基于模型预测VSFPWM的串联绕组逆变器电磁干扰抑制研究

脉宽调制(Pulse width modulation,PWM)逆变器开关过程产生的共模电磁干扰(Electromagnetic interference,EMI)会对系统产生显著的负面影响。以新型的串联绕组逆变拓扑结构为研究对象,采用基于电流纹波预测模型的变开关频率脉宽调制技术(Variable switching frequency PWM,VSFPWM),同时考虑实际逆变系统中电感饱和效应的影响,实现对电流纹波的精确控制,完成共模电磁干扰的抑制和开关损耗的降低。提出串绕组拓扑下考虑电感饱和的模型预测变开关频率策略,通过仿真和试验对比分析不同变频开关频率调制策略下的电磁干扰抑制效果、输出电流质量及开关损耗等性能。仿真和试验表明该策略能够有效抑制共模电磁干扰、降低开关损耗,并确保输出电流的波形质量。

含电动汽车的不确定性微电网鲁棒优化调度方法

针对大规模电动汽车接入微电网造成的负荷压力以及用户电动汽车充电的强不确定性,分别建立了电动汽车无序充电和有序充放电两种模型。同时,考虑微电网中新能源发电及负荷需求的间歇不确定性,在日前计划阶段设计了一种基于电动汽车入网的鲁棒优化经济调度方法。模型以微电网最小运行成本为目标,分别在电动汽车无序充电和有序充放电两种模式下,通过列约束生成算法决策出不确定场景集中的最恶劣场景及该场景下的经济最优日前调度方案,并得出日前计划的运行成本。随后在日内调度阶段,利用可再生能源发电和负荷需求的实时数据,在微电网系统不同保守度水平下,针对预测误差对日前计划方案和运行成本进行补偿微调。最终通过算例仿真验证了所提方法的有效性和合理性。

基于模糊控制的自适应超螺旋滑模观测器无传感器控制

针对永磁同步电机传统超螺旋滑模观测器(Super-twisting algorithm based sliding-mode observer,STA-SMO)使用固定滑模参数,从而导致较大抖振和扰动抑制能力差的问题,提出了一种滑模参数可以随着系统转速变化而实时更新的永磁同步电机自适应超螺旋滑模观测器无位置传感器控制方法,并给出了所提方法的稳定性证明,通过在线调整滑模系数可以获得较高的估计精度。针对永磁同步电机传统矢量控制速度环采用固定参数PI控制器、无法满足系统快速响应和参数扰动抑制能力等问题,速度外环采用模糊PI控制器,通过模糊控制器的输出更新PI控制器的参数,增强系统的鲁棒性。最后,通过仿真和试验,验证了基于模糊控制的永磁同步电机自适应超螺旋滑模观测器可以有效抑制系统抖振,且估计精度高,鲁棒性强。

序

交通运载工具的电气化是我国“双碳”和交通强国战略实施的重要支撑。近年来,以新能源汽车、多(全)电飞机、高铁牵引等为代表的运载工具蓬勃发展,对电气系统的能量效率、功率密度、运行可靠性等提出了更高需求。为加快推进和展示电气化交通领域的优秀学术成果,《电气工程学报》编辑部于2021年10月启动了“电气化交通中的电能变换与利用新技术”专题的征文、审稿、编辑和出版工作。

基于蒙特卡洛和SH-AUKF算法的锂电池SOC估计

针对锂离子电池荷电状态(State of charge,SOC)估计精度低的问题,将Sage-Husa自适应算法与无迹卡尔曼滤波算法相结合,提出了一种可以对系统噪声进行不断更新和修正的自适应滤波新算法——SH-AUKF算法。在动态应力测试(Dynamic stress test,DST)工况下,采用无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)、自适应无迹卡尔曼滤波(Adaptive unscented Kalman filter,AUKF)和SH-AUKF三种算法分别对SOC进行估计。结果表明,SH-AUKF算法估计SOC的误差最小,估计精度最高。与UKF相比,SH-AUKF算法的估计精度提高了45.4%;与AUKF相比,SH-AUKF算法的估计精度提高了14.3%。为了进一步降低噪声干扰的偶然性和突发性对SOC估计的影响,在估计过程中加入了蒙特卡洛采样方法。结果表明,融合了蒙特卡洛方法的SH-AUKF算法估计SOC时,估计误差区间仅为±1×10^(−3),有效提高了估计精度。

