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中国电机工程学报
2009年 29卷 33期
刊出日期 2009-11-25
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 罗湘 汤广福 温家良 贺之渊 庞辉 郑健超
电压源换流器高压直流输电装置中IGBT的过电流失效机制
为满足电压源换流器高压直流输电(voltage source converter high voltage direct current，VSC-HVDC)装置可靠性及其试验方法和试验等效机制研究的需要，重点研究了该装置中绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)阀在过电流故障状态下的失效机制。介绍了VSC- HVDC系统及其阀的结构，将IGBT阀过电流故障分为3种不同的类型，分析IGBT阀在不同过电流故障状态下的电压和电流应力及其在故障应力下的内部物理过程。最终得到了IGBT阀在3种过电流故障下的失效机制。
2009 Vol. 29 (33): 1-7 [摘要] ( 593 ) [HTML 1KB] [PDF 334KB] ( 416 )
8 孙醒涛 孙力 吴凤江 赵克
新型单电源混合不对称多电平变换器拓扑及控制方法

单电源混合不对称多电平变换器在结构上较混合多电平变换器简单，体积与成本得到降低，但存在控制复杂的问题。针对单电源混合不对称多电平变换器主变换器中点电位平衡与从变换器电容电压稳定难以同时协调控制的问题，提出一种新型单电源拓扑结构。通过在主变换器中增加一个辅助桥臂来独立地对中点电位进行调整，可极大地简化单电源变换器控制的复杂性。采用PI控制维持从变换器电容电压整体的稳定，同时从变换器采用冗余状态选择方法对每个输出电压周期内的电容电压进行调整。通过仿真和实验对新型拓扑和控制策略进行验证。
2009 Vol. 29 (33): 8-14 [摘要] ( 445 ) [HTML 1KB] [PDF 327KB] ( 401 )
15 周国华 许建平 金艳艳
非对称三角后缘调制数字V2控制Buck变换器分析
为克服传统开关变换器的对称三角后缘调制(symmetrical trailing-triangle，STT)的次谐波振荡问题，提出开关变换器的非对称三角后缘(asymmetrical trailing- triangle，ATT)调制方法。研究基于ATT调制的数字V2控制Buck变换器的控制技术及其稳定性。分析结果表明，传统的后缘调制、前缘调制以及STT调制都是ATT调制的特殊情况。ATT调制方法从调制原理上消除了次谐波振荡，保证了控制系统的稳定性。仿真结果和实验结果均表明，基于ATT调制的数字V2控制算法具有比基于STT调制的数字V2控制算法更好的稳定性。
2009 Vol. 29 (33): 15-21 [摘要] ( 492 ) [HTML 1KB] [PDF 350KB] ( 381 )
22 褚恩辉 张化光 刘秀翀 翟明圆
新型交错并联双管正激软开关变换器

提出一种新型的交错并联双管正激零电压零电流软开关脉宽调制(pulse width modulation，PWM) DC-DC变换器。与传统的交错并联双管正激PWM DC-DC变换器相比，它不含有辅助谐振电路。利用带有抽头的输出平滑电感、缓冲电容及变压器寄生电感，可实现开关管的软开关。该变换器可有效地抑制开关管的电压、电流尖峰，降低回路中的环流损耗，没有变压器饱和效应。根据不同工作模式下的等效电路图，分析这种新型变换器的工作原理、软开关实现条件。制作一个使用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolartransistor，IGBT)的500 W-100 kHz样机，通过仿真和实验验证该变换器的有效性。
2009 Vol. 29 (33): 22-27 [摘要] ( 579 ) [HTML 1KB] [PDF 407KB] ( 391 )
28 佘宏武 林桦 王兴伟 熊松 何必
矩阵变换器在非正常输入电压下的控制策略

给出一种在不平衡及非正弦等非正常输入电压下矩阵变换器的控制策略。在深入分析虚拟逆变器及整流器的空间矢量调制策略基础上，引入调制矢量的概念，提出一种新颖的矩阵变换器间接空间矢量调制实现方案。新方案使得空间矢量调制计算过程均在复平面上直角坐标系中进行，避免了传统方法中的三角函数计算。基于调制矢量的概念分析矩阵变换器的输出电压特性。通过实时地调整输入电流及输出电压调制矢量，新方案可方便地补偿输入电压中不平衡及非正弦等扰动对负载造成的影响。控制策略得到了仿真及实验的验证。
2009 Vol. 29 (33): 28-33 [摘要] ( 445 ) [HTML 1KB] [PDF 707KB] ( 343 )
34 秦春江 葛宝明 彭方正
脉冲编码和旋转的级联中点箝位逆变器脉宽调制控制

