《电工技术学报》
《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。
储能系统关键技术专题
储能系统关键技术专题特约主编寄语
基于扩展等面积定则的储能电站提高电网暂态稳定最优工作时间的研究
作者：孙培栋、李培强、曹鹏程、邓慧琼
摘要：电池储能电站参与电网暂态稳定紧急控制过程中，电池充放电频率很高,长时间工作会缩短电池寿命。通过大量仿真发现储能电站在参与暂态稳定控制过程中实际工作时间很短，因此需要计算出储能电站最优工作时间。该文建立电池储能的机电暂态模型,通过阻尼转矩法分析储能电站提高电网暂态稳定的机理，同时阐述了其不同容量配置以及接入位置不同对暂态稳定的影响。该文提出并计算了储能电站最优工作时间，在扩展等面积法的基础上，实时在线采集发电机转子转速、功角、电磁功率和机械功率数据，通过数值积分计算出储能电站最优工作时间，在确保电网暂态稳定的前提下尽早退出运行。该理论不仅可以减少电池充放电次数，而且可以使电网在最短时间内恢复稳定。通过电力系统综合分析软件进行仿真,验证理论分析的准确性及工程实用性。
基于滤波分配法的混合储能优化控制策略
作者：陈亚爱、林演康、王赛、周京华
摘要：混合储能系统的城轨列车采用基于阈值控制的电压电流双闭环控制策略时，制动阶段电压外环动态响应速度过慢，并且当列车功率需求减小时储能系统内部会出现能量循环。针对动态响应速度过慢的问题，提出电压外环以空载母线电压为参考的变增益比例控制策略，在列车制动阶段，以空载母线电压为参考值，根据母线电压与空载电压偏移量调整比例增益，抑制制动阶段电压外环超调过大；为抑制储能系统内部能量循环，提出带选择性的滤波分配控制策略，在列车功率需求减小时，使锂离子电池组直接跟踪系统输入功率，进而抑制储能系统内部能量循环,提高储能系统经济性。该文采用广州地铁四号线实际参数，搭建混合储能系统城轨列车仿真平台及实验平台，验证了所提控制策略有效性。结果表明，所提控制策略能有效解决母线电压超调量过大和储能系统内部能量循环问题。
基于改进MRF-KFCM有效区域分割的储能系统三维温度场重构方法
作者：潘国兵、王杰、欧阳静
摘要：储能系统是微电网的核心组成部分,其热管理对于微电网的安全与稳定具有重要意义。相对于表面温度,电池堆内部温度场更有意义，针对红外热像仪无法监测电池堆内部温度场的问题，提出一种基于表面温度场与虚拟热源的三维温度场重构方法。通过分割算法将有效区域分离，利用定标将其映射为表面温度场，进而初步重构三维温度场，然后以虚拟热源对立体子单元温度进行修正。为了避免电池堆红外图像有效区域分割不准确对三维重构造成的影响，对马尔可夫随机场约束下的模糊核C均值聚类（MRF-KFCM）算法进行改进，通过Otsu算法在可见光图像中初步获得有效区域，赋予像元以不同的目标信息权重进行聚类，最后经配准得到电池堆在红外图像中的准确位置。实验结果表明，该方法能够反映电池堆内部温度变化趋势和局部差异，精度满足实际应用需求。
计及容量市场的用户侧储能优化配置研究
作者：麻秀范、陈静、余思雨、李思远、卢文冰
摘要：容量市场能够为间歇性可再生能源的大规模并网提供灵活的容量支持，激励常规机组发电容量投资并保证峰荷时期备用容量充裕，在未来现货市场环境下建立相适应的容量市场机制是保障长期电力供给安全的有效方法，故储能作为用户侧的快速响应资源有望参与容量市场。该文结合容量市场，从用户对主能量市场实时电价进行响应后再利用储能充放电实现最优化用电的角度提出了一种用户需求响应-储能调节（DR-ESS）的优化模型。首先，基于容量市场合同构建用户实时电价需求响应模型；然后计及容量市场，建立储能定容双层优化配置模型，外层以用户在储能全寿命周期内净收益最大为目标优化储能功率及容量，内层以用户日收益最大化优化储能充放电策略。两层模型分别采用遗传算法与fmincon工具箱进行求解。以美国PJM市场下某大工业用户所在负荷节点数据进行算例分析，结果表明，采用DR-ESS优化模型在提升用户经济效益同时能够有效实现削峰填谷、降低电网尖峰负荷，减少电网投资成本，提高运行可靠性。
