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中国电机工程学报
2009年 29卷 21期
刊出日期 2009-07-25
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 张宪平 李亚西 许洪华
新型拓扑滤波器的双馈风电网侧变流器阻尼策略
对基于LCL滤波的双馈风力发电机组网侧变流器谐振阻尼策略进行研究。首先对电容串联和并联电阻的无源阻尼方式在滤除高次谐波和阻尼电阻功率损耗方面进行比较研究。其次，为降低无源阻尼方式中电阻的功率损耗，提出一种新型的有源阻尼策略。在对网侧变流器采取电网电流反馈闭环控制的基础上，利用电容电流和比例环节对电网电流闭环极点进行配置，以增大控制系统的阻尼，抑制谐振发生；同时对比例环节参数对电流闭环的影响进行分析，并给出参数的选择原则。最后，通过搭建基于LCL滤波器的双馈风力发电系统网侧变流器仿真模型和实验系统，对理论进行验证。仿真和实验结果都证明了理论的正确性。
2009 Vol. 29 (21): 1-7 [摘要] ( 686 ) [HTML 1KB] [PDF 292KB] ( 463 )
8 杨恩星 仇志凌 陈国柱 吕征宇
基于载波移相并联的直驱风力发电并网变流器控制策略
直驱风力发电变流器需要全功率变流器，其网侧变流器设计要求低谐波输出、宽电压工作范围、高可靠性及快速的动态响应能力。受现有功率器件及其开关频率、发热等条件制约，采用单模块的变流器难以满足系统要求，因此采用载波移相并联作为并网变流器，使系统冗余性增强、输出电流控制的等效开关频率和采样频率都得到了提高，输出滤波电感的压降减小，提高了系统动态响应能力。针对载波移相并联变流器的环流问题，通过对载波移相并联系统环流数学模型的分析，提出了一种可以有效抑制环流同时改善系统动态性能的总电流输出外环加环流控制环的控制策略。仿真和实验结果验证了所提控制方案的可行性和有效性。
2009 Vol. 29 (21): 8-13 [摘要] ( 668 ) [HTML 1KB] [PDF 423KB] ( 432 )
14 汪东 赵一 石健将 何湘宁
具有开关电容的隔离型交错并联Boost变换器
提出一种具有开关电容的隔离型交错并联Boost变换器。由于开关电容的存在，此变换器的变压器可交替工作在反激与正激模态，从而将部分输出能量存储在开关电容中，因此，这种变换器的功率等级有了一定提高，磁芯的体积可有效减小。开关电容内在的倍压能力提高了电路的电压增益，因此降低了变压器的匝比和副边二极管的电压应力。开关电容的充放电平衡使得输出各相之间的电流自动均衡。开关管的非对称连接方式，使得并联运行的2个支路只需要一个有源钳位电路就可吸收2个变压器原边的漏感能量，因此，主开关管和钳位管都实现了零电压开通和零电压关断。由于二极管的电流下降率受到变压器漏感的限制，因此反向恢复问题得到抑制。一台1 kW 48 V/380 V的实验样机的实验结果验证了理论分析的有效性。
2009 Vol. 29 (21): 14-20 [摘要] ( 557 ) [HTML 1KB] [PDF 554KB] ( 602 )
21 粟梅 孙尧 陈睿 桂卫华
双电压合成调制和空间矢量调制的一致性
在深入分析矩阵变换器双电压合成调制和空间矢量调制策略基本原理的基础上，从数学的角度证明了2种调制策略占空比的计算表达式是一致的，说明2种调制策略宏观上是统一的。从开关序列安排、原点开关的基本概念以及功率因数控制等方面揭示了2种调制策略的一致性。受空间矢量调制中利用相反的有效矢量抑制共模电压的方法的启发，提出一种减少共模电压的双电压合成方法，仿真结果验证了该方法的正确性和可行性，进一步证实了空间矢量调制和双电压合成调制的内在一致性。
