《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-磁-机耦合视域下考虑气隙影响的变压器铁心振动特性精细化模拟方法

赵小军；张佳伟；王浩名；苗宇；刘兰荣

目前,对于铁心振动计算通常采用有限元仿真来实现,但该方法计算时间长且效率低,为解决此问题,该文提出了基于机-电类比的铁心多场耦合特性精细化建模与计算方法。根据铁心步进搭接区域的结构特点,对搭接区域铁心进行磁路建模,建立考虑气隙影响的铁心等效磁路模型。

根据机-电类比方法和振动理论,建立可描述变压器铁心振动的集总式和分布式等效振动回路模型,基于搭接区域磁场分布特性建立二端口级联形式的等效振动回路模型,实现了铁心振动特性的快速精准计算。搭建了叠片铁心测试平台并进行实验,通过将测量结果与计算结果对比,发现励磁电流、铁心磁通密度、位移和加速度等具有较好的一致性,验证了所提方法的有效性和准确性。

基于积分解调的无线能量与信号同步传输方法

靖永志；付康；谯柯；杨亮涛；刘沁宇

针对电感耦合式无线能量与信号单耦合通道传输系统信号通道存在能量传输干扰和信号传输速率低等问题,提出一种基于积分解调的无线能量与信号同步传输方法。该方法首先将信号接收端载波与相干载波混频,然后送入积分器进行积分,再通过比较器还原原始数据。能量端采用双边LCC补偿拓扑结构,使负载在一定范围内变化时输出电流稳定。

通过对能量传输和信号传输通道中的电路结构与电压增益分析,得到系统参数对传输特性的影响规律。最后,通过实验平台对所提方法进行验证,实验表明,能量传输几乎不受信号传输影响,所提方法具有更高的频带利用率,并且对能量干扰载波具有较好的抑制能力,实现了1.2 Mbit/s信号传输速率。

虚拟多输入多输出无线电能与信息同步传输技术

周岩；刘志丹；李烁涵

在无线通信系统中,多输入多输出（MIMO）天线技术可有效提高信号传输速率和信道利用率。传统的能量调制式无线电能与信息同步传输（SWPIT）技术主要依赖单输入单输出线圈实现系统的供电和通信,难以实现多路并行通信。

该文针对需要多信号接收器的无线供电场景,提出一种虚拟MIMO-SWPIT技术以满足多端通信的需求。所提系统可在两种状态下工作：当仅需无线供电时,系统工作在谐振状态进行高效电能传输;当需要通信时,通过控制逆变器开关信号的相移角和频率,在发射线圈中构造非标准正弦多载波（即虚拟多输入）,以其中的基波和谐波分量作为通信载波传输信息。

系统接收回路对基波和谐波所携带的信息进行解调（即虚拟多输出）,同时谐波分量可用于负载供电。搭建的实验样机实现了稳定的电能与双通道信息并行同步传输,通信时电压波动低于3%,每路通道信息传输速率为4.0 kbit/s,验证了所提方案的可行性。

应用于自动导引小车无线充电系统的导航与供电一体化线圈研究

冯鸿运；林飞；杨中平；方晓春

在自动导引小车（AGV）中采用无线电能传输（WPT）可以提高AGV充电及搬运效率。相比于电动汽车,AGV的导航系统为WPT的应用增加了新的挑战。

为降低系统的复杂性和成本,该文提出一种无线充电线圈结构：DAD线圈,该线圈既可以实现无线供电,又可以实现偏移检测。首先,结合DAD线圈的气隙磁场分布,对比方形线圈结构,分析DAD线圈导航和供电的原理;然后,对采用LCC-S型补偿拓扑的DAD线圈进行建模分析,提出具有耦合机构输出电压不受负载影响的谐振元件参数配置条件,进而给出耦合机构的电压增益、输出功率与传输效率表达式。

最后,为验证所提出的 DAD 耦合机构偏移检测性能和系统传输特性,搭建30 mm间距的400 W无线充电样机装置,对DAD线圈的导航性能与供电性能进行了验证,在偏移范围为(-50~+50) mm之间,DAD线圈可以指示偏移方向与偏移大小,且效率波动在5%范围内,可以实现稳定的电能传输。

