【网络首发】2021年2月（上）

原创编辑部中国电机工程学报

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能源互联网数字孪生系统框架设计及应用展望

作者：蒲天骄，陈盛，赵琦，王新迎，张东霞

单位：中国电力科学研究院有限公司

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.201757

摘要：能源革命和数字革命共同推动我国智能电网向能源互联网转型升级。能源互联网具备多能流相互耦合、信息物理融合等复杂特性，传统基于机理物理模型的方法难以满足其监测分析及优化运行的要求。数字孪生技术利用传感器、物联网、虚拟现实、人工智能等数字技术对真实世界中物理实体和智能实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模，是实现能源互联网实时感知、运行优化及自主进化的理想途径之一。本文主要从数字孪生及能源互联网两方面总结技术研究现状，提出了能源互联网数字孪生系统的总体框架及技术路线，分析了典型应用在具体实施过程中需突破的关键问题及技术，并进行了总结与展望。

含恒功率负载的弱电网线路阻抗稳定区间辨识：阻抗技术

作者：王睿，孙秋野，秦德豪，胡伟，马大中，李相科

单位：1. 东北大学信息科学与工程学院；2. 克莱姆森大学工程计算与应用科学学院；3. 浙江大学电气工程学院；4. 南洋理工大学能源研究所

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.200395

摘要：弱电网因其易发生低频振荡和谐波振荡现象而被广泛研究。然而，传统的阻抗方法更注重于线路阻抗稳定运行点的辨识和回比矩阵的稳定裕度，而不能提供具体的线路阻抗稳定区间。因此，文中提出一种基于安全保护映射理论的弱电网线路阻抗稳定区间辨识方法，以求为实际系统规划和相关回稳方法研究提供指导。首先，分别建立交流弱电网的源侧阻抗矩阵和载侧导纳矩阵。然后，对上述互联系统建立稳定禁止区间，并进一步转化为稳定运行区间。其与基于范数的阻抗准则相比，该稳定区间的保守性显著降低。进而，通过镜像、平移和旋转映射互联系统的回比矩阵将线路阻抗稳定区间的求解过程转化为Hurwitz矩阵的辨识问题，并且通过安全保护映射理论直接得到线路阻抗稳定运行区间。最后，通过仿真和实验结果验证该方法的保守性和有效性。

考虑需求响应的源网荷协调分布鲁棒长期扩展规划

作者：陈保瑞，刘天琪，何川，胡晓通，苏学能

单位：1. 四川大学电气工程学院；2. 国网四川省电力公司调度控制中心；3. 国网四川省电力公司电力科学研究院

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.X202229

摘要：受限于化石能源储量有限性以及环境污染性的特点，在电力系统扩展规划方面需要着重考虑可再生能源的影响。在此背景下，对电力系统进行扩展规划时，考虑发电机组、输电线路与负荷需求响应的协调规划，并探讨采用分布鲁棒方法研究负荷和风电出力的不确定性对系统规划策略的影响。首先，提出一种以最小化投建成本、运行成本以及失负荷弃风惩罚为目标的考虑负荷需求响应的源网荷协调分布鲁棒长期规划模型；然后，针对第二阶段最坏场景，引入数据驱动型模糊集描述不确定性，采用主成分分析法捕获历史数据信息降低模型的保守性，通过对偶原理和仿射决策规则将模型重构为混合整数线性规划模型以便求解；最后，通过算例验证了所提扩展规划方法的有效性与通用性。

具有可变增益恒压特性的三线圈WPT系统补偿网络结构及参数确定新方法

作者：陈庆彬，杨丰钢，陈为

单位：福州大学电气工程与自动化学院

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.X201636

摘要：含有中继线圈的三线圈WPT系统可以提高系统的传输距离和传输效率。本文基于耦合电感模型分析并建立了传统SSS补偿结构的三线圈磁耦合系统的数学模型。该数学模型不够直观，不易对磁耦合系统除自感谐振式外的其它补偿参数确定方法进行分析。因而，本文提出利用变压器T网络模型来进行三线圈磁耦合系统建模的新方法。较于耦合电感模型，得到一个新的解耦电路模型。并基于该电路模型和等效漏感补偿理论，确定SS/SP、PSS、PS/SP补偿结构，提出SSS、SS/SP、PSS、PS/SP补偿结构的参数确定方法。该方法在磁耦合系统不变的情况下，通过补偿电容及等效变比的设计获得可变增益恒压输出特性。该方法电路模型简单，设计思路清晰，参数选择灵活，有助于拓宽输出电压增益范围。