级联中点箝位(cascade neutral point clamped，NPC)逆变器更适合于高压、大功率领域应用，但确保各单元的功率和电压平衡最为关键。提出一种有效的正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)控制方案，它在整个调制比范围内采用脉冲编码和脉冲旋转，平衡所有模块单元的电压与功率，同时使各模块单元中两串联电容电压平衡，各模块以较低的器件开关频率实现较高频率的相电压脉冲。将所提出的方案用于控制一个17电平1 MVA 6 000 V的级联NPC逆变器，仿真和实验结果验证了该方案的可行性和有效性。
2009 Vol. 29 (33): 34-39 [摘要] ( 461 ) [HTML 1KB] [PDF 419KB] ( 347 )
40 杨勇 阮毅 叶斌英 汤燕燕
三相并网逆变器无差拍电流预测控制方法
针对三相并网逆变器的特点，采用一种新的无差拍电流预测控制策略。与传统不加补偿的无差拍控制器相比，可改善控制上的延时，在相同的采样频率下可使输出电流畸变减少，提高三相并网逆变器的性能。为进一步提高三相并网逆变器的可靠性和降低并网逆变器的成本，提出一种基于软件锁相环和虚拟电网磁链的无电网电压传感器的控制策略。采用虚拟的电网磁链矢量定向的矢量控制，实现了d、q轴电流的解耦控制，使q轴电流控制有功功率，d轴电流控制无功功率。将无差拍电流预测控制和无电网电压传感器控制相结合，为三相并网逆变器提供一种高性能的解决方案。最后实验验证了该方案的可行性和正确性。
2009 Vol. 29 (33): 40-46 [摘要] ( 522 ) [HTML 1KB] [PDF 441KB] ( 545 )
47 杜雄 卢昊 周雒维
平均电流控制三相直流侧并联型有源电力滤波器
为实现三相直流侧有源电力滤波器的数字控制，提出将平均电流控制应用于三相直流侧并联型有源电力滤波器(active power filter，APF)的控制。为设计电流补偿器，提出定量分析电流环带宽和交流侧输入电流补偿性能关系的方法。该方法分析结果表明在输入频率为50 Hz的情况下，且三相直流侧APF的电流环带宽超过1 kHz时，可在输入端实现较好的谐波电流补偿性能。通过利用建立的电压环和电流环数学模型，设计完成的实验样机测试结果表明，在电流环带宽为1和2 kHz下的补偿效果相当，证明了平均电流控制在三相直流侧APF中应用的有效性，同时也证明了定量分析电流环带宽和补偿性能关系方法的正确性。
2009 Vol. 29 (33): 47-53 [摘要] ( 437 ) [HTML 1KB] [PDF 392KB] ( 388 )
54 田凯 王明彦 刘松斌
新颖的双调制波三电平载波脉宽调制方法
传统三电平载波脉宽调制(pulse width modulation，PWM)每相只有一个调制波，在部分调制度和功率因数下无法完全消除三电平中点箝位(neutral point clamped，NPC)逆变器中点电位的低频波动。提出一种新的双调制波载波PWM (double modulation wave carrier-based PWM，DMWPWM)。这种新的PWM根据电压等效原则和中点平衡原则把传统PWM每相的1个调制波分解成2个调制波来实现调制，其突出优点在于能够在所有线性调制度和全部功率因数范围内完全消除三电平NPC逆变器中点电位的低频波动。详细阐述这种新PWM的基本原理，并通过仿真和实验研究验证该PWM的有效性。
2009 Vol. 29 (33): 54-59 [摘要] ( 442 ) [HTML 1KB] [PDF 531KB] ( 390 )
60 张晓滨 钟彦儒
静止同步补偿器直流侧电压的最优动态分级控制
应用开关周期平均建模法结合瞬时无功理论推导出静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)的直流侧电压数学模型。基于此数学模型提出最优动态分级控制策略。该策略依据调制指数的最优范围和无功功率对STATCOM的直流侧电压进行最优动态分级控制。与直流侧电压为恒值的控制策略相比，最优动态分级控制策略减小了STATCOM的输出电压和电流总谐波畸变率及开关应力，提高了装置效率，并且不影响STATCOM补偿无功的动态性能。仿真和试验结果证明了STATCOM直流侧电压数学模型的正确性和最优动态分级控制策略的有效性。
2009 Vol. 29 (33): 60-67 [摘要] ( 474 ) [HTML 1KB] [PDF 671KB] ( 394 )
电机与电器
68 耿华 许德伟 吴斌 杨耕
永磁直驱变速风电系统的控制及稳定性分析