基于改进目标场法梯度线圈的感应式磁声磁粒子浓度成像研究

闫孝姮；淡新贤；陈伟华；刘方田

感应式磁声磁粒子浓度成像（MACT-MI）是一种基于磁声耦合效应的磁性纳米粒子（MNPs）浓度成像新方法。由于其磁声信号的信噪比低,导致系统成像质量不佳,该文提出一种改善MACT-MI信噪比的新思路：首先,基于经典目标场法（TFM）设计梯度线圈的思路,将最小化磁场相对误差定义为适应度函数,并采用鲸鱼优化算法对电流密度系数进行优化,设计了一种结构灵活、激励简单的高质量梯度磁场线圈;其次,为研究梯度磁场空间分布特征对MACT-MI的影响,该文构建不同的MNPs分布模型,并利用多物理场仿真软件COMSOL对MACT-MI的物理过程进行数值求解,得到成像区域的磁力和声压分布。

仿真结果表明,磁力和声压的有效波动范围与梯度磁场均匀空间的大小成正比,且随着均匀空间的缩小,磁力和声压的峰值也随之衰减,通过提高磁场的均匀度可以有效提高磁声信号的信噪比,改善系统成像质量。研究结果可为成像装备的设计以及MACT-MI的后续实验应用提供研究基础。

基于全连接神经网络的颅脑电阻抗成像参考电压预测方法

施艳艳；李玉珠；王萌；郑硕；付峰

电阻抗层析成像（EIT）作为一种新兴可视化技术,可通过电导率分布变化的重建图像获得人体组织病理变化信息,为疾病检测提供了一种选择。在基于EIT的颅脑疾病检测中,为了准确获取差分成像图像重建所需的参考电压,提出一种基于全连接神经网络（FCNN）的参考电压预测方法。

通过研究所提方法在不同信噪比情况下的图像重建性能,验证所提方法对参考电压预测的准确性和泛化能力。此外,还研究了头皮、颅骨和脑组织电导率分别发生变化时所提方法的有效性,并通过计算模糊半径和相关系数对图像重建质量进行了定量评价。结果表明,所提方法在一定电导率范围内和不同噪声水平下能够有效预测参考电压。

双层复合护套高速永磁电机转子涡流损耗解析模型

佟文明；田野；李晓健；贾建国；李文东

在表贴式高速永磁电机中,双层复合护套可以有效抑制转子涡流损耗。目前,针对双层复合护套转子涡流损耗的研究主要采用有限元法,但该方法存在耗时、对薄护套网格剖分较困难等问题,因此该文基于精确子域法提出了一种考虑定子开槽、涡流反作用的双层复合护套高速永磁电机转子涡流损耗通用解析模型。

该模型同时考虑了永磁磁场励磁和电枢磁场励磁,可以计算负载磁场作用下的双层复合护套转子涡流损耗。此外,该模型还可进一步拓展至多层复合护套转子涡流损耗计算。通过该解析模型研究了双层复合护套不同护套厚度配比、不同护套材料对转子涡流损耗的影响。最后,将解析计算结果与有限元及C型铁心实验结果进行对比,验证了该解析模型的有效性。

基于动态磁网络法大型感应电机阻抗参数及起动特性计算

夏云彦；周洲；邵远亮；连如博

为提高大型感应电机动态阻抗参数及起动特性计算的准确性及计算效率,构建了考虑电机转子转速变化引起气隙磁导变化的非线性动态磁网络模型。以一台6.5 MW大型感应电机为例,分析起动电流变化对电机内各处饱和程度的影响机理,在此基础上,根据磁力线路径及电机内饱和程度确定动态磁网络模型中的非线性磁导的计算方法。

将动态磁网络模型与转子趋肤效应模型相结合,提出计及漏磁并考虑转子转速变化及饱和偏移现象的电机动态阻抗参数的计算方法。推导并建立基于转子多回路法的大型感应电机的动态数学模型,根据电机瞬态过程中的电磁耦合关系,确定动态数学模型与磁网络模型的动态耦合求解方法,提出大型电机瞬态过程中考虑电流、转速、饱和及趋肤程度变化的动态阻抗参数及起动特性的计算方法。通过与有限元计算结果及实验结果对比,验证了所提出计算方法的正确性。

