可再生资源学报(再生资源科学与技术)

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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。

电工材料

聚四氟乙烯/纳米碳化硅改性复合材料的制备及其介电特性

作者：南江；刘诚威；夏平安

摘要：以纳米碳化硅为填充剂,通过填充改性的方法制备了纳米碳化硅改性的聚四氟乙烯复合材料。通过扫描电镜观察复合材料的微观结构,以了解纳米碳化硅颗粒的粒度分布。测试复合材料的介电性能和体积电导率,结果表明,加入纳米碳化硅改性后,复合材料的介电常数、介质损耗因数、体积电导率随着改性剂添加量的增加而上升。分析复合材料的性能随改性剂添加量的变化规律。在此基础上,探讨纳米SiC改性聚四氟乙烯的机理。

热老化对电压稳定剂改善交联聚乙烯绝缘性能的影响

作者：洪泽林；戴超；张梦甜；李秀娟；陈向荣

摘要：为了进一步提高交联聚乙烯（XLPE）的电气性能,该文选用间氨基苯甲酸作为电压稳定剂,用溶液法制备了质量分数为1%的XLPE共混物试样,并对试样进行加速热老化实验。利用空间电荷、电导率和表面电位衰减测量,研究了添加电压稳定剂和热老化前后材料的电气性能。通过试样在添加电压稳定剂与老化前后的电场和陷阱能级分布,分析了电压稳定剂以及热老化对试样内部陷阱的影响。

结果表明,间氨基苯甲酸能够有效抑制XLPE中的空间电荷积聚,改善试样内部电场分布,同时降低试样的直流电导率。热老化后,试样内部出现了明显的空间电荷积聚,电场畸变明显,表面电位衰减速率下降,直流电导率有明显上升。由此可知,电压稳定剂的添加导致试样内部深陷阱和浅陷阱密度的增加,提高了电荷注入的势垒。热老化使陷阱密度下降,陷阱加深,导致材料中空间电荷积聚,电场畸变明显,从而降低了材料的电气性能。

硬质复合绝缘子用伞套材料憎水性研究

作者：彭静；刘云蔚；危鹏；刘志强；张长征

摘要：近年来,使用聚烯烃作为伞套材料的硬质复合绝缘子在鸟害严重的区域起到了非常显著的防治效果,但有关聚烯烃材料憎水性的研究还较少。该文采用接触角法和喷雾法比对研究聚烯烃和硅橡胶材料在憎水性通常、减弱和恢复三个特性阶段的静态接触角θs值和憎水性等级,并依据两种材料的表面微观形貌和表面粗糙度对其三个特性阶段的憎水性能进行分析。另外,分别对表面染污秽液和涂覆干燥硅藻土的聚烯烃材料进行了憎水性迁移特性研究。

结果表明,非极性的聚烯烃材料表面具有憎水性,因聚烯烃材料表面粗糙度较小,其在憎水性通常、减弱和恢复三个特性阶段的静态接触角θs值均较低,但仍满足标准GB/T 19519—2014的要求。采用常规染污法无法在聚烯烃材料表面形成连续且均匀的污秽层,但表面附着干燥硅藻土的聚烯烃材料随迁移时间的延长,其表面静态接触角θs值不断增大,在迁移78h后趋于稳定,表明聚烯烃材料对干燥硅藻土具有憎水迁移性。

电工理论与新技术

基于生成对抗网络的注入电流式热声成像逆问题研究

作者：郭亮；王祥业；姜文聪

摘要：注入电流式热声成像结合了电阻抗成像高对比度和超声成像高分辨率的优势,在生物医学成像领域具有广阔的应用前景。该成像方法激励效率高、检测信噪比强,但在较低频率的电磁激励下,重建目标体电导率的高分辨率图像仍然具有很大的挑战。

该文提出一种基于生成对抗网络的电导率重建新方法,包含三个步骤：首先用维纳滤波反卷积,将超声探头输出的电信号还原为真实声信号;然后利用滤波反投影获得初始声源图像;最后将初始声源图像和电导率图像进行匹配,作为生成对抗网络的训练样本,构建用于电导率重建的深度学习模型。理论分析与仿真研究发现,新方法通过引入深度神经网络,能够挖掘出蕴含在数据中的逆问题求解模型,进而重建高分辨率的电导率图像,且具有很强的抗干扰特性。新方法的提出为解决注入电流式热声成像的电导率重建问题提供了新思路。

一种用于钢轨电位评估的回归建模方法

作者：张征；杨少兵；吴命利；叶晶晶

摘要：钢轨电位是地铁安全运行指标之一,评估钢轨电位水平一直是供电仿真计算中的一项难题,传统的供电仿真算法在定量计算钢轨电位时存在较大偏差,无法应用至实际行车组织中。该文首先建立钢轨回流系统的等效电路模型,通过分析供电系统运行特点,将钢轨电位数学模型分解为常量参数与变量因子,进而给出钢轨电位与变量因子间的关联关系式。

