网络首发｜《电工技术学报》2023年6月14日更新（20篇）

考虑状态受限的微电网二次电压与频率固定时间控制

作者：吴忠强, 程洪强

摘要：研究了孤岛交流微电网二次电压和频率的固定时间精确控制问题,基于多智能体一致性方法,提出了考虑状态受限的自适应模糊固定时间二次电压控制器和基于控制障碍函数的二次频率控制器。在多智能体一致性控制中,将每一个分布式电源视为一个非线性智能体,智能体之间通过稀疏网络进行通信。在电压控制器设计中,采用反馈线性化后未知变量的自适应模糊估计来提高控制器的自适应能力,并引入新的滑模面使电压控制器在固定时间内收敛。考虑到系统状态受限问题,分别采用障碍Lyapunov函数和控制障碍函数设计电压与频率控制器,使系统状态在预设的约束范围内。频率控制器的设计还考虑了有功功率的精确分配问题。给出了严格的固定时间收敛及稳定性证明。在MATLAB/Sim Power System环境下,对微电网负载变化以及大干扰下的仿真验证了所提控制器的有效性。

不接地系统异名相两点接地故障工频电气量及其对选线的影响分析

作者：亓志滨, 田君杨, 薛永端, 蔡卓远, 徐丙垠

摘要：中性点不接地系统异名相两点接地且至少一个故障点过渡电阻较大时,故障电流较小出线保护不能直接切除,仍需依赖接地故障选线装置实现保护。根据故障边界条件建立不接地系统异名相两点接地故障复合序网,利用节点阻抗矩阵分别推导出两个接地点故障电流、系统零序电压等工频电气量随两个接地点过渡电阻的变化规律,并进一步分析了其对现有选线技术的影响。结果表明,异名相两点高阻接地时工频电气量总体特征与传统小电流接地故障特征相近,零序电压一般介于两个故障点单独接地时的零序电压之间,其中两个故障线路出口的零序电流既不符合故障线路特征也不符合健全线路特征,已有稳态选线原理并不完全适用。最后,利用数字仿真和现场数据验证了理论分析的正确性。

基于Energetic模型的机械应力作用下电工钢片磁滞特性模拟

作者：陈昊, 李琳, 刘洋

摘要：准确模拟电工钢片在机械应力作用下的磁滞特性是电工装备铁心优化设计的关键问题。该文首先基于原始Energetic 磁滞模型,在电工钢片的总能量密度中引入由机械应力引起的能量密度附加项。其次,根据能量平衡原理,采用场分离技术实现能量密度分量向磁场分量的转换。然后,考虑Energetic 模型中各参数对机械应力的依赖性,利用场叠加原理建立一种机械应力作用下的电工钢片磁滞模型。最后,以晶粒取向硅钢片为例,基于取向硅钢片在不同压缩和拉伸应力下的磁滞回线实验数据,采用粒子群优化算法对所提模型参数进行辨识,从而揭示了模型参数对机械应力的依赖关系,并在此基础上分析了机械应力对取向硅钢片矫顽力、磁滞损耗密度以及剩磁的影响规律。对比仿真和实验结果,验证了所提模拟方法的准确性。

光电离对天然酯绝缘油流注放电影响规律研究

作者：李向荣, 王飞鹏, 黄正勇, 王强, 李剑

摘要：利用紫外吸收剂调控天然酯绝缘油流注放电的光电离行为,对正负极性流注发光通道轴向长度（速度）、发光照度及流注分支中温度分布等开展了定量评估,以解析光电离对流注放电的影响规律。在25 mm 针-板电极系统及相近的雷电冲击击穿电压和击穿时间下,流注发光和流注分支的超高速观测结果表明：流注发光通道主要沿针-板电极轴向发展并呈近似直线形态,而流注分支则以树枝形态发展;流注发光通道沿轴向速度可从1~2 km/s 激增至5~10 km/s,并以近似直线方式贯穿油隙3~4 次,而流注分支轴向发展速度则均保持在0.5~2.4 km/s;整体来看,正、负极性流注的发光照度均可高达104 lx,但正极性流注的平均发光照度略高于负极性流注。流注发光通道演变行为表明,发光通道中的光电离呈现为明显的“先激励,再电离”的分级光电离特征;当光电离被紫外吸收剂抑制后,流注趋于产生更多径向发展分支,并因此导致流注轴向停止长度缩短1~3 mm。此外,抑制光电离导致流注通道内最高温度上升约74~220 K,在流注分支通道内产生了更多的高温热点,促进流注形成更多径向分支。分析结果证明,由于抑制光电离削弱了流注分支头部区域的轴向电场强度,从而抑制了流注头部的电子雪崩行为,因此降低了流注分支沿轴向发展速率。