基于改进同步解调方式的三级式同步电机无位置传感器起动控制

蔡正友；魏佳丹；胡文枝；张卓然；周波

针对航空三级式同步电机起动控制中存在的转子位置信息获取困难问题,在励磁电压高频谐波自注入方法分析的基础上,该文基于同步解调的基本思路,提出了一种无需极性判断和励磁电流采样环节的同步解耦信号生成方式,并根据主发电机中响应电压谐波的频谱特性设计了位置误差信息提取的精准谐波消除滤波器,可以降低转子位置估计闭环系统的阶次,增强系统的稳定性以适应更宽的转速范围。最后通过仿真和实验证明了所述改进同步解调方法能够实现高精度和宽转速范围的三级式同步电机无位置传感器起动控制。

基于积分滑模观测器的直线振荡电机谐振频率跟踪控制

廖凯举；徐伟；葛健；李东一；苏诗湖 等

现有直线振荡电机（LOM）无位置传感器谐振频率跟踪控制方法存在行程观测精度低、抗干扰能力差等问题,容易导致谐振频率跟踪精度低、频率振荡严重。为提高谐振频率跟踪控制性能,该文研究了一种基于积分滑模观测器（ISMO）的新型谐振频率跟踪控制方法。

首先,基于LOM工作在系统谐振频率点时行程-电流相位差为90°的特点,提出一种双互相关函数比值方法,消除了行程变化对谐振频率跟踪控制的影响。其次,采用积分滑模面及新型趋近律设计ISMO,并利用二阶广义积分器获取行程估算信号,大大提高了行程估算精度。最后,对比实验结果表明,所提方法能够有效提高谐振频率跟踪精度、稳定时间及抗干扰能力。

基于反推控制的永磁同步电机稳定性单矢量控制策略

余洋；张千慧；余宗哲；米增强

针对永磁同步电机传统单矢量控制需遍历所有基本矢量且忽略控制稳定性的问题,该文提出基于反推控制的永磁同步电机稳定性单矢量控制策略。

首先,在建立dq0坐标系下永磁同步电机数学模型的基础上,推导设计常规反推控制器;其次,根据反推控制器获取的控制电压确定最优电压矢量所在扇区,并通过数学推导证明每个扇区内必有一个稳定的基本电压矢量可供选择,提出通过基本电压矢量对应Lyapunov函数导数值两两比较的最优基本电压矢量选取方法;然后,对选取包括最优基本电压矢量在内的不同基本电压矢量时的控制性能进行对比分析;最后,对提出的控制策略进行仿真和实验验证。

结果表明,在驱动恒转矩、恒惯量负载和变转矩、变惯量涡簧负载的多个场景下,该文提出的控制策略均能有效追踪参考转速,并且与传统模型预测电流控制相比,所提控制策略的稳定性更强、输出量波动更小。

基于模型预测的直驱式波浪发电机机侧最优功率控制技术

黄磊；魏莱；杨建龙；胡敏强

直驱式波浪发电系统具有结构简单、成本低、效率高等优点,得到了国内外学者的广泛关注。该文以直驱式波浪发电系统为研究对象,分析并建立了直驱式波浪发电装置的水动力数学模型和永磁直线电机的动态数学模型。

推导了基于模型预测的功率控制策略用于直驱式波浪发电系统。在功率控制策略中从功率捕获策略和功率跟踪控制策略展开研究以实现将波浪能转换为电能并汇入直流母线。重点围绕功率捕获策略开展基于模型预测控制技术研究,分别从控制策略、预测区间和成本函数三个角度分析了基于模型预测的最优功率捕获策略。

建立了仿真模型并进行仿真分析,结果表明,采用基于模型预测的最优功率捕获策略可有效提高不规则波下发电机从波浪发电系统捕获能量。此外,采用以直流母线功率汇入最大为目标的成本函数可以有效地提高发电机输入直流侧能量,具有重要的实用价值。最后通过实验室模拟平台进行了实验测试。

