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基于图像识别的寻迹小车设计(7)
图​像​识​别​ ​ ​循​迹​小​车
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你可能喜欢磁通切换型电机拓扑结构及运行特性的分析与研究--《南京航空航天大学》2012年博士论文
磁通切换型电机拓扑结构及运行特性的分析与研究
【摘要】：永磁磁通切换电机（FSPM）继承了开关磁阻电机转子结构简单坚固和永磁同步电机（转子永磁式电机）转矩密度高、效率高的优点。永磁体放置在定子上，不受离心力，散热条件良好；电枢磁场和永磁磁场为并联关系，永磁体退磁风险小；电励磁和混合励磁拓扑易于实现无刷化。一系列优点决定了其在航空航天、风力发电、电动汽车领域具有较大的应用潜力。
本文致力于磁通切换型电机的拓扑结构和控制策略的研究，在分析了12/10永磁磁通切换电机电磁性能的基础上，对电机的容错拓扑、电励磁拓扑、混合励磁拓扑、电动及发电控制策略进行了深入的研究。
针对航空电力作动系统，从提高电枢磁场磁路的磁导入手，提出6/19转子分段式多齿容错FSPM电机拓扑。与传统容错型FSPM电机拓扑相比，所研究拓扑优点如下：（1）具有相对较高的转矩密度和较小的定位力矩；（2）定转子采用多齿结构，增大了电机自感，提高了抑制短路电流能力；（3）特定的轴向分段结构可以实现单个线圈反电势的高正弦度，并保证较高的反电势基波幅值。为了减小电机故障运行时的转矩脉动，研究了基于电流矢量重构技术的FSPM电机容错控制算法。
对FSPM电机的电励磁拓扑结构进行了研究和衍化：（1）12/10电励磁磁通切换（EEFS）电机相对于12/8电励磁双凸极（EEDS）电机具有高正弦度的励磁磁链和相对较高的转矩密度。（2）衍化得到的“E”型铁芯EEFS电机、“C”型铁芯EEFS电机、多齿EEFS电机相对于12/10EEFS电机具有更高的转矩密度以及较强的恒功率区域运行能力。此外，详细分析了EEFS发电机和EEDS发电机在采用不同整流电路时的外特性。
针对发电场合和宽转速范围驱动场合，研究了一种转子分段式混合励磁磁通切换电机拓扑，与串联式混合励磁磁通切换电机、磁桥式混合励磁磁通切换电机、“E”型铁芯混合励磁磁通切换电机等相比，所提出拓扑优点如下：（1）解决了二维混合励磁拓扑中永磁磁场与电励磁磁场的耦合问题；（2）不存在永磁体的退磁和短路，具有较高的永磁体利用率和励磁电流利用率。因此，转子分段式混合励磁磁通切换电机适合应用在高可靠性（无永磁体退磁）、高转矩密度（无永磁体短路）、调磁能力强（电励磁磁场磁路磁阻小）的场合。
为同时提高发电系统的动、静态性能，提出了混合励磁磁通切换发电机的直接功率线性控制（DPLC）策略。DPLC不但与经典的直接功率控制（DPC）具有相同的转矩跟踪能力，而且在稳态时，定子磁链纹波和电磁转矩脉动得到有效地抑制。从系统成本、可靠性、功率因数、电机利用率分析了直接功率线性控制策略、直接功率控制策略、矢量控制策略、调磁调压控制策略的优缺点，对各种策略具有优势的使用场合进行了分析。
将DPLC的控制思想移植到交流电机的电动控制领域，提出了交流电机的直接转矩线性（DTLC）控制策略，给出同步类交流电机和异步电机的DTLC控制框图和目标定子磁链计算方法。在DPLC和DTLC算法中，为准确辨识到电机的定子磁链信息，提出了基于高通滤波器、低通滤波器以及坐标变换环节的磁链辨识算法，该算法可将反电势中的直流分量有效滤除，其幅频特性、相频特性与纯积分算法相同，不受负载、电机转速以及闭环参数的影响。克服了纯积分算法和一阶低通滤波器存在的饱和和相位误差问题。
【关键词】：
【学位授予单位】：南京航空航天大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2012【分类号】：TM351【目录】：
