2021年, 第45卷, 第6期　刊出日期：2021-12-30

  

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电力电子变压器关键技术与应用
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  ISOP-DAB的均压均流控制方法综述

  徐硕,马智远,许中,周凯

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 1. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210151

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  随着新能源的大规模利用以及直流配电网的快速发展，直流变压器受到广泛关注.输入串联输出并联-双有源桥DC-DC变换器（Input Series Output Parallel-Dual Active Bridge, ISOP-DAB）结构能够有效解决高压大功率的双向传输问题，但面临着模块间的均压均流挑战.针对现存均压均流控制方法繁多但缺乏归纳总结的问题，对不同控制方案进行了多方面对比分析.首先，简要介绍了ISOP-DAB的基本结构和功能；其次，结合PSIM仿真分析了控制上完全独立的共同占空比控制、上翘控制；然后综合比较了控制上有耦合的特殊输入均压控制、输出均流控制；最后，对提及的所有控制方法进行了归纳总结，确定了各类方法的可行性及适用范围，对比了其优缺点，以便为ISOP-DAB的控制器设计提供参考.
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  ISOP-DAB变换器动态特性及回流功率混合优化控制技术

  农仁飚,杨晓峰,周兵凯,李继成

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 10. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210092

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  移相控制是输入串联输出并联双有源桥(Input Series Output Parallel-Dual Active Bridge，ISOP-DAB)变换器一种常见控制方式，针对传统单移相控制存在动态特性和回流功率问题，提出一种基于扩展移相(Extended Phase Shift，EPS)的混合优化控制技术.首先,基于ISOP-DAB的状态空间平均化方程，分析了EPS控制下ISOP-DAB变换器的回流功率和电流应力.其次,通过电压微分方程离散化，建立了DAB变换器控制量预测模型.最后,结合梯度下降算法(Gradient Descent Algorithm，GDA)进行控制优化,并进行了仿真分析.结果表明：基于EPS的ISOP-DAB变换器混合优化控制策略实现了输入电容电压均衡、输出电压稳定及同时优化回流功率的控制目标.
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  ISOS-DAB系统电压上翘控制策略研究

  陈良胜，林文强，潘尚智，宫金武，查晓明

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 22. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210154

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  实现模块间的均压均流是保证模块串并联系统正常运行的关键，针对现有均压控制策略大都模块化程度低的问题，将输出电压上翘控制引入输入串联输出串联-双有源桥变换器（Input Series Output Series-Dual Active Bridge, ISOS-DAB）系统.首先，在DAB变换器小信号建模基础上，结合ISOS拓扑关系和上翘控制，对ISOS-DAB系统进行完整的小信号建模，分析了控制原理及系统稳定性.其次，通过PSIM软件分别对采用校正前后的上翘控制的ISOS-DAB系统进行了仿真分析.最后，设计了两模块ISOS-DAB系统样机，进行了输出电压上翘特性、输入电压突变和负载突变的实验验证.结果表明：仿真和实验结果均验证了本文理论和上翘控制在ISOS-DAB系统中的有效性与稳定性，上翘控制能够保证ISOS-DAB系统在无互联通信条件下实现模块均压，提高了该系统的模块化程度.
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  基于电力电子变压器的电网建模和稳定性分析

  刘星琪，窦真兰，迟福海，邓任任，汤建，徐若凯，邹志翔，王政，程明

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 32. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210127

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  随着电力系统中新能源比例加大，电力电子变压器(Solid-State Transformer，SST)以其显著优势正逐渐替代传统变压器，但SST的接入也带来一系列建模和稳定性问题.针对系统建模和稳定性问题，首先利用小信号建模方法建立了SST低压侧变换器、新型PQ节点和新型PV节点的阻抗模型.其次，利用传递函数极点研究了SST在连接不同节点时系统的稳定性，尤其是线路阻抗和电压环参数对系统稳定性的影响.然后，采用参数敏感性分析研究了电压环比例增益kpv和线路长度对系统的影响程度.最后，利用仿真验证理论模型的正确性.研究结果表明：SST与PQ节点相连时，线路长度和kpv的增加会导致系统失稳并且该系统更适用于阻性线路；SST与PV节点相连时，线路长度的减少和kpv的增加会导致系统失稳并且该系统更适用于感性线路；kpv和线路长度之间存在交互影响并且kpv对系统稳定性的影响程度要远大于线路长度.
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  模块化多电平换流器改进无差拍电流预测控制

