2022年第49卷第8期文章目次
2022, 49(8):1-6.
DOI: 10.12177/emca.2022.071
摘要:
无刷直流电机（BLDCM）驱动系统应用于多电/全电航空飞行器，为电动燃油泵、冷却泵和电动刹车等提供动力输出。为满足BLDCM在复杂的电磁干扰以及极端温度等特殊环境工作的要求，提出了基于变结构控制策略的滑模反电动势观测器实现电机无位置传感器控制。使用变趋近律代替了传统滑模反电动势观测器的固定增益，并通过锁相环(PLL)得到电机转子位置和转速信息。仿真结果表明该方法可以有效抑制反电动势观测值的抖振，实现电机在中高速段的稳定运行，满足系统的快速性和鲁棒性要求。
无刷直流电机（BLDCM）驱动系统应用于多电/全电航空飞行器，为电动燃油泵、冷却泵和电动刹车等提供动力输出。为满足BLDCM在复杂的电磁干扰以及极端温度等特殊环境工作的要求，提出了基于变结构控制策略的滑模反电动势观测器实现电机无位置传感器控制。使用变趋近律代替了传统滑模反电动势观测器的固定增益，并通过锁相环(PLL)得到电机转子位置和转速信息。仿真结果表明该方法可以有效抑制反电动势观测值的抖振，实现电机在中高速段的稳定运行，满足系统的快速性和鲁棒性要求。
2022, 49(8):7-13.
DOI: 10.12177/emca.2022.079
摘要:
为克服双斜槽感应电机轴向拓扑仿真时需采用低效率高精度的三维有限元仿真的问题，针对错开双斜槽转子感应电机(DSRIM)提出一种等效电路，然后基于多层有限元模型建立DSRIM的轴向分层等效电路。在等效电路与磁场耦合分析的基础上，运用分布磁路法求出气隙磁场分布与稳态性能指标。与试验结果进行对比，对比结果显示该方法的计算结果具有指导意义。
为克服双斜槽感应电机轴向拓扑仿真时需采用低效率高精度的三维有限元仿真的问题，针对错开双斜槽转子感应电机(DSRIM)提出一种等效电路，然后基于多层有限元模型建立DSRIM的轴向分层等效电路。在等效电路与磁场耦合分析的基础上，运用分布磁路法求出气隙磁场分布与稳态性能指标。与试验结果进行对比，对比结果显示该方法的计算结果具有指导意义。
2022, 49(8):14-20.
DOI: 10.12177/emca.2022.069
摘要:
为提高直驱式永磁同步电机（DD-PMSM）的动态响应性能，提出了一种改进型无差拍直接转矩控制(DB-DTC)策略。改进型DB-DTC在保留传统DB-DTC动态响应性能的基础上，简化了控制过程，降低了实时计算量。通过在MATLAB/Simulink 环境下搭建仿真模型，对传统DB-DTC和改进型DB-DTC的控制效果进行对比，并将改进型DB-DTC结合位置型阻抗控制策略，验证控制策略的优越性。仿真结果表明，在位置控制模式下，相对于传统DB-DTC，所提控制策略的电机转动至给定角度以及转速降为零所需的时间减少0.002 s，稳态运行角度误差减少0.02°。在速度控制模式下，相对于传统DB-DTC，所提控制策略的电机达到给定转速的时间减少0.004 s，稳态转速误差降低0.03 r/min，稳态转速波动降低0.06 r/min，在电机进入稳态运行以后，q轴电流峰值降低0.193 A，q轴的电流脉动降低0.204 A。电机控制系统具有更好的动态性能和更强的抗干扰能力。
为提高直驱式永磁同步电机（DD-PMSM）的动态响应性能，提出了一种改进型无差拍直接转矩控制(DB-DTC)策略。改进型DB-DTC在保留传统DB-DTC动态响应性能的基础上，简化了控制过程，降低了实时计算量。通过在MATLAB/Simulink 环境下搭建仿真模型，对传统DB-DTC和改进型DB-DTC的控制效果进行对比，并将改进型DB-DTC结合位置型阻抗控制策略，验证控制策略的优越性。仿真结果表明，在位置控制模式下，相对于传统DB-DTC，所提控制策略的电机转动至给定角度以及转速降为零所需的时间减少0.002 s，稳态运行角度误差减少0.02°。在速度控制模式下，相对于传统DB-DTC，所提控制策略的电机达到给定转速的时间减少0.004 s，稳态转速误差降低0.03 r/min，稳态转速波动降低0.06 r/min，在电机进入稳态运行以后，q轴电流峰值降低0.193 A，q轴的电流脉动降低0.204 A。电机控制系统具有更好的动态性能和更强的抗干扰能力。
2022, 49(8):21-27.
