《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
一种共享磁通多耦合模式的无线电能传输系统抗偏移方法
作者：张献；韩大稳；沙琳；杨庆新；王奉献
摘要：针对无线电能传输系统在发射侧和接收侧偏移时输出功率和传输效率降低的问题，该文从共享磁通的角度提出了基于LCC拓扑的反极性同心式补偿电感集成方法，并提出了两种集成结构。建立了基于多耦合工作模式和线圈品质因数的反极性同心式无线电能传输系统输出功率和传输效率的数学模型，从数学模型上验证了集成式结构的抗偏移能力，仿真结果显示集成式结构在正对和偏移情况下，其磁通密度均优于非集成式结构。搭建了补偿电感集成式结构的实验样机。
实验结果表明，补偿电感集成式结构在一定的偏移范围内能保持稳定的传输效率和输出功率，在相同输入电压和传输距离下比非集成式结构具有更高的传输效率和更大的传输功率。
基于LCC-S补偿网络的无线充电系统小信号模型
作者：郑广策；赵凯；王浩宇；梁俊睿；傅旻帆
摘要：基于磁场感应的无线电能传输（IPT）系统需要反馈控制实现稳定的输出，这依赖于一个精确且简单的小信号模型。近些年来，扩展描述函数法（EDF）在谐振变换器建模问题中有广泛运用。由于IPT系统的本质为高阶谐振变换器双馈风力发电机的工作原理，因此该方法可以应用于IPT系统的建模中。但是由于IPT系统中包含大量谐振元件，直接通过EDF方法得到的模型往往具有较高阶数，通过一种基于电路化简的方法对电路中的谐振元件模型进行化简，可以同时保证模型的准确性与精简性。该文以LCC-S补偿的IPT系统为例，阐述化简方法。该方法也可以推广至其他高阶IPT系统中。
电机及其系统
直线振荡电机拓扑结构及应用综述
作者：徐伟；李想；廖凯举；柏丽丽；宫逸凡
摘要：直线振荡电机可直接产生直线往复驱动力，具有无运动转换机构、传动效率高、振动噪声小等优势，在直线压缩机、斯特林制冷机、热电联产设备、振动能量回收等众多领域具有广泛的应用前景。
该文首先详细阐述了直线振荡电机的工作原理，并在此基础上依据理想受迫谐振系统的要求，归纳了该类电机电磁特性的设计目标；其次，以时间为序，分类介绍了直线振荡电机的发展沿革和研究现状，包括各类电机的优缺点、拓扑结构以及应用变迁等；然后，以文献调研为基础，总结了目前该类电机普遍存在的四个方面的问题；最后，从工业应用需求出发，详细讨论了直线振荡电机在工艺、电磁特性和控制策略等方面存在的难点及关键问题，并对未来发展趋势进行了展望。
基于带通频率跟踪滤波器的永磁同步电机转子位置与速度估算
作者：李垣江；苗奎星；魏海峰；张懿；刘维亭
摘要：在电动助力车用永磁同步电机（PMSM）控制系统中，针对PMSM在正常运行过程中发生霍尔位置传感器安装位置偏移的问题，提出基于带通频率跟踪滤波器的电机转子位置与速度估算方法。
该算法将三相霍尔信号通过坐标变换转换为霍尔矢量，通过带通频率跟踪滤波器与锁相环提取霍尔矢量中的电机转子位置信息，以实现在霍尔位置传感器安装位置偏移情况下，对永磁同步电机转子位置与速度信息的正确估算。通过实验验证，该算法有效地减小了在霍尔位置传感器发生安装位置偏移时电机转速与电流的波动，提高了控制系统的可靠性和稳定性。
基于多物理场近似模型的高速永磁电机多目标优化设计
作者：戴睿；张岳；王惠军；张凤阁；张何
摘要：高速永磁电机（HSPMM）由于具有功率密度和效率高、体积小、质量轻及动态响应快等优点受到越来越多的关注。然而，HSPMM的设计是一个典型的非线性的多物理场耦合设计过程，难以建立准确的数学模型对其进行优化设计。该文提出一种基于多物理场近似模型（MPAM）的HSPMM多目标优化设计方法。