根据所得关联关系式,分析钢轨电位回归建模方法的可行性与适用性,并基于变电所实测数据及BP神经网络算法,建立变电所的钢轨电位回归模型,结果表明,模型误差满足实际工程需要。最后给出模型在运营场景时的实际应用示例,示例体现出模型能够很好地融入现有的供电仿真系统中。

无接触网供电城轨车辆中人体评估

作者：董亮；林飞宏；王晨曲；张秋敏

摘要：该文采用有限元法对曝露于大功率无接触网供电城轨车辆中的人体进行电磁安全评估,以检测该无接触网供电城轨车辆是否低于人体电磁曝露安全值。以500kW无接触网供电城轨车辆为例,通过数值仿真计算车内漏磁水平,并对车内佩戴心脏起搏器的人体进行感应电磁场和比吸收率（SAR）评估,将计算结果与国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）中规定的限值进行比较。

结果表明,人体内部感应电场较低,但是在人体表面感应出较高电场,装有心脏起搏器的组织SAR值远低于2W/kg的限值,人体站在渡板上方时,脚踝处SAR值最高并且十分接近局部SAR限值。这些结果对于无接触网供电技术在轨道交通领域的安全应用起到了积极的作用。

电磁感应式无线电能传输一次电流效率优化配置

作者：殷正刚；史黎明；范满义

摘要：电磁感应式无线电能传输系统在包含多个接收模块时通过保持一次侧发射线圈电流恒定可以实现多个二次侧接收模块间控制的解耦。当接收模块通过DC-DC控制输出电压时,一次线圈电流可以在一定范围内灵活设定,这也带来了效率优化的空间。该文建立一次电流与电磁耦合机构效率之间的定量关系,得到效率最大的一次线圈电流最优值。基于系统参数进行不同一次线圈电流下耦合机构效率的计算。

搭建无线电能传输仿真系统和实验平台,仿真系统的耦合机构效率测量结果与理论计算结果相同,实验测量的效率变化规律和最大功率点也与计算及仿真结果基本一致,从而验证了提高无线电能传输系统电磁耦合机构效率的一次线圈电流优化方法的有效性。

基于多模块分时放电半解析模型的脉冲电源触发策略

作者：彭之然；刘华；汪光森；翟小飞；张晓

摘要：电磁轨道发射装置的脉冲电源通常由多个脉冲放电单元构成,在发射前需要对脉冲电源的触发策略进行设计,即人为设置每个放电单元的电容电压和放电时序。该过程通常需要手动进行反复摸索和调整,较为耗时。针对该问题,该文首先建立多模块分时放电的半解析模型,与商用软件Simplorer建立的仿真模型相比,单次仿真时间由37s缩减到了0.19s。

在此基础上,该文提出脉冲电源触发策略的自动求解方法：首先根据工况要求规划出梯形波电流,然后通过调整触发时序使得实际仿真电流尽可能地逼近梯形波,从而获得较为理想的电流波形。基于自动求解方法,求出了三种不同峰均比设置下的脉冲电源触发策略,并对三种情况下的初始电压、投入的模块数量、出口速度及发射效率等指标进行了对比分析。

磁场与食品研究进展

作者：汪滢；史慧新；伍志刚；张明明；张欣

摘要：食品保鲜与人类生活息息相关。食品保鲜技术一直以尽可能保持食品原有品质为目标,并不断地寻求更高效、更经济以及更安全的新方法。随着近年来生物研究和工程技术的发展,人们发现磁场作为一种无污染无残留的物理方法,能够对生物体产生效应,从而对食品保鲜有一定的影响效果。该文综述几种磁场在食品保鲜中的研究,以及磁场辅助食品冷冻保藏的效果。

总体而言,目前已有多项研究证明,一定参数的静磁场、交变磁场和脉冲磁场能够对食品保鲜产生有利作用,但磁场参数的不同也会直接导致不同的结果,并且机制方面的研究亟待加强。该文不仅展示磁场在食品保鲜领域的良好应用前景,同时也提出该领域目前存在的问题与局限性。这对未来将磁场发展成为一种新型食品保鲜技术提供了实验证据。

基于T-φ有限元法的多目标函数变压器优化设计

作者：杨新生；张云鹏；徐桂芝；张长庚；傅为农

摘要：随着电网容量和电压等级的不断提高,用户对电力变压器优化设计提出了更高的要求,该文基于矢量电位-标量磁位（T-φ）有限元法（FEM）对变压器拓扑结构进行多目标函数优化设计,旨在提高变压器性能、降低制造成本。变压器设计涉及多参量多目标函数,故采用改进型广义差分进化算法（GED3）实现快速全局寻优。由于每个优选案例都需要采用有限元法对变压器性能参数进行验证,花费时间较长。

为了减少变压器仿真验证所需时间,故在保证精度的前提下,寻优过程中采用较粗网格,待最优案例确定后,采用密网格与有限元法相结合对变压器各项性能参数加以对比验证分析。挑选最优案例与未优化变压器各项参数进行对比,优化后的变压器铜损降低4.5%,铁损增加0.81%,但总损耗降低3.62%,制造成本降低3.89%。且在采用粗细网格下,无载损耗误差为0.825%,为工程应用中可接受范围,验证了该文方法的正确性,且该方法可应用于其他电工装备优化设计中。

