《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。
“高效节能及智能化电机系统”专题
特约主编：曲荣海教授
为应对我国绿色低碳发展需求，实现“碳达峰、碳中和”目标，高效节能正成为电机行业的关键发展战略。与此同时，蓬勃发展的智能电网、智慧交通等新兴产业，对于电机系统的控制以及保护提出更高挑战，智能化概念在电机领域的认识与应用不断深入，也为传统工业电机提供了新的发展机遇。
为了展现国内外学者在电机高效化及智能化领域的最新成果，在《电工技术学报》与《CESTransactionsonElectricalMachinesandSystems》（CESTEMS）编辑部以及特约编委的共同努力下，本期“高效节能及智能化电机系统”专题适时推出。
在高效拓扑结构及控制策略方面，东南大学付兴贺等发表论文《电励磁同步电机无刷励磁与转矩密度提升技术发展综述》，总结了近年来电励磁电机的技术进展，表明在电动汽车领域电励磁电机综合效率与永磁电机相当，且在成本上具有优势，同时具有较强的扩速以及容错能力。
基于此，进一步总结了电励磁电机的无刷励磁技术和转矩密度提升技术，为电励磁电机的小型高效化提供了技术参照。国网山西省电力科学研究院李帅等人撰写的论文《基于组合算法的混合励磁磁通切换电机最大转矩铜耗比控制》，提出了一种针对混合励磁磁通切换电机的损耗控制策略，该策略通过采用优化励磁电流、建立铜耗目标函数等方式，实现了转矩与铜耗比值的最大化，在扩展电机转速范围的同时提高了效率。
浙江大学的秦雪飞等的论文《高速永磁同步电机在多物理场和变流器约束下的设计》，探讨了电机在多物理场耦合约束下的分析与优化问题。论文以一台高速内置式永磁同步电机为例，考虑了在强耦合多物理场及变流器电压电流制约下，高效可靠的高速电机优化方案的设计要点；分析了不同工况下电机磁链与电感的匹配关系；完整总结了高速永磁电机多物理场优化设计流程。
在智能故障诊断方面，针对永磁电机的匝间短路和局部退磁故障难以区分的问题，江苏大学的张业成等发表的论文《基于电流波动特征的永磁同步电机匝间短路与局部退磁故障分类诊断研究》中，提出了一种硬件开销小、适用范围广的故障分类诊断方法。该方法通过对电流波动特征的分析，无需额外的传感设备，即实现了两种故障的智能分类诊断。
在电机容错运行控制方面，哈尔滨理工大学范舒婷等发表论文《不同定子绕组结构五相感应电机开路故障时性能对比分析》，比较了不同绕组结构的五相感应电机在开路故障下的稳态性能，提出五边形-星形绕组结构在开路故障下转矩更高，不平衡系数更小，优于现有的星形-五边形绕组。
永磁同步电机高性能闭环控制离不开对相电流信息的采集，从而也对电流传感器的可靠性提出了更高要求。海军工程大学的肖飞等撰写的论文《永磁同步电机单电流传感器系统的三相电流重构策略》中，基于自适应观测器模型，并结合粒子群算法优化观测器参数，提出一种单电流传感器容错控制方法，实现了更好的控制精度与转矩性能。
针对传统矢量控制电压矢量选取精度低、计算量大等问题，国内学者提出了一些改进控制策略。青岛大学李祥林等的论文《基于电压矢量快速筛选的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制》中，通过新型开关表设计，实现了电压矢量快速选取，同时提出了一种可实现无差拍控制的占空比计算方法，能有效降低转矩脉动，改善电机稳态性能。在浙江大学孙丹等发表的论文《基于重构电压矢量的共直流母线型开绕组永磁同步电机改进直接转矩控制》中，改进了零序电流的抑制方法，并引入五位转矩滞环控制器抑制转矩脉动。论文还提出了不含滞环控制器的改进DTC策略，进一步提升了电压矢量选取精度并降低转矩脉动。
作者：肖飞；许观达；连传强；刘计龙
摘要：电流传感器受制造工艺与使用环境等因素的影响,在永磁同步电机驱动系统运行时可能失效。为提高系统的容错控制能力,该文提出一种新的基于自适应观测器的单电流传感器矢量控制策略。该策略首先在旋转坐标系下建立电流自适应观测器的数学模型,然后对唯一可测量的相电流进行坐标变换与低通滤波,计算出电流自适应观测器所需要的电流误差信息,并使用粒子群算法对观测器参数进行优化设计。半实物实时仿真结果表明与传统方法相比,所提方法具有更好的动态与稳态性能以及更高的转矩控制精度,并对电机参数具有良好的鲁棒性。
