搶鮮看｜《電工技術學報》2020年第23期目次及摘要

《電工技術學報》

《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。

電工理論與新技術

電動汽車無線充電自整定控制

作者：張獻；任年振；楊慶新；王傑

摘要：針對電動汽車需要分段式恆流充電以及無線充電的輸出電流易受自身參數和環境變化影響的問題，應用電路理論分析了雙LCC拓撲無線充電系統的動態特性，並通過擴展函數描述法（EDF）建立了描述該系統受擾動時的小信號模型，進而提出了一種基於雙LCC補償拓撲結構下電流-電流環的雙閉環控制策略，實現了電動汽車無線充電的自整定控制。最後通過仿真驗證了該系統能夠有效減小動態響應時間和輸出電流紋波係數，並且搭建諧振頻率為85kHz電動汽車無線充電實驗平臺，驗證了理論與仿真的正確性。

電磁發射裝置彈丸彈道姿態測量

作者：李松乘；魯軍勇；程龍；李湘平

摘要：電磁發射裝置是一種依靠電磁能將彈丸以極快的速度推射出膛的電氣設備。該文針對彈丸彈道姿態測量問題，提出一種基於高速攝像技術以及圖像增強與邊緣提取後處理技術的彈丸姿態測量方法。由於彈丸運動速度極快，採用高速攝像技術對飛行中的彈丸進行拍攝，同時鑑於攝像設備硬體以及拍攝條件限制，提出一種基於伽馬變換以及二型模糊集的圖像增強算法以改善圖像對比度及清晰度。進一步基於SUSAN算法與形態學操作對圖像邊緣進行提取並利用基於最小二乘原理的多項式擬合迭代方法實現了對彈丸邊緣的擬合和姿態的提取，最後通過實驗驗證該文方法的有效性。

電磁軌道發射裝置時變電感梯度建模與分析

作者：彭之然；汪光森；翟小飛；張曉

摘要：電感梯度是電磁軌道發射裝置的重要參數，對於推力及發射效率有著重要影響。現有文獻對電感梯度的研究主要存在兩點不足：一是常規的解析計算方法在考慮導軌尺寸對電感梯度的影響時，未考慮電流擴散的影響，因而無法描述其動態特性；二是有限元方法能夠對電流擴散的影響加以分析，但計算效率較低。為此，該文基於趨膚深度和磁能等效原則提出一種綜合考慮導軌尺寸和電流擴散影響的電感梯度解析計算方法，採用所提方法與參考文獻的計算結果進行了對比，呈現出較好的一致性。該方法能夠為電磁軌道發射裝置的優化設計和性能分析提供行之有效的理論指導。

電力電子與電力傳動

具備電壓質量調節能力的串並聯一體化多功能變流器

作者：塗春鳴；李慶；郭祺；高家元；姜飛

摘要：針對微電網中突出的電壓質量問題和新能源的消納需求，提出一種可同時實現電壓質量調節和併網功率調控的串並聯一體化變流器，簡稱多功能變流器（MFC）。在單相全橋逆變器的基礎上，通過構造和復用直流側電容支路，所提拓撲便可解耦和獨立控制逆變器兩橋臂，從而實現對其輸出電壓和輸出電流的獨立控制，同時實現多種功能。根據電網狀況將其分為兩種工作模式：電網電壓正常時，工作於併網功率調控模式，實現對新能源發電的充分利用；電網電壓波動時，工作於功率調控兼電壓調節模式，可同時實現對功率的調控和對電壓波動的補償。該文首先詳細分析了不同模式下電路的導通狀態,建立電路模型說明原理；然後設計了控制策略並分析穩態誤差；最後利用Simulink仿真及RT-LAB硬體在環實驗，驗證了所提拓撲與控制方法的正確性和有效性。