摘要4-6Abstract6-8目录8-17第一章 绪论17-30 1.1 课题的研究背景及意义17-21
1.1.1 全电/多电飞机电力作动系统17-18
1.1.2 全电/多电飞机电源系统18
1.1.3 风力发电系统18-19
1.1.4 电动汽车/混合动力汽车驱动系统19
1.1.5 转子永磁式电机与定子永磁式电机19-21 1.2 国内外研究现状21-27
1.2.1 容错型永磁磁通切换电机研究现状22-23
1.2.2 混合励磁磁通切换电机研究现状23-24
1.2.3 磁通切换电机电动及发电运行控制策略研究现状24-25
1.2.4 磁通切换电机其它研究现状25-27 1.3 本文的研究思路和结构安排27-30第二章 永磁磁通切换电机基本电磁性能30-42 2.0 电机结构与工作原理30-33 2.1 电磁性能33-37
2.1.1 定子磁链和反电势33-34
2.1.2 电磁转矩-电枢电流曲线34-37 2.2 FSPM 电机数学模型37-39 2.3 实验验证39-41 2.4 本章小结41-42第三章 容错型永磁磁通切换电机拓扑研究42-69 3.1 电机结构42-46 3.2 电机参数优化46-49
3.2.1 转子极对数46-47
3.2.2 容错齿与定子齿间隙47-49 3.3 有限元仿真49-53 3.4 样机及实验验证53-59 3.5 容错型 FSPM 电机拓扑比较59-68
3.5.1 电磁性能和容错性能比较59-66
3.5.2 恒功率区域运行能力66-68 3.6 本章小结68-69第四章 电励磁磁通切换电机拓扑研究69-85 4.1 电机拓扑与电磁性能69-74 4.2 EEFS 发电机外特性74-76 4.3 样机及实验结果76-79 4.4 “C”型铁芯、“E”型铁芯、多齿 EEFS 电机拓扑79-84 4.5 本章小结84-85第五章 混合励磁磁通切换电机拓扑研究85-103 5.1 混合励磁磁通切换电机拓扑85-94
5.1.1 串联式混合励磁拓扑85-86
5.1.2 带导磁桥串联式混合励磁拓扑86-90
5.1.3 “E”型铁芯并联磁路混合励磁电机拓扑90-92
5.1.4 分段转子并列式混合励磁拓扑92-94 5.2 电磁性能比较94-100 5.3 分段转子并列式混合励磁拓扑比较（基于不同电机结构）100-102 5.4 本章小结102-103第六章 磁通切换发电机直接功率线性控制策略103-118 6.1 磁通切换发电机控制策略103-106
6.1.1 调磁调压控制策略103-104
6.1.2 矢量控制策略104
6.1.3 直接功率控制104-106 6.2 直接功率线性控制策略106-109 6.3 实验验证109-114 6.4 混合励磁发电机控制策略比较114-117
6.4.1 成本及可靠性114-115
6.4.2 系统功率因数115-116
6.4.3 控制策略对电机设计工作点的影响116
6.4.4 不同控制策略应用场合比较116-117 6.5 本章小结117-118第七章 磁通切换电动机直接转矩线性控制118-151 7.1 永磁磁通切换电动机矢量控制和直接转矩控制118-122 7.2 永磁磁通切换电动机直接转矩线性控制122-125 7.3 实验验证125-129 7.4 交流电动机直接转矩线性控制及发电机直接功率线性控制129-132 7.5 一种新颖的定子磁链辨识算法132-149
7.5.1 经典积分算法132-135
7.5.2 新辨识算法135-138
7.5.3 新辨识算法仿真验证138-141
7.5.4 新辨识算法实验验证141-144
7.5.5 一簇基于高通滤波器、低通滤波器、坐标变换环节的磁链积分算法144-149 7.6 本章小结149-151第八章 全文总结和展望151-153 8.1 本文的主要工作及创新点151-152 8.2 进一步工作的展望152-153参考文献153-171致谢171-172在学期间的研究成果及发表的学术论文172-175附录175-178