基于虚拟通道延拓的局部放电信号压缩采样方法

作者: 赵仕策, 赵洪山, 曲岳晗, 马利波, 任惠

摘要：针对局部放电（局放）信号频域非带限且要求采样频率过高而引发的电路参数与性能矛盾,提出一种基于虚拟通道延拓的局部放电信号压缩采样方法,利用压缩感知并行测量来降低采样频率。通过在采样电路中实现虚拟通道延拓,降低了并行测量通道数,优化了压缩采样电路结构。为了使测量通道参数适合局放信号特征,提出了基于非相干性延拓的三值观测矩阵设计算法,包括引入自相干正则项和利用时序加窗差值的变步长梯度下降法来降低参数相干性。最后,将观测矩阵用于虚拟通道延拓电路,实现局放信号的压缩采样。结果表明,文中的压缩采样方法将采样频率降低至1.6 MHz,利用多通道测量将整体采样频率和数据量分别压缩至48%和14%,将实际并行测量通道数优化至12 条。该文的压缩采样方法降低了传感设备的元器件参数要求和电路结构复杂度,达到了电力设备局放信号在线监测的需求。

基于水滴碰冻效率的扩径导线防冰特性分析

作者：吴海涛, 韩兴波, 蒋兴良, 郭思华

摘要：输电线路导线覆冰危害电力输送安全,导线防冰/除冰方法一直是国内学者关注的焦点,近年来,利用扩径导线进行防冰的方法被一些学者提出。该文针对扩径导线防冰特性问题,对不同直径导线表面的水滴碰撞和冻结过程进行分析,研究了导线直径对水滴碰撞系数和覆冰速率的影响,提出扩径导线临界防冰直径Dp 的计算方法,并对不同风速、水滴中值体积直径和不同温度条件下的Dp 值进行了仿真计算。此外,通过不同直径铝管的自然覆冰试验对扩径导线的防冰性能进行了验证。研究结果表明：扩径导线表面的最大水滴碰撞系数随着直径的增大而减小,但水滴碰撞范围会扩大;由于导线表面的水滴捕获率和覆冰速率均随着直径的增大先增加后减小,利用扩径导线进行防冰需使其直径大于临界防冰直径Dp,风速、水滴中值体积直径越大,环境温度越高,Dp 值越大。

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。

计及漏磁的堆栈式超磁致伸缩制动器多物理场耦合建模研究

作者：李姝汛, 杨鑫, 陈泽坤, 陈钰凯, 张智贺

摘要：堆栈式超磁致伸缩制动器（SGMA）因其能量密度高、响应速度快且便于提供稳定的偏置磁场而得到广泛应用。由于永磁体和超磁致伸缩材料相对磁导率极低,磁路中存在明显的磁场空间分布不均匀的现象,磁-机耦合导致其动力学相较于传统结构的制动器更为复杂。为了准确预测SGMA 的输出特性,该文基于有限元仿真搭建了计及漏磁的等效磁路,并结合Jiles-Atherton模型、非线性本构模型及考虑分布特性的结构动力学模型,借助Pspice 电路仿真软件建立了超磁致伸缩制动器多物理场耦合动态模型。相较于传统的制动器多场耦合模型,所提模型能够更精准地分析磁路中的漏磁行为并反映由磁场不均匀引起的力学分布特性。最后搭建制动器输出位移测试平台以验证模型的准确性,模型计算结果与实验结果吻合度良好,证明了所建立模型能有效表征SGMA 的输入-输出特性。