DOI: 10.12177/emca.2022.064
摘要:
随着多电化和全电化趋势的发展，飞机电气与电子设备大量增加，恒频系统已不能满足飞机用电需求。飞机供电体制需要由恒频系统向变频系统转变，而变频发电机是变频系统中尤为重要的设备。传统的PID控制采用固定参数，无法很好地在宽变频发电系统中工作，因此提出了基于模糊反步自适应控制算法的控制参数修正方法以提高调压系统适应性。结合三级式发电系统数学模型，设计了调压系统中不确定参数的自适应律分析方法，并建立了基于该算法的调压系统仿真模型。通过仿真验证了模糊反步自适应控制可以有效抑制工作条件变化对调压系统造成的影响，增强调压系统的稳定性和调节性能，为飞机发电机控制器的设计提供理论支持。
随着多电化和全电化趋势的发展，飞机电气与电子设备大量增加，恒频系统已不能满足飞机用电需求。飞机供电体制需要由恒频系统向变频系统转变，而变频发电机是变频系统中尤为重要的设备。传统的PID控制采用固定参数，无法很好地在宽变频发电系统中工作，因此提出了基于模糊反步自适应控制算法的控制参数修正方法以提高调压系统适应性。结合三级式发电系统数学模型，设计了调压系统中不确定参数的自适应律分析方法，并建立了基于该算法的调压系统仿真模型。通过仿真验证了模糊反步自适应控制可以有效抑制工作条件变化对调压系统造成的影响，增强调压系统的稳定性和调节性能，为飞机发电机控制器的设计提供理论支持。
2022, 49(8):28-33.
DOI: 10.12177/emca.2022.078
摘要:
传统PI优化方法难以满足永磁同步电机（PMSM）在高速、高精度及负载变化中的应用，因此以蜜獾算法（HBA）为基础，结合帐篷映射与正态云设计了改进HBA来优化PI参数，从而提高PMSM转速环及电流环控制精度和速度。利用帐篷映射在算法初始化阶段提高分布均匀性，加强算法前期的全局开发能力；利用正态云生成第二组蜜獾并在同代中更新最佳位置，强化局部最优的跳出能力。寻优过程中动态改变正态云模型以改善局部搜索能力。利用MATLAB/Simulink进行仿真对比，改进后的HBA在调节时间、稳定性等方面有一定优势，是一种可以用于PMSM转速控制系统的新算法。
传统PI优化方法难以满足永磁同步电机（PMSM）在高速、高精度及负载变化中的应用，因此以蜜獾算法（HBA）为基础，结合帐篷映射与正态云设计了改进HBA来优化PI参数，从而提高PMSM转速环及电流环控制精度和速度。利用帐篷映射在算法初始化阶段提高分布均匀性，加强算法前期的全局开发能力；利用正态云生成第二组蜜獾并在同代中更新最佳位置，强化局部最优的跳出能力。寻优过程中动态改变正态云模型以改善局部搜索能力。利用MATLAB/Simulink进行仿真对比，改进后的HBA在调节时间、稳定性等方面有一定优势，是一种可以用于PMSM转速控制系统的新算法。
2022, 49(8):34-40.
DOI: 10.12177/emca.2022.063
摘要:
为了使电力机车牵引电传动系统参数匹配最佳，对电力机车牵引电传动系统关键参数自动优化方法进行了研究。首先，建立了某型号电力机车牵引电传动系统的仿真模型，仿真结果证明了建模的准确性及合理性。其次，针对原模型开展试验设计(DOE)仿真，获得一簇反映系统运行规律的仿真结果，基于仿真结果建立了映射系统输入参数与输出特性的近似模型。再次，基于近似模型采用多目标粒子群优化算法进行寻优,获得了优化的设计参数。最后，对比分析几种模型仿真优化的结果，验证了采用近似模型进行全局寻优方法的效果，且在保证仿真精度的前提下，达到了极高的仿真效率。研究结果对于电力机车牵引电传动系统的高效率仿真具有参考意义。
为了使电力机车牵引电传动系统参数匹配最佳，对电力机车牵引电传动系统关键参数自动优化方法进行了研究。首先，建立了某型号电力机车牵引电传动系统的仿真模型，仿真结果证明了建模的准确性及合理性。其次，针对原模型开展试验设计(DOE)仿真，获得一簇反映系统运行规律的仿真结果，基于仿真结果建立了映射系统输入参数与输出特性的近似模型。再次，基于近似模型采用多目标粒子群优化算法进行寻优,获得了优化的设计参数。最后，对比分析几种模型仿真优化的结果，验证了采用近似模型进行全局寻优方法的效果，且在保证仿真精度的前提下，达到了极高的仿真效率。研究结果对于电力机车牵引电传动系统的高效率仿真具有参考意义。
2022, 49(8):41-46.
