2023年第50卷第11期文章目次
2023, 50(11):1-10.
DOI: 10.12177/emca.2023.131
摘要:
虚拟同步发电机（VSG）技术是新能源由“被动调节”转为“主动支撑”的新一代新能源发电技术，是使新能源发电具备惯量支撑、一次调频和主动调压等主动支撑电网能力的有效路径，是解决“双高”电力系统所面临问题的探索实践。综述了电压控制型和电流控制型新能源虚拟同步发电机的控制模式，总结了电流控制、电压控制和改进型虚拟同步发电机的运行特征，并从技术原理的角度分析了其优势和不足；围绕虚拟同步发电机并网系统稳定性分析问题和暂态控制问题，对常用稳定性分析方法进行了概述，梳理和总结了目前关于改进型虚拟同步发电机对电力系统稳定性影响和振荡问题的研究。在此基础上，指出了虚拟同步发电机稳定性分析、振荡抑制和故障电压穿越的研究重点。最后对I-VSG与同步机组及接入电网的交互作用机制、提高支撑电力系统动态稳定性的技术进行了展望，指出了后续研究的关键问题，提供了可参考的解决思路。
虚拟同步发电机（VSG）技术是新能源由“被动调节”转为“主动支撑”的新一代新能源发电技术，是使新能源发电具备惯量支撑、一次调频和主动调压等主动支撑电网能力的有效路径，是解决“双高”电力系统所面临问题的探索实践。综述了电压控制型和电流控制型新能源虚拟同步发电机的控制模式，总结了电流控制、电压控制和改进型虚拟同步发电机的运行特征，并从技术原理的角度分析了其优势和不足；围绕虚拟同步发电机并网系统稳定性分析问题和暂态控制问题，对常用稳定性分析方法进行了概述，梳理和总结了目前关于改进型虚拟同步发电机对电力系统稳定性影响和振荡问题的研究。在此基础上，指出了虚拟同步发电机稳定性分析、振荡抑制和故障电压穿越的研究重点。最后对I-VSG与同步机组及接入电网的交互作用机制、提高支撑电力系统动态稳定性的技术进行了展望，指出了后续研究的关键问题，提供了可参考的解决思路。
2023, 50(11):11-21.
DOI: 10.12177/emca.2023.129
摘要:
由于永磁同步电机模型预测转矩控制的控制目标量纲不同，其成本函数需加权求和，但权重系数的设计与调节较为困难。将模糊决策法、VIKOR法、TOPSIS法、变异系数赋权法和熵值赋权法等客观评价法应用于永磁同步电机模型预测转矩控制以解决上述问题。对于仅考虑磁链和转矩控制的永磁同步电机模型预测转矩控制，上述方法均是可行的，无需权重系数，但在一定程度上增加了计算负担。不同策略的控制性能存在一定的差异，但整体基本相当。由综合性能对比可知，TOPSIS法的控制性能相对最优。
由于永磁同步电机模型预测转矩控制的控制目标量纲不同，其成本函数需加权求和，但权重系数的设计与调节较为困难。将模糊决策法、VIKOR法、TOPSIS法、变异系数赋权法和熵值赋权法等客观评价法应用于永磁同步电机模型预测转矩控制以解决上述问题。对于仅考虑磁链和转矩控制的永磁同步电机模型预测转矩控制，上述方法均是可行的，无需权重系数，但在一定程度上增加了计算负担。不同策略的控制性能存在一定的差异，但整体基本相当。由综合性能对比可知，TOPSIS法的控制性能相对最优。
2023, 50(11):22-29.
DOI: 10.12177/emca.2023.133
摘要:
永磁同步电机（PMSM）传统模型预测电流控制（MPCC）策略由于输出电压矢量幅值及相位无法调节，导致其稳态性能较差。提出了一种基于参考电流斜率的三矢量模型预测电流控制策略。该方法将参考电流斜率与基本电压矢量电流斜率进行比较，无需使用价值函数遍历所有的电压矢量，即可选择出两个有效电压矢量，并与零电压矢量以一定的占空比组合，合成输出的电压矢量能够覆盖一定范围内的任意幅值、任意相角，且该策略相较于传统模型控制显著减少了系统整体计算量。仿真结果表明，相较于传统模型预测电流控制策略，所提控制策略可有效减小电流脉动，提高系统的稳态性能。
永磁同步电机（PMSM）传统模型预测电流控制（MPCC）策略由于输出电压矢量幅值及相位无法调节，导致其稳态性能较差。提出了一种基于参考电流斜率的三矢量模型预测电流控制策略。该方法将参考电流斜率与基本电压矢量电流斜率进行比较，无需使用价值函数遍历所有的电压矢量，即可选择出两个有效电压矢量，并与零电压矢量以一定的占空比组合，合成输出的电压矢量能够覆盖一定范围内的任意幅值、任意相角，且该策略相较于传统模型控制显著减少了系统整体计算量。仿真结果表明，相较于传统模型预测电流控制策略，所提控制策略可有效减小电流脉动，提高系统的稳态性能。
2023, 50(11):30-36.
