抢鲜看｜《电工技术学报》2022年第10期目次及摘要

电工理论

水下具有旋转耦合机构的电场耦合无线电能传输系统及参数优化方法

作者：苏玉刚；钱林俊；刘哲；邓仁为；孙跃

摘要：现有水下环境的电场耦合式无线电能传输（EC-WPT）系统耦合机构大多采用平板式,无法适用于水下旋转场合无线供电应用场景。针对以上问题,提出一种水下具有旋转耦合机构的EC-WPT系统,给出耦合机构绝缘层相对介电常数和厚度对耦合电容的影响规律和绝缘层材料及厚度的选取方法,并建立耦合机构模型;以双侧LC补偿的EC-WPT系统为例,建立该系统的等效电路模型,以系统输出功率和传输效率为优化目标,将抗偏移性作为约束条件之一,给出基于第二代非支配排序遗传算法（NSGA-II）的多约束多目标优化方法;通过LT-Spice仿真验证了参数优化方法的可行性和有效性;实验中搭建具有水下旋转耦合机构的EC-WPT系统样机,实现311W的功率传输,效率为87.4%,系统具有良好的抗偏移性。实验比较了水下和空气中的能量传输性能,在耦合机构及参数优化方法相同的情况下,系统在水下的输出功率比空气中高约2倍,并且在水下的抗偏移性优于空气环境。

轨道交通350kW大功率无线电能传输系统研究

作者：陈凯楠；蒋烨；檀添；林秋琼；李剑超等

摘要：无线电能传输（WPT）技术应用于轨道交通领域,可解决传统接触式供电在安全性、可靠性和经济性等方面的问题。但相比于当前主流WPT研究,该应用场景所涉及的功率大、系统复杂、实现难度较高,且在运动、机械等方面亦具有自身特征,存在诸多关键技术问题有待解决。该文从拓扑架构、磁耦合机构、系统建模与参数优化、控制策略等方面对其开展研究,取得了若干阶段性成果,并基于此研发350kW轨道交通无线充电系统样机,在功率传输能力、系统效率、输出特性等方面均取得了较好的效果。该文将从这一系统入手,对大功率轨道交通WPT的关键技术和实现方案进行阐述和探讨,力求为大功率WPT技术的发展及其在轨道交通中的应用提供助力。

基于LCL-LCL/S混合自切换谐振式无线充电系统

作者：郭星；刘利强；齐咏生；高学金；李永亭

摘要：为了减少混合谐振式无线充电系统的开关器件和无源元件数量,提高系统输出功率,同时简化原、副边的控制策略,提出一种基于LCL-LCL/S混合自切换谐振式无线充电系统,无需原、副边通信和增加任何无源元件,仅通过LCL结构的自投切操作更改拓扑网络来实现无线充电系统恒流恒压的切换。首先,依靠T型网络分析恒流或恒压输出与输入阻抗呈纯阻性的关系;然后,引入混合型补偿网络数学模型,分析实现系统输入电流和电压之间零相角（ZPA）与恒流或恒压输出特性的参数配置条件;接着,依据蓄电池充电曲线特征、谐振电流阈值、电压跳变阈值和耦合系数变化约束,进一步提出一种适用于混合谐振式拓扑网络参数优化的设计方法,在避免谐振网络参数经验选值的局限性导致参数不确定性问题的同时,也为参数选取提供了理论依据;最后,搭建实验平台验证该方案的可行性与有效性。实验结果表明,优化谐振网络参数的无线充电系统具有较好的恒流恒压输出特性,系统最大传输效率为81%,完全满足恒流恒压无线充电需求。

