电工技术学报
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2019年 34卷 3期
刊出日期:2019-02-10

电工理论
电机与电器
电力电子
电力系统
高电压与绝缘
   
 电工理论
皮肤烧伤深度检测的单边核磁共振浅层成像磁体系统
贺中华, 何为, 贺玉成, 徐征
目前临床上烧伤深度判断缺少合适的检测设备和方法,主要由烧伤科医生主观判断,准确率不高。该文设计了一种用于烧伤深度判断的单边核磁共振浅层成像磁体系统,对该磁体系统的单边磁体结构、平面梯度线圈、射频线圈以及射频屏蔽进行了优化设计。采用该磁体系统对橡皮模型和猪皮烧伤模型进行成像实验,获得了两种模型的二维成像。结果表明由该磁体系统获得的图像与橡皮实验模型的形状相似,且图像中不同烧伤深度部分和正常对照部分的信号强度呈鲜明对比,初步证明该文设计的单边磁共振浅层成像磁体系统可用于皮肤烧伤深度的检测。
2019 34 (3): 449-458.  摘要 (  67 )   PDF (59604 KB)   ( 173 )
环形Fe-Ga合金动态磁导率和损耗分析
翁玲, 李薇娜, 曹晓宁, 梁淑智, 王博文
Fe-Ga合金的动态磁导率和损耗是研究Fe-Ga合金器件设计和应用的基础。为了研究高频Fe-Ga合金传感器,首先需要分析Fe-Ga合金的动态磁导率和损耗。该文建立了环形Fe-Ga合金动态磁导率和损耗模型,并采用AMH-1M-S型动态磁特性测试系统测量了不同磁场频率下Fe-Ga合金弹性磁导率、黏滞性磁导率和损耗因数曲线,利用阻抗分析仪测试环形Fe-Ga合金的电阻和电感,通过模型计算出不同频率下的环形Fe-Ga合金的弹性磁导率和黏滞性磁导率,分析了弹性磁导率和黏滞性磁导率随磁场频率的变化情况。结果表明,随着磁场频率增大,弹性磁导率先下降后升高,黏滞性磁导率不断升高,模型计算结果与实验结果一致。损耗因数随着磁场频率的增加先增加后降低最后趋于平稳。电磁损耗和介质储能随着磁场频率的增加逐渐增大。
2019 34 (3): 459-465.  摘要 (  43 )   PDF (18340 KB)   ( 100 )
 电机与电器
双定子笼障转子无刷双馈发电机冷却空气流变特性数值分析
蒋晓东, 张凤阁, 周党生, 孔令江
双定子笼障转子无刷双馈发电机(DSCBR-BDFG)采用了背靠背笼障转子以及双定子结构,因此其具有磁场耦合能力强、功率密度高、容错性能好等优势。针对该发电机结构复杂、散热困难、额定运行时局部温升较高的问题,研究通风结构内部冷却空气的流变特性对发电机冷却系统优化设计具有重要意义。以一台50 kWDSCBR-BDFG样机为研究对象,阐述了该发电机的机械结构、绕组联结方式以及励磁控制系统,分别建立内外流体区域的三维物理模型和数学模型,给出边界条件和基本假设,根据流体力学理论,采用有限体积法对其湍流控制方程进行数值求解,得到了发电机内部空间不同位置的空气流速、流量以及迹线等空间分布特点,并对其进行详细分析。通过研究揭示了DSCBR-BDFG内部冷却介质流变特性的分布规律,为后续对该发电机通风冷却结构的优化设计提供依据。
2019 34 (3): 466-473.  摘要 (  42 )   PDF (16622 KB)   ( 97 )
改进型偏差耦合多电机转速同步控制
耿强, 王少炜, 周湛清, 史婷娜, 夏长亮
传统偏差耦合多电机同步控制系统中,系统的跟踪性能与同步性能相互耦合,难以兼顾。此外,在多电机系统起动阶段,传统偏差耦合控制结构跟踪误差补偿量较大,在输出限幅的作用下,各台电机电流环输入参考转矩相等,而负载不均导致各台电机加速度不等,致使转速同步误差增大。针对以上问题,该文首先运用线性系统校正原理设计了改进型偏差耦合控制结构,实现了系统的同步性能与跟踪性能的解耦调节;并在转速环部分增加了输出选择器,设计了输出选择函数,将跟踪误差补偿量按一定比例减小至限幅值以下,使得同步误差补偿量的作用更加突出,在多电机系统起动阶段减小了系统同步误差。最后在3台永磁电机平台上进行了仿真和实验,结果验证了该文所提改进型偏差耦合控制结构的有效性和可行性。
