抢鲜看|《电工技术学报》2023年第14期目次及摘要

作者：赵浩然；王东；胡鹏飞；魏应三；易新强

摘要：该文以气隙磁通密度函数和永磁体磁化方向厚度函数为理论基础,结合卡特系数计算公式、磁路等效原理和分布磁路法,考虑定子开槽、极间漏磁、磁极边缘效应及磁路饱和等因素的影响,推导出表贴式永磁电机平行充磁条件下的正弦削极修正解析模型。而后建立有限元模型验证了解析模型的准确性,并与简化正弦削极电机、偏心削极电机进行仿真对比。结果表明修正正弦削极电机所得气隙磁通密度总谐波失真（THD）分别较简化正弦削极电机和偏心削极电机低41.3%和23.4%,径向电磁力密度THD分别较简化正弦削极电机和偏心削极电机低29.82%和19.24%,从而使电机转矩脉动降低。最后通过实验进一步验证了修正解析模型的准确性。该文提出的修正解析模型,不仅使电机的电磁性能得到了进一步优化,而且理论基础明晰,不用像偏心削极一样,需要进行遍历扫描寻优,提高了电机的设计效率,为高品质永磁电机的优化设计提供了参考。

作者：包木建；孙玉玺；陈春涛；郑晓钦

摘要：非晶合金作为一种低损耗铁心材料,在高速电机中具有较好应用前景。为探明非晶合金在高速磁浮直线电机中应用的可行性,该文针对常导型高速磁浮直线电机,采用改进的分布磁路法分别计算硅钢和非晶合金作为长定子铁心材料时的气隙磁通密度,并结合虚位移法对比计算两种材料下的静态悬浮力。首先,针对高速磁浮直线电机长定子与动子极距不等、动子极面直线发电机齿槽以及动子轭部不连续等特殊结构,对分布磁路法加以改进,分段表征磁导率并分段计算磁压降,进而计算得到硅钢、非晶长定子在不同励磁电流下精确的气隙磁通密度。在此基础上,采用虚位移法,对比计算基于两种长定子铁心材料下直线电机静态悬浮力,并进行有限元验证。最后,实测两种材料长定子直线电机的静态悬浮力,均能满足高速磁浮列车悬浮要求,进一步验证了解析计算结果的准确性,以及非晶合金长定子磁浮直线电机的合理性。

作者：王超；诸自强；徐磊；吴溪蒙

摘要：对于反馈式弱磁控制,通常有两种方法,即基于dq轴电流的反馈式弱磁控制（DQFFC）和基于电流幅值和角度的反馈式弱磁控制（CAAFFC）,被广泛使用并被认为相互等价。该文基于最大扭矩电压比（MTPV）控制,对这两种方法的系统稳定性进行了比较研究。分析结果表明,不稳定既由控制参数设计引起,也与弱磁控制方法本身的特性有关。对于方法本身导致的不稳定,DQFFC和CAAFFC在不同的工作区域中表现出了不同的特性。基于在不同的工作区域内,该文从电流调节方向的角度来说明系统稳定和不稳定的工作机制。此外,针对DQFFC和CAAFFC在不同区域内的稳定性差异,给出了MTPV控制器的控制参数设计指南。最后,通过实验结果进行了演示和验证。

作者：孙全增；张志锋

摘要：针对双三相永磁同步电机模型预测控制中存在共模电压较大、xy平面上谐波电流较大和控制器计算负担严重的问题,该文提出一种低共模电压的模型预测电流控制方法。首先,将虚拟电压矢量作为输入控制集,通过具有小共模电压的虚拟电压矢量对xy平面进行控制。然后,在每个采样周期中,通过计算参考电压矢量位置来减少候选电压矢量的数量。再通过无权重系数的价值函数对候选电压矢量进行评估,选择出最优电压矢量。所提方法有效地减少了xy平面上的谐波电流,消除了价值函数中的权重系数;减少了控制器的计算负担和双三相永磁同步电机驱动系统中固有的共模电压。最后,通过与两种现存的传统模型预测控制方法进行对比实验,证明了所提方法的有效性。

