《電工技術學報》是中國電工技術學會主辦的電氣工程領域綜合性學術期刊，報導基礎理論研究、工程應用等方面具有國際和國內領先水平的學術及科研成果。中國工程院院士馬偉明任《學報》編委會主任，兼《學報》主編。
交流電機模型預測控制專題
「交流電機模型預測控制」專題特約主編寄語
基於權重係數消除和有限控制集優化的雙三相永磁容錯電機快速預測直接轉矩控制
作者：趙勇，黃文新，林曉剛，姜文摘要：為改善雙三相永磁容錯電機採用傳統預測直接轉矩控制（PDTC）時存在的權重係數整定困難、有限控制集元素數量多以及電壓矢量滾動尋優時間長等問題，該文提出一種基於權重係數消除和有限控制集優化的快速PDTC。首先，根據無差拍直接轉矩磁鏈控制思想，將評價函數中不同量綱的變量等效為相同量綱的電壓矢量，消除了定子磁鏈權重係數；其次，基於永磁容錯電機大電感的特點，提出僅選取零序電壓為零的電壓矢量或者所合成虛擬電壓矢量作為有限控制集元素，不僅消除了零序權重係數，還將有限控制集中的元素從64個減少到19個，同時改善了零序電流的抑制效果；最後設計了一種可一次選出最優電壓矢量的方法，避免了滾動尋優帶來的計算負擔。實驗結果驗證了所提PDTC的可行性和有效性。基於電流源變流器的永磁同步電機驅動系統全狀態變量預測轉矩控制
作者：李昱，郭宏，平朝春，王曉輝，張禎濱摘要：電流源變流器輸出電壓平滑、具有天然短路保護能力，在長電纜驅動、中壓驅動等場景得到廣泛應用。電流源變流器的輸出濾波電容與電機的電磁動力學方程構成二階系統，存在天然的諧振頻率，易失穩，因此對控制器的設計提出了嚴峻挑戰。該文深入地分析了被控對象的數學模型，在不考慮控制變量和狀態變量約束的條件下，理論上求解了可實現電磁轉矩的無差拍控制的輸入電壓值，以此作為濾波電容電壓的參考值。在此基礎上，充分利用模型預測控制多目標全局優化的能力，將dq軸電流、輸出電容電壓和開關懲罰項包含在一個統一的代價函數中，提出一種計及全狀態變量的預測轉矩控制策略。所提的全狀態變量預測轉矩控制可有效抑制濾波電容和定子電感之間的能量振蕩。在此基礎上，通過理論分析和大量仿真數據獲取採樣頻率和開關懲罰項權係數的設計準則，通過選取合理的開關懲罰項權係數，可實現開關頻率和穩態控制性能的優化設計。最後，通過硬體在環（HiL）對所提控制策略進行了驗證。測試結果表明,全變量預測轉矩控制穩態轉矩脈動小;在動態轉換過程中,轉矩響應速度快。一種永磁同步電機的有限集無模型容錯預測控制算法
作者：趙凱輝，周瑞睿，冷傲傑，戴旺坷，黃剛摘要：針對傳統有限集模型預測控制在電機發生參數攝動和永磁體失磁故障時模型失配導致系統性能下降的問題,提出一種用於永磁同步電機（PMSM）電流控制的有限集無模型容錯預測控制方法。首先,考慮電機參數不確定性,依據永磁同步電機在參數攝動下的dq軸數學模型,建立基於系統輸入和輸出的永磁同步電機新型超局部模型。其次,基於新型超局部模型設計PMSM電流環的有限集無模型容錯預測控制器,利用滑模觀測器估計PMSM新型超局部模型中未知部分h。最後,與傳統有限集模型預測控制方法進行實驗結果對比,證明了所提方法對電機參數攝動和永磁體失磁故障具有容錯性和魯棒性。兩電平電壓源逆變器雙矢量調製模型預測控制：理論分析、實驗驗證和推廣
