抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第11期目次及摘要

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《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。

电力系统与综合能源

提升区域综合能源系统运行灵活性的多主体互动决策模型

作者：王雪纯；陈红坤；陈磊

摘要：随着含可再生能源的微能源网规模化接入区域综合能源系统（RIES）,其波动性和不确定性对系统的灵活调节能力带来了挑战。针对此问题,提出一种联合运行市场机制下的多主体双层互动决策模型。首先,指出RIES运行时的灵活调节需求,从市场层面分析灵活调节产品（FRP）对满足该需求的适用性;其次,将FRP市场与电、热能量市场联合运行,并设计了激励源荷双端市场主体调度灵活调节资源的联合运行市场机制;然后,为求解市场纳什均衡,建立外层多个市场主体非合作博弈、内层RIES运营商出清的多主体互动决策模型,并分别采用Q-learning算法和路径跟踪内点法对外、内层模型进行求解;最后,通过电热联合RIES仿真算例进行多场景对比分析。结果表明所提方法可以促进可再生能源消纳,减少用能总成本,降低竞价周期内能源平均价格,从而有效提升系统运行的灵活性。

基于强化多目标差分进化算法的电-气互联系统最优潮流计算

作者：刘明凯；王占山；邢彦丽

摘要：随着综合能源系统的提出,电网和天然气网之间联系越来越紧密。为了保证电-气互联系统的安全、经济运行,需要对其进行联合规划研究。首先根据系统具有大规模、多维、非凸、非线性等特性,提出一种电-气能源互联系统的多目标优化调度模型;其次,针对多目标求解算法中种群收敛性和分布性冲突不断加剧的现象,提出一种加强非支配解占优关系的多目标差分进化算法;最后,以IEEE30节点电力系统和比利时20节点天然气系统为例,说明了所提算法能够对所考虑的目标函数产生分布良好的帕累托最优前沿,而且可以在高维目标求解中得到一组较好的优化解,以此满足不同工况下系统的运行要求。

基于改进深度残差收缩网络的电力系统暂态稳定评估

作者：卢锦玲；郭鲁豫

摘要：针对电力系统暂态稳定评估中,电力系统同步相量测量装置（PMU）量测数据在采集和传输过程可能存在噪声问题,以及由于暂态稳定与失稳样本不平衡,导致基于数据驱动的暂态稳定评估模型训练的倾向性和误判后果严重问题,提出基于改进深度残差收缩网络（IDRSN）的电力系统暂态稳定评估方法。首先将底层量测电气量构建成特征图形式作为模型输入,利用模型深层结构建立输入与稳定结果之间的映射关系。面对噪声问题,模型通过注意力机制,采用软阈值函数自动学习噪声阈值,减小噪声及无关特征干扰;并通过焦点损失函数（FL）,引入权重系数修正模型训练的倾向性,利用调制因子重点关注误分类样本,提高模型训练效率和评估性能。通过新英格兰10机39节点系统进行仿真分析,所提模型能够有效减小不同程度的噪声干扰,在不平衡数据集上修正模型训练偏向性,以减少误分类样本,在不同PMU配置方案下,均取得较好评估效果。

换相序技术应用于稳定控制的条件及最优控制策略

作者：黄少锋；李慧；李轶凡；张月品

摘要：换相序技术是电力系统稳定控制的一种方案。在电力系统即将失稳的情况下,利用电力电子开关迅速进行相序切换,发电机侧ABC相换相序连接至系统侧cab相,进而使系统功角减小2π/3,达到控制稳定的目的。基于能量函数法,分析换相序前后总能量的突变机理,得到换相序瞬间的能量变化量;在此基础上推导换相序技术的应用条件,通过换相序前后系统稳定性判断,给出换相序后系统稳定裕度增量,量化分析换相序技术提高系统暂态稳定性的程度,并以此为依据提出换相序技术的最优控制策略。基于Matlab的仿真结果表明,换相序最优控制策略能够实现稳定控制的最优效果,获得最大稳定裕度,并验证了应用条件的正确性。

