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抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第1期目次及摘要
《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。
交流电机模型预测控制专题
“交流电机模型预测控制”专题特约主编寄语
基于权重系数消除和有限控制集优化的双三相永磁容错电机快速预测直接转矩控制
作者：赵勇，黄文新，林晓刚，姜文
摘要：为改善双三相永磁容错电机采用传统预测直接转矩控制（PDTC）时存在的权重系数整定困难、有限控制集元素数量多以及电压矢量滚动寻优时间长等问题，该文提出一种基于权重系数消除和有限控制集优化的快速PDTC。首先，根据无差拍直接转矩磁链控制思想，将评价函数中不同量纲的变量等效为相同量纲的电压矢量，消除了定子磁链权重系数；其次，基于永磁容错电机大电感的特点，提出仅选取零序电压为零的电压矢量或者所合成虚拟电压矢量作为有限控制集元素，不仅消除了零序权重系数，还将有限控制集中的元素从64个减少到19个，同时改善了零序电流的抑制效果；最后设计了一种可一次选出最优电压矢量的方法，避免了滚动寻优带来的计算负担。实验结果验证了所提PDTC的可行性和有效性。
基于电流源变流器的永磁同步电机驱动系统全状态变量预测转矩控制
作者：李昱，郭宏，平朝春，王晓辉，张祯滨
摘要：电流源变流器输出电压平滑、具有天然短路保护能力，在长电缆驱动、中压驱动等场景得到广泛应用。电流源变流器的输出滤波电容与电机的电磁动力学方程构成二阶系统，存在天然的谐振频率，易失稳，因此对控制器的设计提出了严峻挑战。该文深入地分析了被控对象的数学模型，在不考虑控制变量和状态变量约束的条件下，理论上求解了可实现电磁转矩的无差拍控制的输入电压值，以此作为滤波电容电压的参考值。在此基础上，充分利用模型预测控制多目标全局优化的能力，将dq轴电流、输出电容电压和开关惩罚项包含在一个统一的代价函数中，提出一种计及全状态变量的预测转矩控制策略。所提的全状态变量预测转矩控制可有效抑制滤波电容和定子电感之间的能量振荡。在此基础上，通过理论分析和大量仿真数据获取采样频率和开关惩罚项权系数的设计准则，通过选取合理的开关惩罚项权系数，可实现开关频率和稳态控制性能的优化设计。最后，通过硬件在环（HiL）对所提控制策略进行了验证。测试结果表明,全变量预测转矩控制稳态转矩脉动小;在动态转换过程中,转矩响应速度快。
一种永磁同步电机的有限集无模型容错预测控制算法
作者：赵凯辉，周瑞睿，冷傲杰，戴旺坷，黄刚
摘要：针对传统有限集模型预测控制在电机发生参数摄动和永磁体失磁故障时模型失配导致系统性能下降的问题,提出一种用于永磁同步电机（PMSM）电流控制的有限集无模型容错预测控制方法。首先,考虑电机参数不确定性,依据永磁同步电机在参数摄动下的dq轴数学模型,建立基于系统输入和输出的永磁同步电机新型超局部模型。其次,基于新型超局部模型设计PMSM电流环的有限集无模型容错预测控制器,利用滑模观测器估计PMSM新型超局部模型中未知部分h。最后,与传统有限集模型预测控制方法进行实验结果对比,证明了所提方法对电机参数摄动和永磁体失磁故障具有容错性和鲁棒性。
两电平电压源逆变器双矢量调制模型预测控制：理论分析、实验验证和推广
作者：郭磊磊，李国昊，金楠，李琰琰，窦智峰
