网络首发｜《电工技术学报》2023年4月1日更新（20篇）

恒定气隙接触器无位置传感器控制与动态特性分析

作者：王公润, 董恩源, 王永兴, 尹升, 吉盈东

摘要：为减少接触器的触头弹跳,针对恒定气隙接触器提出一种位置预测方法,使用等效磁路法与参数辨识从永磁体磁链中提取位置信息,随后依据位置信息实施控制。建立磁力机构等效磁路模型,推导出动态磁链、位移与电流的映射关系,实验验证了映射关系的合理性。通过实验获得位移、电压与电流,根据实验数据计算磁链,采用多元回归的方法获取位移的映射的参数,完成了接触器位置预测。通过有限元模型的参数扫描功能,建立驱动力、磁链的两个曲面,通过插值的方法完成接触器的建模,从而进行位置预测以及无位置控制的仿真。使用磁力机构驱动的接触器进行实验,实验结果表明,新型无位置传感器控制方法适用于恒定气隙接触器,验证了位置预测的准确性与控制方法的有效性。

大功率高频变压器三维温升计算及优化设计方法

作者：骆仁松, 汪涛, 文继峰, 王子龙, 虞晓阳

摘要：三维温升计算是大功率高频变压器(HFT)建模中的难点问题,准确、快速的热模型对于HFT优化设计和稳定运行有着重要意义。目前普遍采用降维方式建立集总参数热网络模型,其计算精易受结构参数影响,在宽参数范围寻优中难以实现准确的热点预测。本文基于有限差分方法（FDM）构建了HFT三维热模型,并对离散化误差及其控制方法进行了分析。借助有限元仿真对三维热模型的参数适应性进行了详细校验,包括结构尺寸、损耗密度及散热条件,校验结果表明该模型在宽参数范围内的最大误差小于10%。以10kHz 150kW变压器为例进行优化设计,单次三维温升计算平均耗时2.8ms,最优设计边界上的最高温升计算误差低于5.5%。根据优化设计结果加工150kW变压器原型样机并进行额定功率测试,最高温升计算误差为3%。

计及调峰辅助服务的风电场/群经济制氢容量计算

作者：孔令国, 陈钥含, 万燕鸣, 王晓晨, 韩子娇, 刘闯, 蔡国伟

摘要：针对“双碳”目标下风电深度消纳及电网灵活性提升的规模化风电制氢经济容量配置问题,本文提出了计及调峰辅助服务的风电场/群经济制氢容量计算方法,实现单个风电场及省级风电最佳制氢容量计算。在计及电解水制氢系统规模化成本效应的情况下,以净现值最大为目标,考虑电网调峰需求,构建制氢容量经济优化目标函数,对电解水制氢系统的初始投资成本、制氢电价、氢气售卖价格、电解槽转化率和设备退化率等参数进行敏感性分析,并在其基础上预测未来风电场/群制氢经济性。通过吉林省49个风电场的数据进行算例分析,结果表明,风电制氢参与调峰辅助服务市场能够在最大化消纳风电、提升电网动态调节能力的同时,计算出49个风电场及吉林省省级最佳经济制氢容量。本文为风电场/群制氢容量配置提供有效计算方法。

基于不同时段内积投影的灵活接地系统高阻故障选线方法

作者：王晓卫, 刘伟博, 郭亮, 梁振锋

摘要：针对灵活接地配电系统在发生高阻故障时,无法实现准确选线的问题,通过分析灵活接地系统故障特征得出,中性点小电阻投入后故障馈线与健全馈线在零序电流幅值上存在差异,同时,小电阻投入后母线零序电压发生明显降低,由此,本文提出了一种基于中性点小电阻投入前后不同时段下计算内积投影的高阻故障选线方法,具体为：首先,将小电阻投入后各馈线零序电流对投入前的母线零序电压做内积投影,由此构建判据1;其次,将小电阻投入后各馈线零序电流对投入前的中性点电流做内积投影,由此构建判据2;最后,当判据1与2判定的故障馈线结果一致时,由此,得到故障馈线。大量仿真实验表明,在非同步采样、数据缺失与电弧等故障工况下,本文方法具有良好的稳定性,与现有方法对比可知,本文方法判定时间短,且适应电流互感器反接工况。

