2021年, 第19卷, 第2期　刊出日期：2021-03-30

  

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模块化多电平变换器
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  LLC谐振变换器的新型谐振网络参数设计方法

  杨玉岗,关婷婷,许静,付华

  电源学报. 2021, 19(2): 1-7. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.1

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  在LLC谐振变换器的设计中，谐振网络参数对变换器性能具有重要影响，合理选择谐振网络参数是实现变换器高效率的前提和保证。为此，提出一种简单的新型谐振网络参数设计方法，并给出其设计过程。在对LLC谐振变换器损耗、谐振网络传输效率和电压增益分析的基础上，选择合适的kQ乘积值，可以实现变换器增益要求、原边开关管的零电压开通和副边整流管的零电流关断，使变换器效率显著提高。最后制作了一台功率1 kW的样机，实验结果验证了所述方法的有效性。
软开关技术
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  基于低压器件的高效高功率密度串联谐振DC-DC变换器

  施鸿波,吴新科,郭清

  电源学报. 2021, 19(2): 8-14. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.8

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  工作于MHz的串联谐振变换器SRC（series resonant converter）由于简单的结构与全负载范围的原边开关管软开关，可以实现较高的效率与功率密度，适合隔离型DC-DC变换器高频、模块化的发展趋势，因此越来越受工业界与学术界的关注。业界基于高压Si MOSFET的DC-DC模块大多工作在数百kHz，其效率与功率密度不满足服务器供电模块主板上集成的要求。针对高频下原边开关器件的损耗进行分析，提出了利用低压Si器件来降低原边开关管的导通损耗，并在此基础上针对数据中心直流供电架构的板上集成DC-DC供电模块提出了一种多相的输入串联输出并联ISOP（input-series output-parallel）的交错并联串联谐振变换器，设计了一台实验样机，实现了98.3%的峰值效率。变换器采用了矩阵式平面变压器，实验样机拥有810 W/in³的功率密度。
模块化多电平变换器
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  耦合电感二次型高增益Boost变换器

  皇金锋,谢锋,韩梦祺

  电源学报. 2021, 19(2): 15-21. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.15

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  为解决二次型Boost变换器功率器件电压应力大以及耦合电感Boost变换器开关管电压尖峰高的问题，结合二次型Boost变换器和耦合电感Boost变换器的特点，提出一种耦合电感二次型高增益Boost变换器。该变换器能够吸收漏感能量，抑制开关管两端的电压尖峰，且能将漏感能量向负载传递，提高了变换器的工作效率；通过引入桥式倍压单元，在提高变换器电压增益的同时，可将耦合电感副边线圈两端的交流电压整流为直流电压，降低了输出二极管的电压应力；通过合理设计耦合电感的耦合系数，可实现功率开关管的零电流开关以及输出二极管的零电流关断，提高了变换器的工作效率；该电路拓扑中所有功率器件的电压应力均低于输出电压，可选取低耐压、低寄生参数的功率器件，降低了变换器的成本。最后搭建了额定功率100 W的实验样机，实测额定功率下变换器的效率达到92%，实验结果验证了理论分析的正确性。
高频磁元件和集成磁技术
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  具有LCL单元的磁集成Boost变换器

  荣德生,高妍,胡举爽,段志田

  电源学报. 2021, 19(2): 22-27. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.22

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  提出一种由2个电感、一个电容和2个二极管组成的LCL单元，利用该单元的储能作用，提高升压变换器的电压增益。应用磁集成技术对电感进行耦合集成，降低电感电流纹波。为进一步增加电压增益、减小开关管的电压应力引入电容C₂。分析了变换器的工作原理，推导了电压增益公式、开关器件的电压应力和电感电流纹波。与传统Boost变换器相比，所提变换器电压增益是其3-D倍，电感电流纹波减小近一半，开关器件的电压应力是输出电压的2/（3-D）。最后通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。
模块化多电平变换器
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  基于有源网络的后级联型Boost变换器

  赵忠彪

  电源学报. 2021, 19(2): 28-33. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.28