DOI: 10.12177/emca.2023.130
摘要:
针对锂电池等效电路模型参数不准确以及复杂工况噪声不确定导致荷电状态（SOC）估计精确度较低的问题，提出一种自适应扩展卡尔曼滤波（AEKF）融合带遗忘因子最小二乘法（FFRLS）的算法来解决此问题。在每一步SOC估计过程中，首先使用FFRLS算法跟随试验工况环境变化，实时辨识出一阶RC等效电路模型参数，增加模型精确度，准确描述锂电池工作时的动态特性；再使用AEKF算法实时更新与修正系统噪声并在线估计SOC。设计搭建动力锂电池试验平台，在动力动态测试（DST）和北京公交动力动态测试（BBDST）工况下，该方法估计值最大绝对误差均低于0.15%，平均绝对误差在0.077以下，均方根误差在0.007以下，相较于扩展卡尔曼滤波(EKF)算法，所提算法的估计效果有较大提升。
针对锂电池等效电路模型参数不准确以及复杂工况噪声不确定导致荷电状态（SOC）估计精确度较低的问题，提出一种自适应扩展卡尔曼滤波（AEKF）融合带遗忘因子最小二乘法（FFRLS）的算法来解决此问题。在每一步SOC估计过程中，首先使用FFRLS算法跟随试验工况环境变化，实时辨识出一阶RC等效电路模型参数，增加模型精确度，准确描述锂电池工作时的动态特性；再使用AEKF算法实时更新与修正系统噪声并在线估计SOC。设计搭建动力锂电池试验平台，在动力动态测试（DST）和北京公交动力动态测试（BBDST）工况下，该方法估计值最大绝对误差均低于0.15%，平均绝对误差在0.077以下，均方根误差在0.007以下，相较于扩展卡尔曼滤波(EKF)算法，所提算法的估计效果有较大提升。
2023, 50(11):37-45.
DOI: 10.12177/emca.2023.139
摘要:
重力储能系统对于质量块码放环节的时效性要求较高，针对现有抓取装置在时效性上的不足，提出了一种基于深度神经网络的斜坡式重力储能系统质量块抓取装置控制方法。首先，介绍了斜坡式重力储能系统的整体工作流程以及对质量块抓取装置的需求；其次，提出了根据质量块瞬时加速度计算其运行路程的方法，并根据质量块在缓冲平台的运行路程影响因素分析了该方法的误差来源，基于误差来源构造质量块运行路程的数据集；最后，引进深度神经网络，通过训练确定网络结构和参数，利用Dropout机制增强模型的泛化能力，得到质量块运行路程的预测模型。分析表明，所提控制方法可以较好地满足系统对码放环节的时效性以及精度的需求，使用本模型可在50 ms内给出质量块的运行路程预测值，且误差在±0.1 m内，验证了方案的可行性。
重力储能系统对于质量块码放环节的时效性要求较高，针对现有抓取装置在时效性上的不足，提出了一种基于深度神经网络的斜坡式重力储能系统质量块抓取装置控制方法。首先，介绍了斜坡式重力储能系统的整体工作流程以及对质量块抓取装置的需求；其次，提出了根据质量块瞬时加速度计算其运行路程的方法，并根据质量块在缓冲平台的运行路程影响因素分析了该方法的误差来源，基于误差来源构造质量块运行路程的数据集；最后，引进深度神经网络，通过训练确定网络结构和参数，利用Dropout机制增强模型的泛化能力，得到质量块运行路程的预测模型。分析表明，所提控制方法可以较好地满足系统对码放环节的时效性以及精度的需求，使用本模型可在50 ms内给出质量块的运行路程预测值，且误差在±0.1 m内，验证了方案的可行性。
2023, 50(11):46-51.