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丹江口水库汛限水位动态控制的可行性研究（贺平 刘松）
来源：人民长江
摘要:丹江口水库调度中所使用的汛限水位“静态控制法”在当前水库控制运用中存在一些问题，且产生了多方面的负面影响。对丹江口水库汛限水位实施动态控制的可行性进行了分析，并从流域汇流特点、水文气象预报与网络通信技术水平、汉江流域水库梯级开发现状和丹江口水库近50 a的运行管理经验4 个方面进行了详细论证。结果表明，丹江口水库汛限水位实施动态控制是可行的，且能实现更好的兴利效益。
关键词:汛限水位; 动态控制; 静态控制; 丹江口水库
中图法分类号: TV697 文献标志码: A 文章编号:12)02-0036-03
Feasibility study of dynamic control of flood control level of Danjiangkou Reservoir
HE Ping，LIU Song
Abstract: There are some problems and many negative influences in the operation of Danjiangkou Reservoir that adopts static control of flood control level at present．The feasibility of dynamic control of flood control level is analyzed and demonstrated from the aspects of basin confluence characteristics，hydrological forecast level and network communication，cascade reservoirs development situation and 50 years of experiences in operation and administration of Danjiangkou Reservoir．The results show that the implement of dynamic control of flood control level in Danjiangkou Reservoir is feasible and can realize better economic profit．
Key words: Danjiangkou Reservoir
1 丹江口水库基本情况
丹江口水利枢纽初期工程于1958 年9 月1 日开工建设，1973 年完工，是具有防洪、发电、灌溉、航运、养殖等综合效益的特大型水利枢纽工程，是治理开发汉江的关键性控制工程。
水库控制流域面积9．52 万km2，初期工程坝顶高程162 m，水库死水位139 m，正常蓄水位157 m，校核洪水位161．4 m，总库容209．7 亿m3 ; 南水北调中线水源工程(除溢流坝顶未加高到规定高程外其余所有坝段均达到最终高程) 完工后，枢纽坝顶高程176．6 m，水库死水位150 m，正常蓄水位170 m，校核洪水位174．35 m，总库容将增至339．1 亿m3[1-2]。
2 目前水库汛限水位设计与运用分析
丹江口枢纽初期工程建成以来，防洪和兴利效益显著，其中水库调度发挥了重要作用。但随着社会经济的发展、科学技术的进步、流域洪水调节能力的增强和工程管理水平的提高，目前丹江口水库调度规程中的汛限水位控制运用存在诸多不足。为了更好地发挥丹江口水库的综合利用效益，特别是水库兴利效益，有必要对丹江口水库汛限水位实施动态控制。
2．1 主要问题
2．1．1 设计汛限水位偏低
