【网络首发】《中国电机工程学报》2024年9月（上）
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各向异性导热绝缘材料直流沿面闪络特性研究 作者： 张樱凡，黄正勇，王浩欢，李剑 单位： 输变电装备技术全国重点实验室(重庆大学)
摘要： 电力设备逐渐向高功率化、小型化发展，设备发热愈发严重，局部高温不但会大大缩短介质的寿命，而且更易诱发直流沿面闪络。针对以上问题，该文采用片状Al2 O3 取向复合材料，通过合理设计电极位置使热量在电极间传导较慢，而在垂直电极方向传导较快，实现在输电导体发热时既能有效抑制直流沿面闪络，同时又能高效散热。针对输电导体发热时环氧树脂直流沿面闪络电压降低的问题，研究Al2 O3 取向复合树脂导热各向异性对其温度分布的影响，分析温度分布对Al2 O3 取向复合树脂表面电场分布的影响，研究定向导热Al2 O3 取向复合树脂在不同温度下的直流沿面闪络特性。研究表明，片状Al2 O3 取向方向与沿面闪络路径垂直时可抑制导体热量向地电极传输，从而减少阳极三结点处电场畸变，进而抑制直流沿面闪络。
油浸式电力变压器内部游离气体运动汇集规律 作者： 李博宇，郝治国，李斯盟，郑玉平，薛众鑫，熊军辉 单位： 1.西安交通大学电气工程学院；2.国网电力科学研究院有限公司
摘要： 轻瓦斯保护可靠性不足等问题突出，现阶段大多数轻瓦斯保护装置仅发出报警信号而不投跳闸。而近年来国内发生的多起变压器燃爆事故中，轻瓦斯保护均在事故前发出报警信号，这表明其性能具有一定的优越性。因此，对于变压器内部游离气体特性的研究具有重要意义。为分析油浸式变压器内部游离气体运动和汇聚规律，该文设计一个与实际变压器具有相似结构的模型试验箱体，开展典型绝缘缺陷在发展演化过程中的产气试验。基于ANSYS仿真软件，建立相应的气液两相流模型，对典型绝缘缺陷发展演化过程的不同阶段进行仿真分析。试验数据与仿真结果有良好的一致性，结果表明，随着绝缘缺陷的发展，游离气体从缺陷处转移到箱体内各类结构的表面；气体生成速率随着时间的推移而逐渐增加，在此期间气体呈现不同的运动模式并发生形态变化。基于相同理论模型对真型变压器内部气体行为进行仿真分析，得到其附着汇集规律。结果可为开发新型轻瓦斯保护装置提供有益参考。
多孔-自由火焰燃烧的实验与数值模拟研究 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： 为拓宽传统多孔介质燃烧器(conventional porous burner，CPB)的贫燃极限，进一步降低污染物排放，设计了泡沫镍金属多孔-自由火焰燃烧器(porous-free flame burner，PFFB)，并实验研究了其燃烧及污染物排放特性；建立了同尺寸二维模型，数值研究了多孔介质材料开孔率、相对高度和比孔密度对火焰状态、温度分布以及污染物排放规律的影响。结果表明：相比CPB，PFFB具有更宽的稳燃范围，开孔率1%的PFFB稳燃当量比为φ=0.50-0.67，贫燃极限可达到φ=0.45。开孔率对CO影响较小，CO排放最低为19.2 mg/m3 。对于NOx 排放，开孔率4%的PFFB降氮效果最好，比CPB减少了9.3%。多孔介质相对高度对PFFB的污染物排放影响显著。在实验工况下，相对高度2/3的PFFB相比1/3，其CO排放减少了5.2～140 mg/m3 ，但NOx 排放量增加了4.3～9.2 mg/m3 。对于开孔率4%的PFFB，随着比孔密度的增大，孔密度增大，孔隙直径缩小，燃烧呈浸没&自由火焰，CO排放量减少，NOx 排放量随气体最高温度增加而增加。因此，在一定的开孔特征下，PFFB保留了CPB的燃烧性能，并且具有更宽的稳燃范围、更低的贫燃极限以及更低的污染物排放水平。
多股流紧凑式换热器优化设计方法：高温电解制甲烷系统案例分析 作者： 何芝飞，李承周，杨志平，杜智宇，王利刚 单位： 1.华北电力大学国家火力发电工程技术研究中心；2.华北电力大学能源电力创新研究院；3.国电投(北京)综合智慧能源研究院有限公司