计及损耗的钒电池储能系统功率优化分配策略
作者：陈薇、侯杨成、张里、王娟、邱亚
摘要：针对由多组全钒液流电池并联构成的大容量储能系统，给出计及损耗的系统功率优化分配策略。该策略首先建立计及损耗的功率分配模型，然后将系统损耗、荷电状态（SOC）均衡度作为目标优化函数，在满足功率需求、SOC上下限等约束条件下采用虚拟粒子-自适应差分进化算法（VP-ADE）寻求最优解，进而实现储能系统的功率优化分配；最后，基于Matlab对该文策略进行仿真，并与传统策略进行对比。仿真结果表明，该策略能在分配功率过程中降低系统损耗，同时使各储能单元的SOC在充放电过程中逐渐趋于一致。
参与AGC辅助服务的锂离子电池储能系统经济性研究
作者：孙丙香、李旸熙、龚敏明、杨洋、梁晖
摘要：随着新能源技术的蓬勃发展，传统电网频率控制面临着日益严峻的考验，锂离子电池储能系统协助火电机组参与调频具有良好的发展空间。该文以锂离子电池储能系统辅助火电机组参与自动发电控制（AGC）辅助服务为应用场景，结合“两个细则”中的相关规定编写了AGC辅助服务的考评补偿算法。通过衰退实验搭建相对保守但可靠的电池能量衰退模型。在控制策略上，搭建基于Logistic函数的能量状态（SOE）趋中控制策略和基于评价指标的经济性策略，拟合出储能系统的每日调节模型。最后，针对项目的全寿命周期净收益、投资回收期和投资回报率进行项目经济性分析。该文通过评估投资回收期和投资回报率得到储能系统初始能量配置方案，并对可能产生的政策更新和市场变动进行敏感性分析。利用该经济模型能够得到较为严谨可靠、对政策和市场变化兼容性强的投资方案。
先进绝热压缩空气储能在综合能源系统中的经济性分析方法
作者：尹斌鑫、苗世洪、李姚旺、张松岩、王吉红
摘要：先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）是一种大容量储能技术,其成本低、无需燃料,且具有冷-热-电联储联供的能力，在综合能源系统（IES）中能发挥出其独特优势，有助于进一步提升IES的能量利用率。根据IES的运行情况，对AA-CAES电站进行经济性分析，能切实反映AA-CAES电站应用于IES后所带来的经济效益，对AA-CAES技术的推广和应用具有重要意义。考虑AA-CAES电站、电转气装置、蓄电池电站等辅助设备参与IES运行的情况，建立了其全寿命周期经济评估模型。为了反映IES的运行情况与成本，该文考虑其主要设备的协调互动，建立了大规模IES的优化调度模型。基于上述模型，得到了含AA-CAES电站、蓄电池或电转气装置等不同辅助设备时IES的优化运行结果。最后结合各辅助设备的全寿命周期成本与IES运行成本，对比分析了AA-CAES电站与其他辅助设备在IES中的经济性表现。
连发型电磁弹射器混合储能系统及其能源管理策略
作者：王湘、吴峻
摘要：为了满足连发型电磁弹射器机动灵活的要求，其储能模块必须实现较高的能量密度和功率密度。因此，设计了一种蓄电池（BAT）、超级电容（SC）和双向DC-DC变换器组合的混合储能系统（HESS），提出充放电电路拓扑结构及模糊控制的能源管理策略，并进行了仿真分析。仿真结果表明，在相同条件下，相比于蓄电池单独供电的储能系统，所提方案能有效减少蓄电池的数量，从而提高储能系统的功率密度，且能降低超级电容的放电电流，缩短连续弹射间隔内的充放电时长，可提高连续弹射的速率，为提升无人机连发型电磁弹射器工作性能奠定了基础。
