特邀专栏

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    特邀专栏:电气化交通中的电能变换与利用新技术

    客座主编:

    李武华  教授(浙江大学)

    张卓然  教授(南京航空航天大学)

    客座编辑:

    郑泽东  副教授(清华大学)

    宋文胜  教授(西南交通大学)

    李楚杉  研究员(浙江大学)


    选题背景:

    交通运载工具的电气化,是实现我国交通产业低碳化、数字化和智能化,支撑我国能源变革和实施交通强国战略的重要路径。变换器和电机构成的等电能变换与驱动装备是电气化交通运载工具的“动力心脏”,直接决定运载工具动力性能、能效和安全性。我国正持续大规模发展轨道交通、道路交通、水路交通、航空运输、国防运载等领域的电气化,对电气化交通运载工具提出更高要求,因此亟需研究轻量化、高能效、强可靠的电能变换与驱动装备。

    近年来,以新能源汽车、多(全)电飞机、高铁牵引、电力推进船舶、高速磁浮列车为代表的运载工具正快速发展。随着宽禁带器件、高速电机的突破,以及先进控制、智能感知与健康管理理论和技术的发展,交通运载工具中的电能变换与驱动技术日新月异。为了适配新型运载工具的新需求,突破电气化交通运载工具中变换器和电机等核心部件的效率、动态响应、可靠性、运行寿命等技术制约,我国高校与相关研究机构在高效高功率密度变换拓扑、宽禁带器件应用、高功率密度电机设计、高速电机控制、故障诊断与容错控制等方面开展了大量的研究工作,有力地推动了我国电气化交通产业快速发展。

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    1.
    电气工程学报    2022, 17 (2): 1-1.   DOI: 10.11985/2022.02.001
    摘要118)   HTML21)    PDF(pc) (123KB)(135)    收藏
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    2. 电气化交通中的微型燃机及其电能变换技术综述
    徐贺, 包贤哲, 王连杰, 李楚杉, 李武华, 赵梦恋
    电气工程学报    2022, 17 (2): 2-18.   DOI: 10.11985/2022.02.002
    摘要356)   HTML22)    PDF(pc) (698KB)(381)    收藏

    随着“双碳目标”的提出与节能减排需求的持续增长,以商用车辆、军用载具为代表的重载车辆也在逐步向电气化迈进。然而,在常规交通工具中广泛使用的锂电池、柴油发电机等普遍存在能量密度低、供电质量差等问题,无法满足新一代重载车辆的长续航、高机动、低噪声需求。微型燃机系统因其多燃料适配、低燃料消耗、低噪声、低排放、低振动等特点得到了广泛关注与快速发展,并在多个民用与军用电气化交通领域成功应用。围绕交通电气化背景,介绍了微型燃机技术在电气化交通的重要地位,并重点对微型燃机中的电能变换拓扑与控制技术进行总结归纳,通过凝练微型燃机中电能变换技术现阶段面临的主要挑战与亟待解决的问题,指出现有面向微型燃机应用的电能变换方案效果和优劣势,并对未来发展方向进行总结与展望。

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    3. 计及流-热耦合热网络模型的IGBT结温计算*
    许智亮, 葛兴来, 李金, 柯倩霞, 朱丹
    电气工程学报    2022, 17 (2): 19-26.   DOI: 10.11985/2022.02.003
    摘要222)   HTML13)    PDF(pc) (637KB)(150)    收藏

    绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)的结温计算对于评估其剩余寿命、保障电力电子变换器可靠运行具有重要意义。传统的热网络法忽略了模块与散热器之间真实的传热过程,难以准确有效计算结温变化,为此,提出一种计及流-热耦合的热网络模型的IGBT结温计算方法。该方法通过考虑流-热耦合的有限元仿真提取得到IGBT模块与散热器的热网络模型,根据易于获取的散热器水温作为温度参考点计算IGBT结温。为验证模型有效性,搭建了功率循环加速老化试验平台提取结温变化曲线。结果表明,所提的热网络模型能够更加真实准确地计算IGBT结温,可以为实际应用中IGBT模块的可靠性评估、剩余寿命预测提供更加真实准确的结温变化数据。

