网络首发 | 《电工技术学报》2023年4月10日更新（20篇） | 自由微信

计及精细化氢能利用的综合能源系统多时间尺度鲁棒优化策略

作者：胡俊杰, 童宇轩, 刘雪涛, 王剑晓, 徐衍会

摘要：能源结构改革背景下,构建以氢能驱动,电-热为主体的综合能源系统(HEH-IES)具有重要意义。为提高含电氢耦合单元的IES运行灵活性,同时减小功率波动对系统的影响,提出含多元储能与综合需求响应的氢能精细化利用两阶段调度方法。首先,分析电制氢（P2H）两阶段运行过程与电氢耦合单元运行特性,对氢能的用能过程与设备进行精细化建模。其次,计及多元储能与综合需求响应提出了日前-日内两阶段多时间尺度优化策略。日前阶段充分考虑能源系统不确定性,构建数据驱动的分布鲁棒优化(DRO)模型。日内阶段遵从日前计划,考虑多能流在灵活性调节时间尺度上的差异,通过多时间尺度的滚动优化降低功率波动的影响。最后,仿真算例证明了所提模型与策略对提升IES的运行灵活性具有积极作用。

HVDC送端交流系统故障引起换相失败的机理分析

作者：朱海, 郝亮亮, 和敬涵, 郭智琳, 陈争光

摘要：通常认为HVDC的换相失败是由受端交流系统或换流阀故障引起,但工程实践中发现送端交流故障同样可能引发逆变器的换相失败。目前针对此类换相失败的研究较少,且大多局限于传统的母线电压幅值特征,对其机理研究不够深入。鉴于此,首先通过分析故障后的交直流系统响应,指出与一般受端故障不同,送端交流故障引发的换相失败发生在故障切除后的恢复阶段,且受端母线电压幅值大小不是其关键因素。在此基础上,对故障切除后的受端母线电压相位特性进行剖析,得出有功功率的恢复会导致受端母线电压相位前移,进而压缩关断裕度并造成触发延迟。进一步地,在不同故障程度下分析了系统换相失败过程对应的触发指令与直流电流的变化。结果表明,当送端故障相对轻微,受端保持CEA控制时,相位前移及突增的直流电流是导致逆变器换相失败的主要原因;而在送端故障程度加深,受端切换至CC控制后,相位前移是换相失败的主要原因。最后,基于CIGRE标准模型,仿真验证了分析的正确性。

核电多相无刷励磁系统中旋转整流器不同开路故障模式的特征分析及诊断

作者：郝亮亮, 陈建林, 段贤稳, 何力, 陈俊

摘要：对于核电站频繁发生的多相旋转整流器开路故障,实际现场不仅需要可靠诊断,还需要对故障模式进行准确区分。利用故障在励磁机定子励磁电流中反映的特征来诊断无法被直接测量到的旋转整流器故障是一种有效的途径,但是以往研究均仅关注故障励磁电流的频域特征,能识别故障的发生而无法进一步对故障模式进行分类。为此,本文对旋转整流器一管开路、一相开路以及不同位置的两相开路故障后励磁电流时域、频域及频谱分布特征进行了研究。首先对某11相环形无刷励磁系统的运行特性进行了理论分析,基于二极管导通顺序及故障二极管在电机运行周期中所处的位置,对故障励磁电流时域特征进行了分析;其次,基于故障对励磁电流的影响机理,对励磁电流故障分量进行解析,得到了旋转二极管不同模式故障下的频域及频谱分布特征,并通过某11相动模样机实验验证了理论分析的正确性;最后,结合励磁电流时域、频域以及频谱分布三者特征,本文提出了二极管不同模式故障的诊断方法。样机实验表明本文提出的诊断方法能实现所有故障模式的区分,可为一般多相环形无刷励磁系统旋转整流系统故障的保护提供依据。