一种面向舰船综合电力系统的模块化三端口直流变换器
作者：刘计龙、朱志超、肖飞、陈鹏、任强
摘要：中压直流舰船综合电力系统（IPS）在全电舰船中具有广阔的应用前景，随着舰船综合电力系统容量和电压等级的提高，越来越多的储能单元应用于舰船综合电力系统，传统的能量单向流动两端口直流变换器已经不能适应新的应用需求。针对此问题，该文提出一种面向未来舰船综合电力系统的模块化三端口直流变换器。该三端口变换器可以连接中压直流电网、低压直流电网和分布式储能单元，每个端口均可实现能量双向流动。分析该模块化三端口直流变换器的拓扑结构、工作原理，梳理该三端口变换器在不同工况下的能量流动模式，结合变换器的能量流动模式，建立该变换器自适应控制策略。该文在一台额定功率为20kW的模块化三端口直流变换器样机上，对所提的原理分析和控制策略进行了实验验证。
具有磷酸铁锂电池负极特征的SOC区间的确定方法
作者：石琼林、郭东旭、杨耕、朱国荣、康健强
摘要：商用锂离子电池包含正极和负极，这两个电极的老化速度一般不一致。以磷酸铁锂电池为例，该电池老化主要由负极贡献的。为了在不拆解全电池的情况下研究其老化问题，需要从其外特性中求取可反映老化现象的负极特征曲线，然后再从这段特征曲线中确定相关的老化信息。该项工作首先需要确定该曲线明显的荷电状态（SOC）区间段，称为负极特征区间。为此，该文首先提出电池基于分数阶模型的线性化电势变化模型；通过研究在不同SOC工作点处正负电极电势的变化特征，给出可以利用全电池阶跃电流激励仿真确定该负极特征区间的方法；最后分析了该区间与电池老化的关联性。该文采用三电极电池（含参比电极）验证了该负极特征区间的正确性，该方法对商用磷酸铁锂电池老化问题的在线观测具有指导意义。
基于卷积神经网络的锂离子电池SOH估算
作者：李超然、肖飞、樊亚翔、杨国润、唐欣
摘要：锂离子电池健康状态（SOH）描述了电池当前老化程度，其估算难点在于缺乏明确统一的定义、无法直接测量以及难以确定数量合适、相关性高的估算输入量。为了克服上述问题，该文从容量的角度定义SOH，并将锂离子电池恒流-恒压充电过程中的电压、电流、温度曲线作为输入，提出采用一维深度卷积神经网络（CNN）实现锂离子电池容量估算以获取SOH。在NASA锂离子电池随机使用数据集和牛津电池老化数据集上进行的实验结果表明，该方法能够实现准确的SOH估算,且具备网络参数少、占用内存小的优势。另外，通过实验讨论了网络输入、模型结构、数据增强对所提出的SOH估算方法的影响。
考虑垃圾处理与多源储能协调的多能源微网优化运行模型
作者：滕云、吴磊、冷欧阳、陈哲、葛维春
摘要：在“无废城市”方案中关于城市垃圾减量的要求下，针对全可再生能源供能提出的多能源微网运行问题，该文提出一种基于多种能源协调储能并且高效兼容垃圾处理设施的多能源微网优化运行模型。首先，研究垃圾热解气化的能量转换过程，建立垃圾处理设施的电、热、气能量输出特性模型，及其接入的多能源微网的功率平衡特性模型，在此基础上提出含垃圾处理的多源综合协调储能系统（WDM-CCS）模型；然后，研究垃圾处理与多能源微网运行经济性模型，以多能源微网总体运行成本最低和垃圾处理量最大化为目标，建立基于WDM-CCS的多能源微网优化运行模型；最后，以东北某地区多能源微网与垃圾处理设施运行数据为基础，建立基于WDM-CCS的多能源微网仿真模型。仿真结果表明，与传统的多能源微网相比，采用WDM-CCS的多能源微网不仅具有较好的调节能力和较高的可再生能源消纳能力，而且能够有效提高废物处理能力。