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    4. 青藏客车辅助逆变电源IGBT模块寿命的特征参数研究
    向超群, 尹雪瑶, 成庶, 于天剑, 张璐琳
    电气工程学报    2022, 17 (2): 27-37.   DOI: 10.11985/2022.02.004
    摘要236)   HTML6)    PDF(pc) (672KB)(167)    收藏

    辅助逆变电源广泛应用于轨道交通领域中,而绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)作为其功率电子器件的常用选择,成为辅助逆变电源研究的重点。根据青藏客车辅助逆变电源IGBT模块部件性能特征,使用功率循环试验的方法,掌握其性能随运行时间/里程的变化规律,估计其长期服役后的运用可靠性,为极端环境下辅助逆变电源IGBT模块全寿命周期性能研究以及剩余寿命评估提供参考。结果表明,经历极端环境下的IGBT 模块老化寿命可以从阈值电压与热阻两种劣化参数变化中预测得出,其中阈值电压相对变化需要根据多芯片并联情况下芯片的类型与连接方式视情况而定,热阻随老化情况呈阶梯式上升趋势。

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    5. 循环使用与储存条件对石墨/LiCoO2电池寿命的影响分析*
    张博钊, 苟斌, 徐燕璋
    电气工程学报    2022, 17 (2): 38-48.   DOI: 10.11985/2022.02.005
    摘要268)   HTML8)    PDF(pc) (691KB)(210)    收藏

    锂离子电池被广泛应用于能量储存,电池老化的影响在整个使用寿命中限制了其性能。一方面通过分析石墨/LiCoO2电池在不同荷电状态(State of charge, SOC)范围采取循环试验的数据,量化了平均SOC和SOC的变化(∆SOC)对锂离子电池可用容量衰减的影响,并建立循环老化模型;另一方面,通过分析石墨/LiCoO2电池不同SOC储存状态和不同储存温度寿命试验数据,揭示了储存条件变化对锂电池健康状态衰退过程的影响规律,并建立日历老化模型。分析结果可以应用于电池实际循环使用和静置储存优化设置。

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    6. 基于综合损耗最优的双有源桥式变换器调制方法*
    陈晓楠, 王明才, 李驰, 赵楠, 郑泽东
    电气工程学报    2022, 17 (2): 49-55.   DOI: 10.11985/2022.02.006
    摘要209)   HTML12)    PDF(pc) (343KB)(157)    收藏

    双有源桥变换器具有良好的软开关、电气隔离、功率调节能力,被广泛应用于直流输电、储能、列车牵引等领域。双有源桥变换器的调制算法与效率密切相关,原副边电流大小、器件开关时刻等重要因素均由调制算法决定,并直接影响器件开关时刻的损耗。提出一种基于综合损耗最优的双有源桥式变换器调制方法,该方法能够依据双有源桥变换器的不同工作模态情况进行损耗建模,计算器件的导通损耗与开关损耗,并综合总损耗确定最优的调制策略。最后,通过PLECS仿真验证了该方法的可行性和有效性。

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    7. 基于最优效率的双有源桥变换器参数设计优化方法*
    全生明, 苏舒, 赵楠, 李驰, 郑泽东
    电气工程学报    2022, 17 (2): 56-64.   DOI: 10.11985/2022.02.007
    摘要262)   HTML12)    PDF(pc) (706KB)(170)    收藏

    V2G作为一种新的分布式储能模式,能够有效参与电网的负荷平抑、峰谷调节,位置灵活且易于产生巨大的经济效益。双有源桥变换器是V2G中重要的组成部分,具有良好的电气隔离、电能变换能力。然而,在V2G这种功率双向、输出电压范围宽、恒功范围宽的工作场合,双有源桥变换器的设计成为了一大难题。提出一种基于最优效率的双有源桥变换器参数设计优化方法,能够综合频率、器件、功率、磁性器件、控制方法、输出电压范围、输入输出电压匹配关系等优化参数,设计出最优效率的双有源桥变换器。

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    8. 高压直流轴向混合励磁双凸极发电机的结构及特性分析*
    马昕晨, 陈志辉
    电气工程学报    2022, 17 (2): 65-72.   DOI: 10.11985/2022.02.008
    摘要232)   HTML2)    PDF(pc) (494KB)(150)    收藏