作者：秦雪飞；沈建新；NilssenRobert；GierasJacek
作者：张业成；刘国海；陈前
摘要：针对永磁同步电机匝间短路故障与局部退磁故障难以区分的问题,该文提出一种基于电机同相与异相电流幅值波动特征的故障分类诊断方法。在分析定子绕组匝间短路故障与转子局部退磁故障对电流幅值影响机理的基础上,分别提取转子旋转一周内同相电流幅值波动特征和异相电流幅值之间的波动特征,建立了故障分类诊断指示器。仿真与实验结果表明,该指示器可有效识别定子绕组匝间短路故障与转子局部退磁故障。该文提出的方法可直接嵌入永磁同步电机控制软件,不需要增加额外的传感设备,具有较好的实用价值。
作者：孙丹；赵琛；柯伟煌；王铭泽；年珩
摘要：针对共直流母线型开绕组永磁同步电机（OW-PMSM）基本电压矢量丰富、存在零序回路的特性,该文提出两种基于重构电压矢量的共直流母线型开绕组永磁同步电机改进直接转矩控制策略。为充分利用OW-PMSM所产生的电压矢量,定义19个重构电压矢量并基于此改进零序电流抑制方法,扩大直接转矩控制的备选电压矢量范围。根据重构矢量数量多、幅值不同的特点,将五位转矩滞环控制器引入直接转矩控制中,实现电机转矩脉动的抑制。针对滞环控制器控制精度有限等问题,提出无滞环控制器的改进直接转矩控制策略,定义一种新的区域划分方式并建立重构电压矢量选择表,通过对参考电压矢量的定位实现重构电压矢量的精确选择。实验结果验证了所提控制策略的可行性和优越性。
作者：李帅；丁文；李可
摘要：混合励磁磁通切换电机（HEFSM）具有永磁磁通切换电机和混合励磁同步电机的优点,通过调节励磁电流实现了调节气隙磁场的目的,这类电机在工业界尤其是电动汽车领域有着广泛的应用前景。该文提出一种针对HEFSM全速范围的优化最大转矩铜耗比（MRTC）控制策略。在低速恒转矩区域,采用优化的励磁电流来提高带负载能力,使铜耗最小,相比励磁电流与电枢电流随机组合策略和零励磁电流控制策略具有更快的响应速度。在恒功率范围,建立电机铜耗的目标函数,以转矩、电流、电压和转速等为约束条件。优化后的负励磁电流和d轴电流不仅可以获得较高的转速和产生磁阻转矩,而且在一定的转矩值下,铜耗最小,实现了转矩与铜耗的最大比值,在扩展电机转速范围的同时提高了效率。最后搭建基于dSPACE1103的电机系统实验平台,验证所提出的控制策略的可行性和有效性。
作者：李祥林；薛志伟；阎学雨；冯兴田；张丽霞
摘要：占空比模型预测转矩控制通过优化有效电压矢量的占空比来减小转矩脉动,然而要得到最优有效电压矢量需要进行6次预测,计算量较大,而且第二个电压矢量只能是零矢量,导致转矩脉动仍较大。该文提出一种基于电压矢量快速筛选的永磁同步电机三矢量模型预测转矩控制策略,为了最大限度地降低控制复杂度并减小计算量,设计一种新型开关表,两个有效电压矢量将从开关表中选择,同时提出一种新的占空比计算方法,以期实现转矩与磁链的无差拍控制。实验结果表明,与占空比模型预测转矩控制相比,该文所提方法可以有效减小转矩脉动,实现稳态性能的改善。
作者：范舒婷；孟大伟；艾萌萌
摘要：为研究不同绕组结构对五相电机的影响,在现行单绕组及星形-五边形组合绕组的基础上,该文提出三种新型组合绕组：五边形-星形绕组、五角星-星形绕组与星形-五角星绕组。首先,建立绕组磁动势模型与电压不平衡系数（VUF）计算模型,利用有限元方法计算电机绕组磁动势（MMF）谐波含量、电压不平衡系数。其次,制作15kW五相感应电机,并以此为样机对不同绕组结构五相感应电机开路故障下的稳态性能进行分析。仿真及实验结果表明,对于单绕组结构,开路状态下五边形绕组最有利于电机运行;而对于组合式绕组,该文提出的五边形-星形绕组相比于现行的星形-五边形绕组,既有磁动势谐波含量低的优点,又可以进一步减小电压不平衡系数,提高可带负载转矩,更有利于电机在开路情况下运行。
作者：付兴贺；江政龙；吕鸿飞；顾胜东；崔维龙