丹江口水库设计汛限水位是20 世纪70 年代末研究制定的。当时，由于我国气象测报条件和预报水平有限，设计的汛限水位无法考虑预报降雨因素，因此要求水库防洪调度严格按照“超过汛限水位后，尽快回落到汛限水位以下”进行操作。其设计理念认为: 每年发生设计洪水的概率相等，且时刻防御校核洪水的发生，专注小概率事件。因此，无法充分发挥水库的兴利效益。
丹江口水库控制流域面积仅为三峡控制流域面积的9．52%，多年平均径流量仅为三峡水库多年平均径流量的8．43%，而设计、校核标准洪水洪峰却达到三峡水库的79%以上。可见，支流汉江的设计洪水标准已接近长江干流的防洪标准。
丹江口水库防洪标准为100 a一遇，年最大设计洪水是采用1935 年夏季洪水作为典型洪水进行设计的。《汉江丹江口水利枢纽(初期工程) 正常蓄水位157 m 水利规划报告》明确指出: 1935 年洪水在坝址处“相当于100 ～ 200 a 一遇洪水”，在防洪控制点(碾盘山) 处约相当于200 a一遇。而实际按“相当于100a一遇洪水”对待，并在此基础上进行倍比放大，推求出大坝千年设计和万年校核洪水。因此，丹江口大坝设计和校核洪水是偏大的，与三峡大坝设计洪水比较，也得出了这一结论。
在未考虑预报降雨因素、设计洪水偏大的情况下，极易形成“汛期泄流偏大、调洪水位偏高”的调洪结果，致使设计汛限水位偏低。
2．1．2 弃水过多，蓄水不足
在目前的丹江口水库实时洪水调度中，由于没有充分运用水雨情预报信息，且重点防御后期“大洪水”，因此即使在气象和来水十分明朗的情况下，不管后期有无来水，只要库水位超过汛限水位就必须弃水，并要求尽快降至汛限水位，即对汛限水位实行“静态控制”。
水库按照“汛限水位静态控制法”运用，确保了防洪安全，但却牺牲了水库的兴利效益，遇丰水年份还会经常出现“汛期弃水过多，汛后蓄水不足”的局面。如2000 ～ 2010 年11 a间，有6 a发生弃水，平均弃水量达到38 亿m3。
2．2 主要不利影响
2．2．1 影响了电站的发电效益
据分析，自1973 年初期工程建成至今38 a，水库蓄满率(蓄满年数占全部年数之比) 仅18%。可见，由于设计汛限水位偏低，水库实际运用时汛限水位又采用“静态控制法”，严重影响了电站发电效益的发挥。如2010 年来水量达500 亿m3，较多年均值偏多32%，但年弃水量达106 亿m3，汛末最高库水位仅153 m。初步分析至少减少发电量2 亿kW?h。
2．2．2 中下游用水无法保证
水库按现行汛限水位控制方式运用，易形成汛期弃水过多，汛后无水可蓄的局面，致使水库供水期兴利效益不能充分发挥，无法充分满足中下游城市居民生产、生活及下游河道生态用水需求。
鄂北岗地完全依赖于丹江口水库灌溉; 汉江中下游平原是湖北省粮棉作物的主产区，其灌溉用水均需丹江口水库供水期下泄水量供给。水库汛末蓄水不足，会极大程度地影响上述地区的农业生产。而且供水兴利不足还影响到河南南阳灌区数百万亩耕地。
由于水库蓄水不足，有些年份下游河段生活与生态用水无法保证。汉江下游河段于1992，1998 年和2000 年等多次发生“水华”现象，人畜饮用水都受到威胁，严重影响了下游居民的生活。
2．2．3 供水期影响电网的安全稳定运行
丹江口水库有调节库容102 亿m3，电站单机容量较大(150 MW) 且启停迅速，是湖北电网主要的调峰、调频和事故备用电站。汛末水库蓄水不足，会降低电站的调峰、调频以及事故备用能力，对湖北电网安全、稳定运行产生不利影响，尤其遇冬季灾害天气，湖北严重缺少煤炭能源时，影响更大。
2．2．4 影响库区移民县经济发展
丹江口电厂的上网廉价直供电一直是库区移民县(郧县、淅川、丹江口) 市财政收入的重要保障。若汛末水库蓄水不足，将不得不从电网倒送高价电，直接影响三县市工业企业的生产成本和开工率，进而影响地方税收和就业率。
3 实施汛限水位动态控制的可行性分析
