【网络首发】《中国电机工程学报》2024年9月（中）
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基于绿电转氨的综合能源生产单元经济性与碳足迹评估 作者： 孙立，余潜跃，张玉琼，赵强，郝勇生 单位： 1.大型发电装备安全运行与智能测控国家工程研究中心(东南大学能源与环境学院)；2.中国电力科学研究院有限公司
摘要： 基于电转氨(power to ammonia，P2A)的综合能源生产单元(integrated energy production unit，IEPU)通过耦合绿电制氢和哈伯反应合成氨工艺，为农业、工业和制造业等行业提供绿氨，对促进可再生能源消纳及氢能储运等行业发展具有重要的意义。为定量评价IEPU的能效、技术经济性和降碳潜力，该文基于Aspen Plus建立碱性电解水制氢、合成氨及换热网络等关键过程模型，对IEPU进行系统仿真，定量评价各设备全流程之间的能量流、 㶲 流、碳足迹及绿氨的平准化成本。热经济性能效评估表明，IEPU系统的设计工况整体能量效率为39.47%，㶲 效率为26.51%。技术经济性评估表明，当可再生能源电价为0.204元/kWh，年利用小时数达到6000时，IEPU系统的绿氨成本约为传统煤制氨生产工艺的1.5倍。基于的全生命周期碳足迹评价的结果表明，水、核、风和光伏4种能源驱动的IEPU系统碳足迹在0.20～2.39kg CO2.eq /kg NH3 间波动。结果可用于指导氨基IEPU的规划与设计。
石墨烯/铜钨触头电弧烧蚀的元胞自动机模拟方法与应用 作者： 李俊科，韩智云，贾云浩，李庆民，任瀚文，芦宇峰，苏毅 单位： 1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)；2.广西电网有限责任公司电力科学研究院
摘要： 随着电力系统向高等级和大容量发展，对CuW80电触头耐烧蚀性提出更高要求。石墨烯(graphene，Gr)因其优异性能常被用作复合材料增强相。本文构建了介观尺度下石墨烯掺杂的CuW80电弧烧蚀元胞自动机模型，考虑了材料物理参量对温度的依赖特性与烧蚀过程中边界的移动，模拟得到温度场与熔化过程中熔坑形貌，研究了石墨烯含量与空间分布对CuW80烧蚀特性影响。根据各材料元胞状态与数量，提出烧蚀速率、完全烧蚀热流等作为评估参量，获得了石墨烯增强机理。与CuW80相比，CuW80Gr0.16wt%烧蚀速率降低8.068%，完全侵蚀热流提高4.302%，且与热量有足够接触面积和热通道时石墨烯增强能力最好，其可以提高热量向内部传递效率，减少界面材料损失。元胞自动机模拟方法可为CuW触头的跨尺度模拟提供方法支撑并指导增强设计。
基于分子动力学模拟的功能化石墨烯提升聚丙烯电热性能的调控方法 作者： 李长云，范延岐，庄晓涵 单位： 山东科技大学电气与自动化工程学院
摘要： 为提升聚丙烯导热绝缘性能并探究性能调控机制，该文首先以-OH、-COOH、-NH2 接枝石墨烯为基础，利用聚酰亚胺及衍生构型对氧化石墨烯进行接枝，形成功能化石墨烯，进一步采用功能化石墨烯对聚丙烯进行掺杂，然后利用分子动力学计算300 K下复合体系导热绝缘性能并揭示微观机理。结果表明：PP-PI-2-NH2 体系的导热系数与相对介电常数较PP体系改善效果最优，导热系数提升201.17%，相对介电常数降低28.97%；PP-PI-1-OH体系的击穿场强提升最优，相较PP体系提升19.18%。同时，从自由体积、径向分布函数、声子态密度、密度泛函理论等角度揭示了提升聚丙烯导热与介电性能微观机理。研究结果可为提升聚丙烯导热绝缘性能提供方法指导和理论参考。
基于改进热分析和变换器协同设计的大功率高频变压器高速全局优化方法 作者： 易哲嫄，孙凯，刘增杨 单位： 新型电力系统运行与控制全国重点实验室(清华大学电机系)
