抢鲜看电工技术学报2022年第18期

《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。

电工理论

考虑线圈参数变化的SS型动态无线电能传输系统参数优化设计方法

作者：陆远方；黎祎阳；杨斌；陈阳；麦瑞坤

摘要：在自动导引车的动态无线电能传输（DWPT）系统中,由于载重变化导致的接收端高度变化是不可避免的。这会造成系统线圈参数（自感和互感）改变,进而影响系统增益平稳。为了在DWPT系统接收端发生垂直偏移时保证系统增益平稳,该文基于串联串联（SS）拓扑提出一种考虑线圈参数变化的补偿拓扑参数设计方法。

通过建立考虑线圈参数变化的SS拓扑等效环路模型,分析系统增益与补偿参数的关系,确定补偿拓扑参数设计的约束条件与解空间范围。设计以输出电流增益平稳性与效率为目标的优化函数,基于粒子群优化算法提出一种SS拓扑补偿参数设计方法。所提方法在系统线圈参数变化的条件下,实现输出电流的稳定,且保有较高的效率。最后,搭建一套1kW的原理样机用于验证所提方法的有效性。

实验结果表明：在设定的高度变化范围（20~80mm）内,耦合机构自感增加19.1μH、45.22μH,互感增加至2.4倍,系统输出电流最大波动率仅为3.55%,最高效率达96.52%。

基于循环迭代粒子群算法对电动汽车无线充电系统的联合参数在线辨识

作者：刘廷章；张子恒

摘要：无线电能传输系统中参数的偏移往往会影响系统的充电效率和传输功率。该文提出一种谐振式无线充电系统的联合参数在线辨识方法。首先根据等效谐振电路建立电路方程。其次建立特征量的模型。然后检测一次侧输入电压,一次侧实时电流和二次侧实时电流并对其进行傅里叶变换得出特征频率,在此基础上构造出只含有4个未知数（L1、C1、L2、C2）的适应度函数,将参数辨识问题转化为函数寻优问题。

该文提出一种循环迭代粒子群算法来寻找最优解。将4个待辨识参数分为两组,L1、C1为第一组,L2、C2为第二组,每一次只辨识一组参数,然后将辨识结果作为另外一组参数寻优过程的初始条件进行循环辨识。除此之外,每一次辨识都会根据参数之间的灵敏度关系来迭代调整适应度函数。最后通过仿真和实验表明,所提的方案能够在无线电能传输系统中4个参数同时偏移的情况下有效辨识出各个参数,并且所提出的方法能达到较高精度。

排流装置对直流牵引供电系统杂散电流分布的影响

作者：刘炜；郑杰；李田；李思文；杨龙

摘要：直流牵引供电系统中,排流装置投入后究竟是改善还是恶化杂散电流一直饱受争议。为此,该文建立了考虑排流装置的钢轨回流系统模型,并结合叠加原理推广应用于多牵引变电所时的杂散电流与钢轨电位计算。通过CDEGS仿真和排流装置的投退实验验证了模型在计算杂散电流和钢轨电位方面的准确性。并在此基础上,分析了一次杂散电流和排流网收集杂散电流效率的影响因素。

研究结果表明,国内轨道交通工程排流网收集杂散电流的效率偏低,排流装置投入后,一次杂散电流增大为未排流的4.87倍、5.34倍,二次杂散电流增大为未排流时的5.41倍和4.63倍。

电机及其系统

永磁辅助同步磁阻电机研究现状及发展趋势

作者：曹恒佩；艾萌萌；王延波

摘要：永磁辅助同步磁阻电机（PMaSynRM）以其高功率密度、高效率、高性价比及宽调速范围的优点,近年来已成为行业的研究热点,特别是在家用电器、电动汽车及工业电机等领域。在国内外研究现状的基础上,该文详细介绍了永磁辅助同步磁阻电机的优化设计、转矩提升、转矩脉动抑制、机械强度、温升分布计算以及容错设计等方面的最新研究进展。

分析了辅助槽与气隙等设计对转矩特性的提升;总结了中心肋与磁障等设计对机械强度的优化;解释了PMaSynRM在不同工况下的温升分布并总结了多相、绕组等设计对永磁辅助同步磁阻电机容错能力的提高。最后,考虑电机行业的发展趋势,对永磁辅助同步磁阻电机的研究发展进行展望。

