2024年第51卷第3期文章目次
2024, 51(3):1-9.
DOI: 10.12177/emca.2024.001
摘要:
针对新型电力系统背景下电网谐波阻抗的测量需求，提出了一种基于光伏逆变器的新型电网谐波阻抗测量方法。所提方法不会对电网产生扰动，无需安装额外的测量设备，并且还能在阻抗测量过程中治理电网谐波。该方法在基波下控制光伏逆变器实现正常发电功能，在谐波下控制其等效为虚拟电阻。通过改变逆变器的等效虚拟谐波电阻值，测量并网点谐波电压的幅值，并结合最小二乘法来估算系统的谐波阻抗幅值。利用硬件在环实时仿真试验平台进行阻抗测量试验，测量结果与设定值相符，系统5次谐波阻抗的测量精度达99%，7次谐波阻抗的测量精度达97%，验证了所提方法不仅可测量系统多次谐波阻抗幅值，且能保证较高的测量精度。
针对新型电力系统背景下电网谐波阻抗的测量需求，提出了一种基于光伏逆变器的新型电网谐波阻抗测量方法。所提方法不会对电网产生扰动，无需安装额外的测量设备，并且还能在阻抗测量过程中治理电网谐波。该方法在基波下控制光伏逆变器实现正常发电功能，在谐波下控制其等效为虚拟电阻。通过改变逆变器的等效虚拟谐波电阻值，测量并网点谐波电压的幅值，并结合最小二乘法来估算系统的谐波阻抗幅值。利用硬件在环实时仿真试验平台进行阻抗测量试验，测量结果与设定值相符，系统5次谐波阻抗的测量精度达99%，7次谐波阻抗的测量精度达97%，验证了所提方法不仅可测量系统多次谐波阻抗幅值，且能保证较高的测量精度。
2024, 51(3):10-20.
DOI: 10.12177/emca.2024.005
摘要:
针对气体绝缘金属封闭开关（GIS）设备的操作机构异常或故障而导致其开关动作时出现分合闸失败或不到位的问题，提出了一种基于梅尔频率倒谱系数（MFCC）和随机森林的GIS设备操作机构异常分类模型。首先，对采集到的声纹信号进行预处理，使用MFCC提取声纹信号的特征；然后，构建随机森林对提取的特征信息进行辨识，得到GIS动作异常的分类结果；最后，以某110 kV的GIS设备为例，采集断路器、隔离开关的储能机构和传动机构异常或故障时的声纹信号，构建了音频样本库，并对所提分类模型与多种经典模型进行了对比测试。结果表明，MFCC能够有效提取出不同工况下GIS动作的声纹信号特征，且随机森林在众多分类识别模型中表现最优，有效提高了GIS动作异常工况识别的准确率。
针对气体绝缘金属封闭开关（GIS）设备的操作机构异常或故障而导致其开关动作时出现分合闸失败或不到位的问题，提出了一种基于梅尔频率倒谱系数（MFCC）和随机森林的GIS设备操作机构异常分类模型。首先，对采集到的声纹信号进行预处理，使用MFCC提取声纹信号的特征；然后，构建随机森林对提取的特征信息进行辨识，得到GIS动作异常的分类结果；最后，以某110 kV的GIS设备为例，采集断路器、隔离开关的储能机构和传动机构异常或故障时的声纹信号，构建了音频样本库，并对所提分类模型与多种经典模型进行了对比测试。结果表明，MFCC能够有效提取出不同工况下GIS动作的声纹信号特征，且随机森林在众多分类识别模型中表现最优，有效提高了GIS动作异常工况识别的准确率。
2024, 51(3):21-29.
DOI: 10.12177/emca.2023.191
摘要:
居民充电桩的容量预测可为其定容选址提供参考，助力实现“双碳”目标，为此提出了一种基于数据驱动的居民充电桩容量预测方法。首先，采集了居民充电桩的历史容量数据并进行预处理；其次，利用不同大小的时序窗口对其进行切片作为输入特征；最后，构建了结合多头注意力机制和门控循环单元神经网络的预测模型，将特征输入模型从而实现了对未来容量的精准预测。通过实例分析表明，该模型预测结果的平均绝对误差和均方根误差分别为33.19和102.14%，预测精度相较于其他模型有较大提升，为居民充电桩的容量预测提供了新思路。
居民充电桩的容量预测可为其定容选址提供参考，助力实现“双碳”目标，为此提出了一种基于数据驱动的居民充电桩容量预测方法。首先，采集了居民充电桩的历史容量数据并进行预处理；其次，利用不同大小的时序窗口对其进行切片作为输入特征；最后，构建了结合多头注意力机制和门控循环单元神经网络的预测模型，将特征输入模型从而实现了对未来容量的精准预测。通过实例分析表明，该模型预测结果的平均绝对误差和均方根误差分别为33.19和102.14%，预测精度相较于其他模型有较大提升，为居民充电桩的容量预测提供了新思路。
2024, 51(3):30-37.
