抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第2期目次及摘要 / 四六文摘

第34届世界电动车大会征文专区

《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。

学科动态

2020年电气学科国家自然科学基金项目申请资助情况与学科动态

作者：关永刚、李虹、邹亮、丁晓峰

摘要：基于对2020年国家自然科学基金项目数据的统计和分析,给出了电气领域国家自然科学基金项目申请和资助情况。介绍了2020年电气学科在重大研究计划、双清论坛和“十四五”规划等几项重要工作的开展情况。给出了电气学科资助研究方向的具体调整情况。对电气领域专家学者在国家自然科学基金项目方面给出了建议。

电工理论

基于容性参数等效的功率变换器系统电磁辐射预估方法及抑制措施

作者：张开颜、王世山、李孟子、郭静、颜伟

摘要：电磁辐射在空间通过电磁波的形式干扰其他电气电子设备,是电磁兼容研究领域中的热点问题之一。鉴于功率变换器系统（PCS）远场辐射机理的复杂性,该文以Boost变换器为研究对象,探索得到功率变换器中的共模（CM）电流是PCS的主要辐射噪声源,并通过输入线缆与地平面之间的寄生电容传递,由此建立功率变换器的共模电流通路（CCP）模型。通过适当的简化,CCP进一步等效为等效辐射预测模型（EMR）;采用有限元法（FEM）提取变换器系统的寄生电容,进而迭代设计确定EMR结构,利用信号发生器给EMR馈电模拟变换器的电磁辐射。在电波暗室中分别对PCS和EMR测试比较,两种模型的辐射场强很好地吻合,从而验证了该方法的可行性。最后,该文提出基于散射参数的方法对电磁噪声抑制效果进行评估;在此基础上,选择铁氧体磁环改变线缆系统的散射参数矩阵,从而可对电磁辐射进行抑制;给出了磁环的推荐安装方式,使得PCS通过GB 9254 ClassB测试标准。

基于发射侧T/F变结构补偿网络的恒压/恒流无线充电系统

作者：谭平安、廖佳威、谭廷玉、宋彬、邓怡萌

摘要：随着新能源产业的迅速发展,锂电池以其优越的性能得到市场的青睐。为满足锂电池充电过程中对恒流和恒压的实际需求,提升充电的灵活性与安全性,该文提出一种基于发射侧T/F变结构补偿网络的恒压/恒流无线充电系统。首先剖析在不同电源输入工况下串联-串联（S-S）型补偿网络的基本输出特性,同时结合高阶补偿网络的构造机理,借此衍生出适用于锂电池无线充电的变结构补偿网络的设计思想。在此基础上,利用等效电路分别建立恒压和恒流充电模式的分析模型,推导实现系统恒定输出和维持零相角状态的基本条件,揭示系统增益与变结构补偿网络参数之间的内在联系,阐明基于发射侧电流大小的充电模式切换方法。最后通过仿真与实验验证变结构补偿网络的恒压/恒流无线充电系统及其参数设计方法的正确性和有效性。

电机及其系统

双三相非周期瞬态直线感应电机能量链切换控制策略

作者：韩一、聂子玲、许金、朱俊杰、芮万智

摘要：采用两条独立能量链供电,工作于非周期瞬态工况的双三相直线感应电机系统,在功率等级、功率密度、控制自由度、系统冗余度等方面具有诸多优势。该文基于考虑动态边端效应的双三相直线感应电机模型,给出了矢量控制策略。结合非周期瞬态系统的运行特性,提出一种故障模式下通过开环计算给定推力作为矢量控制输入的能量链切换控制策略。该控制策略避免了故障暂态过程中给定电流变化与输出电流尖峰的耦合,通过在考虑动态边端效应时电机在最大推力的约束下根据控制目标调整给定推力,实现了系统故障后单能量链的安全运行。仿真和实验验证了所提控制策略的正确性与可行性。

