抢鲜看｜《电工技术学报》2024年第20期目次及摘要

作者：胡青云；张波

摘要：高压杆塔设备的种类和数量随着智能电网和5G新基建的蓬勃发展而日益增多，现有的蓄电池供电方式可靠性较差且所需运维工作量大，供电成为它们必须面对的重要问题。近年来，通过架空输电线路取电，再将电能无线传输给电力杆塔设备的供电技术，已经显示出具有良好的发展和应用前景。为此，该文从供电系统组成、取电装置、磁耦合机构、补偿网络、电能变换器及控制方法几个方面，对电力杆塔设备无线供电技术现有发展状况进行系统的分析，指出应用前景以及系统亟待解决的问题，并探讨无线供电技术在传输效率、抗偏移、鲁棒性以及产品化等方面的发展趋势。

作者：陈彬；姜鹏飞；万妮娜；冯昱璋；黄力

摘要：在电磁耦合的无线电能传输系统中，准确获取线圈电感参数是设计和优化无线电能传输系统的重要理论依据。现有的无线电能传输系统研究大多针对平面板结构线圈，同轴多层筒式空心线圈相比于平面板线圈具有更高的传输功率和传输效率。因此，该文针对同轴多层筒式空心线圈，提出了一种考虑高频涡流效应的自感和互感解析计算方法。首先，将单匝线圈截面离散等效为数量众多、形状相同的网格带电圆环单元，采用离散等效求和法推导出单匝线圈的自感和线圈间互感的解析式；然后，基于筒式空心线圈的整体结构以及考虑高频涡流效应，推导出基于第一类、第二类完全椭圆积分和开尔文函数的一、二次线圈自感和总互感计算的理论解析式；最后，以两种不同排布方式的筒式空心线圈为例，对比解析计算、有限元计算和实验测量结果，验证了所提解析法的可行性，同时也为筒式空心线圈的设计提供参考依据。

作者：王维；任翰林；许晨进；段名荣

摘要：电场能因具有供能稳定的特点可作为输变电设备上在线监测设备的可靠供电来源，但在实际应用场景中存在因取能功率密度低而使在线监测装置工作间歇时间较长的问题。针对该问题，该文提出一种基于多级电容的电场感应取能电源结构及控制方式，协调各级取能电容充放电工作模式，并通过采用多绕组变压器能量传输媒介、优化配置取能电源关键参数，有效降低装置损耗与体积，提升能量转移效率。最终通过实验测试可在高压电场下进行能量采集，当采用两级取能电路进行取能的情况下，通过优化关键取能参数使得每周期取能能量可达226mJ，工作时间增加至优化前的2.11倍，可满足无线电流传感器工作1.648s，发送3次在线监测数据。

作者：佟文明；杨先凯；鹿吉文；贾建国；李文东

摘要：对于采用低电导率护套高电导率永磁体的表贴式高速永磁电机，在永磁体和保护套之间增加一层低电导率的永磁体，可有效降低永磁体上的涡流损耗。目前，对于双层永磁体转子结构的电机在使用有限元软件进行转子涡流损耗计算时，因为需要寻求两种永磁体不同厚度配比下的最优方案，所以要进行大量参数化，导致计算时间长、效率低。针对这一问题，该文基于精确子域法，建立了一个考虑定子开槽以及涡流反作用影响的双层永磁体结构转子涡流损耗解析模型，可同时对电枢磁场和负载磁场下双层永磁体结构转子涡流损耗进行求解，并且该模型可扩展至多层永磁体复合结构的转子涡流损耗计算。在此基础上分析了双层永磁体结构下外层永磁体不同厚度和不同材料对转子涡流损耗和内层永磁体消耗量的影响。最后通过有限元仿真和C型铁心实验验证了该解析模型的有效性。