摘要： “双碳”战略和可再生发电装机规模化发展背景下，固体氧化物电解(solid oxide electrolysis，SOE)制氢及其衍生物是解决可再生电力消纳的新途径。SOE高温运行需要配置换热器和风机等辅助部件维持系统内部热动力学平衡，合理的换热器设计对于提高系统紧凑性和能效具有重要意义。本文提出一种基于非支配排序遗传算法的多股流紧凑式换热器多目标优化设计方法，对多股流板翅式换热器外形尺寸和翅片参数进行同步优化，并以累计热负荷均方差为指标对换热器层排列进行优化。以SOE制甲烷系统为研究对象，结果表明：翅片频率是影响系统紧凑度的关键因素，翅片频率从444 m-1 增加到786 m-1 ，换热器体比表面积从643 m2 /m3 增大到1116 m2 /m3 ，但换热器摩擦因子和流动耗功分别增加了10.7%和0.2 kW；通过优化层排列方式，累计热负荷均方差降低了0.6 kW。对于SOE制甲烷系统气气换热器，四股流紧凑式换热器(35 kW)与两股流换热器(28 kW)相 比，体积减小了88%。该方法同步优化了多股流板翅式换热器外形尺寸、翅片参数与层排列方式，为多股流换热器高温场景应用提供参考 。
耦合熔盐储热的火电机组灵活调峰控制策略研究 作者： 魏乐，樊冰芬，张怡，房方 单位： 华北电力大学控制与计算机工程学院
摘要： 为促进可再生能源高水平消纳、提升新型电力系统安全协调能力，针对我国存量火电机组开展灵活性改造、实现深度调峰刻不容缓。本文基于660MW超临界机组提出抽取部分主蒸汽加热冷熔盐进行储热、抽取部分除氧器给水与热熔盐换热进行放热的火电机组耦合熔盐方案，针对该方案建立并验证了系统整体动态数学模型，提出熔盐储热控制为主、机炉协调控制为辅的火电-熔盐灵活调峰控制策略。以储热系统调峰容量为界，利用熔盐储热系统控制抽汽量、抽水量实现调峰容量内的负荷指令跟踪，利用燃料量和主汽阀开度进行协调控制补充跟踪调峰容量范围外的负荷指令。仿真实验表明，该方案下机组向下新增调峰容量为57.9MW，调峰深度增量为8.77%；向上新增调峰容量为24.43MW，调峰深度增量为3.7%，有效拓宽了机组调峰运行区域；所提调峰控制策略能够实现大范围变负荷指令的快速、准确跟踪，降低对机组本体、尤其是锅炉侧的波动影响；同时减少机组本体变负荷频次和极限工况运行场景，有效提升机组调峰运行的安全性与灵活性。
计及异频耦合谐波的模块化多电平矩阵变换器阻抗建模 作者： 孙玉巍，陶聪，付超，常静恬，查夏新，李光辉 单位： 1.河北省分布式储能与微网重点实验室(华北电力大学)；2.国网陕西电力有限公司西咸新区供电公司；3.可再生能源并网全国重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)
摘要： 模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter，M3C)是低频输电系统的核心装备，所连接异频交流系统电气量在变换器桥臂直接耦合，其桥臂电气量不仅含有两侧交流系统各自基频的整数次谐波，还含有二者交互耦合产生的非基频整数倍谐波分量(称为异频耦合谐波)。忽略子模块直流电压动态和异频耦合谐波、以基频为频率间隔的多谐波线性化建模方法，难以准确刻画M3C的谐波特性，影响阻抗模型的精度，无法揭示子模块直流电压动态及谐波对阻抗特性的影响机理。论文首先基于M3C谐波特性分析，建立考虑两侧交流系统异频耦合谐波的多谐波向量频域模型，并通过M3C 9个桥臂多谐波小信号的相序关系和传递关系分析得到M3C单桥臂主电路小信号模型，降低阻抗建模复杂度；在此基础上，进一步考虑控制环路频率耦合效应的影响，建立能够准确反映直流电压动态和谐波特性影响的M3C序阻抗模型。最后，在RT-Lab实时仿真平台上通过时域仿真和扫频实验，验证M3C阻抗模型的准确性，并对影响阻抗特性的关键因素进行分析。
