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中国电机工程学报
2009年 29卷 18期
刊出日期 2009-06-25
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 王成智 邹旭东 陈鹏云 胡丹晖 唐健 陈伟 邹云屏
大功率电力电子负载并网变换器的设计与改进

电力电子负载是一种灵活、节能地考核电源质量的装置，其并网变换器将测试能量高质量馈回电网。依据电路模型首先建立控制系统，结合系统工况对直流环节电压谐波分布情况进行分析，为抑制其对馈网电能质量的影响，通过对比陷波、低通、均值3种滤波器效果，并最终采用稳态特性最优的改进均值滤波器。为抑制大容量电容和均值滤波器等大惯性环节对系统动态性能的影响，基于有功功率平衡思想建立了小信号模型和相应的前馈控制方案，有效抑制了输入电压、电流和电网电压扰动对系统的影响。改进重复控制器作为电流环控制器提高电流跟踪精度和馈网功率因数。实验和仿真结果验证了所做分析的正确性和控制方法的有效性。
2009 Vol. 29 (18): 1-7 [摘要] ( 793 ) [HTML 1KB] [PDF 476KB] ( 459 )
8 黄新明 刘进军
无额外直流储能元件的串联型电能质量控制器新型控制策略

对电压幅度暂变的最大补偿时间是串联型电能质量控制器(series power quality controllers，SPQC)重要性能指标。若没有额外直流储能元件，传统的同相位控制或能量优化控制只能提供有限的补偿时间。该文对SPQC提出一种新型控制策略，它在负载电压控制的同时，自动地从电源吸收部分有功功率来补偿其系统损耗，从而提高最大可补偿时间；甚至在没有额外直流储能元件时还具有持续补偿能力。采用负载电流相量为参考相量的新型相量图表示方法，使得SPQC系统内各相关变量之间的关系更加清晰简单。在电源电压幅度暂变和额定状态，分别对系统进行相应的相量图分析，得到采用这种新型控制策略的定量补偿电压幅度、可完全补偿的最大程度电压暂低以及系统的功率流动方式。根据系统能量平衡关系，提出该新型控制策略的一种简单统一实现方法。计算机仿真和原型实验验证了所得结论。
2009 Vol. 29 (18): 8-14 [摘要] ( 703 ) [HTML 1KB] [PDF 687KB] ( 370 )
15 仇志凌 杨恩星 孔洁 陈国柱
基于LCL滤波器的并联有源电力滤波器电流闭环控制方法
并联有源电力滤波器(active power filter，APF)需要具有较高的补偿带宽和较低的开关纹波含量。LCL滤波器由于可以兼顾低频段增益和高频段的衰减，是APF输出滤波器的较好选择，但LCL滤波器是3阶系统，增加了控制难度。通常应用于APF电流控制的瞬时值反馈内环结合重复控制外环的双环控制性能较好，但其主要是针对单电感滤波器进行设计，难以直接应用于LCL滤波器控制。提出一种简单的内环方案，利用数字控制固有的一拍计算延时进行LCL滤波器的稳定控制，只需一个反馈量，结构简单；由于内环有效地改善了系统的特性，作为外环的重复控制器的设计相对简单。基于LCL滤波器的双环控制方案赋予了系统较高的稳态补偿精度和快速的动态响应。实验结果证明了所提出控制方法的有效性。
2009 Vol. 29 (18): 15-20 [摘要] ( 715 ) [HTML 1KB] [PDF 457KB] ( 620 )
21 傅文珍 张波 丘东元 王伟
自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计