DOI: 10.12177/emca.2022.080
摘要:
随着智能电网的迅速发展，为了有效提高电能的使用率，合理规划电能资源，建立全国范围内的智能用电和负荷监测系统，非侵入式负荷监测(NILM)和分解问题一直受到广泛关注。为提高非侵入性负载分解性能，提出一种基于耦合神经网络的非侵入式负荷分解方法。首先，对数据集进行归一化和预处理。其次，构建一种将卷积神经网络(CNN)与双向门控循环单元(BiGRU)相结合的混合深度学习模型，对数据的空间特性和时序特性进行充分挖掘，并加入注意力机制，关注重要信息，剔除冗余特征。最后，采用国内自测数据集进行试验，使用不同的评价指标对该耦合神经网络进行评估，并与其他的常用分解模型进行对比。试验结果表明，所提方法的均值绝对误差与绝对误差和相较于其他分解方法都有所降低，均值绝对误差平均下降了35.9%，绝对误差和平均下降了39.9%。
随着智能电网的迅速发展，为了有效提高电能的使用率，合理规划电能资源，建立全国范围内的智能用电和负荷监测系统，非侵入式负荷监测(NILM)和分解问题一直受到广泛关注。为提高非侵入性负载分解性能，提出一种基于耦合神经网络的非侵入式负荷分解方法。首先，对数据集进行归一化和预处理。其次，构建一种将卷积神经网络(CNN)与双向门控循环单元(BiGRU)相结合的混合深度学习模型，对数据的空间特性和时序特性进行充分挖掘，并加入注意力机制，关注重要信息，剔除冗余特征。最后，采用国内自测数据集进行试验，使用不同的评价指标对该耦合神经网络进行评估，并与其他的常用分解模型进行对比。试验结果表明，所提方法的均值绝对误差与绝对误差和相较于其他分解方法都有所降低，均值绝对误差平均下降了35.9%，绝对误差和平均下降了39.9%。
2022, 49(8):47-52.
DOI: 10.12177/emca.2022.072
摘要:
针对永磁直线同步电机（PMLSM）边端力最小化问题，提出在初级铁心两端增加辅助铁心的方法，有效削弱PMLSM的边端力。首先分析了边端力产生的机理，对齿壁上所受电磁力进行解析研究。当初级铁心两端辅助铁心高度为一个气隙长度，且辅助铁心长度为1/4永磁极距时，边端力有最小值。以一台36槽12极轴向充磁圆筒永磁直线同步电机(TPMLSM)为例，进行有限元仿真分析和试验测试，边端力的有限元分析值和试验值较吻合，证实了所提方法能够有效削弱PMLSM边端力，为该类电机边端力最小化提供了一种简单有效的技术手段。
针对永磁直线同步电机（PMLSM）边端力最小化问题，提出在初级铁心两端增加辅助铁心的方法，有效削弱PMLSM的边端力。首先分析了边端力产生的机理，对齿壁上所受电磁力进行解析研究。当初级铁心两端辅助铁心高度为一个气隙长度，且辅助铁心长度为1/4永磁极距时，边端力有最小值。以一台36槽12极轴向充磁圆筒永磁直线同步电机(TPMLSM)为例，进行有限元仿真分析和试验测试，边端力的有限元分析值和试验值较吻合，证实了所提方法能够有效削弱PMLSM边端力，为该类电机边端力最小化提供了一种简单有效的技术手段。
2022, 49(8):53-58.