电机及其系统

考虑互感的多齿开关磁链永磁记忆电机的精确磁路模型

作者：沈月芬；刘旭

摘要：由于多齿开关磁链永磁记忆电机（Multi-tooth SFPMMM）相邻电枢绕组之间互感较大,在设计时如果忽略互感会产生较大的误差。为了提高优化设计精度,该文提出一种考虑相间互感和端部漏磁的等效磁路模型（EMCM）法。建立考虑多齿SFPMMM相邻两相互感的等效磁路模型。最后,用有限元仿真和实验样机分别进行验证,结果表明,与未考虑互感时的EMCM相比,使用所提出的模型,空载反电动势计算精度提高了15.3%。

高模数电磁力对永磁电机电磁振动影响

作者：洪剑锋；王善铭；孙宇光；孙旭东；曹海翔

摘要：分析了永磁电机在空载和负载工况下高模数电磁力波对电机电磁振动的影响。首先通过麦克斯韦应力张量法推导了电机电磁力波的幅值、频率和模数特征。其次阐述了引起永磁电机低阶电磁振动源的高模数和低模数电磁力波特点并探讨了齿宽对两种电磁力的影响。然后计算和详细对比了电机空载和负载工况下两种电磁力波对低阶电磁振动的贡献,并用模态叠加法仿真电机的振动,对理论进行验证。最后在一台10极12槽永磁电机上进行空载电磁振动实验,与仿真计算结果吻合较好。研究表明,高模数电磁力波能引起较大的低阶电磁振动,但在分数槽电机中,其贡献程度随负载的增加而减弱。该文的研究将为永磁电机电磁振动的准确预测和减振提供思路。

基于周期谐波扩频调制的永磁同步电机高频边带声振抑制

作者：邱子桢；陈勇；成海全；刘旭；谷丰收

摘要：该文以电动汽车后桥驱动用12槽-10极永磁同步电机及其控制系统为研究对象,基于周期谐波扩频调制技术,对常规空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术所引入的边带谐波成分与高频声振响应进行抑制与优化研究。分析了边带电流谐波频谱与径向电磁力主要的阶次特征分布。建立了完整的谐波扩频功率谱解析模型,对锯齿波和正弦波两种典型的周期信号进行了理论解析,并分析了扩频宽度和调制因子对抑制效果的影响。通过样机及测控实验平台,对不同工况下的边带电流谐波和声振响应进行了验证。结果表明,周期谐波扩频调制能够有效抑制边带电流谐波,多转速工况下噪声响应的中心频带优化20dBA以上;锯齿波扩频调制的抑制效果优于正弦波扩频调制;正弦波扩频调制对扩频宽度的变化较为敏感。

超高速永磁电机驱动系统电流环稳定性分析与改进设计

作者：鲍旭聪；王晓琳；顾聪；石滕瑞

摘要：超高速永磁电机驱动系统在超高基频运行条件下,延迟会严重影响系统稳定性。该文对电流环动态模型进行精确重构,并系统分析高基频运行条件下延迟引入的交叉耦合与时延效应对系统稳定性的影响。在此基础上,提出一种适用于超高速电机的基于双采样电流预测的阻尼-积分型电流环调节机制,通过对系统阻尼比进行补偿,消除附加交叉耦合影响。此外,该文还设计一种分段执行式的双采样电流预测算法,可在不依赖任何参数的情况下实现下一拍反馈电流预测,有效补偿系统稳定裕度。以上两个措施为确保超高基频系统全局稳定提供有力保障。最后,在一台550000r/min/110W超高速实验样机平台上,对所提改进型电流环调节机制进行充分仿真与实验分析,有效验证了所提方案的有效性与优越性。