適用於大功率三電平中點鉗位整流器的SVPWM和DPWM策略研究

作者：高瞻；李耀華；葛瓊璇；趙魯；張波

摘要：大功率三電平中點鉗位（NPC）整流器在滿足網側諧波電流限值、直流側中點電壓平衡和避免相電壓兩電平跳變（TLJ）的前提下，要儘可能降低開關頻率。基於以上功能需求，首先分析了空間矢量脈衝寬度調製（SVPWM）和不連續脈衝寬度調製（DPWM）的基本原理，介紹了傳統的四種SVPWM開關序列和八種DPWM開關序列並對比了各自作用下的相電壓波形。針對傳統SVPWM相電壓存在的TLJ和開關頻率較高缺陷，提出兩種改進型SVPWM開關序列；針對傳統DPWM相電壓存在的TLJ，提出兩種改進型DPWM開關序列。在此基礎上，該文從TLJ、開關頻率、中點電壓自平衡能力、諧波總畸變率（THD）和各次諧波電流含量等方面對SVPWM和DPWM的性能進行了詳細分析，總結了適用於大功率三電平NPC整流器的三種SVPWM開關序列。最後搭建三電平NPC變流器樣機，通過實驗驗證了所提出改進型開關序列的有效性。

基於脈衝跳變SVPWM的單相中點鉗位型H橋級聯逆變器開關損耗解析計算

作者：原景鑫；朱俊傑；聶子玲；葉偉偉；賈英傑；董蕾

摘要：為實現單相中點鉗位（NPC）型H橋級聯逆變器性能優化設計，分析基於脈衝跳變空間矢量脈寬調製（SVPWM）均壓調製的開關損耗計算方法。針對開關管有效動作頻率與控制頻率不同、開關動作分散且無規律的問題，提出基於整體的開關損耗計算方法，直接計算得到所有開關的暫態損耗之和；針對均壓冗餘矢量動作不確定的問題，提出最值估算法對開關暫態損耗進行理論估算。仿真結果表明，推導的開關損耗解析式計算值與實際值的單個周期最大誤差為9.55 %，最小誤差為1.29 %，實驗得到的損耗結果與理論值最大誤差均在10%以內，表明該損耗解析式較為準確。

基於反電勢電流的電勵磁雙凸極電機驅動電路單管開路故障診斷研究

作者：夏一文；張卓然；張健；陳旭

摘要：故障診斷是高可靠性電勵磁雙凸極電機驅動控制系統的關鍵技術。該文對雙凸極電機驅動控制系統功率變換器單管開路故障診斷技術進行研究。功率管開路故障按形成原因可分為驅動信號丟失引起的開路故障與功率管損壞引起的開路故障。文中對兩種故障類型的特點與危害進行了闡述，並分析其對不同控制方式下反電勢電流的影響。提出基於反電勢電流的功率變換器單管開路故障診斷方法，實現對兩種故障類型的診斷，並及時對控制策略進行調整：在功率管損壞引起的開路故障發生時，不能對故障管同橋臂的功率管進行斬波以避免故障升級。最後通過實驗驗證了所提方法的有效性。

電力系統

面向工業網際網路的智慧電廠仿生體系架構及信息物理系統

作者：肖祥武；王豐；王曉輝；周宏貴；張遼

摘要：火力發電廠的傳統體系架構難以滿足智能生產和智慧管理需求，智慧電廠已成為其新的發展方向。該文基於工業網際網路理念，利用仿生學原理和方法提出了智慧電廠仿生體系和DNA概念模型，對其迭代發展、系統交互的演進過程進行了分析，充分考慮人行為和社會因素對信息物理系統的影響，進一步分析了智慧電廠仿生人/社會-信息-物理系統的框架和構成，在此基礎上利用仿細胞分層結構方法重點構建了智慧電廠工業網際網路平臺層級架構。該文提出的體系架構和信息物理系統能較好地解決現有火力發電廠信息孤島問題，促進人/社會-信息-物理三元的深度融合，為智慧電廠的智慧管理、智能發電、多市場決策等多智能體建設提供方法論和實施參考。