作者：尹政；胡存刚；芮涛；冯壮壮；陆格野

摘要：为解决传统模型预测控制在参数失配时预测误差增大的问题,该文提出一种适用于LC滤波型电压源逆变器的无模型预测电压控制策略。该策略建立了基于电压和电流双梯度的查询表,通过计算和存储上一时刻应用矢量作用下的电压和电流梯度,并结合当前时刻的采样值,实现未来时刻电压和电流的无模型预测;进一步重构状态空间预测方程,根据应用矢量作用下的电压和电流梯度实时更新未应用矢量的梯度值,保证了梯度的准确性;使用电压和电流双目标的价值函数进行跟踪评估,进而选取下一控制周期最优的矢量。该方法不依赖于任何系统参数、计算简单,且消除了传统无模型预测中梯度更新停滞现象,改善了输出电压性能。最后通过实验验证了所提方法的有效性和优越性。

作者：黄建；尹佐生；王天乙；宋志翌；隋义

摘要：匝间短路故障是一种常见的电机绕组故障,具有危害大、易扩散、诊断难的特点,是多相容错永磁同步电机研究过程中关注的重点。该文以一台高故障隔离能力五相永磁同步电机为基础,对基于齿磁通的故障诊断方法进行了研究。建立了五相永磁同步电机定子磁路模型,给出了匝间短路故障对绕线齿及容错齿磁通的影响规律。研究了不同绕制方式下探测线圈感应电动势随电机运行状态的变化规律,对各绕制方案的故障识别能力、故障灵敏度、复杂程度等进行了综合评价,提出基于容错齿磁通的匝间短路故障诊断方法,给出基于故障标志αi的故障识别和定位方法。研究表明,当电机发生匝间短路故障时,故障相αi值明显降低,剩余健康相αi值接近于1,根据这一特征可以对故障进行准确识别和定位。该方法不依赖傅里叶变换、不受负载和电机转速影响,具有准确度高、鲁棒性强的优点。该文进一步分析了槽口宽度、容错齿长度对故障敏感度和电机性能的影响,给出兼顾高低匝数短路故障诊断灵敏度和电机性能的尺寸选取方法。

作者：谢震；杨曙昕；代鹏程；杨淑英；张兴

摘要：随着风力发电的高比例接入电网,全功率风电机组的稳定运行能力面临着挑战。传统的网侧变流器采用锁相环（PLL）同步策略,构网型全功率风电机组的网侧变流器则基于功率同步策略,利用直流电压的动态特性实现直流电压同步的构网型控制。由于构网型控制存在功率耦合问题,无功通过耦合通道影响有功功率,进一步引起网侧直流电压的动态波动。该文针对网侧变流器构网型控制所存在的耦合问题,建立了直流电压-无功功率耦合模型,利用相对增益理论方法详细分析了系统参数对耦合效应的影响,并采用一种基于无功前馈的直流电压补偿方法,在实验中利用该方法可将由无功变化引起的直流电压动态超调降低81.8%。通过实验验证了理论分析的正确性及所提方法的有效性。

作者：芮涛；尹政  汪凤翔；陆格野；李真

摘要：为消除并网逆变器模型预测控制对系统参数的依赖,该文提出一种基于双矢量的并网逆变器无模型预测电流控制（MFPCC）策略。该策略通过计算和存储上一时刻双矢量作用下的电流梯度,更新剩余6个未使用矢量的电流梯度,并结合当前时刻的电流采样值,实现未来时刻的电流预测;进一步利用电流预测的价值函数选取合适的电流梯度及其作用时间,从而得到下一时刻最优的电压矢量。该方法不依赖于任何系统参数、计算量小,且消除了传统MFPCC策略中电流梯度更新停滞现象,降低了输出电流谐波。最后,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性和优越性。

作者：黄文美；陶铮；郭萍萍；张伟帅；翁玲

摘要：高频大功率磁致伸缩换能器件的输出特性与其所受的压应力密切相关,施加一定的压应力可以提高其核心元件磁致伸缩棒材的磁致伸缩系数,增大器件输出功率,而不合适的压应力会使得器件性能恶化。该文搭建了磁致伸缩材料高频磁特性测试系统,测量了磁致伸缩材料铁镓合金棒材在不同激励条件下（变压应力σ、变励磁频率f和不同磁场强度H）的动态磁特性曲线。结果表明,当频率与磁场强度一定时,随着压应力的增加,高频磁特性中振幅磁导率减小、动态磁滞回线纵向变扁、磁能损耗减少。针对传统磁滞模型无法计及压应力影响的问题,在现有静态J-A磁滞模型的基础上,计及涡流损耗和剩余损耗,并采用分数阶导数修正高频涡流场表达式,建立了高频动态磁滞模型,再引入压应力相关项修正模型参数,得到与外施压应力相关的改进高频动态磁滞模型。将实验数据与模型计算结果进行对比分析,结果表明,在变压应力和高频激励条件下,模型计算结果与实测值吻合较好,最大误差为5.86%,平均误差为3.29%,验证了模型的准确性与可行性。