数据不足条件下基于改进自动编码器的变压器故障数据增强方法

作者：葛磊蛟；廖文龙；王煜森；宋丽可

摘要：变压器发生故障的情况较少,使得基于机器学习的变压器故障诊断方法存在数据不足的问题。为此,提出一种基于改进自动编码器（IAE）的变压器故障数据增强方法。首先,针对传统自动编码器生成的数据有限和缺乏多样性的问题,提出改进的变压器故障数据生成策略。其次,考虑到传统卷积神经网络的池化操作会丢失大量特征信息,构建改进的卷积神经网络（ICNN）作为故障诊断的分类器。最后,通过实际数据验证了所提方法的有效性和适应性。

仿真结果表明,相对于随机过采样算法、合成少数类过采样技术及自动编码器等传统的数据增强方法,IAE能同时兼顾数据的分布和多样性特征,生成的变压器故障数据对分类器的性能提升效果最好。和传统分类器相比,ICNN在数据增强前、后都具有更高的故障诊断精度。

电机及其系统

基于电枢齿偏移法双面转子永磁同步电机振动噪声特性的研究

作者：刘凯；张炳义；冯桂宏

摘要：双面转子永磁同步电机具有功率密度高、恒功率运行范围宽与低速大转矩输出能力强的特点。电机在大转矩输出与高速恒功率运行时电流会导致双层气隙磁场分布畸变,易引发较大的电磁振动噪声。

该文基于一台85kW双面转子永磁同步电机,首先对双层气隙磁场分布规律进行分析,通过引入偏移因子提出一种基于内、外电枢齿偏移削弱电机振动噪声的方法,推导出电枢齿偏移电磁激振力波的解析表达式,总结出电磁激振力波的变化规律。然后借助有限元平台对比分析内、外电枢齿偏移前后振动响应频谱与噪声特性,结果证明所提方法可以有效削弱电机的振动噪声。最后对样机主要噪声分布工作点进行测试,测试结果与解析计算及仿真分析结果相符,验证了所提的双面转子永磁同步电机振动噪声分析与削弱方法的准确性,为该类电机振动噪声的计算分析与识别抑制提供参考。

MW级高速永磁电机转子强度敏感性分析

作者：王天煜；汪泽润；白斌；张岳；张凤阁

摘要：针对MW级高速永磁电机表贴式转子结构强度问题,以一台1.12MW、18000r/min高速永磁电机为例,建立三维转子结构有限元模型,计算极限工况下永磁体及护套的应力;以护套材料、隔磁件材料、护套厚度、护套与永磁体之间过盈量等为输入变量,转子应力计算结果作为输出变量,建立正交试验数据,采用方差分析法对转子结构强度进行敏感性分析,得出转子强度敏感性因素及影响规律。同时,对比输入变量不同水平对应力结果的影响,总结出转子结构参数及材料的选取原则。

电力系统及综合能源

带恒功率负载的交直流混合微电网系统大信号稳定性分析

作者：刘欣博；孙晓溪；宋晓通

摘要：在交直流混合微电网系统中,绝大部分负载都是通过电力电子变换器与微网母线连接,闭环控制的电力电子变换装置可视为恒功率负载,具有负阻抗特性,在扰动情况下,会影响系统稳定性,甚至导致整个系统无法正常工作。该文考虑恒功率负载动态性能,在储能单元充、放电模式下应用混合势函数理论对并网交直流混合微电网系统进行大信号稳定性分析。

首先,将整个系统等效为dq旋转坐标系下的直流系统。接着分别建立储能单元充、放电的混合势函数模型,进行稳定性分析,得出系统大信号稳定性判据。所得到的大信号稳定性判据给出了直流侧稳压电容、交流侧滤波电感、互联变流器电流内环控制参数kip、电压外环控制参数kvp与系统能带恒功率负载功率最大值的关系。对比可知,当储能单元由充电变为放电时,交直流混合微电网系统能带恒功率负载的功率最大值显著增加。最后,应用Matlab软件搭建交直流混合微电网系统仿真模型,仿真结果表明,所提判据能够保证交直流混合微电网系统大扰动下的稳定性。

基于改进单相dq0电压检测的混合式配电变压器负载电压控制投切策略

作者：蔡生亮；梁得亮；周堃；张立石；柳轶彬

摘要：混合式配电变压器（HDT）负载电压补偿回路需要根据配电网的电压状况进行投入与切除。因为现有的电压突升突降的检测算法的局限性,该文提出一种改进的dq0变换检测算法。具体而言,通过求导法对每相电压构造虚拟三相电压,然后对三组虚拟三相电压进行dq0变换。最后通过简单的逻辑判断,实现电网中常见的三相电压跌落、三相电压突升、单相电压突降等状况的检测。

该算法的优势在于,只需加入时间常数较小的滤波器滤除高次谐波,有效避免了传统检测算法中滤波器时间常数较大带来的延时,从而提高了检测的实时性与准确性。在Matlab/ Simulink中搭建仿真模型,根据检测信号进行负载电压补偿回路的投入与切除,从而验证了改进检测算法的正确性。

