抢鲜看｜《电工技术学报》2023年第11期目次及摘要

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《电工技术学报》是中国电工技术学会主办的电气工程领域综合性学术期刊，报道基础理论研究、工程应用等方面具有国际和国内领先水平的学术及科研成果。中国工程院院士马伟明任《学报》编委会主任，兼《学报》主编。

电工理论与新技术

作者：翟小飞；李鑫航；刘华；彭之然

摘要：在发射装置串联电路模型的基础上,根据能量等效原理,提出了直流脉冲等效电路模型,建立了系统能量效率ηe与能量等效电阻R*k.、损耗等效电阻R*和电流等效占空比D三个参数的数学模型。根据速度趋肤效应引入速度频率,将电枢动态运动模型转化为静态扫频模型并进行涡流场扫频分析,建立了全系统电气仿真模型。与试验结果进行对比,结果表明：电路模型、系统仿真与试验三者之间系统效率的误差小于3%。利用建立的等效电路模型和仿真模型对发射效率的影响因素进行分析,为发射效率优化设计提供了研究方法。

作者：彭程；李学宝；范迦羽；赵志斌；崔翔

摘要：压接型IGBT器件内部多颗芯片的并联连接是提高其电流等级的重要手段。然而,IGBT芯片之间的瞬态电流不均衡是限制其电流提升的主要原因之一。研究压接型IGBT器件内部的瞬态电流分布规律对于规模化IGBT并联封装设计具有重要意义。该文首先通过有限元软件提取了压接型IGBT器件内部的栅极、集电极和发射极的杂散电感,得到三个杂散电感随IGBT芯片不同位置的变化规律;其次对三个杂散电感差异下的电流分布进行了理论分析,发现电流分布主要受到功率回路和驱动回路的公共支路上杂散电感的影响;同时分别对开通和关断过程中IGBT芯片内部的载流子变化过程进行分析,发现发射极杂散电感差异主要影响开通过程的电流不均衡;然后针对三个杂散电感差异分别进行电路仿真,得到杂散电感差异对电流分布的影响规律,仿真结果验证了理论分析的有效性;最后建立了两芯片的并联均流双脉冲实验平台,平台能够调节两支路之间的杂散电感差异,实验结果进一步验证了该文理论分析的有效性。

作者：张敬雯；吴静；谢天宇

摘要：大量卫星探测结果表明近地空间存在与地面电网谐波频率一致的辐射现象,但相应的谐波辐射源仍不确定。通过分析与晋东南—南阳—荆门特高压交流输电工程走向接近的DEMETER卫星轨道上的电场强度探测数据,发现空间存在2~5 kHz频带内的谐波辐射事件,且事件的数量在该特高压输电工程投入运行后急剧增加。地面实测结果表明,特高压输电工程首端确实存在数千赫兹的谐波辐射。利用偶极子等效地面谐波辐射源,基于全波模型,分析了其产生的电磁波在半球空间电离层中的传播特点,并与卫星探测结果进行了对比,表明近地空间谐波辐射现象与地面变电站的谐波辐射具有一定关联。此外研究了甚低频（VLF）电网谐波辐射在南北地磁共轭空间传播的机理,并利用卫星探测实例进行了初步验证。

电力系统与综合能源

作者：刘承锡；徐慎凯；赖秋频

摘要：通过求解电力系统最优潮流获得各发电机的有功出力对于电力系统经济运行具有重要意义。全纯嵌入法是一种用于潮流计算的非迭代算法。该文将全纯嵌入法应用于最优潮流的求解,首先推导出约束条件和KKT条件的全纯嵌入形式;然后通过上述两组方程交叉得到求解通式,递归地计算出节点电压和发电机有功出力的表达式;最后根据解析表达式直接得到各发电机的有功出力,进而计算系统的最低发电成本。在IEEE 3节点、4节点、30节点、118节点和新英格兰39节点电力系统上的仿真结果验证了所提方法的可行性和准确性。

作者：徐少博；徐永海；陶顺；王莹鑫；张华赢

摘要：在高比例可再生能源和高比例电力电子设备接入背景下,配电网中的谐波污染和耦合谐振特性逐渐向高频段扩展。高频谐振特性分析时,现有基于开关周期平均的电压源型变换器（VSC）单频阻抗模型难以满足奈奎斯特频率以上的阻抗建模精度需求。为此,该文分析了VSC控制器采样和脉冲宽度调制（PWM）环节产生的边带分量与扰动量之间的频率耦合机理;同时考虑两类边带分量的频率耦合,建立了适用于奈奎斯特频率以上的VSC多频耦合输入导纳模型;分析了PWM采样方式、抗混叠滤波器截止频率对VSC输入导纳的影响规律。基于硬件在环仿真平台的频率扫描和稳定性分析结果,验证了计及边带分量频率耦合的VSC输入导纳模型和相关理论分析的准确性。