基于POD热网络模型的SiC MOSFET浪涌安全工作区评估 作者： 赵耀，刘征，王志强，王进君，李国锋 单位： 大连理工大学电气工程学院
摘要： 碳化硅(silicon carbide，SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)在实际运行中通常会面临浪涌极端工况，导致器件失效。浪涌安全工作区(safe operating area， SOA)是衡量其可靠性的重要指标。目前浪涌SOA的评估需要多次破坏性实验，成本高昂。为此，本文提出一种SiC MOSFET器件浪涌SOA的低成本评估方法。首先建立SiC MOSFET温度计算有限元模型，利用特征正交分解(proper orthogonal decomposition，POD)算法降低有限元模型阶数形成降阶模型，并基于降阶模型建立SiC MOSFET器件的热网络模型，同时考虑器件温度对热网络模型参数的非线性影响。其次，建立SiC MOSFET体二极管的电路模型，与热网络模型关联形成电热耦合模型。之后，基于电热耦合模型构造不同浪涌工况与SiC MOSFET器件温度的数据集，并引入Kriging代理模型揭示工况与器件温度的映射关系，实现SiC MOSFET器件浪涌SOA的快速评估。最后通过破坏性测试验证所提浪涌SOA评估方法的有效性。
吸引力电磁成形上下同轴组合线圈受力分析 作者： 熊奇，阎诺，邱爽，李彦昕，习凌然，赵翔 单位： 1.三峡大学电气与新能源学院；2.智慧能源技术湖北省工程研究中心(三峡大学)
摘要： 电磁成形是一种利用线圈产生脉冲电磁力从而驱动金属材料变形的高速成形技术，过程中成形线圈也承受巨大的磁应力。特别随着放电参数的提高及组合线圈的使用，多个线圈在空间上存在磁路耦合，电路上存在时序控制，其受力破坏的风险大幅提高。因此，本文针对上下同轴组合线圈吸引力成形这一典型工况，通过实验与仿真对高参数下组合线圈的受力状态及破坏条件进行分析。结果表明：组合线圈受力状态更加复杂且极端，线圈耦合使局部区域受力恶化，轴向的加固材料相较于径向以更低的放电电压发生了破裂。同时组合线圈应在设计时进行全面的应力校验。
一种DS型功率半导体模块的低应力弹性压接封装模型与模拟 作者： 李现兵，韩佳桐，姚鹏，岳瑞峰，王燕，赵艳鹏，吴鹏飞，孙帅，杨霏 单位： 1.清华大学集成电路学院；2.北京博电新力电气股份有限公司；3.国网智能电网研究院有限公司
摘要： 本文提出了一种新型DS型压接模块封装的电极技术，兼具导电、导热、弹性与低电感相统一的特征，即兼具了碟簧组件的弹性，又具有凸台式刚性电极的导电、导热和低感为一体的优点。并基于该DS型新型电极，设计了一种低应力弹性压接封装功率模块的基本结构形式、仿真模型、制造工艺及材料选用。详细的介绍了基于4500V硅基IGBT和FRD芯片设计的新型单芯片组件的模型与多物理场模拟、制造工艺、模块的耐压装能力和静态等性能测试，初步测试结果表明，基于DS型弹性电极的单芯片模块具有良好的压装综合性能，可为后续4500V/3000A及以上功率级别模块的封装设计提供了基础电极模型。
考虑DG和EV接入的分布式智能配电网联合规划 作者： 李响，王世谦，李秋燕，陈卓，李宗原，华红艳，刘继伦，张丹，王龙 单位： 1.郑州航空工业管理学院；2.国网河南省电力有限公司经济技术研究院；3.许昌开普检测研究院股份有限公司
摘要： 分布式智能配电网规划时，需考虑各个分布式电源(distributed generation，DG)运营商、充电站运营商和供电企业的利益，从而使规划模型多样化、复杂化。为此，提出一种分布式智能配电网双层联合规划模型，在考虑电网潮流、节点电压、电源出力等约束基础上，配电网下层规划考虑DG和充电站的初始投资成本、售电收入、发电补贴、过网成本，以分布式电源运营商/充电站运营商收益最大为目标函数，确定分布式电源和充电站的接入位置与容量；配电网上层规划考虑配电网购电费用、运行损耗、故障成本，以供电企业收益最大为目标，确定配电网投资项目。双层规划模型求解采用改进遗传算法，对DG和充电站的接入位置与容量、配电网项目开关组合进行隐性编码，将动态规划问题转化为一个非线性整数寻优的数学问题。通过中部城市某区域配电网实例，验证该方法的实用性和有效性。