作者：郭磊磊，李國昊，金楠，李琰琰，竇智峰摘要：近年來,模型預測控制（MPC）以其良好的自適應性、魯棒性等優越性能廣泛應用於兩電平電壓源逆變器中。然而,常規的模型預測控制每個控制周期只使用1個電壓矢量,導致電流諧波較大。為抑制電流諧波,提出一種雙矢量調製模預測控制策略。首先,在每個控制周期同時使用兩個電壓矢量來跟蹤目標矢量,且每個電壓矢量的作用時間根據調製模型預測控制原理計算;其次,根據無差拍控制原理計算參考電壓,並根據參考電壓位置在每個控制周期僅需要選擇三組電壓矢量組合進行在線評估,從而得到最優電壓矢量組合。最後,通過詳細的理論分析,驗證了所提雙矢量調製模型預測控制策略的有效性。此外,該文研究還表明,所提策略還可用於控制其他類型的逆變器,如三相四開關逆變器。同時,所提方法可以獲得和常規雙矢量法類似的控制性能,且具有計算量小等優點。理論分析和實驗結果驗證了所提方法的有效性。基於粒子群算法的永磁同步電機模型預測控制權重係數設計
作者：李家祥,汪鳳翔,柯棟梁,李政,何龍摘要：針對模型預測控制算法（MPC）在處理多目標多約束條件時權重係數設計問題,該文提出一種基於混沌變異的動態重組多種群粒子群算法（CDMSPSO）實現權重係數自整定。通過分析模型預測轉矩控制（MPTC）代價函數,以兩相旋轉坐標系下電流誤差方均根為參考,將降低轉矩脈動和減小電流總諧波畸變（THD）作為主要控制目標,設計粒子群算法中粒子的目標函數。採用CDMSPSO算法,將整個種群劃分為多個小的子粒子群,並以一定重組周期將粒子進行隨機重組,然後隨機選擇一個子粒子群,以其中任一粒子為基礎迭代生成混沌序列,並將新的混沌序列替代選擇的子粒子群,實現粒子的混沌變異。仿真和實驗結果驗證了該方法能較好地解決權重係數整定問題,且穩態性能優異。兩相靜止坐標系下的永磁同步電動機模型預測功率控制
作者：姚緒梁,黃乘齊,王景芳,馬赫,劉銅振摘要：為避免轉子位置角檢測誤差給永磁同步電動機調速系統帶來的不利影響,提高系統的可靠性,提出一種等價於id=0的永磁同步電動機模型預測功率控制方法。該方法通過建立兩相靜止坐標系下的電機增量模型,使用枚舉法對基本電壓矢量作用下的電流進行預測,利用採樣得到的電壓及電流估計反電動勢和轉子側瞬時功率值,然後通過功率價值函數選擇最優電壓矢量。所提方法無需使用高解析度位置傳感器檢測轉子位置角進行旋轉坐標解耦變換,可降低系統的複雜度。電機增量模型無需使用永磁體磁鏈參數預測電流,降低了算法對電機參數變化的敏感度。實驗對比了所提控制方法與直接功率控制的穩態功率波動、轉矩波動和暫態響應速度等指標,證明了所提方法的有效性。負載換流逆變器驅動電勵磁同步電機無速度傳感器模型預測控制方法
作者：寇佳寶, 高強, 滕詠哮, 徐殿國摘要：負載換流逆變器（LCI）驅動電勵磁同步電機控制系統廣泛應用於中高壓場合,在應對幹擾和負載變化上,較大的系統慣性係數和較低的開關頻率導致其動態響應性能欠佳。該文提出一種基於LCI驅動電勵磁同步電機的無速度傳感器模型預測控制方法。首先根據LCI的數學模型建立預測狀態方程,同時給出合適的代價函數和約束條件;然後分析負載換相模式下的控制矢量模型,給出速度觀測器的設計方法和參數選擇依據,並針對負載變化對速度觀測產生的影響進行分析和補償。同時該觀測器還能夠同時實現逆變橋輸入電壓和端電壓相位的觀測;最後,通過3.75kW的LCI驅動電勵磁同步電機實驗平臺對提出的無速度傳感器模型預測控制方法進行實驗驗證。結果表明所提出的控制方法能夠有效提升系統的動態響應性能,所設計的觀測器具有可行性,速度觀測結果在額定階躍負載下誤差小於13°。斷相故障下開繞組永磁同步電機模型預測控制容錯控制策略研究