高霍尔位置检测精度的圆筒型永磁同步直线电机设计

作者：张春雷；张辉；叶佩青

摘要：由于具有价格低、对机械扰动不敏感的优势,线性霍尔传感器被应用于圆筒型永磁同步直线电机动子位置检测。但线性霍尔传感器位置辨识精度会受到磁场谐波的影响而下降。为提升霍尔传感器的位置检测精度,该文在考虑机械加工误差的情况下,进行直线电机的可靠性与鲁棒性优化设计。首先,建立直线电机位置辨识精度与电机推力的解析模型,基于解析模型分析设计变量与设计指标之间的影响关系。然后,使用神经网络建立直线电机设计指标的响应曲面模型,通过不同推力系数下Pareto最优前沿得到优化设计的概率约束条件。最后,使用可靠性与鲁棒性优化设计的方法,在略微削减推力系数与磁通密度峰值的情况下,大幅降低磁场谐波含量,将电机霍尔位置的检测精度从357μm提升至109μm。

中速磁悬浮列车分段式长定子永磁直线同步电机牵引控制策略

作者：赵牧天；葛琼璇；朱进权；王晓新；王珂

摘要：采用分段式长定子永磁直线同步电机牵引的中速磁悬浮列车在定子段换步时,相邻定子段绕组交链的永磁磁链的改变会导致牵引力损失,除此以外,在牵引过程中,馈电电缆长度的增加使得电机漏阻抗增大,在变流器供电容量的限制下,列车无法在试验线中完成全速度运行。该文首先建立含有定子段换步的长定子永磁直线同步电机数学模型,在此基础上,提出全速度运行的换步控制策略,以及适用于该电机的弱磁控制策略。该策略对q轴电流实时分配,保证在换步区间相邻定子段的q轴电流均跟随参考值;利用电机端电压计算得到d轴电流参考值,使电机在id=0控制和弱磁控制两种工况之间平滑切换。通过硬件在环实验,验证了采用所提策略可在线路长度和变流器容量限制下,实现列车全速度运行,并消除电机在定子段换步时的牵引力损失。

基于扩展滑模扰动观测器的永磁直线同步电机定结构滑模位置跟踪控制

作者：武志涛；李帅；程万胜

摘要：由于永磁直线同步电机位置伺服系统易受参数扰动、外部干扰和端部效应的影响,该文提出一种定结构滑模控制器与扩展滑模扰动观测器相结合的复合式滑模位置控制方法。定结构滑模控制器通过加入限制条件,保证了系统状态都位于滑模面的同一侧,削弱了传统变结构滑模控制器由切换控制产生的抖振现象,提高了滑模滑动运动的品质。扩展滑模扰动观测器可以对定结构滑模控制器中无法精确测量的系统扰动项进行观测并补偿,从而消除了系统扰动项对定结构滑模控制器的影响。最后通过实验验证了该复合式滑模控制方法的有效性。实验结果表明,相比于传统的滑模控制,该复合式滑模控制方法可以实现更高的位置跟踪精度,不仅削弱了抖振现象,而且增强了位置跟踪系统的鲁棒性能。

全闭环伺服驱动系统位置控制通信延时补偿技术

作者：倪启南；杨明；李云嵩；徐殿国

摘要：现代数控系统通常采用数控装置负责计算、伺服驱动器负责执行的结构理念,二者间的总线数据交互不可避免地存在通信延时,尤其在高速进给的应用场合中,为了避免由通信延时引起的超调及控制精度降低的问题,该文对全闭环数控系统时延问题展开研究。首先,基于双位置反馈控制架构,建立含通信延时的全闭环伺服驱动系统模型,采用频率根轨迹分析方法,分析通信延时对系统稳定性的影响,指出延时补偿的必要性。为了更好地对通信延时进行补偿,研究并设计Smith预估补偿器,分析Smith预估补偿器在应用中存在的模型失配问题,在此基础上,总结模型误差来源。最后,结合扰动观测器理论,设计基于扰动观测器的通信扰动观测补偿策略,解决模型失配问题在通信延时补偿中的影响,提高延时补偿方法的适用性和简易性。通过仿真验证所提算法的有效性。

