2024年第51卷第2期文章目次
2024, 51(2):1-9.
DOI: 10.12177/emca.2023.186
摘要:
为了更加高效地评估储能电池组的健康状态（SOH），提出一种基于电压极差特征的早期健康状态检测方法。首先基于大容量磷酸铁锂储能电池组开展循环老化试验，测量每次循环的电压极差信号，并从中提取关键时间点的电压特征；其次，基于皮尔逊（Pearson）相关系数及灰色关联度分析法（GRA）筛选与电池组老化高度相关的健康因子。最后，通过麻雀搜索算法（SSA）优化双向长短时记忆网络（BiLSTM）的超参数，搭建SSA-BiLSTM健康状态估计模型，实现储能电池组SOH评估；并结合常规机器学习算法验证了健康因子的有效性和估计模型的优越性。结果表明，所提取充放电静置30 min的电压极差特征能够有效反映电池组容量衰退趋势，多种模型验证下SOH估计误差均低于±0.8%。其中，本文所提出的SSA-BiLSTM模型均方根误差（RMSE）低至0.07%。因此该方法能够有效地对大容量储能电池组的SOH实现在线监测。
为了更加高效地评估储能电池组的健康状态（SOH），提出一种基于电压极差特征的早期健康状态检测方法。首先基于大容量磷酸铁锂储能电池组开展循环老化试验，测量每次循环的电压极差信号，并从中提取关键时间点的电压特征；其次，基于皮尔逊（Pearson）相关系数及灰色关联度分析法（GRA）筛选与电池组老化高度相关的健康因子。最后，通过麻雀搜索算法（SSA）优化双向长短时记忆网络（BiLSTM）的超参数，搭建SSA-BiLSTM健康状态估计模型，实现储能电池组SOH评估；并结合常规机器学习算法验证了健康因子的有效性和估计模型的优越性。结果表明，所提取充放电静置30 min的电压极差特征能够有效反映电池组容量衰退趋势，多种模型验证下SOH估计误差均低于±0.8%。其中，本文所提出的SSA-BiLSTM模型均方根误差（RMSE）低至0.07%。因此该方法能够有效地对大容量储能电池组的SOH实现在线监测。
2024, 51(2):10-21.
DOI: 10.12177/emca.2023.185
摘要:
直流线路正常运行过程中，平波电抗器可以减小电流纹波。当直流线路发生故障时，限流电抗器的快速投入可以抑制故障电流的上升速度。因此，考虑限流电抗器与平波电抗器的协同，不仅可以抑制故障电流的上升速度，而且能够降低直流断路器的切断容量。然而，受到投资成本和系统动态特性的制约，平波电抗器与限流电抗器的电感容量需要保持在合理的范围内。因此，对直流输电系统中平波电抗器和限流电抗器的容量进行优化配置，在保证限流能力的同时降低投资是十分有意义的。首先，建立了交直流混联系统的故障等效模型，并分析直流线路发生双极性短路时两端故障电流的特性。其次，建立了平波电抗器和限流电抗器的优化配置数学模型。最后，基于MATLAB仿真试验对所提限流策略进行了验证。
直流线路正常运行过程中，平波电抗器可以减小电流纹波。当直流线路发生故障时，限流电抗器的快速投入可以抑制故障电流的上升速度。因此，考虑限流电抗器与平波电抗器的协同，不仅可以抑制故障电流的上升速度，而且能够降低直流断路器的切断容量。然而，受到投资成本和系统动态特性的制约，平波电抗器与限流电抗器的电感容量需要保持在合理的范围内。因此，对直流输电系统中平波电抗器和限流电抗器的容量进行优化配置，在保证限流能力的同时降低投资是十分有意义的。首先，建立了交直流混联系统的故障等效模型，并分析直流线路发生双极性短路时两端故障电流的特性。其次，建立了平波电抗器和限流电抗器的优化配置数学模型。最后，基于MATLAB仿真试验对所提限流策略进行了验证。
2024, 51(2):22-33.