作者：吴晓；米彦；郑伟；马驰；张梦男

摘要：目前在实验中通常采用间接的表征参量以衡量细胞电穿孔效应,为了能够在实验中找到一种直接的表征参量,该文提出了电穿孔面积这一新的表征参量及其测量方法。基于分子传输动力学,在脉冲电场下开展了荧光分子染色实验,然后通过对细胞荧光强度曲线进行数据处理,计算出脉冲期间形成的电穿孔面积,并研究了不同脉冲电场参数下的细胞膜电穿孔面积变化规律。结果表明,随着脉冲电场参数增强,细胞荧光强度增大,电穿孔效应增强,计算出的电穿孔面积数值与已有结论吻合,证实了该实验方法的可行性。此外,电穿孔面积随着电场强度、脉冲宽度和脉冲电冲击的增大而线性增大,为脉冲电场临床治疗提供了指导。

作者：周健荣；樊德阳；项子旋；蒋敏；朱孝勇

摘要：基于功率因数内在机理的研究,提出一种提升游标永磁电机（VPM）功率因数的设计方法,该方法采用分层优化,对影响电机功率因数的主要因素,即永磁磁链和同步电感,分别进行了理论推导和优化分析。该文首先对永磁磁链进行了优化设计,利用气隙谐波作为电机结构设计与电机电磁性能之间的中间桥梁,一方面,气隙谐波作为电机参数的设计目标,另一方面,也作为电机功率因数和其他相关电磁性能的设计变量。基于永磁磁链的分析,进一步优化相关参数对同步电感的影响,从而最终确定了VPM电机的优化设计方案。此外,为了验证该方法的有效性,对优化前后电机的电磁性能进行了分析评估。最后对优化后的电机进行了加工和实验测试,理论分析和实验结果表明所提出的VPM电机功率因数优化设计方法的有效性和合理性,提升了VPM电机在轮毂电机直接转矩驱动系统中的应用潜力。

作者：殷生晶；王晓琳；张艳

摘要：为解决高速永磁同步发电机系统在传统双闭环控制下,负载变化时输出电压波动大、动态响应慢等问题,提出一种基于扰动观测器补偿的稳压控制方法。首先,将负载电流视为系统扰动,设计基于改进超螺旋算法的扰动观测器,并通过Lyapunov稳定理论证明了其稳定性;其次,设计二自由度PI电压外环控制器,并将扰动量前馈至电压外环的输出端,以提高输出电压对负载变化的抗扰能力;最后,基于一台高速永磁同步发电机进行了仿真与实验验证,并与传统双闭环控制进行了比较,结果表明,该文所提的控制策略具有更好的动态性能和抗负载扰动能力。

作者：陈荣；翟凯淼；舒胡平

摘要：为了解决传统的永磁同步电机双矢量模型预测电流控制中开关频率高、计算量大的问题,提出一种固定开关频率双矢量模型预测控制策略。利用传统的双矢量模型预测控制的参考电压矢量所在扇区的变化规律,通过构造新的电压矢量选择表,将电压矢量的选择范围从7个降为2个;同时提出一种基于d、q轴电压差的作用时间计算方法,以降低计算量和固定开关频率。最后,通过搭建仿真模型和永磁同步电机实验平台,对传统的双矢量模型预测电流控制策略和所提控制策略进行对比分析和验证,仿真和实验结果显示出该文所提控制策略相对传统的双矢量模型预测电流控制策略的优越性,验证了其可行性和正确性。

作者：葛扬；宋卫章；杨洋

摘要：磁链观测法是永磁同步电机在中高速区域一种有效的无传感器控制方案。但是由于逆变器非线性、初始位置误差、电流测量偏置等因素,磁链估计结果将不可避免地含有斜坡信号、直流偏置和各次谐波等多种干扰信号。这些干扰信号的存在将降低无传感器控制的稳态精度,增加转速波动,严重时甚至使系统失稳。针对这一问题,提出了基于扩张式主从自适应陷波滤波器（EMAF）的磁链观测方案。利用不同干扰信号的特性,EMAF可同时跟踪磁链观测中的多种干扰信号;通过对积分对象中的直流偏差进行反馈补偿,EMAF可消除积分环节产生的斜坡信号。进一步地,给出了EMAF的参数整定图解法,将多参数整定问题转换为单参数整定。另外,为了提高频率跟踪环节的动态性能,提出一种考虑电机运动方程的动态频率跟踪算法。相比锁相环或锁频环,该算法在频率变化时可减小频率跟踪误差,避免频率突变引起的暂态振荡。不同条件下的实验结果验证了所提方法的有效性。