基于非线性混合模型的模块组合式永磁电机磁场解析

作者：刘云飞；张炳义；宗鸣；冯桂宏；甘宝平

摘要：为准确计算模块组合式永磁电机的电磁性能,该文建立了一种子域法和等效磁网络法相结合的非线性混合磁场解析模型。通过在子域模型定子槽边界施加等效电流片,非线性磁场解析模型可等效成为考虑了饱和效应的线性磁场解析模型。改进子域解析模型边界上的等效电流密度在等效磁网络模型中计算,等效磁网络中的磁通源需要在子域法中计算,因此需采用迭代算法进行求解。

等效磁网络模型中考虑了相邻定子模块之间的装配气隙。基于该非线性混合磁场解析模型计算了电机的气隙磁通密度、空载反电动势和电磁转矩,并重点分析模块组合式永磁电机在不对称运行状态下的电磁特性。最后通过有限元仿真结果和样机实验数据验证了该非线性混合磁场解析模型的正确性。

基于有效信息迭代快速粒子群优化算法的永磁同步电机参数在线辨识

作者：李婕；杨淑英；谢震；张兴

摘要：为解决采用粒子群优化算法（PSO）辨识永磁同步电机（PMSM）参数存在的计算量大、运行时间长的问题,提出一种基于有效信息迭代的快速粒子群优化算法（FPSO）,该算法在最大转矩电流比（MTPA）控制策略下在线对永磁同步电机参数进行快速辨识。基于动态电压方程构建新的适应度函数,并通过迭代有效电机参数信息和增添新的迭代终止条件改进标准粒子群优化算法（SPSO）的收敛快速性。为了克服电压估算误差对辨识精度的影响,在非线性补偿算法的基础上,讨论一种剔除电流过零一定范围内数据的预处理方案。实验结果表明,在不影响系统正常运行的情况下,实现了对永磁同步电机的交、直轴电感和永磁体磁链的快速辨识,且辨识结果具有较高的精度。

基于级联扩张观测器的永磁电机无传感器自抗扰控制策略

作者：朱良红；张国强；李宇欣；王高林；徐殿国

摘要：针对永磁电机矢量控制系统安装位置传感器导致可靠性降低、抗干扰能力下降等问题,采用高频脉冲电压信号注入法实现电机在零低速无传感器控制运行。在此基础上,为了改善无传感器系统采用传统控制方法导致系统刚度下降的问题,该文提出一种改进的转速环线性自抗扰控制策略,利用级联的扩张状态观测器估计系统所受的集总扰动,减小传统线性扩张状态观测器对于斜坡型扰动的估计误差,以提高系统对扰动的估计精度,增强鲁棒性。最后,在7.5kW永磁电机对拖加载实验平台进行实验,验证了控制策略的有效性。

开关磁阻电机的新型直接瞬时转矩控制方法及其高效率运行

作者：蔡燕；居春雷；王浩楠；万耀华；张海华

摘要：针对传统直接瞬时转矩控制（DITC）由于未考虑各相绕组的输出转矩随转子位置变化而采用单一的控制策略,造成换相期间转矩脉动较大的问题,提出了一种新型DITC方法来抑制开关磁阻电机（SRM）的转矩脉动。

按照电机绕组的电感变化规律对导通周期进行区域划分,根据电机绕组在各导通区域输出转矩能力的变化,对各区域分别设计滞环策略,以实现在整个导通周期始终采用输出转矩能力较大的电机相的内滞环来调节转矩误差,进一步减小SRM的转矩脉动。并针对DITC效率偏低的问题,通过对关断角的优化设计以及对开通角的离线寻优,来提高电机效率。仿真分析和实验结果表明,所提方法有效地减小了SRM的转矩脉动,并提升了电机效率。

表贴式永磁电机各次电流引起径向振动的机理分析及综合抑制策略

作者：康乐；夏加宽；苏航；宋孟霖；张荣津

摘要：变频驱动三相永磁电机绕组中含有各频次对称电流和非对称电流,甚至还有直流分量,在电机极槽磁导调制作用下,这些电流磁场与永磁磁场相互作用都会引起电机的径向振动。该文对样机的三相电流进行分析,分别推导出基波、直流分量、对称倍频电流和非对称倍频电流的径向磁动势,根据麦克斯韦磁力公式推导出各成分电流引起的径向振动模型,通过样机验证模型的正确性。

最后推导出一种多倍频电流注入法的径向振动抑制模型,并设计出一种基于多目标RMSProp优化算法的永磁电机径向振动综合抑振控制策略,通过样机实验验证了该方法的正确性和有效性。

