2024年第51卷第11期文章目次
2024, 51(11):1-10.
DOI: 10.12177/emca.2024.117
摘要:
【目的】本文聚焦于准同步运行双馈直线电机(DFLM)动子电流矢量控制的定子磁场定向问题。针对高速磁浮应用工况下由于动子磁动势远大于定子磁动势而导致的定子磁场信息难以获取问题，以及悬浮控制中动子电流存在谐波注入问题，本文创新性地提出了一种基于动子固结α-β坐标系的定子磁场定向方法及其相应的参数校正方法。【方法】该方法通过误差分析和参数校正，获得足够精度的动子侧参数，从而直接在动子绕组中精确求解占比较小的定子反电动势用于磁场定向。【结果】基于DFLM试验平台对所提方法进行验证，结果表明，在足够精度的动子侧参数下,该磁通观测算法能使定子电流T^轴分量收敛并稳定于0 A，实现磁场定向。【结论】本文所提方法能获得足够准确的动子参数，并达到良好的磁场定向效果。且不受动子电流谐波注入的影响，能保持良好的动态性能，维持稳定的磁场定向。
【目的】本文聚焦于准同步运行双馈直线电机(DFLM)动子电流矢量控制的定子磁场定向问题。针对高速磁浮应用工况下由于动子磁动势远大于定子磁动势而导致的定子磁场信息难以获取问题，以及悬浮控制中动子电流存在谐波注入问题，本文创新性地提出了一种基于动子固结α-β坐标系的定子磁场定向方法及其相应的参数校正方法。【方法】该方法通过误差分析和参数校正，获得足够精度的动子侧参数，从而直接在动子绕组中精确求解占比较小的定子反电动势用于磁场定向。【结果】基于DFLM试验平台对所提方法进行验证，结果表明，在足够精度的动子侧参数下,该磁通观测算法能使定子电流T^轴分量收敛并稳定于0 A，实现磁场定向。【结论】本文所提方法能获得足够准确的动子参数，并达到良好的磁场定向效果。且不受动子电流谐波注入的影响，能保持良好的动态性能，维持稳定的磁场定向。
2024, 51(11):11-20.
DOI: 10.12177/emca.2024.122
摘要:
【目的】直流母线采样法因采用脉宽调制移相来补偿电流重构盲区会导致相电流引入额外谐波。针对此问题，本文提出了一种基于多支路采样法的电流重构方案。【方法】理论分析了直流母线采样法和多支路采样法的原理以及电流重构盲区的成因，并基于Matlab/Simulink对两种方案进行仿真对比分析。【结果】仿真结果表明，多支路采样法有效避免了直流母线采样法存在的低调制比区域和扇区边界盲区，降低了电流谐波含量，提高了电流重构的准确性。在电机转速为60 r/min时进行了试验，重构电流最大误差小于0.5 A。【结论】试验结果验证了所提多支路采样法电流重构方案的有效性和可行性。
【目的】直流母线采样法因采用脉宽调制移相来补偿电流重构盲区会导致相电流引入额外谐波。针对此问题，本文提出了一种基于多支路采样法的电流重构方案。【方法】理论分析了直流母线采样法和多支路采样法的原理以及电流重构盲区的成因，并基于Matlab/Simulink对两种方案进行仿真对比分析。【结果】仿真结果表明，多支路采样法有效避免了直流母线采样法存在的低调制比区域和扇区边界盲区，降低了电流谐波含量，提高了电流重构的准确性。在电机转速为60 r/min时进行了试验，重构电流最大误差小于0.5 A。【结论】试验结果验证了所提多支路采样法电流重构方案的有效性和可行性。
2024, 51(11):21-31.