    270 V高压直流体制是现代飞机电源系统的重要发展方向之一。依据高压直流发电机具有自启动和短路电流限制能力的要求,提出了轴向混合励磁双凸极发电机,在对基本结构和工作原理进行描述的基础上,通过磁路分析得到了电机气隙磁场随励磁电流的变化规律,并采用有限元仿真加以验证,详细分析了电机的磁场分布、磁链、反电势、输出电压及负载特性等。结果表明,轴向混合励磁双凸极电机相磁链双极性变化,且正弦度高,调磁范围宽,可实现完全灭磁,同时电机运行时效率高,适用于航空高速运行。

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    9. 基于EtherCAT的磁浮交通PMLSM驱动系统架构及控制研究*
    马志勋, 刘思明, 牛海川, 韩耀飞, 林国斌
    电气工程学报    2022, 17 (2): 73-82.   DOI: 10.11985/2022.02.009
    摘要225)   HTML4)    PDF(pc) (776KB)(202)    收藏

    现有的高速磁浮交通系统采用直线同步电机牵引技术,然而磁浮交通系统中实际使用的直线同步电机体积庞大且造价昂贵,不利于前期开发和研究。对此,开发了一种分段式永磁直线同步电机(Permanent magnet linear synchronous motor, PMLSM)牵引驱动样机,旨在以低成本的方式快速简易地部署和验证磁浮交通直线运动控制算法。针对样机,设计并实现了一种基于ARM-FPGA双核的专用控制器。双核分别承担算法部署和控制实施的功能。此外在控制器中引入了EtherCAT网络技术,以搭建低延迟和高精度的网络化控制架构,仿真和试验证明了其可行性和可用性。未来将利用该驱动系统架构开发、部署和验证更多的磁浮交通直线运动控制算法。

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    10. 低速区列车牵引系统的电制动力提升控制方法*
    李建新, 李佳耀, 高翔, 蒋威, 宋文胜
    电气工程学报    2022, 17 (2): 83-91.   DOI: 10.11985/2022.02.010
    摘要197)   HTML4)    PDF(pc) (802KB)(188)    收藏

    目前,我国列车牵引传动系统普遍采用电-空联合制动的制动方式,具有低速区电-空制动切换引起乘客舒适性下降、空气制动可控性不强和闸瓦磨损严重等缺点。为解决该问题,研究了一种基于再生制动和反接制动的列车全电制动控制技术,可实现列车在全速度范围内的电气制动。首先,根据矢量控制下电磁转矩和转差频率的关系,分析不同制动方式在低速区的转矩输出能力,确定了再生制动在定子角频率大于零和反接制动在定子角频率小于零时制动转矩的可控性;其次,通过间接矢量控制磁场定向和直接矢量控制磁链观测证明了反接制动的实现原理和可行性,进而提出了低速区由再生制动自然换向至反接制动的全电制动方案;最后,开展了小功率电机对拖试验测试,试验结果验证了所提制动策略可以实现低速区制动转矩的稳定可控输出,且转矩平滑无冲击,提升了低速区列车电气制动能力。

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    11. 地铁永磁牵引系统复矢量电流环稳定性研究*
    沐俊文, 葛兴来, 朱丹
    电气工程学报    2022, 17 (2): 92-100.   DOI: 10.11985/2022.02.011
    摘要253)   HTML4)    PDF(pc) (676KB)(240)    收藏

    针对地铁永磁牵引系统应用背景下的电流控制环易失稳问题,首先,推导了基于复矢量电流控制器的内置式永磁同步电机电流环闭环传递函数,并探讨了其在变速条件下的解耦性能;其次,依据电流环闭环传递函数零极点分布图逐一分析了时间延时和角度延迟对控制系统稳定性的影响,并在综合考虑数字控制延时的条件下推导了稳定性边界条件。然后,线性化永磁同步电机机械运动方程,推导了系统闭环传递函数,绘制其零极点分布图,并分析了不同工况下的稳定边界条件。最后,测试验证了理论分析的正确性。

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    12. 基于车载宽增益双向直流变换器的多源电动汽车充放电一体化方法
    张云, 魏逸航, 刘强强, 孔治国
    电气工程学报    2022, 17 (2): 101-109.   DOI: 10.11985/2022.02.012
    摘要204)   HTML7)    PDF(pc) (870KB)(246)    收藏

