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中国电机工程学报
2010年 30卷 24期
刊出日期 2010-08-25
电力电子与电力传动
电机与电器
电工理论与新技术
 
电力电子与电力传动
1 吴振兴 邹旭东 黄清军 张哲宇 邹云屏
三相电力电子负载并网变换器研究

提出一种三相电力电子负载的主电路拓扑，其中的并网变换器一方面将模拟负载变换器发出或吸收的有功功率高效的回馈电网，另一方面还具有一定的补偿被试电源所产生的无功及谐波的能力。应用一种新型的变步长自适应算法对被试电源输入电流谐波进行检测，同时，基于静止同步坐标系，设计一种重复控制器+PI控制器串联的复合控制器对并网电流指令进行跟踪。仿真及实验证明，检测系统具有较好的检测精度及动态性能，应用该控制方法，系统对于并网电流指令具有较小的稳态跟踪误差以及较好的动态响应，同时，电网电流具有单位功率因数及较低的谐波电流，包含被试电源在内整机效率可达75%以上。
2010 Vol. 30 (24): 1-7 [摘要] ( 43 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 21 )
8 倪雨 许建平 于海坤 王金平
Buck变换器最优负载瞬态特性分析

分析电感电流连续工作模式(continuous conduction mode，CCM)Buck变换器的最优负载瞬态响应过程，通过负载跃变阈值概念的提出，获得负载突变时Buck变换器输出电压的最优超调量(跌落量)和稳态调节时间，仿真分析和实验研究结果表明，Buck变换器在负载跃变时存在最优瞬态工作过程。研究最优负载瞬态特性在滑模控制Buck变换器中的应用，仿真研究结果表明，最优负载瞬态特性的研究对Buck变换器主电路参数和控制策略的设计与实现具有重要的指导意义。
2010 Vol. 30 (24): 8-14 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 12 )
15 梁永春 许丽川 严仰光
一种双闭环控制隔离Boost变换器起动控制策略
隔离Boost变换器起动期间，由于低输出电压导致过冲电流，对变换器造成损坏。提出一种新的隔离Boost变换器软起动控制策略，研究双闭环控制下具有起动电路隔离Boost变换器的起动过程。在提出的控制策略作用下，具有起动电路的隔离Boost变换器起动过程分为Flyback、Hybrid、Boost工作3个工作阶段。详细讨论该起动控制方法及其各个阶段的特点。在峰值电流控制方法下，输出电压在Flyback工作阶段从零开始建立。引入Hybrid工作阶段，同时实现了占空比平滑变化和输出电压平滑建立，该控制策略有效地抑制了起动电流过冲。实验结果验证了理论分析的正确性。
2010 Vol. 30 (24): 15-20 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 12 )
21 宋卫章 钟彦儒 孙向东
具有高电压传输比且能抵御非正常输入的Z–源双级矩阵变换器
针对传统矩阵变换器存在电压传输比低和输出性能易受非正常输入影响的两个固有缺陷，提出一种Z–源双级矩阵变换器(Z-source two-stage matrix converter，ZSTSMC)及其调制方法。利用Z–源网络的升压特性以提高电压传输比，通过Z–源网络电容电压闭环对直通因子进行自适应地调节，从而有效抑制非正常输入对输出性能的影响。闭环控制中采用一种非线性PID算法，削弱了Z–源网络表现出的非最小相位特性带来的不良影响，提高了系统动态性能和抗扰能力。仿真和实验验证了该拓扑的可行性和正确性。
2010 Vol. 30 (24): 21-28 [摘要] ( 19 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 7 )
29 粟梅 王辉 孙尧 谭俊敏 于晶荣 桂卫华
基于改进重复控制器的三相四线逆变器设计
提出一种基于改进重复控制器(modified repetitive controller，MRC)的三相四线逆变器设计方法，能够有效抑制非线性负载对输出电压的扰动。为解决重复控制器稳定性和控制性能之间的矛盾，在其补偿环节增加自由度–零相位滤波器；以误差衰减速率和滤波器的复杂度为优化目标，以系统鲁棒稳定性为约束，给出基于微粒群优化方法的零相位滤波器优化设计，构建基于鲁棒优化零相位滤波器的MRC。该MRC的优化设计考虑了系统的未建模误差，具有鲁棒性，更便于工业应用。三相四线逆变器采用载波调制，最大化利用直流电压，无需复杂的数据处理，易于实现。理论分析和试验结果证明了三相四线逆变器的MRC及其优化设计方法的有效性和可行性。