基于改进强跟踪无迹卡尔曼滤波的电力信号同步相量跟踪算法

作者：牛胜锁；王春鑫；梁志瑞；饶毅；陈泽雄

摘要：配电网中各类噪声对相量测量产生较大影响,研究在高噪声环境下能够可靠检测并能快速跟踪电力信号突变的同步相量测量算法,对保证电网的稳定性与可靠性具有重要意义。提出基于量测量误差协方差次优估计的自适应强跟踪无迹卡尔曼滤波（SEMEC-ASTUKF）的同步相量测量算法。首先根据递归最小二乘法提出一种自适应常值噪声统计估计器提高量测噪声协方差估计精度;然后根据电力信号突变后特征,构建突变检测算法和渐消因子次优估计算法,改善强跟踪无迹卡尔曼滤波（STUKF）算法在高噪声环境下对突变检测能力弱和跟踪突变慢的缺陷。利用实测信号对算法性能进行验证,结果表明,SEMEC-ASTUKF算法具有更高的测量精度,对突变具有更好的检测灵敏度和更高的跟踪速度。

考虑复故障的有源配电网故障定位方法

作者：张健磊；高湛军；陈明；魏振；安树怀

摘要：配电网受到极端扰动后可靠故障定位是提升配电网供电可靠性的重要手段。在极端扰动中,配电网中发生复故障的概率增大,主要体现在故障重数多、故障类型多、高阻接地等特征。文章提出一种考虑复故障的有源配电网故障定位方法。基于μPMU优化配置下的区域划分,形成各个监测域。通过搜索算法确定可疑监测域,并启动故障定位算法,利用不平衡电流分量幅值比较的故障区段检测判据定位故障。通过PSCAD/EMTDC和Matlab,验证了该方法不受故障位置和故障类型的影响,适用于多重、多类型故障等复杂场景,且有较高的抗过渡电阻能力。

基于容量增量曲线峰值区间特征参数的锂离子电池健康状态估算

作者：杨胜杰；罗冰洋；王菁；康健强；朱国荣

摘要：当前,学术界广泛采用容量增量（IC）曲线上的特征参数（FPs）估算锂离子电池的健康状态（SOH）。该方法通常利用整个IC峰区域的FPs实现SOH估算,而不同IC峰区域下的FPs对SOH估算有较大差异。为了提高电池SOH估算的准确性,该文采用锂离子电池在IC曲线的峰值区间（△Vreg,通常为峰下的部分荷电状态区间）提取FPs的SOH估算方法,基于高斯过程（GP）回归建立SOH估算模型。通过三个峰值区间下的SOH估算结果,发现SOH对不同△Vreg的FPs敏感程度不同。该文进一步利用NASA提供的5号、6号、7号和18号电池数据,对11组峰值区间△Vreg在[23.1%,100%]内的SOH估算结果进行分析,结果表明,6号、7号和18号电池的峰值区间△Vreg分别选取[53.4%,88.1%]、[50.4%,92.3%]和[42.3%,100%]时,其估算的方均根误差小于2%,这说明SOH对上述峰值区间范围更敏感。利用该文的方法量化SOH对峰值特征参数的敏感区间,在敏感区间内的SOH估算有较高的准确性。

电力系统负荷非侵入式监测方法研究

作者：雷怡琴；孙兆龙；叶志浩；武晓康

摘要：为了实现对电力系统负荷的高效监测,提出了针对其暂态与稳态工作状况的非侵入式监测方法。对于准确获得任意稳态时刻的负荷工作状态的问题,提出了基于自筛选的优化遗传算法（AOGA）的稳态监测模型,将电力参数模型转换为有功分量模型及无功分量模型,以此建立双目标函数,解决了由于高谐波电流影响小、求解参数少引起监测误差的问题。优化遗传算法构造了自筛选程序,将适应度相同的结果先做筛选,再利用欧氏距离对功率进行判别,解决了传统遗传算法（GA）进行负荷监测时由于适应度相同引起误判的缺陷。当负荷进行投切时,为了准确获得投切类型,该文建立了基于功率-时间（P-T）的暂态监测Matlab-Simulink模型,首先利用离散傅里叶分解的方法提取暂态发生前后功率的变化量,通过对比功率匹配度对动作负荷进行识别;在功率监测的基础上,以负荷的谐波含有率为负荷特征进行谐波特征判别,进一步提高了暂态负荷监测的精度。