基于一阶线性自抗扰控制器的同步磁阻电机无速度传感器控制

王建渊；王海啸；尹忠刚；李英杰；景航辉

同步磁阻电机在实现无速度传感器控制时出现交叉耦合效应,导致dq轴电感随着电流发生非线性变化,转速环使用传统PI控制器已无法满足系统较强的抗扰性能和较高的转子位置估计精度。为了改善此问题,该文提出一阶线性自抗扰控制器的同步磁阻电机无速度传感器控制策略,利用其机械运动状态方程,将同步磁阻电机的交叉耦合效应及负载扰动变化视为扰动。

首先通过扩张状态观测器对负载扰动快速观测并进行前馈补偿,以此来提高系统抗扰性;其次利用静止实验法,得到dq轴磁链与电流的非线性函数模型,将该模型运用至磁链观测器中,以减小交叉耦合效应,提高转子位置估计精度;最后在1.5 kW的同步磁阻电机对拖加载实验平台上进行实验,验证了该控制方案的有效性。

并联IGBT占空比的温度特性建模与分析

黄海宏；彭岚；王海欣

并联IGBT是解决托卡马克（Tokamak）装置中等离子体垂直位移快速控制电源容量逐渐增大问题的有效途径。而并联IGBT之间的结温平衡是并联系统安全稳定运行的关键因素之一。因此,研究结温对并联IGBT功率损耗差异的影响对提高并联系统的稳定性至关重要。然而现有的研究成果主要集中在单个器件损耗模型或者是并联IGBT的最佳工作频率范围而未涉及对并联IGBT最佳工作占空比范围的讨论。

研究发现,当IGBT工作在正温度系数区间时,结温差异造成的通态损耗差异与开关损耗差异呈不同的温度特性。因此,提出零温度-占空比的概念来估计并联IGBT之间结温失配趋势。该文建立零温度-占空比模型,并以此来分析电路设计参数、IGBT器件参数以及结温差异对并联IGBT最佳工作占空比范围的影响。实验结果表明,通过零温度-占空比模型可以对并联IGBT的可靠性、电路设计参数以及器件选型提供可行的参考。

单相级联整流器开路故障诊断和容错均压空间矢量脉宽调制算法

徐翊宸；杨双寿；王悦；杨帆；马兰 等

针对单相级联H桥整流器（CHBR）的功率开关器件存在的开路故障问题,研究一种开关管开路故障的快速诊断算法,以及针对开关管开路故障的容错均压空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法。首先,该文分析单相CHBR功率开关管开路故障时电流流通路径的变化,建立电流误差变化率的分析模型,并提出一种基于电流误差变化率的快速诊断算法。

该算法可以快速且准确地定位到故障开关管,且易于在程序中实现。其次,该文提出一种故障容错均压SVPWM算法,该算法在开关管开路故障时利用冗余矢量和冗余开关状态可以使系统在发生故障时仍然可以正常运行,并且各模块间的直流电压也能保持均衡。最后,通过仿真和实验验证了该文所提算法的可行性。

无电流传感复合前馈控制无桥功率因数校正变换器

卢伟国；胡凌鹤；罗海魁；白月；张婷婷

有源功率因数校正（APFC）是AC-DC变换器的重要组成部分,其目的是改善输入侧电能质量,提高系统功率因数。传统的有源电流控制功率因数校正（PFC）变换器需要准确地提取升压电感电流,而双二极管式无桥PFC变换器升压电感位于整流部分之前,电感电流不再是单一方向流动,这使得其电流采样电路相比更复杂。为此该文提出一种基于观测器的无电流传感方案。

方案中针对占空比误差的不确定影响修正了无桥PFC电流观测器算法,实现了占空比误差自适应的电流观测器,进一步基于所提观测器实现对负载信息的观测,设计出无电流传感的复合前馈控制方案,运用负载观测信息改进电流内环参考形式,同时利用输出电压纹波观测值进行2次谐波前馈补偿,最终实现无电流传感控制条件下变换器高动态响应设计。

该文搭建了225 W单相双二极管式无桥PFC的实验样机,实验结果表明,在开关频率100 kHz时电流观测精度达到96.75%,所提控制方案输入电流的总谐波畸变率（THD）含量约为5%,功率因数（PF）约为99.85%,半载动态响应时间10 ms,相比于传统PI控制无桥PFC变换器提高了约90%。