水库汛限水位动态控制是与当前预报技术发展相适应的水库调度方式。我国在汛限水位动态控制研究方面已取得较好的效果。目前已有大伙房、清河、柴河、观音阁、白龟山等水库在实际调度中实施了汛限水位的动态控制[3-5]。2010 年三峡水库实施了汛限水位动态控制运行，取得良好的经济效益。从丹江口现有洪水调度条件看，较其他水库具有更为有利的条件，对丹江口水库实施汛限水位动态控制是可行的。
(1) 水库控制流域面积大，汇流时间长，实施汛限水位动态控制对水库防洪安全影响较小。对于丹江口水利枢纽控制流域而言，发生全流域可能最大暴雨的概率远小于其他中小流域。水库主要暴雨中心到入库点平均汇流时间为18 ～ 30 h，使水库调度有较为富余的反应时间。按历史较大洪水弃水流量中值计，18 h至少可腾出6．5 亿m3 的库容。因此实施汛限水位动态控制对水库防洪安全影响较其他水库更小。
另外，南水北调工程移民已近尾声，水库承受短时超蓄的能力大为增强，也为实施汛限水位动态控制提供了更为有利的条件。
(2) 水文气象测报和网络通信技术水平的提高，为实施汛限水位动态控制提供了有力的技术支撑。近30 a来，我国水文气象观测手段有了飞跃的发展。20世纪80 年代初，水文气象主要依靠人工观测。由于没有卫星云图，天气预报只能测报1 ～ 3 d 的天气过程，且无法准确预测降雨的量级。现在不但可以准确预测到3 d 的降雨量级，还可以准确地预测到7 d(至少5d) 内的天气过程，同时，降雨量级预报也有较高的准确度，水文预报水平得到了较大幅度的提高。1980 年前，丹江口水库洪水预报精度只有70% ～ 80%，而目前可达85% ～ 90%。
目前的网络通信技术与20 世纪80 年代初相比发生了质的飞跃，长江流域90%的水文站点已实现了自动测报，不仅大大提高了水文信息的准确率，而且为防汛调度提供了更长的预见期。
(3) 汉江流域水利水电工程相继建成为实施汛限水位动态控制创造了良好的条件。自1973 年底丹江口水利枢纽初期工程建成后，汉江上游先后兴建了石泉、安康、黄龙滩等水库，其洪水调节库容累计达8．85亿m3 以上，潘口、孤山、小漩等水库也即将建成，将增加20 亿m3 库容，加上流域内各县市数百座小水库，汉江流域的洪水调节能力得到很大提高，有利于实施丹江口水库汛限水位的动态控制。
(4) 丹江口水利枢纽工程管理水平的提高，为实施汛限水位动态控制奠定了良好基础。经过多年的不懈努力，丹江口水利枢纽在设置防汛组织机构、制定防汛工作制度、提高防汛人员素质、提高防汛设施性能及编制防汛抢险预案等防汛能力建设方面有了大幅提高，具体体现在以下几个方面: ①每年汛前成立由丹江口水利枢纽管理局(汉江集团) 、水源公司(大坝加高建设单位) 、丹江口市政府、防汛抢险部队等单位组成的防汛指挥部，各成员单位职责分工明确，真正做到了全面部署、协调和组织实施枢纽的防汛工作; ②建立健全了防汛工作制度与管理规范，如制定了《丹江口水利枢纽防汛管理办法》、《丹江口水利枢纽安全运用管理暂行办法》、《丹江口水利枢纽大坝安全运用管理实施细则》、《丹江口水利枢纽工程管理规程》、《丹江口水利枢纽防汛工作制度与职责范围》、《丹江口水利枢纽水库防洪调度技术规程》、《丹江口水利枢纽大坝观测管理办法》、《丹江口水利枢纽安全检查制度》等; ③工程管理人员的素质不断提高，目前具有本科学历或工程师职称以上的大坝运行管理人员达到八成以上，具有高级工程师职称人员的比例逐年提高，硕士研究生学历人员也逐步增多; ④防汛设施设备安全性、可靠性及自动化水平不断提高，并建成了防汛决策支持系统(该项目曾获湖北省科技进步一等奖) ; ⑤根据当年的变化情况，每年对《丹江口水利枢纽防御特大洪水措施》、《丹江口水库防洪抢险应急预案》进行修订，使之更符合实际，更具有可操作性。
因此，实施丹江口水库汛限水位动态控制是必要的，也是可行的。
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作者简介:贺平，男，局长，高级工程师，主要从事水利水电企业管理工作。