考虑不确定性的电-热-氢综合能源系统规划

作者：侯慧；刘鹏；黄亮；谢长君；张锐明

摘要：在综合能源系统（IES）高速发展的背景下,提出考虑风光不确定性的电-热-氢综合能源系统多目标规划方法。

首先,介绍了电-热-氢综合能源系统模型结构框架和关键设备运行策略,针对模型中现有电转气（P2G）技术和热电联产机组（CHP）运行策略的不足,提出将P2G生成的氢气优先供应燃料电池汽车,以及根据可再生能源出力大小切换CHP运行模式等改进措施;其次,针对可再生能源出力不确定性对系统规划的影响,基于场景法实现了不确定性场景描述,同时以经济成本最小、风光消纳率最大和供能不足最小为优化目标,提出考虑风光不确定性的多目标规划方法,达到应对不确定性因素影响以及兼顾经济性、高效性和可靠性的目的;最后,采用改进的混合多目标粒子群算法和模糊隶属度函数求解设备容量配置方案,结果验证了该文所提方法的有效性及合理性。

考虑风光互补的储能优化配置研究

作者：陈泽西；孙玉树；张妍；李美成；张德隆；肖万芳

摘要：该文在考虑风光互补的情况下,研究交直流电网中的储能优化配置。首先,基于相关系数,利用模型预测控制算法分析储能集中式和分散式并网对其配置的影响;再者,分析不同风光类型、不同采样间隔、不同电站数量对储能配置的影响;最后,通过算例分析不同风光互补形式下的储能优化配置情况,以促进储能在可再生能源发电中的应用。

基于电化学储能的多馈入直流系统暂态控制及影响因素分析

作者：李培平；姚伟；高东学；张景超；李程昊

摘要：随着越来越多大容量特高压直流输电工程建成投运,我国电力系统逐渐形成交直流混联结构,电网耦合特性更加复杂,系统的安全稳定运行面临更大挑战。电网侧电化学储能技术近年来在电网中快速发展,有望成为改善交直流混联系统稳定性的有效控制手段。该文针对多馈入直流系统暂态过程中的连续换相失败问题,分析了连续换相失败的机理及储能电站的作用机制,提出了储能电站改进暂态无功控制策略,优化了储能电站的暂态控制效果,并进一步分析了储能电站的容量大小与接入位置两个关键因素对控制效果的影响。

以河南多馈入直流系统为例,仿真结果验证了所提储能电站改进暂态无功控制策略能够实现较好的换相失败控制效果。此外,遍历仿真结果也揭示了容量大小与接入位置对储能电站控制效果的影响规律。

基于列车运行工况的城轨地面式混合储能系统控制策略研究

作者：杨浩丰；刘冲；李彬；林飞；杨中平

摘要：电池/超级电容混合储能系统兼具功率密度大和能量密度高的特点。根据城市轨道交通实际线路条件和运行状况,建立仿真模型。通过分析不同发车间隔下剩余再生制动能量的分布和混合储能系统功率分配策略对系统的影响,考虑到电池和超级电容两种储能元件的特性不同,提出基于列车运行工况的动态比例分配策略。

该控制策略分为充电模式和放电模式。在充电模式下,通过判别列车运行工况调整功率分配比例,减少电池的使用,提高装置寿命与节能效果;在放电模式下,功率分配比随电池荷电状态动态调整,防止电池过充、过放。最后给出了北京地铁实际线路参数下2MW混合储能系统的仿真结果,验证了该策略的有效性。

基于转子动能与超级电容器储能的双馈风电机组惯量和一次调频改进控制策略

作者：颜湘武；孙雪薇；崔森；李晓宇；李铁成

摘要：风力发电的大规模应用缓解了常规能源紧张的压力,但由于其不具备频率动态调节能力,给电网安全稳定运行带来了较大隐患。双馈风力发电机组在利用转子动能参与系统频率调节时,能有效响应频率变化,但在退出调频时存在频率二次跌落和输出有功功率减少的问题,且不能长时间提供功率支撑。

针对这一问题,该文在分析过转子动能的惯量支撑能力之后,提出基于转子动能与超级电容器储能的协调频率控制策略。利用转子动能和超级电容器分别实现类似于同步发电机组的惯量特性和下垂特性,保证双馈风力发电机组在系统频率波动时能够提供快速且持久的功率支撑。同时控制超级电容器在转子动能退出惯量支撑时增发有功,以避免功率骤降造成的频率二次跌落现象发生;改变转子转速回升过程中的转速-功率运行轨迹,最大程度降低输出有功功率的减少量。

考虑电热混合储能的多能互补协同削峰填谷策略

作者：张超；冯忠楠；邓少平；贾长杰；卢胜

摘要：针对电网峰谷负荷波动日益严峻的问题,从负荷侧多类型能源深度耦合的角度,提出将电热互补混合储能系统应用于园区削峰填谷控制。基于电化学储能与相变储能系统电-热联合运行模型,综合考虑净负荷方差及运行成本的多属性决策目标,提出含电热混合储能系统的园区削峰填谷策略。并利用随机波动模型对园区负荷进行预测,分析所提策略应对负荷波动的抗风险能力。基于深圳商业园区的算例分析表明,电热混合储能系统能够在保证满足用户热需求的前提下,充分利用电化学储能灵活双向功率控制和相变储能长时间尺度调节能力,有效提升园区削峰填谷效果及运行经济效益。

