《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

受工艺孔影响的变压器铁心损耗计算与分析

作者：窦润田；李永建；张献；杨明；陈瑞颖

摘要：变压器的工艺堆叠孔会增加铁心损耗,导致变压器局部温升,甚至影响变压器正常运行。为了研究工艺孔对变压器铁心损耗及其性能的影响,该文对硅钢材料的双向交变磁特性与损耗特性进行测量与分析,结合Steinmetz损耗计算公式对带工艺孔的铁心模型进行二维磁场解析计算,提出由不同形状、尺寸工艺孔造成铁心损耗增长的理论计算方法,基于有限元法对变压器铁心常用的取向硅钢片进行二维瞬态磁场仿真计算,对比分析了不同类型工艺孔对变压器铁心损耗的影响。

构建带工艺孔的硅钢样片损耗测试平台,定量测试铁心材料由工艺孔造成的损耗以及局部温升,验证理论计算方法的有效性与准确性。仿真及实验结果表明,提出的变压器工艺孔铁心损耗增长的计算方法具有较高的计算精度和工程适用性。

心脏起搏器谐振式无线供能LCL-LCL的集成

作者：陈伟华；宋邑玮；闫孝姮

摘要：为减小植入式心脏起搏器无线充电系统的体积及电磁干扰,该文设计一种工作频率为kHz的两端串并联（LCL-LCL）补偿集成式磁耦合谐振式无线供能系统。将谐振线圈取代电感集成到主线圈上;首先建立线圈模型并进行优化,分析匝数与匝间距对线圈互感的影响规律,设计一种耦合系数最佳的圆角方形线圈;然后对比集成式与非集成式结构系统的传输效率,验证了此结构在效率和体积更具优势;最后通过模拟三维人体组织,计算比吸收率和温升以及电磁场强度,进一步评估植入式充电系统的可行性和安全性。

实验结果表明,在线圈中心对齐相距8mm的条件下,系统传输效率可达73%,比非集成式结构提升了15%,最大温升仅为1.2℃。

电机及其系统

基于电机驱动系统自传感的机械故障诊断研究综述

作者：姚远；李叶松；雷力；谢斌；王耀辉

摘要：对数控机床和工业机器人等关键制造装备开展状态监控与故障诊断研究,有助于提高设备安全性、可靠性,提升制造业智能化水平。与传统振动分析方法相比,将机电系统的执行器——电机驱动器作为感知器有助于实现无附加传感装置的机械故障诊断。该文聚焦电机驱动系统在机械设备运行状态感知领域的应用,综述了国内外基于电机驱动系统测量、控制和观测信号的机械故障诊断研究,并结合电机驱动系统自身特性和工程实践需求,提出自传感方法在应用中存在的一些关键性问题与可能的解决途径。

船舶轮缘推进装置驱动电机及控制方法研究进展

作者：杨植；严新平；欧阳武；白洪芬

摘要：轮缘推进装置（RDT）是一种先进的电力直驱式船舶推进器,具有高功率密度、高机动性能、减振降噪和节能环保等显著优点。与应用在陆地上的电机系统相比,浸泡在水中工作的RDT驱动电机面临电机气隙大、性能受流场制约、难以安装位置传感器、电机控制与航行控制关系复杂等难题。该文分析了RDT电机的工作特点,在此基础上详细阐述了RDT驱动电机类型、驱动电机的无位置传感器控制方法、RDT全回转控制方法以及多RDT的协同控制方法等方面的研究现状,指出尚待解决的问题和今后的研究方向。

