抢鲜看｜《电工技术学报》2020年第23期目次及摘要
《电工技术学报》
《电工技术学报》是中国电工技术学会主办的电气工程领域综合性学术期刊，报道基础理论研究、工程应用等方面具有国际和国内领先水平的学术及科研成果。中国工程院院士马伟明任《学报》编委会主任，兼《学报》主编。
电工理论与新技术
电动汽车无线充电自整定控制
作者：张献；任年振；杨庆新；王杰
摘要：针对电动汽车需要分段式恒流充电以及无线充电的输出电流易受自身参数和环境变化影响的问题，应用电路理论分析了双LCC拓扑无线充电系统的动态特性，并通过扩展函数描述法（EDF）建立了描述该系统受扰动时的小信号模型，进而提出了一种基于双LCC补偿拓扑结构下电流-电流环的双闭环控制策略，实现了电动汽车无线充电的自整定控制。最后通过仿真验证了该系统能够有效减小动态响应时间和输出电流纹波系数，并且搭建谐振频率为85kHz电动汽车无线充电实验平台，验证了理论与仿真的正确性。
电磁发射装置弹丸弹道姿态测量
作者：李松乘；鲁军勇；程龙；李湘平
摘要：电磁发射装置是一种依靠电磁能将弹丸以极快的速度推射出膛的电气设备。该文针对弹丸弹道姿态测量问题，提出一种基于高速摄像技术以及图像增强与边缘提取后处理技术的弹丸姿态测量方法。由于弹丸运动速度极快，采用高速摄像技术对飞行中的弹丸进行拍摄，同时鉴于摄像设备硬件以及拍摄条件限制，提出一种基于伽马变换以及二型模糊集的图像增强算法以改善图像对比度及清晰度。进一步基于SUSAN算法与形态学操作对图像边缘进行提取并利用基于最小二乘原理的多项式拟合迭代方法实现了对弹丸边缘的拟合和姿态的提取，最后通过实验验证该文方法的有效性。
电磁轨道发射装置时变电感梯度建模与分析
作者：彭之然；汪光森；翟小飞；张晓
摘要：电感梯度是电磁轨道发射装置的重要参数，对于推力及发射效率有着重要影响。现有文献对电感梯度的研究主要存在两点不足：一是常规的解析计算方法在考虑导轨尺寸对电感梯度的影响时，未考虑电流扩散的影响，因而无法描述其动态特性；二是有限元方法能够对电流扩散的影响加以分析，但计算效率较低。为此，该文基于趋肤深度和磁能等效原则提出一种综合考虑导轨尺寸和电流扩散影响的电感梯度解析计算方法，采用所提方法与参考文献的计算结果进行了对比，呈现出较好的一致性。该方法能够为电磁轨道发射装置的优化设计和性能分析提供行之有效的理论指导。
电力电子与电力传动
具备电压质量调节能力的串并联一体化多功能变流器
作者：涂春鸣；李庆；郭祺；高家元；姜飞
摘要：针对微电网中突出的电压质量问题和新能源的消纳需求，提出一种可同时实现电压质量调节和并网功率调控的串并联一体化变流器，简称多功能变流器（MFC）。在单相全桥逆变器的基础上，通过构造和复用直流侧电容支路，所提拓扑便可解耦和独立控制逆变器两桥臂，从而实现对其输出电压和输出电流的独立控制，同时实现多种功能。根据电网状况将其分为两种工作模式：电网电压正常时，工作于并网功率调控模式，实现对新能源发电的充分利用；电网电压波动时，工作于功率调控兼电压调节模式，可同时实现对功率的调控和对电压波动的补偿。该文首先详细分析了不同模式下电路的导通状态,建立电路模型说明原理；然后设计了控制策略并分析稳态误差；最后利用Simulink仿真及RT-LAB硬件在环实验，验证了所提拓扑与控制方法的正确性和有效性。
适用于大功率三电平中点钳位整流器的SVPWM和DPWM策略研究