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  针对新能源领域中对高增益、高效率直流升压变换器的需求，结合有源网络和级联型变换器的特点，提出了一种基于有源网络的后级联型Boost变换器。首先对所提变换器中的有源网络进行了介绍，随后就该新型变换器的工作原理及其性能特性进行了理论分析与公式推导，并就其部分性能特性与其他常见直流升压变换器进行了对比研究。对比结果表明该新型变换器具有电压增益高、开关管和二极管电压应力小的特点。最终通过实验证明了该新型变换器的有效性。
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  高效高功率密度车载双向电能变换器设计

  肖蕙蕙,李茂丽,杨奕

  电源学报. 2021, 19(2): 34-40. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.34

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  研究设计了一种用于电动汽车电池充放电的车载双向电能变换器。充电状态下，前级采用PWM整流技术，后级采用移相全桥零电压开关电路，实现电气隔离高效的降压变换。放电状态下，双向DC-DC变换器实现升压变换，双向AC-DC作为单相全桥逆变器采用电压前馈、电压电流双闭环控制策略。本系统采用全控型器件GaN控制电流电压通断，能够使得电流电压在正负四象限工作，实现能量的正向和反向的双向传递。依据此方案设计一款开关频率100 kHz、输出功率2 kW的原理样机，经测试该系统能够有效实现能量的双向流动，并且有效提升了效率和功率密度，验证了方案的可行性。
软开关技术
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  一种新型无源软开关三电平逆变器

  易灵芝,姜康宁,胡炎申

  电源学报. 2021, 19(2): 41-47. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.41

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  软开关技术可以最大限度提高效率和功率密度，是满足工业应用高功率和高频化要求的最佳选择。但目前三电平逆变领域软开关技术鲜有应用且缺点尚多，如辅助开关器件繁多、控制复杂化、振荡以及开关管电压应力大等。提出一种新型无源软开关三电平逆变器，辅助电路简单且无需改变调制方式，能够平稳实现所有开关管的零电压关断和零电流开通。依据各模态的等效电路，详述了所提软开关逆变器的工作原理，总结了软开关实现的基本条件。最后，原理样机试验表明该软开关逆变器能够实现所有功率管的软开关动作，功率管电压应力限制在安全裕度以内，中点电压波动较小，换流过程不会出现高频振荡。
逆变器与UPS
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  基于相电压反馈的三电平逆变器死区补偿

  王小鹏,朱天亮,程东亮,房超

  电源学报. 2021, 19(2): 48-56. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.48

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  为防止逆变器上下桥臂直通，通常需要在开关管驱动信号中加入死区时间，但死区时间可能导致输出电压和电流畸变。针对二极管中点箝位型NPC（neutral-point clamped）三电平逆变器的死区补偿问题，提出了一种基于相电压反馈在线计算误差电压的死区补偿策略。该策略根据反馈相电压，在dq同步旋转坐标系下对误差电压进行实时计算。同时，针对电流极性判断中传统滤波器所造成的电流相位偏移问题，采用卡尔曼滤波对转换到dq同步旋转坐标系中的三相输出电流进行滤波，并将滤波后的电流重构到三相静止坐标系中，实现无相位偏移地判断电流极性。仿真结果表明，该方法可以较准确地判断电流极性，并能够自适应地调节补偿电压，有效地减小了输出电压的谐波含量。
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  基于SiC MOSFET的单相三电平变换器设计

  陈晓,赵亚东,张瑜

  电源学报. 2021, 19(2): 57-65. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.57

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  围绕高开关频率小功率单相交直交变换器效率提升问题，设计了一种基于SiC MOSFET的高效率单相三电平三桥臂变换器。该变换器主要包括分别用于整流器和逆变器2个T型三电平桥臂和一个公共桥臂，其多电平拓扑可优化谐波性能，减少开关损耗。分析了变换器运行方式，并设计了包含直流电压控制的级联电压电流控制器。同时，因T型三电平桥臂的外开关承担了整个直流侧电压，采用SiC MOSFET器件可大大降低开关损耗。基于导通损耗和开关损耗分析，对比了不同开关频率下的损耗，优选了变换器的开关频率。搭建了3 kW单相三电平三桥臂变换器样机并进行了实验测试，实验结果验证了新型变换器在保证较好的输出电能质量的同时，其效率可达到99%。
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  基于FPGA的高频电力电子装置快速实时仿真数值算法