谐振耦合电能无线传输是一种新的电能传输概念和方法，它能在中等距离范围内传递能量。该文基于空间隔离两线圈的互感耦合模型，从电路角度分析系统传输效率与线圈尺寸、距离等之间的关系，得到的传输效率表示式，进一步应用于系统最大传输效率的分析，以实现谐振耦合电能无线传输系统优化设计的目标。最后，设计制作一个谐振耦合电能无线传输装置，并设计多组不同参数的线圈进行比较实验，结果证明当空间隔离的两空心线圈达到谐振耦合时，两线圈之间传递能量最大，从而验证该文的理论研究。
2009 Vol. 29 (18): 21-26 [摘要] ( 739 ) [HTML 1KB] [PDF 450KB] ( 728 )
27 杨晓峰 赵美芬 郝瑞祥 郑琼林
晶闸管控制的单相–三相变换器
提出一种单相电源供电时适用于异步电机传动的单相–三相变换器。由于仅采用7个晶闸管和1个移相电容，该变换装置具有造价低、结构简单的特点。分析该变换器的工作原理及开关过程，并提出一种基于开环变压变频(variable voltage variable frequency，VVVF)和变压恒频(variable voltage constant frequency，VVCF)控制的单相–三相离散跳频控制策略，用于电机的起动和稳态运行控制，一方面保证了电机在低频阶段足够大的起动力矩，另一方面可使电机稳步起动到额定转速。仿真和实验结果表明了该控制策略的有效性以及系统方案的可行性。
2009 Vol. 29 (18): 27-32 [摘要] ( 661 ) [HTML 1KB] [PDF 371KB] ( 463 )
33 王强 张化光 褚恩辉 刘秀翀 侯利民
一种新型三相无源软开关逆变器
为提高逆变器的转换效率，提出一种新型的无源软开关逆变器的拓扑结构，在电路中采用紧密耦合在同一铁芯上的电感来回馈能量，同时该耦合电感也作为零电流开通电感；利用谐振电感和谐振电容的谐振来实现零电压关断。该无源软开关逆变器通过拓扑结构中的储能元件，在死区时间内，输出相电流可以续流，降低死区的影响，减小输出相电流在低频时的畸变率。对其工作原理进行分析，给出不同工作模式下的等效电路图、相应的电路解析和回路的参数设计方法。通过仿真和实验，验证了该原理的正确性。
2009 Vol. 29 (18): 33-40 [摘要] ( 719 ) [HTML 1KB] [PDF 505KB] ( 387 )
41 卢增艺 陈为
多通道交错并联反激变换器磁集成技术研究
采用谐波分解方法揭示了电压调整模块电感耦合带来通道电流谐波消除的内在机理。在反激变换器中，交流线圈损耗可由变压器分量损耗和电感器分量损耗2部分组成。在中小功率场合，变压器的电流纹波较大，电感器分量带来严重的气隙扩散磁通效应往往成为线圈涡流损耗的主要因素，因此，结合多通道耦合电感技术和反激变压器的线圈损耗特点，提出多通道交错并联反激变换器磁集成技术，以减小电流纹波，改善线圈的电感器分量损耗和磁芯损耗，并通过理论分析和实验加以证明。
2009 Vol. 29 (18): 41-46 [摘要] ( 581 ) [HTML 1KB] [PDF 327KB] ( 608 )
47 姜卫东 杜少武 史晓锋 鲍晓华
中点箝位型三电平逆变器空间矢量与虚拟空间矢量的混合调制方法

中点电压偏移是中点箝位型(neutral point clamped，NPC)多电平逆变器的主要缺点。空间矢量脉宽调制(space vector pulse-width modulation，SVPWM)由于算法本身的缺陷，在调制度较高且功率因数较低时，电容电压出现低频波动。虚拟空间矢量调制(virtual SVPWM, VSVPWM)方法能够在全范围内处理中点电压偏移问题，但存在开关次数较多，谐波特性较差的缺点。该文建立含电容电压的NPC三电平逆变器的PWM模型，讨论SVPWM和VSVPWM的约束条件。在特定的区域采用SVPWM，其他区域采用VSVPWM，给出了这2种调制策略的切换条件。实验结果表明，混合调制方法(hybrid PWM，HPWM)较之以前的解决方案能够更好的平衡电容电压，并且也能够有效的降低开关次数和提高逆变器输出的谐波特性。
2009 Vol. 29 (18): 47-53 [摘要] ( 663 ) [HTML 1KB] [PDF 438KB] ( 379 )
54 崔江 王友仁
采用基于模糊推理的分类器融合方法诊断电力电子电路参数故障