该方法采用MPAM进行多物理场的并行计算，并在优化过程中直接调用MPAM，可以有效地解决有限元模型（FEM）计算耗时的问题，同时也可以避免有限元优化过程中FEM迭代计算收敛困难的问题。最后，研制了一台1.1MW，18 000r/min的高速永磁电机，并进行了相关的实验，验证了该文所提出的HSPMM优化设计方法的可行性。
对称型多相电机断相容错运行下的电流谐波分析与补偿
作者：孙嘉伟；郑泽东；李驰；王奎；李永东
摘要：多相电机驱动系统可靠性高、容错能力强、控制灵活。该文对断相容错运行下，多相电机中低频奇数次电流谐波的特性和补偿方法进行了研究。利用广义Clarke变换，可将电机定子电流变换到各个子空间当中。研究发现，断相容错时，各次谐波电流以正负序分量同时存在的形式分布在所有子空间当中。传统谐波补偿方法只在特定子空间下进行补偿，在断相容错工况下性能有较大恶化。
该文提出一种改进电流谐波补偿方法，利用广义对称分量变换和正负序PI控制器实现各子空间内正负序谐波电流补偿，保证了断相容错时良好的补偿效果。在九相感应电机平台上对提出方法进行验证，实现了断相容错时对选定电流谐波的完全补偿，并降低了谐波带来的额外损耗和转矩脉动。
电力系统与综合能源
大规模风电汇集系统电压不平衡机理、因素及影响规律
作者：刘其辉；逄思敏；吴林林；刘辉；徐曼
摘要：我国风电集中并网地区往往呈现电网结构薄弱、就地负荷小、当地缺乏无功支撑等特点，容易出现电压不平衡现象，严重时导致大量风机脱网，给电网的安全运行带来极大影响。
为了分析风电汇集系统电压不平衡产生机理，首先，建立了计及网侧变流器（GSC）、机侧变流器（RSC）及锁相环（PLL）控制环节的双馈风力发电机（DFIG）的基频负序阻抗模型，并由单机模型推广至风电场集群基频负序阻抗模型；然后，基于实际风电汇集系统，构建风电汇集地区负序等效电路，剖析风电汇集地区电压不平衡机理，分析源、网侧主要因素对汇集母线电压不平衡的影响规律；最后，基于Matlab/Simulink仿真平台，验证机理分析及影响规律的正确性。
基于神经网络的数据驱动互联电力系统负荷频率控制
作者：陈宗遥；卜旭辉；郭金丽
摘要：针对高度复杂的电力系统存在的建模误差和不确定性等问题，该文基于无模型自适应控制算法提出一种不依赖电力系统模型信息的负荷频率控制策略。首先将电力系统的动力学模型抽象为一般的非线性函数，在其I/O数据之间引入时变的伪偏导数，将非线性电力系统等效为动态线性数据模型；然后构建一个径向基神经网络在线估计系统的伪偏导数，并使用优化理论设计数据驱动的负荷频率控制方案，在理论上严格分析了闭环电力系统的稳定性和径向基神经网络估计方法的收敛性；最后在互联电力系统上验证该负荷频率控制方法在不利用模型信息的前提下，能够取得良好的跟踪性能。
考虑风电不确定性的电力系统恢复全过程两阶段鲁棒优化方法
作者：顾雪平；白岩松；李少岩；信向誉；王铁强
摘要：我国能源低碳转型过程中电力系统的风电接入比例将不断提高，研究新形势下的恢复控制问题对提升电力系统的保底安全性具有重要意义。