DOI: 10.12177/emca.2022.068
摘要:
针对双三相永磁同步电机（PMSM）的输出转矩提升问题，分析了3次谐波电流注入电机相电流和反电动势的控制原理，对驱动系统进行优化，调节3次谐波电流，解决2套绕组间的电流干扰问题。在最优相电流的基础上，提出了永磁体塑形方法，综合考虑定子齿槽效应、铁心饱和以及齿尖、极间漏磁，并得到最优的类正弦反电动势。类正弦电流与类正弦反电动势相互作用，电机的输出转矩提升了18.1%。通过有限元分析和样机试验验证了理论分析的正确性，为高可靠双三相PMSM的规模化应用提供了技术支撑。
针对双三相永磁同步电机（PMSM）的输出转矩提升问题，分析了3次谐波电流注入电机相电流和反电动势的控制原理，对驱动系统进行优化，调节3次谐波电流，解决2套绕组间的电流干扰问题。在最优相电流的基础上，提出了永磁体塑形方法，综合考虑定子齿槽效应、铁心饱和以及齿尖、极间漏磁，并得到最优的类正弦反电动势。类正弦电流与类正弦反电动势相互作用，电机的输出转矩提升了18.1%。通过有限元分析和样机试验验证了理论分析的正确性，为高可靠双三相PMSM的规模化应用提供了技术支撑。
2022, 49(8):59-65.
DOI: 10.12177/emca.2022.073
摘要:
采用高频响、短行程型音圈电机驱动的微动台结构，设计挠性弹簧为系统提供足够的刚度，建立了喷墨打印扫描轴直线度误差补偿系统。分析了音圈电机直驱微动台的数学模型，研究了该类电机的伺服控制方法，提出了基于PD控制的位置闭环控制器，增强了系统的抗干扰能力。试验结果表明：该方法能够满足喷墨打印扫描轴直线度精度要求，具有较强的鲁棒性。
采用高频响、短行程型音圈电机驱动的微动台结构，设计挠性弹簧为系统提供足够的刚度，建立了喷墨打印扫描轴直线度误差补偿系统。分析了音圈电机直驱微动台的数学模型，研究了该类电机的伺服控制方法，提出了基于PD控制的位置闭环控制器，增强了系统的抗干扰能力。试验结果表明：该方法能够满足喷墨打印扫描轴直线度精度要求，具有较强的鲁棒性。
2022, 49(8):66-72.
DOI: 10.12177/emca.2022.075
摘要:
变速抽水蓄能用双馈发电电动机在维持有功功率输出的同时，可充分利用其功率裕量，成为稳定无功源，灵活参与系统调压调相。为研究双馈发电电动机的无功特性，在分析双馈发电电动机电气量关系的基础上，建立基于转子电流-定子电流的双馈发电电动机V形曲线，可简单直观地反映变速抽水蓄能用双馈发电电动机无功特性。研究了不同工况下双馈发电电动机V形曲线的变化规律。最后，基于RTLAB平台进行硬件在环测试，测试结果表明双馈式变速抽水蓄能机组具备类似同步电机的无功特性，同时也证明了所提分析方法的正确性和有效性。
变速抽水蓄能用双馈发电电动机在维持有功功率输出的同时，可充分利用其功率裕量，成为稳定无功源，灵活参与系统调压调相。为研究双馈发电电动机的无功特性，在分析双馈发电电动机电气量关系的基础上，建立基于转子电流-定子电流的双馈发电电动机V形曲线，可简单直观地反映变速抽水蓄能用双馈发电电动机无功特性。研究了不同工况下双馈发电电动机V形曲线的变化规律。最后，基于RTLAB平台进行硬件在环测试，测试结果表明双馈式变速抽水蓄能机组具备类似同步电机的无功特性，同时也证明了所提分析方法的正确性和有效性。
2022, 49(8):73-78.