基于瞬时功率的次同步振荡频率提取及振荡源识别方法

作者：徐衍会, 成蕴丹, 刘慧, 高镱滈

摘要：大规模新能源并网引发的次同步振荡严重威胁电网的安全稳定运行。为满足次同步振荡在线告警需求,需要分析宽频测量数据并快速提取振荡分量,快速检测到次同步振荡并精准切除振荡源已是迫切需要解决的关键技术。该文推导了对称和不对称三相电路中含有次同步频率电源时的瞬时功率表达式,揭示了瞬时功率主要为恒定功率分量和次同步频率的交变功率量;在此基础上,提出基于整周期瞬时功率差的次同步振荡频率提取方法,相比于快速傅里叶变换的计算速度大幅提升,避免了栅栏效应和频谱泄露问题;并提出了利用半周期瞬时功率差的次同步振荡源识别方法,可以对多风电场集中并网系统进行次同步振荡源定位,进而为精准切机提供支撑;时域仿真结果表明,该文提出的次同步振荡频率提取方法的计算速度相比快速傅里叶变换有显著提升,振荡源机组辨识方法具有较高的精度。

基于改进灰色预测单神经元PI的全超导托卡马克核聚变发电装置快控电源电流控制

作者：黄海宏, 陈昭, 王海欣

摘要：全超导托卡马克核聚变发电装置（EAST）快控电源负载电感的电流受多种不确定环境因素影响而难以预测,灰色预测无需精确对象模型,只需少量已知信息即可实现输出电流短期预测,已在EAST快控电源中有了一定研究应用。为解决灰色预测在EAST快控电源中对突变信号边沿预测精度低和预测延时时间长的问题,提出一种改进灰色预测算法实现输出电流预测。在一个开关周期内对输出电流进行等时长间隔采样4次作为原始序列,将滚动式采样预测改为逐周期采样预测,在实现灰色预测的过程中不必依赖过去几个周期的历史采样信息,只需本周期的4个原始采样值即可实现输出电流的预测。根据预测电流与参考电流误差自适应调整单神经元比例-积分(PI)控制的输出增益,实现了输出电流的快速准确控制。仿真和实验结果表明在EAST快控电源电流预测过程中所提出的改进灰色预测对比传统灰色预测具有更高的预测精度和更小的预测延时,改进灰色预测变增益单神经元PI控制能够在减小电流超调的同时加快输出电流响应速度。

基于旋转潮流控制器的用户侧电压调控方法

作者：颜湘武, 彭维锋, 邵晨, 贾焦心, 李铁成

摘要：针对高比例光伏并网引起的用户侧电压越限问题,可采用由旋转移相变压器（RPST）构成的旋转潮流控制器（RPFC）进行电压调控。首先,本文分析了RPST与RPFC的工作原理。其次,对比研究了两者的调压方式,指出RPFC具有更好的应用前景,并进一步提出了RPFC的电压调控方法,即根据用户侧电压实际值与额定值的偏差得到RPFC输出电压幅值的设定值,再通过调节旋转角的大小控制输出电压幅值,并利用旋转角之间的偏差对RPFC伺服电机的占空比进行量化计算,从而对两个旋转角的转速进行闭环协调控制,保证用户侧的电压水平。最后,从稳态与暂态控制特性方面分别对RPST和RPFC的调压能力进行对比实验,验证了RPFC实现用户侧电压调控的可行性和有效性。

基于马尔可夫过程的漏电保护器服役状态及其可靠性分析

作者：李奎, 郝运佥, 赵成晨, 戴逸华, 管瑞良

摘要：漏电保护器在实际服役过程中可能会发生故障,但诱发其故障暴露的激励条件不具备时,其故障并不能显现出来。针对这一问题,提出一种计及隐藏故障的漏电保护器运行状态划分方法,建立了基于马尔可夫过程的运行状态转移模型,实现漏电保护器的实际服役状态准确描述;设计了基于蒙特卡洛法的漏电保护器可靠性仿真模型,以漏电故障频次、漏电流大小、保护器可靠性水平和运行时间为主要变量,对无检查和有检查下漏电保护器的状态概率进行了仿真分析,确定了保证供电系统可靠性和安全性条件下的最低定期检查频次。该方法适用于不同可靠性水平的漏电保护器的分析与评估,对其定期检查策略的制定具有指导意义。