作者：陈旭；张卓然；于立；孙窈；徐秋钰

摘要：电励磁双凸极电机的非正弦反电动势特性会导致相电流存在较大的2次和4次谐波,从而降低电机的转矩输出能力。同时,电励磁双凸极电机的电流谐波频率较高,导致传统准比例谐振控制器经过双线性变换后会存在较大的谐振频率偏差,使得电流谐波抑制效果有限。针对此问题,该文首先推导了具有零谐振频率偏差的离散变换表达式,并对表达式进行简化处理,提出了一种基于改进型准比例谐振控制的电励磁双凸极电机电流谐波抑制方法。此外,结合电机的反电动势特性,分析了相电流谐波的产生原因,推导了考虑电流谐波和反电动势谐波的电励磁双凸极电机转矩模型,分析了相电流谐波对电机平均转矩的影响。最后,仿真和实验结果表明,所提方法可以有效地补偿谐振频率偏差,抑制电励磁双凸极电机的相电流谐波,提升电机的转矩输出能力。

作者：谢沁园；王瑞田；林克文；范学鑫；杨国润

摘要：中压大容量逆变电源可以实现中压直流至低压交流的电能变换,如何在低开关频率下实现较高的动态响应能力是其核心瓶颈问题之一。针对上述问题,该文尝试引入多次采样控制技术。首先,建立中点钳位（NPC）H桥组合式三相逆变电源主电路的状态空间平均模型,并基于Pade近似建立考虑多次采样的逆变电源系统级闭环模型。然后,基于上述模型分析不同采样次数下系统的动态特性,分析结果表明,多次采样能增大系统带宽、降低系统超调量和扩大系统控制参数的选取范围;进一步提出基于闭环带宽的采样次数选取方法。再次,分析闭环系统对控制参数的灵敏度,进而对控制参数进行全局优化。最后,通过等比例缩小实验平台验证了该文所提方法的有效性。

作者：周斌；汪光森；李卫超；王志伟；揭贵生

摘要：电力电子系统较高的开关频率给传统以CPU为计算核心的电磁暂态（EMT）实时仿真带来了挑战。为了实现小步长实时仿真,该文提出并实现一款基于FPGA的EMT实时仿真解算器。该解算器的通用化框架分为离线和在线两部分,离线程序能够自动获取仿真模型的参数并生成计算数据,在线程序能够自动配置计算资源与控制逻辑。为了提高仿真速度,还提出一种低延迟的单周期浮点累加方法,用于构建解算器的基本计算单元。基于Xilinx Virtex7 xc7vx485t型FPGA芯片的评估与分析结果表明：相比某商业FPGA实时仿真解算器,该文解算器的仿真速度提高了一倍,仿真规模增加了29.69%~79.17%。最后,还通过两种电力电子变换器的实时仿真测试,验证了它的实际性能。所提解算器能够达到400MHz的运行速度、100 ns级的仿真步长并保持较高的仿真精度,具有通用性强、自动化程度高、配置灵活等特点。

作者：李慧慧；皇金锋

摘要：单电感双输出（SIDO）Buck-Boost变换器其中一条支路控制/输出的暂态数学模型含有右半平面零点（RHPZ）,因此,该变换器属于非最小相位系统,这使得变换器参数设计及控制变得复杂。针对此问题,首先,利用状态空间平均法建立SIDO Buck-Boost变换器电感电流连续导电模式控制/输出的暂态数学模型,发现变换器先导通支路控制/输出的暂态数学模型含有RHPZ。分析该变换器占空比突变暂态过程可知,先导通支路的输出电压存在负调现象。其次,建立含有负调现象的支路的内动态数学模型。基于此,该文提出对存在负调现象的支路采用电流控制,另一支路采用电压控制的方法。然后,以工作模式和输出纹波电压为约束条件,得到电感和电容的参数设计方法,进而结合劳斯-赫尔维兹判据得到控制参数的取值范围,同时应用特征根灵敏度对控制参数进行优化。最后,搭建仿真与实验平台。仿真及实验结果表明,该文所提控制方法较传统电压控制具有更优的暂态性能,且有效地抑制了输出支路间的交叉影响。