针对电力电子电路中器件的参数故障诊断问题，提出一种基于模糊推理的分类器融合诊断方法。采用神经网络和支持向量机分类器作为模糊推理输入的两种子分类器，设计了对应的隶属度函数对2种分类器输出进行模糊化处理；根据预先处理好的模糊变换矩阵进行计算，最终得到系统的融合输出。通过对一个Cuk电路的仿真实验和分析表明，所得诊断方法是有效的，优于任意单个子分类器的诊断精度，该方法对于随机噪声具有较好的鲁棒性。
2009 Vol. 29 (18): 54-59 [摘要] ( 729 ) [HTML 1KB] [PDF 281KB] ( 405 )
60 汪殿龙 王军 胡云岩 齐铂金
燃料电池车用大功率DC-DC变换器复合输入输出特性控制系统

燃料电池电动汽车是一种新兴的清洁能源汽车，针对燃料电池电动汽车用DC-DC变换器复杂的输入输出特性的要求，在输出恒压、输出恒流和输入欠压3闭环系统的基础上，通过增加复合自动控制器、动态选择控制特性调节信号的方法，设计一种复合输入输出特性控制方法。建立了该复合控制系统的数学模型，并详细分析其工作原理，用Simulink软件对该模型进行仿真，通过实验对该模型进行验证。仿真和实验结果验证了控制系统的有效性和实验的可行性。该方法实现了燃料电池电动汽车对DC-DC变换器输入输出外特性控制，并在所研制90 kW 升压型DC-DC变换器中得到应用，运行工作可靠。
2009 Vol. 29 (18): 60-64 [摘要] ( 677 ) [HTML 1KB] [PDF 247KB] ( 405 )
电机与电器
65 朱德明 邱鑫 张卓然 王慧贞 严仰光
直驱式电励磁双凸极风力发电机的极数研究
针对低速直驱风力发电应用场合，对电励磁双凸极电机的极数进行了研究。双凸极电机属变磁阻电机，存在2个气隙且电枢绕组为集中绕组，常规电机数学模型已不再适用。该文分析了电机的气隙磁密和极对数的特点，并在此基础上推导了单匝绕组电动势和相绕组电势的表达式，从理论上证明了在定子内径和转速不变时，单匝绕组电动势与极数无关，而相电势与极数成正比关系。有限元仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。给出1 MW直驱式电励磁双凸极风力发电机设计实例，并进一步分析了极数对电机有效材料的影响，为低速直驱式电励磁双凸极电机的极数选择提供参考。
2009 Vol. 29 (18): 65-70 [摘要] ( 700 ) [HTML 1KB] [PDF 400KB] ( 485 )
71 廖勇 何金波 姚骏 庄凯
基于变桨距和转矩动态控制的直驱永磁同步风力发电机功率平滑控制

风能的不确定性以及风轮机自身特性使风力发电机输出有功功率随风速变化而波动，影响风电机组输出电能质量，严重时还会影响电网运行稳定性。在分析变桨变速直驱永磁同步风力发电机运行特性的基础上，提出了在全风速范围内结合风力机变桨控制和发电机变速控制的发电机有功功率平滑控制策略。考虑到风能的随机性及直驱风能发电系统很强的非线性，设计了基于模糊理论的变桨距控制器和发电机转矩动态滑模控制器。对一台采用该控制策略的直驱永磁同步风力发电机的运行行为进行仿真研究。结果表明，提出的模糊变桨距控制能有效控制发电机转速运行范围，动态滑模控制能使发电机输出平滑的有功功率。与传统最大风能跟踪控制策略相比，所提出的控制方案能有效降低直驱永磁同步风力发电机输出有功功率的波动，控制发电机转速运行范围。
2009 Vol. 29 (18): 71-77 [摘要] ( 736 ) [HTML 1KB] [PDF 567KB] ( 618 )
78 李俊卿
采用混合单元的汽轮发电机定子温度场的分析与计算