2009 Vol. 29 (21): 21-26 [摘要] ( 591 ) [HTML 1KB] [PDF 362KB] ( 362 )
27 王晓刚 谢运祥 帅定新 黄少辉
三相电压型脉宽调制整流器的非线性预测控制
脉宽调制(pulse width modulation，PWM)对电流跟踪的要求比较高，而数字化控制的延迟会严重影响整个系统的性能。为解决这一矛盾，并考虑到PWM整流器的非线性特性，将基于微分几何理论的非线性预测控制方法应用于三相电压型PWM整流器。利用泰勒展开得出状态值和指令值下一控制周期的预测值，并根据性能指标得出当前周期的控制量。为进一步提高电流跟踪精度，将状态变量及其指令值的偏差作为目标方程，在性能指标中引入目标方程的积分，得出了新的控制率。对非线性预测控制的本质进行分析。仿真和实验结果均表明，输入电流为正弦量，畸变率低，功率因数高，暂态特性优异，能有效补偿延迟的影响，验证了所提方法的正确性和有效性。
2009 Vol. 29 (21): 27-33 [摘要] ( 632 ) [HTML 1KB] [PDF 340KB] ( 424 )
34 许爱国 谢少军
阶梯波合成逆变器的波形调制技术研究
阶梯波合成逆变器开关频率低，谐波含量小，滤波容易，特别适合大功率应用场合，但由于传统阶梯波合成逆变器功率管驱动信号采用延时的方法产生，动态性能差。研究了一种新的阶梯波合成逆变器波形调制技术，采用空间矢量调制方法得到各桥功率管驱动信号，提高逆变器的带宽。在分析移相变压器对空间矢量的影响的基础上，结合阶梯波合成逆变器对驱动信号的逻辑要求，提出从相位滞后通道至相位超前通道顺序采样的错时采样空间矢量调制(space vector modulation，SVM)策略，并分析该调制技术的谐波消除机制和特性。仿真和实验验证了该技术可以用于阶梯波合成逆变器的输出电压的调节，具有优良的输出频谱特性，且增大了逆变器的带宽，有利于提高逆变器的动态性能。
2009 Vol. 29 (21): 34-39 [摘要] ( 583 ) [HTML 1KB] [PDF 344KB] ( 413 )
40 张云 孙力 吴凤江 孙奎
电容箝位型非对称H桥五电平逆变器正弦脉宽调制控制

为简化多电平逆变器拓扑结构、提高性能，构建了电容箝位型非对称H桥五电平逆变器。提出一种新型的锯齿载波交错正弦脉宽调制(sine pulse width modulation，SPWM)策略，通过在每个载波周期内控制电容充、放电时间相等，保证电容电压平衡。采用锯齿载波，在扩展的三相系统中，控制任意两相电压相对应的脉宽调制(pulse width modulation，PWM)脉冲对始终位于对应锯齿载波的起始(末尾)侧，消除了线电压中部分相邻“电平层”交叠的现象。对3种同类五电平逆变器及其对应的调制策略进行对比分析，构建的拓扑所用功率器件最少，等效开关频率为载波频率的2倍，电容电压平衡且波动幅度较小，线电压谐波含量最少。实验结果验证了该拓扑及其调制策略的正确性与有效性。
2009 Vol. 29 (21): 40-45 [摘要] ( 576 ) [HTML 1KB] [PDF 459KB] ( 391 )
46 廖志凌 阮新波
独立光伏发电系统能量管理控制策略

随着能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能光伏发电正成为世界关注的热点。提出一种新的太阳能独立光伏发电系统能量管理控制策略。系统由太阳能电池、蓄电池、单向DC-DC变换器和双向DC-DC变换器组成，太阳能电池提供负载稳定工作时所需要的能量，多余或不足的能量由蓄电池来动态调节。系统能量管理的核心是根据太阳能电池和蓄电池的工作状态，控制单向变换器和双向变换器工作在合适的模式，从而使太阳能电池和蓄电池协调工作，确保供电系统高效稳定运行以及快速的动态响应。通过原理样机验证了所提的系统能量管理控制策略的有效性。