基于多重同步压缩变换的永磁同步电机初期匝间短路故障检测

作者：魏东；刘侃；丁荣军；胡伟；陈泳丹

摘要：永磁同步电机定子绕组相邻线圈之间绝缘的退化会导致匝间短路故障,而目前的研究较多集中于短路匝数辨识,较难在故障初期检测到绝缘电阻的退化过程。该文基于匝间短路故障电机有限元联合仿真模型分析了剩余绝缘电阻对定子电流的影响,提出一种基于电流9次谐波的故障检测方法。

这种方法在时频域内可有效提取故障特征,并可解耦转速波动对故障检测结果的影响,因而能在稳态和瞬态运行工况下对剩余绝缘电阻从故障初期到晚期的退化趋势进行有效追踪。所提方法在一台24槽4极分布式绕组的三相永磁同步电机上进行了实验验证,结果显示,该方法对绕组剩余绝缘电阻衰减变化具有较高的监测精度,并且对于转速突变扰动具有优异的鲁棒性。

电力电子

GaN器件动态导通电阻精确测试与影响因素分析

作者：赵方玮；李艳；魏超；张楠；郑妍璇

摘要：GaN器件较传统Si器件具有耐高压、耐高温、导通电阻小和开关损耗小等优势,但其特有的动态导通电阻现象是限制其大规模应用的主要问题。该文基于动态导通电阻影响机理分析,首先提出一种GaN器件动态导通电阻综合测试平台及测试方法;然后测试了三款同电压/电流等级、不同结构GaN器件在各影响因素下的动态导通电阻,分析影响因素占比及动态导通电阻变化规律,与机理分析进行对比验证;最后从器件应用角度给出动态导通电阻优化方法。

该文提出的测试平台测试变量基本涵盖实际应用中的全部动态导通电阻影响因素。实验表明,不同结构GaN器件动态导通电阻特性不同,且占主导的动态导通电阻影响因素不同。从应用层面优化动态导通电阻,可有效降低通态损耗。

一种新型多电平逆变器及其模块化分析

作者：王要强；李娜；赵朝阳；陈天锦；梁军

摘要：为改善传统多电平逆变器有源器件数量较多以及扩展结构复杂的问题,该文提出一种降低器件数量且可模块化扩展的多电平逆变器。该逆变器由分压电容单元、开关电容单元和两个半桥组成,使用1个直流电源、4个电容、8个开关管和2个二极管实现2倍电压增益和九电平交流输出电压。

该逆变器通过2个半桥代替后端H桥转换输出电压极性,可以有效降低开关管总电压应力;在所提逆变器的模块化扩展结构中,电容逐级充电的工作方式进一步提高了电压增益和输出电平数。该文研究逆变器的工作状态、调制策略、电容分析、参数计算并进行拓扑对比。最后,通过仿真与实验验证了所提逆变器的可行性和理论分析的正确性。

交错并联临界导通模式Buck电感高密度集成与优化

作者：倪硕；吴红飞；陈君雨；华明；邢岩

摘要：该文研究宽输入电压范围临界导通模式（CRM）两相交错并联Buck平面电感高密度集成与优化设计方法。根据电感电流及其磁通分布特性,以减小电感总体积和损耗为目标,提出共用非绕线部分的新型集成电感磁心结构,分析集成磁心对电感耦合特性及电路工作特性的影响。以限定高度下电感的占地面积和损耗为优化目标,给出新型电感结构参数优化设计方法。最后研制一台高度仅为7mm,功率密度约W/in3,最高效率为99%的实验样机,实验结果表明了所提方案的有效性。

一种高效率的宽输出电压范围LLSC谐振变换器及其控制方法

作者：朱天宇；纪延超；王建赜

摘要：针对LLC谐振变换器高效率优势难以适应宽输出电压范围应用的问题,该文给出一种调节等效电容值的调压方式,提出一种LLSC谐振变换器拓扑及协同控制方法。该拓扑在LLC谐振变换器的电容旁加入由反向串联功率器件组成的旁路。调节旁路功率器件与逆变桥功率器件间滞后时间,连续调节等效电容值、改变输出电压。

在这种调压方式基础上,调节开关频率,降低励磁电流、谐振电流有效值,从而降低损耗。分析了所提出变换器的工作原理、换流过程、电压增益模型及协同控制方法。最后,设计了一台W的LLSC谐振变换器样机,实验结果验证了所提拓扑及协同控制方法的可行性。

三重移相调制模式下双有源变换器的直接功率控制

作者：高宇；李若愚；李林柘；谢锡锋；舒泽亮

摘要：为减小双有源桥（DAB）变换器的电流应力和导通损耗,提升变换器效率,该文提出一种三重移相（TPS）调制模式下的电感电流优化控制方法。针对TPS调制模式下DAB多工作模式产生的复杂优化问题,该文在交流模型的基础上,借鉴对称变换和空间投影思想对变换器可行域进行化简,并以减小电感电流为优化目标,采用最优性条件进行求解得到优化结果。

