【网络首发】《中国电机工程学报》2024年9月（下）
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跟网型变流器并网系统锁相同步与功率平衡间的相互作用分析 作者： 洪镇堃，程旻，占萌，余佳微，朱益华，武明康 单位： 1.强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院)；2.云南电网有限责任公司；3.直流输电技术国家重点实验室(南方电网科学研究院有限责任公司)；4.国家能源大电网技术研发(实验)中心；5.广东省新能源电力系统智能运行与控制企业重点实验室
摘要： 由于跟网型变流器系统由控制主导、强耦合的特性，锁相同步与直流电容上功率平衡的关系并不清晰。为此，从带宽视角揭示了两者在带宽远离、接近时的交互机制。首先基于两者的动力学行为，以阻尼比和振荡频率作为前者的动态指标，以同步转矩和阻尼转矩作为后者的动态指标。之后利用奇异摄动理论将所建线性化模型在临界场景下进行代数化降维，通过分析动态指标的变化揭示了两者在带宽远离时的相互作用。其次基于功率平衡开环传递函数，分析锁相同步对功率平衡环节幅值裕度的影响，揭示了两者带宽接近时的相互作用。特别地，本文考虑了端电压控制的影响，发现其带宽降低会恶化两者间的相互作用，导致系统静态稳定极限减小，带宽接近易失稳的现象消失。
考虑异步区域调频资源互济的电能、惯性与一次调频联合优化出清模型 作者： 朱兰，宋一帆，蔡武军，张文博 单位： 上海电力大学电气工程学院
摘要： 高比例新能源通过电力电子设备接入电网导致电力系统的惯量水平不断降低，系统应对大扰动的频率响应能力相对减弱，需要加强各区域不同调频资源之间的协调以保障系统的频率安全。目前计及频率安全约束的现货市场研究大多从区域内部视角进行出清，对于HVDC互联系统，HVDC线路通过附加控制手段能够在区域间传递多种频率响应，本文计及上述频率响应的调频价值并将其纳入到市场出清中，以提高系统的安全性和经济性。本文首先分析了区域间调频互济过程中HVDC的不同控制方式，基于各调频资源在响应延时、响应类型以及响应过程频率波动等特点差异分别推导了相应的频率安全约束；其次，提出了一种考虑异步互联区域间调频资源互济的电能、惯性和一次调频辅助服务联合出清模型，精确量化HVDC传递频率响应资源价值；最后基于算例验证了模型的有效性，并探讨不同响应方式对于出清结果的影响。
基于数据驱动方法反演C4 F7 N气体完整自洽碰撞截面集的研究 作者： 张博雅，刘沛琼，郝迈，李兴文 单位： 电工材料电气绝缘全国重点实验室(西安交通大学)
摘要： 以C4 F7 N为代表的新型环保气体由于缺乏完整且物理自洽的电子-分子碰撞截面集，限制了对其微观放电机制的研究。该文应用数据驱动的方法，根据电子群参数与碰撞截面之间自洽的物理联系，基于LXCat数据库中大量碰撞截面数据，建立由电子群参数到碰撞截面的映射关系。在人工修正的C4 F7 N气体碰撞截面集和电子群参数实验数据的基础上，成功预测出一组新的完整且物理自洽碰撞截面集，并评价了预测的C4 F7 N碰撞截面集的准确性、完备性和自恰性。结果表明，新的碰撞截面集计算的C4 F7 N气体电子群参数与实验值更加吻合。所采用的数据驱动方法可提高获得碰撞截面过程的效率，减弱人工修正过程中的主观性，为获得新型环保气体的碰撞截面提供了新的思路。
直驱XY平台自适应超螺旋时变滑模精密轮廓跟踪控制 作者： 金鸿雁，雷滋稼，马阔 单位： 沈阳工业大学电气工程学院