作者：徐衍会；成蕴丹；刘慧；高镱滈

摘要：大规模新能源并网引发的次同步振荡严重威胁电力系统的安全稳定运行。为满足次同步振荡在线告警需求,需要分析宽频测量数据并快速提取振荡分量,快速检测到次同步振荡并精准切除振荡源已是迫切需要解决的关键技术。该文推导了对称和不对称三相电路中含有次同步频率电源时的瞬时功率表达式,揭示了瞬时功率主要为恒定功率分量和次同步频率的交变功率量;在此基础上,提出基于整周期瞬时功率差的次同步振荡频率提取方法,相比于快速傅里叶变换的计算速度大幅提升,避免了栅栏效应和频谱泄露问题;并提出了利用半周期瞬时功率差的次同步振荡源识别方法,可以对多风电场集中并网系统进行次同步振荡源定位,进而为精准切机提供支撑。时域仿真结果表明,该文提出的次同步振荡频率提取方法的计算速度相比快速傅里叶变换有显著提升,振荡源机组辨识方法具有较高的精度。

作者：杨权；梁永昌；魏建荣；刘艺林；袁志聪

摘要：在新型电力系统背景下,大量分布式电源与负荷经过电力电子接口接入配电网,由此导致的电网电压畸变将严重威胁分布式电源的并网电流质量,并恶化对配电网中关键负荷的供电电压质量。该文首先量化分析了用户侧分布式电源本地电压谐波与并网电流谐波同时抑制的制约关系,提出一种混合谐波抑制策略,包含电压谐波反馈控制环与电网流控电压补偿环,本地电压谐波控制环基于负反馈控制减小输出谐波阻抗,而并网电流控制补偿器通过产生补偿电压等效缩小并网线路谐波导纳,从而实现分布式电源对本地负载电压谐波与并网电流谐波的协同治理;然后,建立系统的小信号模型,研究系统参数摄动对其稳定性与鲁棒性的影响;最后,通过实验验证了所提策略的有效性。

作者：李桐；韩学山

摘要：针对大型光伏电站各发电单元位置差异导致的并网接线阻抗不同,以及光伏电站内各单元最大输出光伏功率运行状况不一致的问题,建立以时变追踪并网光伏电站最大输出功率为目标的无功优化数学模型,并给出相应的快速求解方法。该模型建立和求解是在量测、通信技术完备的前提下,借助逆变器可快速调制有功功率和无功功率输出的电力电子化技术,依据秒级优化周期内光伏系统状态量变化微小的特点,对非线性优化模型实施泰勒展开、线性拟合等线性化近似处理,通过灵敏度计算对逆变器无功功率运行基点进行快速求解,必要时将自动弃光,达到时变追踪光伏电站最大并网输出功率并满足并网点电压水平要求的目的。最后,以某地区大型光伏电站并网系统为例进行仿真,结果验证了所提方法的有效性和合理性。

作者：孔令国；史立昊；石振宇；王士博；蔡国伟

摘要：针对园区电-氢-热低碳能源系统分布与集中交互优化调度问题,提出一种基于交替方向乘子法（ADMM）的园区电-氢-热能源双层能量低碳优化调度方法。通过将分布式（屋顶光伏、园区建筑电、热负荷）与集中式（电池储能、氢储能、电蓄热）能源相结合,上层基于ADMM求解园区内各建筑可用于共享的交互能量值,下层以园区能源系统运行总成本最小为目标,利用上层求取的建筑交互能量及各建筑剩余功率,基于混合整数规划求解各建筑间交互能量及园区内各集中式能源设备最优出力,实现多主体能源点对点能量精准最优交互。最后,通过吉林市某低碳产业园能源架构进行算例分析,验证了所提低碳优化调度方法的有效性。

