2024年第51卷第7期文章目次
2024, 51(7):1-9.
DOI: 10.12177/emca.2024.063
摘要:
六相永磁同步发电机(PMSG)谐波含量较低、解耦方法成熟且稳定性强，具有广阔的应用前景。为提升六相PMSG负载转矩突变时的动态性能，增强系统的抗干扰能力，提出了一种利用负载转矩观测值前馈补偿的策略。首先，采用滑模观测器观测负载转矩，观测器滑模面设计为实际转速与观测转速之差，在观测过程中滤除了抖振信号，且未引起相位和幅值变化；其次，将负载转矩观测值按比例前馈至电流环给定值，弥补滑模控制器不连续项幅值不足的问题；再次，针对前馈比例常数过大导致转速无法快速稳定在给定值的问题，将前馈比例系数设为可变值;最后，基于Matlab/Simulink建立了多相模块化多电平换流器（MP-MMC）驱动六相PMSG负载转矩观测前馈滑模控制的仿真模型，对所提策略进行验证。仿真结果表明滑模观测器可准确观测负载转矩，前馈补偿策略有效抑制了负载突变引起的转速波动。
六相永磁同步发电机(PMSG)谐波含量较低、解耦方法成熟且稳定性强，具有广阔的应用前景。为提升六相PMSG负载转矩突变时的动态性能，增强系统的抗干扰能力，提出了一种利用负载转矩观测值前馈补偿的策略。首先，采用滑模观测器观测负载转矩，观测器滑模面设计为实际转速与观测转速之差，在观测过程中滤除了抖振信号，且未引起相位和幅值变化；其次，将负载转矩观测值按比例前馈至电流环给定值，弥补滑模控制器不连续项幅值不足的问题；再次，针对前馈比例常数过大导致转速无法快速稳定在给定值的问题，将前馈比例系数设为可变值;最后，基于Matlab/Simulink建立了多相模块化多电平换流器（MP-MMC）驱动六相PMSG负载转矩观测前馈滑模控制的仿真模型，对所提策略进行验证。仿真结果表明滑模观测器可准确观测负载转矩，前馈补偿策略有效抑制了负载突变引起的转速波动。
2024, 51(7):10-20.
DOI: 10.12177/emca.2024.066
摘要:
在水-氢-氢冷汽轮发电机频繁调峰运行下，由于转子绕组的温度长期反复变化，且受到热应力作用，导致绕组和匝间绝缘发生形变，直接影响发电机的性能和稳定性，因此研究变工况下转子绕组的温度分布规律和热变形规律十分重要。以一台600 MW的水-氢-氢冷汽轮发电机为研究对象，根据其转子结构，确定旋转状态下的计算域，并建立三维电-热-流耦合计算模型。在相应的基本假设条件和边界条件下，计算得到了转子温度场和流体场分布，对比实测结果验证了仿真计算的准确性。将转子温度场结果作为热载荷，添加相应的边界条件，计算得到变工况下转子绕组的热变形，进一步总结得出热变形规律。
在水-氢-氢冷汽轮发电机频繁调峰运行下，由于转子绕组的温度长期反复变化，且受到热应力作用，导致绕组和匝间绝缘发生形变，直接影响发电机的性能和稳定性，因此研究变工况下转子绕组的温度分布规律和热变形规律十分重要。以一台600 MW的水-氢-氢冷汽轮发电机为研究对象，根据其转子结构，确定旋转状态下的计算域，并建立三维电-热-流耦合计算模型。在相应的基本假设条件和边界条件下，计算得到了转子温度场和流体场分布，对比实测结果验证了仿真计算的准确性。将转子温度场结果作为热载荷，添加相应的边界条件，计算得到变工况下转子绕组的热变形，进一步总结得出热变形规律。
2024, 51(7):21-32.