物聯網環境下變電站信號可並行識別的改進幀時隙ALOHA算法

作者：王洪亮；束洪春；周潔

摘要：為了解決山地變電站監測信號的碰撞問題，該文首先構建山地變電站物聯網監測系統，研究傳統幀時隙ALOHA算法並進行仿真和識別效率分析，鑑於該算法吞吐率較低、局限性的弊端，提出改進幀時隙ALOHA算法。然而當監測信號量持續增大時，會導致信號識別成功率急劇降低產生安全運行問題。因此，該文對該算法進行了二次改進，研究了可並行識別的改進幀時隙ALOHA算法，搭建了變電站物聯網測試平臺，最後經過仿真驗證，該改進算法保證了吞吐率隨著信號量增大時保持相對穩定，提高了山地變電站監測信號被成功識別的概率，保障了變電站的安全。

基於同步相量的有源配電網自適應故障區段定位方法

作者：邢曉東；石訪；張恆旭；孫百聰；時志雄

摘要：分布式電源大量接入、網絡拓撲結構和運行方式複雜多變，使得有源配電網故障診斷與定位面臨新的挑戰。同步相量測量單元（PMU）在配電網中的應用為故障處理提供了新的信息支撐。該文首先利用開關變位和PMU實時通信狀態等信息，提出一種基於鄰接子陣法的同步測量區段實時更新方案，可考慮配電網拓撲結構變化和PMU通信中斷等場景；進而利用三相電壓/電流同步相量數據，提出基於時空特徵矩陣Frobenius範數的自適應短路故障區段定位算法；最後利用PSCAD軟體搭建含分布式電源的IEEE 34節點系統，仿真驗證所提出算法有效性。

基於apFFT頻譜校正和XGBoost的風電場集電線路單相接地故障測距

作者：彭華；朱永利

摘要：針對風電場集電線路因短路故障造成的棄風窩電問題，提出採用全相位快速傅立葉變換（apFFT）頻譜校正和極限梯度提升（XGBoost）的風電場集電線路單相接地故障測距方法。首先，搭建雙饋風電場多分支混合線路的仿真模型，並通過apFFT頻譜校正法獲取故障電壓和電流的基波相量，以構建原始特徵集；然後，採用XGBoost算法建立單端故障測距的回歸模型，並計算獲取故障特徵的重要度及排序，直觀地挖掘特徵量與故障距離之間的關係；最後，應用XGBoost故障定位器根據現存模態完成對新輸入模態的定位，獲得故障點精確位置。PSCAD/EMTDC實驗證明，該方法對風電場多分支、混合短線路測距具有明顯優勢，定位性能優於隨機森林（RF）方法，且不受故障位置、過渡電阻的影響，可滿足風電場對測距精度的需求。

基於聚類抽樣的隨機潮流計算

作者：謝樺；任超宇；郭志星；張沛；郭寶甫

摘要：隨機潮流針對電網不確定因素建模，快速準確的計算結果對於系統運行控制非常重要。該文提出了基於聚類抽樣的隨機潮流計算方法。首先，基於歷史數據，採用蒙特卡洛算法產生大量隨機變量樣本；其次，採用誤差二次方和與平均輪廓係數確定樣本聚類簇數，並採用K-means算法進行樣本聚類；然後，依據聚類中心和簇內樣本的平均概率密度，將簇內樣本均值帶入潮流方程中進行確定性潮流計算；最後，對潮流計算結果和對應的平均概率密度信息進行數據統計，得到狀態變量的概率密度函數。以修改後IEEE 39系統和某實際區域電網為算例，進行計算精度和計算效率分析。結果表明，所提方法兼顧了計算速度和計算精度，在大系統中更具優勢，可為電網調度計劃的制定和運行分析提供決策依據。