摘要： 大功率高频变压器是电力电子变压器中的核心部件，其优化设计的全局最优性和计算速度都是关键问题。本文提出基于改进热分析和变换器协同设计的大功率高频变压器高速全局优化方法。针对优化中耗时占比很高的热分析，提出基于换热-热传导两步仿真的改进热分析方法，保证热分析精度的同时，提升热分析计算速度。仿真结果表明，提出的热分析方法与传统方法准确度相似，而计算速度大幅提升。此外，优化过程中，将变换器电路参数与变压器参数共同考虑，引入更多优化变量，从而形成全局优化模型，提升设计方案的优异性；并采用改进热分析方法和遗传算法以提升计算速度，保证了全局优化模型的可计算性。综合以上措施，最终形成系统的大功率高频变压器高速全局优化设计方法。一个具体的案例设计和实验结果验证了提出的优化方法的有效性。
燃机余热驱动的部分加热S-CO2 循环多联供系统设计与性能分析 作者： 薛凯，李涛，刘伟奇，任效效，种道彤，王进仕，严俊杰 单位： 1.动力工程多相流国家重点实验室(西安交通大学)；2.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司
摘要： 为减少燃气轮机余热的浪费，提出一种部分加热超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide，S-CO2 )循环多联供系统，对烟气热量两级利用实现深度回收。吸收烟气热量的S-CO2 在透平膨胀做功，经回热器降温后用于驱动吸收式热泵，提高烟气能量利用的同时显著降低S-CO2 的冷却损失。以年利润最大为目标优化主要运行参数，并对热力学与经济性能进行分析。以某5 MW级燃气轮机为研究对象，结果表明，该系统在优化参数下运行时年化利润1 127.35万元，动态回收期为5年，生命周期净现值达6 530.37万元，具有良好的经济效益。设计工况下系统全年能量利用率67.52%，全年㶲效率为51.41%，实现了燃气轮机余热的高效利用。压缩机进口参数对系统性能影响较大，温度对性能的影响大于压力，经济性对参数变化最为敏感。
多孔-自由火焰传播的实验与数值模拟 作者： 曹静宇，杨富鑫，赵旭，谭厚章 单位： 热流科学与工程教育部重点实验室(西安交通大学能源与动力工程学院)
摘要： 为改善传统多孔介质燃烧器(conventional porous burner，CPB)的火焰稳定性，该文设计泡沫镍金属多孔-自由火焰燃烧器(porous-free flame burner，PFFB)，并实验研究了其稳燃当量比、火焰状态与火焰传播规律；建立同尺寸二维数学模型，使用了多孔介质材料开孔率、相对高度和比孔密度的概念，数值研究了开孔参数对温度分布、火焰状态以及火焰传播规律的影响。结果表明：在数值计算中观察到了表面火焰、浸没火焰、浸没&自由火焰、自由火焰、倾斜火焰、回火以及脱火等不同火焰状态；开孔率和气速是影响火焰面结构的主要因素，开孔处气速高，火焰锋面形成“山坡”状凸起，且凸起高度随气速和开孔率的增大而增大；随着相对高度从1/6增加到2/3，火焰高度由142 mm降低至128 mm；比孔密度表征了宏观开孔特征与微观孔隙特征之间的相对关系，对于开孔率4%的PFFB，随着比孔密度从15增大至65，燃烧由浸没&自由火焰发展为自由火焰，火焰高度由125 mm升高到162 mm，不易回火。开孔率控制在1%、相对高度控制在1/3-1/2、比孔密度控制在15-45时，有利于火焰稳定。
基于环氧基复合泡沫材料的光纤复合绝缘子芯体性能研究 作者： 李乐，徐克志，刘云鹏，谈硕，武文华，张重远，杨磊，唐力 单位： 1.河北省绿色高效电工新材料与设备重点实验室(华北电力大学)；2.中国电力科学研究院有限公司；3.广州南网科研技术有限责任公司
摘要： 光学电流互感器具有测量精度高、结构简单、安全性高等特点，其关键组件光纤复合绝缘子承担着通信和电气绝缘的双重作用。然而，现有不同光纤植入型式的光纤复合绝缘子芯体存在相应材料、结构或工艺等缺陷，光纤与绝缘材料之间易产生界面隐患，威胁电气设备安全运行。该文提出采用低密度环氧基复合泡沫作为光纤芯体基体，植入了聚乙烯型低烟无卤(low smoke zero halogen polyethylene，LSZHPE)、聚乙烯-四氟乙烯(ethylene-tetrafluoroethylene copolymer，ETFE)及裸纤三种光纤，对比分析了不同类型光纤芯体物理、界面、电气等关键性能。研究表明：LSZHPE光纤体系芯体具有较优的综合性能，150 h水扩散泄漏电流低于100 μA，界面击穿强度达到13.34 kV/mm，同时光纤植入后光导通损耗满足实际应用要求；ETFE光纤及裸纤体系芯体电气性能良好，但受限于材料自身特性，界面剪切强度较低，界面可靠性相对较差。该研究工作为光纤复合绝缘子材料选型、界面评估及结构优化提供了新思路。