针对风电接入背景下的电力系统恢复决策优化问题，该文建立了考虑风电不确定性的全过程两阶段鲁棒优化模型。第一阶段考虑已恢复节点重要度指标、负荷恢复量以及风功率波动场景集，对系统元件恢复次序做出决策；第二阶段包含双层目标，外层目标为最大化风功率波动对系统负荷恢复量的影响，内层目标为在最恶劣的风电波动场景下最大化系统负荷恢复量，并利用对偶原理将第二阶段问题转化为单层优化问题。采用区间不确定集描述风功率时空不确定性，通过列与约束生成算法求解此两阶段优化问题双馈风力发电机的工作原理，利用启发式方法加速主问题求解。最后，通过新英格兰39节点系统与实际电网算例验证所提方法的鲁棒性与实用性。
高比例风电接入系统光热发电-火电旋转备用优化方法
作者：张尧翔；刘文颖；庞清仑；申自裕
摘要：随着风电等波动性新能源发电逐渐增加，高比例风电接入电网备用不足问题自益凸显。与此同时，新兴的光热发电具有可时移、可调节特性，能有效承担系统的备用需求，但光热发电受储热与光资源的强相关性约束，备用能力受限。如何利用有限的光热发电与火电进行联合备用优化，满足高比例风电系统备用需求，成为当前亟待研究的问题。
首先该文分析了高比例风电接入系统旋转备用对风电消纳的影响；其次，对光热-火电联合提供旋转备用的可行性进行了分析，针对光热储热约束，提出采用电加热设备提高光热电站备用能力；然后，基于电加热设备电转热特性，建立了含电加热光热电站用电及发电调峰备用模型，基于此，建立光热发电-火电旋转备用优化模型；最后，通过改进的IEEE 30节点系统进行仿真验证，证明该文所提方法的有效性。
基于多任务联合模型的居民用电模式分类方法
作者：徐明杰；赵健；王小宇；宣羿；陈伯建
摘要：识别海量居民用户的用电行为模式并进行合理分类，可为需求侧精益化管理提供辅助决策。该文提出一种基于卷积神经网络自动编码器与层次聚类多任务联合模型的居民用电模式分类方法。
首先，提出基于同时刻量测数据均值的缺失值填补方法和基于季节性极端学生化偏差检验的异常点检测方法，对海量且高维的用电数据进行数据清洗与修正；其次，利用卷积神经网络自动编码器对居民用电数据进行特征提取，获取可表征用户用电行为的特征向量；然后，结合层次聚类算法以及轮廓系数指标确定用户聚类个数以及聚类中心向量，并利用聚类中心向量初始化神经网络聚类层，进行用户聚类，将特征提取过程与用户聚类过程进行联合，组成多任务学习神经网络，实现端到端的用电模式分类；最后，结合环境温度和电价影响因素，在实际数据集进行验证。
电力电子
IGBT关断时刻的应力波测量优化及影响因素分析
作者：耿学锋；何赟泽；王广鑫；刘松源；李运甲
摘要：绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）是电能变换的核心器件，其健康状态与系统的可靠运行直接相关。声发射（AE）是一种快速、无损、在线的检测方法，广泛应用于电力行业，在IGBT的状态评估中具有潜在的应用价值。已有的研究表明：IGBT在关断瞬间能够产生应力波（SW），且AE传感器能够对应力波信号进行测量，但在测量时容易受到周围电场的干扰。
该文分析了普通AE传感器干扰信号产生的原因，提出基于差分式AE传感器的应力波测量方法，并从理论角度论证了差分式AE传感器的抗干扰机理。搭建试验平台，通过试验证明差分式AE传感器具有较好的抗电气干扰能力，能够对IGBT关断应力波进行有效地提取。进一步地，对不同关断电流条件下的IGBT进行应力波的测量和分析，发现关断电流与应力波的强度强相关，可为后续探索应力波产生机理及实现IGBT在线监测提供参考。
基于分时复合的无线供电三倍频逆变器
作者：赵建松；王军华；蔡昌松；牟建学；罗阳
摘要：受开关器件工作频率的限制，传统高频方波逆变器输出电压的频率难以提高，为满足无线电能传输系统运行频率高频化的要求，该文基于传统移相全桥逆变器，提出一种输出方波频率为开关器件工作频率3倍的逆变器及其驱动策略，并分析了逆变器在无线电能传输系统等效模型下的工作模态。