作者：黄小庆；李隆意；徐鹏鑫；王秀茹；韩少华

摘要：充电桩共享是缓解车桩配置不平衡的一种可行方案。该文综合考虑配电网、电动汽车（EV）用户、充电桩、聚合商四方主体利益,提出一种基于主从博弈的充电桩共享方法。给出了基于车桩匹配中心的充电桩共享多主体博弈框架,并分别建立四个主体的成本和效益函数;提出考虑节点边际电价的车-桩-网三阶段主从博弈经济调度模型,并给出基于静态不完全信息博弈的充电桩及其聚合商最优报价策略和基于最小费用最大流的车桩匹配策略;结合图论最短路最大流理论,提出基于Ford-Fulkerson最大流算法的主从博弈双层迭代求解方法。算例分析表明,该文所提方法能有效提升四方主体经济效益、车桩匹配成功数和充电桩使用率。

作者：麻秀范；冯晓瑜

摘要：5G网络高能耗特点会降低传统变电站规划方案的经济性,如何实现5G时代下的绿色通信并兼顾变电站规划的经济性与可靠性亟待研究。该文采用基站休眠策略提升5G网络能效,基于通信负载分布情况动态划分5G基站储能容量,建立兼顾通信负载服务质量及基站供电可靠性的5G网络用电需求模型。在此基础上,盘活5G基站冗余储能参与电网故障不确定情况下的变电站供区故障供电及负荷削峰填谷两种需求响应,提出一种考虑5G网络用电需求及可靠性的变电站双Q规划法。算例分析表明,该文所提的变电站规划方法可在绿色通信下有效地降低变电站的投资成本,基站冗余储能可在电网故障不确定情况下不同程度地改善变电站供区内的失负荷值,提升变电站规划区域的可靠性,适用于5G基站的规模化应用。

高电压与放电

作者：丁蕴函；王晓龙；谭震宇；刘亚迪

摘要：大气压低温等离子体作用于生物组织要穿过其表面几十到几百微米厚的水溶液,将会涉及等离子体中活性粒子在水溶液中的传质,而活性粒子的生成与放电气体的氧含量密切相关。该文基于一维流体模型,研究了在放电气体中不同的氧含量下（体积分数为0.1%~5%）大气压He/O2等离子体中五种主要活性粒子H2O2、O2-、HO2、O3及OH在水溶液中的渗透深度分布,并阐释了相关机理。研究表明,氧含量对活性粒子的生成与消耗反应产生较大影响,进而影响到活性粒子在水溶液中的渗透深度。随着氧含量的增加,H2O2、O2-和HO2的渗透深度减小,但仍维持在数百微米以上的可观量值,而O3和OH的渗透深度增加,并可达20μm以上,这一深度使得两种粒子可以直接作用到某些生物组织,因而对于等离子体的生物医学应用具有重要意义。

作者：袁涛；左思家；司马文霞；杨泽文；浦仕遵

摘要：由于多腔室并联间隙构型特殊,不同于常规并联间隙,其雷电冲击闪络路径复杂,当放电间隙设置不当时会出现闪络路径约束失败,电弧灼烧绝缘子串的现象。因此该文在基本理论指导下开展了多腔室并联间隙雷电冲击闪络路径约束试验研究。首先分析多腔室并联间隙约束闪络路径的工作原理,并开展雷电冲击试验,拟合了不同腔室数量下将多腔室灭弧结构等效为棒-棒电极空气间距的公式;然后通过开展不同外串联间隙的多腔室并联间隙伏秒特性试验研究,确定了该装置整体外串联间距的设置方法。试验结果表明：根据等效间距公式分别对不同腔室数量的多腔室灭弧结构进行外串联间隙的设计,结果与理论分析相吻合,多腔室并联间隙能够先于绝缘子串闪络从而约束闪络路径,验证了多腔室灭弧结构等效棒-棒电极空气间距计算方法的准确性。多腔室并联间隙已在实际线路开展运行,能够约束闪络路径并快速淬灭电弧,保证线路安全可靠运行。

作者：涂彦昕；梅红伟；刘立帅；沈泽锴；王黎明

摘要：针对工业系统中碳钢结构损伤检测的实际需求,该文采用动态扫描涡流热成像（DSECT）技术对人工制备缺陷碳钢试件进行检测,提出了针对DSECT的热图序列重建算法,并利用最小相频特征实现了缺陷深度的定量检测。该文推导建立了DSECT热波传播模型,并在对数坐标下实现了热波信号的拟合,消除了热波信号的噪声;提出了基于热波信号重构的热图序列重建算法,在视场中剔除了线圈,实现了视场中被检试件的均匀加热;对人工制备的缺陷试件进行检测研究,验证了重建算法的有效性;通过快速傅里叶变换提取了最小相频特征,利用缺陷深度与最小相频平方根倒数的线性关系,实现了对缺陷深度的定量估计。研究表明,DSCET解决了传统涡流热成像方法的不足,该文提出的重建算法改善了成像视场,便于对碳钢缺陷进行定量检测。