作者：高瞻；李耀华；葛琼璇；赵鲁；张波
摘要：大功率三电平中点钳位（NPC）整流器在满足网侧谐波电流限值、直流侧中点电压平衡和避免相电压两电平跳变（TLJ）的前提下，要尽可能降低开关频率。基于以上功能需求，首先分析了空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）和不连续脉冲宽度调制（DPWM）的基本原理，介绍了传统的四种SVPWM开关序列和八种DPWM开关序列并对比了各自作用下的相电压波形。针对传统SVPWM相电压存在的TLJ和开关频率较高缺陷，提出两种改进型SVPWM开关序列；针对传统DPWM相电压存在的TLJ，提出两种改进型DPWM开关序列。在此基础上，该文从TLJ、开关频率、中点电压自平衡能力、谐波总畸变率（THD）和各次谐波电流含量等方面对SVPWM和DPWM的性能进行了详细分析，总结了适用于大功率三电平NPC整流器的三种SVPWM开关序列。最后搭建三电平NPC变流器样机，通过实验验证了所提出改进型开关序列的有效性。
基于脉冲跳变SVPWM的单相中点钳位型H桥级联逆变器开关损耗解析计算
作者：原景鑫；朱俊杰；聂子玲；叶伟伟；贾英杰；董蕾
摘要：为实现单相中点钳位（NPC）型H桥级联逆变器性能优化设计，分析基于脉冲跳变空间矢量脉宽调制（SVPWM）均压调制的开关损耗计算方法。针对开关管有效动作频率与控制频率不同、开关动作分散且无规律的问题，提出基于整体的开关损耗计算方法，直接计算得到所有开关的暂态损耗之和；针对均压冗余矢量动作不确定的问题，提出最值估算法对开关暂态损耗进行理论估算。仿真结果表明，推导的开关损耗解析式计算值与实际值的单个周期最大误差为9.55 %，最小误差为1.29 %，实验得到的损耗结果与理论值最大误差均在10%以内，表明该损耗解析式较为准确。
基于反电势电流的电励磁双凸极电机驱动电路单管开路故障诊断研究
作者：夏一文；张卓然；张健；陈旭
摘要：故障诊断是高可靠性电励磁双凸极电机驱动控制系统的关键技术。该文对双凸极电机驱动控制系统功率变换器单管开路故障诊断技术进行研究。功率管开路故障按形成原因可分为驱动信号丢失引起的开路故障与功率管损坏引起的开路故障。文中对两种故障类型的特点与危害进行了阐述，并分析其对不同控制方式下反电势电流的影响。提出基于反电势电流的功率变换器单管开路故障诊断方法，实现对两种故障类型的诊断，并及时对控制策略进行调整：在功率管损坏引起的开路故障发生时，不能对故障管同桥臂的功率管进行斩波以避免故障升级。最后通过实验验证了所提方法的有效性。
电力系统
面向工业互联网的智慧电厂仿生体系架构及信息物理系统
作者：肖祥武；王丰；王晓辉；周宏贵；张辽
摘要：火力发电厂的传统体系架构难以满足智能生产和智慧管理需求，智慧电厂已成为其新的发展方向。该文基于工业互联网理念，利用仿生学原理和方法提出了智慧电厂仿生体系和DNA概念模型，对其迭代发展、系统交互的演进过程进行了分析，充分考虑人行为和社会因素对信息物理系统的影响，进一步分析了智慧电厂仿生人/社会-信息-物理系统的框架和构成，在此基础上利用仿细胞分层结构方法重点构建了智慧电厂工业互联网平台层级架构。该文提出的体系架构和信息物理系统能较好地解决现有火力发电厂信息孤岛问题，促进人/社会-信息-物理三元的深度融合，为智慧电厂的智慧管理、智能发电、多市场决策等多智能体建设提供方法论和实施参考。