混合换相换流系统交流故障输送功率提升策略 作者： 王以璇，魏晓光，张闻闻，王新颖，李松，杜蕙，赵志斌 单位： 1.新能源电力系统全国重点实验室(华北电力大学)；2.北京怀柔实验室
摘要： 采用逆阻集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor，IGCT)的混合换相换流器(hybrid commutated converter，HCC)可通过器件主动关断完成换相，不依赖电网电压，从源头解决换相失败问题。HCC现有研究基于CIGRE控制策略，增加主动关断判断。延用该控制，HCC交流故障期间会增大超前触发角加剧直流电压、有功功率跌落，未发挥IGCT优势。文章首先建立HCC暂态数学模型，分析有功功率变化趋势。然后结合GIGRE控制原理揭示HCC交流故障响应特性及局限性。考虑超前触发角调节范围，提出交流故障输送功率提升策略，大幅减小HCC故障期间的直流电压跌落、功率缺额。最后，通过PSCAD/EMTD的电磁暂态仿真，验证不同故障类型、不同故障深度下功率提升策略的有效性。
基于高阶扩展状态观测器的感应电机驱动系统逆变器死区效应在线补偿方法 作者： 张士强，葛兴来，左运，王惠民，常玉，林春旭 单位： 磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室(西南交通大学)
摘要： 逆变器中死区时间会带来电流谐波和转矩脉动，从而导致感应电机出现明显振动并增加额外损耗。为减少逆变器死区效应带来的不利影响，提出一种基于高阶扩展状态观测器(high-order extended state observer，HO-ESO)的逆变器死区效应在线补偿方法。首先，对逆变器死区效应进行分析，推导出因死区效应而产生的d、q轴误差电压方程。接着，对传统的基于二阶ESO的死区效应补偿方法进行介绍和分析，由分析结果可知该方法难以准确估计误差电压，从而导致补偿效果欠佳。进一步，设计一种HO-ESO对误差电压进行估计，并将其补偿到感应电机矢量控制系统中。最后，利用仿真和实验测试对所研究的死区效应补偿方法进行验证，并与传统的基于二阶ESO的死区效应补偿法进行对比。测试结果表明，相较于传统基于二阶ESO的死区效应补偿方法，所研究方法表现出更好的死区效应补偿性能。此外，所研究方法无需检测电流极性，易于实施。
蒸汽-烟气逐级加热熔盐储热系统耦合燃煤机组的灵活性与热力性能研究 作者： 景浩，王登亮，陈禄，王朝阳，陈伟雄，赵永亮，严俊杰 单位： 动力工程多相流国家重点实验室(西安交通大学)
摘要： 为提高燃煤机组的调峰能力、促进可再生能源大规模消纳，该文提出一种燃煤机组耦合蒸汽-烟气逐级加热熔盐储热系统，以实现机组深度调峰。以某1100MW机组为研究对象，使用EBSILON软件建立仿真模型，并对来自热源的热量进行了热负荷分配，研究了不同热负荷分配比例下该系统的储热性能、输出功率、煤耗率、脱硝效率以及㶲效率的变化规律。结果表明：该耦合系统可将机组的最低电负荷从额定负荷的40%降低至21.14%，等效往返效率最高为69.71%；储、释能过程的最低煤耗率分别为488.33和230.82kg/(kW·h)；低负荷下脱硝设备入口烟气温度平均提高41.5℃，脱硝效率提升10.88%；储能工况下各系统㶲效率变化幅度在2%以内；释能工况下锅炉㶲效率最高为62.98%、释能系统㶲效率高达88.49%。总体而言，所提出的构型具有调峰能力强、低负荷脱硝效率高、㶲损失低等优势，为燃煤机组的储能改造提供了参考。