基于放电辅助激光诱导击穿光谱技术的水中痕量金属元素检测分析

作者：许博坪, 刘颖华, 刘在浩, 尹培琪, 汤洁

摘要：重金属离子引起的水污染已经成为世界上一个严重的环境问题。激光诱导击穿光谱（LIBS）是一种基于原子发射光谱学的新型分析技术,可用于分析任何形态（固体、液体、气体等）的样品,因此被广泛应用于环境污染检测、食品安全、化工生产等领域。然而,在针对液体样品检测时,等离子体快速淬灭、液面不稳定对光学系统的污染以及等离子体有限的激光能量吸收,都制约着LIBS技术的进一步发展。为此,提出了一种用于检测水中痕量元素的放电辅助LIBS技术（D-LIBS）,并与传统单脉冲LIBS技术（C-LIBS）进行比较。使用中速滤纸对BaCl2和NaCl2混合溶液进行快速采样。利用纳秒激光在滤纸上产生含有待测元素的等离子体并利用放电辅助装置实现等离子体光谱增强。对比C-LIBS和D-LIBS时间积分光谱,发现采用额外的放电辅助装置可以有效增强LIBS光谱信号,Ba II 455.40 nm和Na 588.99 nm谱线分别增强了30倍和6倍。由于额外的电能的注入,等离子体被再次加热和激发,因此光谱强度得到增强。C-LIBS和D-LIBS光谱强度均和激光能量正相关,但光谱增强因子在小激光能量条件下较高,随着激光能量的增加,Ba Ⅱ谱线增强因子从30倍（20 mJ）降低至2倍（50 mJ）。这是由于激光能量越低,所烧蚀的样品量越小,因此等离子体受到额外的放电激励后,增强效果越明显。与C-LIBS中的光谱信噪比（SNR）相比,D-LIBS使SNR增强超过1个数量级,当激光能量为20 mJ时,Ba Ⅱ谱线和Na I谱线SNR增强倍数分别为56倍和16倍。此外,对比了不同激光能量条件下C-LIBS及D-LIBS技术对液体中痕量金属元素的检测能力。C-LIBS中Ba元素检出限随激光能量增大而降低,在50 mJ时达到0.823 mg/L。另外,当激光能量为20 mJ时,由于额外的放电辅助装置,Ba元素检出限从12.5 mg/L降低至0.26 mg/L,D-LIBS的检测灵敏度比C-LIBS提高了48倍。

不平衡电网下虚拟同步机的多模式协调策略

作者：潘子迅, 杨晓峰, 赵锐, 崔晨阳, 闫涛

摘要：新能源并网换流器采用虚拟同步机（VSG）控制有利于提升电网惯量和阻尼水平,但在电网电压不平衡时存在输出电流畸变和瞬时功率脉动的问题。为灵活调控不平衡电网下VSG输出电流质量与功率纹波,该文提出一种VSG多模式协调策略。首先,研究不平衡电网下的VSG瞬时功率脉动抑制机理,在功率恒定模式并网电流谐波特征分析的基础上,利用VSG虚拟功率计算电流参考指令并引入协调系数对其修正;其次,在多谐振电流内环控制下实现VSG电流平衡-功率恒定多模式协调,并研究协调系数影响及其取值区间选取方法;最后,通过仿真与实验结果验证了该文理论分析与所提控制策略的有效性。

基于微型气体传感阵列的空气绝缘设备放电故障识别方法

作者：王琼苑, 褚继峰, 李秋霖, 杨爱军, 袁欢, 荣命哲, 王小华

摘要：空气作为一种天然的绝缘气体,在电力设备中（开关柜、环网柜等）被广泛应用。研究表明,当电力设备发生放电故障时,空气绝缘介质会产生以NO₂为代表的特征分解产物。放电分解产物的组分及含量能够反映放电故障的严重程度。因此,气体分解产物检测对电力系统安全稳定运行具有重要意义。在不同的电压等级、持续时间下,该文分别模拟了包括电晕放电、火花放电、以及电弧放电在内的15种空气放电故障,并发现NO₂气体的含量在不同故障条件下存在显著差异。对此,设计了一款装载有四种对NO₂气体具有高度选择性气敏材料的微型气体传感阵列。经多次实验测试,传感阵列对15种放电故障气体表现出差异性响应信号,构成丰富的样本数据集。分别采用四种机器学习算法（极限树、决策树、K邻近和随机森林）实现基于传感信号的空气放电故障识别,发现其平均准确率最高可达84.88%、81.82%、76.86%和81.32%。其中,传感阵列对局部放电和电弧放电的识别能力略高于火花放电,可以归因于多次火花放电过程中存在一定的NO₂饱和现象。综上所述,该文提出的基于微型气体传感阵列的检测方法具有操作简单,识别准确率高的显著优势,在空气放电故障诊断领域具有广阔的应用前景。