摘要： 为提高精密直驱XY平台在进行复杂轨迹加工过程中的轮廓精度，本文提出一种基于降阶扰动观测器(reduce-order disturbance observer，RODOB)的自适应超螺旋时变滑模控制(adaptive super-twisting time-varying sliding mode control，ASTSMC)的轮廓跟踪方案。首先，建立包含不确定性因素的直驱XY平台的动力学模型和轮廓误差模型，为直驱XY平台的控制提供模型基础。其次，针对系统中参数变化和负载扰动等因素，设计具有强鲁棒性的ASTSMC轮廓跟踪方法。ASTSMC中采用非线性时变滑模面替代传统线性滑模面，同时引入自适应超螺旋控制律作为系统的切换控制律，可以显著削弱抖振并提高系统的响应速度。由于ASTSMC控制律中的总不确定性上界值在选取过程中容易被高估而使抖振过大，因此设计RODOB对其进行估计并前馈补偿到控制律中，从而进一步增强系统的鲁棒性。最后，使直驱XY平台在空载、负载扰动以及参数变化等条件下跟踪不同的位置参考轨迹，并进行实验性能对比。结果表明，所提出方法能够增强系统鲁棒性，满足高精度轮廓跟踪要求。
燃煤锅炉屏式过热器超温预测的数据驱动建模 作者： 樊昱晨，周永清，韦昌，刘欣，王赫阳 单位： 1.天津大学机械工程学院；2.烟台龙源电力技术股份有限公司
摘要： 燃煤锅炉普遍采用空气分级燃烧技术，此举虽可大幅降低NOx 生成，但造成炉内火焰中心上移，导致屏式过热器(屏过)管壁超温严重。此外，调峰运行使锅炉负荷经常性不规则变化，进一步恶化了屏过传热，使爆管泄漏事故频发。为指导锅炉安全可靠运行，提出一种基于遗传算法优化超参数的深度神经网络(GA-DNN)模型，通过构建炉内风煤侧及汽水侧运行参数与屏过30片管屏出口温度之间的映射关联，对屏过超温进行分析和预测。该模型可实现对不同负荷工况下屏过温度分布的准确预测，在此基础上能够以97.5%以上的准确率识别出当前及未来5分钟屏过超温(>550℃)的运行工况，同时可在89.2%的准确率下预测出未来5分钟屏过超温最严重的管屏所在区域。
工频交流电压下变压器油中电弧放电初期压力波特性 作者： 王卓非，章程，张耀，张书琦，李鹏，王航，邵涛 单位： 1.等离子体科学和能源转化北京市国际科技合作基地(中国科学院电工研究所)；2.中国科学院大学；3.中国电力科学研究院有限公司
摘要： 为探明工频交流电压下变压器油中电弧放电初期压力波演化规律，本文开展了油中电弧放电试验，采集放电纹影图像，获得油中电弧放电初期气泡与压力波发展过程，测量了电弧电压、电流、电弧压力、压力波传导壁面振动加速度，分析了不同间隙距离下电弧放电初期多特征参量变化规律；建立油中电弧放电能量转移路径模型，得到变压器油中电弧放电能量转移比例演变规律。试验结果表明，油中电弧放电初期电极间出现多次击穿过程，压力波伴随脉冲电压电流出现，1 mm、2 mm与3 mm针-针间隙油中电弧放电可见2次、5次和7次压力波，电压电流、电弧能量、压力波次数与强度随着间隙距离的提高而增加。计算了油中电弧能量向内能、机械能、热传导与光辐射的能量转移最大比例分别为29.35%，15.99%和6.52%。研究初步阐明了变压器油中工频电压下早期电弧放电压力波特性与特征参量变化机制。
基于熵权法的新能源发电并网变流器灵活性评估 作者： 孟铁强，张兴，肖宇，李飞，贾科，毕天姝 单位： 1.合肥工业大学电气与自动化工程学院；2.华北电力大学电气与电子工程学院