DOI: 10.12177/emca.2023.182
摘要:
针对传统滑模控制采用不连续的符号函数作为滑模面切换函数所引起的抖振问题，提出一种基于改进型滑模变结构的永磁同步电机的无位置传感器矢量控制方法，来削弱抖振，从而改善系统的动、静态性能。首先，设计了改进型滑模控制器和改进型滑模观测器的变结构控制系统。其次，采用连续的开关函数——双曲正切函数作为滑模面切换函数，并通过模糊逻辑控制对双曲正切函数的形状系数进行调整，减弱固定边界层厚度所引起的抖振。然后，运用李雅普诺夫第二定理证明所设计的控制系统的稳定性。最后，与其他方法相比，仿真结果证明了所提方法的可行性和有效性。
针对传统滑模控制采用不连续的符号函数作为滑模面切换函数所引起的抖振问题，提出一种基于改进型滑模变结构的永磁同步电机的无位置传感器矢量控制方法，来削弱抖振，从而改善系统的动、静态性能。首先，设计了改进型滑模控制器和改进型滑模观测器的变结构控制系统。其次，采用连续的开关函数——双曲正切函数作为滑模面切换函数，并通过模糊逻辑控制对双曲正切函数的形状系数进行调整，减弱固定边界层厚度所引起的抖振。然后，运用李雅普诺夫第二定理证明所设计的控制系统的稳定性。最后，与其他方法相比，仿真结果证明了所提方法的可行性和有效性。
2024, 51(2):34-43.
DOI: 10.12177/emca.2023.179
摘要:
异常放电是电力变压器中一种潜在的危险故障，若未及时检测可能导致严重的安全事故。采用接触式拾音器收集变压器箱体内异常放电声纹信号，并提出了一种特征提取方法和一个深度神经网络结构，以实现对变压器异常放电的高效识别。首先，设计了一种结合梅尔频率提取和关键频率提取的二维声纹特征提取方法。其次，提出了一种基于卷积神经网络和Transformer网络的混合二维特征识别模型，能够在确保识别速度的同时准确辨识异常放电声纹信号。通过对110 kV三相三绕组变压器无载调压试验过程中采集的放电数据进行试验分析，所提方法相较于ResNet50识别速度增加约0.16秒/样本，同时识别效果提升了4.5%。
异常放电是电力变压器中一种潜在的危险故障，若未及时检测可能导致严重的安全事故。采用接触式拾音器收集变压器箱体内异常放电声纹信号，并提出了一种特征提取方法和一个深度神经网络结构，以实现对变压器异常放电的高效识别。首先，设计了一种结合梅尔频率提取和关键频率提取的二维声纹特征提取方法。其次，提出了一种基于卷积神经网络和Transformer网络的混合二维特征识别模型，能够在确保识别速度的同时准确辨识异常放电声纹信号。通过对110 kV三相三绕组变压器无载调压试验过程中采集的放电数据进行试验分析，所提方法相较于ResNet50识别速度增加约0.16秒/样本，同时识别效果提升了4.5%。
2024, 51(2):44-60.
DOI: 10.12177/emca.2023.173
摘要:
储热作为一种具有广阔前景的规模化储能技术，可有效缓解能源供求不匹配、优化能源结构。综述了近几年来关于化学储热、显热储热和相变储热（潜热储热）的材料体系、制备工艺及性能特点，对各种储热材料的组成、结构、性能特点、面临的困难、应用前景及发展趋势进行了分析讨论。其中，利用相变材料在相变过程中，吸收或放出相变潜热来进行能量储存与释放的相变储热反应易于控制、安全可靠且具有高能量密度。基于此，进一步对相变储热的分类、储热系统强化传热技术以及应用等方面的研究进展进行了总结。
储热作为一种具有广阔前景的规模化储能技术，可有效缓解能源供求不匹配、优化能源结构。综述了近几年来关于化学储热、显热储热和相变储热（潜热储热）的材料体系、制备工艺及性能特点，对各种储热材料的组成、结构、性能特点、面临的困难、应用前景及发展趋势进行了分析讨论。其中，利用相变材料在相变过程中，吸收或放出相变潜热来进行能量储存与释放的相变储热反应易于控制、安全可靠且具有高能量密度。基于此，进一步对相变储热的分类、储热系统强化传热技术以及应用等方面的研究进展进行了总结。
2024, 51(2):61-70.