考虑磁桥不均匀饱和的内置式永磁同步电机等效磁网络模型

作者：佟文明；姚颖聪；李世奇；位海洋

摘要：为了提高计算精度,提出了一种可考虑磁桥不均匀饱和的内置式永磁同步电机（IPMSM）改进等效磁网络（EMN）模型。在分析不均匀饱和现象产生机理的基础上,将极间磁桥划分为四个子区域,根据每个子区域的几何结构及其磁力线走向搭建相应的多段非线性磁导单元,以考虑磁桥不均匀饱和及饱和偏移现象。以一台20kW车用IPMSM为例,利用所提出的模型对电机的空载、负载磁场及空载反电动势进行计算,并将计算结果与传统EMN模型、有限元分析及实验结果进行对比。

结果表明,相比于传统EMN模型,所提出的改进EMN模型对气隙磁通密度和空载反电动势的计算精度可提高4%以上。最后,分析所提出模型的适用性,结果表明,当磁桥内磁通密度最大值与最小值的比大于约1.3时,磁桥不均匀饱和现象严重,需通过所提出的改进EMN模型来准确计算电机的电磁特性。

小电容双PWM调速系统直流母线电压波动抑制策略

作者：姚绪梁；罗兴鸿；马赫；黄乘齐

摘要：现代船舶电动吊机广泛采用双侧脉宽调制交直交调速系统,但因其直流母线使用大容量电解电容使得系统不宜集成化且维修困难。该文在对系统小信号建模的基础上,提出一种采用小容量电容的控制策略。

首先分析直流母线采用小电容时系统失稳原因,而后设计直流母线电压前馈补偿、d轴电流前馈补偿环节提高系统稳定性和带载能力,并结合二者优点得到小电容双PWM调速系统控制策略。以永磁同步电机作为负载的仿真和实验表明,该策略能保证系统稳定运行,可抑制转矩突变及脉动时的直流母线电压波动,对电网谐波注入较少且参数设计方法具有普适性。

直流供电下的永磁同步电机驱动系统母线电压振荡抑制策略

作者：张珍睿；刘彦呈；杨鹏明；郭昊昊；梁晓玲

摘要：针对直流推进系统中具有LC滤波器的永磁同步电机驱动系统的母线电压振荡问题,基于逆变器电压设计一种振荡抑制策略。该方法首先利用小信号分析法对电机和LC滤波器进行建模,从系统的阻抗匹配角度分析系统的稳定性。并将阻尼信号注入到脉宽调制的逆变器参考电压信号中,增加了电机的输入阻抗,避免了输入输出阻抗的相互影响,保证了系统的稳定性。同时,为了避免传统滤波器提取信号的相位偏差问题,将锁相环和低通滤波器相结合设计了一种信号提取结构。

该结构提高了阻尼信号的提取精度,从而提升了逆变器电压补偿的阻尼补偿效果。最后通过仿真和硬件在环实验平台验证了该方法的有效性。

基于集成优化的感应电机无权重系数预测转矩控制

作者：谢昊天；汪凤翔；柯栋梁；唐莹；KennelRalph

摘要：预测转矩控制作为一种新兴的控制策略,通过计算目标函数中的转矩与磁链误差,选取最优开关状态,近年来被广泛应用于交流调速电机系统。与传统的矢量控制相比,预测转矩控制具有动态响应快、开关频率低等优势。为统一目标函数中不同误差项的量纲,预测转矩控制需要设计系数用于调节转矩与磁链误差的权重。然而,依据经验设计的权重系数难以适应不同工况条件。

针对以上问题,该文提出一种基于集成优化结构的无权重系数预测转矩控制策略。该控制策略同时优化转矩与磁链误差项,分别得到3个转矩最优与磁链最优的开关状态序列,通过集成优化算法求解最优开关状态。实验结果表明,基于集成优化的无权重系数预测转矩控制在多种工况下具备较好的稳态与动态性能。

电力电子

一种SiCMOSFET串扰抑制的谐振辅助驱动电路

作者：黄勇胜；张建忠；王宁

摘要：随着SiCMOSFET开关频率的不断增加,逆变器桥臂串扰现象越发严重并易造成桥臂直通短路,这限制了SiCMOSFET开关频率的进一步提高。该文提出一种SiCMOSFET串扰抑制的谐振辅助驱动电路,通过在栅源之间添加电容电感辅助谐振电路,能够在SiCMOSFET关断期间完成负压到零压的变化,同时不需要使用有源器件。