电力电子

基于开关轨迹优化的SiC MOSFET有源驱动电路研究综述

作者：王宁；张建忠

摘要：随着SiC MOSFET的推广,其开关暂态过程中的超调、振荡以及电磁干扰问题越来越受到人们的重视。有源栅极驱动（AGD）电路作为一种新型驱动电路,已被广泛应用于SiC MOSFET开关轨迹的优化控制。首先,该文分析AGD电路的工作原理,给出不同驱动参数对开关特性的影响;其次,着重探讨阈值触发型AGD电路的工作模式,分别从暂态定位技术、逻辑处理架构和功率放大拓扑三方面对AGD电路进行归纳总结,并评价不同技术的优缺点,给出AGD电路设计的建议流程;最后,展望基于SiC MOSFET开关轨迹优化的AGD电路的发展趋势。

SiC MOSFET短路保护技术综述

作者：文阳；杨媛；宁红英；张瑜；高勇

摘要：随着电力电子技术的飞速发展,SiC MOSFET以优异的材料特性在高频、高压、高温电力电子应用中展现了显著的优势。然而,SiC MOSFET较高的开关速度与较弱的短路承受能力对短路保护技术带来了新的挑战。该文首先介绍SiC MOSFET不同短路类型以及短路测试方法;其次对SiC MOSFET短路失效模式及失效机理进行分析;然后详细梳理现有SiC MOSFET短路检测与短路关断技术的原理与优缺点,讨论现有SiC MOSFET短路保护技术在应用中存在的问题与挑战;最后对SiC MOSFET短路保护技术的发展趋势进行展望。

基于MOSFET的串联谐振双有源桥死区振荡机理分析及抑制

作者：胡钰杰；李子欣；赵聪；罗龙；李耀华

摘要：基于MOSFET的串联谐振双有源桥（DAB）变换器可同时实现所有功率器件的零电压开通（ZVS）和零电流关断（ZCS）,具有效率高的优点,被广泛应用于电力电子变压器（PET）隔离DC-DC环节。然而,在采用隔离变压器的DAB中,由于MOSFET寄生电容的存在,在死区时间内器件寄生电容与隔离变压器漏感会产生高频振荡,增加了通态损耗。该文建立死区时间内串联谐振DAB的等效电路,分析死区时间内高频振荡电流幅值与关断时刻电流的数学关系。为抑制高频振荡,提出基于开关频率微调的振荡抑制方法。实验结果表明了理论分析的正确性和高频振荡抑制方法的有效性。

结合电流应力优化与虚拟电压补偿的双有源桥DC-DC变换器三重移相优化控制

作者：蔡逢煌；石安邦；江加辉；王武；林琼斌

摘要：为了同时减小双有源桥（DAB）DC-DC变换器的电流应力和提高动态响应速度,该文在建立三重移相下六种模式的传输功率、电流应力等工作特性模型的基础上,提出一种基于三重移相的结合电流应力优化与虚拟电压补偿的控制方法。该方法由电流应力最优移相角模型和虚拟电压补偿方法构成,通过KKT条件获取电流应力最优的移相角模型,结合虚拟电压补偿方案估算传输功率值以提高负载突变及输入电压扰动时的动态响应速度。该方法在保证电流应力优化的同时,能够实现快速的动态响应,并且参数易于调节,可移植性好。最后,搭建了一台小功率样机进行三种方案的对比实验,验证了该文控制方法的正确性及优越性。

四开关Buck-Boost变换器的多模式模型预测控制策略

作者：吴岩；王玮；曾国宏；吴学智；唐芬

摘要：四开关Buck-Boost变换器具有多种工作模式,适用于宽电压范围变换的场合,如何选择适合的工作模式以及实现平滑的模式切换是其需要解决的关键问题。该文提出一种四开关Buck-Boost变换器的多模式模型预测控制策略,根据电压变换需求确定了四种工作模式,在传统Buck和Boost模式的基础上加入两种扩展模式,消除Buck和Boost模式在输入电压和输出电压接近时存在的控制死区,利用模型预测控制方法的预测机制实现各工作模式的电流预测控制,同时,根据下一控制周期内不同工作模式的占空比预测结果,选择最适合的工作模式。仿真和实验结果表明,所提控制策略可以有效地选择四开关Buck-Boost变换器最适合的工作模式以及实现较平滑的模式切换,而且具有良好的动态响应性能。