一种新型不对称三相准四电平四桥臂逆变器及abc坐标系下三维空间矢量脉宽调制算法

作者：邱晓初，赵英豪，唐洪波，魏姝，魏金成，邓星桥

单位：1. 西华大学电气与电子信息学院；2. 成都理工大学核技术与自动化工程学院

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.X200435

摘要：相较于传统两电平逆变器，多电平逆变器因具有更多的输出电平、更低的开关损耗低及电压应力，以及输出电压波形质量更好，在中高压领域已得到广泛应用，但其也存在成本高、体积大、调制算法复杂及同类型器件难以匹配等问题。为此，文章提出了一种新颖的三相准四电平四桥臂逆变器拓扑结构及其空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation，SVPWM）算法，不需要箝位二极管或飞跨电容，简化结构并节约成本。仿真及实验结果表明，在最高10kHz的开关频率条件下，仿真及实验输出电压的总谐波畸变率（total harmonic distortion，THD）可分别控制为0.78%和4.904%，较传统三电平逆变器的输出谐波含量及开关频率更低，转换效率提高近2%。

考虑负荷柔性及网架调整的电-气联合调度模型

作者：赵霞，冯欣欣，戴蓉，王骆

单位：输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.202391

摘要：针对现有电-气联合调度方法对负荷柔性利用不充分、未考虑网架结构优化的局限，本文提出一种综合考虑“源侧”机组组合、“网侧”网架结构调整与“荷侧”电/气柔性负荷可削减/转移/平移/替代特性的“源-网-荷”协同的电-气联合系统日前调度模型，以充分释放电-气联合系统中网架结构的优化空间和柔性负荷的调节能力。用“IEEE-39系统+20节点天然气系统”和“IEEE-118系统+40节点天然气系统”两个电-气联合系统算例，验证所提协同调度模型的有效性。仿真结果表明，在电-气联合运行中考虑柔性负荷的调节能力和网架结构调整，可以有效促进风电消纳、降低联合系统的运行成本。

一种自适应Ｓ变换在电能质量特征提取中的应用

作者：李盼，娄钊瑜，马康，卢志刚

单位：燕山大学电气工程学院

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.202010

摘要：针对复合电能质量扰动特征提取方法精度不足、计算复杂度高的问题，提出了一种直接控制窗函数的标准差来控制时频分辨率的自适应S变换（AST）方法。利用高斯窗与电能质量信号频谱的主值区间直接匹配来优化时频分辨率，优化过程独立于S变换（ST）反馈结果，从根本上避免迭代计算，提高时频分辨率的优化速度。基于AST的时频矩阵提取4种特征量来表征20种典型电能质量扰动类型的特征信息，特征向量维数低，识别能力强。利用极限学习机和概率神经网络分别对AST和ST提取的特征向量进行识别，并结合噪声进一步分析。结果表明，相对于传统S变换本文方法的时频分辨率更高，抗噪能力更强，提取的特征向量更加精确。

考虑负荷柔性及网架调整的电-气联合调度模型

作者：赵霞，冯欣欣，戴蓉，王骆

单位：输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.202391

一种自适应Ｓ变换在电能质量特征提取中的应用

作者：李盼，娄钊瑜，马康，卢志刚

单位：燕山大学电气工程学院

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.202010

010

高频隔离型电力电子变压器电磁暂态加速仿真方法与展望

作者：许建中，高晨祥，丁江萍，冯谟可，王晓婷，赵成勇

单位：新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.201932

摘要：电力电子变压器（power electronic transformer，PET）可以实现多电压等级和电能形态的变换，将在柔性配电网中发挥重要作用。本文对高频隔离型电力电子变压器加速仿真关键技术进行介绍和展望。首先，结合PET电磁暂态仿真的特点分析其面临的瓶颈与挑战，并与模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）进行直观对比。接着，提出了适用于高频隔离型PET的电磁暂态等效建模框架，并以双有源桥（dual active bridge， DAB）变换器为例，对端口解耦、节点导纳矩阵预处理和多端口参数矩阵转换这三种现有的提速思路进行分析，通过仿真对比，指出各自的优缺点和适用场景。最后，对PET等效建模与实时仿真的研究方向进行了展望。