当SiCMOSFET开通时,辅助电路让栅极电压从0.7V上升而非负压上升,相较于传统驱动电路,开关速度更快、开关损耗更低;而且同时具备抑制正向串扰和反向串扰的优点。该文分析电路的参数设置,并通过仿真和实验验证了该电路相对于传统驱动电路的优势。

阻抗分析仪测量功率MOSFET器件栅极分离电容C-V特性的误差分析及调控方法

作者：蔡雨萌；赵志斌；徐子珂；孙鹏；李学宝

摘要：功率MOSFET器件栅极分离电容C-V特性（CGS-VG、CGD-VG）的准确测量对于器件的建模及栅氧可靠性的评估十分重要。阻抗分析仪是测量CGS-VG、CGD-VG的关键设备。在利用阻抗分析仪测量三端器件的某个参数时,需对非测量的第三端进行屏蔽以消除其引入的并联阻抗误差。而功率MOSFET器件在栅压超过阈值电压时呈导通态,影响测量电路拓扑,进而引入其他测量误差。

该文针对阻抗分析仪测量功率MOSFET器件的CGS-VG、CGD-VG进行详细的误差分析,揭示测量误差产生的原因;建立测量的等效电路,给出测量误差的解析表达式;结合实验和数值分析量化误差分析,验证了等效电路模型的有效性;最后,提出三种可实现C-V特性准确测量的调控方法并予以实验验证。

结果表明,测量误差发生在器件导通后,此时器件漏源极间由电容态转变为低阻态,屏蔽端的寄生电感（L5）与自动平衡电桥的等效输入阻抗（L3）分流,引入误差。当L3和L5满足一定的匹配关系时,可实现不同频率下的准确测量。

计及热阻与发射极电感匹配的并联IGBT芯片稳态结温均衡方法

作者：范迦羽；郑飞麟；王耀华；李学宝；崔翔

摘要：在大量芯片并联的IGBT器件内部,热阻和发射极寄生电感是决定芯片稳态结温分布的关键参数。因此,合理设计芯片并联支路的热阻和发射极寄生电感,对均衡并联芯片的稳态结温非常重要。

为此,该文首先建立两IGBT并联芯片的电热模型,研究并联IGBT芯片动态损耗与结温、发射极寄生电感之间的规律。并通过瞬态电热耦合计算,研究热阻和发射极寄生电感对并联芯片结温分布的影响。在此基础上,提出计及热阻与发射极电感匹配的并联IGBT芯片稳态结温均衡方法,可通过联立方程得到热阻或发射极寄生电感的参考值,从而避免复杂的电热瞬态计算。

最后以两IGBT并联芯片为例,给出不同工作频率下并联芯片的稳态结温,表明了该文所提稳态结温均衡方法的有效性。

恒流驱动下基于VeE_max的IGBT模块解耦老化影响的结温测量方法

作者：杨舒萌；孙鹏菊；王凯宏；王绪龙；黄旭

摘要：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结温在线测量对于电力电子装置的安全可靠运行、延长使用寿命和热管理等都具有重要意义。然而,目前大多数温敏电参数均受IGBT模块疲劳老化的影响。为此,该文提出一种恒流驱动下基于感应电压峰值VeE_max的IGBT模块结温在线测量方法,该方法能够解耦键合线老化对温敏电参数的影响。基于双脉冲实验平台分析VeE_max的温线性度和温敏感度,并通过模拟键合线老化实验验证所提方法的老化解耦性。最后,通过Buck变换器验证该方法在运行变流器中在线结温测量的可行性。