电工理论
服役条件下取向硅钢磁致伸缩模型的研究
作者：祝丽花、李晶晶、朱建国
摘要：硅钢片的磁致伸缩效应是变压器等电力装备本体振动噪声的主要原因。为了准确地建立取向硅钢磁致伸缩模型，依据硅钢磁畴旋转特性，引入磁畴旋转相关参数k1，对J-A模型进行改进；在此基础上，结合二次畴转模型建立取向硅钢的磁致伸缩模型，并用粒子群优化算法（PSO）提取模型中的多个参数。考虑电力变压器服役环境的影响，该文分别在理想正弦，含谐波、直流偏磁不同条件下开展了取向硅钢磁致伸缩特性分析。结果表明在三种不同状态下，建立的模型计算结果与实验测量的磁致伸缩特性结果具有较好的一致性。该文建立的磁致伸缩模型可应用于取向硅钢在服役条件下磁致伸缩特性模拟。
用于铝板声弹性系数标定的电磁加载装置设计
作者：张闯、王标、刘素贞、杨庆新
摘要：基于临界折射纵波对金属材料进行应力无损检测具有广泛的应用前景，该检测技术中金属材料声弹性系数的标定尤为重要。目前金属材料声弹性系数标定方法主要是采用机械加载方式对金属材料进行拉伸测试，这种方法不适用于一些在役金属构件的声弹性系数的测量。针对上述问题，该文基于洛仑兹力的产生机理设计了一种用于铝板声弹性系数标定的电磁加载装置。采用二维仿真模型对装置进行了尺寸参数分析与选择，建立三维有限元仿真模型计算铝板轴向电磁加载力。搭建了电磁加载实验平台，测量电磁加载状态下铝板中临界折射纵波的传播时间并计算铝板中轴向应力平均值，实验结果与仿真结果基本一致，验证了电磁加载装置的可行性。
电动汽车无线充电系统不同结构线圈间互操作性评价方法研究
作者：张献、白雪宁、沙琳、陈志鑫、杨庆新
摘要：不同厂家地面端设备和车载端设备之间的互操作性问题，是保证国内外相关行业产品的技术路线能够相互兼容、互联互通、实现电动汽车无线充电商业化的关键问题之一。该文提出一种基于电路二端口阻抗来评价电动汽车无线充电系统不同线圈结构间互操作性的方法，主要针对相同的电路补偿方式、不同的线圈结构之间的互操作性的评价方法进行研究，分别定义了ZVA和ZGA阻抗接口，推导出阻抗接口公式，以方形-方形线圈组合作为参考，得到该文系统中的车载设备和配套地面端设备耦合时的参考阻抗区域ZGA，并以此阻抗区域作参考，通过检测待测接收线圈与参考发射线圈耦合产生的阻抗区域占参考阻抗区域的大小来评价圆形、DD型线圈与该文方形线圈地面端设备之间的互操作性，定义互操作系数来对不同线圈之间的互操作性进行考量，并通过仿真和实验证明该文所提出的评价不同结构线圈间的互操作性方法的正确性。
开放式磁性纳米粒子断层成像线型旋转零磁场设计
作者：祖婉妮、柯丽、杜强、刘洋洋
摘要：磁性纳米粒子成像（MPI）是近年来兴起的一种医学成像方法，具有无电离辐射、毫秒级检测速度、亚毫米级成像精度的优势，其中线型零磁场扫描可实现被测物内部磁性纳米粒子分布的图像，在高精度成像、快速检测及动态监测方面具有重要的研究意义。针对磁性纳米粒子成像存在的系统检测孔径和检测精度问题，该文设计了一种开放式磁性纳米粒子断层线成像方法。开放式的系统结构扩大系统检测孔径，提出磁场线圈的电气驱动完成断层成像中零场线全周旋转,实现系统精准扫描。仿真计算和实验分析结果表明，该文设计的系统结构形成高度为200mm侧面开放的检测孔径，提出的电气驱动旋转零场线的方法形成的旋转角度误差小于0.025 9°，用于扫描的线型零磁场宽度不超过0.95mm，单次扫描时间为3.6ms。因此，该文设计的开放式磁性纳米粒子断层成像系统可以有效扩大检测孔径，同时实现亚毫米级精度成像及毫秒级检测速度。