为了提高大型汽轮发电机温度场计算的精度，提出采用混合单元(混合坐标系)计算电机温度场的方法。根据传热学和流体力学的基本原理，建立汽轮发电机定子三维温度场的数学模型；采用热平衡原理对定子温度场的偏微分方程进行离散化处理，形成电机的等效热网络。给出采用混合单元对电机进行网格划分的方法，并推导了不同坐标系下热导的求解方法，进而给出采用等效热网络方法求解定子温度场的非线型方程组。将其应用于一台QFSN-200-2型汽轮发电机定子温度场的计算，并将计算结果与实测值进行了比较，结果表明所提出的方法是正确可行的。
2009 Vol. 29 (18): 78-82 [摘要] ( 566 ) [HTML 1KB] [PDF 302KB] ( 373 )
83 刘英想 刘军考 陈维山 石胜君
纵振夹心换能器式圆筒型行波超声电机
提出一种纵振夹心换能器式圆筒型行波超声电机，该电机定子组件由定子圆筒和4个纵振夹心换能器组成，变幅杆和圆筒采用一整块硬铝合金加工而成。利用压电陶瓷片的纵向振动在夹心换能器中激励出纵向振动，实现两组换能器在定子圆筒上激励出2个幅值相等、在时间和空间上均相差p/2的弯振模态响应，2个弯振模态响应叠加在定子圆筒上形成弯曲振动行波，定子齿表面质点产生椭圆运动轨迹，进而通过和转子之间的摩擦耦合实现宏观运动输出。运用有限元法设计了定子圆筒和纵振夹心换能器，并实现了频率简并。测量结果表明，样机的最大转速为110 r/min，堵转力矩为0.5 N×m。
2009 Vol. 29 (18): 83-88 [摘要] ( 697 ) [HTML 1KB] [PDF 560KB] ( 381 )
89 卢琴芬 叶云岳
基于场路结合模型的深槽式单相直线感应电机特性研究

阐述了深槽式单相直线感应电机的结构特点和运行原理，提出了场路结合的分析模型(其中用有限元方法分析铁心叠厚范围内的磁场分布，用电路来等效初级绕组端部)。该模型包含多个电机初级和一个电机次级，既能计算电机堵动时的气隙磁场、推力、电容电压、次级的涡流功率等稳态特性，也能计算电机起动时的电流、速度、推力等动态特性；另外还可以分析电机结构参数与电容容量对电机性能的影响。分析结果表明，该电机具有起动电流小、电容电压大等特点。样机实验结果与分析结果相一致，表明了该分析模型的有效性。
2009 Vol. 29 (18): 89-93 [摘要] ( 535 ) [HTML 1KB] [PDF 322KB] ( 344 )
94 程树康 于艳君 柴凤 高宏伟 刘伟
内置式永磁同步电机电感参数的研究