DOI: 10.12177/emca.2023.194
摘要:
轴承故障会引起双馈异步风力发电机转子气隙变化，产生不平衡磁拉力(UMP)。为准确揭示双馈异步风力发电机轴承故障振动特性，开展了考虑UMP的双馈异步风力发电机轴承外圈故障动力学建模研究。首先，基于赫兹接触理论构建了轴承外圈故障模型；然后，推导了正常和轴承故障下发电机转子的气隙磁密，得到了发电机转子受到的UMP解析式；最后，采用Runge-Kutta法对模型进行求解，得到了轴承故障振动响应。试验分析表明：所提动力学模型能够有效揭示双馈异步风力发电机轴承故障振动信号的双冲击现象，UMP激励会影响风力发电机轴承外圈故障振动信号的调制特性。为风力发电机轴承故障诊断提供了新的理论参考。
轴承故障会引起双馈异步风力发电机转子气隙变化，产生不平衡磁拉力(UMP)。为准确揭示双馈异步风力发电机轴承故障振动特性，开展了考虑UMP的双馈异步风力发电机轴承外圈故障动力学建模研究。首先，基于赫兹接触理论构建了轴承外圈故障模型；然后，推导了正常和轴承故障下发电机转子的气隙磁密，得到了发电机转子受到的UMP解析式；最后，采用Runge-Kutta法对模型进行求解，得到了轴承故障振动响应。试验分析表明：所提动力学模型能够有效揭示双馈异步风力发电机轴承故障振动信号的双冲击现象，UMP激励会影响风力发电机轴承外圈故障振动信号的调制特性。为风力发电机轴承故障诊断提供了新的理论参考。
2024, 51(3):38-48.
DOI: 10.12177/emca.2023.195
摘要:
采用平均磁链定向控制多台永磁同步风电机组进而构造分频发电系统是未来陆上尤其是海上风电的汇集方案之一，但对该模式下多台风电机组间稳定性的研究鲜有文献涉及。针对此问题，基于特征值分析法，研究了平均磁链定向控制的永磁同步风电机组之间的小干扰稳定性。首先，基于高压大容量直驱式永磁同步风电机组的分频集电系统拓扑结构，建立了适用于小干扰稳定分析的风电系统的数学模型；其次，通过辨识振荡模态并分析模态参与因子确定了影响系统振荡的主控因素，通过绘制根轨迹分析了主控因素参数变化对系统振荡的影响，并发现系统振荡受发电机电感、电阻和直流电容参数的影响最大；最后，通过时域仿真验证了研究结论的正确性
采用平均磁链定向控制多台永磁同步风电机组进而构造分频发电系统是未来陆上尤其是海上风电的汇集方案之一，但对该模式下多台风电机组间稳定性的研究鲜有文献涉及。针对此问题，基于特征值分析法，研究了平均磁链定向控制的永磁同步风电机组之间的小干扰稳定性。首先，基于高压大容量直驱式永磁同步风电机组的分频集电系统拓扑结构，建立了适用于小干扰稳定分析的风电系统的数学模型；其次，通过辨识振荡模态并分析模态参与因子确定了影响系统振荡的主控因素，通过绘制根轨迹分析了主控因素参数变化对系统振荡的影响，并发现系统振荡受发电机电感、电阻和直流电容参数的影响最大；最后，通过时域仿真验证了研究结论的正确性
2024, 51(3):49-59.