物联网环境下变电站信号可并行识别的改进帧时隙ALOHA算法
作者：王洪亮；束洪春；周洁
摘要：为了解决山地变电站监测信号的碰撞问题，该文首先构建山地变电站物联网监测系统，研究传统帧时隙ALOHA算法并进行仿真和识别效率分析，鉴于该算法吞吐率较低、局限性的弊端，提出改进帧时隙ALOHA算法。然而当监测信号量持续增大时，会导致信号识别成功率急剧降低产生安全运行问题。因此，该文对该算法进行了二次改进，研究了可并行识别的改进帧时隙ALOHA算法，搭建了变电站物联网测试平台，最后经过仿真验证，该改进算法保证了吞吐率随着信号量增大时保持相对稳定，提高了山地变电站监测信号被成功识别的概率，保障了变电站的安全。
基于同步相量的有源配电网自适应故障区段定位方法
作者：邢晓东；石访；张恒旭；孙百聪；时志雄
摘要：分布式电源大量接入、网络拓扑结构和运行方式复杂多变，使得有源配电网故障诊断与定位面临新的挑战。同步相量测量单元（PMU）在配电网中的应用为故障处理提供了新的信息支撑。该文首先利用开关变位和PMU实时通信状态等信息，提出一种基于邻接子阵法的同步测量区段实时更新方案，可考虑配电网拓扑结构变化和PMU通信中断等场景；进而利用三相电压/电流同步相量数据，提出基于时空特征矩阵Frobenius范数的自适应短路故障区段定位算法；最后利用PSCAD软件搭建含分布式电源的IEEE 34节点系统，仿真验证所提出算法有效性。
基于apFFT频谱校正和XGBoost的风电场集电线路单相接地故障测距
作者：彭华；朱永利
摘要：针对风电场集电线路因短路故障造成的弃风窝电问题，提出采用全相位快速傅里叶变换（apFFT）频谱校正和极限梯度提升（XGBoost）的风电场集电线路单相接地故障测距方法。首先，搭建双馈风电场多分支混合线路的仿真模型，并通过apFFT频谱校正法获取故障电压和电流的基波相量，以构建原始特征集；然后，采用XGBoost算法建立单端故障测距的回归模型，并计算获取故障特征的重要度及排序，直观地挖掘特征量与故障距离之间的关系；最后，应用XGBoost故障定位器根据现存模态完成对新输入模态的定位，获得故障点精确位置。PSCAD/EMTDC实验证明，该方法对风电场多分支、混合短线路测距具有明显优势，定位性能优于随机森林（RF）方法，且不受故障位置、过渡电阻的影响，可满足风电场对测距精度的需求。
基于聚类抽样的随机潮流计算
作者：谢桦；任超宇；郭志星；张沛；郭宝甫
摘要：随机潮流针对电网不确定因素建模，快速准确的计算结果对于系统运行控制非常重要。该文提出了基于聚类抽样的随机潮流计算方法。首先，基于历史数据，采用蒙特卡洛算法产生大量随机变量样本；其次，采用误差二次方和与平均轮廓系数确定样本聚类簇数，并采用K-means算法进行样本聚类；然后，依据聚类中心和簇内样本的平均概率密度，将簇内样本均值带入潮流方程中进行确定性潮流计算；最后，对潮流计算结果和对应的平均概率密度信息进行数据统计，得到状态变量的概率密度函数。以修改后IEEE 39系统和某实际区域电网为算例，进行计算精度和计算效率分析。结果表明，所提方法兼顾了计算速度和计算精度，在大系统中更具优势，可为电网调度计划的制定和运行分析提供决策依据。
考虑非高斯耦合不确定性的交直流配电网两阶段概率状态估计
作者：李幸芝；韩蓓；李国杰；汪可友；江秀臣