电力电子

一种改进的柔性直流系统IGBT行为模型

作者：宋鹏程；张黎；邹亮；赵彤；孙优良

摘要：在柔性直流换流站中,换流阀中绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的开关暂态过程是产生电磁干扰的重要原因之一,这些高频的电磁干扰会对换流站内关键设备的正常运行产生不利的影响。目前,在IGBT开关暂态过程建模中普遍采用行为模型,该模型虽然在仿真速度、通用性等方面有很大优势,但却存在仿真精度较低等缺点。

针对现有行为模型的不足,该文提出一种基于矢量匹配法的改进行为模型,利用矢量匹配法这种高效稳定的有理函数拟合方法对行为模型中仿真精度较低阶段的波形进行拟合,并将拟合后的公式在时域内等效为简单电路的形式,然后与传统行为模型相结合,得到更加精确的IGBT暂态模型。最后,该文在仿真软件中搭建改进的行为模型,并进行仿真波形与实验波形的对比与误差分析,结果证明所提出模型精度较传统模型有较大的提高。

一种低母线电压尖峰的改进型Y源逆变器及其可靠性分析

作者：姚婷婷；管乐诗；石恩达；王卫；徐殿国

摘要：该文提出一种改进型Y源逆变器,通过拓扑结构优化,有效地改善了输入电流特性,同时减小母线电压尖峰。以采用SiC MOSFET为例,详尽分析该改进型Y源逆变器的可靠性分析流程及方法。该流程依据器件参数搭建器件的电热耦合模型,分析改进型Y源逆变器逆变桥中开关管的热行为,并且通过查表法获取基于任务剖面的器件热负荷曲线。考虑相应寿命模型以及Miner理论,实现了开关管的寿命预测。最后通过蒙特卡洛分析以及威布尔拟合完成系统元件及该系统的可靠性研究。相关研究内容可为后续相似电路可靠性分析提供参考。

基于IGBT行为模型的有源中点钳位五电平变换器损耗特性分析

作者：叶伟伟；聂子玲；朱俊杰；许杰

摘要：有源中点钳位五电平拓扑（5L-ANPC）通常用于中压大容量电能变换领域,同时由于其拓扑结构复杂和各器件有效开关频率不同,使得损耗分析较为困难,并且对计算精度要求较高。该文分析基于载波移相脉宽调制（PS-PWM）的损耗计算方法,根据电压电流关系,详细分析所有器件的导通规律,推导导通损耗计算方法。

针对传统的开关损耗计算方法在中压大容量条件下误差较大的问题,详细分析IGBT的开关瞬态过程,提出一种基于行为模型的开关暂态损耗计算方法,并将其运用于5L-ANPC拓扑开关损耗分析。对5L-ANPC拓扑损耗特性进行分析,为散热系统设计奠定了坚实的基础。实验结果表明,该文所提方法提高了损耗计算精度,最大误差为10.4%,最小误差为8.4%,验证了所提损耗计算方法的有效性。

基于综合能源系统的固态变压器中开关器件故障特性分析与诊断

作者：桑子夏；郑旭；方仍存；杨东俊；杜治

摘要：综合能源系统是主动配电网实现能量综合管理的重要手段与工具,其可靠性与该系统中大量应用的固态变压器的可靠性直接相关。该文针对配电网固态变压器的输入级、中间级和输出级中开关器件开路故障和短路故障开展研究,并对其故障后电压和电流畸变进行分析。

以配电网固态变压器中由级联多电平变换器组成的输入级、中间级和输出级的基本工作原理及运行方式为基础,研究了其开关器件在各个故障下电压和电流的畸变,并总结其故障机理和故障特性,通过建立特定波形畸变和故障点位置与类型之间的关系,辨识开关器件故障的位置与种类。最后通过仿真对故障特性进行了验证,并提出了基于故障机理和故障特性的开关器件故障诊断方法。

基于虚拟同步机的电压源逆变器频率响应时域特性和自适应参数设计

作者：颜湘武；张伟超；崔森；黄瀚燕；李铁成

摘要：新能源对传统能源的替代给电力系统的频率稳定性带来了严重挑战。新能源一般通过开关频率远高于电网运行频率的电力电子接口装置并网,几乎不具备惯性;工作在最大功率点跟踪模式下不具备功率调节裕度,不能参与系统一次调频。当以最大化利用可用发电资源为目标时,新能源电源不具备频率响应能力,不能参与系统有功平衡和频率稳定的动态调节。