  施文,迟颂,郭亮

  电源学报. 2021, 19(2): 66-73. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.66

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  实时仿真有助于实现工业分布式控制，优化生产过程并实现柔性生产。现场可编程门阵列FPGA（field programmable gate array）凭借高速并行的特点，在实时仿真方面取得了广泛的应用。针对高频动作的电力电子开关器件，当利用变步长算法解决开关动作时刻的偏移问题时，会导致仿真结果出现发散现象，且该算法延长了仿真的计算时间，同时增大了仿真的步长，降低了仿真精度。为实现高精度低成本的实时仿真，提出一种适用于FPGA的快速实时仿真数值算法，通过对传统梯形法中迭代算法的改进，提高了梯形算法的收敛性。在此基础上改进了算法计算结构，使计算时间更加快速稳定。在FPGA开发板中搭建了开关频率为110 kHz的三相逆变电路仿真模型，与传统迭代算法对比，证实了改进后的梯形仿真算法和算法计算结构在高频开关动作下的有效性与实时性。
微型电网、智能电网中的电力电子技术
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  三电平双向直流变换器的模型预测电压控制研究

  杨茹楠,何晋伟,王秀瑞

  电源学报. 2021, 19(2): 74-80. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.74

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  三电平双向直流变换器以其传输效率高和输出波形畸变率小等优点在储能系统等低压大电流场合得到了广泛应用。但由于其输出电平数量的增多，调制复杂度增加，可能在应用中出现中点不平衡问题。针对以上问题，提出模型预测电压控制MPC（model predictive control）方法，实施直流母线电压和输出侧分压电容均压的多目标优化控制。该方法通过预测模型的构建和目标函数的寻优两个步骤实现对三电平双向直流变换器的控制，在提高直流母线电压调节的精度和响应速度的同时抑制中性点电压波动。最后，将所提控制策略应用于储能系统并通过Matlab/Simulink进行仿真，结果验证了该算法在直流电压跟踪和中点电压平衡控制中的有效性。
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  双有源桥直流变换器相平面分析与优化

  肖子衡,何志兴,陈峻岭,陈燕东,欧阳红林,罗安

  电源学报. 2021, 19(2): 81-92. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.81

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  双有源桥DAB（dual active bridge）直流变换器的优化研究广泛，调制方法众多，然而，DAB的优化过程有2个困难：第1个是受制于传输功率的等式约束条件，使得可行域存在非凸的可能性，常规的凸优化方法可能会失效；第2个是常用的优化目标表达式过于复杂，所求得的控制坐标难以获得解析表达式。为了解决这些问题，采用了相对偏导增益法，从而避免了可行域非凸的问题。同时，基于相平面分析方法得到了以电感电压有效值最小化的控制坐标解析表达式，相比于以电感电流有效值最小化调制方法，电感电压有效值最小化调制方法的效率与以电感电流有效值最小化调制方法的效率相当，而且，简单的控制坐标便于该调制方法的数字实现。最终，实验结果证实了相平面分析的正确性以及所提调制方法的可实现性。
谐波、电磁兼容和电能质量控制
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  具有选择性谐波补偿的光伏并网逆变器控制策略研究

  汪玉凤,朱秋明,李国华

  电源学报. 2021, 19(2): 93-99. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.93