作者：赵书静；詹博博；龚梁涛；王伟；李成榕；孟晓凯

摘要：灵敏地检测和定位电缆缺陷对于电缆安全运行具有重要的作用。调频连续波（FMCW）法是一种基于频域反射法的电缆缺陷检测方法,该方法相对于宽频阻抗谱法具有更高的缺陷检测灵敏度及抗干扰能力。该文在现有FMCW方法的基础上,提出利用FMCW的相位敏感特性对电缆缺陷进行检测的方法,提高了现有FMCW方法缺陷检测的灵敏度。首先,结合FMCW相位敏感特性与电缆分布参数模型进行了电缆缺陷检测仿真;然后,在实验室的射频同轴电缆、10 kV交联聚乙烯（XLPE）电缆上模拟不同程度的缺陷并测试,观察缺陷处相位的变化情况,验证了所提方法的有效性。结果表明：相敏-FMCW方法对于射频及10 kV XLPE电缆上模拟的缺陷敏感,不同严重程度的缺陷相位变化量不同,缺陷处对应相位变化的取值区间可为180°。定义缺陷引起的相位、幅值变化量占取值区间的比例为灵敏度,相敏-FMCW方法可以提高现有FMCW方法对该文中所设缺陷检测的灵敏度：对于电缆局部异常温升造成的容性缺陷,当局部温差为37℃时,可将灵敏度由36%提升至71%;对于电阻性、电导性及铜屏蔽破损缺陷,相敏-FMCW方法的灵敏度均优于传统FMCW方法,检测灵敏度提升了7%~62%。

作者：律方成；汪鑫宇；王平；高树国；耿江海

摘要：为了研究变压器绕组在多次短路冲击的累积效应影响下逐步机械形变问题,开展了多次110 kV真型变压器短路试验,采集了振动暂态信号和轴向压力稳态值,分析了历次短路过程中振动偏离和加权时频谱熵的变化趋势。结果表明,累积效应导致的绕组机械劣化会使振动加速度偏离未形变状态基准值,且加权时频谱熵增大;结合材料力学及绕组轴向振动动力学模型,推导出当振动加速度呈正偏离时,短路侧绕组形变形式为轴向外凸膨胀,反之为轴向内凹压缩的关联规律。最后提出并验证了一种基于振动偏差模值及加权时频谱熵联合分析的绕组形变辨识方法,该方法较传统阻抗法能够在绕组早期微小形变时更早发现机械稳定性下降。研究结果对变压器绕组形变预警具有一定指导意义。

作者：吴海涛；韩兴波；蒋兴良；郭思华

摘要：输电线路导线覆冰危害电力输送安全,导线防冰/除冰方法一直是国内学者关注的焦点。近年来,利用扩径导线进行防冰的方法被一些学者提出。该文针对扩径导线防冰特性问题,对不同直径导线表面的水滴碰撞和冻结过程进行分析,研究了导线直径对水滴碰撞系数和覆冰速率的影响,提出扩径导线临界防冰直径Dp的计算方法,并对不同风速、水滴中值体积直径和不同温度条件下的Dp值进行了仿真计算。此外,通过不同直径铝管的自然覆冰试验对扩径导线的防冰性能进行了验证。研究结果表明：扩径导线表面的最大水滴碰撞系数随着直径的增大而减小,但水滴碰撞范围会扩大;由于导线表面的水滴捕获率和覆冰速率均随着直径的增大先增加后减小,利用扩径导线进行防冰需使其直径大于临界防冰直径Dp,风速、水滴中值体积直径越大,环境温度越高,Dp值越大。

作者：舒立春；于周；李瀚涛；胡琴；蒋兴良

摘要：高海拔地区风能资源丰富,然而建设于此的风力发电机面临严重覆冰问题。覆冰会破坏叶片气动结构,造成输出功率损失,影响供电质量。了解不同工况下的风力发电机输出功率情况,有助于电力部门进行合理的电力调度。该文提出了一种适用于洁净和覆冰条件下的风力发电机输出功率计算方法。该方法以叶素动量理论为基础,同时引入二维计算流体动力学（CFD）仿真方法来计算叶素的升力与阻力系数。将计算结果与现场试验运行结果对比发现,该计算方法可以在工程应用允许的误差范围内获得风力发电机的输出功率。此外,通过比较基于该方法获得的关键气动参数在不同风速下沿叶片翼展方向的分布发现,冰层的存在会降低叶片对风能的利用率,减小叶片旋转扭矩,从而导致输出功率降低;并且随着风速的增加,覆冰所带来的负面影响更加明显。