  张延彬，杨晓峰，潘子迅，陶海波

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 43. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210105

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  电能路由器（Electrical Energy Router，EER）是新型电力系统的重要组成部分，针对电能路由器中模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)控制系统复杂、动态特性较差的问题，对MMC无差拍电流预测控制进行研究.首先，建立了MMC单相桥臂等效模型，在此基础上，采用两步法对电路模型进行离散，增加无差拍控制模型的准确度，消除控制延时造成的影响.其次，建立了改进算法的修正模型，揭示了改进控制模型的控制机理.最后，通过仿真对比分析改进前后无差拍电流的控制效果.结果表明：改进后的MMC无差拍电流预测控制策略可以简化MMC内环控制复杂度，减小控制延时带来的影响，显著提升系统动态性能，实现电流的准确跟踪.
机械与电气工程
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  基于故障树与贝叶斯网络的高速动车电机组早期故障率估计

  张明明，张和生，刘洋，沈迪，袁东辉

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 51. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210030

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  复兴号动车电机组包括牵引电机、冷却风机及相关传感器，是动车组的动力单元.针对其早期故障分布特点不明确及早期故障率估计不准确的问题，利用动车组实际运用的故障数据，从故障整体、故障类型和高频故障致因三方面分析故障分布特点，得到电机组4类早期常见故障和27种故障致因.建立电机组故障树模型，通过定性分析和定量计算，得到早期各个事件故障率.运用贝叶斯网络对各故障的后验概率进行估计.结果表明：可以依据故障树结果划分等级制定维修计划，依据贝叶斯网络确定故障排查顺序.
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  高速铁路声屏障单元板气动疲劳载荷模型

  赵允刚，李啸宇，宁智，吕明

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 58. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210039

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  针对高速铁路声屏障会受到高速列车通过时产生的气动载荷的反复冲击问题,根据高速铁路声屏障单元板承受气动载荷冲击能力评估的需要,对高速铁路声屏障单元板进行气动疲劳载荷模型研究.建立了高速铁路声屏障表面压力测试系统，利用不同条件下声屏障表面气动载荷现场测试数据,研究承受最大气动载荷的声屏障目标单元板;在此基础上,给出了用于声屏障单元板气动疲劳试验的两种气动疲劳载荷施加方案,建立针对这两种气动疲劳载荷施加方案并同时考虑高速列车气流冲击和横风作用的声屏障单元板气动疲劳载荷模型.结果表明:当列车所受横风风速不变时,随着列车车速的增加,动态载荷和动态载荷变化频率皆随高速列车车速的增加而增大;相比较,动态疲劳载荷受车速的影响更大.
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  基于配电网重构的固态变压器双层选址方法

  张姚，段青，沙广林，吴云召，张伟超，李秉宇

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 65. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210023

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  为了更好地发挥固态变压器(Solid-State Transformer,SST)减少网络损耗、提升电压质量的作用，提出了一种基于配电网重构的固态变压双层优化选址方法.首先，分析固态变压器的潮流调控原理和方式建立了固态变压器潮流计算模型.其次，将固态变压器选址与配电网重构相结合，综合考虑配网重构约束和固态变压器新增约束，以网损最小为目标实现固态变压器优化选址.针对含固态变压器的多维度非线性配电网重构问题，提出了一种步长自动调整的改进细菌觅食算法（Improved Bacterial Foraging Algorithm，IBFA）进行求解，以提高求解速度和寻优精度.最后，以西安10 kV真实配电网为例进行分析.结果表明： SST双层优化选址模型可以减少4.5%~30%网损，提高2%节点最小电压，改进算法提高10%寻优精度.
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  磁性液体密封磁源结构的选择及耐压分析

  刘嘉伟，李德才，张志力

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 71. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210035

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  磁性液体密封是磁性液体最成熟的应用之一，环型永久磁铁是磁性液体密封最常用的磁源结构，但在大直径磁性液体密封中环型永久磁铁会因直径过大而导致充磁不均匀和耐压值降低的问题，需要更改磁源结构.针对大直径环形磁铁充磁不匀的问题，对多种磁源结构进行研究，以一个在工程中成功应用的磁性液体密封为算例，使用Maxwell软件对不同磁源结构进行了有限元仿真和定量分析.结果表明：由圆柱磁铁或瓦型磁铁拼接磁源结构可以替代传统环形磁体作为磁性液体密封的磁源，使之具有一定的密封能力.
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  基于融合算法的电动汽车AEB控制策略