与其他高频逆变器相比，其输出交流方波的频率提升为原来的3倍，开关管的电流应力降低为原来的1/3，开关管发热损耗进一步降低，具有输出更高频率的潜力；同时采用软开关技术保证逆变器较高的效率，并可利用简单成熟的移相控制方案或变频控制方案对输出功率进行调节。最后搭建了用于无线供电系统的三倍频逆变器实验平台，验证了该逆变器理论分析的正确性和可行性。
具备闭锁和非闭锁模式抑制直流故障电流的新型模块化多电平变换器拓扑
作者：束洪春；邵宗学；江耀曦；包广皎；王文韬
摘要：现有直流线路短路故障电流抑制方法存在抑制速率与经济性的矛盾。该文提出了可在闭锁和非闭锁两种模式下低成本实现直流故障电流快速抑制的模块化多电平变换器（MMC）子模块拓扑，即五电平钳位交叉子模块（FLCCSM）结构；分析了闭锁和非闭锁抑制模式下的直流故障穿越过程；解析了在两种抑制模式下满足故障穿越条件的子模块电容投入到故障回路的配置数量；提出了电容成组投切的均衡控制策略以提升其均压效果。
Matlab/Simulink仿真结果表明，FLCCSM-MMC在闭锁模式下能将直流故障电流快速抑制到零，主要用于处置直流永久性故障。在非闭锁模式下能将桥臂电流快速抑制到小于2倍桥臂电流额定值，非闭锁模式下MMC仍具有输送一定功率的能力，适用于处置直流瞬时性故障，且故障前后电容电压保持均衡。FLCCSM-MMC具有故障电流抑制速度快、可靠性高、器件成本低、运行损耗小的优势。
基于空间矢量调制的Vienna整流器无模型预测电流控制
作者：张永昌；屈祈延；杨海涛
摘要：三相三电平Vienna整流器具有开关应力低、功率因数高等优点。为了消除传统无差拍预测电流控制（DPCC）对系统参数的依赖性，该文提出一种无模型预测电流控制（MFPCC）方法，其特点是利用超局部模型代替原有的Vienna整流器精确模型，并利用过去两个时刻的电压和电流信息实现超局部模型的增益和动态部分的在线更新。进一步结合DPCC预测得到下一时刻参考电压矢量，通过空间矢量调制（SVM）得到开关驱动信号。
该方法鲁棒性强、计算量小、稳态和动态性能良好。在参数精确和失配的情况下，对传统DPCC和该文所提方法进行稳态和动态性能对比，仿真和实验结果验证了所提方法的优越性。
高带宽数字控制LCL型并网逆变器及其提高并网系统鲁棒性的谐振抑制技术研究
作者：沈姝衡；方天治；章益凡
摘要：数字控制LCL型并网逆变器的固有控制延时会影响原有谐振阻尼方案的控制特性，从而降低并网逆变器在弱电网下的鲁棒性。
该文首先基于不同参数建立多机并联系统在弱电网下的多输入多输出矩阵，并推出了确保系统进网电流稳定性以及各模块交互电流稳定性的三条判据。进一步地，基于频域阻抗法分析数字控制延时在模块采用不同开关频率的情况下对系统鲁棒性的影响，进而发现在系统中引入高带宽逆变器对于抑制低频谐振的有效性。然后，分析了高频模块与低频模块之间的交互稳定性，据此选取高带宽并网逆变器的开关频率。
最后，在实验室搭建了一台基于新型宽禁带器件GaN的高带宽并网逆变器原理样机，并将其并入低频模块并网系统中，通过实验验证了所提出的高带宽并网逆变器有助于提高弱电网下系统的鲁棒性，从而为提高分布式发电系统的稳定性提供了新思路。
高电压与放电
纳米MgO/环氧树脂复合材料的陷阱特性及对电树枝特性的影响研究
作者：程子霞；邢威威；张云霄；周远翔；滕陈源