考虑频率突变影响的孤岛微电网系统建模和基于Lyapunov第二法的暂态稳定性分析

作者：李锡林, 查晓明, 田震, 黄萌, 胡宇飞

摘要：以电力电子变流器为主导的微电网作为一种灵活、可靠的分布式能源消纳和集成方式,近年来越来越受到关注。由于缺少电网稳定的电压和频率支撑,孤岛微电网在故障扰动下易出现暂态失稳现象。考虑锁相环受扰瞬间的被动频率突变和下垂控制器无功环影响,本文建立了由构网型和跟网型逆变器共同组成的孤岛微电网的改进暂态模型,改善了暂态模型精度。在此基础上,构建了一种二次型Lyapunov函数,用于孤岛微电网的暂态稳定性分析。通过待定系数,减小了非耗散区的影响,从而改善了传统Lyapunov方法的保守性。利用Lyapunov稳定判据,对不同形式扰动下的功角稳定边界进行了估计,分析了孤岛微电网对不同形式扰动的敏感度,揭示了系统参数对暂态稳定性的影响。最后,利用Matlab/Simulink仿真和基于RT-Lab的硬件在环实验对本文所提方法进行了验证。

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。

人工触发闪电箭式先导和企图先电同步观测与模拟

作者：蔡力, 储汪祥, 韦道明, 闫继平, 高耀庭

摘要：基于同步光学和电场数据分析了人工触发闪电的箭式先导和企图先导的发展过程,测得了两种先导的二维传播速度,箭式先导的速度的取值范围为1.5×106~10.9×106 m/s,企图先导二维传播速度在0.4×106~2.9×106 m/s之间。企图先导终止前在光学和电场上同箭式先导都存在一定的相似性。企图先导二维传播速度小于箭式先导的速度,放电过程也不如箭式先导强烈。利用分段速度源电荷模型对箭式先导的企图先导的电场波形进行模拟,估算了先导发展时的电荷密度,最终所得的模拟曲线与实测曲线能较好地吻合。

连续冲击电流脉冲下避雷器阀片电气性能研究

作者：蔡力, 田汭鑫, 魏俊涛, 周蜜, 王建国

摘要：自然界中大部分闪电都包含多次回击过程,连续雷击容易造成避雷器劣化及损坏。该文通过对五种不同尺寸的避雷器阀片,使用不同电流幅值、脉冲间隔、冲击次数的连续雷击对避雷器阀片进行试验,研究了避雷器阀片在连续雷击下的电气性能。结果表明：不同的冲击时间间隔（10、50、100 ms）下避雷器阀片电气性能变化差别不大,在毫秒量级的冲击间隔时间下阀片散热可忽略不计,可视作为绝热过程;雷电流的幅值和冲击次数对避雷器阀片电气性能有较大影响,冲击电流幅值越高,冲击次数越多,避雷器阀片的伏安曲线下移越明显,直流参考电压减小越显著,残压会略微增加;温度是影响阀片性能的重要因素,温度越高,不仅阀片性能劣化越严重,再次受到冲击后劣化速度也会加快,避雷器阀片的温升与吸收能量和质量的比值呈现显著线性关系。