2010 Vol. 30 (24): 29-35 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 11 )
36 王国玲 陈道炼
差动正激直流斩波器型高频环节逆变器
提出差动正激直流斩波器型高频环节逆变器电路拓扑，并对该逆变器的电路拓扑、输出电压与滤波电容电流瞬时值反馈控制策略、稳态原理特性、关键电路参数设计准则等进行深入地分析研究。该逆变器是由输出低频正、负半周的单极性正弦脉宽调制电压波且共用输入、输出滤波器的两个双向正激直流斩波器以差动电路构成。理论分析结果表明，该逆变器具有高频电气隔离、电路拓扑简洁、双向功率流、单级功率变换、输出电压波形质量高、负载适应能力强等优点。原理试验证实了该逆变器的正确性与可行性。
2010 Vol. 30 (24): 36-41 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 13 )
42 姜礼节 王仕韬 吕征宇 陈辉明
三相混合开关电流型整流器的优化方法
针对一种三相混合开关PWM电流型整流器电路拓扑进行改进，并提出一种优化的空间矢量控制方法。该混合开关整流器在大功率领域具有显著的电流特性和成本优势，并能有效地降低对电网造成的谐波污染。使用优化的电流型空间矢量进一步提高该混合开关电流型整流器的工作频率，减小了系统滤波元器件的成本和体积。电路仿真以及实验结果均验证该改进的混合开关整流器使用优化的空间矢量控制可实现高功率因数运行，并有很好的谐波抑制效果。
2010 Vol. 30 (24): 42-47 [摘要] ( 18 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 9 )
48 华明 胡海兵 邢岩 何中一
一种变频器并联运行的分布式控制方法
提出一种变频器并联控制方法。通过局部反馈，将变频器的并联控制解耦为变频正弦基准信号的同步控制及均流控制。首先将单台变频器的角速度积分得到的相位信息用方波表示，并在变频器模块之间交流，用于变频器的同步控制，控制各台变频器先保持同频、同相；然后采样环流信号，将其注入到正弦基准中进行均流调节，实现各台变频器的输出电流均分。搭建一套并联系统样机，由两台全数字控制变频器并联驱动一台异步电机。20~50 Hz工作频率下的仿真和实验结果验证了所提出的控制算法的可行性。
2010 Vol. 30 (24): 48-53 [摘要] ( 28 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 11 )
54 蔡金锭 鄢仁武
ARMA双谱分析与离散隐马尔可夫模型在电力电子电路故障诊断中的应用
提出一种基于自回归滑动平均(auto-regressive moving average，ARMA)模型双谱分析与离散隐马尔可夫模型(discrete hidden Markov model，DHMM)的电力电子电路故障混合诊断新方法。首先对故障电路采样的数据进行零均值处理；然后采用高阶累积量建立ARMA模型参数并进行双谱分析，通过对双谱矩阵进行矩阵变换提取电路故障信息特征量，再对故障特征数据进行矢量量化；最后应用离散隐马尔可夫模型，设计出电力电子电路的故障分类器。将该方法应用到SS8机车主变流器电路的故障诊断中。结果表明，所提出方法具有较高的正确诊断率和较强的抗噪声能力，在无噪声或加入5%的噪声情况下，正确诊断率均为100%；而当加入10%的噪声时，正确诊断率比DHMM诊断法和GA-BP神经网络诊断法分别高出16.11%和23.79%。该方法在工程中具有实际应用价值。
2010 Vol. 30 (24): 54-60 [摘要] ( 20 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 12 )
61 伍健 何礼高 何伟军
耦合电感式无源无损缓冲电路的优化设计
耦合电感式无源无损缓冲电路利用耦合电感的漏感与缓冲电容，在功率管开关过程中进行谐振，实现功率管的零电流开通和零电压关断。为了尽量减小开关损耗，并保证可实现软开关的较宽占空比范围，根据功率管的损耗模型并结合缓冲电路实现软开关的条件，提出一种基于该缓冲电路谐振元件参数的优化设计方法。采用该方法设计的耦合电感式无源无损缓冲电路不受最小电压应力无源无损缓冲电路中谐振元件参数的限制，拓宽了软开关的占空比范围，提高了效率。通过一台240 W的带有该缓冲电路的Buck变换器原理样机，验证了理论分析和设计的正确性。
2010 Vol. 30 (24): 61-68 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 8 )