作者：陳文漢, 孫丹, 王銘澤摘要：共直流母線型開繞組永磁同步電機系統由於雙逆變器供電且存在零序迴路,具有一定的容錯能力,但控制中需考慮零序電流的影響。然而當永磁同步電機發生單相斷相故障後,原電機模型不再適用,若繼續沿用斷相前控制策略,將導致電機轉矩脈動變大、控制性能變差。該文根據開繞組永磁同步電機斷相後的系統特性,重新設計坐標變換矩陣,得到新坐標變換下的dq軸電機數學模型。新的轉矩方程表達簡潔、轉矩控制方便,同時新的電壓方程也相互解耦,因此電流預測計算量小,且控制更加準確。為提高電流控制性能,斷相前後均採用三矢量模型預測控制策略。考慮到斷相後的基本電壓矢量將發生變化,重新構建了斷相系統拓撲下新的電壓矢量平面並基於新的基本電壓矢量計算電壓矢量佔空比。實驗結果證明了所提方法的有效性和優越性。五橋臂逆變器雙永磁電機三矢量預測控制
作者：耿強,王亮,周湛清,李新旻,王志強摘要：在五橋臂逆變器雙永磁電機系統中,傳統預測控制策略是一個控制周期內每臺電機上等效於只作用一個幅值、方向均固定的矢量,矢量調節範圍有限,系統運行時電流波動較大。為減小雙電機系統中電機電流波動,採用一種三矢量預測控制策略,該策略在每個控制周期內作用兩個有效矢量和一個零矢量。首先依據兩個有效矢量所對應公共橋臂的開關狀態將其分組,然後通過兩臺電機各自獨立的價值函數篩選出每組中最優的矢量組合,最後比較不同組的矢量組合,從中進一步選擇系統最優矢量組合,並按規則合成五橋臂電壓矢量作用於雙電機系統。對矢量進行分組後,該策略每個控制周期只需要計算30次價值函數,有效減小了多矢量預測控制的計算次數。實驗結果表明,與傳統預測控制策略相比,該策略在保持動態響應快等優點的同時,有效減小了電流波動,並具備一定的抗參數擾動性,提高了系統的穩態性能。開繞組永磁同步電機混合雙矢量模型預測控制
作者：張曉光, 閆康, 張文涵摘要：為了抑制共直流母線繞組開路永磁同步電機（OW-PMSM）控制系統中的零序電流並進一步提高電流質量,提出一種混合雙矢量模型預測電流控制（MPCC）方法。首先,根據產生零序電壓的大小將六個非零電壓矢量進行分組;其次,利用參考電壓矢量直接選擇第一逆變器非零電壓矢量與零矢量,並計算零矢量作用時間以實現對零序電流的控制;在此基礎上,遴選第二逆變器的兩個候選非零電壓矢量並計算作用時間,從而實現對dq軸電流的跟蹤。該方法中第一逆變器每個控制周期作用一個非零電壓矢量與一個零矢量,第二個逆變器每個控制周期作用兩個非零電壓矢量,從而形成了混合雙矢量方法。實驗結果表明,提出的混合雙矢量MPCC方法能夠有效地抑制零序電流的產生,並減小電流脈動,提高了系統的穩態性能。基於多核並行計算的永磁同步電機有限集模型預測控制策略
作者：劉濤,習金玉,宋戰鋒,王萌摘要：有限集模型預測控制算法存在較長程序執行時間與較短控制周期之間的矛盾,算法執行效率低於傳統線性控制算法,進而影響開關頻率與控制精度的進一步提高。針對此問題,結合近幾年微控制器在多核心領域的發展,以永磁同步電機為被控對象,提出一種基於多核並行計算的有限集模型預測控制策略。由於算法對數據、時序依賴度高,與微控制器中多核心獨立運行特點相矛盾,為此,該文設計了雙核、四核控制策略架構,並提出數據交換策略和動態標誌位。通過搭建實驗系統,對所提方法的動穩態性能、附加約束兼容性、程序執行時間進行分析對比,證明了所提方法能夠在保持原算法控制性能和控制特點的基礎上,有效降低算法執行時間。電力系統
考慮多元儲能差異性的區域綜合能源系統儲能協同優化配置