DOI: 10.12177/emca.2024.114
摘要:
【目的】为提升永磁同步电机(PMSM)模型预测电流控制(MPCC)的控制性能，在PMSM与逆变器之间增加LC滤波器。【方法】建立带LC滤波器的三阶多步MPCC系统，对逆变器电流、电容电压及电机电流进行预测控制，并与一阶多步MPCC和磁场定向控制(FOC)进行仿真对比。【结果】仿真结果表明：在相同开关频率和预测步数下，相较于一阶MPCC，三阶MPCC下PMSM的转矩脉动和电流脉动明显减小，电流总谐波失真(THD)更低；对于三阶MPCC，随着预测步数的增加，电流THD、电流脉动和转矩脉动逐步减小。【结论】随着预测步数的增加，三阶MPCC系统的控制性能逐步提升；三阶MPCC的控制性能优于一阶MPCC；在较高开关频率处，四步至五步的三阶MPCC的控制性能优于FOC。
【目的】为提升永磁同步电机(PMSM)模型预测电流控制(MPCC)的控制性能，在PMSM与逆变器之间增加LC滤波器。【方法】建立带LC滤波器的三阶多步MPCC系统，对逆变器电流、电容电压及电机电流进行预测控制，并与一阶多步MPCC和磁场定向控制(FOC)进行仿真对比。【结果】仿真结果表明：在相同开关频率和预测步数下，相较于一阶MPCC，三阶MPCC下PMSM的转矩脉动和电流脉动明显减小，电流总谐波失真(THD)更低；对于三阶MPCC，随着预测步数的增加，电流THD、电流脉动和转矩脉动逐步减小。【结论】随着预测步数的增加，三阶MPCC系统的控制性能逐步提升；三阶MPCC的控制性能优于一阶MPCC；在较高开关频率处，四步至五步的三阶MPCC的控制性能优于FOC。
2024, 51(11):32-43.
DOI: 10.12177/emca.2024.123
摘要:
【目的】随着现代电网的快速发展，电能质量问题不可忽视,其不仅影响电力系统的安全运行，还可能导致设备损坏和电能浪费。针对传统的电能质量分类方法存在识别效果差、计算复杂度高和数据隐私问题，本文提出了一种结合联邦学习和边缘计算的联邦加权重采样与混合优化(FedWRHO)算法。【方法】首先，设计了一种结合卷积神经网络(CNN)和长短期记忆(LSTM)网络的混合模型，以高效提取电能质量信号的时空特征，并在边缘设备上进行本地训练。然后，将边缘计算与联邦学习相结合，设计了一个分布式的联邦学习框架，使各边缘节点利用本地数据进行训练，并在云端聚合模型，提高整体分类性能。最后，为了验证所提的FedWRHO算法及其结合CNN-LSTM的混合模型的有效性，进行了详细的试验验证。【结果】结果表明，模型对14类电能信号的分类准确率较高，大多数类别的准确率接近或超过95%；边缘训练的数据传输量和存储需求显著低于集中训练。【结论】本文所提方法，不仅在分类性能和数据隐私保护方面表现优越，还解决了计算资源分配和适应性方面的问题，具有广泛的应用前景。
【目的】随着现代电网的快速发展，电能质量问题不可忽视,其不仅影响电力系统的安全运行，还可能导致设备损坏和电能浪费。针对传统的电能质量分类方法存在识别效果差、计算复杂度高和数据隐私问题，本文提出了一种结合联邦学习和边缘计算的联邦加权重采样与混合优化(FedWRHO)算法。【方法】首先，设计了一种结合卷积神经网络(CNN)和长短期记忆(LSTM)网络的混合模型，以高效提取电能质量信号的时空特征，并在边缘设备上进行本地训练。然后，将边缘计算与联邦学习相结合，设计了一个分布式的联邦学习框架，使各边缘节点利用本地数据进行训练，并在云端聚合模型，提高整体分类性能。最后，为了验证所提的FedWRHO算法及其结合CNN-LSTM的混合模型的有效性，进行了详细的试验验证。【结果】结果表明，模型对14类电能信号的分类准确率较高，大多数类别的准确率接近或超过95%；边缘训练的数据传输量和存储需求显著低于集中训练。【结论】本文所提方法，不仅在分类性能和数据隐私保护方面表现优越，还解决了计算资源分配和适应性方面的问题，具有广泛的应用前景。
2024, 51(11):44-53.