  辛佳庚，杨复钰，张宝迪，张欣

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 77. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210029

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  自动紧急制动(Autonomous Emergency Braking，AEB)是一种主动安全技术.为了解决安全距离算法或碰撞时间算法(Time-to-Collision，TTC)不能同时保障安全性和舒适性的问题,提出一种基于融合算法的控制策略，该策略综合利用安全距离算法和TTC算法，在安全距离算法中针对道路附着系数变化进行了优化，以两车最小相对距离为优化目标提高安全性，以预警时长为优化目标提高舒适性.建立了基于Carsim和Simulink仿真平台，对该策略进行了仿真分析.结果表明：在中国新车评价规程(China New Car Assessment Program，C-NCAP)中,该策略可以在不同工况下实现避撞功能并提升舒适性.
交通运输工程
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  赛事公交车辆路径优化研究——以2022年北京冬奥为例

  官云林，王云，闫学东，郭浩楠

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 87. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210032

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  国际重大赛事活动通常具有多场馆联合承办赛事项目的特征，针对观赛人群在单比赛日内观看多场赛事活动的出行需求，考虑时间窗约束和载量约束，建立以最小化运营赛事公交使用、开行成本为目标的赛事公交车辆路径优化问题模型.模型考虑赛事公交载量及服务时间窗约束，利用两种有效不等式、禁忌搜索算法和基于最优时差插入法的遗传算法实现求解.最后，以2022年北京冬季奥运会两个比赛日的赛事项目为背景构建不同规模案例，对模型和算法进行验证分析.结果表明：所提出的方法可根据优化目标提供车辆路径优化方案，通过两种有效不等式能够提高57.3%的精确求解计算效率，采用遗传算法计算效率提升99.4%，能够适应不同规模算例的求解.
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  手动驾驶-CACC自动驾驶车辆混合交通流建模与仿真

  侯培国,曹军

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 94. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210038

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  针对传统交通系统正在走向智能交通系统，自动驾驶车辆必将逐渐替代现有的手动驾驶车辆，可预见在未来必将出现传统手动驾驶与自动驾驶车辆混合交通场景.因此混合交通流的交通特性、安全、以及传统手动驾驶车辆与自动驾驶车辆相互影响等问题亟需研究.将加州大学伯克利分校PATH实验室协同自适应巡航控制（Cooperative Adaptive Cruise Control，CACC）自动驾驶跟驰模型与元胞自动机理论结合，以合理的假设为前提条件，建立传统手动驾驶与CACC自动驾驶车辆混合场景模型并进行数值模拟.得出含有不同比例CACC自动驾驶车辆混合交通流的基本图、时空图以及数据.结果表明:随着CACC车辆比例上升，交通流局部堵塞降低，流量、平均速度增加；对混合交通流中当手动驾驶车辆前车为CACC自动驾驶车辆时，驾驶员会在心理作用下造成车间距增大的情况.驾驶员对CACC车辆的安全顾虑越大，手动驾驶车辆安全距离增加程度越大.交通流车间距过大，前后车辆的速度调节同步率低，从而使交通流流量、平均速度、截止密度下降.
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  列车脱轨诱因系统化定量分析及防控措施研究

  仝凤壮,高亮,朱建华

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 103. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210071

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  列车脱轨事故在铁路运营中偶有发生，严重威胁着乘车人员生命财产安全.针对列车脱轨诱因对脱轨事故影响不明的问题，采用多元统计分析法对我国近年来发生的列车脱轨事件的诱因类型、脱轨时速、线路类型及车辆脱轨后特征展开系统化定量分析，明确了列车脱轨事故与影响因素及脱轨后危害程度之间的复杂交互关系，获得了脱轨事故诱因受脱轨时速度及线路类型影响规律.结果表明：山体滑坡、胀轨跑道、线路不平顺超限、制动失效、曲线超速等因素对列车脱轨敏感性最强；只有当脱轨速度达到40 km/h以上时，胀轨跑道及轨道不平顺超限才会导致列车脱轨；在各种线路类型中，直线段影响列车脱轨的因素最多；不同脱轨诱因、不同运行速度下，列车脱轨后的特征存在很大差异.研究成果可为针对性开展列车脱轨事故诱发机理及综合防控措施的研究提供参考.
土木工程
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  基于SEM的曲线段钢轨伤损影响因素量化研究

  王宁,杨康华,何庆,高天赐,王启航,王平,刘勇

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 110. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210045