基于序阻抗的虚拟同步机同步频率谐振现象

作者：于彦雪；关万琳；陈晓光；李浩昱

摘要：针对虚拟同步机（VSG）的同步频率谐振（SFR）现象,鉴于多输入多输出功率耦合模型的不足,通过建立可描述VSG宽频域动态特性的单输入单输出序阻抗模型,提出一种基于序导纳和序阻抗的SFR分析方法,并对单环和多环控制VSG的SFR现象进行对比研究。基于序导纳的极点分布,有效研究SFR与VSG功率环控制参数、虚拟阻抗、内环控制及电网阻抗之间的关系;基于序阻抗的频率特性曲线,对比内环控制引入前后SFR的阻尼特性,从“负阻尼”的角度揭示单环和多环控制VSG的SFR谐振机理;搭建基于RT-Box的实验平台,验证VSG在不同控制方案及不同电网阻抗下的SFR现象,指明VSG控制的优化设计方向。

逆变型分布式电源并网运行暂态稳定机理与评估方法

作者：余墨多；黄文焘；邰能灵；马洲俊；林亚阳

摘要：逆变型分布式电源（IIDG）是可再生能源在配电网中的重要应用方式,其稳定运行依赖于控制策略及其所接入的配电网系统。在配电网发生暂态事件时,IIDG暂态响应复杂,易出现输出功率、功角等波动或振荡。该文以IIDG控制系统及其接入电网的数学模型为基础,分析功角特性曲线,以功角曲线簇提出其暂态稳定性判据。对影响IIDG暂态稳定性的并网参数、额定功率进行系统性分析,比较不同参数对暂态稳定性的影响。通过刻画暂态过程,提出了暂稳迭代判定法,迭代计算暂态事件下IIDG的功角变化并对其暂态稳定性进行判断。在PSCAD/EMTDC中建立仿真算例,验证了IIDG暂态稳定性机理,并通过改变并网的网络参数,证明了暂稳迭代判定法的有效性与准确性。

无通信高电能质量的微电网平滑切换控制策略

作者：郭慧珠；孟鑫；贺明智；刘雪山；刘进军

摘要：该文提出一种具有高电能质量且无需远程通信线的微电网平滑切换控制策略。微电网主要由多台并联分布式发电单元和一台预同步单元构成,针对分布式发电单元中的接口逆变器提出一种统一并网电流控制结构,具有如下优点：①无需孤岛检测便能实现逆变器并网运行状态电流控制模式和孤岛运行状态电压控制模式的自动切换,以确保负载供电质量;②所提统一并网电流控制结构能有效抑制并网电流与电容电压中的谐波;③当电网频率发生波动时,逆变器仍能按照指令值输出相应的有功及无功功率,并且在并网运行状态无需锁相环或锁频环即可实现与电网同步。此外,所提出的预同步单元能够在不依赖远程通信线的情况下实现微电网电压与电网电压的预同步控制,减小孤岛运行状态转为并网运行状态时的冲击电流。最后,对控制参数进行优化设计,并通过实验验证所提控制策略的有效性和可行性。