计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略

作者：高锋阳, 宋志翔, 高建宁, 高翾宇, 杨凯文

摘要：近年来,为实现电气化铁路“双碳”目标,多项铁路用能优化举措投入实施并取得一定成效,然而,单靠能耗优化治标不治本。为根治电气化铁路碳排放问题,在保证系统稳定运行的基础上,基于智能电网理念,提出计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略。首先,构建计及光伏和储能接入的牵引供电系统;其次,基于电力市场电价及新能源出力,采用日前联合调控、日内滚动调节以及实时优化控制铁路用能,并通过分层分级优化,打破各“源”端相对独立、各自为政的壁垒,实现多能互补;最后,通过共享储能模式,降低储能装置闲置率并提高新能源利用率。仿真结果表明,所提出的能量管理策略可在保障系统运行稳定和安全的基础上有效降低系统运行成本,同时保持良好的电能质量。

身管外壳对电磁轨道发射装置发射性能影响分析

作者：翟小飞, 邹锟, 李配飞, 刘华, 彭之然

摘要：电枢在发射过程中,瞬时变化的导轨电流会在金属身管外壳上感应出巨大的涡流,身管涡流会产生额外的损耗,同时外壳涡流的去磁效应会改变电枢、导轨等器部件的应力分布从而影响装置发射性能。建立了电磁轨道发射装置的数学模型,并针对整体式、上下分断式以及叠压式的三种外壳结构有限元模型进行了电磁场—结构场联合仿真,获得了发射装置电磁参数和各部件应力分布。有限元电磁仿真结果表明：叠压式外壳结构外壳涡流最小、电感梯度最大、器部件应力最大,整体式外壳结构外壳涡流最大、电感梯度最小、器部件应力最小。全系统电气仿真和对比实验证明,在满足外壳支持强度和装置各部件应力条件下,选用高磁导率、低电导率的材料并设计抑制涡流的身管外壳结构,有利于提高发射装置电枢出口速度和系统效率,从而获得优良的发射性能。

椭球电极负电晕放电的数值仿真研究

作者：卢斌先, 岳战兵, 黄未啸, 马浩

摘要：电晕放电的研究对深入理解高压电气设备内部各种缺陷的电晕放电机理有着重要的意义。耦合流体动力学方程和泊松方程,建立了椭球电极的负电晕放电模型,应用有限元方法分析了放电电流脉冲和正离子浓度分布,首次通过数值仿真分析了椭球电极环模式放电。研究了不同施加电压以及电极形状对椭球电极负电晕放电的影响机理。结果表明,施加的电压、电极形状对椭球电极负电晕放电电流脉冲数、脉冲波形特性以及放电脉冲模式等有很大的影响

横向磁通永磁直线电机电磁振动特性分析

作者：赵玫, 赵君, 左思承, 禹国栋, 张华强

摘要：横向磁通永磁直线电机的电负荷与磁负荷相互解耦且各相之间相互解耦,易于实现模块化和多相化,因此在石油开采领域有着良好的应用前景。本文基于磁场调制原理,对横向磁通永磁直线电机的径向电磁力波进行了推导计算,得出对径向电磁力波影响最大的因素为轴向气隙磁密分量与径向气隙磁密分量,在此基础上对径向电磁力波的时空特性与频谱特性进行仿真计算,得出电枢磁密对电机径向电磁力波的频谱特性的影响;然后考虑到电机实际运行中可能出现的次级偏心问题,揭示偏心度的大小对径向电磁力波幅值的影响,并对比不同偏心度下的电机径向磁拉力与轴向磁拉力,定量分析偏心度对不平衡磁拉力的影响;最后,为避免共振,利用有限元软件对电机的初级进行了模态分析与谐响应分析,结果表明低速状态下横向磁通永磁直线电机的额定运行频率较低,不会引起初级的共振,适合用作往复式潜油电泵的驱动电机。