基于虚拟阻抗的三相Buck整流器输入不平衡控制策略

谢飞；许建平；郭夏；曹海彬；陈欣

三相输入电压不平衡时,传统双环控制三相Buck整流器的输出电压存在二倍频脉动,输入电流发生明显畸变,严重影响整流器的性能和可靠性。为抑制输出电压脉动和输入电流畸变,该文通过建立三相Buck整流器在两相静止坐标系下的等效电路模型及功率传输数学模型,分析输出电压二倍频脉动及输入电流畸变产生的机理,在此基础上提出一种基于虚拟阻抗的输入不平衡控制策略,最后通过仿真和1 kW的实验样机验证了理论分析的正确性和所提控制策略的有效性。

面向输出性能优化的高低频混合型模块化多电平变换器及其调控策略

侯玉超；郭祺；涂春鸣；王鑫；汪颖

为破解中压模块化多电平变换器（MMC）输出性能提升与降本、增效难以有效兼顾的问题,该文提出一种基于高低频混合的新型MMC（NMMC）拓扑。NMMC每个桥臂包含1个由异质交叉连接模块（HCCM）构成的高频子模块和N-1个半桥变换器构成的低频子模块。HCCM的高频桥臂采用SiC MOSFET器件,而HCCM的换向桥臂及低频子模块均采用Si IGBT器件。针对NMMC拓扑,该文采用高低频混合调制策略,充分发挥了SiC MOSFET器件开关损耗低、Si IGBT器件通态损耗低的优势。

此外,针对高频子模块提出一种特定的电容电压平衡策略,并详细分析高频子模块的工作状态。进一步地,仿真及实验验证了所提拓扑结构、调制策略、均压策略的可行性和有效性。最后,将所提拓扑与现有MMC拓扑在器件成本和运行损耗方面进行综合对比,证明所提拓扑可以更好地平衡装置的成本及效率指标。

双有源桥串联欠谐振变换器的最小回流电流控制

高祎韩；周子航；张欣；马皓

该文采用时域分析法对双有源桥串联欠谐振电路进行了分析,得到电感电流在稳态时的表达式并推导所有开关管实现软开关的条件。由于电压增益偏离1时仅采用移相控制难以实现所有开关管的软开关,因此,该文在传统移相控制的基础上,引入额外的变频控制策略,使得电路在不同的电压增益和负载条件下都能有较好的软开关性能。然而,软开关的实现会增加电路的回流电流,影响电路的传输效率。该文对所提出的变频移相控制进行了进一步的优化,使其可以在确保电路实现软开关的同时产生最小的回流电流和电感电流有效值。所提出的控制策略在一台2 kW的样机中进行了验证。

不对称级联九电平逆变器线性功率均衡控制策略

叶满园；喻生铭；刘文芳；陈银波；邵云鹏

三单元不对称级联逆变器通常采用传统混合调制策略控制,但该策略下逆变器存在单元间输出功率不均衡以及低压单元开关损耗分配不均的问题,同时由于高低压单元之间输出电压极性不同时会出现电流倒灌,导致逆变器直流侧电压难以维持稳定,影响输出电压波形质量。

针对上述问题,该文提出基于功率元重组的混合功率均衡调制策略,该策略对逆变器高压单元采用低频方波调制,在控制单元输出功率大小的同时可以降低开关损耗,而对于低压单元,所提策略结合载波移幅调制和载波移相调制策略对其功率元进行分析重组,使逆变器在输出高质量电压波形的同时实现单元间输出功率的线性均衡和低压单元间开关损耗的均匀分配。最后进行仿真和实验验证。

计及金属化薄膜电容器与IGBT模块退化过程相关性的柔直换流阀组件可靠性评估方法

张午宇；齐磊；张翔宇；崔翔；郭宁明

基于模块化多电平拓扑的换流阀是柔性直流输电系统的核心装备,随着柔直换流阀运行电压、功率密度以及运行场景的不断拓展,其运行可靠性成为突出问题。现有的柔直换流阀可靠性评估方法忽略了金属化薄膜电容器与IGBT模块性能退化的耦合关系,致使评估结果不准确。为此,该文提出了计及金属化薄膜电容器与IGBT模块退化过程相关性的可靠性评估方法。