DOI: 10.12177/emca.2023.197
摘要:
随着我国海上风电装机容量不断增加，经济发达、电力负荷大的沿海地区越来越依赖和关注海上风电的安全运行。在系统常规火电机组容量下降、系统惯量较低的情况下，海上风电场的友好接入问题变得尤为突出。特别是在台风期间，海上风电场在达到截止风速之前可能会与受端电网迅速断开，导致主网出现大量功率缺额、电压频率恶化等不利影响。为了解决风电固有波动性和台风引起的大扰动问题，提出了一种含混合电氢储能的海上风电场并网运行控制方法。该方法在海上风电场正常运行期间，通过合理安排储能和充放能，有效平抑了风电波动性；而在台风过境期间，通过合理使用混合电氢储能，缓解了海上风电输出骤降，减少对受端电网的不利影响。通过对广东某海上风电场的真实数据进行仿真研究，验证了所提方法的有效性。
随着我国海上风电装机容量不断增加，经济发达、电力负荷大的沿海地区越来越依赖和关注海上风电的安全运行。在系统常规火电机组容量下降、系统惯量较低的情况下，海上风电场的友好接入问题变得尤为突出。特别是在台风期间，海上风电场在达到截止风速之前可能会与受端电网迅速断开，导致主网出现大量功率缺额、电压频率恶化等不利影响。为了解决风电固有波动性和台风引起的大扰动问题，提出了一种含混合电氢储能的海上风电场并网运行控制方法。该方法在海上风电场正常运行期间，通过合理安排储能和充放能，有效平抑了风电波动性；而在台风过境期间，通过合理使用混合电氢储能，缓解了海上风电输出骤降，减少对受端电网的不利影响。通过对广东某海上风电场的真实数据进行仿真研究，验证了所提方法的有效性。
2024, 51(3):60-68.
DOI: 10.12177/emca.2023.190
摘要:
针对现有磁控溅射装置在镀膜工作中靶面阴极磁场分布不均匀的问题，设计了一种新型旋转阴极磁场装置。该装置通过旋转机构带动磁场做圆周运动，利用凸轮机构使磁场做上下直线运动。首先，利用3D软件绘制出该装置的三维模型；其次，对阴极磁场磁感应强度进行了有限元分析；最后，通过调整磁轭高度、伸出臂长度以及磁轭-靶材间距优化了磁场，并将优化前后的数值模拟曲线进行了对比分析。结果表明，优化后阴极磁场磁感应强度曲线的均匀度由21%改善到6%，有效改善了靶面磁场均匀性，有利于保证磁控溅射的稳定运行。
针对现有磁控溅射装置在镀膜工作中靶面阴极磁场分布不均匀的问题，设计了一种新型旋转阴极磁场装置。该装置通过旋转机构带动磁场做圆周运动，利用凸轮机构使磁场做上下直线运动。首先，利用3D软件绘制出该装置的三维模型；其次，对阴极磁场磁感应强度进行了有限元分析；最后，通过调整磁轭高度、伸出臂长度以及磁轭-靶材间距优化了磁场，并将优化前后的数值模拟曲线进行了对比分析。结果表明，优化后阴极磁场磁感应强度曲线的均匀度由21%改善到6%，有效改善了靶面磁场均匀性，有利于保证磁控溅射的稳定运行。
2024, 51(3):69-78.
DOI: 10.12177/emca.2023.193
摘要:
针对变频器驱动下牵引电机受到谐波转矩的影响，分析了谐波转矩对铜条式鼠笼转子结构的作用机理。采用试验与仿真相结合的方法识别鼠笼转子端部特性。首先，通过模态分析，获取了鼠笼转子的模态参数；然后，建立了基于模态试验的转子等效有限元模型，分析了其在12倍频特征电磁激励下的静强度及谐响应。最后，基于导条振动测试平台，研究了鼠笼转子端部扭振特性，并对载荷放大效应进行了验证，为提升铜条式鼠笼转子端部结构的可靠性提供了一定的理论支撑。
针对变频器驱动下牵引电机受到谐波转矩的影响，分析了谐波转矩对铜条式鼠笼转子结构的作用机理。采用试验与仿真相结合的方法识别鼠笼转子端部特性。首先，通过模态分析，获取了鼠笼转子的模态参数；然后，建立了基于模态试验的转子等效有限元模型，分析了其在12倍频特征电磁激励下的静强度及谐响应。最后，基于导条振动测试平台，研究了鼠笼转子端部扭振特性，并对载荷放大效应进行了验证，为提升铜条式鼠笼转子端部结构的可靠性提供了一定的理论支撑。
2024, 51(3):79-85.
DOI: 10.12177/emca.2023.189
摘要:
为提高表贴式永磁同步电机无位置传感器控制中转子位置和速度的估计精度，提出了一种改进型非线性观测器。通过重构非线性观测器的数学模型，构建了误差方程，利用Lyapunov理论对误差方程进行了稳定性分析。并基于稳定性条件提出了一种误差项步长优化方法，实现了非线性观测器的步长增益自调节。仿真与试验结果表明，改进型非线性观测器具有良好的动态性能，验证了其可行性。
为提高表贴式永磁同步电机无位置传感器控制中转子位置和速度的估计精度，提出了一种改进型非线性观测器。通过重构非线性观测器的数学模型，构建了误差方程，利用Lyapunov理论对误差方程进行了稳定性分析。并基于稳定性条件提出了一种误差项步长优化方法，实现了非线性观测器的步长增益自调节。仿真与试验结果表明，改进型非线性观测器具有良好的动态性能，验证了其可行性。
2024, 51(3):86-94.