此外,为进一步提高动态性能,提出一种基于最小电感电流有效值模型的直接功率控制（DPC）算法,在输入电压波动和负载突变的情况下,变换器能实现电压快速无超调稳定输出。最后,在SiC器件的小功率实验平台上进行实验,验证了该控制策略的优越性。

基于三重移相的双有源桥DC-DC变换器效率与动态性能混合优化控制策略

作者：王攀攀；徐泽涵；王莉；高利强；王轩

摘要：为提升双有源桥（DAB）DC-DC变换器的效率和动态响应速度,在三重移相控制的基础上,提出一种混合优化控制策略。首先,从三重移相控制下的DAB工作模式中,选出两种作为变换器的实际工作模式,并引入新的外移相角,用以降低变换器建模和后续优化设计的难度;然后,分析这两种模式的工作特性,推导各自模式下的传输功率模型、电流应力表达式和软开关约束条件,借助Karush-Kuhn-Tucker条件法,求出满足最小电流应力和软开关条件的最优移相比组合;之后,建立输出电压状态空间模型,利用当前电压电流信息预测下一时刻输出电压,以改善变换器的动态性能;最后,搭建实验样机,验证了所提混合优化控制策略的有效性和优越性。

一种基于耦合电感的零电流纹波功率因数校正变换器

作者：林通；江平；姚佳

摘要：为了降低传统Boost功率因数校正（PFC）变换器的输入电流纹波,改善输入电流的总谐波畸变率（THD）,提升PFC效果,该文提出一种基于耦合电感的零电流纹波PFC变换器。首先,基于零电流纹波工作原理分析并推导PFC工况下的电路参数设计方法。分析表明,由于所增加的辅助电感仅用于消除电流纹波而不参与主功率传输,因此其体积远小于传统BoostPFC的输入滤波器。其次,在拓扑研究基础上结合零电流纹波特性,提出采用数字单周期控制策略,给出数字控制器的设计及实现方法。最后,通过实验将所提出拓扑的性能与传统BoostPFC进行对比。

实验结果表明,该文所提出的基于耦合电感的零电流纹波PFC变换器输入电感电流纹波近似为零,THD明显低于传统BoostPFC变换器,且功率因数（PF）显著提升。

非理想电网条件下PWM整流器优化预测功率控制

作者：李山；马雯；郭强；张路；魏苏东等

摘要：模型预测功率控制（MPPC）基于代价函数最小化原则,选取下一时刻最优开关状态作用于系统。然而当电网电压处于不平衡状态时,MPPC网侧电流将发生严重畸变进而对PWM整流器输出性能产生危害。针对此问题,该文将扩展无功功率新定义应用于MPPC,无需复杂的正负序提取和功率补偿算法,获得恒定有功功率和网侧正弦电流。

此外,针对传统模型预测功率控制（C-MPPC）存在的开关频率不固定、系统计算量大的问题,提出一种优化模型预测功率控制（O-MPPC）策略。通过对有限控制集优化,减小系统计算量;同时采用多矢量合成方法取代单一矢量作用,将所选矢量开关序列重组优化并计算每个矢量作用时间,解决C-MPPC开关频率不固定的问题,提高系统控制性能。通过与C-MPPC进行对比实验,验证了所提优化控制策略的可行性与优越性。

基于LCCL谐振变换器拓扑的新型经颅磁刺激电容器充电电源设计

作者：熊慧；秦涛涛；刘近贞

摘要：为提高经颅磁刺激（TMS）的电流脉冲频率,该文提出一种基于电感-电容-电容-电感谐振变换器（LCCLRC）的电容器充电电源（CCPS）。首先,利用基波分析法推导出LCCLRC恒流输出以及逆变器输出电压与电流零相位条件的近似表达式;其次,对较小物理尺寸和较大电流增益的变换器的设计条件进行分析,根据仿真实验可得,以LCCLRC为充电电源的TMS系统脉冲频率是LCLCRC的1.21倍;最后,设计平均输出电流为1.15A、功率为.37W的样机原型。

结果表明,样机原型的实际电流增益为0.,将μF储能电容从0V充电至V的时间为ms。相对于LCLCRC电容器充电电源,其充电时间减少了21.25%。实验结果验证了该理论分析的有效性。