摘要：近年来,模型预测控制（MPC）以其良好的自适应性、鲁棒性等优越性能广泛应用于两电平电压源逆变器中。然而,常规的模型预测控制每个控制周期只使用1个电压矢量,导致电流谐波较大。为抑制电流谐波,提出一种双矢量调制模预测控制策略。首先,在每个控制周期同时使用两个电压矢量来跟踪目标矢量,且每个电压矢量的作用时间根据调制模型预测控制原理计算;其次,根据无差拍控制原理计算参考电压,并根据参考电压位置在每个控制周期仅需要选择三组电压矢量组合进行在线评估,从而得到最优电压矢量组合。最后,通过详细的理论分析,验证了所提双矢量调制模型预测控制策略的有效性。此外,该文研究还表明,所提策略还可用于控制其他类型的逆变器,如三相四开关逆变器。同时,所提方法可以获得和常规双矢量法类似的控制性能,且具有计算量小等优点。理论分析和实验结果验证了所提方法的有效性。
基于粒子群算法的永磁同步电机模型预测控制权重系数设计
作者：李家祥,汪凤翔,柯栋梁,李政,何龙
摘要：针对模型预测控制算法（MPC）在处理多目标多约束条件时权重系数设计问题,该文提出一种基于混沌变异的动态重组多种群粒子群算法（CDMSPSO）实现权重系数自整定。通过分析模型预测转矩控制（MPTC）代价函数,以两相旋转坐标系下电流误差方均根为参考,将降低转矩脉动和减小电流总谐波畸变（THD）作为主要控制目标,设计粒子群算法中粒子的目标函数。采用CDMSPSO算法,将整个种群划分为多个小的子粒子群,并以一定重组周期将粒子进行随机重组,然后随机选择一个子粒子群,以其中任一粒子为基础迭代生成混沌序列,并将新的混沌序列替代选择的子粒子群,实现粒子的混沌变异。仿真和实验结果验证了该方法能较好地解决权重系数整定问题,且稳态性能优异。
两相静止坐标系下的永磁同步电动机模型预测功率控制
作者：姚绪梁,黄乘齐,王景芳,马赫,刘铜振
摘要：为避免转子位置角检测误差给永磁同步电动机调速系统带来的不利影响,提高系统的可靠性,提出一种等价于id=0的永磁同步电动机模型预测功率控制方法。该方法通过建立两相静止坐标系下的电机增量模型,使用枚举法对基本电压矢量作用下的电流进行预测,利用采样得到的电压及电流估计反电动势和转子侧瞬时功率值,然后通过功率价值函数选择最优电压矢量。所提方法无需使用高分辨率位置传感器检测转子位置角进行旋转坐标解耦变换,可降低系统的复杂度。电机增量模型无需使用永磁体磁链参数预测电流,降低了算法对电机参数变化的敏感度。实验对比了所提控制方法与直接功率控制的稳态功率波动、转矩波动和暂态响应速度等指标,证明了所提方法的有效性。
负载换流逆变器驱动电励磁同步电机无速度传感器模型预测控制方法
作者：寇佳宝, 高强, 滕咏哮, 徐殿国
摘要：负载换流逆变器（LCI）驱动电励磁同步电机控制系统广泛应用于中高压场合,在应对干扰和负载变化上,较大的系统惯性系数和较低的开关频率导致其动态响应性能欠佳。该文提出一种基于LCI驱动电励磁同步电机的无速度传感器模型预测控制方法。首先根据LCI的数学模型建立预测状态方程,同时给出合适的代价函数和约束条件;然后分析负载换相模式下的控制矢量模型,给出速度观测器的设计方法和参数选择依据,并针对负载变化对速度观测产生的影响进行分析和补偿。同时该观测器还能够同时实现逆变桥输入电压和端电压相位的观测;最后,通过3.75kW的LCI驱动电励磁同步电机实验平台对提出的无速度传感器模型预测控制方法进行实验验证。结果表明所提出的控制方法能够有效提升系统的动态响应性能,所设计的观测器具有可行性,速度观测结果在额定阶跃负载下误差小于13°。
断相故障下开绕组永磁同步电机模型预测控制容错控制策略研究
作者：陈文汉, 孙丹, 王铭泽