011

用于分布式电压调控的AC-AC型主动电力弹簧

作者：刘闯，陈皓楠，韩子娇，郭东波，蔡国伟，葛延峰，朱炳达

单位：1. 东北电力大学；2. 国网辽宁省电力有限公司

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.202588

摘要：电力弹簧（Electric Spring，ES）作为一种电能质量优化装置，对关键负载与非关键负载进行区分使得电力弹簧在对关键负载进行保护时，非关键负载无法运行在其额定电压下，而且其调压能力受到线路参数的限制。针对传统ES在实际电网中工作时的被动性，本文提出了一种基于双极性直接式AC-AC变换器的主动电力弹簧（AC-AC Based Active Electric Spring，AC-AES）实现分布式调压。AC-AES不再对关键负载与非关键负载进行区分，对用户负载进行统一控制，从而使其调压变得主动。最后，通过仿真和实验分别验证了所提装置通过调节电压调控负载功率的可行性，以及在波动电网中稳定负载电压的能力。

012

基于开关电容结构的MMC子模块波动功率耦合方案及其参数约束

作者：滕甲训，赵巍，潘禹卓，孙孝峰，李昕

单位：燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.202142

摘要：本文提出一种基于开关电容结构的模块化多电平换流器（switched-capacitors based modular multilevel converter， SC-MMC）拓扑方案。该拓扑通过基于半桥与变压器结构的高频链（high frequency link， HFL）将子模块（submudule， SM）隔离后互联在一起，所有SMs电容之间呈现开关电容特性，在不依靠控制的前提下，同时实现SM波动功率的自然消除、桥臂2倍频循环电流的抑制以及SM电压的自动均衡。从而大幅提升了系统的功率密度，并且简化了控制系统的设计。本文对传统MMC的波动特性以及关键组件参数约束进行了研究，对SC-MMC实现上述功能的过程进行了详细描述，并对新拓扑的参数与配置进行了分析。最后，搭建了一台SC-MMC的实验模型，实验结果验证了所提方案的正确性与有效性。

013

工频周期四点电压采样的MMC子模块电容值在线监测方法

作者：辛熙锴，马柯，蔡旭

单位：电力传输与功率变换控制教育部重点实验室(上海交通大学电气工程系)

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.200856

摘要：近年来，模块化多电平变换器（modular multilevel converter，MMC）可靠性问题越来越受到关注。电容作为组成MMC系统子模块的重要元件，因运行时需承受较大桥臂电流冲击和电压波动，成为MMC系统中失效率最高的元件之一。对电容值进行状态监测，对于提升电容运行可靠性，并实现高效的可预测维护具有重要意义。文中建立MMC系统子模块电容电压时域数学模型，推导出子模块电容值的新型计算方法，通过采样工频周期内4个特定时刻的电容电压实时监测MMC子模块电容值。通过搭建MMC子模块的工况模拟系统，对所提方法进行实验分析，验证所提方法的有效性。

014

CRM-PFC矩阵式低高度平面电感优化设计

作者：刘越，吴红飞，邹军，葛子贤

单位：多电飞机电气系统工信部重点实验室(南京航空航天大学)

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.202133

摘要：本文分别从扩展磁板横截面积和降低磁板中高频磁通分量入手，提出降低平面电感高度以实现超薄化设计的方法。通过拉伸磁柱结构，扩展了磁板横截面积，进而可以降低磁芯高度；进一步，提出基于矩阵磁结构低高度平面电感结构，利用高频磁通抵消降低了磁板中高频磁通量，进而实现了磁芯高度降低。此外，针对临界连续模式功率因数校正变换器，文中给出其平面滤波电感尺寸结构参数优化设计方法和设计实例，并进行实验验证。结果表明，相同高度和体积下，所提出的优化矩阵磁结构平面电感具有更高效率。