雾凇覆冰过程的电晕放电动态特性研究

导线带电、不带电条件下的覆冰特性存在差异,覆冰与电晕之间复杂的相互作用是造成此差异的重要原因.覆冰过程中的电晕动态特性是揭示这一相互作用的基础.在人工气候室内对导线进行带电覆冰,通过Q-V法测得了覆冰过程中导线电晕放电功率和工频周期放电量短时间内的统计特性和长时间的变化趋势.试验结果表明,覆冰引发的电晕放电具有随机性,工频周期放电量近似服从正态分布;随着覆冰增长,电晕放电功率和放电量的短时平均值及标准差均存在先增长后饱和或稍有减少的趋势;放电量、放电功率的增长时间与带电覆冰速率相关,导线承受场强超过10 kV/cm后,覆冰速度减慢,电晕放电功率与放电量的增长时间随场强增加而增加;导线表面电场强度增强时,放电量的标准差几乎保持不变,较强电场下覆冰电晕放电维持电压的增加可能是其原因.

基于可再生能源与储能系统的微电网模型及其优化运行仿真研究

随着新能源发电的广泛应用,微电网的经济效益是实现环境友好型供电的关键因素。各学者对微电网模型进行了大量研究,但现有模型未能体现可再生能源在微电网运行中的重要作用。因此,一个基于可再生能源与储能系统分析微电网产储电模型被提出,为了满足最小成本和二氧化碳排放量的需求,对微电网中电能的产生、存储和生产成本进行了详细分析。该微电网包含一个光伏发电厂、一个风力发电机、作为发电设备的柴油和燃气发电机,以及作为储能设备的电池储能系统和一个小型水力蓄水池。利用FICO Xpress编程优化工具对配电网中的微电网进行了电能生产和储存过程的仿真研究。结果表明,使用储能系统可以大大减少火电机组的发电量,也有助于降低火电机组的运行成本。此外,仿真结果符合所提出的用于分析微电网中的电力生产和存储的模型。

两种转子结构的永磁无刷直流高速电机转子受力及损耗温度场分析

电机的设计是一个多重物理场的综合设计。本文设计了一台10kW、10000r/min的永磁无刷直流高速电机,针对表贴式和内嵌式两种转子结构,分别对内嵌式转子和不同护套的表贴式高速无刷直流电机进行了受力分析、损耗分析和温度场分析。在多物理场分析仿真的基础上,得到了满足转子强度、损耗、温升的综合设计结果。分析了无刷直流电动机的损耗及热场的计算过程,研究了两种电机结构的损耗大小和温度场分布。采用本文提出的方法不仅可以精确计算电机内部损耗的大小,而且可以得到电机内部损耗与热场之间的能量交互过程,研究电机的发热问题。通过仿真结果对比,发现表贴式结构发热比较严重。

基于声学负载的直线压缩机参数反求

直线压缩机由于结合了直线电机驱动、柔性板弹簧支撑以及无油间隙密封等技术,具有寿命长、振动低、可靠性高等优势,现已发展成为斯特林型低温制冷机高效可靠运行的关键。直线压缩机由电、机械和声学三部分组成,其中低温制冷机提供等效声学阻抗。声阻抗直接影响着直线压缩机的工作特性。本文从直线压缩机的声阻抗特性出发,分析了其对直线压缩机输出特性的影响规律。进一步提出了基于声学负载的直线压缩机机械弹簧刚度、动子质量、电机比推力以及机械阻尼系数的反求方法,以期为直线压缩机阻抗匹配及其性能检测提供参考。

具有储能功能的双模式光伏逆变器的研究

具有储能功能的双模式光伏逆变器可在并网、离网两种状态下工作,无论电网正常、异常还是白天、夜晚均可为用户提供电力,应用范围广泛。本文设计了双模式光伏逆变器的硬件和软件,研究了并网、离网两种模式相互切换策略,并研制了样机,实验结果表明样机实现了两种模式平滑切换,效率高,电压畸变率低。