IPOS型高增益DC/DC变换器 作者： 周鸿彦，何良宗，杨泽龙，卢凤旺，陈一逢 单位： 1.厦门大学航空航天学院；2.厦门市爱维达电子有限公司
摘要： 文中提出一种输入并联输出串联型高增益直流-直流变换器，解决了高增益变流器无法通过模块化组合进一步提高增益的难题。其中，单模块变换器由开关电容和耦合电感组成，会降低开关管的电压应力。同时，其中的有源钳位电路不仅可以抑制由漏感引起的电压尖峰，还能进一步提高电压增益。此外，在考虑该变换器全局效率优化时，两相变换器占空比不同，通过采用自适应载波移相控制方式可显著降低输入电流纹波。该组合变换器中所有功率器件都是能实现零电压开关，进一步降低了损耗。对该变换器进行详细的数学分析，并给出系统的设计依据。最后，在实验室搭建输出功率为768W和输出电压480V的实验样机，验证该变换器的优异性能。
基于门控循环加权共形分位数回归的风电功率短期区间预测 作者： 杨茂，张书天，王勃，苏欣 单位： 1.现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学)；2.新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院有限公司)
摘要： 准确的区间预测有助于更好地进行风险分析，从而为电网调度做出更合理的决策。针对共形分位数回归自身算法的不足，本文提出了一种基于门控循环加权共形分位数回归的风电功率短期区间预测方法。首先在训练阶段采用分位数门控循环单元拟合初始预测区间。然后在校准阶段根据不一致分数函数计算不一致分数及其置信分位数。接着在测试阶段计算测试集和校准集之间的Jensen-Shannon散度并将其作为分布权重对置信分位数加权，从而形成加权置信分位数来代替直接采用校准集得出的置信分位数，由初始预测区间与加权置信分位数的代数和构成最终的预测区间。最后以国内蒙西某风电场的运行数据为例，从可靠性、有效性和计算时间3方面出发，验证了本文方法的有效性。
阻断电力系统N-k连锁故障传播的关键环辨识 作者： 蔡晔，谭林峰，王炜宇，曹一家，谭玉东 单位： 1.防灾减灾全国重点实验室( 长沙理工大学)；2.国网湖南省电力有限公司经济技术研究院
摘要： 近年来极端灾害频发，环结构能为故障后潮流重分配提供后备路径，极大程度地降低连锁故障传播带来的负荷损失。因此，本文基于有向加权电力网络的广义节点，提出一种能够阻断高危连锁故障的关键环辨识方法，在面对不同N-k故障场景时，均能够显著降低系统发生大停电的风险。首先，定义基于线路的静态储备系数的有向电力加权网络，证明了电力网络的结构可控性，通过Kuhn-Munkres算法求解电力系统的最小驱动节点集合，将电力网络分解为多个完全可控子图；其次，将可控子图收缩定义为广义节点，以实现复杂电力网络的降阶，解决大规模电力网络中环结构搜索困难的挑战；最后，基于Laplacian矩阵次小特征向量评估环结构对电力网络连通性的贡献，进而辨识电力网络中的关键环。仿真结果表明，即使面对N-k(k ≤ 3)高危预想事故，通过维持关键环的正常运行，电力系统能维持暂态稳定性。
基于分布式协同的强迫次同步振荡溯源方法研究 作者： 吴熙，何琴，陈曦，周金宇，廖凯 单位： 1.东南大学电气工程学院；2.西南交通大学电气工程学院