一种中压绝缘大功率中频变压器的优化设计方法

作者：王佳宁；邹强；胡嘉汶；裴伟；赵玉顺

摘要：应用于光伏并网系统的中压绝缘大功率中频变压器（MFT）不仅要求其高低压侧绕组之间需要满足较大的绝缘间距,而且其内部也需要浇注隔热的绝缘材料。然而,这会导致MFT出现电磁干扰现象严重、散热困难等问题。

针对这些问题,该文提出一种全面考虑铁心尺寸、绕组线径和绕组排布结构的MFT优化设计方法。该方法通过面积乘积（AP）法确定铁心体积,再通过自由变量扫描对MFT进行损耗最小化设计。基于有限元仿真软件,验证了该优化设计方法可使变压器漏电感减小及周围的电磁干扰区域缩小。最后,通过该优化设计方法设计一台kW/30kHz的MFT,并制作了样机。通过理论和实验的对比,验证了优化设计方法的有效性和准确性。

负载和输入电压自适应零电压软开关全桥变换器

作者：杨晓光；王德鑫；贾哲；高正

摘要：该文提出一种在宽输入电压和宽负载范围内工作于零电压软开关（ZVS）的全桥DC-DC变换器。该变换器是在传统移相全桥变换器拓扑的基础上增加了一个简单的LC辅助电路,并通过窄频率调节方式控制辅助电流,在满足ZVS条件下能够最小化环流损耗。采用窄频率变化能够对辅助电流进行有效的调节而不会对主电路的设计和控制带来明显的影响。对变换器的稳态性能进行详细分析;建立变换器的数学模型,可直接用于变换器的优化设计和精确控制。实验结果与理论分析具有很好的一致性。

结合电流应力优化的双有源全桥DC-DC变换器自抗扰控制

作者：王武；雷文浩；蔡逢煌；江加辉

摘要：针对微电网系统中双向直流变换器需同时具有良好的稳态特性和动态响应这一问题,该文提出一种结合电流应力优化的双有源全桥（DAB）DC-DC变换器自抗扰控制方案,并对DAB变换器在扩展移相调制下的传输功率和电流应力数学模型、电流应力优化与自抗扰控制相结合等关键技术展开分析研究。

在扩展移相调制基础上,利用条件极值法求解不同工作模式的电流应力最优解。同时构建自抗扰闭环,通过扩张状态观测器对系统状态进行实时估算,将输入电压突变、负载投切、电流应力优化策略导致传输功率波动等视作系统扰动并进行补偿。最后设计并研制一套W实验样机,对比不同控制方案的性能,样机动稳态实验结果验证了所提出控制方案的可行性和先进性。

考虑悬浮系统影响的高速磁悬浮列车牵引控制策略

作者：朱进权；葛琼璇；张波；孙鹏琨；王晓新

摘要：常导电磁式高速磁悬浮列车采用长定子直线同步电机驱动,电机的励磁磁极同时也是悬浮电磁铁,车辆的牵引力和悬浮力存在严重的非线性耦合关系,运行过程中悬浮系统的调节会对牵引系统造成影响,引起牵引力波动。

该文建立考虑悬浮系统影响的长定子直线同步电机数学模型,针对牵引力波动问题,提出一种基于磁链观测的控制策略,该策略基于扩展反电动势法来观测磁链,通过将磁链参数应用于速度环和电流环,在线调整定子q轴电流从而抑制由悬浮系统引起的低频牵引力波动。

但该策略在低速时磁链观测存在误差、性能受限,在此基础上提出结合自抗扰和磁链观测的复合控制策略,通过扩张状态观测器补偿磁链观测误差以及其余扰动。硬件在环实验结果表明,该控制策略有效地抑制了悬浮系统影响造成的牵引力波动,提高了磁悬浮列车的抗负载扰动能力和系统动态性能。