DOI: 10.12177/emca.2024.126
摘要:
【目的】为解决永磁同步电机控制模型参数失配时，模型预测转矩控制(MPTC)算法存在鲁棒性较差的问题，提出了一种基于无权重比例积分微分(PID)型代价函数的MPTC算法。【方法】PID型代价函数通过构建积分误差价值函数消除静态误差，构建微分误差价值函数抑制转矩和磁链误差的振荡变化。由于转矩与磁链量纲不同，PID型代价函数仍然存在权重系数。为解决此问题，又提出一种无权重的双代价函数并行策略，将多目标代价函数转换为单目标代价函数求电压矢量集合，采用电流型代价函数作为评价最优电压矢量的最终依据，从而消除权重系数。最后，通过仿真将文本所提无权重PID型代价函数的MPTC与传统代价函数MPTC进行对比分析。【结果】仿真结果表明，采用无权重PID型代价函数的MPTC能够抑制转矩脉动和磁链脉动，降低MPTC对模型参数的依赖性，解决因存在权重系数而难以适应不同工况条件的问题，同时保留MPTC动态响应快的优点。【结论】本文所提代价函数在永磁同步电机MPTC上具有良好的可行性。
【目的】为解决永磁同步电机控制模型参数失配时，模型预测转矩控制(MPTC)算法存在鲁棒性较差的问题，提出了一种基于无权重比例积分微分(PID)型代价函数的MPTC算法。【方法】PID型代价函数通过构建积分误差价值函数消除静态误差，构建微分误差价值函数抑制转矩和磁链误差的振荡变化。由于转矩与磁链量纲不同，PID型代价函数仍然存在权重系数。为解决此问题，又提出一种无权重的双代价函数并行策略，将多目标代价函数转换为单目标代价函数求电压矢量集合，采用电流型代价函数作为评价最优电压矢量的最终依据，从而消除权重系数。最后，通过仿真将文本所提无权重PID型代价函数的MPTC与传统代价函数MPTC进行对比分析。【结果】仿真结果表明，采用无权重PID型代价函数的MPTC能够抑制转矩脉动和磁链脉动，降低MPTC对模型参数的依赖性，解决因存在权重系数而难以适应不同工况条件的问题，同时保留MPTC动态响应快的优点。【结论】本文所提代价函数在永磁同步电机MPTC上具有良好的可行性。
2024, 51(11):54-63.
DOI: 10.12177/emca.2024.121
摘要:
【目的】本文针对磁悬浮球系统的非线性特性、不确定性以及其易受外部扰动影响的特性，将线性化反馈控制与自适应全局积分滑模控制(AGISMC)相结合，优化系统控制效果、提高控制精度。【方法】首先，通过线性化反馈建立数学模型，使用自适应控制实现对系统参数的实时估计，降低系统的不确定性；其次，引入全局函数以改善系统的瞬态响应，将滑模函数中的符号函数替换为饱和函数以减小系统抖振；再次，在不确定干扰方面，利用扩张状态观测器(ESO)对系统未知干扰信号做出实时估计；最后，基于Matlab/Simulink进行仿真分析，并搭建试验平台进行试验验证。【结果】仿真和试验结果表明：AGISMC-ESO控制器与比例积分微分(PID)控制器在阶梯响应时均没有超调，且本文设计的AGISMC-ESO控制器到达稳态的时间更短；AGISMC-ESO控制器能在扰动出现后更快进行补偿，使系统快速到达稳态；施加正弦信号下，磁悬浮系统的实际运动轨迹与ESO所观测的位移曲线基本吻合。【结论】与PID控制器相比，本文设计的AGISMC-ESO控制器具有更快的响应速度、更高的控制精度、更好的动态跟踪性能和更优的抗干扰性能。