摘要：随着电压等级的不断提升,因电树枝老化而导致的绝缘材料失效问题日益严重。为研究纳米MgO对环氧树脂电树枝老化的影响,制备了不同MgO填充量（质量分数0~1%）的纳米MgO/环氧树脂复合材料,对其电树枝的起始和生长过程进行观测。
结果表明,在微量填充下,纳米MgO/环氧树脂复合材料的耐电树枝性能随填充量的增加而提高。当纳米MgO质量分数为1%时,纳米MgO/环氧树脂复合材料的起树概率降低了45%、电树枝长度降低为纯环氧树脂的1/3、交流击穿场强提高了14.1%。
由介电特性和陷阱特性分析可得,随填充量的增加,复合材料的介电常数减小,陷阱能级加深。纳米MgO的加入提高了复合材料的陷阱能级,降低了载流子的迁移率和浓度,进而提高了纳米MgO/环氧树脂复合材料的耐电树枝性能。
水带对憎水性表面交流闪络特性与电场分布的影响
作者：刘士利；李卫东；李振新；潘璐瑶
摘要：复合绝缘子憎水性减弱时,在潮湿环境中其表面容易汇聚水珠形成水带,从而影响绝缘子表面电场分布和沿面闪络特性。该文采用聚四氟乙烯板模拟水带生成环境,试验研究了直线型和折线型水带形态对憎水性表面闪络过程的影响;基于有限元数值计算,分析了水带及周围电场分布,并结合试验结果探讨了水带影响电弧发展路径的机理。
研究结果表明,水带张角θ越小,水带电场越小,而水带之间的干带电场强度越大;同时,水带横向间距d越小,干带电场强度也越大。因此,当憎水性表面存在折线型水带时,电弧依θ和d的不同而呈现三种不同的发展路径。
低气压下航空线缆的局部放电特性
作者：江军；李治；张本栋；李文源；张潮海
摘要：为实现飞机电气化,电源电压等级不断升高,多电飞机电气系统中线缆绝缘发生局部放电（PD）的风险随之增加。该文通过设置线缆对接地金属板放电、线缆对线缆架放电和线缆与线缆间放电三种典型模型,全面探究了航空线缆在低气压以及典型工作频率下的局部放电特性。试验结果表明,三种放电模型的局部放电起始电压（PDIV）都随着气压的下降而降低,50kPa以上时线缆与线缆间放电模型的PDIV高出其他模型的2倍以上。
电压频率的增大将显著增加模型的放电重复率,10kPa下的线缆对线缆架放电影响效果最为明显。相同工况下,不同放电模型局部放电相位分析（PRPD）谱图的相位宽度及“极性效应”强弱存在差异,这些特征有助于放电模型类型的识别,也将为航空线缆设计与故障诊断提供借鉴和参考。
耦合磁场直流空气断路器栅片特性对灭弧性能的影响研究
作者：彭世东；李静；曹云东；刘树鑫；于龙滨
摘要：栅片材料与结构对断路器的灭弧性能有着重要的影响。该文建立了永磁体作用下灭弧室内磁场的计算模型与电弧磁流体动力学（MHD）模型,实现了两者的耦合。在此基础上,对永磁体作用下栅片材料与栅片结构对电弧动态特性的影响进行了仿真,同时考虑电源极性的影响,得出了永磁体作用下灭弧室内磁场的空间分布、电磁耦合作用下灭弧室内温度分布与气流分布,提取了灭弧室内平均温度与电弧燃弧时间等关键参数,讨论了栅片材料与栅片结构对电弧特性的影响。
结果表明,外施磁场作用下铁栅片会造成灭弧室内磁短路现象。相同仿真条件下,含铁栅片的灭弧室燃弧时间最长;动触头作为阳极更有利于弧根跃迁,燃弧时间缩短;当分断电流相同时,铜-绝缘栅片对电弧的冷却效果最佳;栅片倾角可以改变气流场分布,从而影响燃弧时间。
基于正交实验新型真空灭弧室触头磁场仿真与参数优化设计
作者：董华军；温超阳；孙鹏；刘林林；郭方准