摘要： 为实现新能源发电系统的高效稳定运行，其并网变流器具有应对源侧与网侧变化的适应能力是尤为关键的。而这种适应能力可以通过灵活性进行表征，因此科学评估出并网变流器在不同工况下的灵活性水平至关重要。本文提出将熵权法应用于并网变流器的灵活性评估，初探并网变流器灵活性评估体系，以考虑小信号稳定性与暂态稳定性的有功与无功出力为灵活性指标。基于实际应用的大功率并网变流器，分析其在不同的电网状况、控制策略以及过流能力下的灵活性指标数据，从而科学评估并网变流器的灵活性水平，揭示了采用单一控制算法的并网变流器灵活性不足问题，为设计自适应控制的灵活并网变流器提供理论依据。
一种高效率高功率密度且兼具自动均压功能的部分功率型电池储能DC-DC变换器 作者： 李云飞，杜思行，党恒凯，李聪，刘进军 单位： 西安交通大学电气工程学院
摘要： 在电池储能系统领域，部分功率变换器因大幅缩减了变换器容量而具有显著优势，但宽范围调压时效率低，且电池包电压均衡的实现复杂。为此，本文基于部分功率变换器，提出了一种效率及功率密度更高，且电池包电压自动均衡的电池储能DC-DC变换器。本拓扑隔离级采用两级式架构，利用CLLC型直流变压器连接各个电池包和双极性Buck电路。在拓扑中，CLLC型直流变压器提供了隔离的低阻抗通道，实现了电池包之间电压的自动均衡。同时，双极性Buck电路代替传统隔离型DCDC实现电压调节，使变换器在160-240 V宽范围调压下的效率最大提高了1.05%。此外，与现有部分功率变换器相比，本拓扑将磁元件体积和开关数量分别降低了29.72%和6个，显著提升了系统的功率密度。最后，本文分别搭建了200 V，1.5 kW的仿真和实验平台验证了本拓扑的可行性。
具有低漏磁通干扰及全方位传能特性的无人机无线充电系统 作者： 冯天旭，彭宇翔，史可，蒋金橙，王佩月 单位： 重庆邮电大学自动化学院
摘要： 针对传统无人机无线充电系统漏磁通干扰强以及抗位置和角度偏移性能差的问题，本文提出了一种具有低漏磁通干扰及全方位传能特性的无人机无线充电系统。发射机构由三相螺线管线圈组成，接收机构缠绕在无人机起落架上。首先通过COMSOL仿真对比分析提出的三相螺线管线圈与传统圆形线圈在无人机机身处产生的磁场强度，从三相螺线管线圈主要产生水平磁场分布及圆形线圈主要产生竖直磁场分布的角度揭示漏磁通干扰抑制原理。然后分析三相螺线管线圈在120°激励电流相位差下的磁场分布特性，从旋转磁场的角度揭示全方位无线传能机制。随后构建基于三相半桥逆变及LCC-S谐振补偿网络的系统电路模型，推导系统输出功率与等效互感的关系。最后搭建实验装置以验证提出的系统具有低漏磁通干扰及全方位传能特性。
引导氢能源汽车用户行为的能源站氢价决策模型及求解方法 作者： 颜燕玉，谢仕炜，吴秋伟，张亚超，郑灵炜 单位： 1.福州大学电气工程与自动化学院；2.清华大学深圳国际研究生院清华-伯克利深圳学院
摘要： 氢能源汽车的迅速增长势必给电力-交通耦合网络的运行状态带来影响。研究如何有效考虑用户行为并通过氢能源定价策略对其进行引导，对耦合网络的协同调度和交互具有重大意义。针对该背景，本文提出了计及氢能源汽车用户行为的耦合网络定价策略模型。首先，建立考虑能耗约束的交通用户均衡模型，通过推广变分不等式进行等效描述。其次，构建含氢能源汽车制氢需求的配电网二阶锥优化模型。根据前述，提出一种氢能定价策略模型，将其转化为含有变分不等式的数学规划问题。基于此，设计二阶不动点迭代算法和投影-收缩算法进行求解。最后，通过算例对所提模型和方法的有效性进行验证，结果表明了考虑能耗约束对耦合网络氢能源定价的必要性。