摘要：共直流母线型开绕组永磁同步电机系统由于双逆变器供电且存在零序回路,具有一定的容错能力,但控制中需考虑零序电流的影响。然而当永磁同步电机发生单相断相故障后,原电机模型不再适用,若继续沿用断相前控制策略,将导致电机转矩脉动变大、控制性能变差。该文根据开绕组永磁同步电机断相后的系统特性,重新设计坐标变换矩阵,得到新坐标变换下的dq轴电机数学模型。新的转矩方程表达简洁、转矩控制方便,同时新的电压方程也相互解耦,因此电流预测计算量小,且控制更加准确。为提高电流控制性能,断相前后均采用三矢量模型预测控制策略。考虑到断相后的基本电压矢量将发生变化,重新构建了断相系统拓扑下新的电压矢量平面并基于新的基本电压矢量计算电压矢量占空比。实验结果证明了所提方法的有效性和优越性。
五桥臂逆变器双永磁电机三矢量预测控制
作者：耿强,王亮,周湛清,李新旻,王志强
摘要：在五桥臂逆变器双永磁电机系统中,传统预测控制策略是一个控制周期内每台电机上等效于只作用一个幅值、方向均固定的矢量,矢量调节范围有限,系统运行时电流波动较大。为减小双电机系统中电机电流波动,采用一种三矢量预测控制策略,该策略在每个控制周期内作用两个有效矢量和一个零矢量。首先依据两个有效矢量所对应公共桥臂的开关状态将其分组,然后通过两台电机各自独立的价值函数筛选出每组中最优的矢量组合,最后比较不同组的矢量组合,从中进一步选择系统最优矢量组合,并按规则合成五桥臂电压矢量作用于双电机系统。对矢量进行分组后,该策略每个控制周期只需要计算30次价值函数,有效减小了多矢量预测控制的计算次数。实验结果表明,与传统预测控制策略相比,该策略在保持动态响应快等优点的同时,有效减小了电流波动,并具备一定的抗参数扰动性,提高了系统的稳态性能。
开绕组永磁同步电机混合双矢量模型预测控制
作者：张晓光, 闫康, 张文涵
摘要：为了抑制共直流母线绕组开路永磁同步电机（OW-PMSM）控制系统中的零序电流并进一步提高电流质量,提出一种混合双矢量模型预测电流控制（MPCC）方法。首先,根据产生零序电压的大小将六个非零电压矢量进行分组;其次,利用参考电压矢量直接选择第一逆变器非零电压矢量与零矢量,并计算零矢量作用时间以实现对零序电流的控制;在此基础上,遴选第二逆变器的两个候选非零电压矢量并计算作用时间,从而实现对dq轴电流的跟踪。该方法中第一逆变器每个控制周期作用一个非零电压矢量与一个零矢量,第二个逆变器每个控制周期作用两个非零电压矢量,从而形成了混合双矢量方法。实验结果表明,提出的混合双矢量MPCC方法能够有效地抑制零序电流的产生,并减小电流脉动,提高了系统的稳态性能。
基于多核并行计算的永磁同步电机有限集模型预测控制策略
作者：刘涛,习金玉,宋战锋,王萌
摘要：有限集模型预测控制算法存在较长程序执行时间与较短控制周期之间的矛盾,算法执行效率低于传统线性控制算法,进而影响开关频率与控制精度的进一步提高。针对此问题,结合近几年微控制器在多核心领域的发展,以永磁同步电机为被控对象,提出一种基于多核并行计算的有限集模型预测控制策略。由于算法对数据、时序依赖度高,与微控制器中多核心独立运行特点相矛盾,为此,该文设计了双核、四核控制策略架构,并提出数据交换策略和动态标志位。通过搭建实验系统,对所提方法的动稳态性能、附加约束兼容性、程序执行时间进行分析对比,证明了所提方法能够在保持原算法控制性能和控制特点的基础上,有效降低算法执行时间。
电工理论
两种典型的场调制型永磁电机的对比分析
作者：石玉君,程子活,蹇林旎