城轨牵引供电系统多尺度和多物理域建模仿真方法

作者：张钢；王运达；刘志刚；于泓；邱瑞昌

摘要：城轨牵引供电系统实际运行涉及电、磁、热、力等多物理域耦合作用,以及多时间、空间尺度变化过程。然而,传统建模仿真方法尺度分离、机理单一,难以对系统的多尺度和多物理域状态进行统一描述及全面分析。

因此,首先提出一种城轨牵引供电系统多尺度和多物理域建模仿真方法,采用Simscape平台和模块化、组件化、可视化建模思想,设计多尺度和多物理域的系统级建模框架;然后基于并行协同交互策略,提出一种模式自适应的多尺度仿真方法,实现多尺度模型之间的有机高效融合;接着基于分级多域反馈,提出系统级的多物理域仿真方法,保证多物理域模型的耦合交互仿真。

最后基于仿真验证了所提出的多尺度和多物理域建模仿真方法的有效性,表明多尺度和多物理域模型能够统一描述系统在多个物理域下的宏观及微观特性,全面、充分地表征系统运行的实际物理过程。

电力系统与综合能源

辐射型直流配电网母线电压跌落峰值的定量计算方法

作者：唐欣；蔡明君；唐惟楚；岳雨霏；尹子晨等

摘要：区别于交流配电网,直流配电网中电源具有低惯性特性,当配电网负载突变时,直流母线电压波动较大,母线电压质量面临巨大挑战。在解决直流配电网惯性低的问题上,可采用超级电容增加物理惯性或者采用虚拟电容（需要变流器配置冗余容量提供）增加虚拟惯性,配置的电容越大,供电质量越高,但成本也会越高。然而,目前关于电容对电压跌落幅度抑制作用的研究以定性分析为主,缺乏定量计算。

为此,该文对辐射型直流配电网中直流母线电压在负载突增下的暂态响应进行分析,求得母线电压跌落峰值与联络变流器直流侧电容值之间的数学关系,为系统惯性参数设计提供理论支持。由于获得的数学关系式比较复杂,为方便工程应用,设计简化方法,得到近似的代数关系。最后,利用仿真和实验对电压跌落峰值计算方法进行了验证,仿真与实验结果验证该文所提计算方法的正确性。

基于电压分层控制的直流微电网及其储能扩容单元功率协调控制策略

作者：郭慧；汪飞；顾永文；李玉菲

摘要：由于直流微电网中的分布式发电具有随机性和波动性等特点,储能单元的配合可较好地解决这一问题。但是,现有基于直流母线电压信号的分层控制未充分考虑多储能单元的协调以及孤岛系统容量不足的情况。因此,该文提出一种基于电压分层控制的直流微电网及其储能扩容单元功率协调控制策略。

为实现电压分层下多储能单元的分散协调控制,该文首先揭示已有微电网系统不同运行模式所对应的负载功率边界。然后,提出基于多储能单元荷电状态（SOC）的改进模糊控制和下垂控制,以实现多储能单元充放电功率自适应分配。

针对孤岛系统容量不足的情况,在储能扩容单元容量计算的基础上,提出一种基于过/欠电压控制器的储能扩容单元功率协调控制策略,并分析其对已有系统功率边界的影响,以保证直流微电网安全可靠运行。最后,通过仿真和实验结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。

直流微电网集群的大信号稳定性分析

作者：刘宿城；李响；秦强栋；夏梦宇；刘晓东

摘要：直流微电网集群通常由多个直流微电网互联而成,通过灵活的功率流动控制实现区域能源共享和优化利用,以充分发挥直流分布式发电系统的优势。然而,小规模直流微电网具有低惯性和高阻抗的“弱电网”特性,“弱-弱”互联会降低集群系统的阻尼,甚至出现振荡或系统崩溃等严重后果。同时,直流微电网集群的高阶、强耦合以及非线性动态特性也对其稳定性分析带来了巨大挑战。

为此,基于Brayton-Moser混合势理论,提出针对直流微电网集群的大信号稳定性分析方法。建立集群的大信号降阶模型,详细推导用于系统大信号稳定性判据的混合势函数,并分析关键参数对稳定区间的影响,最后通过实时仿真结果验证了该分析的正确性。