偏斜转子槽形感应电机正反转性能差异的研究

转子槽形沿径向偏斜后的电机电磁性能受电机转向影响。为减小偏斜转子槽形电机正反转时的性能差异,提出一种槽身偏斜槽形,保证槽形的槽口区域轴对称。基于转子槽漏磁模型,对比径向偏斜与槽身偏斜槽形,探讨槽形偏斜后的等效磁路变化,以及转子槽漏抗与主电抗参数随偏斜距离的变化规律。利用冻结磁导率法隔断主磁通的气隙路径,假设由槽内导体电流产生的转子漏磁场仅包括槽漏磁场,计算电机正反转下不同槽形偏斜距离时的槽漏抗值,并根据等效电路模型计算相应的主电抗值。最后,仿真计算两类偏斜转子槽电机的输出转矩与功率因数,结果表明转子槽身偏斜电机正反转时的性能接近,而且受槽形偏斜距离的影响较小。偏斜转子槽形的不对称槽口区域是引起电机正反转性能差异的主要原因。

MSMA自感知执行器的优化设计及试验验证

以磁控形状记忆合金为核心元件的自感知执行器是一种能够自我感知并自主响应的执行器,其具有很高的灵活性和智能性。针对现有自感知执行器的结构进行了优化设计。基于电磁理论分析和数学分析软件,以减小自感知执行器的磁路磁阻和励磁功率、增大气隙磁感应强度为优化目标,对自感知执行器的铁心和永磁体尺寸进行了优化设计;优化后的自感知执行器磁路磁阻减小,气隙磁感应强度增大,磁场分布均匀;通过搭建试验平台对自感知执行器的性能进行试验测试和分析,结果表明:在外加磁场大小相同和励磁线圈匝数相同时,优化后的自感知执行器与优化前的自感知执行器相比可显著提高感应电压峰-峰值并降低励磁功率,验证了自感知执行器结构优化设计的正确性与合理性。

基于改进猎人猎物算法的VMD-KELM短期负荷预测

为进一步提高负荷预测的准确性和可靠性,针对核极限学习机(Kernel extreme learning machine,KELM)参数选择影响预测能力的缺点以及负荷数据的波动性和非平稳性的特征,提出一种基于变分模态分解(Variational mode decomposition,VMD)与经种群混沌策略和莱维飞行策略改进的猎人猎物算法(Levy-hunter-prey optimizer,LHPO)优化KELM的预测模型。首先,使用灰色关联分析对原始数据的环境因素与负荷数据进行相关性分析;然后,使用VMD对负荷数据进行分解,分别将每个分解子序列输入经LHPO优化的KELM模型进行负荷预测;最终,将每个预测结果进行叠加。仿真试验验证该预测模型对短期负荷预测具有较高的适应性。

序

构建以新能源为主体的新型电力系统是实现碳达峰、碳中和目标的关键环节。随着清洁能源占比持续提升,高比例可再生能源和高比例电力电子设备成为未来新型电力系统的主要特征。分布式电源大规模接入,以及电动车辆充电桩和储能电站的规模化建设,使得海量灵活资源通过电力电子设备接入配电网,由此带来的电网安全稳定和“源网荷储”协调控制等问题更加突出,故有必要对电力电子化配电网关键设备和运行控制相关问题开展研究,并集中和快速交流这一领域的优秀科研成果,《电气工程学报》编辑部于2021年8月启动了“电力电子化配电网关键设备和运行控制”专题的征文、审稿、编辑和出版工作,我们非常荣幸受邀担任该专题的客座编辑。在本专题的征稿过程中,得到了国内电力电子和电力系统领域专家学者的热心关注和踊跃投稿,体现了当前我国在电力电子化配电网,尤其是交直流微电网发电和用电设备以及系统运行控制方面的最新研究进展。