摘要：该文对比分析了两种典型的场调制型永磁电机,即常规永磁游标电机和双永磁励磁电机的性能和特点。首先介绍两种电机的结构,总结它们的结构特点;接着通过推导两种电机的一般性表达式,即空载反电动势及输出转矩,揭示两种电机的工作原理,比较“单向磁场调制效应”与“双向磁场调制效应”;最后利用有限元法对比分析两台电机的性能,验证一般性表达式的正确性。有限元仿真结果表明,在相同的尺寸、定子槽数、定子齿数、绕组极对数、转子磁体极对数、线圈匝数、绕组联结方式、电负荷、铜损耗及转速的条件下,双永磁励磁电机在永磁体用量、反电动势、转矩密度、单位磁体体积的转矩、功率因数及效率方面优于常规永磁游标电机。
切向结构永磁同步电机磁钢径向并联组合研究
作者：孙少男, 冯桂宏, 李岩, 张炳义
摘要：针对低速大转矩切向结构永磁同步电机中磁钢尺寸对性能的影响进行研究。提出一种“工”字形排布的磁钢径向并联组合优化方案。在保证电机磁钢轴向长度和体积不变前提下，分析磁钢磁化方向长度变化对电机性能的影响。分析表明：磁钢的磁化方向长度在一定范围内增加可降低磁钢漏磁、增大反电动势和降低转矩波动；但磁钢的磁化方向长度过度增加会大大降低电机磁通面积，使得电机反电动势不增反降。在此基础上，提出一种降低磁钢漏磁、增大反电动势和降低转矩波动的三块磁钢径向并联组合的“工”字形排布方案：近气隙侧和近隔磁槽侧磁钢槽内分别插入磁化方向长度短、径向宽度窄的磁钢以降低近气隙侧和近隔磁套侧磁钢漏磁；近气隙侧磁钢和近隔磁槽侧磁钢之间采用磁化方向长度较短的磁钢以保证磁钢磁通面积降低得不多。通过仿真实验验证所提方案的可行性。
交直流混合激励下变压器用叠片式磁构件杂散损耗问题的数值模拟及实验验证
作者：赵小军,曹越芝,刘兰荣,王佳雯,程志光
摘要：基于TEAM-P21c基准模型深入研究交直流混合激励下变压器中叠片式磁构件杂散损耗的数值模拟及实验验证方法。考虑空载、负载条件下线圈损耗的差异,提出一种基于实验确定结构件杂散损耗的改进方法。搭建硅钢叠片磁特性、损耗特性测量系统,提出可考虑偏置磁场影响的铁损模型,并用于计算三维漏磁场激励下的叠片式磁构件的杂散损耗。通过磁场、损耗的仿真与实验结果对比,验证了该文方法的有效性。最终基于仿真及测量结果,分析了直流偏置磁场对杂散损耗的影响,得到了交直流混合激励下导磁构件中附加损耗的分布及其对杂散损耗的影响。
电力系统
考虑多元储能差异性的区域综合能源系统储能协同优化配置
作者：刁涵彬, 李培强, 吕小秀, 刘小龙, 李欣然
摘要：储能作为综合能源系统融合的纽带,如何配置电/热/冷多能存储是综合能源系统规划中的重要研究内容。该文提出考虑电/热/冷多元储能差异化建模的区域综合能源系统储能协同配置方法。多元储能协同配置的基础是耦合能量流和储能特性描述,在耦合能流上明确含电/热/冷三种能量形式的综合能源系统结构,并建立电-热网络模型;在储能特性描述上基于储能统一模型建立电储能有功-无功特性模型和热/冷储能精细化模型,并定义多元储能综合效率用于控制不同类型储能效率对能源综合利用效率和经济性的影响。建立多元储能协同配置模型,该模型用于得到多元储能额定容量、功率、位置等规划方案,以经济性、环保性为目标,有机融合了典型日优化运行;采用遗传算法和Gurobi求解器相结合的混合策略求解。算例表明多元储能协同配置、协调运行具有优越性;考虑多元储能之间的统一性和差异性有助于得到更加全面的储能配置方案。
基于不同网架结构的直流微电网稳定性分析
作者：朱晓荣, 李铮, 孟凡奇
摘要：不同网架结构下的直流微电网系统是否具有稳定性差异尚不明确,亟需开展研究。针对该问题,建立几种典型网架结构下系统的小信号模型,并基于参与因子以及系统特征根的变化,研究不同网架结构下系统参数对系统稳定性的影响规律。结果显示,单独改变源侧控制器参数,不同网架结构下系统的稳定性基本一致,仅存在谐振频率的差异;单独改变负载侧控制器参数,仅影响与负载有关的振荡模态,且负载与线路基本不产生交互作用;单独改变线路参数,由于源网间的交互作用,不同系统间出现稳定性差异。最后,通过仿真验证了理论分析的正确性。