基于灰色关联分析和GeoMAN模型的光伏发电功率短期预测

作者：时珉；许可；王珏；尹瑞；张沛

摘要：准确预测光伏发电功率对电网调度具有十分重要的意义。该文提出一种基于灰色关联分析和GeoMAN模型的光伏发电功率短期预测方法。首先,利用灰色关联分析对某地区多光伏电站进行空间相关性分析,选取与待预测光伏电站高度相关的周边电站;然后,基于GeoMAN模型动态提取待预测光伏电站的时空特征和外部气象因素,GeoMAN模型采用编解码结构,利用编码器动态提取待预测光伏电站的站内特征和与周边相关电站的站间空间特征,利用解码器提取输入变量的时间特性,并融合晴空指数和数值天气预报动态输出光伏发电预测功率;最后,采用实际光伏电站进行案例分析,结果表明该文所提出的预测方法与传统LSTM模型相比,实现了更高精度的光伏发电功率短期预测。

基于分层优化的分散式城轨供电系统网络化支援供电

作者：刘炜；谢文君；孙名刚；张丽；赵佳微

摘要：在不同地铁线路之间可相互共享外部电源的背景下,为研究网络化支援供电方式对分散式城轨供电系统故障恢复的影响,该文建立网络化运营模式下的分散式城轨供电系统拓扑模型和支援供电故障恢复数学模型。采用分层优化方法,先基于拓扑搜索生成开关操作次数最少的候选方案集,再基于潮流计算找出中压系统附加损耗最小的可行方案。以五条线路的供电系统为分析实例,结果表明：一个电源开闭所退出且失电区域含换乘站时,60%的故障下,跨线支援供电在保证调度快速的同时,提高了城轨供电系统故障恢复后的运行经济性。相邻两个电源开闭所同时退出且失电区域含换乘站时,26.7%的故障下,通过跨线支援供电方可恢复全部一、二级负荷,提高了城市轨道交通的供电可靠性。

基于固态变压器的移动变电站综合性能提升方法

作者：高美金；狄谦；王婷婷；黄江倩；孟凡刚

摘要：为减小移动变电站中主变压器的体积和质量,提高移动变电站的高压侧电能质量,提出一种用于移动变电站的固态变压器拓扑。所提出的固态变压器由AC-AC变换器、高频多脉波整流器、工频逆变器三部分组成,该文首先分析了AC-AC变换器的工作原理,并从降低开关损耗的角度出发,设计其控制策略;然后从磁路和电路对称的角度出发,设计用于高频多脉波整流器的移相变压器,并应用开关函数法计算固态变压器的输入电流和输出电压;最后设计固态变压器中AC-AC变换器的控制和驱动电路,搭建了移动变电站的缩比仿真和实验平台。仿真和实验结果表明,使用固态变压器代替传统的工频主变压器后,主变压器体积减小了三分之二,其体积和质量得到显著降低;使用所设计的三相五芯柱变压器作为移相变压器后,固态变压器的输入电流总谐波畸变率（THD）值由22%降到了16%,有效提高了移动变电站的电能质量。

电机及其系统

初级励磁型永磁直线电机研究现状与展望

作者：沈燚明；卢琴芬

摘要：初级励磁型永磁直线电机是从传统永磁直线电机衍生而来的一类新型特种电机,具有高推力密度、高效率、高精度和高可靠性等优点。在长行程直驱式直线运动领域,该类电机有其独特的性能与成本优势,具有很高的研究价值和广阔的应用前景。该文针对初级励磁型永磁直线电机,回顾并总结了国内外相关研究的技术现状和发展趋势。从磁场调制理论出发,揭示了初级励磁型永磁直线电机气隙磁场谐波分布与推力产生原理。从拓扑结构的角度,梳理了各类永磁直线电机的技术要点及研究进展。从初级励磁型永磁直线电机的特征出发,介绍了高性能控制策略。最后,对比分析了各类初级励磁型永磁直线电机的综合性能,并探讨了未来的发展方向。