电力系统
配电网安全域的全维直接观测
作者：肖峻、曹严、张宝强、佘步鑫
摘要：该文进行了配电网安全域（DSSR）的全维直接观测。首先,总结了现有观测方法。其次，提出DSSR的全维直接观测方法。对两供一备和柔性两供一备接线的全维直接观测发现：两供一备的安全域是凹多面体，由一个“域核”和多个“域角”构成；域表面有“山脊”和“山谷”，“山谷”形成了域凹陷。柔性两供一备的安全域是凸多面体，不存在“山谷”，填补了传统两供一备的域凹陷。可见，全维直接观测清楚地展现了不同电网结构体现在安全域上的不同几何特征。该文还进一步给出了“域核”、“域角”、“山脊”、“山谷”的物理意义和形成原因。最后，将该方法与其他安全域观测方法进行对比和总结。
考虑不对称故障影响的感应电动机负荷动态特性快速解析算法
作者：廖卫平、张艳、冯佳伟、方涛、苏珏
摘要：感应电动机负荷的动态特性对电力系统电压稳定性有重要的影响。为快速评估不对称故障后感应电动机的动态响应特性并避免繁琐的时域仿真计算，基于电路和电机分析理论，提出一种计算电力系统不对称故障电压跌落下感应电动机动态特性的快速解析算法。该解析算法先求解转子一阶机械暂态方程，得到扰动后转子的转速和转差率变化。在此基础上，求解转子相量形式的暂态电动势微分方程，得到暂态电动势的变化。最后，准确获得扰动后感应电动机的电流和功率响应。该解析算法在感应电动机负荷三阶机电暂态模型基础上稍加修改即可实现。将解析算法计算结果与PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真结果进行比较，证明了该解析算法的有效性。将解析算法应用于求解电力系统综合负荷的动态响应特性，表明其具有应用于电力系统稳定性分析的潜力。
基于时序仿真的商业楼宇交流与直流配电系统能效对比
作者：李海波、赵宇明、刘国伟 蒋世用、赵政嘉
摘要：直流配电以其具备高效接入分布式电源、储能与直流负荷的优势，近几年建筑电气行业得到广泛关注。作为数量众多、节能潜力巨大的商业楼宇，采用何种配电形式成为影响其能效水平的关键因素，亟需开展楼宇交流与直流配电系统的能效对比分析。现有配电网能效评估研究未能充分考虑商业楼宇负荷的特殊性，评估方法和指标难以适用。针对这一问题，基于商业楼宇交、直流配电系统典型结构，考虑楼宇负荷类型的特殊性和时序性，建立了换流设备的分段线性效率函数及线路动态功率损耗模型，以不同类型分布式电源及负载支路作为评估单元，提出了基于时序仿真的能效评估指标及其方法。最后基于深圳中美中心直流配电示范工程，设计了具备相同边界条件的交流配电系统，进行能效对比分析。算例分析表明，商业楼宇负载类型对于交、直流配电系统能效水平具有重要影响，随着直流负荷比例与分布式电源接入容量的增加，直流配电系统的能效优势逐渐增大。
直流牵引供电系统地面储能装置建模与仿真分析
作者：刘炜、吴拓剑、禹皓元、张戬、张丽
摘要：地面储能装置在城市轨道交通牵引供电系统中有较为广阔的应用前景。该文建立了地面储能装置的通用计算模型，提出一种基于滞环算法的变电所多状态切换策略，给出不同工作状态下等效电路的求解方法，并分析了储能装置与整流机组协同输出时的电流分配关系。在此基础上设计的直流牵引供电计算双层迭代算法具有迭代速度快的特点。该文提出一组评估储能装置节能稳压效果的指标，针对广州某地铁线路进行不同发车间隔下的算例研究。全线安装储能后牵引网电压有明显改善，再生制动能量回收率从56.4%提升到95%以上,全线牵引变电所节能率可达12.1%。仿真结果表明，储能装置在地铁牵引供电系统中具有良好的节能、稳压效果。