015

高温熔盐储能提高二次再热机组灵活性研究

作者：庞力平，张世刚，段立强

单位：华北电力大学能源动力与机械工程学院电站能量传递转化与系统教育部重点实验室华北电力大学北京市

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.200771

摘要：针对某660MW超超临界二次再热机组，提出了通过一次和二次高再冷段抽汽高温熔盐储能和高温熔盐换热器替代高压加热器的放热来提高二次再热机组运行灵活性方案。论文模拟仿真了高温熔盐储能系统在100%THA工况储热和放热过程对二次再热机组锅炉和汽轮机负荷响应特性，以及系统的热力性能变化。研究结果表明，储热过程能够提高的最大调峰量为6.82%Pe，负荷相应时间缩短600s；放热过程最大调峰量为1.82%Pe，负荷相应时间缩短1800s，能够有效改善二次再热机组响应速度。在储热和释热过程中，100%THA过程中，蓄热过程中的爬坡率为6.82% Pe，而在热释放过程中的爬坡率为1.82%Pe，分别显著提高了机组负荷爬坡率。研究结果表明，高温熔盐蓄热系统可以提高二次再热机组对电网负荷相应速率。

016

分段式气动弹片对翼型气动性能影响

作者：李东旭，李春，张万福

单位：上海理工大学能源与动力工程学院

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.201862

摘要：为改善气动弹片在小攻角范围内破坏翼型上表面流体的附壁现象，强制发生流动分离，提出等间距分段式气动弹片。以NACA0018翼型为研究对象，通过数值模拟分析分段式气动弹片对翼型气动性能的影响。结果表明：等比例分段式气动弹片翼型吸力面压力显著降低，升阻比较原始翼型最大提高25.65%，且在一定范围内弹片所分段数越多，气动性能改善效果越明显；非均匀分段式气动弹片翼型与原始翼型相比升力系数基本不变，阻力系数略有下降，对尾缘脱落涡有抑制作用，但弹片抬起角度过大会在其下表面形成大涡区，进而对翼型气动性能产生负面效果。

017

基于非线性声学的纳米复合电介质分散性整体无损评估方法

作者：成立，方伟，王汉卿，杨丽君，廖瑞金，王婷婷

单位：1. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)；2. 南方电网科学研究院有限责任公司

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.202062

摘要：纳米填料的分散性是影响纳米复合电介质性能的关键因素，当前尚无一种无损检测方法可以实现分散性的整体定量检测。该文从非线性声学原理出发，建立了2种分散状态下纳米颗粒的力学和非线性声学模型，推导出了非线性系数与平均粒径的正相关关系。制备了不同分散程度的试验样品，通过微观与宏观2种方法表征了样品分散性。然后，测试了试样的非线性系数，并基于实验结果拟合出非线性系数与平均粒径间的线性函数关系，其拟合优度大于0.95，与实测结果间的误差小于5%。研究表明：纳米复合电介质非线性系数和其平均粒径之间为线性函数关系，可以通过测试材料非线性系数，反演平均粒径，从而实现其分散性的整体无损评估。

018

考虑温度效应的灰颗粒碰撞模型及沉积行为预测

作者：董云山，司风琪，金炜

单位：能源热转换及其过程测控教育部重点实验室(东南大学)

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.202201

摘要：高温下积灰结渣影响着锅炉受热面经济与安全性。为研究温度作用下灰颗粒沉积特性，文中在Dong等提出的弹塑性碰撞模型基础上，通过对现有模型中的材料物性进行基于温度的修正，耦合了颗粒碰撞传热模型，提出了考虑温度效应的灰颗粒碰撞模型，并应用所提模型对灰颗粒沉积行为进行了预测。研究发现，所提模型具有较高的适用性，能够精确地模拟温度效应下的颗粒的反弹与沉积特性；临界粘附速度受平板温度的影响较大，在利用控温的方式减轻受热面积灰，理当优先选择降低受热面的温度；温度升高不仅会造成小粒径颗粒沉积，也会造成中等粒径以上颗粒的沉积；当前模型与计算流体力学的耦合可应用于对受热管的沉积预测，预测精度较高。

019

基于最大净功率的PEMFC系统过氧比分层控制

作者：李奇，杨文钰，尹良震，冯嘉

单位：西南交通大学电气工程学院

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.201678

摘要：水冷型质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）系统净输出功率与过氧比（oxygen excess ratio，OER）之间存在非线性、强耦合性的特点，因此，该文提出过氧比分层控制方法，用于PEMFC系统过氧比的寻优和控制。首先，基于离线+在线的过氧比寻优算法作为PEMFC最大净功率过氧比控制的上层控制，基于超螺旋滑模控制算法的反馈控制作为PEMFC最大净功率过氧比控制的下层控制，用以代替传统的PID反馈控制。利用Lyapunov函数，证明滑模控制作用下闭环系统的稳定性。搭建RT-LAB实时仿真平台，开展PEMFC系统实时仿真。结果表明，所提出的控制方法能够根据PEMFC系统净功率的实时变化而自动进行过氧比寻优控制，并在负载电流动态变化的情况下，满足净功率最大的性能指标要求，提高系统的高效性。