摘要：通过触头结构设计实现真空电弧有效调控是提高真空开关开断性能的重要措施之一。为提高真空灭弧室触头开断性能,该文采用SolidWorks建立了一种新型带铁心真空灭弧室3D模型,并利用三维有限元法,对触头片的开槽长度、开槽角度、工艺孔直径以及铁心个数四个参数进行单因素及正交仿真实验,选取上述四个因素作为优化对象,将电流峰值时纵向磁感应强度最大、滞后时间最小和导体电阻最低作为优化目标,得到触头参数与磁场特性的回归方程。通过对电流峰值时触头间隙中心平面纵向磁感应强度、电流过零时磁场滞后时间以及导体电阻进行多目标优化分析,得到了最优的磁场特性。
结果表明,当开槽长度为25mm、开槽角度为25°、工艺孔直径为15mm、铁心个数为14时,触头的磁场特性最好。
风力发电机叶片覆冰量化分析及其应用
作者：胡琴；王欢；邱刚；舒立春；蒋兴良
摘要：风力发电机叶片覆冰量化分析是认识和解决覆冰问题的基础。考虑到目前国内外对此鲜有研究,该文在多功能人工气候实验室中对小型风力发电机进行人工覆冰试验,获取雨凇、硬雾凇和软雾凇三种覆冰条件下的叶片覆冰冰型,并对覆冰结果进行深入分析;同时,给出了较为完善的叶片覆冰标定方法,实现对叶片覆冰的量化分析,进而对其实际应用进行了分析。
研究结果表明：覆冰集中于叶片的前缘区域,且在截面翼型表面驻点附近的覆冰范围大约为叶片弦长的11%;覆冰在叶片展向上呈现线性增长趋势,大约占据叶片长度的70%,且在靠近叶尖处约30%~40%的叶片长度区域上覆冰较为明显。因而,可将靠近叶尖处约30%~40%的叶片长度且占据叶片弦长11%的截面翼型表面所形成的前缘区域作为重点研究区域,即在实际应用中可将其设计为最佳覆冰防护区域及叶片覆冰厚度监测点的设定区域。该文研究结果可为解决风机覆冰问题提供数据参考。
电能存储与应用
低温环境下锂离子电池荷电状态与超声透射飞行时间的关系研究
作者：吴立峰；刘昊；林仲钦；徐策；马国明
摘要：为掌握低温下锂离子电池荷电状态（SOC）与超声检测特征量之间的关系,开展了圆柱卷绕型锂离子电池荷电状态超声检测与理论分析。设计了一种超声换能器固定装置来提高超声信号检测的稳定性和灵敏度。建立特征提取算法,提取超声信号幅值和超声飞行时间两个特征参量,获得低温环境下锂离子电池的最大可用容量。
结果表明,在低温环境下,超声飞行时间特征量相较于超声信号幅值特征量能更准确地反映锂离子电池的荷电状态。该文还研究了低温对锂离子电池负极材料弹性模量、质量、长度的影响,建立了低温环境下锂离子电池荷电状态与超声透射飞行时间量化方程,量化方程与检测数据之间的拟合决定系数为0.9668。该研究可为低温环境下锂离子电池SOC的准确检测提供参考。
基于区域电压的锂离子电池不均匀发热模型
作者：刘素贞；陈晶晶；张闯；金亮；杨庆新
摘要：锂离子电池温度空间分布的不均匀性随着放电倍率的增大而加剧，严重影响电池寿命和安全性。针对锂离子电池放电过程中温度空间分布不均匀的情况，提出一种新的基于区域电压的不均匀发热模型，用来实时预测电池温度分布。
考虑电池尺寸和热特性，将电池分为九个区域并进行开路电压测试，实时记录每个区域表面温度变化，采用每10%荷电状态（SOC）下降期间测量的表面温度和环境温度数据计算得到区域电压，根据区域电压获得电池的区域发热量，并建立三维仿真模型得到电池温度空间分布。
使用该不均匀发热模型预测了放电倍率为0.5C、1C、2C、3C和4C时的电池温度空间演变，仿真结果显示该模型能捕获温度的不均匀分布，并通过实验验证，温度误差在1℃以内，相对误差在5%以内，表明该模型能够对温度分布进行有效监测。
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