作者：王天煜；杨璐铭；白斌；宇秋红；张岳

摘要：一种新型粉块层级转子结构可有效提高高速永磁电机转子强度。为了准确分析新型复合转子结构强度，需要准确预测转子复合磁性材料的力学性能。该文将新型磁粉胶膜复合材料看作由磁粉颗粒、界面和基体组成的三相复合材料，首先基于蒙特卡罗法构建了Abaqus-Python耦合的代表性体积单元参数化模型，然后依据细观力学等效三相球模型推导出界面层的弹性模量，最后基于虚功原理创建磁粉胶膜弹性模量有限元预测模型，并与拉伸试验结果进行比较分析，验证了模型的准确性。在此基础上，研究了细观结构和界面参数对磁粉胶膜弹性模量的影响规律，得到了磁性材料细观结构与力学性能的映射关系。

作者：及非凡；陈子豪；李艳君

摘要：对锂离子电池进行低温加热是缓解其低温环境性能衰减的有效措施。该文从电动汽车整体架构出发，提出一种多周期偏置方波注入法，向电机d轴混叠注入直流电流与高频电压，使得电池母线端激励正负交变电流，该电流流过电池内阻产生焦耳热，实现电池自发热。所提控制方法，仅采用原有电驱系统硬件结构，在矢量控制基础上增加注入信号，实现方式简单，适配所有包含电驱系统的电动汽车。该文详细分析注入高频可在母线产生交变激励电流的原理，针对电池自发热目标，通过调节注入信号的频率与幅值，实现激励电流灵活可调。实验结果表明，所提控制策略能在电池侧有效激励交变电流，且幅值、频率可调。与理论分析一致。最后，搭建整车环境仓电池自发热平台，进一步验证所提方法在实际场景应用中的可行性。

作者：孙东阳；李爽；王俊武；张术宁

摘要：高频高峰值脉冲负载对具有弱惯量特性的船舶电力系统呈现较大的功率冲击影响，严重时会造成船舶发电机组振荡停机。针对这一问题，该文首先建立典型脉冲负载的数学模型，研究脉冲负载功率特性及其对船舶电力系统冲击机理。根据研究结果，提出采用超级电容冲击平抑装置平抑脉冲功率。其次，通过分析虚拟直流电机（VDG）运行机理，确定通过VDG控制提升双向DC-DC变换器惯量的可行性。基于以上研究，推导双向DC-DC变换器的小信号模型及系统传递函数，分析虚拟转动惯量及虚拟阻尼对平抑装置稳定性的影响。然后，提出一种适用于脉冲负载稳态运行和暂态突变的平抑装置控制策略。最后，基于RT Box 3半实物仿真平台，搭建了具有平抑装置的船舶电力系统模型，验证了所提控制策略的有效性。

作者：侯利民；兰骁儒；赵世杰；李政龙

摘要：为了提高多电机转速协同控制精度，该文提出一种多智能体系统固定时间一致性的多永磁同步电机转速协同控制新思想。首先，将多永磁同步电机调速系统视为一个多智能体系统，设计了基于无向通信拓扑图的固定时间一致性协议；同时，设计了固定时间滑模观测器估计扰动并在一致性协议中引入前馈补偿，从而得到期望的q轴电流。然后，在矢量控制调速系统的框架下设计了固定时间互补滑模电流控制器，用于跟踪q轴参考电流。利用李雅普诺夫函数分别证明了控制器和观测器可以在与系统初始状态无关的情况下实现固定时间内收敛。最后，在三台永磁同步电机调速系统实验平台上与传统偏差耦合控制算法进行了对比实验验证，证明了所提控制算法的可行性和鲁棒性。

作者：陈阳；陶大军；王立坤；戈宝军；李守鹏

摘要：双并列转子永磁同步电机由于部分定子铁心和绕组的缺失，存在较大的转矩脉动，限制了其在并行对驱类机械装备中的应用。该文对双并列转子永磁电机转矩脉动产生机理进行分析，并提出了相应的抑制方法。对比了N-N型、N-S型两种转子结构，阐明了N-S型转子结构的优越性。在此基础上，开展了转矩脉动产生机理研究，按照影响因素不同，逐次分析了齿槽效应、端部效应、永磁齿轮效应以及绕组参数不对称对电机转矩脉动的作用机理，构建了各个转矩分量的解析表达式。通过有限元模型，验证了理论分析的正确性。针对产生转矩脉动的不同分量，提出了相应的抑制方法，其中抑制空载转矩可以通过优化电机的结构参数来实现，抑制纹波转矩可以通过优化绕组位置分布来实现。搭建样机实验平台，验证了分析模型的准确性。