摘要：目前配电网中配置的量测装置种类简单且数量有限，分布式电源（DG）出力和用户负荷通常具有非高斯分布的不确定性，加剧了交直流配电网状态估计的不确定性和误差。针对这些问题的研究严重滞后于对交直流系统进行灵活调度的发展目标，因此需要研究更有效的交直流配电网状态估计方法来支撑调度系统。该文采用计及电压源换流器（VSC）损耗的模型，基于高斯混合模型（GMM）对非高斯不确定性进行伪量测建模，充分考虑交流和直流配电网间不确定性的耦合计算，提出一种交直流配电网两阶段概率状态估计算法。采用IEEE 33节点修改算例进行交直流配电网仿真，结果表明，所提两阶段算法适用于实时量测少、数据冗余度低的情况；对已有交流状态估计算法继承性好，具有实用性，未来可扩展到三相不平衡交直流配电网状态估计中。
基于电器状态关联分析的民可平移负荷辨识
作者：王孝慈；董树锋；王莉；余志文；朱嘉麒
摘要：为了提升居民用户参与需求响应的积极性，考虑居民用户的舒适度和使用习惯是非常重要的。该文提出一种基于负荷状态集关联分析的居民用户可平移负荷辨识。首先提出了滑动均值负荷状态提取法，通过负荷的电流值提取负荷的工作状态,形成负荷状态集。然后建立负荷状态集关联分析模型，并利用FP-Growth算法求解，得到负荷的强关联性和时间关联性。最后对于需要进行可平移负荷辨识的日用电负荷状态集进行强关联状态集合划分，并根据负荷状态集的时间关联性确定其是否可平移以及平移可接受时段，从而完成可平移负荷辨识，为居民需求响应的分布式控制、家庭用能管理优化提供数据基础。
计及温度-电场强度非线性的换流变压器瞬态电场影响分析
作者：杨帆；池骋；刘刚；成立；欧书成
摘要：换流变压器在运行过程中承受高电压，内部绝缘系统的温度高、电场强度大，耦合现象明显，而传统绝缘设计手段并未考虑非线性绝缘特性。首先该文搭建三电极实验平台，分析绝缘油及油浸纸板在不同温度、电场强度下的耦合现象。实验结果表明绝缘材料的导电性能受温度、电场强度的影响较大，其中绝缘油以2kV/mm为拐点，电导率呈先下降再上升的U型非线性曲线。其次，该文建立了含绝缘层、角环、垫块等完整的换流变压器耦合计算模型，分析了绝缘系统受温度-电场强度影响下的瞬态电场。结果表明：换流变压器内部温度变化较大，最大温升达68.7K，并且温度集中的区域紧邻电场强度较大的端部，因此耦合现象不容忽视。最后，对比极性反转过程中的瞬态电场，相比传统认为的指数型变化，考虑U型电场强度非线性下的油浸纸板最大电场强度增加1.7kV/mm；考虑温度-电场强度非线性时，不仅绝缘状态发生改变且油浸纸板弛豫时间降低。
温度和老化意识融合驱动的电动车辆锂离子动力电池电量和容量协同估计
作者：王榘；熊瑞；穆浩
摘要：作为电动车辆的技术瓶颈，动力电池具有强时变非线性特性且可测量有限，使用时易受温度和老化的影响，全寿命周期和宽温度下精确状态估计一直是行业的技术难题。为此，该文首先使用不同温度和不同老化阶段的数据，建立了具有温度和老化意识的多阶段模型；然后利用概率密度函数计算单一模型的权值，提出了多阶段模型融合驱动的动力电池荷电状态（SOC）和容量协同估计方法；最后考虑不确定老化和温度因素的验证结果表明，提出的方法具有较高的SOC和容量估计精度，且对初值误差不敏感，-10%~50%初始误差时SOC估计误差小于2%，收敛速度快。
城轨交通制动能量回收超级电容储能阵列配置方法对比分析
作者：沈小军；曹戈