在此背景下,虚拟同步机控制策略被提出,以应对在含高比例可再生能源的电力系统中频率响应资源减少的问题。基于虚拟同步机控制的电压源逆变器可模拟同步电机的外特性,为系统提供惯性响应和一次调频响应,从而保证含高比例可再生能源电力系统频率稳定性和电能质量。此外,不同于同步发电机,电压源逆变器的控制参数不受物理因素制约,具有更大的控制灵活性。

该文研究虚拟同步机控制下的电压源逆变器的时域频率响应特性,并提出满足动态性能指标的自适应扰动的控制参数计算方法。首先,介绍基于虚拟同步机控制的电压源逆变器提供惯性响应和一次调频响应的控制策略,并指出衡量系统动态控制性能的四个关键指标。其次,基于传递函数和主导零极点,推导出包含惯性响应和一次调频响应的控制性能指标时域表达式,分析复合参数对虚拟同步机频率响应的影响。然后,考虑系统频率的运行标准和新能源的响应能力来源,根据评价指标出现的时间顺序,提出顺序结构的自适应控制参数程序化设计方法。最后,通过仿真验证所提算法的有效性。

基于平衡实现理论的变流器并网系统降阶模型

作者：许建成；孙建军；钟佩军；尹耀宗；查晓明

摘要：变流器并网系统全阶模型的复杂高阶特性限制了其在理论分析中的应用,建立合适的降阶模型是简化变流器并网系统理论分析的重要途径。现有的降阶方法主要通过简化模型其他时间尺度下动态特性来得到某一时间尺度下的降阶模型,模型的精度不高。为此,该文提出一种基于平衡实现理论的变流器并网系统降阶方法,该方法通过求解Lyapunov方程得到相应的Gramian矩阵,进而获取等价的平衡系统。

在此基础上根据平衡系统的Hankle奇异值大小,保留平衡系统中关键状态变量以实现系统降阶。该文以电压源型变流器（VSC）为例,基于所提降阶方法分别建立单变流器并网系统和考虑变流器间连接阻抗的多变流器并网系统降阶模型。通过Matlab/ Simulink时域仿真表明,所提降阶方法可实现变流器并网系统有效和准确的降阶。

无权重系数的三相八开关模型预测电流控制

作者：成庶；欧阳泽铿；张璐琳；李卓鑫；向超群

摘要：针对三相八开关容错逆变器（ESTPI）,提出一种能够抑制直流侧两电容电压不平衡同时无需调整权重系数的模型预测电流控制方法。

首先,基于三电平中点钳位型逆变器,分析三相八开关逆变器的拓扑结构与数学模型、电容电压不平衡的原理及构建其数学模型;其次,利用已知的阻感负载数学模型预测电流,为使系统能够在容错控制后稳定运行,以抑制电压不平衡以及控制电流为目的,构建传统模型预测电流控制的代价函数;然后,为消去权重系数,分析与构建出无权重系数的代价函数,考虑实际应用,对系统进行延时补偿,在传统的模型预测电流控制与已分析得到的数学模型的基础上,搭建所提出方法的系统模型;最后,通过仿真验证所提算法的正确性与有效性。

一种优化电流应力的双有源桥式DC-DC变换器双重移相调制策略

作者：王仁龙；杨庆新；操孙鹏；刘鹏；李珊瑚

摘要：为了减小双有源桥式（DAB）DC-DC变换器在传统双重移相调制下（DPS）非重载区的电流应力,该文提出一种优化的双重移相（ODPS）调制策略。该优化的双重移相调制通过对内外移相角之间的关系重新约束,将影响电流应力最大的调制系数设置为0来减小电流应力,从而提高变换器整体效率。通过对优化的双重移相调制传输功率、电流应力和回流功率建立数学模型,并与传统DPS进行对比,分析两种移相调制同一传输功率下电流峰值和回流功率。最后通过实验验证了该文提出的优化的双重移相在非重载条件下电流峰值、输出效率等性能的优越性和理论分析正确性。

高调光频率下的PWM Shunt调光驱动器LED电流振荡抑制方法

作者：王议锋；吴啸尘；李雷；梁岩

摘要：为了满足影视照明或摄像摄影等对发光二极管（LED）高品质照明需求,该文基于三开关Buck拓扑,提出高调光频率和宽调光范围下的脉冲宽度调制关断（PWM shunt）型LED驱动器的电流振荡抑制方法。

首先,分析寄生参数对LED电流下降沿寄生振荡的影响。其次,为了抑制LED电流寄生振荡以提高系统的输出波形质量和可靠性,提出一种在LED驱动回路中串联二极管的解决方法。最后,搭建1台480W的实验样机,驱动4路9并15串的LED灯珠阵列,其开关频率和调光频率分别达到500kHz和20kHz,不仅有效地抑制了LED方波电流下降沿振荡,而且实现了调光比率从1%到99.99%的平滑输出,验证了所提优化方法的有效性。

高电压与放电

直流大功率接触器自磁场灭弧室电弧特性研究

作者：周学；周雨馨；孙会超；翟国富

摘要：新型轨道交通牵引系统配电系统一般为直流供电制,其额定电压与电流一般为kV和kA级,因此作为配电系统中的关键元器件,各类直流大功率接触器的需求也进一步提升。制约产品发展的核心问题是直流大功率感性负载条件下接触器灭弧能力及灭弧速率。基于此,该文研究一种自吹弧式灭弧室的电弧特性。