作者：黄德猛；周扬忠；屈艾文；禹春敏

摘要：在三电平六相电机驱动系统中，存在中点电压不平衡及零序电流导致定子电流畸变等问题。为此，该文针对T型三电平逆变器供电的六相永磁同步电机，提出一种具有中点电压平衡与零序电流抑制功能的直接转矩控制（DTC）策略。为实现DTC的快速构建，该策略基于两电平三相电机DTC结构，利用精简后的开关状态，在六相绕组轴线上分别合成满足控制要求的4个电压矢量，然后通过两个滞环比较器结合简单的扇区划分，确定最优电压矢量所在轴线，同时构建中点电压与零序电流控制平面，并对系统在控制平面所处扇区进行判断。在此基础上，根据最优电压矢量所在绕组的相电流iy的极性，实现最优电压矢量的选择，并进一步构建DTC最优开关矢量表。最后，通过实验结果验证了所提控制策略的可行性和有效性。

作者：王力新；王晓远；高鹏；刘双双

摘要：针对内置式永磁同步电机转矩脉动大、转子结构复杂优化设计困难的问题，将转子上的隔磁桥抽象为转子虚槽，并研究转子虚槽位置对电机转矩性能的影响，在此基础上提出一种通用的优化转子结构降低转矩脉动的方法。首先，推导考虑转子虚槽影响的电机转矩的解析计算模型，并分析转子虚槽位置对电机转矩的影响规律，进而总结降低转矩脉动的电磁设计原则。对不同转子结构的内置式永磁同步电机进行有限元仿真计算，验证解析模型。然后，以一台8极48槽电动汽车用内置式永磁同步电机为例，根据降低转矩脉动的原则对转子结构进行优化。计算优化前后电机的电磁性能，结果表明该方法能够有效降低电机的转矩脉动。最后，通过样机试验验证了理论分析以及仿真的有效性，为解决电机转矩脉动大、转子结构优化困难提供了一种有效的方法。

作者：丁伟；宋俊材；陆思良；王骁贤

摘要：该文提出一种基于多通道信号二维递归融合和高效通道注意力机制新一代卷积神经网络（ECA-ConvNeXt）相结合的方法，以解决永磁同步电机高阻接触故障精细定量化诊断识别的问题。首先，建立永磁同步电机仿真模型获取三相电流信号作为有效故障信号；其次，引入递归图，将三相电流信号分别映射为二维图像并进行多通道融合，以提高故障特征信息的丰富性并消除人工特征提取的影响，实现故障特征的增强显示；然后，通过在ConvNeXt中引入高效通道注意力模块，提升了网络在通道维度上的适应性，得到ECA-ConvNeXt以实现永磁同步电机故障位置类型和严重程度的精确诊断分类，分类精度达到99.18%，并通过带噪声数据验证了该方法的鲁棒性；最后，搭建了样机实验平台，验证所提方法识别精度高达97.35%，能够准确识别永磁同步电机高阻接触故障位置和严重程度。

作者：迟连强；张殿海；赵俊清；任自艳；陈德志

摘要：随着现代电力电子技术与驱动电机的深度融合，由变频驱动系统所导致的电机轴电压和轴电流及其负效应-轴承电蚀，已成为轴承失效的主要模式之一。目前，对于旋转电机轴承电蚀损伤失效的确切机理尚不清楚，难以对轴承电寿命进行有效预测。在国家提出高端装备轴承可靠性提升的背景下，轴承电蚀故障已成为限制电机系统可靠性的关键问题。该文首先介绍了电机系统轴电压和轴电流的来源及分类，然后分析了轴承电蚀损伤典型故障以及电蚀损伤影响因素，总结了轴承电气模型及轴承电容计算方法的研究现状，最后讨论轴承电蚀损伤缓解技术，并根据目前的研究现状和面临的挑战，展望未来可能的研究方向。