采用深度迁移学习定位含直驱风机次同步振荡源机组的方法
作者：陈剑，杜文娟，王海风
摘要：随着新能源电力电子器件的广泛接入,电力系统次同步振荡问题的诱发机理越来越复杂。为了能够及时定位到诱发次同步振荡的机组并采取措施,基于深度迁移学习提出了一种次同步振荡源定位的方法。该方法首先依据开环模式谐振理论构建仿真系统,并在仿真系统中获取训练数据样本;其次,运用卷积神经网络（CNN）进行振荡源特征提取并建立训练定位模型;最后,通过迁移学习将训练模型迁移到实际系统,以实现定位模型的应用。为验证所提方法的有效性,设计了含直驱风机并网的电力系统的仿真系统测试算例。结果表明,该方法相比于传统的特征值分析方法,具有定位准确率高、在线应用方便等优势。该方法能够在较短时间内给出判别结果,为实现振荡源的在线识别奠定了基础。
电气化铁路不停电过分相电磁暂态及抑制措施研究
作者：王小君，毕成杰，金程，姚超
摘要：列车不停电过分相时,存在过电压和过电流现象,给电气化铁路带来不利影响。该文结合仿真数据研究了不同暂态过程中的过电压水平特性,分析了开关操作相角对过电压幅值的影响,研究了合闸角度、分相位置、剩磁大小等因素对过分相时的励磁涌流的影响程度。最后,针对不停电过分相过程,提出了三种过分相的优化策略及抑制措施,从控制难度、投资成本、抑制效果方面进行比较后确定了晶闸管与阻容吸收装置搭配是最适合不停电过分相的优化策略。
基于交叉重叠差分变换的MMC-HVDC线路故障识别方法
作者：束洪春, 代月, 安娜, 田鑫萃, 王广雪
摘要：在基于模块化多电平换流器（MMC）的柔性直流输电系统中,高效可靠地识别线路故障是系统安全经济运行的重要保证之一。为快速可靠识别线路故障,提出一种基于交叉重叠差分（SOD）变换的区内外故障识别方法。首先分析MMC等效阻抗模型形成的物理边界对高频分量的衰减作用,当线路发生内部故障时,其故障电压起始变化陡峭、幅值大、长时窗时域波形有振荡;当线路发生外部故障时,其故障电压起始变化平缓、幅值小。其次利用交叉重叠差分对故障电压和故障电流进行变换,变换后的电压和电流信号相乘得到SP,定义K为SP绝对值的最大值,根据K值判断区内外故障。在PSCAD/EMTDC上搭建MMC-HVDC系统仿真模型,仿真结果表明,该方法能可靠准确地识别区内外故障,速动性好,具有较强的耐过渡电阻能力和适用性。
含边界元件的MMC-MTDC直流侧单端量故障辨识方法
作者：付华，陈浩轩，李秀菊，陈润晶
摘要：直流侧故障辨识是基于模块化多电平换流器（MMC）的多端直流输电（MTDC）系统急需解决的重大科学问题。分析直流线路的边界特性与极间耦合特性,提出一种基于单端暂态能量的故障辨识方法。通过区内、外故障的暂态特征以及方向元件,构建故障线路选择判据;并利用母线相连线路的方向元件和交流侧故障的暂态特性,构造母线故障识别判据;再根据两极低频电流差异,设计故障极判别判据。该方法能快速辨识直流侧故障,无需两端通信,能够满足MMC-MTDC系统对辨识方法速动性与选择性的要求。最后结合张北四端柔性直流系统的PSCAD仿真模型,验证了所提方法在不同的故障类型、故障位置和过渡电阻下均能准确检测到故障,且具备一定的抗过渡电阻能力。
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