基于辅助绕组的高频变压器绕组损耗测量方法

作者：汪涛；骆仁松；文继峰；张茂强；田杰

摘要：绕组损耗测量是目前大功率高频变压器（HFT）建模与设计中的难点,高精度的绕组损耗测量方法是校验绕组损耗理论研究正确性、提高建模与仿真精度的重要手段。目前广泛采用的短路阻抗测量方法的精度随测量频率的升高而降低,并不适用于HFT。借助辅助绕组（AW）提供额外测量节点是提高绕组损耗测量精度的有效措施。首先建立包含AW杂散参数的等效电路模型,基于该模型的分析结果表明,AW与被测绕组（WUT）之间漏感及耦合电容决定了绕组损耗测量频率范围及精度。提出一种考虑耦合电容的绕组电阻测量校正方法,降低耦合电容的影响,保证了高频下的测量精度。采用利兹线绕组中单股线作为AW以及AW与WUT之间的漏感被降至极低水平,扩展了测量频率范围,同时降低了工程实践难度。通过对一台100kV•A HFT样机绕组参数的测量,验证了电路模型和校正方法的有效性,并实现了1MHz频率下绕组交流电阻的有效测量。

智能电器

电磁开关高频吸持噪声抑制策略

作者：汤龙飞；庄剑雄；孙怀懿；许志红

摘要：该文针对电磁开关在PWM闭环控制下引起的高频吸持噪声问题展开研究,提出一种电磁开关高频吸持噪声抑制的自适应控制策略。首先,分析电磁开关PWM闭环控制高频吸持噪声产生的几个影响因素,据此提出需要综合采取三项措施来抑制这一高频噪声;然后,结合电磁开关实际运行特点,设计基于模糊控制的电磁开关高频吸持噪声自适应抑制策略,通过模糊控制逻辑整合on/off控制、自整定PID控制以及伪开环控制各自的优点,来实施噪声抑制措施;最后,构建电磁开关联合仿真模型,开发基于CompactRIO的电磁开关快速控制原型验证系统,对电磁开关噪声与振动信号进行频域分析,对控制策略进行验证,仿真及实验结果证明所提控制策略能够有效抑制电磁开关的高频吸持噪声。

考虑气动系统的高速受电弓分层控制

作者：杨鹏；张静；金伟；刘志刚

摘要：针对气动系统动态特性影响受电弓主动控制精度的难题,提出一种计及响应时间延迟的分层控制策略。上层控制器采用混合H2/H∞H2/H∞鲁棒控制策略。根据设定的受电弓运行状态的3个性能指标,构建多目标状态反馈控制律。通过求解线性矩阵不等式,得出主动控制力;下层控制器基于内模控制（IMC）理论,采用遗传算法,建立气动系统的一阶等效简化模型,设计仅与单一参数相关的内模-比例积分微分（PID）控制器。加快对上层控制器输出控制值的跟踪速率。通过列车不同运行速度下的仿真计算,验证了分层控制器的有效性和鲁棒性。仿真结果表明,下层控制器能够有效减少响应时间,明显改善气动系统的响应延迟。相比于传统单层控制,分层控制的接触力标准差下降率提高10%左右,有效抑制了弓网耦合振动,提高了高速弓网受流质量。

基于波形匹配端点延拓法优化的经验模态分解算法在铁路继电器参数降噪上的应用

作者：李文华；姜惠；赵正元；潘如政；胡康生

摘要：针对铁路继电器参数的噪声问题,为提取其有效信息,该文建立一种基于改进波形匹配延拓法优化的经验模态分解（EMD）算法,利用自相关函数分离含噪信号,小波阈值去除噪声的混合降噪模型。首先根据继电器参数特点对波形匹配方法进行改进,重新定义匹配误差度公式,并引入匹配精度误差系数,采用改进波形匹配延拓法优化EMD分解过程产生的端点效应,得到有效的固有模态分量（IMF）和余项;然后求解其自相关函数,并根据自相关函数图像结合噪声信号特征分离出含噪分量;最后对含噪分量进行小波阈值去噪,去噪后与剩余分量和余项结合,得到重构后的参数序列。同时,提出利用结构相似性（SSIM）评价指标,结合信噪比（SNR）、方均误差（MSE）指数对模型可靠度评判。通过结果分析,并与EMD分解后重构和小波阈值去噪方法作对比,证明该模型可优化铁路继电器参数的降噪效果。

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