作者：齐鹏；李永刚；马明晗

摘要：定位筋作为抽水蓄能电机的固有部件，其感应电动势可有效反映转子绕组匝间绝缘健康水平。首先，通过引入衰减系数法推导了杂散磁通与气隙主磁通之间的关系，进而获取了定位筋感应电动势在匝间短路状态下的特征谐波，据此提出了谐波幅值比阈值检测法；其次，根据抽水蓄能电站服役机组运行参数搭建了二维电磁仿真模型，分析了匝间短路故障前后定位筋感应电动势时/频域特征的演变规律，并验证了谐波幅值比阈值检测法的有效性；最后，结合信号调理装置对动模实验机组不同匝间短路程度下的定位筋感应电动势信息进行采集。监测结果表明，故障磁极所对应的定位筋感应电动势时域特征幅值及基频幅值均呈衰减趋势，其频谱分数次谐波幅值呈递增趋势，进一步计算多个周期信号的谐波幅值比，据此构建统计箱线图并设定故障检测阈值，可有效为转子绕组匝间绝缘故障防御提供指导。

作者：宁继超；贲洪奇；王雪松；孟涛

摘要：针对二极管钳位型三电平逆变器存在的电容电压平衡问题和死区时间导致的输出波形失真问题，该文在分析死区时间对输出波形失真及电容电压平衡影响的基础上，提出一种可用于高频逆变器的数字调制方法及具体实现形式，分析量化与采样环节、数字隔离器件传输延时及采样时钟对所提方法的影响，并给出开关时钟分频倍数的设计准则。该方法独立于闭环控制系统其他环节，无需电流采样，实现容易且易于集成在数字控制器中；无需控制环路运算，可适用于更高开关频率和输出频率。仿真和实验表明，所提方法在不同开关频率、不同死区时间和不同负载类型下均能有效地降低死区时间导致的输出波形失真现象，且能够很好地解决电容电压平衡问题。此外，所提方法在开关频率高达400 kHz的情况下仍具有良好的效果。

作者：刘海春；过仕安；钱强；谢少军

摘要：360～800 Hz宽变频交流电源系统是多电飞机电力系统的主要发展方向之一。为实现宽变频中频逆变电源在包括带整流型非线性负载等工况下的宽范围谐波抑制，保证其任意基准频率下的输出电压质量，提出一种基于频率基准自适应谐波准谐振控制器的控制策略。基于滤波电感电流反馈，设计了包含数字控制延迟补偿的有源阻尼方案，以抑制输出滤波器的谐振尖峰，对电压控制器的被控对象进行校正使系统得到简化；设计并采用积分与准比例谐振相结合的基波追踪控制器以消除基波频段的稳态误差；提出基准频率自适应的补偿角度设计方法以实现谐波准谐振控制在电压环控制带宽之外的谐波抑制。在理论分析的基础上，搭建了一台300～800 Hz/600 W单相逆变器样机并进行实验测试，结果表明，采用该控制策略的逆变器能够实现宽基波频段内任意基准频率下的宽范围谐波抑制，且具有良好的稳态和动态输出特性。

作者：李志祥；裴云庆；王来利；刘家豪；高韫瑶

摘要：该文针对以输入串联-输出并联的双有源桥变换器为核心的直流固态变压器的控制策略展开研究。传统的由输出电压控制和输入均压控制构成的双环控制系统，各控制环的环路增益特性会随负载等工况发生显著变化，控制器参数的设计难以兼顾全工况下的动态性能。为此，该文利用双有源桥变换器的一阶模型特性，基于直流固态变压器的大信号模型，开发了一种新型的线性化控制策略，以实现输出电压控制和输入均压控制的环路模型的线性化，从而简化控制器参数的设计，并增强变换器对不同工况的适应能力。同时，该文所提出的控制策略保留了比例-积分控制的简洁性和鲁棒性，且实现了对负载的补偿作用。仿真和实验结果证实了所提的控制策略可以显著降低直流固态变压器的环路模型和动态特性对工况的敏感程度，有利于实现全工况范围内动态性能的综合优化。

