2022年, 第20卷, 第1期　刊出日期：2022-01-30

  

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软开关技术
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  多路LLC谐振变换器的光伏均衡器设计与仿真

  张卫平，胡航，毛鹏

  电源学报. 2022, 20(1): 1-9. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.1

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  为解决串联光伏模块在部分遮蔽情况下的功率失配问题，传统的差分功率处理结构大多采用基于单个光伏模块的多个DC/DC变换器，在解决遮蔽问题的同时带来了复杂性高和成本高的问题。提出了一种LLC型PV组串光伏均衡器，这种单输入-多输出的结构旨在利用LLC多绕组拓扑良好的对称性和输入、输出电压可变的特点实现对不同数量的遮蔽光伏组件的自适应功率分配功能，仅用2个开关就可实现均衡多个模块，使得每个PV模块达到近似最大功率点的效果。对均衡器进行参数设计并给出了软开关条件，同时在PSIM软件中建立PFM模式下的系统仿真模型，在负载切换时实现了变换器的软开关，且能够输出稳定的电压。最后，仿真结果表明均衡器有效提升了光伏组串输出功率的23.78%。
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  移相控制的LLC变换器轻载增益研究

  袁义生，张钟艺，兰梦罗

  电源学报. 2022, 20(1): 10-19. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.10

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  传统的LLC谐振变换器为适应负载宽范围变化常采用变频控制策略，但存在调频范围过宽、限制感性元件设计、造成了额外的损耗等问题。因此采用变频移相控制方法以缩小调频范围，能够较好地实现原边开关管零电压开关ZVS（zero-voltage switching）及副边整流二极管零电流开关ZCS（zero-current switching），但由于滞后臂与超前臂的出现，在轻载工况下额外增加了死区时间T_d内实现ZVS分析的难度。通过对电路工作波形的分析，继承了传统分析方法中对电路工作波形优化处理的思想，在满足ZVS实现的前提下，结合时域分析法进行了死区时间对输出电压增益影响规律的相关研究。通过对电路工作波形进行理想化处理，考虑开关管寄生电容参与的充放电过程，结合死区时间内ZVS临界实现条件，建立了增益G受移相占空比D、死区时间T_d以及开关频率f_s等参数的影响函数关系，最终划定出既考虑死区时间影响，又满足给定增益要求下的最优移相占空比与死区时间。通过设计额定输入200 V、额定输出160 V、输出5%额定负载的仿真样机与实验样机，验证了所提研究方法的有效性。
新颖开关电源
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  交错并联磁集成双向LLC谐振变换器的高轻载效率控制方法

  杨玉岗，李恒，孙晓钰

  电源学报. 2022, 20(1): 20-27. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.20

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  应用交错并联技术，可以有效扩充LLC谐振变换器的容量，但增多的通道数会造成变换器轻载效率低的问题。针对这一问题，以交错并联磁集成双向LLC谐振变换器为研究对象，在采用谐振电感反向耦合实现两相变换器自动均流的基础上，分析了变换器的工作原理和工作特性，提出了一种移相控制+变频控制+相屏蔽控制的控制策略，并给出了具体的实现方法。最后，制作了输出功率1 000 W、48 V/400 V的实验样机。通过对比实验，验证了所提方案的有效性。
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  基于柔性电感的恒频控制LLC谐振变换器

  王锐，阚加荣

  电源学报. 2022, 20(1): 28-35. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.28

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  传统LLC谐振变换器采用变频控制，在输入电压变化范围较宽时开关频率变化范围宽，其磁性元件难以优化设计。将LLC谐振变换器中的谐振电感设计为柔性电感，通过改变柔性电感的电感而改变变换器的谐振频率，改变LLC变换器的输出特性，实现宽输入电压、宽负载范围内的恒频调压，进而可以实现变压器、电感、滤波电容等元件的优化设计。首先介绍了柔性电感的原理，分析了采用柔性电感的全桥LLC谐振变换器的工作特性，并给出了闭环恒频控制的实现方案。最后通过一台输入电压23~35 V、输出电压100 V、功率200 W的原理样机，验证了基于柔性电感的恒频控制LLC谐振变换器的可行性。
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  具有降压单元的磁集成组合Buck变换器的研究