基于深度循环神经网络的地铁供电系统负荷预测

随着国民经济持续发展、城市化进程加快,地铁建设也随之快速发展,地铁供电系统也相应地日益庞大,地铁供电系统负荷已然成为城市电力系统负荷的重要组成部分。由于地铁供电系统负荷所呈现的移动性、时变性、非线性等特点,对地铁供电系统负荷预测技术的研究越来越重要。首先对于地铁供电系统负荷预测开展研究,考虑了地铁历史负荷、地铁换乘站、地铁地上/地下形式、客流量、天气、温度等多维度因素,再基于堆叠式降噪自动编码器对多维度因素进行特征学习,基于适用于处理序列性质非线性问题的深度循环神经网络,提出了一种地铁供电系统负荷预测方法。最后通过南京地铁的实际运行数据验证了所提预测方法的有效性和优越性,该方法对于地铁供电系统短期和中长期负荷预测均有较好的预测效果。针对南京地铁待建的地铁站,进行中长期负荷预测,为其主站定容提供参考依据。

多变换器系统无源控制策略研究

在多变换器系统中,电力电子变换器之间的相互作用以及闭环控制下的电力电子变换器在输入端呈现的恒功率负载特性会对系统的稳定性造成影响。同时,随着多变换器系统复杂程度的增加,基于系统模型的稳定性分析和控制策略面临更多的挑战。针对以上问题,运用无源控制理论从能量角度对多变换器系统控制进行研究。通过保证子系统的无源性来保证整个系统的无源性,进而保证整个系统的稳定。为了实现更好的控制效果,将自抗扰控制技术与无源控制相结合设计混合无源控制器。与PI结合无源控制相比,在即插即用的情况下,所提出的控制策略具有更好的动态与稳态性能。利用Matlab/Simulink搭建多变换器系统的仿真模型,仿真结果验证了该控制策略的可行性和优越性。

基于WSN的输电线路状态监测与数据采集跨层优化方法

针对高压输电线路状态监测的电晕噪声干扰、实时性低以及数据采集可靠性较低等服务质量问题,提出了一种基于无线传感器网络(Wireless sensor network,WSN)的跨层优化方法。首先根据输电线路容易产生电晕噪声的实际情况,设计了系统通信模型,并深入分析可靠性和延迟,在最大可靠性约束下,需要控制传输延迟以满足给定的时间限制。其次将寻找最佳传感器节点数的问题化为混合整数非线性规划,并通过链路自适应直接搜索(Link adaptive direct search,LADS)算法进行求解,以获得最优链路。最后利用基于量子蚁群的WSN路由算法,有效地实现最佳路由路径的全局寻优。仿真结果表明,所提方法相比于其他传统算法具有更低的传输延迟,并能够有效提升数据传输的可靠性,满足高压输电线路状态全方位监测的应用需求。

一种220 kV户外变电站支柱式绝缘子清扫系统

支柱绝缘子是隔离开关和断路器等电气设备的组成部分,电力系统安全稳定运行与绝缘子安全运行息息相关.绝缘子清扫系统是由空压风系统、移动系统和清扫系统三个部分组成.对变电站支柱式绝缘子清扫系统进行了设计与研究,运用Matlab仿真软件对机械臂的运动轨迹进行仿真,判断其和实际工作轨迹逆解的完成是否满足条件.接着依据绝缘子清扫系统的设计指标要求,对连接小车与机械臂之间的圆形安装底座在ANSYS和Hypermesh软件下建模仿真,圆形安装底座所受到的应力可以达到相关技术指标.通过"工业机械臂编程与仿真工具",即用来编写机械臂具体动作的程序,实现坐标点获取、机器指令编程、程序文件上传和下载,各种加工程序上传到控制服务器后实现机械臂的指令编程.该运行方式突破了常规调试方法的弊端,在虚拟3D动画中可以及时发现,不会造成损失.最后通过波形测试可以得出伺服器会估算负载大小,并随时调整转矩去匹配负载.通过实时改变电流大小,来实现调整扭矩.

发电机定子线圈介质损耗分段式伪三电极测试方法研究

为探索发电机定子线圈介质损耗因数(tanδ)多通道智能测试技术,基于介质损耗因数分析测试线路和相应的电路模型,对定子线圈介质损耗因数测试的影响因素进行了仿真计算,分析了测试电极间距和体积电阻率对介质损耗因数的影响程度,最终提出了定子线圈介质损耗因数分段式伪三电极测试方法。真机线圈测试结果表明:该方法与传统方法测试结果分布基本相同,实测结果稳定且满足国家标准和企业标准的相关技术要求。