摘要：地面储能技术已成为提升城轨交通节能和供电质量的有效措施，技术经济性评价是储能技术工程应用须解决的重要问题。该文在回顾城轨交通制动能量回收超级电容阵列功率-容量约束配置法与容量约束配置法的基础上，提出地面超级电容储能系统的综合技术经济性评价指标并建立净收益数学模型，案例对比分析了上述两种典型配置方法的技术经济性。案例研究表明：功率-容量约束配置法投资成本虽高于容量约束配置法投资，但两种配置方法成本回收年限相近；功率-容量约束配置法节能性能优于容量约束配置法，全寿命周期内功率-容量约束配置法综合技术经济性更好，可获得更大的经济收益，实际工程中值得优先采用。
高电压与绝缘
SF6替代气体分解特性的研究综述
作者：周朕蕊；韩冬；赵明月；张国强
摘要：SF6是一种广泛应用于气体绝缘电气设备中的优良绝缘气体，但它的全球变暖潜能值高，环保性能指标较低。为从根本上杜绝SF6的使用，需要发展SF6替代技术。潜在SF6替代气体多为含碳类化合物，由于气体混合方案、缺陷或故障条件等不同，气体或固体分解物的种类及其变化规律差异较大，直接影响着缓冲气体、吸附剂和固体材料等的选择，同时也是基于气体分解法诊断气体绝缘电气设备故障的重要依据。为此，该文从分解特性的角度，介绍几种备受关注的潜在SF6替代气体分解特性的国内外研究进展，比较各文献中不同实验条件下的分解特性，并归纳可能的分解路径。在此基础上，从环保、毒性、缓冲气体、化学沉积物、吸附剂、故障诊断等方面对SF6替代技术做了全景展望。
基于改进K-近邻算法的XLPE电缆气隙放电发展阶段识别
作者：陈曦；骆高超；曹杰；毕茂强；江天炎
摘要：对运行工况下的XLPE电缆气隙放电发展阶段进行准确识别，有利于将电缆故障扼杀在萌芽状态，保障电力系统正常运行。该文首先介绍了模拟XLPE电缆气隙放电的试验平台搭建、缺陷模型制作和特征量提取及降维的方法及步骤，基于试验观察和对大量数据样本进行聚类分析，将XLPE电缆气隙放电发展过程分为四个阶段，针对以往XLPE电缆气隙放电阶段识别模型的训练周期长、计算复杂度高和收敛速度慢等问题，该文提出一种经高斯函数加权的改进K-近邻（KNN）分类算法应用于XLPE电缆气隙放电阶段识别。对气隙放电的随机测试样本采用基于二叉树的核函数支持向量机、未改进的K-近邻算法和改进后的K-近邻算法三种算法分别进行了阶段识别。试验结果表明，改进后的K-近邻算法识别正确率高、速度快，处理含噪信号鲁棒性好，相比另两种算法更优。
电感储能型大电流毫秒级脉冲源研制
作者：王延；张东东；付荣耀；刘坤；袁伟群
摘要：减小关断开关耐受电压和提高负载电流峰值是电感储能型脉冲功率电源研究的难点。基于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结构特点，提出一种改进的meat grinder电路，采用大匝比的耦合电感线圈，并利用IGBT自身反并联二极管使电路自恢复过程自发进行，最终电路主体只用了两个IGBT构成电感储能型脉冲电源的拓扑。该拓扑降低了对开关管的控制要求，同时可以产生几十千安大电流，具有重频运行的潜力。该文对电路动态过程分阶段进行了详细的理论分析和电路仿真。仿真结果显示该电路可产生波形平滑、峰值较高的电流输出。基于仿真分析的拓扑，该文研制了4.61kJ的电感储能型脉冲功率电源，采用20:1的大匝比耦合电感线圈，并进行试验测试，负载电流峰值达到30.40kA，脉宽1.7ms，测试结果与预期结果吻合较好。