【目的】本文针对磁悬浮球系统的非线性特性、不确定性以及其易受外部扰动影响的特性，将线性化反馈控制与自适应全局积分滑模控制(AGISMC)相结合，优化系统控制效果、提高控制精度。【方法】首先，通过线性化反馈建立数学模型，使用自适应控制实现对系统参数的实时估计，降低系统的不确定性；其次，引入全局函数以改善系统的瞬态响应，将滑模函数中的符号函数替换为饱和函数以减小系统抖振；再次，在不确定干扰方面，利用扩张状态观测器(ESO)对系统未知干扰信号做出实时估计；最后，基于Matlab/Simulink进行仿真分析，并搭建试验平台进行试验验证。【结果】仿真和试验结果表明：AGISMC-ESO控制器与比例积分微分(PID)控制器在阶梯响应时均没有超调，且本文设计的AGISMC-ESO控制器到达稳态的时间更短；AGISMC-ESO控制器能在扰动出现后更快进行补偿，使系统快速到达稳态；施加正弦信号下，磁悬浮系统的实际运动轨迹与ESO所观测的位移曲线基本吻合。【结论】与PID控制器相比，本文设计的AGISMC-ESO控制器具有更快的响应速度、更高的控制精度、更好的动态跟踪性能和更优的抗干扰性能。
2024, 51(11):64-74.
DOI: 10.12177/emca.2024.127
摘要:
【目的】为提升永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统的动态响应和鲁棒性，提出了一种将带延迟补偿的鲁棒速度控制与插入式重复比例微分（PD）位置控制相结合的双闭环级联复合控制方法。【方法】首先，基于参考模型鲁棒补偿原理设计了鲁棒速度控制器，该控制器能够有效地调节参考模型与实际系统模型之间的建模误差，并利用逆系统延迟模型来抵消系统传输延迟效应。此外，为了有效抑制周期性外部扰动，引入了插入式重复控制器与PD位置控制器相结合，构建了插入式重复PD位置控制器。【结果】试验结果表明，通过这种双闭环级联控制结构，可以有效地减小位置误差，解决了传输延迟导致的系统性能变差和响应超调问题，并且有效抑制了外部周期性扰动的影响。【结论】所提复合控制方法使PMLSM位置伺服系统能够实现对周期性信号的高精度跟踪，并提高了系统的动态响应和鲁棒性。
【目的】为提升永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统的动态响应和鲁棒性，提出了一种将带延迟补偿的鲁棒速度控制与插入式重复比例微分（PD）位置控制相结合的双闭环级联复合控制方法。【方法】首先，基于参考模型鲁棒补偿原理设计了鲁棒速度控制器，该控制器能够有效地调节参考模型与实际系统模型之间的建模误差，并利用逆系统延迟模型来抵消系统传输延迟效应。此外，为了有效抑制周期性外部扰动，引入了插入式重复控制器与PD位置控制器相结合，构建了插入式重复PD位置控制器。【结果】试验结果表明，通过这种双闭环级联控制结构，可以有效地减小位置误差，解决了传输延迟导致的系统性能变差和响应超调问题，并且有效抑制了外部周期性扰动的影响。【结论】所提复合控制方法使PMLSM位置伺服系统能够实现对周期性信号的高精度跟踪，并提高了系统的动态响应和鲁棒性。
2024, 51(11):75-84.