基于非对称弹簧的宽频率范围振动能量收集器

作者：高凯, 彭晗, 王劭菁, 徐鹏, 陈永, 陈佳桦, 孙寒燚

摘要：为了改善单共振点振动能量收集器频带范围窄,对环境中随机分布的宽频域范围振动能量收集功率低的问题,该文提出一种基于非对称弹簧的宽范围振动能量收集器。首先,在阐述振动能量收集器的基本原理的基础上,分析了弯曲横梁弹簧结构特性以及关键参数对于共振频率的影响规律。在此基础上,提出一种基于非对称弹簧的宽范围振动能量收集装置,详细讨论了其结构的基本原理和运动模式,并对不同弹簧组合形成的收集器进行了仿真分析。最后,制作了样机进行实验,得到不同的非对称弹簧下的输出特性,其中1 mm厚度的非对称弹簧结构在67 Hz、115 Hz的振动激励下输出功率分别达到1.36 mW和0.16 mW,收集频率范围提高一倍。

基于互感识别及移相角优化的全方位WPT系统靶向传能方法

作者：冯天旭, 史可, 孙跃, 王佩月, 蒋金橙

摘要：针对传统无线电能传输（WPT）系统中发射线圈与接收线圈发生位置或角度偏移时系统输出能效急剧下降的问题,该文提出靶向传能式全方位WPT系统,可使接收线圈处于任意方位时均能实现高效率全方位无线传能。论文采用具备全方位磁能发射能力的复合平面线圈作为发射机构,基于三个独立逆变器及LCC谐振补偿网络建立系统模型,推导耦合机构效率与互感及移相角的关系。在此基础上,提出基于互感识别及移相角优化的全方位WPT系统靶向传能方法,通过互感识别以间接判断出“靶”（即,接收线圈）的方位,通过移相角优化以获得靶向传能所需的激励电流。实验结果表明接收线圈在±60mm范围内任意移动或者旋转时的系统直流-直流效率均大于80%,提出的靶向方法比传统的旋转方法的传能效率至少高10%。

高空电磁脉冲晚期成分作用下500kV变压器无功损耗仿真研究

作者：杨一帆, 刘民周, 谢彦召, 陈宇浩, 田爽

摘要：高空电磁脉冲晚期成分（HEMP E3）效应会在变压器中性点与大地构成的回路中产生地磁感应电流（GIC）,严重时使变压器铁心半波饱和,进而导致励磁电流严重畸变,无功损耗急剧增加,局部过热和振动加剧等后果。为准确分析电力变压器在HEMP E3作用下的无功损耗特性,本文搭建了HEMP E3对500kV电力变压器作用的电磁暂态仿真模型,基于IEC 61000—2—9给出的标准HEMP E3波形,定量分析了感应电场幅值、上升时间、下降时间以及变压器带负载情况等对电力变压器的影响规律。分析结果表明,HEMP E3 作用下500kV变压器无功损耗与GIC呈正相关性,且无功损耗波形滞后于感应电场的变化;HEMP E3感应电场的下降时间对500kV变压器无功损耗的影响远超上升变化;负载阻抗的阻值相同时,容性负载下的励磁电流和无功损耗幅值最大,感性负载下幅值最小。研究结果为进一步评估HEMP E3对电力系统稳定性的影响提供重要依据。

基于单相无刷直流电机的高效全速域无位置控制策略研究

作者：郝振洋, 张嘉文, 杨健, 曹鑫, 张雅

摘要：以单相无刷直流电机控制系统(Single-Phase Brushless DC Motor,SPBLDC)为研究对象,针对小型风机位置传感器安装受限等问题,提出了基于单相无刷直流电机的高效全速域无位置控制策略,该策略通过单相I/f电流幅值与功率因数补偿相结合的控制方法实现。通过构建SPBLDC的小信号模型,根据小信号根轨迹分析法,分别对单相I/f电流幅值控制以及单相I/f电流幅值与功率因数补偿相结合控制方法下系统全速域稳态及动态调速过程进行稳定性分析,选取了合适的升速斜率,理论分析了该控制策略能够提高电机运行效率,同时保证系统全速域均具备良好的稳定性能。在MATLAB/Simulink环境中仿真验证该控制策略下系统全速域均高效运行于最大转矩/电流比状态,电机转速、电流收敛性能及稳定性均有提升。最后,实验验证了该控制策略的有效性及工程应用的可行性。