电能存储与应用

作者：申江卫；高承志；舒星；刘永刚；陈峥

摘要：针对全寿命内复杂温度环境下锂离子电池内部状态难以快速精确估计难题,基于迁移模型提出一种宽温度全寿命荷电状态（SOC）与可用容量联合估计方法。选择传统二阶RC等效电路搭建迁移模型,并基于权值选择粒子滤波算法完成迁移因子的在线迁移,实现了宽温度全寿命内锂离子电池SOC快速准确的估算,基于得到的SOC估计值采用容量逆推实现了可用容量估计。结果表明,所提出方法在全寿命宽温度环境下估算SOC与可用容量具有计算量小、精度高的明显优势,SOC估计最大误差小于3%,容量估计最大误差小于2%。

作者：孙丙香；王家驹；苏晓佳；张维戈；赵鑫泽

摘要：电化学阻抗谱（EIS）是锂离子内部特性参数的外在表征,如何摆脱对专有设备的依赖,通过在线辨识得到EIS,尤其是低频段EIS对于准确地估计电池状态具有重要意义。该文以三元锂离子电池为研究对象,在电池管理系统和双向充放电机的协议框架下,设计了工况实验,利用阶梯信号和正弦信号的变换关系,提出了一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线辨识方法。分析了不同荷电状态（SOC）和不同数据采集间隔对于阻抗谱辨识结果的影响,对比了该方法相对于方波傅里叶分解法的优势,给出了满足辨识精度的最低采样要求。该方法通过现有配备的电池外围系统即可实现,有效地解决了工程应用中无法实现锂离子电池EIS低频段在线辨识的难题。

作者：刘征宇；郭乐凯；孟辉；张政；刘项

摘要：退役动力电池梯次利用时电池单体不一致性对于分选后电池组性能具有重要影响,高效的分选方法能够降低电池不一致性,提高电池组的使用性能和安全性。针对目前常用的电池检测系统采样频率较低等问题,首先使用自适应分段拟合方法对充放电数据进行拟合,从充放电曲线中提取表征电池不一致性的动态特征电压上升高度（VR）、电压下降深度（DVF）,并与容量、开路电压静态特征结合构成分选特征向量;然后提出一种基于核密度估计的DBSCAN算法（KDE-DBSCAN）,通过核密度估计自适应确定聚类算法参数,对特征聚类实现电池的分选;最后通过实验验证该分选方法的有效性。

教育与教学

作者：雷银照

摘要：在电磁场理论的研究和教学中,经常遇到许多疑难问题。基于电磁场理论和史料,有些问题得到了解决,有些问题至今不知道答案。本文叙述对11个疑难问题的思考,所得结论是：麦克斯韦名著的中文书名可译为《电学与磁学专论》;英语术语vector应译为矢量;表示极化率和磁化率的第22个小写希腊字母χ应读为汉语拼音kai;在采用国际单位制的教材中电流无须定义;电动势符号E和ε为大写拉丁字母E的书写体;从法拉第定律出发可以直接证明时变电磁场中磁通密度的散度为零;由能量守恒定律无法推导出坡印亭定理;在时变电磁场中,铁磁材料内的涡流损耗、电场损耗、磁滞损耗和剩余损耗可以直接相加;用于描述横波的传播特性时,英语术语polarization应译为偏振;超导体不是理想导体;电磁场教材应包含狭义相对论内容。

作者：张蓉；文劲宇；李红斌；杨勇；贺恒鑫

摘要：科技革命、产业变革和新经济发展,对高等工程教育产生深远影响,新工科建设的社会意义在于其超越传统工程领域,塑造未来工程人才的“新素养”。该文首先分析新工科背景下电气工程专业人才培养的新需求;接着,针对当前课程思政教育存在的不足,以华中科技大学电气与电子工程学院对专业课程思政改革实践为例,提出建立包括家国情怀、责任担当、个人修养、科学精神、工程师精神和创新精神六维课程思政教学目标体系框架,体现“大思政”理念,具有鲜明的时代特色和工程特色;最后,文中给出全面构建课程思政教育体系的整体设计、可具体操作的建设思路、实施路径和效果,引导学生建立正确的价值观和工程观,以期对我国电气工程专业人才培养提供有益借鉴和参考。

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