2009 Vol. 29 (21): 46-52 [摘要] ( 624 ) [HTML 1KB] [PDF 379KB] ( 532 )
电机与电器
53 李伟力 杨雪峰 顾德宝
空冷汽轮发电机冷却气流风量对定子内流体的影响

根据大型空冷汽轮发电机多风路通风系统内流体流动与传热的特点，建立定子多风路通风系统三维流动与传热耦合计算的物理模型与数学模型，并给出求解域相应的边界条件及假设条件，采用有限体积法对三维流体场和温度场控制方程进行耦合计算；在保证总风量不变的情况下，分析改变定子、气隙风量对定子各个径向通风沟内的流体速度、温度及电机各部分温度空间分布特性的影响。结果表明，适当增加气隙风量，会降低电机定子最高温度，还会降低电机定子最高温度与最低温度的温差。最后，以200 MW两级大容量空冷汽轮发电机为例进行计算，将计算结果与实测结果进行比较分析，证明该方法的准确性。
2009 Vol. 29 (21): 53-61 [摘要] ( 733 ) [HTML 1KB] [PDF 1177KB] ( 376 )
62 王伟 陈宁 朱凌志 徐殿国
双馈风力发电机低电压过渡的相角补偿控制策略

基于撬棒保护(crowbar)的控制方法是双馈风电机组(doubly-fed induction generator，DFIG)实现低电压过渡(low voltage ride through，LVRT)的主要方式之一。在撬棒保护退出后，故障恢复过渡过程中，转子过电流仍有可能损坏变流器。针对上述问题，通过双馈电机的动态等效模型构建故障过程系统分析模型，深入分析故障发生和电网电压恢复过程中的机端电压相角跳变机制及其对矢量定向精度的影响。在此基础上，提出相角补偿控制原理，改进现有 LVRT控制策略，将控制流程分为正常运行、撬棒保护投入、撬棒保护退出和电网电压恢复4个阶段。在正常运行及撬棒保护退出阶段，采用定子磁链定向控制；在撬棒保护投入阶段，封闭转子侧变流器绝缘栅双极型功率管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)的脉冲，网侧变流器保持正常工作；在电网电压恢复阶段采用相角补偿控制。仿真结果表明，所提控制策略能够有效抑制电网电压恢复过程中的过电流。
2009 Vol. 29 (21): 62-68 [摘要] ( 903 ) [HTML 1KB] [PDF 586KB] ( 478 )
69 仲慧 王秀和 张洪宝 杨玉波
新型接法的三绕组单相电动机

在单相供电系统中，当电动机额定功率大于0.5 kW时，采用普通单相感应电动机是不经济的，为此提出一种新型连接方式的三绕组单相感应电动机，该接法对Y接法三相感应电动机的6个出线头进行改接，并与2个电容器相连接，改变了绕组中电流的相位，使三相电机在单相供电系统中实现接近对称运行。采用对称分量法研究该连接方式下电机对称运行需要满足的条件，讨论对称运行条件下电容的选择及其对电机性能的影响，推导了该电机性能计算的具体方法。针对该连接方式进行试验研究，并与三相对称运行进行比较。样机试验证明，新型接法三绕组电机的效率接近三相电动机在三相电源上对称运行的效率，且具有更高的功率因数，可替代普通单相感应电动机。
2009 Vol. 29 (21): 69-73 [摘要] ( 594 ) [HTML 1KB] [PDF 329KB] ( 390 )
74 张卓然 严仰光 周竞捷 周波
新型十二相梯形波永磁无刷直流发电机