作者：刁涵彬, 李培強, 呂小秀, 劉小龍, 李欣然摘要：儲能作為綜合能源系統融合的紐帶,如何配置電/熱/冷多能存儲是綜合能源系統規劃中的重要研究內容。該文提出考慮電/熱/冷多元儲能差異化建模的區域綜合能源系統儲能協同配置方法。多元儲能協同配置的基礎是耦合能量流和儲能特性描述,在耦合能流上明確含電/熱/冷三種能量形式的綜合能源系統結構,並建立電-熱網絡模型;在儲能特性描述上基於儲能統一模型建立電儲能有功-無功特性模型和熱/冷儲能精細化模型,並定義多元儲能綜合效率用於控制不同類型儲能效率對能源綜合利用效率和經濟性的影響。建立多元儲能協同配置模型,該模型用於得到多元儲能額定容量、功率、位置等規劃方案,以經濟性、環保性為目標,有機融合了典型日優化運行;採用遺傳算法和Gurobi求解器相結合的混合策略求解。算例表明多元儲能協同配置、協調運行具有優越性;考慮多元儲能之間的統一性和差異性有助於得到更加全面的儲能配置方案。基於不同網架結構的直流微電網穩定性分析
作者：朱曉榮, 李錚, 孟凡奇摘要：不同網架結構下的直流微電網系統是否具有穩定性差異尚不明確,亟需開展研究。針對該問題,建立幾種典型網架結構下系統的小信號模型,並基於參與因子以及系統特徵根的變化,研究不同網架結構下系統參數對系統穩定性的影響規律。結果顯示,單獨改變源側控制器參數,不同網架結構下系統的穩定性基本一致,僅存在諧振頻率的差異;單獨改變負載側控制器參數,僅影響與負載有關的振蕩模態,且負載與線路基本不產生交互作用;單獨改變線路參數,由於源網間的交互作用,不同系統間出現穩定性差異。最後,通過仿真驗證了理論分析的正確性。採用深度遷移學習定位含直驅風機次同步振蕩源機組的方法
作者：陳劍，杜文娟，王海風摘要：隨著新能源電力電子器件的廣泛接入,電力系統次同步振蕩問題的誘發機理越來越複雜。為了能夠及時定位到誘發次同步振蕩的機組並採取措施,基於深度遷移學習提出了一種次同步振蕩源定位的方法。該方法首先依據開環模式諧振理論構建仿真系統,並在仿真系統中獲取訓練數據樣本;其次,運用卷積神經網絡（CNN）進行振蕩源特徵提取並建立訓練定位模型;最後,通過遷移學習將訓練模型遷移到實際系統,以實現定位模型的應用。為驗證所提方法的有效性,設計了含直驅風機併網的電力系統的仿真系統測試算例。結果表明,該方法相比於傳統的特徵值分析方法,具有定位準確率高、在線應用方便等優勢。該方法能夠在較短時間內給出判別結果,為實現振蕩源的在線識別奠定了基礎。電氣化鐵路不停電過分相電磁暫態及抑制措施研究
作者：王小君，畢成傑，金程，姚超摘要：列車不停電過分相時,存在過電壓和過電流現象,給電氣化鐵路帶來不利影響。該文結合仿真數據研究了不同暫態過程中的過電壓水平特性,分析了開關操作相角對過電壓幅值的影響,研究了合閘角度、分相位置、剩磁大小等因素對過分相時的勵磁湧流的影響程度。最後,針對不停電過分相過程,提出了三種過分相的優化策略及抑制措施,從控制難度、投資成本、抑制效果方面進行比較後確定了晶閘管與阻容吸收裝置搭配是最適合不停電過分相的優化策略。基於交叉重疊差分變換的MMC-HVDC線路故障識別方法
作者：束洪春, 代月, 安娜, 田鑫萃, 王廣雪摘要：在基於模塊化多電平換流器（MMC）的柔性直流輸電系統中,高效可靠地識別線路故障是系統安全經濟運行的重要保證之一。為快速可靠識別線路故障,提出一種基於交叉重疊差分（SOD）變換的區內外故障識別方法。首先分析MMC等效阻抗模型形成的物理邊界對高頻分量的衰減作用,當線路發生內部故障時,其故障電壓起始變化陡峭、幅值大、長時窗時域波形有振蕩;當線路發生外部故障時,其故障電壓起始變化平緩、幅值小。其次利用交叉重疊差分對故障電壓和故障電流進行變換,變換後的電壓和電流信號相乘得到SP,定義K為SP絕對值的最大值,根據K值判斷區內外故障。在PSCAD/EMTDC上搭建MMC-HVDC系統仿真模型,仿真結果表明,該方法能可靠準確地識別區內外故障,速動性好,具有較強的耐過渡電阻能力和適用性。