计及磁致伸缩各向异性与应力的磁-机械直接耦合有限元计算方法与实验验证 作者： 李岱岩，张艳丽，王振，张殿海，任自艳，闫秀恪，谢德馨 单位： 教育部特种电机与高压电器重点实验室(沈阳工业大学)
摘要： 为了提高材料磁致伸缩特性影响下电气产品铁心振动形变计算的可靠性，本文提出了考虑磁致伸缩各向异性和应力影响的磁-机械直接耦合计算方法。计及材料磁致伸缩特性以及磁场能与应变能之间耦合能量关系的影响，推导了磁-机械直接耦合的总能量方程；针对软磁材料的磁-机械耦合求解区域，构建了材料的非线性正交各向异性磁致伸缩应变偏张量模型；基于Newton-Raphson迭代法，推导了磁-机械耦合计算的非线性迭代求解过程，同时也考虑了应力对磁致伸缩的影响。最后，编写了有限元计算程序，并通过对铁心实物模型的实验验证，验证了计算程序的有效性和计算精度。
漏磁可控永磁轮毂电机变参数损耗分析与最小损耗控制 作者： 全力，逯智超，朱孝勇，徐磊，范文杰 单位： 江苏大学电气信息工程学院
摘要： 针对漏磁通可控永磁(leakage flux controllable permanent magnet， LFC-PM)轮毂电机中气隙有效磁通随电流变化导致电机损耗增加，电机运行效率低等问题，本文提出一种变参数最小损耗控制策略。分析LFC-PM轮毂电机磁通变化与铁芯损耗分布特征，构建电机铁芯损耗与参数变化的映射关系模型，推导考虑变参数铁损支路的LFC-PM轮毂电机数学模型。在此基础上，以损耗最小为原则，构造Lagrange函数，并将电机运行区间分为：轻载区、中载区和高载区，分别求解各个运行区间的最优电流分配值。最后，基于LFC-PM轮毂电机样机实验平台，与两种最大转矩电流比控制(maximum torque per ampere，MTPA)策略相比较，验证所提出的控制策略的正确性和有效性。
高dv/dt电压下航空线缆局部放电仿真及特性分析 作者： 刘维，江军，沈志邦，李文源，张潮海 单位： 1.多电飞机电气系统工信部重点实验室(南京航空航天大学)；2.北京智慧能源研究院
摘要： 多电飞机发展中，电压等级与功率密度不断提升，新型电力电子器件的应用将有效提升飞机能量密度，但同时增加高dv/dt脉冲电压下局部放电风险。该文基于电场模型开展联合仿真，通过数值计算、场强分析，并通过试验对比，对航空线缆典型模型进行局部放电测试，深入探究高dv/dt电压下局部放电随上升时间与频率的变化机制。结果表明：上升时间的缩短对线缆局部放电有着明显的加强作用，上升时间50ns较250ns时模型的累计放电幅值与放电次数增加超80%，放电时延、气隙电场恢复时间也明显缩短。电压频率的增加对线缆局部放电的影响呈现“拐点”机制，1到10kHz附近，介质损耗效应对线缆放电有着明显的促进作用，模型放电幅值、放电次数均呈现增加趋势；更高频段内，电平时间缩短主导的电荷累积效应对放电起到抑制作用。该文可为多电飞机电气系统中高频、高压、高dv/dt波形下的航空线缆绝缘设计、检测与评估提供一定的借鉴和参考。
基于非支配排序遗传算法与神经网络的20MW双定子超导磁场调制电机优化设计 作者： 朱新凯，刘雅斌，王景霞，张志恒，花为 单位： 1.华北电力大学河北省绿色高效电工新材料与设备重点实验室；2.上海理工大学机械工程学院；3.东南大学电气工程学院
摘要： 超导电机比永磁电机拥有更高的功率密度和效率，有利于海上风力发电机单机容量向20MW以上发展。为解决超导励磁极对数受限于模块化杜瓦几何尺寸而无法提高的难题，本文提出了采用整体式杜瓦的双定子超导磁场调制电机拓扑结构。为研究双定子超导磁场调制电机中内定子齿、转子导磁块、外定子齿等各个调制器所带来的谐波分量与不同极槽配合电枢绕组的谐波分量如何实现最佳耦合，本文分析了双定子电机不同极比、极槽配合以及不同极弧系数、转子调制块占比等9个敏感参数对电磁性能的影响，并基于上述参数建立了电机数学模型。为解决大功率双定子超导磁场调制电机传统优化方法速度慢、耗费资源多的问题，本文利用数学模型计算生成的样本库训练BP神经网络，得到9个敏感参数与电机性能间的映射关系，并采用改进第二代非支配排序遗传算法，完成了20MW电机的多目标优化设计。