DOI: 10.12177/emca.2023.178
摘要:
针对多电飞机航空电源系统日益增长的用电需求，设计了一台额定功率为75 kW、额定转速为65 000 r/min的高速实心式永磁同步电机。此类高速电机运行速度快、损耗密度大，其设计受到多物理场的共同约束。通过有限元仿真，从电磁场、机械场和温度场三个角度对电机性能、转子强度和冷却系统进行了设计，并通过试验验证了设计的合理性。分析结果为多电飞机电源系统电机产品提供了参考依据。
针对多电飞机航空电源系统日益增长的用电需求，设计了一台额定功率为75 kW、额定转速为65 000 r/min的高速实心式永磁同步电机。此类高速电机运行速度快、损耗密度大，其设计受到多物理场的共同约束。通过有限元仿真，从电磁场、机械场和温度场三个角度对电机性能、转子强度和冷却系统进行了设计，并通过试验验证了设计的合理性。分析结果为多电飞机电源系统电机产品提供了参考依据。
2024, 51(2):71-79.
DOI: 10.12177/emca.2023.174
摘要:
针对如何提取容量增量(IC)曲线上更有效的特征参数进行锂电池健康状态(SOH)估计问题，提出了一种基于修正的洛伦兹电压容量(RL-VC)模型。首先使用传统滤波方法对锂电池进行容量增量分析(ICA)。然后使用RL-VC模型进行对比，获得相应的特征参数并计算容量建模误差。在基于自主搭建的试验平台上获得的试验数据与开源数据集NASA中的动态数据集NCM中分别进行试验。VC容量建模的误差分别在0.23%和0.16%以内。RL-VC模型拟合的IC曲线提取的特征参数与锂电池容量高度线性相关，为后续SOH工作奠定了基础。基于RL-VC模型的IC分析方法相较于传统滤波方法，不仅在电池老化方面具有更高的鲁棒性，同时在特征参数提取方面避免了主观性和不确定性。
针对如何提取容量增量(IC)曲线上更有效的特征参数进行锂电池健康状态(SOH)估计问题，提出了一种基于修正的洛伦兹电压容量(RL-VC)模型。首先使用传统滤波方法对锂电池进行容量增量分析(ICA)。然后使用RL-VC模型进行对比，获得相应的特征参数并计算容量建模误差。在基于自主搭建的试验平台上获得的试验数据与开源数据集NASA中的动态数据集NCM中分别进行试验。VC容量建模的误差分别在0.23%和0.16%以内。RL-VC模型拟合的IC曲线提取的特征参数与锂电池容量高度线性相关，为后续SOH工作奠定了基础。基于RL-VC模型的IC分析方法相较于传统滤波方法，不仅在电池老化方面具有更高的鲁棒性，同时在特征参数提取方面避免了主观性和不确定性。
2024, 51(2):80-89.
DOI: 10.12177/emca.2023.183
摘要:
由于风的变化性、随机性等因素，风电机组的输出功率处于不稳定的状态。当风速超过额定风速时，通过精确地调节桨距角，保证风电机组输出功率的稳定性。针对该问题，基于Matlab/Simulink仿真软件，搭建出风电机组变桨控制模型，设计了基于鲸鱼算法优化的模糊PID控制器。然而，模糊控制参数繁多，仅靠专家经验进行整定比较困难。因此，通过鲸鱼算法对模糊参数进行在线最优整定，很好地解决了风电机组的大滞后和非线性问题。通过对比分析PID控制器和模糊PID控制器的性能，仿真结果表明后者可以使功率快速趋于额定值，提高了系统的动态响应，并且可以精确调整桨距角。此外，模糊PID控制器最大限度减轻了变桨机构的疲劳，增加了风机的寿命。
由于风的变化性、随机性等因素，风电机组的输出功率处于不稳定的状态。当风速超过额定风速时，通过精确地调节桨距角，保证风电机组输出功率的稳定性。针对该问题，基于Matlab/Simulink仿真软件，搭建出风电机组变桨控制模型，设计了基于鲸鱼算法优化的模糊PID控制器。然而，模糊控制参数繁多，仅靠专家经验进行整定比较困难。因此，通过鲸鱼算法对模糊参数进行在线最优整定，很好地解决了风电机组的大滞后和非线性问题。通过对比分析PID控制器和模糊PID控制器的性能，仿真结果表明后者可以使功率快速趋于额定值，提高了系统的动态响应，并且可以精确调整桨距角。此外，模糊PID控制器最大限度减轻了变桨机构的疲劳，增加了风机的寿命。
2024, 51(2):90-102.