DOI: 10.12177/emca.2022.065
摘要:
根据牵引网线路边界对高频暂态量的衰减作用，提出一种基于快速总体平均经验模式分解（FEEMD）和Teager能量算子（TEO）的贯通式自耦变压器(AT)同相牵引供电系统牵引网单端功率方向保护方法。求采集到的电压电流信号故障发生时的瞬时功率，并对暂态功率进行Teager变换求得TEO波形突变点的极性来作为方向判据，判别是正向故障或反向故障；若为正向故障（区内或对侧区外），再对故障暂态电流信号进行FEEMD分解，提取故障信号的固有模态函数1（IMF1）分量，再对IMF1分量进行TEO变换，求出高频暂态电流信号的TEO谱瞬时值，然后求取其绝对值并求和，进而判断故障位于区内还是对侧区外。最终通过PSCAD/EMTDC仿真软件搭建贯通式AT同相牵引供电系统模型，在不同故障条件下进行大量仿真提取数据，仿真结果证明本方案能够有效区分区内外故障，保护牵引网线路全长。
根据牵引网线路边界对高频暂态量的衰减作用，提出一种基于快速总体平均经验模式分解（FEEMD）和Teager能量算子（TEO）的贯通式自耦变压器(AT)同相牵引供电系统牵引网单端功率方向保护方法。求采集到的电压电流信号故障发生时的瞬时功率，并对暂态功率进行Teager变换求得TEO波形突变点的极性来作为方向判据，判别是正向故障或反向故障；若为正向故障（区内或对侧区外），再对故障暂态电流信号进行FEEMD分解，提取故障信号的固有模态函数1（IMF1）分量，再对IMF1分量进行TEO变换，求出高频暂态电流信号的TEO谱瞬时值，然后求取其绝对值并求和，进而判断故障位于区内还是对侧区外。最终通过PSCAD/EMTDC仿真软件搭建贯通式AT同相牵引供电系统模型，在不同故障条件下进行大量仿真提取数据，仿真结果证明本方案能够有效区分区内外故障，保护牵引网线路全长。
2022, 49(8):79-86.
DOI: 10.12177/emca.2022.076
摘要:
电网的可靠运行及持续发展离不开对短期电力负荷的高效、准确预测。针对表征电网负荷变化的历史数据具有复杂性和时序性等特点，且现有的机器学习预测方法仍存在依据经验选取关键参数的不足，利用卷积神经网络（CNN）提取表征负荷变化的多维特征向量，构造成时间序列输入到门控循环单元(GRU)，并使用改进麻雀搜索算法（ISSA）对GRU网络中的超参数进行迭代寻优。预测试验样本来自云南某地区的负荷数据，所提方法的预测精度达到了98.624%，与循环神经网络(RNN)、GRU和长短期记忆(LSTM)等神经网络预测方法进行对比，算例表明，所提方法克服了依据经验选取关键参数难题的同时具有更高的预测精度。
电网的可靠运行及持续发展离不开对短期电力负荷的高效、准确预测。针对表征电网负荷变化的历史数据具有复杂性和时序性等特点，且现有的机器学习预测方法仍存在依据经验选取关键参数的不足，利用卷积神经网络（CNN）提取表征负荷变化的多维特征向量，构造成时间序列输入到门控循环单元(GRU)，并使用改进麻雀搜索算法（ISSA）对GRU网络中的超参数进行迭代寻优。预测试验样本来自云南某地区的负荷数据，所提方法的预测精度达到了98.624%，与循环神经网络(RNN)、GRU和长短期记忆(LSTM)等神经网络预测方法进行对比，算例表明，所提方法克服了依据经验选取关键参数难题的同时具有更高的预测精度。
2022, 49(8):87-92.
DOI: 10.12177/emca.2022.081
摘要:
针对目前研究中陆上大型双馈风电机组低电压穿越(LVRT)过程运行特性研究不足，且缺乏测试仿真对比验证分析的现状，对某兆瓦级陆上风电机组，建立GH Bladed仿真模型，研究低电压故障过程中机组运行特性及关键部位载荷特性。同时，对该机组实际型式试验测试数据进行分析，对特定LVRT工况进行仿真，对比分析故障对于机组运行特性影响以及对塔架载荷的影响。仿真及测试结果都表明LVRT故障对机组塔架载荷有重要影响，且在大风工况下影响更大。
针对目前研究中陆上大型双馈风电机组低电压穿越(LVRT)过程运行特性研究不足，且缺乏测试仿真对比验证分析的现状，对某兆瓦级陆上风电机组，建立GH Bladed仿真模型，研究低电压故障过程中机组运行特性及关键部位载荷特性。同时，对该机组实际型式试验测试数据进行分析，对特定LVRT工况进行仿真，对比分析故障对于机组运行特性影响以及对塔架载荷的影响。仿真及测试结果都表明LVRT故障对机组塔架载荷有重要影响，且在大风工况下影响更大。
《电机与控制应用》
月刊，1959年创刊
- 主管单位：上海市经济和信息化委员会
- 主办单位：上海电器科学研究所（集团）有限公司
- 刊号：ISSN 1673-6540
- CN 31-1959/TM
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