作者：兰征；王雪丽；余雪萍；邹彬；刘贝

摘要：三有源桥DC-DC变换器（TAB）作为可再生能源、电动汽车和储能等灵活接入直流电网的有效解决方案，在直流电网中应用前景十分广阔。该文针对TAB在单移相控制（SPS）下电感电流有效值较大，而移相加脉宽控制（PS-PWM）下数学模型复杂难以求解的问题，提出一种基于电路分解模型的TAB电感电流有效值优化控制策略。首先分析TAB在PS-PWM下的工作原理，建立PS-PWM下的电路分解模型，得出不同工作模式下各端口功率和电感电流有效值的统一表达式，然后，构建TAB各端口的电感电流有效值二次方和的优化数学模型，并采用遗传算法求解最优移相角。仿真和实验结果表明，所提分析方法和控制策略能够降低模型的复杂度及计算难度，有效减小各端口的电感电流有效值二次方和，并提高系统效率。

作者：贺玮杰；冯忠楠；林湘宁；魏繁荣；顾本硕

摘要：针对含波浪能发电的新型海岛供电模式，存在最大功率控制策略下波浪能发电形态脉冲性强、且利用储能消纳全部功率冲击导致的过大电池寿命损耗问题，因此，提出一种考虑源网储协同配合的移动式波浪能发电平台并网策略。首先，该文构建波浪能发电的数学模型，基于物理机理分析各变量的耦合关系，提出功率灵活控制方法。其次，考虑到波浪能发电冲击与一般阶跃冲击的差异，对微电网频率响应过程进行数学分析，量化评估微电网的极限承受能力。在此基础上，以经济成本最小为目标，考虑微电网系统运行的各类约束条件，建立一种根据微电网需求灵活调制波浪能发电装置功率曲线，利用微电网和储能系统协同消纳功率冲击的海岛微电网日前优化调度模型。最后，通过Gurobi求解器求解模型，并对各类优化调度方案进行对比。结果表明，该文所提模型能有效提升海岛微电网运行的经济性，同时为波浪能的并网提供了一个可行思路。

作者：孟维奇；何晋伟；韩俊飞；蒋玮；王成山

摘要：非隔离型单相三桥臂统一电能质量控制器（UPQC）可以实现交流电压调节和并网点无功治理等功能，但传统控制方法直流侧母线电压高、二倍频波动大，既给设备带来巨大的电容成本，又影响设备的安全可靠运行。为了解决这些问题，该文详细分析了不同工况下直流侧电压的约束范围，推导了直流电压波动随并网点和负载功率因数、串联电压补偿相位、参考直流电压等复杂因素的关联性，并提出一种直流电压灵活降低与主动波动抑制控制方法。相比于传统控制，应用所提方法母线电压可降低至相电压峰值附近，二倍频电压波动可降低约80%。最后，实验验证了所提三桥臂UPQC直流电压控制技术的正确性。

作者：王小宇；刘波；孙凯；赵健；陈雷

摘要：首先，该文梳理光伏阵列中不同类型的故障，将其分为组件故障和组件间故障两类，并阐述这些故障类型的特点和成因。其次，基于光伏组件内的单二极管等效电路模型，分析光伏组件在不同辐照度和温度条件下的电压-电流特性变化，并根据故障下电压-电流特性变化情况，将光伏组件故障分为非失配型故障和失配型故障。然后，着重论述现有的光伏阵列故障诊断领域重要技术和前沿研究，按照故障类型特点和检测手段的差异，将诊断技术方法归纳为视觉与成像诊断方法和电气特征参数诊断方法两大类。最后，指出光伏故障诊断技术的不足与发展趋势，为光伏系统智能化运维提供了参考。