DOI: 10.12177/emca.2024.061
摘要:
永磁同步电机模型预测电流控制(MPCC)策略因具有良好的动态性能而得到了广泛应用，但该策略较为依赖模型参数的准确性。为了在保持控制系统的动态性能的同时提高系统的参数鲁棒性，提出了一种基于三矢量的增量型MPCC策略。在MPCC中引入基于d轴电流的模型参考自适应电感辨识算法，并对自适应律进行了分析。基于Matlab/Simulink进行了仿真，结果表明所提策略能够实现在保持三矢量预测控制动态性能的前提下，减小磁链参数失配造成的预测误差；基于d轴电流的模型参考自适应算法可以进行快速稳定地电感参数辨识，有效地提高了控制系统的参数鲁棒性。
永磁同步电机模型预测电流控制(MPCC)策略因具有良好的动态性能而得到了广泛应用，但该策略较为依赖模型参数的准确性。为了在保持控制系统的动态性能的同时提高系统的参数鲁棒性，提出了一种基于三矢量的增量型MPCC策略。在MPCC中引入基于d轴电流的模型参考自适应电感辨识算法，并对自适应律进行了分析。基于Matlab/Simulink进行了仿真，结果表明所提策略能够实现在保持三矢量预测控制动态性能的前提下，减小磁链参数失配造成的预测误差；基于d轴电流的模型参考自适应算法可以进行快速稳定地电感参数辨识，有效地提高了控制系统的参数鲁棒性。
2024, 51(7):33-42.
DOI: 10.12177/emca.2024.058
摘要:
针对永磁同步电机模型预测转矩控制共模电压较大的问题，对比分析了磁链、转矩和共模电压共同控制、直接去除零电压矢量和虚拟零电压矢量三种抑制共模电压的方法。仿真结果表明，三种方法均可有效抑制共模电压。前两种方法均未采用零电压矢量，导致磁链脉动和转矩脉动增大；虚拟零电压矢量方法既保留了零电压矢量，又有效抑制了共模电压，但开关频率有所增大；动态虚拟零电压矢量选择开关次数最小的零电压矢量生成方式，可在控制性能基本相当的前提下，有效减小开关频率，综合性能最优。
针对永磁同步电机模型预测转矩控制共模电压较大的问题，对比分析了磁链、转矩和共模电压共同控制、直接去除零电压矢量和虚拟零电压矢量三种抑制共模电压的方法。仿真结果表明，三种方法均可有效抑制共模电压。前两种方法均未采用零电压矢量，导致磁链脉动和转矩脉动增大；虚拟零电压矢量方法既保留了零电压矢量，又有效抑制了共模电压，但开关频率有所增大；动态虚拟零电压矢量选择开关次数最小的零电压矢量生成方式，可在控制性能基本相当的前提下，有效减小开关频率，综合性能最优。
2024, 51(7):43-52.
DOI: 10.12177/emca.2024.055
摘要:
基于平均值模型对感应子脉冲发电机电容器重频充电系统进行了研究。分析了次暂态磁链在充电过程中的变化规律，以及次暂态磁链的变化对充电性能的影响。仿真和计算结果表明，次暂态磁链在充电过程中逐渐变小。当充电时间与发电机的电磁时间常数相当时，充电过程中次暂态磁链下降会导致充电电压明显降低，因此必须考虑次暂态磁链变化的影响。进一步研究了具有恒流控制功能的励磁电源对充电过程中调节作用的影响，并指出为了降低发电机对绝缘性能的要求，在重频充放电脉冲模式下励磁电流应该采用逐渐上升的方式。
基于平均值模型对感应子脉冲发电机电容器重频充电系统进行了研究。分析了次暂态磁链在充电过程中的变化规律，以及次暂态磁链的变化对充电性能的影响。仿真和计算结果表明，次暂态磁链在充电过程中逐渐变小。当充电时间与发电机的电磁时间常数相当时，充电过程中次暂态磁链下降会导致充电电压明显降低，因此必须考虑次暂态磁链变化的影响。进一步研究了具有恒流控制功能的励磁电源对充电过程中调节作用的影响，并指出为了降低发电机对绝缘性能的要求，在重频充放电脉冲模式下励磁电流应该采用逐渐上升的方式。
2024, 51(7):53-63.