DOI: 10.12177/emca.2024.115
摘要:
【目的】虚拟同步控制的引入使得双馈风机(DFIG)与线路补偿装置间的次同步振荡更为复杂。针对此问题,提出了一种基于模型预测控制(MPC)的虚拟同步双馈风机并网系统次同步振荡抑制策略。【方法】首先，从虚拟同步发电机(VSG)阻抗模型中得到虚拟惯量和阻尼二阶表达式，从阻抗特性的角度探究参数变化对并网系统次同步振荡的影响；其次，利用三相两电平含开关函数的电压方程推导换流器输出有功和无功功率的预测函数，建立基于MPC的直接功率预测内环控制，实现功率波动最小的最优控制；最后，利用扫频法对MPC_VSG控制策略进行分析。【结果】通过基于RT-LAB的硬件在环测试对所提MPC_VSG控制策略进行验证，结果表明在不同串补度、不同风速下，MPC_VSG控制策略均能够在0.5 s内抑制次同步振荡,且具有良好的鲁棒性。【结论】本文设计的MPC_VSG控制策略，通过以最小功率波动为目标选取最优开关状态，实现了对次同步振荡的有效抑制。
【目的】虚拟同步控制的引入使得双馈风机(DFIG)与线路补偿装置间的次同步振荡更为复杂。针对此问题,提出了一种基于模型预测控制(MPC)的虚拟同步双馈风机并网系统次同步振荡抑制策略。【方法】首先，从虚拟同步发电机(VSG)阻抗模型中得到虚拟惯量和阻尼二阶表达式，从阻抗特性的角度探究参数变化对并网系统次同步振荡的影响；其次，利用三相两电平含开关函数的电压方程推导换流器输出有功和无功功率的预测函数，建立基于MPC的直接功率预测内环控制，实现功率波动最小的最优控制；最后，利用扫频法对MPC_VSG控制策略进行分析。【结果】通过基于RT-LAB的硬件在环测试对所提MPC_VSG控制策略进行验证，结果表明在不同串补度、不同风速下，MPC_VSG控制策略均能够在0.5 s内抑制次同步振荡,且具有良好的鲁棒性。【结论】本文设计的MPC_VSG控制策略，通过以最小功率波动为目标选取最优开关状态，实现了对次同步振荡的有效抑制。
2024, 51(11):85-96.
DOI: 10.12177/emca.2024.119
摘要:
【目的】针对传统大型永磁同步风力发电机无法实现励磁磁场的调节、传统双馈发电机无法实现直驱且存在后期维护等问题，设计了一种模块化双转子同步风力发电机。【方法】该发电机定子绕组为分数槽集中绕组(FSCW)；双转子绕组均为集中绕组且采用直流激励；定子激励产生的两个主导极分别与两个转子的主导极进行磁通匝链。首先，介绍了所设计发电机的基本结构与工作原理；其次，建立了该类发电机的数学模型，并依托于FSCW理论分析其磁链、感应电动势等电磁特性；最后，建立有限元仿真模型，将仿真与理论结果进行对比分析。【结果】结果表明：定、转子齿部导磁面正对位置处磁链计算较为准确，而定、转子齿部偏移处由于含有气隙漏感存在一定的计算偏差。【结论】仿真与理论结果基本吻合，验证了所设计的模块化双转子同步风力发电机的正确性。
【目的】针对传统大型永磁同步风力发电机无法实现励磁磁场的调节、传统双馈发电机无法实现直驱且存在后期维护等问题，设计了一种模块化双转子同步风力发电机。【方法】该发电机定子绕组为分数槽集中绕组(FSCW)；双转子绕组均为集中绕组且采用直流激励；定子激励产生的两个主导极分别与两个转子的主导极进行磁通匝链。首先，介绍了所设计发电机的基本结构与工作原理；其次，建立了该类发电机的数学模型，并依托于FSCW理论分析其磁链、感应电动势等电磁特性；最后，建立有限元仿真模型，将仿真与理论结果进行对比分析。【结果】结果表明：定、转子齿部导磁面正对位置处磁链计算较为准确，而定、转子齿部偏移处由于含有气隙漏感存在一定的计算偏差。【结论】仿真与理论结果基本吻合，验证了所设计的模块化双转子同步风力发电机的正确性。
2024, 51(11):97-109.