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  随着铁路运量和速度的不断增加，山区小半径曲线段钢轨的伤损和磨耗问题日益突出，尤其是曲线外侧钢轨的伤损发展迅速，极大缩短了钢轨的使用寿命.在大量的钢轨伤损数据的基础上，构建了结构方程模型（Structural Equation Model，SEM），模拟了多个复杂变量同时作用于钢轨伤损的情况，逐步解析了变量间的影响路径，探讨了小半径曲线段外轨超高、缓和曲线长度、曲线半径、总运量和磨耗等参数对曲线外侧钢轨伤损的影响.研究结果表明：随着钢轨服役时间的增加，总运量会显著加剧钢轨的伤损程度，同时还会导致钢轨的侧面和垂直磨耗量明显增加；侧面磨耗增加会加速钢轨伤损劣化，而垂直磨耗与钢轨伤损程度具有竞争关系，垂直磨耗的增加会减缓钢轨伤损的发展；增大曲线的半径、增加缓和曲线的长度以及设置合理的过超高可以有效减缓钢轨的磨耗，从而降低钢轨的劣化速度.
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  传统轨枕与新型X轨枕下道床劣化及动力特性研究

  陈成,唐子桉,芮瑞,张磊,朱尘轩

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 117. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20210047

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  为了研究有砟轨道中轨枕结构对道床劣化的影响，通过有限元方法建立三维有砟轨道数值模型，对比分析了在相位循环荷载作用下的传统轨枕与新型X形轨枕的沉降、道床应力分布，探讨了异形轨枕结构对道砟劣化的影响.模拟结果验证了有砟轨道在循环荷载作用下，道砟沉降主要集中在初期压密阶段；轨枕结构对道床工作性能有一定影响，通过比较X形轨枕和传统轨枕下道砟层的竖向以及侧向位移，道砟层与路基交界面处的应力分布状态以及道砟层内部的应力分布状态，发现X形轨枕底部应力峰值减小，道砟层的竖向沉降减少5.8%，侧向变形减少8.4%，表明其对改善道砟受力分布，减少道砟横纵向变形以及缓解道床劣化有一定作用；优化后的X形轨枕结构具有较大道砟接触面积，能更均匀传递上部荷载至道砟层，同时应兼具抗剪、抗侧移能力.研究结果对于优化轨枕结构以减少道砟劣化有一定参考价值.
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  法兰连接波纹钢衬砌结构受力性能及承载能力研究

  刘天正,李春昊,孙杨,刘保东,李铁生,左晓

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 125. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20200148

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  法兰连接是适用于暗挖波纹钢隧道衬砌板片的连接方式.为研究波纹钢板法兰连接节点的受力性能，以及方钢管加强式法兰连接波纹钢衬砌结构的受力性能与加强效果，对法兰连接波纹钢试件、方钢管加强试件与无连接钢板试件进行纯弯试验，测试各个试件在纯弯曲状态下的应变和挠度，同时改变法兰板厚度，研究其对于连接节点承载能力的影响.结果表明:法兰连接波纹钢试件的承载能力减小了50%以上，法兰板厚度为10 mm的构件强度比厚度为8 mm的构件强度增加了63%.在采用方钢管加强后的波纹钢试件承载能力较无接缝试件增加了22%，加强效果较好，同时法兰板厚度对方钢管加强后的试件受力性能影响较小.对法兰连接试件的破坏模式与承载能力进行推导与验证，认为板厚对其承载能力有较强影响，同时结构几何参数的变化可能导致破坏模式的改变.对方钢管加强试件的受力变形形态进行有限元模拟，得到的方钢管与波纹板内力之比为1.54∶1.
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  城市轨道交通盾构区间纵断面线形节能优化

  王仲林,杨冬营,易思蓉

  北京交通大学学报. 2021, 45(6): 135. https://doi.org/10.11860/j.issn.1673-0291.20200112

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  城市轨道交通盾构区间纵断面线形设计环境多变，致使以高站位、低区间为原则的人工设计纵断面线形难以与列车运行状态相吻合，节能效果有限.以变坡点里程和高程作为变量，将变量分配与编码过程相统一，以降低列车双向运行牵引能耗为目标建立纵断面线形节能优化模型，改进粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法，并基于多阶段优化策略，实现变坡点分布未知和已知情况下的纵断面线形优化.优化结果表明：该优化模型能够在考虑纵断面线形各类约束条件的情况下有效降低列车运行的牵引能耗，优化过程效率高，优化方法具有通用性.