分段长初级双边直线感应电动机建模分析

作者：张明远；史黎明；郭科宇；杨泽宇；徐飞

摘要：分段长初级双边直线感应电动机（LP-DSLIM）系统由若干段单元电机串联或并联组成,为准确描述次级运动过程中单元电机的推力等状态变化和过分段时的暂态过程,该文提出了一种新型单元电机数学模型及分段LP-DSLIM系统模型。首先,对分段LP-DSLIM系统的特点进行分析,通过引入虚拟次级板将每段单元电机耦合的次级延长至与初级等长,以使单元电机初级、次级之间始终保持全耦合;然后,结合耦合因数得到实际次级磁链和初级磁链,以此推导得到新型单元电机数学模型,并基于此建立串联供电和并联供电的分段LP-DSLIM系统模型;最后,有限元计算和实验结果验证了提出的新型单元电机数学模型和分段LP-DSLIM系统模型的正确性。

考虑实心体涡流影响的笼型实心转子电机起动工况导条电流分布的解析计算

作者：郑印钊；周理兵；王晋

摘要：笼型实心转子感应电机实心体与导条感应电流相互耦合,尤其是两极电机起动时,实心体涡流对导条电流分布产生很大影响,使导条电流密度由槽口至槽底呈现先减小后增大的不对称U型分布。传统计算方法会导致转子参数计算误差较大,严重影响电机设计的准确性。该文建立考虑磁场饱和效应的二维多层电磁场解析模型,求解两极笼型实心转子感应电机起动工况下的磁场分布。在此基础上,计及转子铁心轭部感应电流影响,建立转子导条电流解析计算模型,并求解电机在起动运行时笼型导条电流密度的分布。最后,通过与有限元仿真结果对比,验证不同电压下起动时,所求解的导条电流密度分布规律的准确性。结果表明所提出的计算方法适用于包括两极电机在内的各种极数笼型实心转子感应电机,为该类电机起动参数及性能的准确计算提供了参考。

圆筒型反向式横向磁通直线电机定位力补偿二阶自抗扰控制器位置控制

作者：董顶峰；黄文新；卜飞飞；黄维康；姜文

摘要：为减小定位力、摩擦力及负载等扰动对圆筒型反向式横向磁通直线电机（TRTFLM）位置控制性能的影响,提出一种定位力补偿二阶自抗扰控制器（ADRC）。首先,给出该电机的基本结构与运行原理,并对其定位力产生机理、数学模型及谐波分量进行分析;其次,基于该电机的数学模型,将位置环与速度环进行并联设计,构建位置环二阶ADRC,提高了TRTFLM位置控制的抗扰性能及跟踪性能;在此基础上,将定位力模型嵌入至扩张状态观测器（ESO）中,实现对二阶ADRC的优化,进一步提高了位置控制跟踪性能;最后,实验表明该控制方案的可行性和有效性。

基于速度变化率的无位置传感器无刷直流电机风力发电系统换相误差补偿策略

作者：边春元；邢海洋；李晓霞；刘尚玥；贾玉龙

摘要：针对无位置传感器无刷直流电机风力发电系统变速运行时存在换相误差的问题,通过对无刷直流发电机反电动势波形的分析,推导出转速变化时换相误差角度与反电动势过零时间间隔的数学关系,并及时调整过零点延时角度,对相应的误差进行补偿。与传统换相误差补偿方法相比,此方法具有能够实时补偿和校正,方法简单,容易实现等优点。经实验验证,该方法可以准确地检测换相误差角度,并能有效地补偿无刷直流电机的换相误差,提高电机换相的精度,具有广泛的适用性和应用价值。