  荣德生，刘亚迪，孙瑄瑨，吕培贤，任杰

  电源学报. 2022, 20(1): 36-45. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.36

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  通过对Buck变换器和Buck-Boost变换器中的储能元器件进行分析，从中构造出2种开关电感降压单元，分析了降压单元的工作原理，探讨了降压开关电感结构与升压开关电容结构之间的对偶关系。从二次型Buck变换器中提取前级降压单元，将其与2种降压开关电感单元进行组合，从而提出了一种具有降压单元的新型组合Buck变换器。通过分析变换器CCM和DCM的工作模态、工作波形以及各项参数，将变换器中的磁性元件进行磁集成，从而减小了电感电流纹波。最后，通过实验的方式验证了理论的正确性。
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  新型高增益耦合电感组合Sepic变换器

  荣德生，黄鹤，孙瑄瑨

  电源学报. 2022, 20(1): 46-55. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.46

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  为提高Sepic变换器的电压增益，将Sepic变换器与二极管-电容倍压单元进行组合，同时引入耦合电感结构，提出一种新型高增益耦合电感组合Sepic变换器。该变换器在提升电压增益的同时，保留了Sepic变换器输入电流连续的特点，利用Sepic结构中的二极管-电容支路作为无源箝位吸收回路，吸收漏感能量，降低开关管的电压应力。分析了变换器的工作原理，推导出变换器的各项性能参数，对比变换器与其他高增益Sepic变换器的各项性能，给出了组合思想应用于其他基本变换器的应用拓展。最后，在实验室平台上搭建一台150 W的实验样机，验证了理论分析的正确性。
软开关技术
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  移相控制三电平双有源全桥直流变换器的软开关特性

  金莉，陈晨

  电源学报. 2022, 20(1): 56-64. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.56

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  变压器原副边桥臂电压不匹配时，移相控制三电平双有源全桥直流变换器（3L-DAB）的开关管可能会工作在硬开关模式，导致系统损耗增加、效率降低。针对这个问题，该研究对3L-DAB变换器的软开关工作范围展开详细的分析。首先，描述了移相控制下3L-DAB变换器的功率传输特性；在此基础上，基于稳态时域模型，推导了随着移相角和变压比的变化，变压器原副边所有开关器件的软开关工作范围。然后，对比分析了考虑开关管结电容前后变换器的软开关工作范围变化。最后，通过仿真和搭建的实验平台验证了理论分析的正确性。
电源的数字控制
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  基于QPSO和双线性插值的混合储能系统改进解耦控制

  曹以龙，涂少博，帅禄玮，江友华

  电源学报. 2022, 20(1): 65-74. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.65

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  在混合储能系统中，常采用隔离型三端口有源全桥TAB（triple active bridge）变换器作为功率变换器。针对该变换器的控制变量之间存在耦合以及模型的非线性问题，提出一种基于量子粒子群优化QPSO（quantum-behaved particle swarm optimization）算法和双线性插值的改进解耦控制方法。传统的TAB解耦控制策略仅注重系统在理想情况下的能量传输模型，在实际应用中控制效果较差。将TAB变换器的软开关范围和开关损耗融入到解耦控制中，并采用QPSO算法对解耦相关的非线性方程组进行离线求解，生成稳态工作点表格，有效提高了系统的控制效果。此外，针对实际工况中解耦表格数据量过大的问题，采用双线性插值算法，在保证系统控制稳定性的同时，大大降低了存储表格的数据量。最后，通过仿真以及实验验证了所提方法的可行性。
新颖开关电源
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  CCM开关变换器离散滞环电容电流脉冲序列控制方法

  秦明，王锐，宋胜男，王克文

  电源学报. 2022, 20(1): 75-82. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.75