    为了解决目前电动汽车充放电技术存在的车载动力蓄电池的充电器输入电压范围小,以及车载变换器和车载能量管理系统的利用率低等问题,提出一种新的基于车载宽增益双向直流变换器的多源电动汽车驻车充放电一体化方法。与常规的充放电方案相比,该方法不仅实现了常规的车载多能量源与车载直流母线和微网之间的能量交互,对所接入的直流微网进行“消峰填谷”,而且还降低了电动汽车充电器对充电输入电压等级的要求,同时还极大地拓宽了车载动力蓄电池的充电方式,大幅度提高了车载变换器、车载能量管理系统和动力电机的利用率。最后搭建了额定功率为1.2 kW的多源充放电系统的试验平台,通过三组典型的试验结果验证了所提出的驻车充放电一体化方法的合理性和可行性,可在未来的电动汽车充放电技术研究领域进一步推广实现。

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    13. 带混合负载的电动无人机双极性直流电力系统拓扑结构设计及稳定性分析*
    袁聪, 皇甫宜耿, 白浩, 刘云天, 张宏宇
    电气工程学报    2022, 17 (2): 110-121.   DOI: 10.11985/2022.02.013
    摘要260)   HTML9)    PDF(pc) (607KB)(210)    收藏

    电动无人机的直流电力系统主要为推进电机、环控和雷达等机载设备提供可靠的电能,而根据系统母线的结构,可以将系统分为单极性结构和双极性结构。为了降低推进电机的损耗和体积、提高系统容错性,双极性结构被广泛地应用在无人机和飞机当中。然而由于燃料电池、光伏等新能源发电系统通常输出单极性直流电,需要一个单双极性转换接口,实现单双极性转换。首先在电感电流脉动量、电容电压脉动量和开关管应力等方面,对比分析两种单双极性转换接口,即电压平衡器和多电平变换器。然后,基于对比结果,选取多电平变换器作为单双极性接口,设计母线电压控制器和中位点电压控制器实现双极性直流电力系统的电压电流控制和电压均衡控制。最后,分析控制器参数以及广泛存在于系统中的恒功率负载、恒流负载、恒阻负载对系统稳定性的影响,并通过仿真进行验证。

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    14. 基于混合牵引供电系统的短路稳态计算及保护分析*
    成庶, 周天娇, 向超群
    电气工程学报    2022, 17 (2): 122-130.   DOI: 10.11985/2022.02.014
    摘要191)   HTML4)    PDF(pc) (612KB)(154)    收藏

    针对24脉波整流机组和逆变能馈装置并联耦合的混合牵引供电系统,研究其直流侧短路故障发生时的电流特性,并制定相应的直流侧短路保护整定参数。首先计算了整流机组和能馈装置单独短路情况下的等效参数,并根据叠加定理研究混合牵引供电系统的直流侧短路特性。然后对牵引供电系统继电保护类型及保护整定设计原则进行介绍分析。搭建含逆变能馈装置的混合牵引供电系统仿真模型,对含逆变能馈装置的直流牵引供电系统直流侧近、远端短路进行仿真,验证等效计算结果,根据仿真电流波形设定适合混合牵引供电系统的保护整定参数,判断不同短路距离时启用的保护类型,确定混合牵引供电系统能正确切断电路,保障城市轨道交通系统的安全运行。

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    15. 电力机车运行工况对车网系统低频振荡的影响规律研究
    孟昭斐, 胡海涛, 周毅
    电气工程学报    2022, 17 (2): 131-141.   DOI: 10.11985/2022.02.015
    摘要200)   HTML3)    PDF(pc) (768KB)(294)    收藏

    近年来,随着我国新型交直交传动动车组与电力机车的大量投运,电气化铁路中出现了低频振荡现象,对铁路系统造成了极大危害。目前,研究车网系统低频振荡时仅考虑整备机车的影响,然而在同一供电臂下,往往还存在正常大功率运行的机车。因此,通过建立整备机车(低功率运行状态)和运行机车不同工况(大功率运行状态和制动状态)的阻抗模型,分析了不同工况下机车阻抗特性的差异,并运用阻抗比判据分析了运行机车不同工况对车网系统低频振荡的影响规律。最后,在Matlab/Simulink中搭建了牵引网、整备机车和运行机车的仿真模型,仿真结果验证了理论分析的正确性。

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