DOI: 10.12177/emca.2024.065
摘要:
为解决游标电机功率因数偏低的问题，提出了一种提高功率因数的电机设计优化思路。首先，使用绕组函数法计算出分数槽集中双层绕组的电感，推导出游标电机的功率因数表达式，分析影响功率因数的主要设计参数；其次，结合有限元法研究各设计参数改变时电机性能的变化规律，进而总结出设计思路；然后，以一台裂齿式游标电机为基准样机，按照所提思路重新设计一台高功率因数的电机，并采用遗传算法对电机主要设计参数进行多目标优化；最后，与基准样机进行性能对比，结果表明所设计电机的功率因数更高，验证了理论分析和所提设计思路的有效性。
为解决游标电机功率因数偏低的问题，提出了一种提高功率因数的电机设计优化思路。首先，使用绕组函数法计算出分数槽集中双层绕组的电感，推导出游标电机的功率因数表达式，分析影响功率因数的主要设计参数；其次，结合有限元法研究各设计参数改变时电机性能的变化规律，进而总结出设计思路；然后，以一台裂齿式游标电机为基准样机，按照所提思路重新设计一台高功率因数的电机，并采用遗传算法对电机主要设计参数进行多目标优化；最后，与基准样机进行性能对比，结果表明所设计电机的功率因数更高，验证了理论分析和所提设计思路的有效性。
2024, 51(7):64-73.
DOI: 10.12177/emca.2024.057
摘要:
针对真空干泵用驱动电机在真空环境中转子散热难的问题，设计了一种混合励磁永磁-磁阻复合式同步电机。该电机转子永磁体励磁结构由钕铁硼与铁氧体两种磁体组成，旨在改变永磁体的排布方式，降低电机的损耗。首先，构建电机转子的拓扑结构，并设计两种方案来研究永磁体的排列方式对电机性能的影响；其次，分析转子参数对电机空载反电动势和电磁转矩的影响，并对电机转子的尺寸进行调整；然后，对比两种方案的损耗大小，选择损耗更低的电机方案；最后，通过有限元计算对目标电机进行了温度场分析，结果表明，所设计方案的电机温度分布合理，因此通过改变永磁体的排布方式能有效提升电机效率，降低电机损耗，确保电机稳定运行。
针对真空干泵用驱动电机在真空环境中转子散热难的问题，设计了一种混合励磁永磁-磁阻复合式同步电机。该电机转子永磁体励磁结构由钕铁硼与铁氧体两种磁体组成，旨在改变永磁体的排布方式，降低电机的损耗。首先，构建电机转子的拓扑结构，并设计两种方案来研究永磁体的排列方式对电机性能的影响；其次，分析转子参数对电机空载反电动势和电磁转矩的影响，并对电机转子的尺寸进行调整；然后，对比两种方案的损耗大小，选择损耗更低的电机方案；最后，通过有限元计算对目标电机进行了温度场分析，结果表明，所设计方案的电机温度分布合理，因此通过改变永磁体的排布方式能有效提升电机效率，降低电机损耗，确保电机稳定运行。
2024, 51(7):74-83.