主动电磁轴承-刚性转子系统加速响应的鲁棒性

作者：巩磊、杨智、祝长生

摘要：加速响应是主动电磁轴承-刚性转子系统中一个重要的动力学特性,目前对支承在主动电磁轴承上的转子系统动力特性的研究主要以稳态特性为主,而对加速特性的研究较少。该文以主动电磁轴承-刚性转子系统为对象,分别研究PID控制和H∞鲁棒控制时转子系统的加速特性。首先,建立主动电磁轴承-刚性转子系统在加速运动过程中的动力学方程。然后,分析加速运行过程中PID控制器和H∞鲁棒控制器的设计原则及闭环系统的稳定性,研究PID控制参数对主动电磁轴承-刚性转子系统加速特性的影响以及H∞鲁棒控制器下转子系统加速特性对系统参数的不敏感性。最后,进行PID控制和H∞鲁棒控制条件下主动电磁轴承-刚性转子系统加速特性的仿真分析及实验。结果说明,PID控制参数变化对转子系统加速特性的影响,而H∞鲁棒控制下主动电磁轴承-刚性转子系统过临界的加速特性几乎不受加速度的影响,这与PID控制下传统转子系统的加速特性存在明显差异。

电力电子学

交错并联双向CLLC型谐振变换器中U+U型磁集成变压器的设计

作者：杨玉岗、武艳秋、孙晓钰、郭词、田华松

摘要：交错并联技术提高了变换器的传输容量,但增加了系统的元器件数量,特别是变压器、电感等磁性元件,通过磁集成技术可减少磁件的数量和损耗。传统的磁集成变压器结构多采用EE型结构,绕组和气隙分布在边柱上,因而造成磁压、磁通分布不均等问题,且绕组完全包围气隙,使得扩散磁通和绕组交链产生涡流损耗。因此该文提出一种U+U型磁集成变压器结构,给出集成变压器的设计方法及参数,为与传统EE型磁集成变压器对比,利用ANSYS软件进行仿真,并通过一台400~48V/1kW的实验样机,对两种集成变压器结构进行对比实验,验证了所提U+U型磁集成变压器的优越性。

直流微电网中多端口隔离型DC-DC变换器的改进虚拟电容控制策略

作者：张辉、梁誉馨、孙凯、陈欢、杜明桥

摘要：针对直流微电网惯性低、母线电压质量较差的问题,考虑当前分布式微源对高升/降压比、电气隔离以及高效率变换器的急切需求,提出一种多端口隔离型DC-DC变换器（MPIC）的改进虚拟电容（IVC）控制策略。首先,采用MPIC取代传统的Buck-Boost电路,实现储能系统内部微源相互电气隔离;其次,通过类比交流微电网中虚拟同步电机的调频控制,得到适用于MPIC的IVC控制;然后,建立其IVC控制下储能接口变换器（ESC）的小信号模型,深入分析负载扰动下直流母线电压的动态特性,针对扰动过程中产生的电压过冲现象,采用前馈补偿予以消除,并给出电压跟踪系数、虚拟电容和阻尼系数等参量的整定方法;最后,仿真和实验结果验证了所提控制策略的有效性和正确性。

功率变化环境下的四线制Vienna整流器优化联合控制方法

作者：杨頔、姚钢、周荔丹

摘要：在传统双闭环比例积分（PI）控制器调节下,功率的变化会造成三相四线制Vienna整流器中交流电流的过零点畸变问题。为克服这一现象,该文首先从电流工作模式,即连续与断续模式角度讨论功率变化对电流波形的影响,基于此提出PI-前馈干预-重复控制的联合控制策略,该联合控制策略中,一方面可通过占空比前馈干预使电流在过零点处不存在畸变问题;另一方面利用重复控制,进一步抑制电流谐波,提高电流跟踪精度。然后对该四线制Vienna整流控制系统进行控制器参数设计和稳定性验证。最后通过仿真和实验结果表明,上述功率变化以及占空比前馈干预对电流波形的影响,并验证了该联合控制方法在功率变化环境下工作的可行性。

基于自抗扰和负载功率前馈的高速磁悬浮系统PWM整流器控制策略

作者：朱进权、葛琼璇、王晓新、孙鹏琨、张波

摘要：高速磁悬浮列车采用长定子直线同步电机驱动,在运行过程中采用分段供电的方式,当磁悬浮列车从一个定子段过渡到另一个定子段时,列车一侧的定子会经历电流降为零再增大的换步过程。对于高速磁悬浮系统中三相PWM整流器而言,负载在换步过程中变化剧烈,对直流侧输出电压产生了严重的影响。为了抑制负载扰动对直流侧电压的影响,提出一种结合自抗扰和负载功率前馈的电压、电流双闭环控制策略。通过硬件在环实验验证了该策略对负载变化具有较强的鲁棒性,降低了定子段换步过程中的直流母线电压波动,提高了PWM整流器的抗负载扰动能力和系统动态性能。