同步电机六相双Y绕组就电机内部而言实质上由十二相30°绕组连接而成。提出永磁同步电机采用十二相梯形波相电势输出，经共阳极连接十二相零式整流电路整流构成永磁无刷直流发电机。利用槽电势星形图分析输出电压特性，得到电枢绕组的设计原则。设计一台2 kW梯形波永磁无刷直流发电机，建立发电机系统场路耦合模型，并进行有限元计算，得到整流二极管导通模态及导通电流特性。样机实验结果与理论及仿真分析一致，表明十二相梯形波永磁无刷直流发电机的整流二极管数目与六相双Y整流电路相同，输出电压脉动相当，但整流二极管平均电流降低一半。
2009 Vol. 29 (21): 74-79 [摘要] ( 534 ) [HTML 1KB] [PDF 268KB] ( 330 )
80 黄学良 周赣 张前
平面电机的海尔贝克型直线电机执行器
平面电机的电磁执行器由4组海尔贝克(Halbach)型永磁同步直线电机构成。介绍平面电机的结构和工作原理，给出执行器样机的结构方案和解耦电磁力方程，推导执行器样机的运动控制方程，并提出执行器的电流控制策略，给出电流控制、静态力测量、开环定位、闭环定位的实验步骤和结果，其中，500 mA电流阶跃响应的调节时间为2.5 ms，稳态误差小于5 mA；海尔贝克型执行器的机电常数实测值为17.4 N/A，为径向阵列型执行器的1.36倍；开环定位的平均误差为50 mm；闭环10 mm阶跃响应的调节时间为350 ms，稳态误差小于20 mm。实验结果表明，海尔贝克型执行器的电磁力模型较准确，电流控制策略可行。
2009 Vol. 29 (21): 80-86 [摘要] ( 627 ) [HTML 1KB] [PDF 412KB] ( 619 )
87 李小平 李志科 陈学东 段正澄
纳米精度运动台电机伺服参数校准方法研究
多自由度纳米精度工件台的精度直接受电机力常数和增益平衡矩阵的影响，需要进行周期性测试。因实际电机负载与理论计算负载有差异且随时间发生改变，导致其电机力常数变化，直接采用理论计算负载会降低工件台精度。采用传递函数计算电机实际负载，建立电机负载与电机力常数间的关系，实现了电机力常数的校准。引入串扰系数描述不同电机轴间的串扰，并提出了增益平衡矩阵的详细计算方法。实验验证了该方法的正确性，并实现了工件台10 nm的定位精度。
2009 Vol. 29 (21): 87-92 [摘要] ( 558 ) [HTML 1KB] [PDF 431KB] ( 350 )
93 许小庆 权龙 李斌
开关型电磁铁控制比例伺服阀的方法及实验研究

提出利用开关电磁铁构成单电磁铁式电液比例伺服阀的方案。在闭环控制基础上，提出自适应前馈补偿方法，解决开关电磁铁的非线性问题；采用抗饱和积分控制方法，在消除稳态误差的基础上，减小电磁铁动态响应时间。在理论上解释2种方法的原理，试验验证2种控制方法的效果。另外，利用电磁铁心速度反馈，增大闭环回路增益，进一步减小电磁铁的动态响应时间。结果表明，与现有采用比例电磁铁的技术相比，新方案具有设计简单、成本低的优点。
2009 Vol. 29 (21): 93-98 [摘要] ( 508 ) [HTML 1KB] [PDF 307KB] ( 644 )
99 陈锋 赵彦珍 马西奎
基于设计变量重构的干式空心电抗器优化设计方法
在深入分析干式空心电抗器优化设计模型的基础上，提出一种基于设计变量重构的干式空心电抗器优化设计方法。该算法通过构造一组线性方程，得到了由重构设计变量到原设计变量的映射关系，使优化设计的变量由原来的m + n + 2个减少到4个，并将有等式约束优化问题转换成降维的无等式约束优化问题。在实际的优化设计中，先利用遍历算法对重构的设计变量进行寻优，然后应用由重构设计变量到原设计变量的映射关系就即可求得原设计变量的最优值。此外，在保持重构的设计变量不变的前提下，针对一次设计结果存在的缺陷，提出通过微调设计参数使电抗器的整体性能达到最优的方法。优化设计实践表明，基于设计变量重构的优化设计方法具有计算速度快、效率高、需要的人工干预少等优点。