分析了传统功率控制方法下永磁直驱变速风电系统的稳定性，提出一种改进型功率控制方法，以抑制系统低频振荡并提高系统稳定性。分析表明，在功率控制模式下，传动系统的动态会引起发电机转速的低频谐振，导致系统输出功率低频振荡，影响风电系统和电力系统的稳定运行；降低发电机转矩环带宽可以提高系统的稳定裕度，却会降低系统的响应速度。所提出的改进型功率控制方法通过变流器开关模型重构直流母线电流，并基于该观测值构成发电机转矩控制环的前馈补偿项。该方法可有效降低系统的低频振荡，提高系统稳定性。仿真实验验证了理论分析和改进型功率控制方法的有效性。
2009 Vol. 29 (33): 68-75 [摘要] ( 522 ) [HTML 1KB] [PDF 409KB] ( 576 )
76 廖勇 庄凯 姚骏 李辉 何金波
直驱式永磁同步风力发电机双模功率控制策略的仿真研究

在分析变桨距执行机构动作滞后及变桨速度限制带来的功率波动问题基础上，针对直驱式永磁同步风力发电机(permanent magnet synchronous generator，PMSG)系统，提出全风况下结合变桨距控制的双模功率控制策略。低于额定风速时，采用基于转速反馈的最大风能跟踪控制；高于额定风速时，根据发电机额定功率和即时转速设定参考电磁转矩，将发电机输出有功功率限定在额定值附近；并给出了双模控制系统中2种控制模式之间平滑切换(smooth switching)的具体规则。对双模功率控制策略下的一台2 MW直驱式PMSG系统进行仿真研究，验证了该控制策略的正确性和有效性。相对于采用传统控制策略的直驱式PMSG系统，该控制策略能够在额定风速以上获得更为平稳的有功功率输出。
2009 Vol. 29 (33): 76-82 [摘要] ( 485 ) [HTML 1KB] [PDF 388KB] ( 506 )
83 张卓然 周竞捷 严仰光 周波
新型并列结构混合励磁同步电机的结构与原理

提出一种并列结构混合励磁同步电机，详细论述其结构特点、磁场分布特性和电压调节原理。考虑电机的非对称结构，建立电机三维有限元静磁场和瞬态场分析模型。通过静磁场有限元计算得到不同励磁磁势下电励磁同步电机内磁通分布和气隙磁密变化规律，利用瞬态场分析获得电机输出外特性。设计了2 kW原理样机，实验数据和三维有限元计算结果与理论分析一致，验证了所提出电机的合理结构与正确原理，表明直流励磁电流可以双向调节电机内合成气隙磁通，从而有效调节绕组感应电势，解决高效永磁电机制成后电压难以调整的问题，并且具有永磁电机电压调整率低的优点，特别适用于航空应急电源系统。
2009 Vol. 29 (33): 83-89 [摘要] ( 481 ) [HTML 1KB] [PDF 592KB] ( 401 )
90 陆华才 徐月同
基于AEKF的永磁直线同步电机速度和位置估计算法