IGBT模块寿命采用威布尔分布,考虑了换流阀运行过程中的任务剖面变化;基于Wiener过程对金属化薄膜电容器的可靠性进行了评估,利用Copula理论将容值退化程度与IGBT模块寿命之间的耦合关系进行了建模。所提可靠性评估方法修正了现有不考虑相关性方法对柔直换流阀可靠性评估结果,平均无故障时间从4.05年修正为5.20年,评估结果更加精确。

结合特征根及模态分析法的逆变器多机并网系统谐波扰动响应分析

李戎；李建文；李永刚；孙伟

为了从本质上解释逆变器多机并网系统受到宽频谐波扰动后的动态行为,该文理论推导特征根与系统稳态和暂态响应的解析解,进而利用单个逆变器并网的实例验证了采用特征根分析系统谐波响应的可行性。针对逆变器多机并网系统,阐明特征根与谐振模态的对应关系,使得利用模态分析方法既能解析系统内部支路对不同谐振模态的可激励性和可观测性,又能视系统为一个整体对其稳定性进行分析。最后,通过仿真与实验验证了结合特征根分析逆变器并网系统动态行为的正确性及有效性。

基于先验知识的弓网接触电阻预测模型精度提升方法

时光；陈翼喆；李莹；张国威

高速列车的运行实践表明,随着运行速度提高,受电弓与接触导线分离的可能性越大,越容易产生弓网电弧。导致电弧产生的因素很多,但最终都归结到滑板与接触网的接触电阻上。首先利用滑动电接触实验机,研究了波动载荷、滑动速度和接触电流对接触电阻的影响,并进一步结合表面形貌特征,分析了磨损机制、电弧放电与接触电阻演变规律之间的关系。其次为了预测不同工况下的接触电阻,建立了径向基（RBF）神经网络回归模型,通过在模型训练中融入先验知识和采用改进的食肉植物优化算法（ICPA）优化RBF神经网络超参数,提升弓网接触电阻预测模型的精度。

有、无先验知识的ICPA-RBF模型预测性能对比仿真结果表明,两类先验知识分别有助于提高模型的收敛速度和预测精度。最后采用假设检验验证了模型的有效性。

基于双延迟深度确定性策略梯度的受电弓主动控制

吴延波；韩志伟；王惠；刘志刚；张雨婧

弓网系统耦合性能对于高速列车受流质量起着至关重要的作用,提高弓网耦合性能,一种有效的方法是针对受电弓进行主动控制调节,特别是在低速线路提速及列车多线路混跑时,主动控制可通过提高弓网自适应适配性,有效降低线路改造成本并提升受流质量。

针对受电弓主动控制问题,该文提出一种基于双延迟深度确定性策略梯度（TD3）的深度强化学习受电弓主动控制算法。通过建立弓网耦合模型实现深度强化学习系统环境模块,利用TD3作为受电弓行为控制策略,最终通过对控制器模型训练实现有效的受电弓控制策略。实验结果表明,运用该文方法可有效提升低速线路列车高速运行时弓网耦合性能及受电弓在多线路运行时的适应性,为铁路线路提速及列车跨线路运行提供新的思路。

高速列车大功率操纵过程分数阶建模及速度时滞预测

张坤鹏；严斐；杨辉；刘鸿恩；安春兰

针对现有司机操纵策略难以完整描述列车大功率操纵过程的微观变化,设计机理特性和数据驱动模型联合驱动的分数阶建模策略,来满足高速列车无级调速下安全平稳运行的要求。针对高速列车大功率操纵模式下的大惯性特性和司机反应时间,该文首先对大功率牵引系统和制动系统的时滞特性进行分析,进而对列车操纵策略设计精简冗余工序编码策略,从闭环控制角度实现速度时滞特性精准预测;其次提出了一种新的分数阶建模方法,并设计分数阶最小二乘算法对模型中的时变参数进行精细化辨识;最后基于现场实验数据验证了所提方法的有效性。