2009 Vol. 29 (21): 99-106 [摘要] ( 585 ) [HTML 1KB] [PDF 327KB] ( 391 )
107 季良 陈德桂 刘颖异 李兴文 纽春萍
利用电弧动态数学模型的低压断路器开断过程仿真分析
低压断路器开断过程仿真的关键内容是如何建立开断过程的电弧数学模型，并将其与其它开断过程的物理现象相耦合。通过对虚拟样机软件ADAMS进行二次开发，将电弧动态数学模型应用到低压断路器的开断过程仿真，并结合有限元软件ANSYS，建立了耦合复杂机械运动﹑电路﹑磁场和电弧数学模型的低压断路器开断过程仿真模型。通过将建立的仿真模型应用到一带双向斥开触头系统的塑壳断路器，研究了静触头压力大小对该塑壳断路器开断性能的影响。实验结果表明，利用所提出的仿真模型研究低压断路器的开断过程是可行的。
2009 Vol. 29 (21): 107-113 [摘要] ( 614 ) [HTML 1KB] [PDF 370KB] ( 386 )
114 徐爱群
超磁致伸缩换能器谐振频率自动跟踪方法
为了能有效地减小换能器的体积，实现同位控制及对换能器工作频率的自动调节，提高换能器的工作效率，提出了超磁致伸缩换能器的谐振频率自动跟踪方法。根据超磁致伸缩材料压磁方程，建立了超磁致伸缩换能器速度、阻抗及所受外力的自感知模型；分析了利用感知阻抗自动搜索谐振频率的工作原理，在无需安装检测谐振频率传感器的条件下，实现换能器谐振工作点的自感知，并能方便、快速地自动跟踪系统的谐振频率。在研制的实验装置上，比较分析了扫频方式和搜索感知阻抗方式跟踪谐振频率的一致性，验证了换能器谐振频率自动跟踪方法的可行性与正确性。
2009 Vol. 29 (21): 114-118 [摘要] ( 517 ) [HTML 1KB] [PDF 247KB] ( 450 )
电工理论与新技术
119 邹军 赵科 蒋陶宁
涡流无损检测中的广义索末菲尔德积分快速计算
广义索末菲尔德(Sommerfeld)积分的快速准确计算是涡流无损检测数值仿真的重要研究内容之一。对于积分核中含有2个贝塞尔(Bessel)函数乘积的广义Sommerfeld积分，给出一种高效准确的数值算法。通过将原积分核中远谱渐近分量抽出，广义Sommerfeld积分核可表示为具有快速收敛的积分核和渐近积分核2项之和的形式。对于渐近积分核部分，推导了其闭式指数积分表达式；对于快速收敛积分核部分，确定了数值积分的积分上限和对应的积分误差限。数值算例表明，与直接采用数值积分的算法相比，在同等计算精度情况下，该文的方法可提高计算效率10~100倍，该快速算法可应用于了涡流无损检测数值仿真中。
2009 Vol. 29 (21): 119-123 [摘要] ( 524 ) [HTML 1KB] [PDF 317KB] ( 366 )
124 周封 管春伟 李伟力 赵芬
铁耗和环流损耗分布对定子温度场及绝缘外表面散热系数计算的影响

以150 MW空冷汽轮发电机为例，建立电机二维电磁场数学模型，利用有限元方法对电机定子基本铁耗及其分布进行计算与分析，在此基础上对定子温度场进行计算，并与传统方法铁耗均匀分布情况下的温度场进行比较，给出了铁耗分布对定子温度场的影响；研究了计及每根股线的环流损耗与环流损耗平均分布2种方案下的定子温度场。在考虑上述基本铁耗和环流损耗的基础上，提出基于傅里叶导热定律和牛顿放热定律的通风沟内主绝缘外表面散热系数计算新方法，为电机与电器的表面散热系数计算提供了新思路。
2009 Vol. 29 (21): 124-130 [摘要] ( 590 ) [HTML 1KB] [PDF 432KB] ( 337 )
 
 
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