DOI: 10.12177/emca.2024.002
摘要:
为提高永磁直驱风力发电系统的抗扰能力和控制精度，提出了一种扰动观测器与非奇异快速终端滑模控制相结合的最大功率跟踪控制策略。利用扰动观测器得到风力发电机的转矩变化，对控制器进行前馈补偿；采用非奇异快速终端滑模面提高控制器的动态性能，实现系统快速收敛，减少因扰动引起的抖振。仿真结果表明,所提策略在随机风速的情况下可以准确估计转矩变化，提高最大功率跟踪过程中的转速跟踪精度和风能利用率。
为提高永磁直驱风力发电系统的抗扰能力和控制精度，提出了一种扰动观测器与非奇异快速终端滑模控制相结合的最大功率跟踪控制策略。利用扰动观测器得到风力发电机的转矩变化，对控制器进行前馈补偿；采用非奇异快速终端滑模面提高控制器的动态性能，实现系统快速收敛，减少因扰动引起的抖振。仿真结果表明,所提策略在随机风速的情况下可以准确估计转矩变化，提高最大功率跟踪过程中的转速跟踪精度和风能利用率。
2024, 51(3):95-107.
DOI: 10.12177/emca.2024.003
摘要:
以数控机床伺服驱动系统的多电机同步控制为研究对象，提出了一种基于多交流伺服电机的同步控制策略。此策略将虚拟主轴和偏差耦合的同步控制方式相结合，并加入反向传播神经网络比例积分微分控制以及自适应鲁棒控制。通过搭建Matlab/Simulink仿真平台模拟了系统的运行状态。结果表明，所提同步控制策略具有良好的同步性能和伺服效果，在提高多电机联动系统的控制精度和响应速度、减少摩擦和齿隙的影响以及增强系统鲁棒性方面表现出优越性。
以数控机床伺服驱动系统的多电机同步控制为研究对象，提出了一种基于多交流伺服电机的同步控制策略。此策略将虚拟主轴和偏差耦合的同步控制方式相结合，并加入反向传播神经网络比例积分微分控制以及自适应鲁棒控制。通过搭建Matlab/Simulink仿真平台模拟了系统的运行状态。结果表明，所提同步控制策略具有良好的同步性能和伺服效果，在提高多电机联动系统的控制精度和响应速度、减少摩擦和齿隙的影响以及增强系统鲁棒性方面表现出优越性。
2024, 51(3):108-116.
DOI: 10.12177/emca.2023.198
摘要:
随着智能电网的发展，各场景的用电更加多元化，而准确的台区负荷预测是确保相关电力部门制定合适检修任务的关键，同时为有序用电、电网经济运行提供重要参考。为了挖掘台区负荷的特征以提高台区负荷预测的精度，提出了一种基于核主元分析与局部保持投影降维、K均值聚类算法(K-means)以及双向长短时记忆网络(BiLSTM)的台区电力负荷预测方法。首先利用核局部保持投影（KLPP）对台区多特征负荷数据进行降维以提取主要特征信息；然后采取K-means聚类算法将相似特征的数据归类成各自的簇集；最后针对聚类后的各典型类型，有针对性地训练BiLSTM，并选取中国某高校低压台区负荷作为算例与其他经典预测方法进行对比分析，结果表明所提方法更拟合实际负荷走向，有效提升了预测效果。
随着智能电网的发展，各场景的用电更加多元化，而准确的台区负荷预测是确保相关电力部门制定合适检修任务的关键，同时为有序用电、电网经济运行提供重要参考。为了挖掘台区负荷的特征以提高台区负荷预测的精度，提出了一种基于核主元分析与局部保持投影降维、K均值聚类算法(K-means)以及双向长短时记忆网络(BiLSTM)的台区电力负荷预测方法。首先利用核局部保持投影（KLPP）对台区多特征负荷数据进行降维以提取主要特征信息；然后采取K-means聚类算法将相似特征的数据归类成各自的簇集；最后针对聚类后的各典型类型，有针对性地训练BiLSTM，并选取中国某高校低压台区负荷作为算例与其他经典预测方法进行对比分析，结果表明所提方法更拟合实际负荷走向，有效提升了预测效果。
《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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