橡胶的老化作用机理。

气相色谱-质谱（GC-MS）结果表明,硅橡胶中聚二甲基硅氧烷（PDMS）在硝酸的作用下裂解,导致硅橡胶中D4~D7为主的环状硅氧烷小分子增多。硝酸溶液浸泡600h的硅橡胶内D4是未老化时的30倍,有机组分相对含量下降了9.19%。傅里叶红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）的结果表明,硝酸老化后硅橡胶表面Si-C键断裂并被氧化,生成无机硅氧结构Si-O3和Si-O4,导致表面C元素含量降低;同时甲基中的C-H键断裂并引入极性羟基。

由试验结果可知,硝酸主要从以下两方面引起硅橡胶老化：一是H 作用于PDMS中的Si-O键,使硅橡胶中的PDMS网络结构解聚;二是强氧化性的NO3-作用于表面PDMS中的基团,导致硅橡胶表面由非极性转为极性。这些是引起硅橡胶阻隔性能及憎水性下降的主要原因。

基于电磁-热耦合原理的三芯铠装电缆在低频输电方式下的损耗特性研究

作者：刘士利；罗英楠；刘宗烨；邓金锁；蔡国伟

摘要：精确分析电缆损耗特性是提高海底电缆经济性、实现深远海风电高效输送的关键问题之一。为此,该文建立三芯铠装电缆的电磁-热耦合仿真模型,研究了缆芯电流在低频输电方式下的不均匀分布特性,并以此为基础,分析IEC标准计算护套感应电压、损耗因子及载流量的误差。

研究结果表明,缆芯电流密度平均值点偏离缆芯中心,偏离距离随输电频率的增大而增大,并导致IEC标准计算的护套感应电压和损耗做同向变化,当缆芯半径大于24mm时,护套损耗因子误差明显加剧;当缆芯截面积取2000mm2时,分频及工频下的载流量误差分别达10%和15%左右。计算结果为合理地确定海底电缆载流量奠定了基础。

基于优化YOLOv4的主要电气设备智能检测及调参策略

作者：律方成；牛雷雷；王胜辉；谢庆；王子豪

摘要：基于无人机和巡检机器人搭载的多光谱成像检测是高压设备非接触检测的发展趋势,而主要电气设备的识别是其绝缘状态智能诊断的基础。

该文建立了绝缘子、均压环、防振锤、套管和导线训练与测试数据库;基于YOLOv4,改进了Mosaic数据扩充算法,使网络误差降低了0.7,识别准确度提高到84.3%;研究了基于边界框回归的交并比（IoU）算法对不同尺度检测目标的影响,提出了对大、小目标分别采用CIoU和GIoU的训练策略;研究了K-means和分层聚类算法对自建数据库的标注值宽高数据聚类效果及检测结果的影响;基于误差、识别准确度和训练速度,研究并优化了YOLOv4的网络参数,改进后的模型训练误差降低了3%,识别准确度提高了0.8%,较好地实现了主要电气设备的识别。

该研究可用于多光谱成像电气设备运行状态的现场诊断。