作者：王章毅；陆道荣；李想；郎天辰；胡海兵

摘要：传统双有源桥单级AC-DC变换器的移相调制难以实现全范围软开关,开关管损耗大,效率难以进一步提高。针对此问题,该文提出一种基于临界电流模式（BCM）的调制策略,将移相和调频相结合,实现所有开关管的零电压开通,从而有效地降低了开通损耗。该文分析单级式双向AC-DC变换器的临界电流调制基本原理和软开关实现条件,并推导出软开关条件下的移相和频率数学表达式。搭建DC 48V、AC220V、500W实验样机,最高效率达到94%,通过实验验证该调制策略的有效性和正确性。

作者：孟建辉；吴小龙；张自力；叶泰然；于竞森 等

摘要：三相隔离型AC-DC-DC电源因其具有功率密度大、电气隔离等优点,在工业上应用广泛。但在一些负荷频繁投切的特殊应用场景下,如电泳、电镀等,基于传统PI控制的电源存在输出电压响应速度慢及纹波大的问题。为了提升电源的输出电压响应速度,该文在分析线性自抗扰控制中关键带宽参数与输出量之间关系的基础上,提出一种控制器带宽参数自适应调节的线性自抗扰控制（A-LADRC）方法以实现输出电压在负荷突变下的快速调节。而针对系统前级不控整流环节中电压六脉动分量对后级系统带来的输出电压纹波增大问题,设计一种根据系统输出电压反馈值,自适应调整变换器占空比补偿量的控制策略,以实现减小电压纹波的目的。最后通过一台400 V/50 A的实验样机对所提方法进行了验证,结果表明所提方法能够有效提升系统输出电压响应速度并减小电压纹波,具有较好的实际工程应用价值。

作者：武鸿；王跃；刘熠；李鹏坤；李润田

摘要：模块化多电平换流器（MMC）广泛应用于高压大功率场合。MMC拓扑由大量的子模块（SM）组成,为了提高其运行可靠性,在其SM发生开路故障后,需要快速检测到故障并定位故障SM。现有研究基于经验的阈值设置在不同运行功率间难以推广。针对此,该文提出基于广义电容电压不平衡度的MMC子模块开路故障诊断策略。通过判断桥臂中电容电压最大SM的广义电容电压不平衡度是否超出设定阈值来检测故障,故障定位过程同样是基于该标志。通过理论分析,给出诊断阈值在不同运行功率下的设置方法。所提出的方法可以在不同功率点准确、快速地诊断出MMC子模块开路故障,并降低不同运行功率下阈值设置难度。最后通过硬件在环（HIL）平台验证了该方法的可行性。

作者：宋心哲；廖敏夫；卢刚；马汇；韩小涛

摘要：激光触发真空开关在脉冲功率系统中有较好的应用前景,该文设计一种多级激光触发真空开关,由一个激光触发间隙与两个对称的冰壶形电极串联而成,并基于可拆卸真空腔体搭建了激光触发多级真空开关的实验平台。实验研究了不同激光能量、不同工作电压、不同分压比条件下,开关的触发时延特性。实验结果表明,多级开关的触发时延不仅与外部的激光能量以及触发电压有关,也与3个间隙之间的分压比有关。随着激光能量和工作电压的增大,开关的导通时延和抖动随之减小。在相同的外部条件下,通过3个间隙之间合适的工作参数配合,可以获得更加优化的时延特性。当激光能量为30 mJ,工作电压为30 kV时,分压比为411的三间隙激光触发多级真空开关触发时延低至(167±3.7) ns。

作者：李奎；徐子健；卢志伟；武一；胡博凯

摘要：电磁式漏电保护是一种重要的漏电故障保护技术,其漏电保护特性受元器件参数影响大,导致批量生产工艺要求高、生产成本较高。该文针对电磁式漏电保护特性不稳定性问题开展研究。首先,分析漏电检测电路的工作原理,确定剩余电流互感器与补偿电容、补偿电阻之间的耦合关系;其次,分析剩余电流互感器铁心磁参数与漏电检测电路参数对漏电保护特性的影响,为剩余电流互感器及漏电检测电路的参数匹配设计提供依据;最后,分析补偿电容容差与剩余电流互感器铁心磁参数分散性对漏电保护特性稳健性的影响,确定铁心材料磁参数与漏电检测电路参数的匹配关系,进行剩余电流互感器及漏电检测电路参数的匹配设计,降低了元器件参数分散性对漏电保护特性的影响。