摘要：该文首先分析永磁同步电机和电励磁同步电机的特性差异,指出电励磁同步电机的优势以及存在的问题。其次,归纳梳理了电励磁同步电机无刷励磁的演变过程和技术路线,阐明励磁机励磁、谐波励磁、感性和容性无线电能传输技术在励磁绕组非接触供电方面的研究进展和应用水平。然后,总结现有磁阻转矩利用技术、转子结构改进技术以及转矩轴线平移技术,指明上述技术对电励磁同步电机转矩提升的有益效果。最后,指出该领域存在的问题,并预测未来研究重点和技术发展方向。
电工理论与新技术
作者：武龙星；庞辉；晋佳敏；耿院飞；刘凯
摘要：荷电状态（SOC）的准确估计是电池管理系统的重要功能之一。当前,基于模型的方法是实现锂离子电池SOC估计最常用的解决方案。相比于等效电路模型（ECM）,由于电化学模型（EM）能够实现耦合电化学机理的SOC估计,逐渐成为下一代高级电池管理系统的研究重点。然而,现有基于模型的锂离子电池SOC估计方法的研究大多集中在ECM上,很少对EM进行系统讨论。为此,该文针对基于EM的SOC估计方法进行了全面综述。首先,概述了EM的建模及参数识别方法;然后,对基于EM的SOC估计方法进行了讨论;最后,针对目前基于EM的SOC估计存在的挑战和未来发展趋势进行了讨论。该文提出的观点有望促进现有基于EM的高级电池管理系统算法的开发和应用。
作者：韦艳飞；杨鑫；陈钰凯；杨明智；姚锐
摘要：有限元法（FEM）是换能器设计的重要手段。超磁致伸缩换能器的核心振子——超磁致伸缩材料在应用中存在电磁损耗、机械损耗和磁机耦合损耗等。而现有的有限元仿真软件中的磁致伸缩模块无法对超磁致伸缩换能器进行多场耦合下的损耗的准确计算,且难以获取不同工况下的材料参数,给换能器的设计造成了较大的误差。因此相比压电模块,有限元仿真中的磁致伸缩模块仍未得到广泛应用。该文通过对压电和磁致伸缩的机电耦合的有限元控制方程的数值比拟,利用压电模块实现了对超磁致伸缩换能器的有限元仿真,并利用材料复参数对损耗进行表征,实现了超磁致伸缩换能器计及损耗的有限元仿真。为得到超磁致伸缩材料的特性参数,利用平面波法（PWM）对磁-机耦合特性参数测试平台进行阻抗建模分析,通过粒子群算法提取不同预应力下考虑损耗的特性材料参数,并将所得参数代入有限元仿真软件COMSOLMultiphysics中进行谐响应分析,所得结果与PWM模型结果及实验阻抗曲线吻合良好,证明了所提方法的可行性和准确性。
作者：文腾；崔翔；李学宝；刘思佳；赵志斌
电力系统与综合能源
作者：姜涛；李雪；李国庆；李晓辉；陈厚合
摘要：针对高比例可再生能源并网给交直流电力系统静态电压稳定评估带来的挑战,提出一种含多端柔性直流（VSC-MTDC）的交直流电力系统静态电压稳定域（SVSR）构建方法。该方法根据含VSC-MTDC的交直流电力系统静态电压稳定域边界（SVSRB）的拓扑特性,计及SVSRB搜索过程中换流站控制策略的转换,构建含VSC-MTDC的交直流电力系统SVSRB快速求解的预测-校正模型。首先,该模型借助连续潮流求取出交直流电力系统SVSRB上的初始临界点;然后,根据交直流系统SVSRB上相邻临界点之间的关联,以上一个已求SVSRB临界点为初值,通过所提预测-校正算法求解下一个SVSRB临界点,在此过程中,计及换流站运行参数越限带来的控制策略转换问题,实现SVSRB临界点的准确求解,以提升SVSR的构建精度和效率,增强交直流电力系统的电压稳定态势感知能力;最后,将所提方法应用于含VSC-MTDC的IEEE5节点测试系统和IEEE118节点测试系统中进行分析。结果表明,所提方法可实现交直流电力系统SVSR的准确、高效构建。
作者：黄河；马凡；付立军；张向明；荆从凯
摘要：十二相整流发电机是船舶中压直流综合电力系统的主要发电设备。将全船整流发电机输出的正负极、直流中点分别并联组网,向全船中压用电设备提供三线制直流电能,可减轻中压用电设备的绝缘和直流均压控制压力,但也增加了系统直流中点环流的风险。针对此问题,该文建立了等效电路模型,揭示了多台整流发电机并联时直流中点环流产生的机理与频率特征,提出了可有效抑制直流中点环流的接地电阻设计原则,时域仿真和物理试验验证了该理论分析结果的正确性。
作者：梁煜东；陈峦；张国洲；任曼曼；胡维昊