电力电子

电力电子系统电磁干扰数值建模分析

作者：贾圣钰；赵争鸣；施博辰；朱义诚

摘要：随着半导体器件功率等级提高、开关速度加快,开关过程引起的电磁干扰（EMI）问题也日渐突出。与传统的EMI问题不同,电力电子系统的EMI问题由功率半导体器件的开关瞬态过程引起,其本质上是一个能量瞬变问题而非信号传输问题,变换形式为脉冲型而非连续型波形,传输载体和路径本质上是空间电磁场而非仅是电路电压电流。这三个特点决定了传统上从信号传播、正弦周期量变换和集总参数等效电路的角度研究EMI的方法难以揭示电力电子系统EMI问题的本质特点和规律。为此,该文从能量脉冲和电磁场瞬变过程的角度,对电磁场和载流子场耦合作用下的电力电子系统中的电磁脉冲进行建模分析。建立了面向电力电子系统EMI机理研究的三维电磁场数值模型,解算了微纳秒级开关瞬态过程中功率器件内部和空间中电磁场的分布及变化情况,并从数值计算和原理分析角度验证了所建三维电磁场数值模型的正确性。该文为电力电子系统EMI机理研究提供了有效的数值分析基础。

三有源桥变换器简化分析模型及优化控制策略

作者：刘贝；帅智康；肖凡；涂春鸣；周达

摘要：传统单移相（SPS）控制策略下三有源桥（TAB）变换器控制简单,但内部存在较大回流功率,增加了变换器的电流有效值和损耗。采用多重移相（MPS）控制策略虽然能提高控制灵活度、降低回流功率,但其分析过程复杂、移相角选取思路不明确。针对上述问题,该文提出一种MPS控制策略下TAB变换器的简化分析模型和优化控制策略。首先建立TAB变换器的傅里叶级数等效模型,推导MPS控制策略下TAB变换器的统一表达形式,并提出TAB变换器的简化分析模型,降低了MPS控制策略下TAB变换器的分析和计算难度;然后结合简化分析模型,提出一种基于无功功率的TAB变换器优化控制策略,能有效减小TAB变换器的电流有效值,降低控制器的设计难度;最后通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。

高电压与放电

伪火花放电的物理机制与应用综述

作者：闫家启；申赛康；孙国祥；丁卫东

摘要：伪火花放电是一种工作于巴申曲线左半支、引燃于空心阴极结构、具有弥散的主放电通道的特殊低气压放电,在脉冲功率和等离子体等领域得到广泛应用。该文综述了近年来有关伪火花放电物理机制和典型应用的研究。首先分析伪火花放电主要过程的典型特征、微观机制和影响因素,依次为预放电、空心阴极放电、超密集辉光放电和真空电弧放电四个阶段;其次讨论当前伪火花放电研究中仍存在的问题,如电流淬灭和阻抗波动等;然后介绍伪火花放电的典型应用,包括伪火花开关、电子束源、极紫外光源等,并着重介绍相关装置的参数水平和技术特点;最后探讨伪火花放电研究今后的发展趋势。

中频条件下真空灭弧室的纵向磁场仿真

作者：蒋原；李擎；夏丽娜；武建文；贾博文；夏尚文

摘要：该文研究了中频400~800Hz条件下纵磁真空灭弧室内的磁场特性,利用Ansys Maxwell求解了三维瞬态纵向磁场分布。由计算结果可知：在电流变化的过程中,中心区域纵向磁场的变化明显滞后于其他区域。电流峰值时在触头片开槽交错放置的位置有磁场峰值区域,电流过零时中心区域有明显剩磁。当频率增加时,涡流效应更明显,使纵向磁场的磁感应强度值减弱。对中心点,频率提高导致过零时剩磁增加,磁场滞后相位更明显,影响电弧扩散。增加触头片开槽数可以减弱涡流效应,而增加触头杯座槽旋转角,触头中间平面磁感应强度的最大值近似线性增加。文中通过分析电弧形态和电压等实验结果验证了磁场滞后对真空灭弧室的开断能力的影响。