DOI: 10.12177/emca.2023.187
摘要:
针对无轴承开关磁阻电机现有的基于无磁饱和假设的数学模型只适用于未磁饱和工况的缺点，为宽转子单绕组无轴承开关磁阻电机建立了一种可以计及磁饱和影响的全周期径向力数学模型。首先依据该电机的磁场有限元分析结果，基于麦克斯韦应力法求出了径向力关于气隙磁密的表达式；然后对铁心材料的非线性磁化特性进行拟合，再根据该电机的等效磁路计算了计及磁饱和影响的气隙磁密；之后建立了该电机的径向力模型，并在对比分析了边缘气隙磁密和主气隙磁密对径向力的影响后，对所建径向力模型进行简化，以减小计算量和复杂度。最后利用三维有限元分析进行验证，结果表明所建径向力模型对该电机未磁饱和、部分磁饱和以及完全磁饱和工况均适用。计及磁饱和的全周期径向力模型的建立，可以为电机运行特性分析、本体优化设计以及控制策略研究提供更准确的理论参考。
针对无轴承开关磁阻电机现有的基于无磁饱和假设的数学模型只适用于未磁饱和工况的缺点，为宽转子单绕组无轴承开关磁阻电机建立了一种可以计及磁饱和影响的全周期径向力数学模型。首先依据该电机的磁场有限元分析结果，基于麦克斯韦应力法求出了径向力关于气隙磁密的表达式；然后对铁心材料的非线性磁化特性进行拟合，再根据该电机的等效磁路计算了计及磁饱和影响的气隙磁密；之后建立了该电机的径向力模型，并在对比分析了边缘气隙磁密和主气隙磁密对径向力的影响后，对所建径向力模型进行简化，以减小计算量和复杂度。最后利用三维有限元分析进行验证，结果表明所建径向力模型对该电机未磁饱和、部分磁饱和以及完全磁饱和工况均适用。计及磁饱和的全周期径向力模型的建立，可以为电机运行特性分析、本体优化设计以及控制策略研究提供更准确的理论参考。
2024, 51(2):103-112.
DOI: 10.12177/emca.2023.177
摘要:
为了研究不同转子拓扑结构对8极48槽内置式永磁同步电机（IPMSM）的电磁性能和噪声性能的影响，分别建立了单层无隔磁桥、单层有隔磁桥、双层无隔磁桥以及双层有隔磁桥转子拓扑结构的内置式永磁同步电机的有限元模型。除转子拓扑结构以外，四种电机的定子拓扑结构、永磁体使用量等其它条件完全相同。首先，对电机电磁性能和噪声性能进行相关的理论分析。其次，建立四种电机的有限元模型，对四种电机的凸极率、输出转矩、转矩脉动以及空载反电势谐波畸变率等电磁性能进行比较分析，并对四种电机进行模态分析。最后，比较了四种电机的振动响应和噪声特性。结果表明，双层有隔磁桥转子结构的内置式永磁同步电机电磁性能最好，并且其噪声削弱效果也最好。
为了研究不同转子拓扑结构对8极48槽内置式永磁同步电机（IPMSM）的电磁性能和噪声性能的影响，分别建立了单层无隔磁桥、单层有隔磁桥、双层无隔磁桥以及双层有隔磁桥转子拓扑结构的内置式永磁同步电机的有限元模型。除转子拓扑结构以外，四种电机的定子拓扑结构、永磁体使用量等其它条件完全相同。首先，对电机电磁性能和噪声性能进行相关的理论分析。其次，建立四种电机的有限元模型，对四种电机的凸极率、输出转矩、转矩脉动以及空载反电势谐波畸变率等电磁性能进行比较分析，并对四种电机进行模态分析。最后，比较了四种电机的振动响应和噪声特性。结果表明，双层有隔磁桥转子结构的内置式永磁同步电机电磁性能最好，并且其噪声削弱效果也最好。
2024, 51(2):113-122.