高电压与放电

填充颗粒尺寸对介质阻挡放电降解SF6的影响

作者：张晓星；周畅；崔兆仑；张国治；伍云健

摘要：六氟化硫（SF6）是一种被广泛应用的优良绝缘气体,但其具有强温室效应,会对大气环境造成巨大的潜在危害。采用填充床式介质阻挡放电（DBD）降解SF6是一种有潜力的治理手段,但目前填充介质尺寸等诸多参数影响尚且未知。该文基于填充床式介质阻挡放电研究直径为1mm、2mm和4mm的γ-Al2O3颗粒对降解SF6的影响。

发现小尺寸颗粒会缩减反应区域的气隙空间,使DBD体系趋于产生丝状放电;2mm填充体系的降解率及能效均优于1mm和4mm体系,主要原因可能是2mm填充颗粒兼顾较大的活性接触面积和较长的气体停留时间这两个重要因素;相比于2mm和4mm体系,1mm体系能够促进SO2气体产生,抑制SO2F2、SOF2和SOF4气体的产生。该研究结果为SF6工业无害化降解提供了理论支撑和技术指导。

考虑流体动力学的干式变压器热网络模型仿真分析

作者：唐钊；刘轩东；陈铭

摘要：为分析干式变压器在典型过载情况下绕组的轴向温度分布和热点温度,该文提出一种考虑流体动力学的热网络模型。首先,在考虑了温度对材料损耗特性的影响下,建立了干式变压器三维磁-热-流耦合仿真模型,精确模拟了干式变压器强迫散热过程,实现了不同负载系数下干式变压器绕组的温升计算和热点温度预测,高压绕组、低压绕组最热点温度的仿真结果与出厂温升试验数据的误差分别为4.1%和9.0%。在此基础上,结合有限元模型的流体场仿真结果,对热网络模型中的对流传热热阻进行修正。

结果表明,热网络模型在进行对流传热热阻修正后,高压绕组、低压绕组的最热点温度的仿真结果与出厂温升试验数据的误差分别为2.9%和10.7%,轴向温度分布规律吻合度较高。该文提出的考虑流体动力学的干式变压器热网络模型克服了传统热路模型计算精度较低的问题和有限元模型计算时间长的缺点,对干式变压器的设计和运行评估具有较好的指导作用。

电能存储与应用

计及老化路径的锂离子电池加速寿命工况自动生成方法

作者：郭东旭；杨耕；冯旭宁；卢兰光；欧阳明高

摘要：为探究质子交换膜燃料电池（PEMFC）电堆在动态机车工况下的衰退性能,该文结合极化曲线、等效电路模型（ECM）方法和弛豫时间分布（DRT）方法对电池进行分析。针对5kW电堆,测量了机车工况下运行0h、h、h及h后,第1、20和40片电池的极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）。建立PEMFC三阶等效电路模型,根据模型参数分析PEMFC内部变化。计算EIS相应的DRT,根据不同波峰解释PEMFC各极化过程的变化。

结果表明：该电堆不同单片的主要损耗都发生在氧气还原反应过程和质量传输过程中,但动态工况下不同单片的衰退趋势不一致。电堆入口的电池1在~h期间衰退速率最快,电堆中间的电池20衰退速率随时间逐渐加快,电堆出口电池40在~h期间衰退速率最快。且由于电池40在0h未活化完全,导致其在0~h期间出现性能提升。

动态机车工况下质子交换膜燃料电池电堆衰退性能分析

作者：张雪霞；黄平；蒋宇；陈维荣

摘要：为了验证锂离子电池在长期使用中的性能,需要对锂离子电池进行寿命测试。现阶段锂离子电池寿命一般长达数千循环,进行常规寿命测试十分耗时,需要开发加速寿命的实验方法。由于锂离子电池寿命衰减具有对使用路径的依赖性,因此设计该加速寿命实验方法的约束是：既要保证加速前后总容量衰减的等价性,还要保证内部衰减机理即老化路径的不变性。

该文提出一套基于模型的可保证上述约束的加速寿命工况自动生成方法。方法设计了综合考虑加速因子（加速时间倍率）和老化路径相对误差两个指标的目标函数,并采用双闭环构架求取符合该目标函数的加速工况最优解。双闭环的外环为加速因子优化算法,旨在寻找最优的加速时间倍率;内环为加速工况搜索算法,旨在搜索对应于加速因子和上述约束的最优加速工况。针对中国轻型汽车行驶工况中的乘用车行驶工况,该文方法基于作者研发的考虑锂离子电池主导衰减机理的半经验分数阶模型进行仿真,仿真结果证明了方法的有效性。