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  针对传统脉冲序列PT（pulse train）控制连续导电模式CCM（continuous conduction mode）开关变换器存在的低频振荡问题，提出了一种离散滞环电容电流脉冲序列DHCC-PT（discrete hysteretic capacitor current- pulse train）控制方法。DHCC-PT控制方法通过限制每一个开关周期起始时刻电容电流i_C（nT）的运动区域，将其控制在不易发生低频振荡所对应的电容电流边界区间内，即可实现低频振荡的有效抑制。以CCM Buck变换器为例，详细阐述了DHCC-PT的基本原理、控制流程以及低频振荡抑制机理，设计了简单可靠的DHCC-PT控制器实现电路，并通过仿真和试验对其控制规律和输出特性进行了研究，验证了控制方法的可行性和理论分析的正确性。研究表明：DHCC-PT控制方法简单有效，DHCC-PT控制CCM开关变换器具有良好的输出电压特性。
逆变器与UPS
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  基于中性点电容的三相光伏逆变器漏电流抑制

  宋声远，唐圣学，姚芳

  电源学报. 2022, 20(1): 83-90. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.83

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  针对三相非隔离光伏发电并网系统的漏电流问题，提出了一种基于中性点电容的三相三电平逆变器漏电流抑制方法。建立三相三电平光伏逆变器共模模型，分析了漏电流的产生机理和抑制机理。为了抑制寄生电容上共模电压产生的漏电流，用电容将交流侧中性点和直流侧中性点连接起来，形成漏电流的共模LC滤波电路。该滤波电路可有效滤除共模电压的高频分量，且对差模回路不产生影响。最后通过仿真和实验，验证了所提方法的有效性。
太阳能、风力、燃料电池发电
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  带直流电流前馈的光伏逆变器预测控制策略

  裴益民，熊兰，张道健，朱雨洁

  电源学报. 2022, 20(1): 91-97. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.91

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  光伏并网逆变器的控制技术一直是可再生能源发电领域的研究热点。依据单相光伏并网逆变器的特点，在单级式拓扑结构中，通过对传统的电压电流双闭环控制方式的分析，提出了一种带直流电流前馈的光伏并网逆变器电流预测控制方法。该方法首先由并网逆变器的物理模型推导出电流预测控制函数，实现对并网电流的快速控制。分析结果表明，所提方法能加快电压外环的响应速度，使系统的动态响应更加优越，提高发电效率，减少并网电流的谐波。仿真和实验结果证明了所提方法的有效性和实用性。
多电平、新颖PWM控制
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  一种实现VIENNA整流器SVPWM调制效果的快速方法

  陈嘉鑫，史旺旺

  电源学报. 2022, 20(1): 98-104. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.98

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  针对常规VIENNA整流器的空间矢量脉宽调制SVPWM（space vector pulse width modulation）计算量大、方法过于复杂、实时性要求高的场合应用受到限制的问题，提出了一种可直接实现VIENNA整流器SVPWM的数学优化方法。首先，根据VIENNA整流器数学模型，结合脉宽调制的约束条件，定义了判断区间的新的组合函数和区间划分准则，提出了优化算法，并据此给出了调制公式。然后，重新设计了中点电压平衡算法。最后，通过PSIM仿真和DSP实验，将常规方法与所提方法的调制效果进行比较，验证所述优化调制算法的可行性。
LED驱动电源
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  整合式单开关两路恒流输出LED驱动电源

  万宇阳，刘雪山，周群，贺明智，吕寻斋

  电源学报. 2022, 20(1): 105-111. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.105

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  提出了一种整合式单开关两路恒流输出LED驱动电源。该LED驱动电源由非隔离Buck-Boost和Buck变换器通过一个有源开关整合而成，简化了控制环路。采用恒导通时间COT（constant on-time）控制，消除了Buck功率因数校正PFC（power factor correction）变换器输入电流的死区。因此，该驱动电源的输入电流谐波很容易达到IEC61000-3-2 C类法规的限值。利用其中的无源均流网络，仅须控制其中一条输出支路的电流，即可实现对另外支路的均流控制，简化了控制电路。该变换器结合了Buck-Boost变换器功率因数高与Buck变换器效率高的特点，所提出的LED驱动电源在电压全范围应用下实现了高效率和高功率因数。最后，搭建了一台56 W的两路输出实验样机，效率达到93.5%，验证了理论分析的正确性。
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  负载源极连接谐振式Buck-Boost LED驱动电源