DOI: 10.12177/emca.2023.134
摘要:
针对传统三相逆变器中由于高频开关动作而产生高峰值高频共模电压的问题。首先对电机驱动系统空间矢量脉宽调制（SVPWM）与三态脉宽调制（TSPWM）下的共模电压进行对比分析，并在此基础上研究了非连续脉宽调制（DPWM1）的调制波与TSPWM的调制波之间的关系，给出了基于载波的TSPWM调制实现方法。然后，研究了正负极性载波之间的关系，给出了负极性载波在工程上的一种实现方式。最后对所提的TSPWM调制实现方法进行仿真和试验验证。结果表明，可以用DPWM1的调制波的实现方式来实现TSPWM的调制波，负极性载波下的脉宽调制（PWM）信号可以由正极性载波代替生成。
针对传统三相逆变器中由于高频开关动作而产生高峰值高频共模电压的问题。首先对电机驱动系统空间矢量脉宽调制（SVPWM）与三态脉宽调制（TSPWM）下的共模电压进行对比分析，并在此基础上研究了非连续脉宽调制（DPWM1）的调制波与TSPWM的调制波之间的关系，给出了基于载波的TSPWM调制实现方法。然后，研究了正负极性载波之间的关系，给出了负极性载波在工程上的一种实现方式。最后对所提的TSPWM调制实现方法进行仿真和试验验证。结果表明，可以用DPWM1的调制波的实现方式来实现TSPWM的调制波，负极性载波下的脉宽调制（PWM）信号可以由正极性载波代替生成。
2023, 50(11):52-58.
DOI: 10.12177/emca.2023.127
摘要:
为了提高磁悬浮平台直线同步电动机悬浮系统的性能，提出了一种分数阶反步控制策略。基于磁悬浮直线同步电动机（MLLSM）悬浮系统的运行机理，建立了其数学模型和状态空间方程；针对MLLSM悬浮系统的强非线性，通过非线性坐标映射对其进行输入输出反馈线性化处理；引入了分数阶理论构造分数阶虚拟稳定函数来提高系统的收敛速度和控制精度；设计了分数阶反步控制器，构造Lyapunov函数证明系统稳定性。仿真结果表明，分数阶反步控制能够提高悬浮系统响应速度，有效抑制不确定性扰动对悬浮系统的影响。
为了提高磁悬浮平台直线同步电动机悬浮系统的性能，提出了一种分数阶反步控制策略。基于磁悬浮直线同步电动机（MLLSM）悬浮系统的运行机理，建立了其数学模型和状态空间方程；针对MLLSM悬浮系统的强非线性，通过非线性坐标映射对其进行输入输出反馈线性化处理；引入了分数阶理论构造分数阶虚拟稳定函数来提高系统的收敛速度和控制精度；设计了分数阶反步控制器，构造Lyapunov函数证明系统稳定性。仿真结果表明，分数阶反步控制能够提高悬浮系统响应速度，有效抑制不确定性扰动对悬浮系统的影响。
2023, 50(11):59-64.
DOI: 10.12177/emca.2023.135
摘要:
永磁同步直线电机是新一代高效高精度电子设备、数控机床等机电产品中最具代表性的先进电机技术之一。构建了永磁同步直线电机模型，不考虑边缘效应，建立了电机初级齿部所受单齿切向电磁力数学模型，并利用有限元分析软件对电机单齿切向电磁力和局部齿槽电磁力进行仿真计算。最后利用ANSYS Workbench平台对电机的模态和振动加速度进行计算，验证了切向电磁力在振动分析中的重要性。结果表明，局部齿槽电磁力波动是单齿切向电磁力产生振动的重要原因，通过合理调整电机初级齿部磁场分布，可以有效减小电机的振动，为该类电机的设计和优化提供了参考。
永磁同步直线电机是新一代高效高精度电子设备、数控机床等机电产品中最具代表性的先进电机技术之一。构建了永磁同步直线电机模型，不考虑边缘效应，建立了电机初级齿部所受单齿切向电磁力数学模型，并利用有限元分析软件对电机单齿切向电磁力和局部齿槽电磁力进行仿真计算。最后利用ANSYS Workbench平台对电机的模态和振动加速度进行计算，验证了切向电磁力在振动分析中的重要性。结果表明，局部齿槽电磁力波动是单齿切向电磁力产生振动的重要原因，通过合理调整电机初级齿部磁场分布，可以有效减小电机的振动，为该类电机的设计和优化提供了参考。
2023, 50(11):65-73.