双有源全桥变换器全状态离散迭代建模与输出电压纹波分析

作者：高国庆、雷万钧、袁晓杰、卫才猛、崔耀

摘要：针对双有源全桥（DAB）DC-DC变换器传统离散迭代模型的缺陷和不足,该文提出DAB变换器的全状态离散迭代模型,并基于此对不同参数和工况条件下的输出电压纹波进行分析。目前,国际上广泛采用的DAB变换器离散迭代模型是基于一个开关周期内不同子区间逐个迭代的,经过分析可以发现,传统离散迭代模型会遗漏状态变量的许多关键信息,并不能反映出变量的真实状态。通过深入分析DAB变换器的工作原理,提出的全状态离散迭代模型则包含了变换器在一个开关周期内所有关键时刻的状态变量信息。以输出电压为例,全状态离散迭代模型可以反映出工作子区间切换时刻的输出电压信息,因而其输出电压纹波分析结果更加真实,在此基础上的参数优化设计更有利于抑制输出电压纹波和提高系统可靠性。最后,通过仿真和搭建的实验平台验证了模型和理论分析结果的正确性。

带飞跨电容的三电平拓扑中SiC MOSFET过电压与过电流保护

作者：庄桂元、张兴、刘威, 庄加才

摘要：为保证SiC MOSFET在三电平拓扑中应用的可靠性,需对其进行过电压与过电流保护。该文针对短路导致的过电压情况,提出在中点钳位（NPC）拓扑中加入大电容值飞跨电容的方法,并结合短路保护,保证发生短路故障时SiC MOSFET不过电压损坏,且能快速保护关断,以减小过电流风险。通过搭建短路测试平台,验证了三电平电路发生短路故障时,大电容值飞跨电容对SiC MOSFET起到过电压保护作用,且SiC MOSFET的短路保护时间在2μs以内。

高压大功率IGBT器件封装用有机硅凝胶的制备工艺及耐电性

作者：顼佳宇、李学宝、崔翔、毛塬、赵志斌

摘要：有机硅凝胶凭借其优异的电绝缘和机械性能,广泛应用于IGBT器件的封装绝缘。该文详细介绍有机硅凝胶的制备工艺,改进了脱气曲线,解决传统工艺制备的样品在高温下出现气泡的问题。此外,考虑到IGBT器件在运行过程中产生大量的热量,热量作为副产物影响绝缘材料的性能,该文使用改进的脱气曲线制备了有机硅凝胶样品,通过实验得出不同温度下样品击穿电压的韦伯分布,获得温度对有机硅凝胶工频电击穿的影响规律并分析影响机制。该研究将为硅凝胶在高压IGBT功率器件的封装设计中提供重要的实用信息。

电压探头对宽禁带器件高频暂态电压精确测量的影响

作者：何杰、刘钰山、毕大强、李晓

摘要：随着宽禁带半导体器件的发展,电力电子器件的开关速度越来越快,工作电压逐渐升高,致使电压探头的性能对电力电子器件暂态电压测量结果的影响程度增大。该文分析几种实验室常用的示波器电压探头的测量原理,根据电压探头的电路分析模型,研究探头的带宽/上升时间、寄生电感和共模抑制比等几个关键因素对高频暂态电压测量结果的影响。最后搭建实验平台,实验结果验证了理论分析的有效性。

高电压与放电

雷暴活动全闪电定位及空间演变过程分析

作者：王红斌、程思、范伟男、蔡力、王建国

摘要：该文基于全闪电定位系统,采用网格空间时间密度法对广州地区夏季一次雷暴活动的空间演变过程进行全闪电定位和空间演变过程分析,得到雷暴在不同时刻的扩散面积、主放电中心的坐标、移动速度、移动方向,并画出了地域演变图像。该雷暴为一次过境雷暴,雷暴起始时沿东北方向以平均67km/h的速度移动,移动过程中全闪电平均影响范围达258.5km²,雷暴活动一段时间后,在广州南部发现另一处雷暴向北方移动,两处雷暴汇合后又分开向东边移动,后一处雷暴平均速度为14.72km/h,行进中全闪电平均影响范围达221.2km²。