分析了永磁体磁势和电枢磁势共同作用时内置式永磁同步电机的电感特性，基于交流静态法，提出了一种改进的测量内置式永磁同步电机定子自感和互感以及交直轴电感的方法。为了考虑饱和和交叉耦合效应对电感参数的影响，该方法首先根据所测电压和电流数据计算出不同转子位置和电流下的磁链，然后根据磁链计算出电机自感和互感以及交直轴电感参数，并应用该方法进行了实测研究。结果表明，实测结果与有限元分析结果吻合较好，验证了该方法的可行性和有效性。
2009 Vol. 29 (18): 94-99 [摘要] ( 754 ) [HTML 1KB] [PDF 489KB] ( 664 )
100 朱熀秋 沈玉祥 邬清海 陈佳驹
交流混合磁轴承建模与控制系统
阐述交流二自由度混合磁轴承(AC 2 degrees of freedom hybrid magnetic bearings，AC-2DOF-HMB)的结构和工作原理，采用等效磁路法建立了交流磁轴承径向悬浮力数学模型。在此基础上，设计交流磁轴承的控制系统，以TMS320F2812为控制系统的CPU研制了硬件，采用参数自整定模糊PID控制规律设计磁轴承控制器，基于C2000环境，用C语言和汇编语言结合开发了相关控制软件程序，并进行实验调试，实现交流混合磁轴承稳定悬浮。研究表明：所设计的交流混合磁轴承数字控制系统不仅能满足磁轴承的性能要求，而且便于参数调试，易于实现各种先进的控制策略。
2009 Vol. 29 (18): 100-105 [摘要] ( 574 ) [HTML 1KB] [PDF 390KB] ( 393 )
106 张琪 黄苏融 谢国栋 丁烜明
独立磁路混合励磁电机的矩阵分析
独立磁路混合励磁电机结构特殊，分析计算也区别于常规电机。运用矩阵分析方法，导出该电机的稳态和动态数学模型，分析其磁场大范围可调制的机理，并给出一台由转枢式交流励磁机供电(无刷)的独立磁路混合励磁试验样机的计算实例及试验结果，获得了满意的一致性。计算数据与试验结果表明：改变电励磁磁势(magnetomtive force，MMF)的大小和方向可改变电枢感应电势(electromotive fore，EMF)的大小，而且感应电势与电励磁磁势近似成线性关系；由于励磁电流由转枢式交流励磁机提供，无需电刷，提高了系统的可靠性；独立磁路混合励磁电机和转枢式交流励磁机一体化设计，减小了体积，使系统结构更紧凑可靠。
2009 Vol. 29 (18): 106-112 [摘要] ( 886 ) [HTML 1KB] [PDF 417KB] ( 372 )
113 张宇 陈乔夫 田军 李鑫 李建会
基于变压器端口调节的可控电抗器

提出一种具有控制绕组和短路绕组2种副边绕组的新型多绕组变压器式可控电抗器。调节控制绕组与原边电流的关系，原边绕组端口可以呈现连续变化的电抗值，再结合短路绕组的分级串联短路，则可使装置的电抗值或容量在较大范围内平滑调节。该电抗器的调节容量主要通过绕组短路获得，因此作为电流控制设备的脉宽调制(pulse width modulation，PWM)逆变器容量很小。对所得出可控电抗器进行建模及控制分析，试验结果证实了该可控电抗器的可行性及优异的工作性能。
2009 Vol. 29 (18): 113-118 [摘要] ( 544 ) [HTML 1KB] [PDF 337KB] ( 359 )
电工理论与新技术
119 雷刚 李燕斌 邵可然 杨光源 赵军
超导磁储能系统的序贯克里金优化方法

超导磁储能系统(superconducting magnetic energy storage，SMES)是超导应用研究的热点。SMES利用超导磁体的低损耗和快速响应能力，通过电力电子型变流器与电力系统相连，组合为一种既能为其储存电能又能为其释放电能的多功能电磁系统。SMES的先进功能主要体现于，它能大容量超低损耗的储存电能、改善供电质量、提高系统的稳定性和可靠性。该文以SMES的优化设计(IEEE TEAM Workshop Problem 22)为例，介绍了序贯优化方法和克里金(Kriging)统计近似模型在低维和高维、离散域和连续域优化问题中的应用。优化结果显示，该优化方法能在保证设计精度的前提下，极大降低有限元的计算量。如3参数优化问题中有限元的计算量比直接优化的1/10还要少；而8参数优化问题中有限元的计算量约为直接优化的1/3。从而该方法可广泛应用于电磁装置的优化设计问题。
2009 Vol. 29 (18): 119-124 [摘要] ( 624 ) [HTML 1KB] [PDF 326KB] ( 368 )
 
 
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