低压交流串联故障电弧辨识方法

作者：何志鹏, 李伟林, 邓云坤, 赵虎

摘要：故障电弧是影响配电网络安全可靠运行的主要问题之一,研制故障电弧保护开关能够有效降低因故障电弧引发的电气火灾事故,从而保障配电网络安全可靠运行。但故障电弧辨识因线路负载、燃弧条件等原因而存在一定复杂性,本文在分析电弧燃烧特点的基础上介绍了一种多特征融合的故障电弧辨识方法。首先借助高速相机在微小时间尺度内分析了燃弧特性,电弧不稳定性影响回路电流谐波含量;然后从时域、频域和信号无序度三个方面分析了回路电流在线路正常和发生电弧故障时的差异,并提取了电流平均值、谐波幅值和、小波能量熵三个特征量,结合各种负载特征变化的共同点确定了线路正常与故障的特征量阈值范围;最后通过制作样机对故障电弧辨识方法的有效性和稳定性进行了验证。结果表明：所述方法在实际工程应用中的平均辨识准确率为90%,满足工程应用中的准确性和稳定性要求。

基于计算前沿面的实时仿真数值积分并行构造及其数值模型解耦加速方法

作者：何绍民, 张喆, 卢倚平, 杨欢, 沈捷

摘要：数值仿真是先进智能计算的基础与底层核心技术,而计算速度是数值仿真的核心性能指标。然而,随着高开关频率功率器件在电机驱动等系统中的应用,短时间约束给实时及在线数值仿真的计算速度带来了严峻挑战。当前数字平台的计算结构朝着并行化的趋势发展,并行计算被视为短时间约束下优化计算速度的有效途径,但现有的数值模型和数值算法大多基于顺序计算的串行模式,缺乏可并行执行的冗余并行度。因此,本文研究了数值算法的求解核心数值积分的并行优化方法,提出了计算前沿面的优化思路为数值积分算法构造冗余并行度以实现并行计算,分析了其在数值精度与数值稳定性方面的影响,并讨论了在多步与高阶数值积分法上的可拓展性。同时,利用计算前沿面构造的冗余并行度,设计了数值模型的并行解耦分割,并应用于电驱系统实现了元件级的数值加速。最后,在硬件在环的实时数值环境中验证了优化方法的可行性、数值性能以及加速效果。

考虑环境温度的磷酸铁锂电池SOC实时修正及频率控制方法

作者：余杰, 廖思阳, 徐箭, 杨璨然, 王新迎

摘要：配置储能系统是解决新能源机组并网对电网产生冲击,保证系统安全可靠运行的有效手段。温度会对磷酸铁锂(LiFePO4, LFP）电池的电性能产生显著的影响,从而影响储能参与电网调频过程中的实际充放电情况。本文重点分析温度对LFP电池荷电状态（State of Charge, SOC）的影响,首先展开温度对LFP电池实际容量、充放电效率等电池特性的影响机理研究,结合设备厂商给出的实际测试数据,提出基于环境温度的LFP电池模型参数修正方法。随后研究储能系统考虑校正SOC的时变下垂控制方法,提供快速频率支撑。最后在改进的IEEE13节点微电网上验证了考虑环境因素后,能更准确的估计储能的SOC状态,提高了电力系统频率控制可靠性。

高压器件封装用有机硅凝胶内气泡对其正极性方波电压下放电特性的影响

作者：李学宝, 刘相辰, 刘思佳, 赵志斌, 崔翔

摘要：有机硅凝胶内气泡缺陷是高压IGBT器件封装的绝缘薄弱环节。本文针对有机硅凝胶内气泡缺陷对放电特性的影响,制备了指定位置含有气泡的有机硅凝胶实验样品,提出了有机硅凝胶内部气泡含量的量化方法,面向器件运行条件下所承受的正极性重复方波电压工况,建立了基于局部放电电流脉冲测量方法的有机硅凝胶局部放电特性实验平台,提出了方波电压下放电电流脉冲的准确测量与提取的方法,通过实验获得了有机硅凝胶内气泡含量对局部放电分布特性以及电流脉冲波形参数的影响规律,并给出了气泡对有机硅凝胶局部放电特性的影响机理的定性解释。结果表明：正极性重复方波电压下,有机硅凝胶的局部放电起始电压与熄灭电压均随气泡含量的增加而显著下降,反向放电比例随气泡含量增加而增加,脉冲上升时间、下降时间随气泡量的增加而减小。本文成果可为器件有机硅凝胶灌封工艺改进提供指导并为有机硅凝胶气泡量检测奠定基础。