LLC谐振变换器简化时域算法及其频率前馈控制 作者： 李佳昊，陈捷，邵志冲，蔡璟珂，佘焱，王勇 单位： 上海交通大学电气工程系
摘要： 针对LLC谐振变换器使用传统线性控制器时动态响应不理想的问题，本文提出了一种基于LLC变换器简化时域分析的频率前馈控制。通过对欠谐振、过谐振且接近谐振点和过谐振且远离谐振点的三种工况下的LLC变换器时域方程进行简化，本文提出了三种简化时域迭代算法，可以在数字控制器中实时计算LLC变换器的理想开关频率并前馈至线性控制器，从而改善LLC变换器的动态响应。本文提出的简化时域算法还可以实时计算电压增益、谐振电流和谐振电压的工作波形。仿真结果表明，所提出的简化时域算法计算得到的工作波形和电压增益曲线与时域分析接近，证明了算法的准确性。搭建了一台实验样机以验证所提出的前馈控制的动态响应。实验结果表明所提出的前馈控制可以实现对于LLC变换器各种动态过程的性能优化，且对于数字控制器的计算负担较小。
制氢用双极性堆叠交错DC/DC变换器调控方法 作者： 李鹏程，盖钰堃，郭英军，华长春，孙鹤旭 单位： 河北科技大学电气工程学院
摘要： 在直流微网制氢中，研究双极性、大电流和无纹波特性的DC/DC制氢变换器有利于提高效率。本文在伪双极三相交错并联Buck制氢变换器的基础上借鉴传统6脉波相控整流的方法，对开关相序和调制方式进行重构。定义共阴极桥臂上管为主控管相位依次交错120°、共阳极桥臂下管为主控管相位依次交错120°，各主控管相位依次交错60°，上下桥臂可进行能量传递，形成真双极堆叠六相交错DC/DC制氢变换器，保证双电解槽内部流场分布均匀。250kW-50Nm3 /h制氢系统考虑1200V直流母线2%波动和两电解槽20%等效阻抗偏差，在双闭环自均流控制的基础上引入中线虚拟电阻下垂控制，实现对相间环流和对地环流的有效抑制。实验表明，DC/DC变换器综合性能良好，所提控制策略有效，可用于直流微网制氢。
工质纯度对超临界CO2 下材料腐蚀行为影响规律 作者： 何闯，梁志远，郭亭山，邵怀爽，赵钦新 单位： 热流科学与工程教育部重点实验室(西安交通大学)
摘要： 超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide，S-CO2 )能够显著提升循环发电效率而受到学术界的广泛关注，然而高温材料的耐腐蚀性能是限制机组效率的主要因素，要求耐热钢能够满足发电设备的安全运行需求。该文选取3种耐高温材料(铁素体耐热钢T91、奥氏体不锈钢304和镍基高温合金617)，探究3种耐热材料在600℃、15Mpa的研究级和工业级S-CO2 环境下500h的腐蚀行为。利用腐蚀动力学增重曲线、电子显微镜SEM、分析能谱EDS、X射线衍射仪XRD和Raman图谱对腐蚀产物进行表征。结果表明：T91和304在工业级S-CO2 下的腐蚀增重量均大于研究级S-CO2 。T91的双层氧化膜由外层Fe3 O4 和内层(Fe，Cr)3 O4 组成，在工业级S-CO2 腐蚀下氧化膜中出现Fe2 O3 。304和617氧化膜是单层Cr2 O3 氧化物，能很好的阻止杂质气体的腐蚀和渗碳反应的发生，因此研究级与工业级S-CO2 下腐蚀差异较小。研究结果可为超临界二氧化碳机组的选材和预防腐蚀提供借鉴和参考作用。
基于集群划分的主动配电网电压无功两阶段鲁棒控制策略 作者： 李晓波，谢剑锋，张世乐 单位： 中国矿业大学电气工程学院