长空气间隙放电通道的绝缘恢复特性

作者：刘晓鹏、赵贤根、刘磊、汪显康、何俊佳

摘要：输电线路因过电压引起间隙放电而跳闸后,放电通道的绝缘恢复对重合闸时间的整定具有重要的指导作用。该文在长空气间隙施加不同冲击电压,基于高速纹影技术,观测间隙耐受和间隙击穿时放电通道的绝缘恢复过程。试验结果表明：间隙耐受时,靠近电极的放电通道消散较快,并且形态类似“蘑菇云”,而远离电极的放电通道仅做径向扩张;间隙击穿时,通道演化形态类似“毛毛虫”,而且在放电通道弯曲处和分叉处,中心发光区域存在“瓶颈”现象。统计表明,间隙耐受时放电通道的绝缘恢复时间为5~25ms,且随着注入能量的增大,绝缘恢复时间呈对数增大;间隙击穿且自然风速约为2m/s时,正极性雷电冲击电压、正极性操作电压、负极性操作电压作用下放电通道的绝缘恢复时间分别为46.1~243.9ms、6.97~107.74ms和8.09~153.62ms。

基于高光谱技术的复合绝缘子表面老化程度评估

作者：张血琴、张玉翠、郭裕钧、刘凯、吴广宁

摘要：针对现有绝缘老化检测尚无一种便捷快速的方法,该文提出一种基于高光谱技术的复合绝缘子表面老化程度的非接触、快速无损检测评估方法。首先,通过对不同老化程度样品进行傅里叶红外测试,分析样品表面的基团变化以及对憎水性的影响;其次,利用高光谱成像仪（900~1 700nm）获取老化样本光谱信息,结合傅里叶中红外光谱,确定老化样本基团变化和光谱信息的对应关系,从而对老化程度进行定性分析;最后,基于深度极限学习机建立绝缘子老化程度评估模型,并对60组待测数据进行预测,实现对绝缘子老化程度精确分级,分类准确率达96.67%,与BP神经网络和支持向量机模型对比,表明该文所用模型可兼备快速性和准确性,为实现外绝缘表面老化程度的在线检测提供了新思路。

不同填充材料对介质阻挡放电降解SF₆的实验研究

作者：张晓星、王宇非、崔兆仑、田远、王浩

摘要：SF₆作为一种温室气体,其工业废气的回收和降解是环境领域的研究热点。该文基于双层介质阻挡放电（DBD）反应器,研究玻璃珠、γ-Al₂O₃颗粒填充和无填充体系下SF₆的降解过程。结果表明,填充介质的加入能够改变反应器的物理参数,增加DBD放电过程的等效电容,提高放电功率。此外,两种填充介质的加入都可以有效地提高SF₆的降解率（DRE）和能量效率（EY）,在γ-Al₂O₃颗粒填充体系中,2%SF₆在110W下最大降解率达到85.97%,能量效率达到9.17g/(kW·h),远超无填充的情况。两种填充介质的加入影响了SF₆分解产物的产量。玻璃珠的加入对产物种类的影响不明显,而γ-Al₂O₃颗粒填充会导致SF₆倾向于产生SO₂,并抑制SOF₂、SO₂F₂和SOF₄的生成,同时SO₂的产量随输入功率的增加而增加。γ-Al₂O₃颗粒填充在有效提高降解率和能量效率的同时,抑制SO₂F₂等难以处理的产物生成。以上结果表明,加入合适的填充介质如γ-Al₂O₃颗粒能够有效地促进SF₆的无害化降解。