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  具有有源电力滤波器APF（active power filter）功能的光伏并网逆变器因其高效率、高功率及可降低成本等优点而备受关注。当光伏阵列输出的能量较小时，可以利用逆变器的剩余容量进行谐波补偿，使系统工作在光伏并网和APF状态。但当系统负载谐波电流较大时，光伏并网和APF合成后的指令电流超过功率管的限流值，造成系统容量超限。针对系统容量超限的问题，分析了传统比例式限流方式的不足，提出一种具有选择性谐波补偿的光伏并网逆变器控制策略，对危险较大的重点次谐波进行有选择性补偿，舍去对含量较低以及高次谐波的补偿，进而合理降低合成指令电流，使有限的系统容量得到合理地利用。最后，仿真和实验结果验证了这种控制策略的可行性与有效性。
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  基于下垂控制模式的独立微电网小干扰稳定分析

  许傲然,谷彩连,高兢,刘宝良,孙卓,李山

  电源学报. 2021, 19(2): 100-111. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.100

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  从电力系统的运行原理出发，开展独立微电网系统运行稳定性研究对于促进分布式发电技术的发展具有重要意义。针对独立微电网系统运行稳定性问题，以李雅普若夫判据和特征值分析法为基础，对基于下垂控制模式的独立微电网系统的小扰动问题展开分析。首先，构建基于下垂控制模式的独立微电网系统数学建模，并基于线性化理论进行小扰动线性化分析，得到系统小扰动线性化状态矩阵；其次，基于李雅普若夫判据理论，对系统小扰动线性化状态矩阵的特征值进行分析，并逐一改变系统各个参数取值范围得到状态矩阵特征值变化的根轨迹；最后，基于状态矩阵特征值变化根轨迹确定系统各参数初步优化结果，并对比各参数优化前后的系统状态矩阵特征值分布情况，理论分析及实验验证表明初步优化后的系统运行可靠性增强。该研究成果可为微电网控制参数的优化选取提供思路和方法。
其他
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  风电-光伏-光热联合发电系统的模糊多目标优化模型

  张宏,陈钊,黄蓉,丁坤,董海鹰

  电源学报. 2021, 19(2): 112-120. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.112

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  为实现以风光为代表的高比例新能源在电力系统中的友好并网，集成风电场、光伏电站和光热电站为多电源系统，提出风电-光伏-光热联合发电系统的模糊多目标优化模型。利用含储热光热电站良好的可调度性与可控性，为系统提供旋转备用与爬坡支撑，削减风光出力随机性与不确定性，从而实现其削峰填谷功能。以系统并网效益最大和输出功率方差最小为目标建立优化模型，通过定义目标隶属度函数将确定性模型模糊化，并采用最大满意度指标法将多目标优化模型转化为单目标优化模型，利用基于差分进化的粒子群DE-PSO（particle swarm optimization based on differential evolution）算法进行求解。算例系统仿真结果表明：模糊多目标优化能充分利用光热电站优势实现整体运行效果最优，从而验证了所提优化运行模型的可行性和有效性。
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  不同生弧原因下串联型故障电弧实验研究

  郑佳,修立双

  电源学报. 2021, 19(2): 121-127. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.121

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  串联型故障电弧是供电系统的常见故障，会严重影响供电可靠性，甚至引发供电安全事故。在搭建低压串联型故障电弧实验平台的基础上，以三相异步电机和三相变频器为实验负载，针对接触松动和机械振动两种原因引起的串联型故障电弧开展实验研究。利用集合经验模态分解EEMD（ensemble empirical mode decomposition）方法将实验电流信号分解为若干本征模态函数IMF（intrinsic modal function）；选取前4阶IMF组成初始向量矩阵，对其进行奇异值分解SVD（singular value decomposition）；构建以奇异值平均值为特征量的特征向量，从而获得了不同生弧方式下串联型故障电弧电流信号在奇异值大小上的变化规律。研究结果表明，对不同生弧原因引起的故障电流信号，将经EEMD分解得到的前4阶IMF分量的奇异值作为串联型电弧故障的特征量是可行的。
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  单火线供电智能开关取电回路的设计与研究

  惠亮亮,王开铭,陈华泰,王江彬

  电源学报. 2021, 19(2): 128-135. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.128