DOI: 10.12177/emca.2023.181
摘要:
真空泵用屏蔽式永磁同步电机发热严重，因此在设计阶段准确预测其温度对于真空泵系统的安全稳定运行具有重要意义。针对当前电机电磁场温度场双向耦合计算方法只能考虑温度对电机材料物理性质参数的影响，提出了一种电机电磁场温度场互相迭代计算方法。该方法不仅能够考虑温度对电机损耗和永磁体磁性能的影响，还能够考虑温度对电机部件材料导热能力和散热能力的影响，使电机电磁场和温度场预测更加符合实际情况。以一台1.5 kW屏蔽式永磁同步电机作为研究对象，基于提出的方法对电机的电磁性能和温度特性进行分析，并将分析结果与电磁热双向耦合计算结果进行了对比。此外还利用提出的互相迭代法分析了环境温度对电机温升的影响。该研究不仅可以为屏蔽式永磁同步电机优化设计提供理论依据，还可以为其运行安全性和可靠性提供参考。
真空泵用屏蔽式永磁同步电机发热严重，因此在设计阶段准确预测其温度对于真空泵系统的安全稳定运行具有重要意义。针对当前电机电磁场温度场双向耦合计算方法只能考虑温度对电机材料物理性质参数的影响，提出了一种电机电磁场温度场互相迭代计算方法。该方法不仅能够考虑温度对电机损耗和永磁体磁性能的影响，还能够考虑温度对电机部件材料导热能力和散热能力的影响，使电机电磁场和温度场预测更加符合实际情况。以一台1.5 kW屏蔽式永磁同步电机作为研究对象，基于提出的方法对电机的电磁性能和温度特性进行分析，并将分析结果与电磁热双向耦合计算结果进行了对比。此外还利用提出的互相迭代法分析了环境温度对电机温升的影响。该研究不仅可以为屏蔽式永磁同步电机优化设计提供理论依据，还可以为其运行安全性和可靠性提供参考。
2024, 51(2):123-134.
DOI: 10.12177/emca.2023.175
摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)的电流控制易受系统延迟、参数失配等因素影响，导致电流跟踪性能下降的问题，提出一种带延时补偿的自适应无差拍电流预测控制算法。在传统无差拍电流预测控制器(DPCC)基础上，针对参数失配引起电流跟踪性能下降的问题，改进了基于仿射投影算法的模型自适应补偿方法，设计了一种具有延时补偿的自适应电流控制算法。最后通过仿真试验，验证了所设计的带延时补偿的自适应无差拍电流预测控制对系统参数失配具有自适应补偿能力，可以有效消除系统延时的影响，提高电流环跟踪性能。
针对永磁同步电机(PMSM)的电流控制易受系统延迟、参数失配等因素影响，导致电流跟踪性能下降的问题，提出一种带延时补偿的自适应无差拍电流预测控制算法。在传统无差拍电流预测控制器(DPCC)基础上，针对参数失配引起电流跟踪性能下降的问题，改进了基于仿射投影算法的模型自适应补偿方法，设计了一种具有延时补偿的自适应电流控制算法。最后通过仿真试验，验证了所设计的带延时补偿的自适应无差拍电流预测控制对系统参数失配具有自适应补偿能力，可以有效消除系统延时的影响，提高电流环跟踪性能。
《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
- 地址：上海市武宁路505号
- 邮编：200063
- 电话：021-62574990-574/462（编辑部），021-62574990-416（广告部）
- 电子邮箱：eec@seari.com.cn （编辑部），wangzm@seari.com.cn（广告部）
- 网址：https://www.motor-abc.cn/djykzyy/home
- 邮发代号：4-199
- 国内定价：15元/册
- 影响因子：0.752