摘要： 电力系统中的次同步振荡(sub-synchronous oscillation，SSO)现象日益频繁，严重危害电网稳定性，实现次同步振荡的快速精准溯源具有重要意义。然而相对于低频振荡，次同步振荡频率更高，需要更高频率的采样数据才能保证分析的准确性，严重增加了计算负担，传统的集中式计算方法在实时计算和通信方面面临巨大挑战。为此，本文提出一种分布式协同的次同步振荡溯源方法，首先构建面向电力系统次同步振荡溯源的多智能体分层分布式系统框架，制定次同步振荡测量终端、本地层子站(local layer substations，LLS)及中心层主站的工作职能。其次，研究本地层子站间的自适应协作机制，通过子站收集并就地处理量测数据，基于平均一致性算法将少量能量信息进行交互，实现次同步振荡的快速协同溯源。分布式协同方式大大减少了控制中心/主站的数据传输和计算压力，可为实现强迫次同步振荡快速精确溯源提供算法支持。
增量反馈观测器和暂态矢量补偿混合驱动的构网型VSG阻尼改善方法 作者： 郭英军，齐玉，葛磊蛟，马喜平，车玉龙，孙鹤旭 单位： 1.河北科技大学电气工程学院；2.天津大学电气自动化与信息工程学院；3.国网甘肃省电力有限公司电力科学研究院；4.兰州交通大学自动化与电气工程学院
摘要： 虚拟同步发电机(virtual synchronous generator，VSG)是一种重要的构网型变流器并网控制方法。但是VSG具有欠阻尼的缺点，使得逆变器执行有功调节时易发生频率振荡，进而导致构网型控制的功角和电压幅值受到影响。为此本文提出增量反馈观测器(incremental feedback observer，IFO)和暂态矢量补偿(transient vector compensation，TVC)混合驱动的新型阻尼改善方法。IFO方法利用时滞环节采集功率和功角的小信号增量，破解VSG功角欠阻尼的难题；TVC方法是在电压控制环中引入暂态前馈，攻克构网型VSG电压同步困难和响应速度慢的难题。硬件在环平台运行的结果表明：与传统VSG方法相比，IFO-TVC混合驱动的构网型VSG控制，能将有功指令响应的超调量从48%减少至0.63%，系统响应时间降低了93.3%；线路阻抗变化实验无明显频率振荡，系统响应时间降低了88.6%。
新型不对称初级齿表面插入式永磁直线同步电机研究 作者： 王林森，郑梦飞，李焱鑫，卢琴芬 单位： 浙江大学电气工程学院
摘要： 表面插入式永磁直线同步电机(surface-inset permanent magnet linear synchronous motor，SIPMLSM)采用了全齿绕端部非重叠的初级绕组和永磁体插入式的次级结构，不均匀气隙使交轴电感(Lq )增大，提升了凸极率(Lq /Ld )，从而提升了磁阻推力和推力密度。首先针对一个12槽16极SIPMLSM，建立了边端力和齿槽力分离的有限元模型；其次，分别分析了初级齿尖和边端辅助齿对齿槽力和边端力的敏感度，确定了优化变量及取值范围，同时以推力波动和推力密度为优化目标，采用多目标遗传算法进行全局优化，得出了不对称齿尖结构的优化方案；最后制作样机并进行了测试，通过实验测得了空载反电势、定位力与推力波动和堵动状态下的温度，并与有限元结果进行了对比，验证了设计有效性。
气体–液态金属体积分数对多入口磁流体发电性能的影响 作者： 王彦利，黄护林，王少政，鹿鹏 单位： 1.南京航空航天大学航天学院航天进入减速与着陆技术实验室；2.南京航空航天大学能源与动力学院
摘要： 本文基于流体体积法(volume of fluid，VOF)，通过改变多入口磁流体发电通道气体的入口速度，数值研究了不同气体–液态金属两相体积分数下，发电直通道中两相流场的行为机理、电磁特性和发电性能。结果表明：两相流体在通道中形成了周期性变化的两相流型，相间作用在垂直流向上产生的压差与液态金属体积分数的变化趋势呈正相关；气体体积分数增加，两相流体混合的均匀性变差。通道入口气–液两相的体积分数比为3.075时，流型由入口的气–液–气分层流依次转变为弹状流，滴状流和条带状流，周期为0.0308 s，一个流型周期内空载发电通道的周期平均电磁效率最高，达83.8%；负载系数K=0.5时，气液两相在发电直通道中主要呈类环状流，两相流型的演化周期比空载时缩短，周期平均发电效率为43.81%。
责编：李泽荣
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