基于热网络法的永磁电机温度在线估计

作者：师蔚, 骆凯传, 张舟云

摘要：将集总参数热网络（LPTN）模型应用于永磁电机温度在线估计能够预防电机因过温而造成的电机损坏,特别是降低永磁体的不可逆退磁风险,提高永磁电机使用的安全性。本文首先针对LPTN模型应用于温度估计过程中存在灰度模型的不确定性,对永磁电机LPTN模型进行比较研究,建立不同节点的低阶灰箱永磁电机LPTN模型。搭建永磁电机变工况温度实验平台,基于实验数据进行模型对比分析,得到用于永磁电机在线温度估计的最优节点数LPTN模型。同时为克服扩展卡尔曼滤波算法出现的滤波发散,及热阻参数在变工况下非线性导致温度估计累积误差问题,利用加权多新息强跟踪扩展卡尔曼滤波（WMI-STEKF）算法对永磁电机LPTN模型进行在线参数辨识及温度估计,将温度估计误差降低至3℃,提高非线性系统在变工况条件下参数辨识过程的鲁棒性。最后,通过仿真和温度实验结果对比分析,从而证明该方法的正确性和准确性。

覆冰厚度对气动脉冲除冰效果影响的数值仿真与试验验证

作者：于周, 舒立春, 胡琴, 蒋兴良, 雷正飞

摘要：叶片结冰影响风力发电机安全稳定运行,现有的叶片热力除冰、涂料防冰技术分别存在能耗高、耐候性差等问题,均无法大面积推广应用。受飞机机翼气囊除冰方法启发,该文提出一种新结构式的气动脉冲除冰方法。利用ABAQUS商业软件对该方法的简化模型进行除冰过程的数值仿真,对比分析了不同脉冲充气气压下覆冰厚度对除冰效果的影响。同时,通过人工覆冰与除冰试验,对仿真结果进行验证。仿真与试验结果表明：在低充气气压下,冰层越薄越容易破碎脱落;覆冰厚度的增加有利于提升低充气气压下的脱冰率;在相同充气气压下,冰层厚度的增加可以降低结构表面形变。

基于ESLE采样和径向基函数响应面法的变压器静电环结构优化设计

作者：刘刚, 高成龙, 胡万君, 朱章宸, 刘云鹏

摘要：变压器的运行安全稳定与其内部绝缘结构密切相关,为了提高变压器的绝缘性能,本文以提高最小绝缘裕度为优化目标,通过径向基函数响应面模型优化变压器主绝缘结构。为提高响应面模型预测优化的准确性,选用采样更均匀的ESLE (改进的连续局部枚举)方法进行试验设计,优化后的变压器最小绝缘裕度比优化前提高了12.56%。将优化结果分别从采样、模型和优化方法三个角度进行了对比,与LHS（拉丁超立方采样）采样下的径向基函数响应面模型对比,ESLE方法的引入使得优化精度提高了218倍;与ESLE采样下的二次多项式响应面模型对比,径向基函数响应面模型的引入降低了模型预测误差并使优化精度提高了78倍;和遗传算法对比,在相同的优化精度下,优化效率是遗传算法的10倍。上述结果表明本文所提模型具有很高的预测精度和优化能力,同时相比于遗传算法优化,在保证优化质量的同时,显著地提高了优化效率。本文所提出的方法为变压器主绝缘结构优化问题提供了较好的解决方案。