2019 34 (3): 474-482.  摘要 (  47 )   PDF (78507 KB)   ( 104 )
基于积分滑模的永磁直线同步电动机直接推力控制
原浩, 赵希梅
针对永磁直线同步电动机(PMLSM)直接推力控制(DTFC)存在推力纹波和稳态误差等问题,提出一种基于积分滑模的PMLSM伺服系统DTFC方案。利用速度与推力作为状态变量,在同步旋转定子磁链矢量坐标参考系中构建二阶非线性状态空间方程,并根据此空间状态建立积分滑模控制律,取代独立的速度控制器与推力控制器,简化了系统的控制结构,提高了系统的动态响应。选用饱和函数作为切换函数,降低了滑模控制(SMC)的抖振现象,进一步消除速度跟踪中的稳态误差,提高了系统的鲁棒性。利用李雅普诺夫稳定性分析证明了积分滑模控制器是全局渐近稳定的。通过实验验证了所提出的方法是有效的,与采用PI控制的DTFC相比,基于积分滑模的DTFC系统具有更快的动态响应,更好的稳态控制性能和较强的鲁棒性能。
2019 34 (3): 483-488.  摘要 (  65 )   PDF (18870 KB)   ( 90 )
可变磁通永磁辅助同步磁阻电机设计与性能分析
杨晨, 白保东, 陈德志, 李岱岩
以3层磁障转子的永磁辅助同步磁阻电机为例,提出一种铁氧体与铝镍钴混合永磁的可变磁通永磁辅助同步磁阻电机转子设计方法,使永磁辅助同步磁阻电机具备记忆电机弱磁区转矩高、损耗小和调速范围宽的优点。首先给出可变磁通永磁辅助同步磁阻电机的调磁方法;然后从永磁体工作点设计的角度分析电机调磁电流和过载能力对电机性能的影响;接着介绍了永磁体排布的确定和体积比优化设计方法;最后提出一种适用于该电机的转子设计方法。仿真结果表明,采用该文提出的转子设计方法能够使电机弱磁区损耗最多降低56%,电机弱磁区的转矩和调速范围显著提高。
2019 34 (3): 489-496.  摘要 (  43 )   PDF (22538 KB)   ( 91 )
一种基于内模控制的工业机器人关节伺服系统振动抑制算法
黄宣睿, 宋宇洋, 李秋生, 肖曦
由于减速器的柔性导致工业机器人关节伺服控制系统存在谐振点,传统PI控制在极端位置指令下会出现振动。该文根据工业机器人单关节的弹性传动模型,基于内模控制原理提出一种工业机器人关节伺服系统振动抑制算法,通过在传统伺服控制器位置环与速度环之间添加抑振滤波器实现振动抑制,无需额外的传感器与复杂的控制算法。仿真与实验证明了该方法简单可行,能有效抑制机械振动,且具有较强的参数鲁棒性。
2019 34 (3): 497-505.  摘要 (  50 )   PDF (41919 KB)   ( 124 )
 电力电子
一种基于集总电荷的大功率PIN二极管改进电路模型
李鑫, 罗毅飞, 段耀强, 刘宾礼, 黄永乐
提出了一种基于集总电荷建模方法的大功率PIN二极管改进电路模型。传统的集总电荷模型使用有效载流子寿命模型,未考虑载流子寿命和基区电荷浓度之间的关系,导致模型的仿真精度偏低。该文在研究传统PIN二极管集总电荷模型的基础上,首先分析了二极管基区载流子寿命随注入浓度和温度的变化规律,并提出了载流子寿命随浓度和温度变化的集总电荷模型。然后,基于提出的载流子寿命模型建立了改进的PIN二极管集总电荷电路模型,并加入模型物理参数的温度函数,实现了模型对不同温度下PIN二极管通态和瞬态特性的表征,并在PSPICE仿真平台中实现了该模型。最后,用1700V/1000A IGBT模块中反并联续流二极管对模型进行了实验,仿真和实验结果对比验证了该模型的准确性。
2019 34 (3): 506-515.  摘要 (  40 )   PDF (26601 KB)   ( 79 )