基于GaN的开关线性复合高速随动脉冲负载直流变换器

作者：樊靖轩, 施佳楠, 徐子梁, 任小永, 陈乾宏

摘要：有源相控阵雷达发射机收发组件工作在高频脉冲负载模式,这对其供电电源的负载动态性能提出了很高要求。该文针对高速负载切换的二次DC-DC电源,提出开关线性复合并联结构的脉冲负载变换器及其相应的控制策略。基于器件级环路建模的方法有效提升了线性稳压电路的环路带宽,使其进行快速功率跟踪,并设计基于GaN的低阻抗交错并联Buck变换器,使其以较快的速度高效提供主要脉冲功率。针对重复频率50 kHz,峰值功率120 W的高频模拟雷达脉冲负载,该文搭建脉冲电流上升下降时间50 ns以内的脉冲电源原理样机,输出电压跌落小于5%。实验结果表明所提方法能够有效改善脉冲电源的动态性能。

感应电机定子匝间短路故障温升特性研究

作者：陈鹏, 谢颖, 李道璐

摘要：感应电机匝间短路故障的温升特性是故障的明显特征之一,针对该问题研究不同工况下匝间短路故障对电机温度场的影响,旨在从电机温度场分布与温升特性角度给出电机故障预警与诊断的方法。以一台笼型感应电机为例,经过合理等效建立了电机三维瞬态温度场仿真模型,分别对空、轻、满载三种工况下的正常与故障电机进行温度场仿真计算。通过与各情况下的电机温升实验数据对比,验证了仿真结果的准确性。综合分析电机温升实验与温度场仿真结果,揭示了电机故障前后传热特性差异,并通过对比电机温升的时间变化特性与空间分布特性的变化情况,得到了与匝间短路故障相关的温度分布特征。针对故障后电机绕组温度的差异特性提出了相应的温度监测与诊断方法,为电机实际运行监测提供参考。

AZ31镁合金管件电磁吸引式成形动态特性研究

作者：熊奇, 朱鑫辉, 赵翔, 范李平

摘要：镁合金作为目前工程应用中最轻质的金属结构材料之一,因其多种优良特性而广泛应用于轻量化设备制造中。然而,镁合金在室温下的塑性形变能力较差,传统加工工艺难以满足镁合金工件成形制造的需求。利用电磁力驱动金属材料发生高速变形的电磁成形技术可有效解决上述问题。其极高的应变速率能显著改善镁合金材料的成形性能,提升室温下的成形极限。然而,目前关于镁合金电磁成形的研究,大多使用驱动片与加热装置辅助,其工装较为复杂,且工件变形质量难以保证;辅助装置的添加也难以用于微小管件的成形。因此本文提出了室温下的镁合金管件电磁吸引式成形方法,通过建立有限元仿真模型,在理论上验证了其成形方案的可行性;进一步分析了放电参数、电磁参数对管件运动状态的调控规律,阐明管件变形过程中工件的动态特性。上述结论可为线圈结构设计和放电参数设计提供指导。

计及LVRT影响的新能源电力系统中感应电动机动态分群

作者：潘学萍, 王卫康, 陈海东, 孙晓荣, 郭金鹏

摘要：随着新能源的大规模广泛并网,其对感应电动机动态等值建模的影响值得关注。本文提出了新能源电力系统中感应电动机动态分群新方法。首先分析了感应电动机与电网的交互作用,提出在现有基于感应电动机动态相似性分群的基础上,同时考虑机端电压动态相似性的分群可提高感应电动机动态等值的精度。针对高比例新能源电力系统,研究发现感应电动机附近有新能源机组,且部分新能源在故障期间进入低电压穿越（LVRT）时,这些感应电动机动态特性具有显著差异。为此提出新能源电力系统中考虑感应电动机端口电压跌落深度的动态分群方法。算例分析表明本文提出的兼顾感应电动机端口电压动态相似性以及端口电压跌落深度的分群方法具有较高的等值精度,且适应性强。