电机与电器
69 朱熙 范瑜 吕刚 秦伟 张晓东
单边盘式感应电机的数学模型与转矩分析
由于盘式电机气隙较大且主要参数随半径变化，采用传统电机分析方法在分析盘式电机时会造成较大误差。提出一种用于分析盘式电机的新型电磁模型，模型采用分环计算和求解气隙矢量磁位方程的方法提高模型精度。利用一维磁场分析的方法得到模型的T型等效电路。横向边端效应的影响被引入计算等效气隙长度的过程，省去了等效电路中的横向边端效应系数。利用等效电路分析了励磁电感、转子电阻和电磁转矩随转差率变化的情况。将三相静止坐标系下的三相电压、电感和电流转化为两相旋转坐标系下的对应值，以采用间接磁场定向控制。通过制作一台样机，并对其进行分析、仿真和实验验证，其结果吻合度高，电机调速性能良好，证明所提模型是正确和有效的。
2010 Vol. 30 (24): 69-74 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 14 )
75 乔鸣忠 梁京辉 张晓锋 李珺
多相感应电机场路耦合时步有限元分析
为解决多相感应电动机在非标准正弦供电时的场路耦合分析问题，提出一种用于多相感应电动机的场路耦合运动时步有限元分析方法。考虑变频器供电时SPWM波中的高次谐波，给出控制电路与电磁场方程耦合的时步有限元分析方法，采用运动气隙边界法解决转子运动问题，与机械运动方程相结合，可对电机的瞬态过程进行仿真。应用上述模型对1台五相感应电动机及其调速系统进行分析，计算结果与样机实验结果吻合较好。将解析法、场路耦合法的计算结果与实验结果比较，表明场路耦合法能充分考虑电机齿槽效应以及铁磁材料的非线性影响，与实验结果更接近。该方法也可用于其他类型的多相电机逆变器供电的场路耦合分析。
2010 Vol. 30 (24): 75-80 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 12 )
81 康敏 黄进 刘东 杨家强 郑瑜 姜海博
多相异步电机参数的计算与测量
多相电机参数的分析和计算对电机的设计和控制有重要意义。以绕组均匀分布的多相异步电机为例，根据多相电机定转子的实际结构，利用绕组函数法，求解了相坐标系下的电机参数；并在此基础上建立了旋转坐标系下多相电机的数学模型，推导了多相电机各d-q平面内的参数，尤其是各平面内定子激磁电感和谐波漏感、转子电阻和漏感等。分别采用解析法、有限元法以及实验测量方法计算了一台9相异步电机的参数，并以此验证该电机参数表达式的正确性。
2010 Vol. 30 (24): 81-87 [摘要] ( 23 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 12 )
88 官文锋 陈志辉 陈明 严仰光
双定子电励磁双凸极电机的起动控制
研究双定子电励磁双凸极电机的起动控制，改进电机结构，降低了起动时的转矩脉动。在理论分析的基础上利用基于转速变化的阶段性角度控制方法：低速采用标准角度控制；中高速采用角度随转速变化的提前角度控制，可提高电机在该速段的输出转矩。完成了18 kW电励磁双凸极起动/发电系统的样机制作，对系统进行了相关的前期实验及配套航空发动机对发动机进行冷热开车实验。实验表明：该系统的起动控制策略正确有效，起动转矩平滑，所需电源容量小，效率高，具有良好的起动性能。
2010 Vol. 30 (24): 88-94 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 8 )
95 王旭东 刘金凤 张雷
蚁群神经网络算法在电动车用直流电机起动过程中的应用
电动车用直流电机控制器系统在电动车起动过程中具有非线性、快时变的特点，常规的比例-积分-微分(proportion- integration-differentiation，PID)控制方法很难满足系统非线性、参数摄动的要求，即使采用了前向神经网络算法进行PID整定，也由于结构复杂，训练速度慢等原因而很难满足实时控制的要求。于是提出了采用蚁群神经网络(ant colony algorithm neural network，ACANN)整定PID控制策略，用蚁群算法学习多层前馈(back propagation，BP)神经网络的权系，建立了基于该算法的BP神经网络训练模型，因而兼有了神经网络的广泛映射能力和蚁群算法的快速全局收敛以及启发式学习等特点，该控制策略可以补偿系统参数摄动、非线性和外界扰动对系统控制性能的影响，达到电动车平稳快速起动的目的。仿真和实验结果证明，该控制策略对电动车起动过程中电机起动电流的控制具有快速性、稳定性和鲁棒性。