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。

基于微波透射法的复合绝缘子硅橡胶老化状态检测方法

作者：黎鹏, 黎子晋, 王申华, 吴田, 普子恒

摘要：该文提出了基于微波透射法的复合绝缘子硅橡胶老化检测数值模拟方法,开展了硅橡胶材料微波检测试验,验证了数值模拟方法的有效性;根据老化规律定义了硅橡胶不同老化状态,通过矩形波导固定扫频检测,分析了透射系数S21幅值的变化规律,确定了最佳检测参数;采用波导移动扫描方法,研究了微波对硅橡胶局部老化程度和位置的检测效果;通过实际10 kV复合绝缘子局部老化微波无损检测,进一步验证了该方法的有效性。研究结果表明：硅橡胶不同老化状态下,S21幅值有明显差异;当提离距离为6 mm、检测频率为4.17 GHz时,通过ΔS21幅值大小及幅值变化区域可有效识别硅橡胶的老化程度和位置。研究对于复合绝缘子老化状态的无损检测具有重要意义。

环保绝缘气体介电强度预测方法评估

作者：周文俊, 邱睿, 郑宇, Pascal Brault

摘要：为明确各类气体介电强度预测方法的准确性,基于9种气体（N₂、CO₂、N₂O、CF₄、SO₂F₂、c-C₄F₈、C₃F₈、C₅F₁₀O和C₄F₇N）在50 Hz工频交流电场下测得的相对介电强度对五种预测方法进行了评估。结果表明各方法预测准确性与其给出的可决系数R2不一致。这主要与其使用的样本数据测试条件不统一,同一气体的相对介电强度不一致有关。当修正上述问题后,各方法准确性得到提升,并与其R2相符。分子参数的丰富和放电理论的介入可使预测方法准确性提升。使用样本外气体进行验证的方法,其预测结果在修正前后都具有较高的准确性;使用基团贡献法的预测方法也具有上述特性。通过上述评估结果可知样本中的气体数据需在统一条件下获得,并根据试验条件和样本分子特征确定预测方法的适用范围。放电理论、分子几何特征和新分子参数的引入有助于提高预测模型的准确性。模型验证和基团贡献法可提高预测方法对样本数据的包容性。

消磁站水下磁传感器定位方法研究

作者：王玉芬, 周国华, 吴轲娜, 李林锋

摘要：采用消磁站海底平面磁传感器阵列进行测量是获取舰艇磁场的主要途径,水下磁传感器位置误差是影响舰艇磁场测量的主要因素。针对该问题,将磁场与深度测量数据相融合,提出一种基于磁场梯度优化的消磁站水下磁传感器定位方法。将通电螺线管线圈等效成磁偶极子,通过磁传感器位置偏差区域x和y方向的平均磁场梯度优化确定线圈的两组磁源移动位置,结合深度测量数据分别建立方程组构造目标函数,并采用动态学习策略多群体粒子群算法进行优化求解,从而实现消磁站水下磁传感器的高精度定位。在系统分析和评估深度传感器精度和环境磁噪声等影响规律的基础上,开展位置校正数值模拟和物理缩比模型实验。实验结果表明：该方法可有效解决消磁站水下磁传感器的定位问题,定位误差小于0.1m,满足舰艇磁场测量要求。

模块化永磁直线同步电机考虑制造公差的推力鲁棒性优化

作者：龚夕霞, 李焱鑫, 卢琴芬

摘要：模块化永磁直线同步电机（MPMLSM）具有效率与推力密度高、可靠性和可加工性好等优点,非常适用于长行程运输系统,缺点是批量生产中性能易受到加工公差的影响。针对这一问题,本文提出了一种考虑制造公差的综合多目标鲁棒优化设计方法。首先,基于六西格玛设计方法建立了鲁棒优化模型;然后,采用拉丁超立方采样方法在尺寸公差范围内根据正态分布规律进行抽样,模拟大规模生产时电机尺寸受公差影响可能会出现的各种变化;接着,在尺寸优化范围内均匀抽样构成足够的训练样本,由有限元软件仿真这些抽样方案的推力性能,并基于反向传播神经网络建立电机设计代理模型;其后,应用该代理模型对拉丁超立方采样得到的样本进行电机性能的计算,求解样本整体对应的各优化目标的均值与方差,进而计算多目标优化的适应度;最后,采用非支配排序遗传算法II进行全局优化,得到了鲁棒优化方案,与不考虑公差的确定性优化方案相比,验证了该方法的有效性。鲁棒优化方案虽然略微增加了电机体积和推力波动,但是其失效概率低,受公差影响小,更加符合产品批量生产过程中的质量要求。

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