功率解耦型无电解电容PFC电路并联补偿控制
王立乔, 崔舒敏, 陈梅
提出了一种并联补偿控制策略,应用于功率解耦型无电解电容功率因数校正(PFC)电路,实现了去除电解电容、提高使用寿命和可靠性的目的。首先以升压型双向Buck/Boost变换器作为功率解耦电路,提出了基于固定占空比的并联补偿控制策略,并对其补偿特性进行了分析。而后在定占空比控制策略基础上提出了一种并联补偿控制策略,该控制策略相比较于传统的控制策略,结构简单、实现容易,而且响应速度快,系统调整时间短,负载电压纹波对负载功率变化不敏感,可实现无传感器的低成本功率解耦。为了进一步减小功率器件耐压,将降压型双向Buck/Boost变换器引入功率解耦方案,应用该文所提出的控制策略进行控制,同样实现了PFC电路去除电解电容的目的。最后对该文所提出的并联补偿控制策略进行仿真和实验研究,结果验证了该控制策略的有效性。
2019 34 (3): 516-528.  摘要 (  50 )   PDF (71855 KB)   ( 88 )
具备高增益的非隔离三端口变换器
刘俊峰, 胡仁俊, 曾君
提出了一种具备高增益的非隔离三端口变换器,变换器三个端口分别连接光伏电池、蓄电池和负载。变换器任意两个端口间可以实现电压的调节和功率的流动,通过蓄电池的充电和放电,能够补偿光伏电池与负载之间的功率不平衡,实现对负载连续稳定的供电。此外,通过引入开关电容电路,变换器具备高压输出能力。最后,论文给出了变换器的工作原理和稳态分析,并在此基础上进行了实验验证,结果证明了理论分析的正确性以及变换器的可行性。
2019 34 (3): 529-538.  摘要 (  33 )   PDF (71773 KB)   ( 113 )
适用于多端直流输电系统的模块化多端口直流潮流控制器
武文, 吴学智, 荆龙, 魏梦航, 姜久春
针对多端直流输电系统潮流控制技术问题,提出了一种模块化多端口直流潮流控制器(MM-DPFC)。与现有DPFC相比,其在保留无需配备外部电源、输电线路功率双向可控以及多端口输出等优势的基础上,保证了DPFC各端口输出电压可基于本地进行独立控制,避免了传统多端口DPFC对输电系统主换流站直流输出电压调节的依赖,增强了其控制方式的灵活性与系统的可靠性。同时,其采用标准模块化设计,易于实现后期的端口拓展与系统冗余。文中首先详细分析了该控制器的拓扑结构与工作原理;然后,设计了相应的控制策略,保证了控制器的有效运行;最后,通过仿真与实验对其进行了多种工况下的验证。
2019 34 (3): 539-551.  摘要 (  40 )   PDF (75713 KB)   ( 132 )
考虑开关管开路故障的三电平STATCOM建模与硬件在回路实时仿真
李浩洋, 李泽, 郭源博, 张晓华
针对三电平静止同步补偿器(STATCOM)开关管开路故障情况下硬件在回路仿真模型的搭建问题,提出一种实时仿真的故障建模方法。分析开关管开路故障情况下STATCOM的工作机理,根据系统的运行状态将故障模型分解为若干故障子模型,采用系统状态估计变量确定子模型间的切换条件;提出一种直流侧中点电位补偿算法,补偿实时仿真中数值积分的累积误差,提高模型的稳定性。基于dSPACE平台搭建故障情况下STATCOM的实时仿真模型,采用前向欧拉法将故障模型实时运行在FPGA板卡上,使仿真步长缩短至1μs。仿真结果验证了所提故障建模方法的有效性及所建立实时仿真模型的准确性。
2019 34 (3): 552-561.  摘要 (  58 )   PDF (40071 KB)   ( 68 )
 电力系统
考虑供热系统建模的综合能源系统最优能流计算方法
张义志, 王小君, 和敬涵, 高文忠