考慮非高斯耦合不確定性的交直流配電網兩階段概率狀態估計

作者：李幸芝；韓蓓；李國傑；汪可友；江秀臣

摘要：目前配電網中配置的量測裝置種類簡單且數量有限，分布式電源（DG）出力和用戶負荷通常具有非高斯分布的不確定性，加劇了交直流配電網狀態估計的不確定性和誤差。針對這些問題的研究嚴重滯後於對交直流系統進行靈活調度的發展目標，因此需要研究更有效的交直流配電網狀態估計方法來支撐調度系統。該文採用計及電壓源換流器（VSC）損耗的模型，基於高斯混合模型（GMM）對非高斯不確定性進行偽量測建模，充分考慮交流和直流配電網間不確定性的耦合計算，提出一種交直流配電網兩階段概率狀態估計算法。採用IEEE 33節點修改算例進行交直流配電網仿真，結果表明，所提兩階段算法適用於實時量測少、數據冗餘度低的情況；對已有交流狀態估計算法繼承性好，具有實用性，未來可擴展到三相不平衡交直流配電網狀態估計中。

基於電器狀態關聯分析的民可平移負荷辨識

作者：王孝慈；董樹鋒；王莉；餘志文；朱嘉麒

摘要：為了提升居民用戶參與需求響應的積極性，考慮居民用戶的舒適度和使用習慣是非常重要的。該文提出一種基於負荷狀態集關聯分析的居民用戶可平移負荷辨識。首先提出了滑動均值負荷狀態提取法，通過負荷的電流值提取負荷的工作狀態,形成負荷狀態集。然後建立負荷狀態集關聯分析模型，並利用FP-Growth算法求解，得到負荷的強關聯性和時間關聯性。最後對於需要進行可平移負荷辨識的日用電負荷狀態集進行強關聯狀態集合劃分，並根據負荷狀態集的時間關聯性確定其是否可平移以及平移可接受時段，從而完成可平移負荷辨識，為居民需求響應的分布式控制、家庭用能管理優化提供數據基礎。

計及溫度-電場強度非線性的換流變壓器瞬態電場影響分析

作者：楊帆；池騁；劉剛；成立；歐書成

摘要：換流變壓器在運行過程中承受高電壓，內部絕緣系統的溫度高、電場強度大，耦合現象明顯，而傳統絕緣設計手段並未考慮非線性絕緣特性。首先該文搭建三電極實驗平臺，分析絕緣油及油浸紙板在不同溫度、電場強度下的耦合現象。實驗結果表明絕緣材料的導電性能受溫度、電場強度的影響較大，其中絕緣油以2kV/mm為拐點，電導率呈先下降再上升的U型非線性曲線。其次，該文建立了含絕緣層、角環、墊塊等完整的換流變壓器耦合計算模型，分析了絕緣系統受溫度-電場強度影響下的瞬態電場。結果表明：換流變壓器內部溫度變化較大，最大溫升達68.7K，並且溫度集中的區域緊鄰電場強度較大的端部，因此耦合現象不容忽視。最後，對比極性反轉過程中的瞬態電場，相比傳統認為的指數型變化，考慮U型電場強度非線性下的油浸紙板最大電場強度增加1.7kV/mm；考慮溫度-電場強度非線性時，不僅絕緣狀態發生改變且油浸紙板弛豫時間降低。

溫度和老化意識融合驅動的電動車輛鋰離子動力電池電量和容量協同估計

作者：王榘；熊瑞；穆浩

摘要：作為電動車輛的技術瓶頸，動力電池具有強時變非線性特性且可測量有限，使用時易受溫度和老化的影響，全壽命周期和寬溫度下精確狀態估計一直是行業的技術難題。為此，該文首先使用不同溫度和不同老化階段的數據，建立了具有溫度和老化意識的多階段模型；然後利用概率密度函數計算單一模型的權值，提出了多階段模型融合驅動的動力電池荷電狀態（SOC）和容量協同估計方法；最後考慮不確定老化和溫度因素的驗證結果表明，提出的方法具有較高的SOC和容量估計精度，且對初值誤差不敏感，-10%~50%初始誤差時SOC估計誤差小於2%，收斂速度快。