改性石墨烯基传感器对SF₆分解组分H₂S的吸附机理及检测特性研究

作者：高新, 李志慧, 刘宇鹏, 陈伟根, 周渠

摘要：作为SF₆的重要分解组分,H₂S能够有效反映SF₆气体绝缘电气设备内部绝缘故障类型及程度。本文以H₂S为目标检测气体,探究了改性石墨烯基传感器对H₂S的吸附机理及检测特性。基于第一性原理建立了环氧基化石墨烯(G-O)、钯掺杂石墨烯(Pd-G)和环氧基与钯共掺杂石墨烯(Pd-G-O)改性模型和H₂S吸附模型,从吸附能、态密度、轨道、脱吸附时间等多方面计算分析了G-O、Pd-G、Pd-G-O的改性机理与吸附机理,结果表明Pd-G-O对H₂S表现出优异的吸附性能,吸附能达到-1.015 eV,为较强的化学吸附,且对应着强烈的电荷转移值0.281 e;制备了G-O、Pd-G、Pd-G-O传感材料及器件,基于微量气敏测试平台测试了改性石墨烯基传感器检测H₂S的温度、浓度、响应恢复及稳定特性,其中Pd-G-O传感器对H₂S表现出低工作温度(175℃)及快速响应优势。本文的仿真计算与气敏测试分析为研制检测SF₆分解组分的低功耗、高灵敏度及快速响应传感器提供了理论基础与实验支撑。

电压源型变流器并网系统多时间尺度间相互作用

作者：杜步阳, 邵德军, 朱建行, 石梦璇, 徐友平

摘要：电压源型变流器（VSC）的控制环节及其与网络间的相互作用是造成VSC并网系统失稳的重要因素。而VSC的控制具有多时间尺度特征,具体可划分为直流电压控制（DVC）时间尺度和交流电流控制（ACC）时间尺度。现有文献大多仅针对单一时间尺度的稳定性问题开展研究,对于多时间尺度环节间的相互作用则鲜有涉及。对此,该文基于模式分析方法,提出衡量多时间尺度间相互作用的量化指标,揭示多时间尺度间相互作用随锁相环带宽和系统短路比的变化规律。进而通过对比不同时间尺度模型的阻尼比和振荡频率,明确多时间尺度间相互作用对系统稳定性分析结果的影响。最后探讨DVC、ACC时间尺度模型的适用范围,并从物理角度对分析结果进行初步阐释。

考虑参数误差的无速度传感器异步电机低速发电工况稳定性提升策略

作者：杨凯, 李孺涵, 罗成, 徐智杰, 郑逸飞

摘要：对于无速度传感器异步电机控制系统,反馈矩阵理论上可以减小系统发电运行不稳定区域,改善低速发电工况下的转速观测性能。然而,由于电机参数误差,现有控制策略无法在低定子电流频率下实现理想的稳定性目标。针对这个问题,本文提出了一种基于多误差项协同的反馈矩阵设计方法,提高系统对电机参数误差的鲁棒性,并提升转速观测的稳定性。首先,本文提出了一种基于多误差项解耦的磁链误差在线观测方法,分析并设计了磁链误差权重系数。其次,在观测器反馈矩阵设计中引入电流误差项,实现电流误差项与磁链误差项的协同设计。在此基础上,将误差矢量系数矩阵行列式重构为抛物线函数,通过引入常数项满足系统稳定的必要条件,解决传统反馈矩阵设计方法对电机参数变化敏感的缺陷,提高观测器对参数误差的鲁棒性。在低定子电流频率下,本文所提出的方法可以在低速发电区域实现稳定的转速观测。最后,在2.2 kW异步电机平台上验证了所提方法的有效性。

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%。

基于阻尼路径的新能源经LCC-HVDC送出系统次同步交互作用分析方法

作者：高本锋, 王义, 范辉, 梁纪峰, 张建坡

摘要：大规模新能源通过电网换相型高压直流输电（LCC-HVDC）送出时,新能源发电设备的电压源换流器（VSC）与LCC-HVDC之间的交互作用存在诱发次同步振荡（SSO）的风险,因此迫切需要开展相关研究。本文提出了一种阻尼路径分析法,研究新能源经LCC-HVDC送出系统的次同步交互作用。阻尼路径能够清楚地显示次同步频率扰动的传递过程,揭示系统内的次同步交互作用。根据扰动通过设备的不同,阻尼路径可分为三类,分别反映设备内部的阻尼作用以及不同设备之间的次同步交互作用。通过阻尼重构,可得到每条路径的阻尼,并使用类Heffron-Phillips模型中的阻尼系数对路径阻尼进行定量评估,从而达到分析次同步交互作用对SSO模式阻尼影响的目的。最后,以直驱风电场经LCC-HVDC送出系统为算例,验证了阻尼路径分析法的有效性。

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网络首发 | 《电工技术学报》2023年4月10日更新（20篇）