为实现永磁直线同步电机(permanent magnet linear synchronous motor，PMLSM)进给系统的无位置传感器控制，必须估计出电机的速度和磁极位置。提出一种通过电机端电流和端电压估计PMLSM速度和位置的方法——状态增广的扩展卡尔曼滤波(state augmented extended Kalman filter，AEKF)估计方法。该方法将电阻参数作为状态变量，通过扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter，EKF)估计方法对电机速度、磁极位置和电阻值同时进行估计，从而降低了电阻参数对估计结果的影响。实验表明，AEKF估计方法可以准确地估计电机速度和位置，基于AEKF的PMLSM进给系统无位置传感器控制具有良好的动态响应特性。
2009 Vol. 29 (33): 90-94 [摘要] ( 526 ) [HTML 1KB] [PDF 465KB] ( 358 )
95 鲁军勇 马伟明 孙兆龙 许金
多段初级直线感应电机静态纵向边端效应研究
多段初级直线感应电动机(linear induction motor，LIM)由于在通电初级绕组外还存在较长的不通电初级铁心，因此这种结构的直线感应电动机的磁场边界条件与传统直线感应电动机不同，静态纵向边端效应对电机性能的影响也存在较大差异。从多段初级LIM的三相互感不平衡现象及规律出发，依据电磁场理论和ANSOFT有限元计算2种方法对电机的不对称机理及影响因素进行分析，并重点考虑了静态纵向边端效应对该类电机的电磁推力、轭部磁场和电机电磁参数带来的影响。针对分段初级LIM样机进行了实验研究，实验结果与理论分析吻合。结论为此类电机的设计与应用提供了理论依据。
2009 Vol. 29 (33): 95-101 [摘要] ( 532 ) [HTML 1KB] [PDF 571KB] ( 413 )
102 罗应立 胡笳 刘晓芳 王红宇 康锦萍
面向系统动态分析的场路网耦合时步有限元模型
为了在分析系统扰动条件下机网相互影响问题时，能够更准确地考虑发电机的非线性，建立了适合不同网络结构、扰动类型以及不同计算任务的系统动态分析场–路–网耦合时步有限元通用性模型，进而详细推导了单机无穷大系统、两机系统以及三机系统的具体计算格式。在此基础上为使该模型适合更多的网络结构和不同任务的动态分析，引入了相应的控制变量，用于对方程本身、机网接口以及时步有限元计算参数进行控制与调整。模型与算法为深入研究动态过程机–网相互影响，并进一步获得发电机的简化模型提供了新的计算工具。
2009 Vol. 29 (33): 102-110 [摘要] ( 412 ) [HTML 1KB] [PDF 395KB] ( 313 )
111 胡朝燕 周波 魏佳丹
双凸极电机全桥变换器单管开路故障在线诊断
变换器是电机驱动系统中最薄弱、故障出现率最高的环节，对变换器的故障检测、诊断是提高系统可靠性，实现容错运行的关键。基于全桥变换器的电磁式双凸极电机中性点电压能够反映电机运行状态，可以用于电机故障诊断，分别在正常工作状态和单管开路故障状态，对基于全桥变换器的电磁式双凸极电机中性点电压作了分析和比较，提出利用中性点电压在故障前后的变化特征进行故障诊断的方法。实验验证了该方法能够正确快速地实现单相开路故障诊断。
2009 Vol. 29 (33): 111-116 [摘要] ( 444 ) [HTML 1KB] [PDF 522KB] ( 339 )
117 熊飞 王雪帆 张经纬 阚超豪
无刷双馈电机的小信号模型稳定性分析
无刷双馈电机在风机和水泵调速节能驱动等领域有着广泛的应用前景，而影响其应用的关键在于电机的稳定性。在其任意坐标系下dq模型的基础上，推导出功率绕组同步速坐标系下稳态dq模型；提出一种静态稳定性分析的方法，并建立小信号模型；由李雅普诺夫稳定判据得出电机稳定运行的条件,并且根据不同的控制策略讨论其输入条件。利用小信号模型对开环电压控制和简化的矢量控制下带不同动态特性负载的样机进行稳定性研究，并给出了样机的稳定运行区域。计算和试验结果的对比表明，给出的分析方法和模型是正确的。
2009 Vol. 29 (33): 117-123 [摘要] ( 520 ) [HTML 1KB] [PDF 0KB] ( 201 )
电工理论与新技术
124 周义刚 肖立业 张国民 李晓航 张志丰
钇钡铜氧超导带材不均匀性对其过流特性的影响

通过实验方式测量在各种不同幅值工频交流冲击下，具有稳定层与没有稳定层的钇钡铜氧(YBa2Cu3Ox，YBCO) 超导带材上不同区域的电压和温度。针对超导带材的临界电流分布不均匀的现象，提出分析这种不均匀性的物理模型，利用该模型对具有不均匀临界电流密度分布的YBCO超导带材的过电流冲击特性进行仿真计算分析。通过实验结果与仿真计算结果的对比，分析了YBCO超导带材的不均匀性对其过流特性的影响，研究结果可以为超导电力设备的设计提供有益的参考。
2009 Vol. 29 (33): 124-128 [摘要] ( 445 ) [HTML 1KB] [PDF 346KB] ( 337 )
129 徐周翔 蔡炯炯 曹志彤
基于场路耦合时步法的超磁致致动器动态特性

为研究超磁致致动器(giant magnetostrictive actuator，GMA)激磁电路的电感变化给动态特性带来的影响，分析超磁致材料(giant magnetostrictive material，GMM)的BH曲线随应力变化的内秉特性，建立GMA的电磁场、力场有限元模型和激磁电路集总参数模型，详述了在这2种模型之间以电感作为耦合参变量的场路耦合方法，并采用时步法进行GMA在不同电压下的动态特性分析。结果表明，该模型与电感作为常量的普通模型相比在时域特性上具有明显的非线性特征，在一定程度上解决了将电感作为常量处理带来的误差问题，为精细设计GMA提供了可借鉴的方法。
2009 Vol. 29 (33): 129-134 [摘要] ( 468 ) [HTML 1KB] [PDF 445KB] ( 362 )
 
 
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