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  设计了一种单火线供电智能开关的取电回路。首先分析了单火线供电智能开关的基本工作原理，并对待机取电回路加以分析，在此基础上提出了两种单火线供电智能开关的设计方案；然后通过两种设计方案的对比，选取基于电源模块辅助取电回路设计方案，给出了具体的原理图，并搭建实验测试平台；最后在实验平台上测得该单火线智能开关在待机状态、工作状态以及通断过程中各个结点的实验波形。理论分析及实验结果表明，该设计方案下的单火线供电智能开关具有一定的正确性和有效性。
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  基于AHP和CRITIC的电网调峰调频储能系统规划

  李德鑫,田春光,吕项羽,张海锋,王锋,韩晓娟

  电源学报. 2021, 19(2): 136-141. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.136

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  储能系统的选型作为储能参与电网调峰调频规划的首要环节，对储能的推广应用具有重要意义。提出基于层次分析法AHP（analytic hierarchy process）和客观权重赋权法CRITIC（criteria importance though intercrieria co-rrelation）相结合的电网调峰调频储能系统选型方法。通过分析储能系统在调峰调频场景下的工况特性，构建了适于储能系统选型的两层决策指标体系。基于专家经验和技术需求，利用AHP法确定第一层指标权重。综合考虑指标内的变异性及各指标之间的冲突性，采用CRITIC法确定第二层决策指标权重。通过综合两层决策指标的权重，给出各种类型储能系统的综合评分。该方法为电网调峰调频的储能电站规划提供了理论依据，具有一定的工程应用价值。
电池及充电技术
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  自激推挽式无线电能传输系统研究

  杨晶菁,陈为,谢文燕

  电源学报. 2021, 19(2): 142-152. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.142

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  基于对推挽式自激振荡电路原理的详细分析，通过研究发射线圈电压电流的特性，建立了系统的等效电路模型，并采用理论计算和仿真分析验证了系统的性能。同时将自激推挽式无线电能传输系统应用于传感器节点的锂电池变距离无线充电中。最后搭建两线圈系统验证了自激推挽式无线电能传输系统具有频率自适应的能力；在一定范围内变耦合系数时能够输出稳定的功率并保持稳定的效率。当线圈间轴向距离在1～4 cm变化时，自激推挽式无线充电系统可为锂电池提供500 mA的稳定充电电流。
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  基于最优负载匹配WPT系统的最大效率跟踪

  逄海萍,邱毅,陈浩然

  电源学报. 2021, 19(2): 153-159. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.153

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  磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT（magnetically-coupled resonant wireless power transfer）因其具有在中长距离传输较大电能的优势，获得较高的潜在应用价值。针对一类具有串-串结构等效电路的MCR-WPT系统，首先分析其传输效率，得出发射和接收回路同时处于相同频率的谐振状态仅仅是系统取得最大效率的必要条件；进一步分析并证明在线圈互感一定的情况下，存在一个最优负载使系统的效率达到谐振状态下可能达到的最大值；然后引入DC-DC阻抗变换电路使系统在任意实际负载下都可获得等效的最优负载，提出并设计带锁相环谐振频率跟踪的基于最优阻抗匹配的最大效率跟踪方案；最后通过仿真和实验验证了方案的有效性和可行性。
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  一种副边调频式反向信息无线电能传输系统设计

  武洁,何帅彪,窦智峰,金楠,马殿光

  电源学报. 2021, 19(2): 160-166. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.160

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  针对感应式无线电能传输WPT（wireless power transfer）系统中信息反向传输问题，提出副边由不控整流桥和一个全控开关管组成的结构，通过调节副边全控开关工作频率实现信息反向传输。介绍了电路的结构及其工作原理，提出信息反向传输的控制方法，给出信息调制与解调电路的设计方法。搭建100 W电能传输、7.5 kbit/s信息传输速率的实验平台，验证所提结构的可行性。该电路结构简单，只需增加一个开关器件即可使纯电能传输系统具备信息传递功能。
电力传动与变频调速
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  环境温度对电励磁双凸极发电机输出特性的影响

  蒋思远,周波,王开淼,冯小宝

  电源学报. 2021, 19(2): 167-175. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.167