2010 Vol. 30 (24): 95-100 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 11 )
101 姬联涛 张建成
基于飞轮储能技术的可再生能源发电系统广义动量补偿控制研究
提出一种利用飞轮储能装置调控可再生能源发电系统的方法，用于解决系统的能量补偿问题；同时，将广义动量概念引入电力系统，通过建立飞轮储能系统和可再生能源发电系统的广义动量模型，提出广义动量补偿控制方法。将飞轮储能装置接入可再生能源发电系统的电压中枢点，实时检测电压中枢点母线电压、飞轮角速度，计算发电系统等效惯性参数和飞轮储能装置瞬时动量；计算可再生能源发电系统相对于标准状态的动量增量；对飞轮角速度进行调节，使飞轮储能装置的动量增量等于可再生能源发电系统的动量增量。该方法不仅能实时计算电网能量的不平衡程度，对该电网系统进行快速、准确补偿，而且该装置运行寿命长，对环境无污染，可广泛应用于太阳能光伏发电系统、风力发电系统和海浪能发电系统等。
2010 Vol. 30 (24): 101-106 [摘要] ( 24 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 11 )
107 张红娟 权龙 李斌
永磁同步电动机直驱泵控差动缸位置伺服系统性能研究
采用交流伺服电机驱动定量液压泵闭环控制差动缸，是目前电液控制技术实现节能的新方法和研究热点。针对现有技术利用液控单向阀配流的不足，提出采用三配流窗口补偿差动缸面积差，减小液控单向阀能量交换，进一步提高系统能量利用率。试验中发现，由于泵的泄漏等不确定性因素造成系统动特性存在严重非线性、缸收回时噪声和振动大等问题，针对这些问题，采用速度、加速度前馈补偿和抗饱和积分分离PID复合控制算法进行改善，通过数字仿真确定了具体的控制器参数。试验结果表明，采用上述方法可提高位置伺服系统的动态性能和鲁棒稳定性，有效抑制了液压缸运动过程的噪声和振动，实现了液压缸上升和下降速度对称，上述方法取得了良好的控制效果。
2010 Vol. 30 (24): 107-112 [摘要] ( 32 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 15 )
电工理论与新技术
113 刘洋 崔翔 赵志斌
变电站接地网结构判断与缺陷诊断方法
为了推断变电站接地网的结构，寻找缺陷部位和缺陷状态，利用接地网现有的两下引导体直接注入正弦波电流，通过测量地表面磁感应强度的分布，判断出接地网的结构。根据磁感应强度的分布特征和变化规律，寻找接地网缺陷部位，诊断网格导体断点和变细的缺陷状态。实验研究结果表明，所提方法简便、有效，可用于工程实际。
2010 Vol. 30 (24): 113-118 [摘要] ( 27 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 14 )
119 张雯 雷银照
导电平板上方聚焦线圈的瞬态电磁场
分析了位于导电平板上方任意张角的聚焦线圈所产生的线性瞬态电磁场。在单个倾斜圆环线圈电磁模型基础上，推导出了聚焦线圈电磁场量的复频域解析表达式。运用这些表达式和拉氏反变换的数值方法计算了瞬态响应，并讨论了瞬态响应与线圈张角以及平板参数的关系。研究发现，随着线圈张角变小，导体内部涡流密度分布更加集中、时域波形更为陡峭，线圈中感应电动势的峰值变大；平板导体的电导率和磁导率对涡流密度与线圈感应电动势波形影响较大，板厚对瞬态响应影响较小。通过与商用软件仿真结果的对比验证了该文模型与方法，其结果可以用于脉冲涡流检测的信号预测与解释以及探头结构的设计。
2010 Vol. 30 (24): 119-128 [摘要] ( 15 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 8 )
129 崔鹏 张锟 李杰
基于许–克变换的悬浮电磁铁力与转矩解析计算
研究悬浮系统的动力学特性时，需要计算电磁铁与轨道间存在俯仰角情况下的电磁力与电磁转矩。由于此时磁场分布不均匀，常用的计算方法不能满足要求。该文采用许–克变换法把电磁铁磁场与已知分布的简单场对应起来，得到磁场分布的解析解，进而得到电磁铁与轨道平行和存在俯仰角2种情况下的电磁力与电磁转矩的计算公式。最后，利用有限元分析软件对磁场进行数值计算，结果表明，基于许–克变换法得到的电磁力与电磁转矩更接近于采用有限元的计算结果。
2010 Vol. 30 (24): 129-134 [摘要] ( 21 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 12 )
 
 
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