随着社会经济的发展与技术的进步,综合能源系统已成为未来能源领域变革的重要发展趋势之一,其中以热电联供为代表的电热耦合综合能源系统发展迅速。电热系统的联合优化可以提高燃料利用效率,节省运行成本,但当前电热耦合系统能流研究主要针对于电力系统,对供热系统的管网特性、热负荷与用户温度需求的关联特性考虑得还不够精细,无法充分反映电热系统的实际运行特性。该文基于热力管网支路特性及散热器、换热器等关键设备的稳态模型,考虑供热系统能量传输与管网约束,建立了供热系统稳态能流计算的精细化模型。在此基础上,以热电联供机组电热出力与电锅炉出力为调节变量,提出了一种基于内点法的电热耦合综合能源系统最优能流求解方法,能够更加准确地反映系统运行特性并实现系统经济运行。最后进行算例测试,验证所提最优能流计算方法的可行性与有效性。
2019 34 (3): 562-570.  摘要 (  44 )   PDF (12697 KB)   ( 122 )
风电功率波动平抑下的MPC双储能控制策略研究
孙玉树, 张国伟, 唐西胜, 贾东强, 曹志煌
风电的规模化接入对电力系统造成了较大影响,应用储能进行风电功率波动的平抑可以提高其并网可信度。首先,应用模型预测控制算法平抑风电波动以达到其并网要求;然后,针对单组储能功率频繁充放电的情况,应用两组不同充放电状态的储能平抑风电波动,当一组储能处于充电时,另一组放电,其中任意一组达到SOC约束时,两组储能同时切换充放电状态;最后,从储能的经济性成本方面进行分析,通过与单组储能的对比证明了其优越性。
2019 34 (3): 571-578.  摘要 (  34 )   PDF (21570 KB)   ( 78 )
城轨交通牵引供电系统参数与储能系统容量配置综合优化
诸斐琴, 杨中平, 林飞, 信月
在城轨交通中安装地面式超级电容储能系统将有效回收列车再生制动能量,降低系统运行能耗。各个变电所、牵引/制动列车与储能系统通过牵引网进行实时能量交互,组成一个复杂的多能源耦合系统,因此,为了提高牵引供电系统的整体能量效率,减少投资成本,该文提出供电系统参数与储能系统容量配置综合优化方法。首先建立不同列车运行场景的等效电路模型,分析变电所空载电压和制动电阻启动电压对变电所、牵引/制动列车与储能系统之间能量传递效率与有效传输距离的影响;其次,建立以系统能耗和配置成本为目标的多目标优化问题,将NSGA-II优化算法与城轨牵引供电潮流计算相结合,对供电系统参数与储能系统容量配置进行综合优化;最后,基于北京地铁八通线算例,求解综合优化的帕累托最优解集。结果表明,相比于单一储能系统优化,综合优化在投资成本相近的情况下有效提高了储能系统的节能率。
2019 34 (3): 579-588.  摘要 (  42 )   PDF (38871 KB)   ( 91 )
基于WEMTR的柔性直流输电线路故障测距
张希鹏, 邰能灵, 郑晓冬, 黄文焘, 孙凯华
提出了基于小波技术的电磁时间反转(WEMTR)理论的柔性直流输电线路故障测距原理。对线路两端故障电流的1模量进行小波分解,提取有效信息;将所提取的有效暂态量以时间轴镜像,即进行时间反转;再将时间反转后的电流量作为电流源并联在无损镜像线路两端,并在无损镜像线路上各处都假设发生故障,计算各个假设故障的接地电流有效值;假设故障电流有效值最大处即为所求故障点处。理论证明,该方法不受过渡电阻和故障类型的影响。在PSCAD/EMTDC搭建了基于模块化多电平换流站的高压直流输电系统进行仿真验证,输电线路采用相域频变分布参数模型。结果表明,不需要高采样率,该方法可以得到精确的故障测距结果。
2019 34 (3): 589-598.  摘要 (  44 )   PDF (24922 KB)   ( 129 )
MMC-UPFC单相接地故障下运行特性分析及整体保护策略设计
陈勇, 曹伟炜, 柏彬, 王莹, 龚辉