高电压与放电

基于改进经验小波变换多特征融合的航空交流串联电弧故障检测

作者：崔芮华；张振；佟德栓；崔建平

摘要：针对时频域分析方法经验模态分解（EMD）在处理电弧信号上存在模态混叠现象,提出一种基于改进经验小波变换（IEWT）多特征融合与极限学习机（ELM）的电弧故障检测方法。

该方法首先将电弧电流信号进行IEWT变换,自适应分解为5个经验模态分量（EMFs）,提取EMFs的权重能量熵、EMF4的样本熵及EMF1的方均根值作为特征量。在进行数据标准化后,将3个电弧故障特征融合并形成多维特征矩阵,最后通过ELM进行故障识别。

在分析中对IEWT和EMD分解进行比较,结果表明,IEWT方法要优于EMD对信号的处理,并且在多特征提取下也避免了单一特征造成的误判,再结合ELM可以准确识别出电弧故障,经试验验证平均准确率为97.85%。

基于鲸鱼优化-长短期记忆网络模型的机-热老化绝缘纸剩余寿命预测方法

作者：于永进；姜雅男；李长云

摘要：换流变压器作为特/超高压直流输电系统中的关键设备,对变压器用绝缘纸剩余寿命进行有效预测,可为换流变压器的运行维护提供一定的理论依据,鉴于此,提出一种基于鲸鱼优化算法（WOA）和长短期记忆网络（LSTM）的预测方法。

首先,结合绝缘纸加速机-热老化实验及试样的机械、电气性能指标和对应裂解产物的糠醛含量,由主成分分析法（PCA）对聚合度、糠醛含量和特征频率下介质损耗因数等表征绝缘纸老化的多特征量进行融合;获得综合评估指标与绝缘纸抗张强度间的量化关系,并依此将绝缘性能优良和严重劣化时对应的抗张强度分别作为正、负理想值;进一步构建贴近度构造退化指标序列并将其作为模型输入。然后,利用鲸鱼优化算法对长短期记忆网络的关键参数进行寻优。

最后,构建WOA-LSTM模型对绝缘纸剩余寿命进行预测。研究表明,所提出的WOA-LSTM模型既纳入了可表征绝缘纸老化状态的多个特征量,亦可显著提高剩余寿命的预测精度,为换流变压器绝缘系统安全稳定运行提供有力保障。

纳米复合涂层对微米级金属粉尘吸附行为的抑制作用

作者：王靖瑞；李庆民；刘衡；王健；倪潇茹

摘要：绝缘子表面吸附的金属粉尘可能引起放电甚至诱发闪络,抑制粉尘在绝缘子表面的吸附对提高气固绝缘系统的可靠性具有重要意义。该文选用纳米碳化硅（nano-SiC）和蒙脱土-纳米二氧化钛（MMT-nano-TiO2）,分别从调控表面电荷和改善表面粘黏性能的角度,设计了两种纳米复合涂层。

实验表明,蒙脱土-二氧化钛纳米复合涂层（MEP）抑制粉尘吸附的效果整体优于碳化硅纳米复合涂层（SEP）,与无涂层绝缘子模型相比,MEP6涂层表面吸附的粉尘分布范围大幅减小,吸附质量降低54%,抑制金属粉尘吸附的效果最优。进一步建立粉尘受力分析模型,将其运动吸附过程划分为启举、飞行和吸附三个阶段,阐释了粉尘吸附的动力学过程。最后,结合表面电荷分布特征、材料间本征粘附特性分析,指出MEP6涂层抑制粉尘吸附效果明显是缘于同时实现了电荷调控与抗粘黏性能的提升。

该研究通过引入纳米复合涂层有效抑制了金属粉尘吸附,可为提升绝缘子表面绝缘强度提供新思路。