DOI: 10.12177/emca.2024.064
摘要:
在大型风电机组的机械载荷测试中，叶片自重引起的摆振弯矩和挥舞弯矩的载荷标定精确度直接影响叶片和风轮的载荷测试效果。因此分析叶片自重在应变片测量位置的弯矩解析结果是叶片载荷标定的关键。首先，运用解析几何原理，提出了一种基于优选的三维坐标系和坐标变换的叶片自重弯矩解析方法。其次，为了消除主轴倾角对优选的三维坐标系的影响，提出了一种在优选的三维坐标系中调整叶片重力矢量方向的方法，并推导出了考虑各种影响因素下的弦摆振弯矩、弦挥舞弯矩的解析表达式。最后，在实际的叶片载荷测试项目中，应用两种标定分析方法进行对比，两种方法得到的叶片载荷测试结果具有很好的一致性和代表性。理论分析和试验结果验证了本文所提的叶片自重弯矩解析方法对叶片载荷标定的有效性和可行性。
在大型风电机组的机械载荷测试中，叶片自重引起的摆振弯矩和挥舞弯矩的载荷标定精确度直接影响叶片和风轮的载荷测试效果。因此分析叶片自重在应变片测量位置的弯矩解析结果是叶片载荷标定的关键。首先，运用解析几何原理，提出了一种基于优选的三维坐标系和坐标变换的叶片自重弯矩解析方法。其次，为了消除主轴倾角对优选的三维坐标系的影响，提出了一种在优选的三维坐标系中调整叶片重力矢量方向的方法，并推导出了考虑各种影响因素下的弦摆振弯矩、弦挥舞弯矩的解析表达式。最后，在实际的叶片载荷测试项目中，应用两种标定分析方法进行对比，两种方法得到的叶片载荷测试结果具有很好的一致性和代表性。理论分析和试验结果验证了本文所提的叶片自重弯矩解析方法对叶片载荷标定的有效性和可行性。
2024, 51(7):84-93.
DOI: 10.12177/emca.2024.053
摘要:
随着高比例新能源机组并入电网，电力系统低惯量特性愈加显著，严重影响了系统运行稳定性。为了准确估计新能源电网实际运行状态下的惯量大小，提出了一种基于加权递推最小二乘(WRLS)-受控自回归滑动平均（ARMAX）系统辨识的新能源电力系统等效惯量评估方法。首先，以发电机为对象，建立不同扰动情况下发电机功频响应特性的通用惯量解析模型；其次，以发电机并网母线有功功率和频率扰动作为输入和输出，建立ARMAX模型，考虑到实际电网运行过程中受大、小扰动共同影响，实际测量数据具有异方差性，采用WRLS求解模型中的待辨识参数；然后，提取辨识模型中包含惯量响应的传递函数模型，利用阶跃响应计算惯量源的惯性时间常数，进而计算得到系统等效惯量大小；最后，通过Matlab/Simulink仿真算例验证了所提方法的准确性和实用性。
随着高比例新能源机组并入电网，电力系统低惯量特性愈加显著，严重影响了系统运行稳定性。为了准确估计新能源电网实际运行状态下的惯量大小，提出了一种基于加权递推最小二乘(WRLS)-受控自回归滑动平均（ARMAX）系统辨识的新能源电力系统等效惯量评估方法。首先，以发电机为对象，建立不同扰动情况下发电机功频响应特性的通用惯量解析模型；其次，以发电机并网母线有功功率和频率扰动作为输入和输出，建立ARMAX模型，考虑到实际电网运行过程中受大、小扰动共同影响，实际测量数据具有异方差性，采用WRLS求解模型中的待辨识参数；然后，提取辨识模型中包含惯量响应的传递函数模型，利用阶跃响应计算惯量源的惯性时间常数，进而计算得到系统等效惯量大小；最后，通过Matlab/Simulink仿真算例验证了所提方法的准确性和实用性。
2024, 51(7):94-102.