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  电励磁双凸极发电机DSEG（doubly salient electro-magnetic generator）是一种高温运行能力强的新型无刷直流发电机，但对其温度特性尚缺乏研究。为给DSEG设计和应用提供理论依据，对环境温度改变时的DSEG发电性能进行研究。采用等效磁路法和有限元法，并结合不同温度下的铁心材料磁导率曲线，分析了温度对电机磁场和绕组电感的影响；研究了不同温度下电机的负载特性；将不同温度下的铁心材料和绕组铜材进行组合，通过有限元建模对比分析，研究了温升导致的电枢绕组电阻变化和铁心磁阻的变化单一变量对电机外特性的影响。最后在电机动态温升实验及静止热实验的基础上，进行温度特性实验，将电机冷态和热态实验结果和仿真结果进行对比分析，验证了理论研究和仿真的正确性。所得结论对DSEG的电磁设计和工程应用具有指导性意义。
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  基于模糊和预补偿的多电机控制系统的研究

  任志玲,刘子洋

  电源学报. 2021, 19(2): 176-184. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.176

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  针对传统固定增益补偿器同步精度低和补偿速度慢等缺点，提出一种模糊与预补偿函数同时作用的新型同步补偿器。同时，改变以往只针对同步补偿策略进行改进的局限性，采用提高跟踪控制器性能来改善同步性能的方法，设计了带有负载转矩反馈的滑模控制器。仿真实验表明，新型同步补偿器相对于固定增益补偿器具有更高的同步精度和更快的补偿速度；设计的带有负载转矩反馈的滑模控制器对整体系统的鲁棒性及同步精度都有较大改善。
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  基于超级电容储能系统的不对称故障下PMSG控制策略研究

  张超,陈永强,鲍晓婷,方勇,杨骏华

  电源学报. 2021, 19(2): 185-192. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.185

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  为了提高直驱型永磁同步风力发电机的低电压穿越能力，通过对其在电网电压不对称故障下产生的2倍工频分量机理进行分析，提出了一种基于超级电容储能系统的新型改进控制策略。基于功率平衡的思想，直流侧采用超级电容储能系统，并改用功率外环电流内环的控制策略，以实现不对称故障时堆积在直流侧不平衡功率的平滑控制。同时，在网侧采用双二阶广义积分器锁相环替代传统方法中的单相锁相环，实现不对称故障时正负序基波分量的精确测量。通过Matlab/Simulink仿真表明，该控制策略能有效抑制系统在不对称故障时的网侧有功和直流侧电压二倍频波动，提高系统在不对称故障下的低电压穿越能力，证明了所提出改进控制策略的有效性。
谐波、电磁兼容和电能质量控制
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  一种适用于全桥LLC变换器的共模噪声抑制方法

  刘颜,张方华

  电源学报. 2021, 19(2): 193-197. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.193

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  全桥LLC变换器拓扑简单，易于实现所有开关管的软开关，被广泛应用于中大功率场合。针对全桥LLC变换器，建立了变换器的共模噪声模型，分析了共模噪声源和共模噪声耦合路径，提出了基于平衡电容的共模噪声抵消方法，并给出了变压器寄生电容参数的提取方法。最后通过实验验证了模型的准确性和方法的可行性。
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  LED驱动电路超高次谐波发射机理研究

  朱明星,张晓刚

  电源学报. 2021, 19(2): 198-206. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2021.2.198

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  脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）变频器、开关电源等电力电子设备的规模化接入电网，将向电网注入大量超高次谐波，由此产生的电磁干扰问题势必越发严重。对LED驱动电路超高次谐波发射机理进行了深入研究，首先通过对电流控制模式LED驱动电路建模，求解出了MOSFET任意开关时刻，并建立了谐波源等效模型；然后分析电路在不同工作状态时，超高次谐波源对网侧谐波含量的影响，求解出了对应的开关函数以及网侧超高次谐波电流含量表达式；最后通过仿真验证了各参数对网侧超高次谐波的影响。