作者：彭文成；唐潇；刘红梅；董守龙；姚陈果

摘要：为深入研究高压纳秒脉冲电场诱导同源细胞的生物电学效应的差异性，该文以人永生化角质形成细胞（HaCaT）、人黑色素瘤细胞（A375）和人黑色素瘤耐药细胞（A375/R）为研究对象，开展细胞悬液杀伤实验，并搭建肿瘤三维水凝胶模拟组织消融实验平台，分析高压纳秒脉冲电场对悬浮细胞的杀伤效应以及对模拟组织的消融效果。同时，结合单细胞真实几何尺寸建立有限元仿真模型，分析高压纳秒脉冲电场作用下几何尺寸对细胞核膜上穿孔面积以及穿孔数量的影响。实验结果显示，在高压纳秒脉冲作用下，正常细胞的存活率最高且消融面积最小，肿瘤耐药细胞的存活率最低且消融面积最大。实验与仿真结果表明，正常细胞、肿瘤细胞及肿瘤耐药细胞对高压纳秒脉冲电场的敏感性存在显著差异，高压纳秒脉冲电场对正常细胞的效果最弱，对肿瘤耐药细胞的效果最强。研究表明，高压纳秒脉冲电场在肿瘤消融领域具有不影响周边正常组织的潜在的临床应用价值。

作者：生鑫；李争博；付思；曹云东

摘要：控弧的目的是使电弧平稳、快速地离开触头表面，从而有利于提高真空开关的开断能力。不同控弧措施对真空电弧燃弧过程有不同的影响。触头旋转影响真空电弧燃弧期间的弧根状态，进而改变真空电弧在触头表面及触头间的运动特性。该文基于可拆卸式真空灭弧室和非对称平板触头进行了直拉、旋转分离方式下的电弧拉弧实验。使用高速摄相机采集燃弧过程中不同分离方式的真空电弧图像。利用Lucas-Kanade光流法目标追踪技术对真空电弧标定，追踪到真空电弧运动轨迹。通过图像处理技术，得到触头不同分离方式下真空电弧运动轨迹和触头之间的电弧面积，进而得到电弧特性的演变过程。分析结果表明，在相同实验条件下，触头旋转分离加速真空电弧由限制型电弧向扩散型电弧转变，导致扩散型电弧沿径向运动范围增大，使电弧能量尽快消散。

作者：张子康；耿江海；汪鑫宇；吕安强；高树国

摘要：为研究变压器短路冲击信号包含的物理特征与绕组形变之间的关系，提出一种基于绕组冲击响应时频特性的特征提取及形变判定方法。基于单自由度系统的相对位移模型构建绕组的短路冲击响应谱，得到其响应点频率偏移特征。对Hilbert能量谱进行非均匀频率带宽划分，修正累积效应的影响，提取不同频带范围内的能量带熵并计算加权能量带熵，表征特定频带内的能量混乱度；构建时频矩阵，量化能量密度分布、短时能量衰减变化等细节特征，对该矩阵进行奇异值分解，根据奇异值分布特性计算每个元素的权重值。据此提出基于加权能量带熵及基频奇异值畸变率的联合绕组状态判定方法，经三组共17次短路冲击试验数据验证，冲击信号的相对能量带熵增量变化与绕组产生的累积微应变呈高度正相关，基频奇异值畸变率与绕组发生形变的规律一致，发生形变时，该畸变率的值会大于2.0，证明了该判定方法的有效性。该方法可在变压器发生短路后对绕组的状态进行预判，进而考虑是否需要进一步处理，对变压器绕组状态的在线监测具有一定的指导意义。

作者：雷蕾潇；何怡刚；姚其新；邢致恺

摘要：针对变压器故障数据的稀缺性及数据分布中存在的长尾现象，导致故障诊断准确率低的问题，该文提出一种基于变权属性矩阵的变压器零样本故障诊断技术。首先，采用改进的高效通道注意力网络-堆栈式自编码器（IECANet-SAE）网络构建特征提取模块，自适应地提取油中气体数据的关键特征信息；其次，利用基于潜在狄利克雷分布的主题建模方法构建变权属性矩阵；最后，提出基于神经网络的朴素贝叶斯（NNB）方法学习已知故障特征信息与属性矩阵的空间映射关系，建立零样本故障诊断模型并依靠模型实现未知故障类型诊断。应用IEC TC 10故障数据库及典型故障数据对所提方法加以验证。试验结果表明，所提出的方法具有更好的诊断效果，且在零样本条件下故障诊断平均准确率高达83%，平均诊断时间达0.18 s。