电晕放电下C₅F₁₀O混合气体的分解特性

作者：周朕蕊、韩冬、赵明月、张国强

摘要：C₅F₁₀O的绝缘强度高且全球变暖潜能值低,是一种潜在的SF₆替代气体,但其分解特性的研究尚少。该文首先基于密度泛函理论对C₅F₁₀O的分解路径进行计算,结果表明,C₅F₁₀O初步裂解可形成CF₃-、F-、C₃F₇-等自由基,这些自由基经复合或分解反应可最终生成CF₄、C2F₆、C₃F₈等氟碳类化合物。随后进行C₅F₁₀O/空气与C₅F₁₀O/N₂混合气体的工频电晕放电实验,采用气相色谱质谱联用技术对分解产物进行定性和定量检测,并分析分解产物的体积分数变化与气体混合比和施加电压之间的关系。实验结果表明：两种混合气体的分解物主要成分为CO、CO₂、CF₄、C₂F₆、C₃F₈、C₂F₄和C₃F₆;氟碳类气体总体积分数、CO体积分数及CO₂体积分数均与C₅F₁₀O混合比例、施加电压正相关。从应用条件和减少分解产物种类与毒性角度考虑,比例为93.5%~96%的空气适合用作C₅F₁₀O的缓冲气体。

真空直流强迫过零开断中的弧后电流

作者：张颖、秦涛涛、刘钊

摘要：为了研究真空直流强迫过零开断过程中的弧后电流,该文设计永磁-斥力混合式快速机构,搭建直流开断用弧后电流测量系统,开展直流小电流开断实验,研究弧后电流受开断电流幅值、电极开距、换流电流频率及换流电容电压的影响。研究结果表明：弧后电流呈现出不稳定性。弧后电流随开距增大而增大,且同开距下弧后电流变化不大。开断电流小于800A时,弧后电流增长较快;开断电流在800~1 800A范围时,弧后电流增长较慢。弧后电流随着换流频率的增加显著增大,换流频率对弧后电流的影响起主导作用。换流电容电压应控制在一定范围内以减小弧后电流。

一种升压模式的可调极性高频Blumlein脉冲形成线功率调制模块

作者：何映江、余亮、马剑豪、董守龙、姚陈果

摘要：随着脉冲功率技术在新型粒子加速器、生物细胞实验仪器等领域拓展应用,对脉冲功率发生器高重复频率、短脉冲、脉冲参数灵活可调提出更高的要求。该文研究了一种新型的功率变换模块电路拓扑。这种电路拓扑由LC振荡升压单元和Blumlein形成线单元组成,利用多开关时序逻辑控制实现对输出波形参数的调整,相对于传统Blumlein线在保留其短脉冲成形优点的同时,能获得输出脉冲频率数倍于开关频率,输出电压幅值数倍于直流充电电压,输出脉冲的极性及间隔时间的灵活调整。同时,通过动态电路的时域分析和传输线波过程分析阐述该电路的工作原理,并通过电路仿真加以验证。此外,采用射频MOSFET开关和同轴电缆搭建一台原理样机,在负载匹配时,实现了在开关频率500kHz时输出脉冲频率1MHz、输出脉冲电压幅值4倍于直流电源电压20ns的短脉冲。

基于辅助充电支路的模块化多电平变换器结构高频纳秒脉冲发生器

作者：米彦、陈嘉诚、许宁、戴锦炎

摘要：高频纳秒脉冲串治疗肿瘤已逐渐成为一种新的医疗手段,但发生器输出高频脉冲串时的开关损耗问题还有待进一步研究。因此该文提出一种基于辅助充电支路的模块化多电平变换器（MMC）拓扑。在MMC模块的一个MOSFET处并联二极管和电阻,为电容提供充电回路,消除充电电流对开关的导通损耗,提高脉冲发生器的稳定性。首先,对该文提出的拓扑结构进行原理介绍;其次,计算硬件参数并利用Pspice对拓扑结构进行仿真验证;最后,研制一台五级模块化的输出装置并进行性能测试。连续输出模式下：前沿20ns,后沿30ns,幅值为4kV;脉冲串输出模式下：最高串内频率1MHz的脉宽100~500ns、幅值0~4kV可调的纳秒脉冲串。开关温升测试表明,在该文测试条件下,RD-MMC相比于MMC的尾切开关温升减少约30%;同时,利用细胞溶液作为负载,测试电压电流波形稳定。该文研制的脉冲发生器为进一步研究高频纳秒脉冲串在生物领域的应用奠定了基础。

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