基于模块化多电平换流器的统一潮流控制器(MMC-UPFC)是目前最全面的柔性交流输电系统(FACTS)设备,具有广阔的研究前景。但当线路发生接地或短路故障时,MMC-UPFC串联变换器可能承受过电压和短路电流的冲击而导致烧毁。结合国内外研究现状,为弥补研究空白,该文首先介绍了MMC-UPFC的基本结构,针对交流系统故障,通过分析MMC-UPFC装置在交流母线上发生单相接地故障情况下的运行状态,分析其故障特性,提出定义比例参数k,并合理选择k的值,可以使故障接地电流为0,并能保持故障线路的持续运行。针对站内故障,根据MMC-UPFC本身的拓扑结构特点及并联侧、串联侧不同的交流侧结构,提出将并联侧及串联侧分区进行保护,设计了装置的整体保护配置方案,并研究了与交流系统上其他保护的配合运行,为实际工程提供参考。然后,结合PSCAD软件搭建模型进行仿真分析。最后,以220 kV南京西环网UPFC项目中人工短路实验进行分析,验证所提故障运行特性和保护配置方案的合理性和可行性。
2019 34 (3): 599-610.  摘要 (  28 )   PDF (69484 KB)   ( 89 )
 高电压与绝缘
瓷绝缘子表面粘附颗粒的粒径分布特性及其影响因素研究
姜昀芃, 李黎, 卢明, 王如梦, 蒋逸雯, 刘泽辉
绝缘子表面差异性的粒径分布对沿面泄漏电流以及污闪电压具有重要影响。该文结合计算流体力学和碰撞沉积模型,对颗粒的粘附过程展开仿真研究,同时还分析了不同因素对粘附颗粒粒径的影响。结果显示,在典型气象条件下,瓷绝缘子表面的污秽颗粒的粒径分布存在统计特性,主要分布于5~50μm。此外,相对湿度和空气风速对粘附颗粒的粒径分布具有显著影响,而气动外形、电场类型和电场强度的影响相对较弱。本文研究可为后续开展更准确的绝缘子积污人工模拟试验及颗粒粒径对污闪的影响等研究提供支撑。
2019 34 (3): 611-619.  摘要 (  40 )   PDF (39601 KB)   ( 85 )
基于激光诱导击穿光谱的绝缘子污秽可溶盐定量关系
王乃啸, 王希林, 贾志东, 王黎明, 黄荣辉
绝缘子表面污秽影响高压线路运行安全,现有的绝缘子污秽检测方法主要是取样后在实验室测试其等值盐密和灰密,无法进行现场实时测量。该文利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术,结合电感耦合等离子体光谱等元素分析技术,研究了人工污秽中若干盐类离子含量与激光光谱特征谱线的定量关系,提出了测量输电线路绝缘子污秽成分及浓度的新方法。结果表明,LIBS技术可检测污秽中绝大部分盐类元素含量。其中,Mg、Ca等元素特征谱线对应的含量与光谱相对强度呈现强线性关系,而Na、Al等元素部分谱线对应的可溶盐元素的含量与光谱相对强度的线性关系不明显,碱金属元素Na特征谱线受基体效应的影响较大。通过主成分分析方法分析了多种元素谱线的强度和浓度,实现了不同人工污秽主成分的聚类分析。
2019 34 (3): 620-627.  摘要 (  47 )   PDF (24317 KB)   ( 82 )
输电铁塔分段模型的风洞试验
杨挺, 谢从珍, 刘智健, 师留阳, 朱文
输电铁塔是架空输电线路中的重要电力设备,近年来我国沿海地区风致倒塔事故频发。为了研究输电铁塔的风荷载特性,该文进行了输电铁塔分段全尺寸模型的风洞试验研究。试验分别以风速和迎风角为独立变量,研究了分段铁塔模型风荷载随风速和迎风角的变化规律。结果表明:分段铁塔模型的竖向风荷载在中低风速下随风速变化符合指数规律,其系数与分段模型的类型有关;竖向风荷载随迎风角变化符合正弦规律,且不同分段模型正弦函数的周期和幅值不同。用拟合函数推算中高风速下的分段输电铁塔竖向力,计算结果表明随着风速增加,输电铁塔竖向风荷载呈一定的变化规律。研究结果可为输电铁塔防风防灾提供理论依据。
2019 34 (3): 628-635.  摘要 (  41 )   PDF (41747 KB)   ( 80 )
       
 
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