电流源型逆变器电机驱动系统的直流链电流控制

作者：赵文祥, 周书文, 宋世昌, 陶涛

摘要：电流源型逆变器（CSI）电机驱动系统通常使用电压源串联电感来实现恒定的直流链电流,然而因这种方式未对直流链电流进行控制,直流链电流会出现断续或持续增加的问题。为此,采用DC-DC变换器电路设计了PI控制器,实现对直流链电流的控制。同时,详细分析了一个周期内DC-DC变换器与CSI的电压变化规律,通过优化CSI的电流矢量序列,使得直流链电流纹波得到抑制,提高了输出端电机的电流波形质量。实验结果验证了所提出的直流链电流控制方法的可行性与有效性。

五相PMSM改进型无差拍直接转矩和磁链控制

作者：刘国海, 孙汶超, 周华伟, 刘正蒙

摘要：传统无差拍直接转矩磁链控制(DB-DTFC)策略应用于五相永磁同步电机(PMSM)时存在稳态性能差、转矩和磁链耦合、谐波电流大等问题,本文提出了一种改进型DB-DTFC策略。首先,为实现转矩和磁链的解耦控制,在两相静止坐标系中对定子电压与转矩和磁链之间的关系进行分析,求解满足控制要求的电压矢量。其次,设计电流和磁链观测器补偿数字控制系统的延时。再次,采用基于四个非零电压矢量的空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术,抑制相电流的三次谐波分量。实验结果表明,该策略计算简便、抑制了转矩和磁链脉动、降低了三次谐波电流,提升了控制系统动稳态性能。

基于物联感知数据和张量融合的电力变压器绕组绝缘劣化评估方法

作者：曲岳晗, 赵洪山, 程晶煜, 马利波, 米增强

摘要：针对目前缺乏依托在线物联感知数据的电力变压器绕组绝缘劣化评估方法的问题,本文考虑电、热、机械劣化因素对电力变压器绕组绝缘的损伤累积效应,提出基于物联感知数据和张量融合的电力变压器绕组绝缘劣化评估方法。首先,研究电、热、机械因素对绕组绝缘的累积损伤机理,依托电压、电流、温度、局部放电物联感知数据构建变压器绕组绝缘的电性能、热性能和机械性能劣化损伤指标;然后,构建三种劣化损伤指标的特征张量,基于张量融合对三种劣化损伤指标进行特征融合,提取劣化损伤指标间的高维劣化特征关联信息;最后,采用基于自组织映射网络（Self-Organizing Map,SOM）的最小量化误差方法构建绕组绝缘的综合劣化评估指标,实现对绕组绝缘劣化状态的评估。本文通过多种评价准则评价所构建的综合劣化指标。算例结果表明,所提方法能准确评估变压器绕组绝缘的真实劣化程度。

界面喷涂Mg(OH)₂对直流电缆工厂接头绝缘交接层直流电气性能的影响

作者：孟繁博, 陈向荣, 洪泽林, 石逸雯, 黄若彬

摘要：为了改善高压直流电缆工厂接头界面的绝缘特性,该文利用水解法制备了Mg(OH)₂,并配置了四种不同含量的Mg(OH)₂试剂,通过喷涂的形式,在工厂接头的界面处引入了微量的Mg(OH)₂颗粒,利用物理、化学和电气测试手段分析了颗粒形貌及试样引入Mg(OH)₂前后在30℃、50℃和70℃的直流电导、空间电荷和直流击穿特性。结果表明：Mg(OH)₂可以与酒精较好地结合,喷涂方式可以实现Mg(OH)₂在界面处的良好分散;片状的Mg(OH)₂颗粒更为松散,改善了颗粒的团聚现象;随着界面处喷涂Mg(OH)₂含量的增加,试样电导率先下降后增加,喷涂Mg(OH)₂质量分数为0.001%的试样呈现出最小的直流电导特性;界面喷涂质量分数为0.0005%的Mg(OH)₂试剂可以显著地抑制负极性电荷积聚;喷涂Mg(OH)₂后可以显著提高工厂接头试样的直流击穿场强。此外,构建了界面分子链模型,利用量子化学计算分析了引入Mg(OH)₂前后电子云轨道及态密度特性对试样的绝缘特性的影响。该文结果表明,适量喷涂Mg(OH)₂可以有效改善高压直流电缆工厂接头的绝缘特性。

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