城軌交通制動能量回收超級電容儲能陣列配置方法對比分析

作者：沈小軍；曹戈

摘要：地面儲能技術已成為提升城軌交通節能和供電質量的有效措施，技術經濟性評價是儲能技術工程應用須解決的重要問題。該文在回顧城軌交通制動能量回收超級電容陣列功率-容量約束配置法與容量約束配置法的基礎上，提出地面超級電容儲能系統的綜合技術經濟性評價指標並建立淨收益數學模型，案例對比分析了上述兩種典型配置方法的技術經濟性。案例研究表明：功率-容量約束配置法投資成本雖高於容量約束配置法投資，但兩種配置方法成本回收年限相近；功率-容量約束配置法節能性能優於容量約束配置法，全壽命周期內功率-容量約束配置法綜合技術經濟性更好，可獲得更大的經濟收益，實際工程中值得優先採用。

高電壓與絕緣

SF6替代氣體分解特性的研究綜述

作者：周朕蕊；韓冬；趙明月；張國強

摘要：SF6是一種廣泛應用於氣體絕緣電氣設備中的優良絕緣氣體，但它的全球變暖潛能值高，環保性能指標較低。為從根本上杜絕SF6的使用，需要發展SF6替代技術。潛在SF6替代氣體多為含碳類化合物，由於氣體混合方案、缺陷或故障條件等不同，氣體或固體分解物的種類及其變化規律差異較大，直接影響著緩衝氣體、吸附劑和固體材料等的選擇，同時也是基於氣體分解法診斷氣體絕緣電氣設備故障的重要依據。為此，該文從分解特性的角度，介紹幾種備受關注的潛在SF6替代氣體分解特性的國內外研究進展，比較各文獻中不同實驗條件下的分解特性，並歸納可能的分解路徑。在此基礎上，從環保、毒性、緩衝氣體、化學沉積物、吸附劑、故障診斷等方面對SF6替代技術做了全景展望。

基於改進K-近鄰算法的XLPE電纜氣隙放電發展階段識別

作者：陳曦；駱高超；曹傑；畢茂強；江天炎

摘要：對運行工況下的XLPE電纜氣隙放電發展階段進行準確識別，有利於將電纜故障扼殺在萌芽狀態，保障電力系統正常運行。該文首先介紹了模擬XLPE電纜氣隙放電的試驗平臺搭建、缺陷模型製作和特徵量提取及降維的方法及步驟，基於試驗觀察和對大量數據樣本進行聚類分析，將XLPE電纜氣隙放電發展過程分為四個階段，針對以往XLPE電纜氣隙放電階段識別模型的訓練周期長、計算複雜度高和收斂速度慢等問題，該文提出一種經高斯函數加權的改進K-近鄰（KNN）分類算法應用於XLPE電纜氣隙放電階段識別。對氣隙放電的隨機測試樣本採用基於二叉樹的核函數支持向量機、未改進的K-近鄰算法和改進後的K-近鄰算法三種算法分別進行了階段識別。試驗結果表明，改進後的K-近鄰算法識別正確率高、速度快，處理含噪信號魯棒性好，相比另兩種算法更優。

電感儲能型大電流毫秒級脈衝源研製

作者：王延；張東東；付榮耀；劉坤；袁偉群

摘要：減小關斷開關耐受電壓和提高負載電流峰值是電感儲能型脈衝功率電源研究的難點。基於絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）的結構特點，提出一種改進的meat grinder電路，採用大匝比的耦合電感線圈，並利用IGBT自身反並聯二極體使電路自恢復過程自發進行，最終電路主體只用了兩個IGBT構成電感儲能型脈衝電源的拓撲。該拓撲降低了對開關管的控制要求，同時可以產生幾十千安大電流，具有重頻運行的潛力。該文對電路動態過程分階段進行了詳細的理論分析和電路仿真。仿真結果顯示該電路可產生波形平滑、峰值較高的電流輸出。基於仿真分析的拓撲，該文研製了4.61kJ的電感儲能型脈衝功率電源，採用20:1的大匝比耦合電感線圈，並進行試驗測試，負載電流峰值達到30.40kA，脈寬1.7ms，測試結果與預期結果吻合較好。