DOI: 10.12177/emca.2024.062
摘要:
针对磁场定向控制中电流内环和转速外环比例积分(PI)控制器参数整定困难且耗时长的问题，基于Matlab/Simulink的磁场定向控制自整定（FOCA）模块搭建了永磁游标电机磁场定向控制双闭环调速系统参数自整定模型。该模块在PI控制器输出端注入正弦扰动信号，根据系统输入输出数据计算频率响应，基于频率响应自动整定PI参数，同时实现指定的目标带宽和相位裕度。最后通过仿真对比分析各个环路整定前后的控制性能，仿真结果表明使用FOCA模块能够快速自动整定PI控制器参数并且拥有良好的控制性能。
针对磁场定向控制中电流内环和转速外环比例积分(PI)控制器参数整定困难且耗时长的问题，基于Matlab/Simulink的磁场定向控制自整定（FOCA）模块搭建了永磁游标电机磁场定向控制双闭环调速系统参数自整定模型。该模块在PI控制器输出端注入正弦扰动信号，根据系统输入输出数据计算频率响应，基于频率响应自动整定PI参数，同时实现指定的目标带宽和相位裕度。最后通过仿真对比分析各个环路整定前后的控制性能，仿真结果表明使用FOCA模块能够快速自动整定PI控制器参数并且拥有良好的控制性能。
2024, 51(7):103-118.
DOI: 10.12177/emca.2024.054
摘要:
针对传统电压源型静止同步补偿器中逆变器故障诊断存在的信号特征提取不充分，深度学习网络识别能力不足以及高噪声情况下识别率较低等问题，提出了一种基于双模式分解、多通道输入(MCI)、并行卷积神经网络(PCNN)、双向长短时记忆(BiLSTM)网络和自注意力(SA)机制组合的逆变器故障诊断方法。首先利用变分模态分解和时变滤波经验模态分解对逆变器输出的三相电流进行分解，降低原始信号复杂程度，实现不同模态分量间的规律互补；其次，利用MCI-PCNN-BiLSTM-SA组合模型对特征矩阵进行深层特征提取、学习和识别；最后，通过仿真进行验证，结果表明所提方法特征提取能力较强，在无噪声情况下平均识别率高达99.48%，在高噪声情况下平均识别率达95.59%。
针对传统电压源型静止同步补偿器中逆变器故障诊断存在的信号特征提取不充分，深度学习网络识别能力不足以及高噪声情况下识别率较低等问题，提出了一种基于双模式分解、多通道输入(MCI)、并行卷积神经网络(PCNN)、双向长短时记忆(BiLSTM)网络和自注意力(SA)机制组合的逆变器故障诊断方法。首先利用变分模态分解和时变滤波经验模态分解对逆变器输出的三相电流进行分解，降低原始信号复杂程度，实现不同模态分量间的规律互补；其次，利用MCI-PCNN-BiLSTM-SA组合模型对特征矩阵进行深层特征提取、学习和识别；最后，通过仿真进行验证，结果表明所提方法特征提取能力较强，在无噪声情况下平均识别率高达99.48%，在高噪声情况下平均识别率达95.59%。
2024, 51(7):119-131.
DOI: 10.12177/emca.2024.059
摘要:
直驱风机与电网交互引发次同步振荡，严重威胁电网的安全稳定运行。为快速定位诱发机组，提出了一种基于短时傅里叶变换(STFT)图像和迁移学习的次同步振荡源定位方法。首先，采用压缩感知技术将出口数据转化为观测信号，再对观测信号进行STFT得到具备振荡特征的映射图，构建映射图与振荡源机组之间的联系；然后，采用对抗式迁移学习架构，结合电力系统，实现对目标域无标签振荡数据的快速泛化；最后，与传统迁移学习方法进行比较，结果表明所提方法在定位准确率和效率方面表现更优，且具备较强的抗噪能力。
直驱风机与电网交互引发次同步振荡，严重威胁电网的安全稳定运行。为快速定位诱发机组，提出了一种基于短时傅里叶变换(STFT)图像和迁移学习的次同步振荡源定位方法。首先，采用压缩感知技术将出口数据转化为观测信号，再对观测信号进行STFT得到具备振荡特征的映射图，构建映射图与振荡源机组之间的联系；然后，采用对抗式迁移学习架构，结合电力系统，实现对目标域无标签振荡数据的快速泛化；最后，与传统迁移学习方法进行比较，结果表明所提方法在定位准确率和效率方面表现更优，且具备较强的抗噪能力。
《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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