DOI: 10.12177/emca.2024.125
摘要:
【目的】为有效地求解电力系统环境经济调度问题，本文以同时优化燃料成本和污染排放量为研究目标，提出了一种基于灰狼优化(GWO)的改进粒子群优化(PSO)算法。【方法】首先对初始粒子群采用折射反向学习产生反向解，以此提高种群的多样性；在算法迭代过程中，结合GWO算法，引导粒子群中的优秀个体进行寻优搜索，提高PSO算法的寻优能力和收敛精度；在算法迭代后期，针对粒子群易陷入局部最优解的缺点，使用Tent混沌映射对最优粒子进行扰动，根据适应度值更新粒子群个体最优值、全局最优值的位置。【结果】将改进算法应用于不同负荷需求的6单元发电机组和40单元发电机组，对比本文算法与PSO算法和GWO算法求解电力系统的收敛曲线。结果表明，本文所提改进算法能更快收敛到最优值，且最后的燃料成本最低。【结论】本文所提改进算法能更好地解决复杂约束优化问题,在寻优精度和稳定性方面表现较好。
【目的】为有效地求解电力系统环境经济调度问题，本文以同时优化燃料成本和污染排放量为研究目标，提出了一种基于灰狼优化(GWO)的改进粒子群优化(PSO)算法。【方法】首先对初始粒子群采用折射反向学习产生反向解，以此提高种群的多样性；在算法迭代过程中，结合GWO算法，引导粒子群中的优秀个体进行寻优搜索，提高PSO算法的寻优能力和收敛精度；在算法迭代后期，针对粒子群易陷入局部最优解的缺点，使用Tent混沌映射对最优粒子进行扰动，根据适应度值更新粒子群个体最优值、全局最优值的位置。【结果】将改进算法应用于不同负荷需求的6单元发电机组和40单元发电机组，对比本文算法与PSO算法和GWO算法求解电力系统的收敛曲线。结果表明，本文所提改进算法能更快收敛到最优值，且最后的燃料成本最低。【结论】本文所提改进算法能更好地解决复杂约束优化问题,在寻优精度和稳定性方面表现较好。
2024, 51(11):110-122.
DOI: 10.12177/emca.2024.118
摘要:
【目的】为解决分数槽集中绕组(FSCW)感应电机绕组磁动势中存在高幅值低次谐波的问题，本文提出了双Y形绕组、星三角形绕组和特定次谐波抑制绕组三种不同谐波抑制方案对非主导极次谐波进行抑制。【方法】首先分析了三种不同谐波抑制方案的基本原理以及在不同极槽配合下各次谐波磁动势的分布规律；其次，推导了不同方案下各次谐波的绕组分布系数与匝数的关系；然后，理论计算了不同谐波抑制方案对各次谐波磁动势的抑制情况；最后，建立FSCW感应电机二维有限元模型，对比分析不同谐波抑制方案下电机的电磁特性。【结果】仿真结果表明，三种谐波抑制方案均能有效抑制非主导极次谐波，降低转矩脉动和电机铁心损耗，但不同谐波抑制方案存在明显差异。【结论】综合考虑不同谐波抑制方案的特点，可为后续电机谐波抑制的选择设计提供参考。
【目的】为解决分数槽集中绕组(FSCW)感应电机绕组磁动势中存在高幅值低次谐波的问题，本文提出了双Y形绕组、星三角形绕组和特定次谐波抑制绕组三种不同谐波抑制方案对非主导极次谐波进行抑制。【方法】首先分析了三种不同谐波抑制方案的基本原理以及在不同极槽配合下各次谐波磁动势的分布规律；其次，推导了不同方案下各次谐波的绕组分布系数与匝数的关系；然后，理论计算了不同谐波抑制方案对各次谐波磁动势的抑制情况；最后，建立FSCW感应电机二维有限元模型，对比分析不同谐波抑制方案下电机的电磁特性。【结果】仿真结果表明，三种谐波抑制方案均能有效抑制非主导极次谐波，降低转矩脉动和电机铁心损耗，但不同谐波抑制方案存在明显差异。【结论】综合考虑不同谐波抑制方案的特点，可为后续电机谐波抑制的选择设计提供参考。
《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
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