光-沼协同下的乡村综合能源系统运行优化 作者： 黄宏旭，梁睿，李嘉翔，顾晨，薛雪，曾博，袁乐童，孙善加 单位： 1.中国矿业大学电气工程学院；2.新能源电力系统全国重点实验室(华北电力大学)；3.武汉供电设计院有限公司；4.江苏省东辛农场有限公司
摘要： “30·60”双碳目标及乡村振兴战略，对我国提升乡村能源体系的绿色化、智能化水平提出了迫切需求。针对乡村光伏、生物质能等多分布式发电资源产出与负荷需求的时空特性难以匹配的问题，本文首先根据乡村分布式光伏与生物质能资源禀赋，建立光沼协同支撑的乡村综合能源系统架构；其次，精确刻画光沼协同的增温助产的灵活特性，建立乡村综合能源系统运行优化模型；最后，考虑跨发酵周期下的沼气生产与乡村综合能源日前调度的多时间尺度特性与外界温度不确定性，提出光-沼协同下的乡村综合能源跨发酵周期运行优化方法，能根据沼气增温助产、光伏发电各自的特点分别从沼气跨发酵周期调度、日前调度两个阶段生成跨发酵周期乡村综合能源系统滚动优化运行方案。以江苏省东辛农场地区乡村综合能源系统为例进行仿真，验证了所提模型和方法可有效稳定乡村配网各节点的电压幅值，并通过光沼互补降低系统运行经济成本和碳排放量，实现了乡村能源绿色利用和高效转换。
考虑故障后多阶段恢复的SOP柔性互联配电网可靠性评估 作者： 杨墨缘，张沈习，程浩忠，郑舒，柳劲松，曹毅，肖天颖，梁宇 单位： 1.电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学)；2.国电南瑞科技股份有限公司；3.国网上海市电力公司；4.南方电网能源发展研究院有限责任公司
摘要： 该文提出一种考虑故障后多阶段恢复的智能软开关(soft open point，SOP)柔性互联配电网(flexible interconnected distribution network，FIDN)可靠性评估方法，其特征在于将基于SOP的FIDN网络拓扑状态通过优化过程的决策变量显式表达，建立面向FIDN可靠性评估的混合整数线性规划模型，从而实现FIDN可靠性评估。首先，分析FIDN多阶段恢复过程，提出一种多阶段恢复过程解耦建模的FIDN可靠性评估框架。然后，基于SOP正常运行和不同故障下的外特性，建立面向可靠性评估的SOP等效模型，构建FIDN节点-支路状态关联模型以实现网络拓扑状态显式化。之后，考虑SOP转供功率约束及短时过载能力，建立不同策略下的SOP快速转供模型。在此基础上，考虑SOP快速转供、故障点上游恢复、联络开关切换转供、孤岛运行等多阶段恢复过程，建立面向FIDN可靠性评估的混合整数线性规划模型。最后，在改进的37节点系统上验证了所提方法的有效性。
基于磁导-电容类比法和Energetic模型的高频变压器铁芯动态磁滞建模方法 作者： 陈彬，陈一博，万妮娜，黄力，唐波 单位： 1.湖北省输电线路工程技术研究中心(三峡大学)；2.三峡大学电气与新能源学院；3.国网湖北省电力有限公司宜昌供电公司
摘要： 高频变压器是能量路由器、光伏逆变器等功率变换装置的关键设备，面临复杂的运行环境与电磁暂态工况。为了构建精确的高频变压器电磁暂态模型，需要准确模拟铁芯动态磁滞特性。本文首先在电力电子仿真软件PLECS中将磁导-电容类比法与Energetic磁滞模型相结合，构建表征静态磁滞效应的铁芯静态磁滞磁导模型；其次，在静态磁滞磁导模型基础上，依据损耗统计理论，引入磁阻和受控磁动势源用以表征铁芯涡流损耗和剩余损耗的动态损耗分量，构建出铁芯动态磁滞磁导模型；然后，基于不同工况下实验测量数据，结合损耗统计理论与场分离技术获得各频率下静态磁滞回线，推导静态模型参数随频率变化规律，得到考虑静态参数频率效应的动态磁滞磁导模型特征参数；最后，将所建铁芯模型在不同频率、不同磁密的正弦波与不同占空比方波激励下的仿真结果与实验测量结果进行对比分析，验证了本文所建铁芯模型的有效性。
责编：李泽荣
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