含邊界元件的MMC-MTDC直流側單端量故障辨識方法
作者：付華，陳浩軒，李秀菊，陳潤晶摘要：直流側故障辨識是基於模塊化多電平換流器（MMC）的多端直流輸電（MTDC）系統急需解決的重大科學問題。分析直流線路的邊界特性與極間耦合特性,提出一種基於單端暫態能量的故障辨識方法。通過區內、外故障的暫態特徵以及方向元件,構建故障線路選擇判據;並利用母線相連線路的方向元件和交流側故障的暫態特性,構造母線故障識別判據;再根據兩極低頻電流差異,設計故障極判別判據。該方法能快速辨識直流側故障,無需兩端通信,能夠滿足MMC-MTDC系統對辨識方法速動性與選擇性的要求。最後結合張北四端柔性直流系統的PSCAD仿真模型,驗證了所提方法在不同的故障類型、故障位置和過渡電阻下均能準確檢測到故障,且具備一定的抗過渡電阻能力。電工理論
兩種典型的場調製型永磁電機的對比分析
作者：石玉君,程子活,蹇林旎摘要：該文對比分析了兩種典型的場調製型永磁電機,即常規永磁遊標電機和雙永磁勵磁電機的性能和特點。首先介紹兩種電機的結構,總結它們的結構特點;接著通過推導兩種電機的一般性表達式,即空載反電動勢及輸出轉矩,揭示兩種電機的工作原理,比較「單向磁場調製效應」與「雙向磁場調製效應」;最後利用有限元法對比分析兩臺電機的性能,驗證一般性表達式的正確性。有限元仿真結果表明,在相同的尺寸、定子槽數、定子齒數、繞組極對數、轉子磁體極對數、線圈匝數、繞組聯結方式、電負荷、銅損耗及轉速的條件下,雙永磁勵磁電機在永磁體用量、反電動勢、轉矩密度、單位磁體體積的轉矩、功率因數及效率方面優於常規永磁遊標電機。切向結構永磁同步電機磁鋼徑向並聯組合研究
作者：孫少男, 馮桂宏, 李巖, 張炳義摘要：針對低速大轉矩切向結構永磁同步電機中磁鋼尺寸對性能的影響進行研究。提出一種「工」字形排布的磁鋼徑向並聯組合優化方案。在保證電機磁鋼軸向長度和體積不變前提下，分析磁鋼磁化方向長度變化對電機性能的影響。分析表明：磁鋼的磁化方向長度在一定範圍內增加可降低磁鋼漏磁、增大反電動勢和降低轉矩波動；但磁鋼的磁化方向長度過度增加會大大降低電機磁通面積，使得電機反電動勢不增反降。在此基礎上，提出一種降低磁鋼漏磁、增大反電動勢和降低轉矩波動的三塊磁鋼徑向並聯組合的「工」字形排布方案：近氣隙側和近隔磁槽側磁鋼槽內分別插入磁化方向長度短、徑向寬度窄的磁鋼以降低近氣隙側和近隔磁套側磁鋼漏磁；近氣隙側磁鋼和近隔磁槽側磁鋼之間採用磁化方向長度較短的磁鋼以保證磁鋼磁通面積降低得不多。通過仿真實驗驗證所提方案的可行性。交直流混合激勵下變壓器用疊片式磁構件雜散損耗問題的數值模擬及實驗驗證
作者：趙小軍,曹越芝,劉蘭榮,王佳雯,程志光摘要：基於TEAM-P21c基準模型深入研究交直流混合激勵下變壓器中疊片式磁構件雜散損耗的數值模擬及實驗驗證方法。考慮空載、負載條件下線圈損耗的差異,提出一種基於實驗確定結構件雜散損耗的改進方法。搭建矽鋼疊片磁特性、損耗特性測量系統,提出可考慮偏置磁場影響的鐵損模型,並用於計算三維漏磁場激勵下的疊片式磁構件的雜散損耗。通過磁場、損耗的仿真與實驗結果對比,驗證了該文方法的有效性。最終基於仿真及測量結果,分析了直流偏置磁場對雜散損耗的影響,得到了交直流混合激勵下導磁構件中附加損耗的分布及其對雜散損耗的影響。