通过仿真给出灭弧室主触头流过不同直流电流产生的自吹弧磁场分布,对比分析阻性与不同时间常数感性负载下的分断电弧特性和燃弧能量。最终提出灭弧室内“磁场竞争模型”用以解释燃弧过程中的电压临界值和时间常数临界值现象。自磁场吹弧式灭弧室接触器具有分断高电压、大电流及大时间常数感性直流负载的能力,具有很强的实际应用价值和理论研究意义。

基于高速摄像观测的风电场雷击风机发展过程和特性分析

作者：蔡力；柯逸丰；李进；周蜜；王建国

摘要：该文主要分析张北风电场风机自然雷击过程的高速摄像光学资料,该雷击风机事件共发生了七次回击过程,有两个主要的闪电通道。前三次回击和后四次回击分别在不同的闪电通道进行。在回击之间出现了多次的企图先导,回击前的先导都是无分支的直窜型的先导。七次回击前的先导都在2ms内发展到回击,先导的平均二维发展速度都在106m/s数量级及以上,其中第五次回击前先导的平均发展速度最快,大于1.1×107m/s,第六次回击前的先导发展速度最小为2.62×106m/s。七次回击中第四次回击的相对发光总量最大,第三次相对发光总量最小。

各次回击的相对发光总量和回击前的截止时间随回击次序的变化呈明显的线性正相关,各次回击的相对发光总量和回击前的先导平均发展速度呈相反的发展趋势。

断路器绝缘拉杆动态性能模拟试验

作者：王浩然；陈允；吴泽华；张鹏飞；廖巍 等

摘要：绝缘拉杆是断路器的主要传动机构,除要求有很强的电气性能外,还应具有良好的机械特性。探究绝缘拉杆操作时的动态特性及响应,对绝缘拉杆材料性能控制、技术规范制定具有重要意义。

该文采用断路器模拟机首次对绝缘拉杆进行分、合闸冲击疲劳试验,获得分、合闸冲击下绝缘拉杆的应变分布、响应及操作次数对其的影响规律。结果表明,操作过程中拉杆存在受力不均的现象,操作过程中的冲击响应频率主要分布在0~600Hz之间,应变最大值分布在拉杆触头侧与金属件粘接的位置处;随着操作次数的增加,频率响应的第一特征峰基本保持不变,而高频分量下降。研究结果可为绝缘拉杆材料性能试验方法、要求与规范制定提供参考和依据。

半密闭灭弧腔室内电弧运动特性的三维仿真和实验

作者：贾文彬；司马文霞；袁涛；杨鸣；成煌

摘要：在配网线路防雷中,利用多个半密闭灭弧腔室串联将长空气间隙电弧分段淬灭的多腔室灭弧结构因其优异的灭弧性能,受到学者的广泛关注。在应用于配网线路雷电防护时,多腔室灭弧结构中的气体间隙被击穿后,冲击电弧在半密闭灭弧腔室内的运动特性直接影响该结构的灭弧性能。

为了研究冲击电弧在灭弧腔室内的运动特性,该文将气流场、流体传热场、电磁场多场全耦合,建立单个半密闭灭弧腔室内冲击电弧的三维数值仿真模型,分析电弧从腔室内运动到腔室外的动态演变过程;搭建冲击电流试验平台,利用高速摄像机拍摄了电弧从腔室内运动到腔室外的图像,分析电弧运动图像的特征。

结果表明,仿真得到的电弧完全运动到腔室外的时刻和电弧完全熄灭的时刻与试验图像特征吻合,验证了仿真模型的准确性;得到了腔室内电弧温度、腔室内压强和气流速度随时间整体呈现先急剧增加后缓慢减小的趋势;当电弧电流为波形8/20μs、幅值2kA时,腔室内的电弧温度最高可达41000K,压强最大达2MPa,气流速度最大达3000m/s。

中压船舶直流供电系统限流开断技术

作者：刘思奇；胡鹏飞；江道灼；庄劲武

摘要：中压直流供电系统是未来船舶供电的一个典型应用场景,中压直流断路器则是保障该供电系统安全可靠运行的关键设备之一。船舶供电系统的阻抗小,故障电流及其上升率大,故要求直流断路器兼具故障限流与大容量开断功能。

该文首先简述船舶供电系统的特点及直流故障的电流特性,然后重点介绍了基于固态开关分断技术的全固态直流断路器和混合型直流断路器的研究进展,分析了它们的优缺点,并对它们在中压船舶直流供电系统中的应用进行了工程和技术的可行性分析。最后对单向分断新型强迫换流原理的混合型断路器方案在10kV/5kA系统的应用进行了可行性分析,并对其工程应用需要攻克的难点及关键技术进行了展望。