DOI: 10.12177/emca.2023.126
摘要:
永磁同步电机无位置传感器控制采用传统滑模观测器法来获取转子位置，由于滑模抖振严重、估计反电势中含有低次谐波干扰及传统锁相环在电机反转时有位置误差等因素，影响转子位置估计精度。通过设计自适应滑模观测器和改进锁相环来解决上述问题。首先采用非奇异快速终端滑模面及改进指数趋近律来降低滑模抖振。其次对传统锁相环鉴相器进行改进并在环路滤波器中引入二阶广义积分器，不仅使电机正反转时能准确提取转子位置信息，还能滤除估计反电势中的低次谐波。仿真结果表明所设计的算法能减小滑模抖振、降低位置跟踪延迟时间及提高位置观测精度。
永磁同步电机无位置传感器控制采用传统滑模观测器法来获取转子位置，由于滑模抖振严重、估计反电势中含有低次谐波干扰及传统锁相环在电机反转时有位置误差等因素，影响转子位置估计精度。通过设计自适应滑模观测器和改进锁相环来解决上述问题。首先采用非奇异快速终端滑模面及改进指数趋近律来降低滑模抖振。其次对传统锁相环鉴相器进行改进并在环路滤波器中引入二阶广义积分器，不仅使电机正反转时能准确提取转子位置信息，还能滤除估计反电势中的低次谐波。仿真结果表明所设计的算法能减小滑模抖振、降低位置跟踪延迟时间及提高位置观测精度。
2023, 50(11):74-79.
DOI: 10.12177/emca.2023.140
摘要:
针对现有笼型转子散热条件差，永磁体易退磁等缺点，提出一种外笼型转子磁力耦合器（OSRMC）。基于OSRMC组成结构及运行原理，给出其热分析模型及损耗原理，并依此论证了OSRMC在转差为33.3%时，其所产生的热功耗最大（为4/27倍的额定功率）。基于传热学原理，给出了OSRMC两种主要的热量交换方式及导热微分方程，并基于集群解析法与区域剖分法得到了OSRMC的有限元法仿真结果。结果表明：OSRMC的主要换热方式为热对流，其主要温升位于笼条与永磁体的耦合处并沿轴向逐渐降低；集群解析法与区域剖分法计算精度相当，但区域剖分法计算速度较快，网格划分难度较大。
针对现有笼型转子散热条件差，永磁体易退磁等缺点，提出一种外笼型转子磁力耦合器（OSRMC）。基于OSRMC组成结构及运行原理，给出其热分析模型及损耗原理，并依此论证了OSRMC在转差为33.3%时，其所产生的热功耗最大（为4/27倍的额定功率）。基于传热学原理，给出了OSRMC两种主要的热量交换方式及导热微分方程，并基于集群解析法与区域剖分法得到了OSRMC的有限元法仿真结果。结果表明：OSRMC的主要换热方式为热对流，其主要温升位于笼条与永磁体的耦合处并沿轴向逐渐降低；集群解析法与区域剖分法计算精度相当，但区域剖分法计算速度较快，网格划分难度较大。
2023, 50(11):80-85.
DOI: 10.12177/emca.2023.137
摘要:
采用西门子S7-1500可编程控制器和Sinamics S120变频器设计了机器人用伺服系统性能测试加载系统。介绍了性能测试系统的组成以及加载系统的软硬件设计方法。给出了加载闭环控制系统的建模方法，设计了转矩比例积分控制器和转矩微分负反馈控制器，以消除加载转矩静差和抑制转矩超调。实际应用结果表明，该系统各项性能指标均满足设计要求。
采用西门子S7-1500可编程控制器和Sinamics S120变频器设计了机器人用伺服系统性能测试加载系统。介绍了性能测试系统的组成以及加载系统的软硬件设计方法。给出了加载闭环控制系统的建模方法，设计了转矩比例积分控制器和转矩微分负反馈控制器，以消除加载转矩静差和抑制转矩超调。实际应用结果表明，该系统各项性能指标均满足设计要求。
2023, 50(11):86-95.
DOI: 10.12177/emca.2023.138
摘要:
针对分数槽集中绕组感应电机非主导极次谐波含量较高的问题，提出了通过设置分数槽集中绕组结构的补偿绕组抑制非主导极次谐波的方法。首先分析了不同槽极配合下分数槽集中绕组各数次谐波磁动势分布规律。然后根据主导极次谐波和谐波含量较高的非主导极次谐波在轴线位置处的不同分布情况，设计了两种不同的补偿绕组排布方式。最后，通过理论计算和有限元仿真，验证了该方法可以有效抑制谐波含量较高的非主导极次谐波，并且保留了集中绕组齿间独立性高的特点。
针对分数槽集中绕组感应电机非主导极次谐波含量较高的问题，提出了通过设置分数槽集中绕组结构的补偿绕组抑制非主导极次谐波的方法。首先分析了不同槽极配合下分数槽集中绕组各数次谐波磁动势分布规律。然后根据主导极次谐波和谐波含量较高的非主导极次谐波在轴线位置处的不同分布情况，设计了两种不同的补偿绕组排布方式。最后，通过理论计算和有限元仿真，验证了该方法可以有效抑制谐波含量较高的非主导极次谐波，并且保留了集中绕组齿间独立性高的特点。
《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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