作者：王泽忠；司远；刘连光
作者：王琛；王颖；郑涛；戴则梅；张凯锋
作者：刘晓艳；王珏；姚铁锤；张沛；迟学斌
作者：李永刚；王月；吴滨源
摘要：准确的风速预测对新能源并网稳定运行具有重要意义。为提高风速预测精度,该文构建基于双重Q学习的动态风速预测模型。首先,构建由五种基础预测算法组成的风速Q学习模型集,充分考虑风速波动情况和属性因素,通过Q学习强化学习算法选取出每时段的最佳预测模型,得到初步的风速预测结果;然后,基于风速预测结果计算预测误差,构建第二阶段的误差Q学习模型库,筛选该模型库中的最佳模型,以修正初步预测值,对误差进行校正,得到最终的预测结果;最后,通过对实际风场不同季节的风速进行预测,验证所提方法的有效性。
作者：姜云鹏；任洲洋；李秋燕；郭勇；徐岩
摘要：针对双碳目标下高比例新能源并网造成的灵活性调节资源匮乏及高效消纳难题,该文提出一种考虑多灵活性资源协调调度的配电网新能源消纳策略。首先,建立多灵活性资源灵活互动特性的刻画方法,兼顾配电网新能源消纳水平与经济运行,构建考虑多灵活性资源协调调度的新能源优化消纳模型;然后,为寻找优化消纳模型非支配解的可行域,基于双层嵌套结构建立多目标优化求解方法,并提出一种复合型线性化策略,将复杂的多目标非线性非凸优化消纳模型转换为多目标混合整数线性优化问题,实现优化消纳模型的高效求解;最后,采用IEEE33节点测试系统和中国某地级市110kV配电网,验证所提消纳策略的有效性和适应性。
作者：叶晨；王蓓蓓；薛必克；冯树海
摘要：随着能源短缺、环境污染等问题日益突出,大量的可再生能源和储能（ESS）开始接入用户侧。由于可再生能源出力的间歇性造成的问题较为突出,因此研究电力市场环境下分布式光储的运营策略,对提高用户用电的经济性、ESS资源的利用率及系统的消纳能力具有重要意义。该文以社区为背景,借鉴航空等领域的超售运营策略,以社区用户群总收益最大为目标,建立了超售策略下社区共享光储联合运行的优化模型。对基于超售模式下共享光储社区能量管理系统进行了算例仿真,结果表明对于光储系统推广初期发掘用户积极性方面,少量超售ESS资源参与调频市场是一种经济高效的运营策略,能够充分利用ESS资源,促进清洁能源消纳。
高电压与放电
作者：王超；李文栋；陈泰然；李文强；宫瑞磊；张冠军
摘要：在保证气体绝缘开关设备（GIS）绝缘强度的基础上,为减少SF6气体使用量、缩小设备体积,基于有限元仿真及数值优化方法开展了针对工程实际中的550kV盆式绝缘子小型化设计研究。在中心导杆与密封罐体之间距离缩小10%的条件下,通过对盆体凸面、凹面轮廓以及两端厚度的形状优化,可使得沿面电场分布更加均匀,盆体中心导体侧及低压法兰处的机械应力集中现象得到大幅缓解。相较于原始结构,经几何形状优化后的盆式绝缘子显著提升了的电气性能和力学性能。优化后的小型化绝缘子凹面沿面最大电场强度及最大形变量可分别降低25.4%和29.9%,并可减少盆式绝缘子6.1%的环氧复合材料使用量以及GIS密封罐体内约15%的SF6气体使用量。该文提出的GIS小型化改造方案兼顾了电气和力学性能,具有较高的制造可行性和应用前景,能够为紧凑型、环境友好型GIS设备的研制提供参考。
作者：胡琦；李庆民；刘智鹏；刘衡；A.ManuHaddad
作者：李彦飞；汤贝贝；韩冬；邱宗甲；张国强
摘要：该文通过实验模拟六氟化硫（SF6）气体绝缘电气设备的三种常见放电缺陷（电晕放电、火花放电以及沿面放电）,并采用光谱仪检测上述放电缺陷下的200~1037nm波段范围内的发射光谱。结果表明,电晕放电的发射光谱主要由带状光谱（OH自由基谱带,SF6和SFx分子谱带）和微弱的F原子线状谱组成;火花放电的发射光谱在电晕放电的基础上新增了硫原子、硫离子和氟离子的线状光谱;沿面放电的发射光谱与火花放电的轮廓相似,但由于沿面故障模拟模型中引入了铜元素,因此发射光谱中出现了铜原子和铜离子的线状谱。最后,根据电晕放电、火花放电和沿面放电的光谱特性差异,定义了两个特征物理量：Iratio和|I′nor(323.371nm)|,设计相应的放电识别算法。该算法的正确率为94.33%,可有效地识别实验中的SF6放电缺陷。