基于自适应DBSCAN算法的开关柜绝缘状态评价方法

作者：胡金磊；赖俊驹；黎阳羊；杨帆；黄河

摘要：为了更合理地评价开关柜绝缘状态,挖掘开关柜异常数据蕴含的价值,提出一种基于自适应DBSCAN的开关柜绝缘状态评价方法。首先计算绝缘状态检测数据暂态对地电压和超声波的偏差量,消除背景噪声;将绝缘状态偏差量与开关柜环境温度、环境湿度和运行年限构成开关柜绝缘状态的特征量,并建立开关柜的多维特征数据集。然后采用K平均最近邻法和数学期望法生成DBSCAN算法的扫描半径r和最少数目MinPts的候选参数,引入密度阈值自动寻找聚类簇数变化稳定的区间;利用开关柜检测数据集自身分布特性对DBSCAN算法中参数进行自适应最优选择,避免了人为主观设定导致的误差。

最后构建基于加权集成的聚类有效性指标来判断聚类结果的有效性,以某开关柜现场检测数据为例,通过比较K-means和DBSCAN两种算法的结果,验证了该评价方法的优越性,为开关柜运行状态的评价提供一定的理论依据。

基于改进经验小波变换的高压电缆局部放电噪声抑制研究

作者：马星河；张登奎

摘要：对高压电缆的局部放电（PD）进行监测,并对其所包含的噪声信息进行抑制,是一种有效的绝缘评估方法。针对PD信号所包含的复杂噪声信息,提出一种基于改进经验小波变换（IEWT）的噪声抑制方法。

该方法以IEWT分解为核心,通过将含噪信号分解为按频率顺序排列的经验小波函数（EWF）,有效避免复杂噪声信号分解时的模态混叠现象。利用峭度规则对分解得到的EWF进行筛选,最后对筛选出的有用EWF进行重构和降噪处理,达到对复杂含噪信号的噪声抑制效果。模拟仿真以及现场测试表明,与现有基于EWT和基于EMD的降噪方法进行对比,该文所提方法可更有效地抑制PD信号所包含的噪声信息。

电能存储与应用

动车组钛酸锂电池荷电状态估计

作者：郝文美；张立伟；彭博；蔡娇；杨瑞

摘要：蓄电池作为应急供电电源,被广泛应用于动车组辅助供电系统中,电池的荷电状态可以反映充放电过程中电池的剩余电量,是动车组电池管理系统的重要参数。准确估计电池荷电状态,可以有效提高电池的使用效率及使用寿命。但是电池内部的化学反应复杂且难以测量,目前的电池荷电状态大多只能通过间接测量计算的方法得到。

该文以中国标准动车组钛酸锂电池作为研究对象,搭建二阶RC等效电路模型,基于扩展卡尔曼滤波法（EKF）的在线辨识方法,并通过电池工况实验对比辨识精度。为克服常规卡尔曼滤波法估计过程中噪声方差固定的缺点,提出了自适应卡尔曼滤波方法（AEKF）对电池荷电状态进行估计,并在Matlab中针对动车组锂电池实际应用工况,验证了其估计电池荷电状态的准确性。

基于储能电容复用的超级电容阵列自均衡拓扑结构的分析

作者：刘俊峰；高鹏举；廖武兵；曾君

摘要：传统超级电容阵列的能量储存与均衡电路往往分开设计,导致能量均衡拓扑需要引入大量额外的均衡器件,从而增加了系统的成本。鉴于此,该文提出一种新型电压自均衡拓扑,仅复用首列超级电容作为均衡器件,就可以实现阵列的电压自均衡,整个均衡系统只有超级电容和开关管,大大降低了系统的体积和复杂程度。同时,在均衡过程的分析中,利用等效电容替代并联电容组,进一步得到超级电容的电压、电流特性和能量损耗。利用超级电容可以大电流充放电的特性,实现组间电压快速均衡。

该文详细介绍拓扑的工作模态,利用PSIM仿真验证所提拓扑的可行性,并进行多模组对比分析,验证其具有良好的拓展性。最后,设计4串2并超级电容阵列进行电压自均衡实验,证明其有效性和实用性。

基于粒子群算法的飞轮阵列协调控制策略

作者：任京攀；马宏伟；姚明清

摘要：针对飞轮阵列储能系统中各个单体的功率分配问题,提出一种兼顾飞轮阵列效率与飞轮单体能量均衡的协调控制策略。首先对飞轮阵列储能系统的损耗优化问题建立数学模型,然后采用带等式约束的时变权重的粒子群优化算法,对阵列的运行效率进行优化。由于不同飞轮的效率曲线不同,在效率优化过程中,各个飞轮单体分配到的输出功率可能会出现较大差异,导致阵列单体间剩余能量出现较大的不平衡。该文提出对不同剩余能量的飞轮单体采取不同功率分配策略的方式,令剩余容量高的单体额定功率工作,剩余容量低的单体不工作,而剩余容量中等的单体采用上述粒子群优化算法实现效率优化。与传统的飞轮阵列功率分配策略相比,这种基于分组的粒子群算法可以协调飞轮单体的剩余能量均衡与系统的运行效率之间的关系,在保证阵列保持高效率运行的同时,避免系统中各个单体之间剩余能量出现较大差异。最后在Matlab/Simulink中建立仿真模型验证了算法的正确性。