摘要： 针对分布式电源和负荷的显著不确定性导致配电网电压越限频繁和集中优化调度困难的问题，本文考虑配电网可调无功资源配置情况，提出一种基于集群划分的配电网两阶段鲁棒电压无功控制策略。首先，计及节点可调无功容量构建综合电气距离模块度指标，设计保证节点间物理连通约束的遗传算法适应度函数，完成对配电网的集群划分；并以各集群电压偏差为指标制定配电网集群无功调压策略；然后，以配电网网损及主网购电成本为目标函数，构建随机加权鲁棒集，建立多时间尺度下二阶锥鲁棒集群无功调压模型，并基于强对偶理论和列与约束生成算法对模型进行转化和求解；最后，在IEEE 33节点配电网进行了仿真，结果表明，所提集群无功调压策略能够有效消除节点电压越限，减少受控设备数量，提高求解效率。
石墨烯/铜基电磁发射轨道摩擦磨损性能的分子动力学模拟 作者： 王健，李鸿剑，邢泽西，韩智云，任瀚文，李庆民 单位： 1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)；2.山东大学电气工程学院
摘要： 电磁发射枢轨界面往往承受高速相对运动所引发的强机械摩擦，金属轨道材料磨损失效将严重影响电磁发射系统稳定性，轨道抗摩擦耐磨损性能亟待提升。石墨烯(graphene，Gr)作为一种新型自润滑材料被广泛用于提高金属基复合材料的摩擦磨损性能。该文利用分子动力学方法建立铜基石墨烯复合材料(CuGr)模型，基于该模型在LAMMPS下计算不同Gr掺杂层数及不同压入深度下的摩擦系数，通过微观结构动态演变过程分析Gr提升铜基体摩擦磨损性能的机制，并经实验验证Gr的减摩润滑效果。结果表明：Gr的掺杂能够有效提高Cu基体的摩擦性能，Cu基体的磨损量显著降低且摩擦系数随Gr掺杂层数的增加而下降，单层、双层、三层CuGr模型的摩擦系数相较于Cu分别下降了37.06%，42.94%，54.69%。Gr对CuGr复合材料的增强机制为层状结构支撑作用与位错阻断。研究结果可为石墨烯/铜基复合材料的优化设计与性能提升提供理论指导和技术支撑。
多源自适应换相换流器运行控制策略研究 作者： 贾冠龙，刘政权，张哲，陈敏，许烽，牛峰 单位： 1.河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(河北工业大学)；2.浙江大学电气工程学院；3.杭州意能电力技术有限公司
摘要： 多源自适应换相换流器(self-adaption statcom and line commutation converter，SLCC)利用静止无功发生器(static var generator，SVG)对换流站进行动态无功补偿和谐波滤除，可降低换流变所承担的电流应力，增强逆变站抵御换相失败的能力，减小送端换流站的母线暂态过电压，节省换流站的工程占地面积。本文首先阐述SLCC的拓扑结构及工作原理，剖析其多源复合特性所具有的技术优势，并类比LCC高压直流输电系统(high voltage direct current，HVDC)，建立SLCC-HVDC的数学模型。在此基础上采用正常工况下双重检测的定电流控制策略及故障工况下带电流限幅的定电压控制策略，以充分发挥SLCC相较于LCC灵活可控、响应迅速的优势；然后，根据换流站母线相电压有效值跌落程度实现SLCC两种控制模式间的灵活切换，保证SLCC-HVDC具有优良的响应特性。最后，PSCAD/EMTDC平台下的仿真结果验证理论分析的准确性和运行控制策略的有效性。
责编：李泽荣
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