020

直流偏磁下单相变压器铁心实验模型局部磁致形变测量与模拟

作者：王振，张艳丽，张殿海，任自艳，谢德馨，白保东

单位：教育部特种电机与高压电器重点实验室(沈阳工业大学)

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.201161

摘要：电工钢片的磁致伸缩效应是变压器振动噪声的主要来源之一，实际工况下变压器铁心的磁致伸缩特性比单片电工钢片的特性更为复杂，而直流偏磁的存在会加剧铁心的形变。为了进一步掌握变压器铁心的磁致形变特征，本文直接对单相变压器铁心局部应变进行实验测试，开发并搭建叠片结构的单相双柱变压器铁心磁致伸缩测试系统，测试并分析不同磁化方式下不同局部区域的磁致伸缩特性，讨论直流偏磁磁场对铁轭以及芯柱磁致伸缩性能的影响，分析夹件位置和夹紧力对变压器铁心磁致伸缩的影响。基于实验测试数据，从工程应用角度提出直流偏磁下基于BP神经网络的叠片铁心磁致伸缩模拟方法。研究结果表明，实际工况下变压器铁心拐角区域由于旋转磁场的存在导致磁致伸缩增大，适当的夹紧位置和夹紧力可有效降低铁心磁致伸缩应变，神经网络法能较好的模拟直流偏磁下变压器铁心局部的磁致形变特性，更适用于工程实践。

021

正弦及谐波激励下铁磁材料损耗模型的改进和验证

作者：赵志刚，毕紫莉

单位：1. 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学)；2. 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室(河北工业大学)

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.201954

摘要：本文通过搭建爱泼斯坦方圈磁特性测量系统，首先对铁磁材料在宽频率范围内的正弦磁损耗进行了实验研究，综合考虑材料动态损耗的特性，在经典损耗分离模型的基础上提出动态损耗系数，建立改进的正弦磁损耗模型并进行了实验验证。在此基础上，为了解决铁磁材料在谐波激励工况下磁损耗的建模方法问题，本文综合考虑磁通密度波形畸变后的特征，首先将谐波磁通密度波形分解为主磁通和局部反转磁通，并进行正弦化近似处理，后结合外推磁滞损耗法、经典涡流损耗公式以及上述动态损耗系数，建立了谐波激励下铁磁材料的损耗计算模型。最后对谐波激励下实验数据和计算数据进行对比分析，结果表明，引入了动态损耗系数的损耗计算模型在任意谐波激励下均可获得较高的预测精度，从而验证了本文所提出的损耗模型的有效性和可行性。

022

基于云图特征提取的改进混合神经网络超短期光伏功率预测方法

作者：余光正，陆柳，汤波，王思源，杨秀，陈汝斯

单位：1.上海电力大学电气工程学院；2.国网陕西省电力有限公司电力调度控制中心；3.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.201929

摘要：光伏功率时序受多种特征因素的影响，呈现出高度的随机性和波动性。不同于分布式光伏，集中式光伏具有地理位置与辐照水平的同一性，运动型云层的遮挡往往导致光伏功率的分钟级剧烈波动，对光伏功率预测精度提出了挑战。针对上述问题，该文提出基于云图特征提取的改进混合神经网络超短期光伏功率预测方法。首先，通过提取并匹配彩色云图局部特征描述子，提出基于地基云图的云轨迹跟踪方法；其次，为评估运动型云团引起的超短期辐照度变化，建立基于云轨迹追踪的辐照系数预测模型；进一步，为表征各特征序列的内在相关性，提出了一种IAM-CNN-LSTM混合神经网络进行超短期光伏功率预测；在此基础上，综合天气类型与波动性聚类识别并提取功率波动过程，建立误差修正模型以进一步提高预测精度。本文采用西北某集中式光伏电站数据进行算例验证，结果表明，本文所提方法能有效提高预测精度，具有一定工程实用价值。

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