  张哲丰，贺明智，刘雪山，张福高，万宇阳，闫圣来

  电源学报. 2022, 20(1): 112-117. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.112

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  提出了一种负载源极连接谐振式Buck-Boost LED驱动电源，并分析了工作原理及其特性。该驱动电源利用一个串联谐振网络，解决了传统的Buck-Boost LED驱动电源开关管与输出支路不共地的问题。与传统Buck-Boost LED驱动电源相比，该电源在保持各种特性基本相同的同时，只使用一个负载源极连接有源开关与一个控制器，无需光耦隔离即可同时实现LED电流采样与MOSFET栅极驱动与控制，简化了控制电路，提高了系统的可靠性。最后，搭建了一台56 W的实验样机，效率达到了92.9%，验证了理论分析的正确性与电路拓扑的可行性。
电池及充电技术
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  动力电池组分散式主动均衡控制系统

  申永鹏，葛高瑞，王耀南，孟步敏

  电源学报. 2022, 20(1): 118-125. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.118

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  针对动力电池组使用过程中单体SOC不一致问题，提出一种分散式主动均衡控制系统。首先，对“单体解耦-分散式控制器串联”主动均衡控制系统拓扑结构进行了分析。在此基础之上，通过在放电过程中实时调整分散式控制器母线电压调节系数α及均衡加速系数β，在保证母线电压稳定的前提下，实现了单体放电速率的线性动态调节。最后，在恒阻放电模式及模拟高速公路燃油经济型试验HWFET（high way fuel economy test）测试工况下进行了均衡试验。试验结果表明，所提出的分散式主动均衡控制系统，可实现动力电池组放电过程中的在线主动均衡，避免了传统电荷转移式均衡方法存在的无效充放电循环，同时可对母线电压适当调节，满足了不同负载的工作电压需求。
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  锂离子电池健康状态估计方法研究综述

  胡晓亚，郭永芳，张若可

  电源学报. 2022, 20(1): 126-133. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.126

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  电池管理系统是锂离子电池高效、安全运行的重要保障。电池的状态估计在电池管理系统中发挥着重要的作用。健康状态是锂离子电池状态估计的重要指标之一。通过对近几年国内外锂离子健康状态估计方法相关文献的整理，综述了锂离子电池健康状态的定义和估计方法，并对现有的估计方法进行了分类和阐述。最后针对现有估计方法的不足，提出未来需要改进的方向。
太阳能、风力、燃料电池发电
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  质子交换膜燃料电池输出电压稳定控制技术

  张庚，刘国金

  电源学报. 2022, 20(1): 134-140. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.134

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  针对现今质子交换膜燃料电池PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）输出电压不稳定、发电效率低下等问题，提出一种对质子交换膜燃料电池输出电压稳定性进行控制的方法。通过PEMFC的热力学电动势、欧姆过电压、总极化电压等相关参数对PEMFC动态模型进行控制，采用模糊比例-积分-导数PID（proportional integral derivative）方法设计PEMFC输出电压模糊PID控制系统。根据梯形函数调整期望输出电压，由氢气流速控制燃料电池的输出电压，实现质子交换膜燃料电池输出电压的稳定控制。通过仿真实验验证控制技术的有效性，结果表明所提方法可有效降低PEMFC电压振荡幅度，使PEMFC电压达到稳定状态，处理时间仅为4 s，说明电池电压稳定控制技术具有高效可靠性。
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  计及电网频率波动敏感特性的双馈风电机组优化发电控制策略

  田昕，蔡旭，贾锋

  电源学报. 2022, 20(1): 141-148. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.141

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  为协调优化提高风电机组发电量目标和限制机组功率波动目标，提出一种带滤波器的改进转矩控制策略。在风力机空气动力学、机组转子运动学和风机控制原理的基础上，考虑自然风频谱特征和电网调频敏感频段，推导并建立了机组转速和输出功率对风速的小信号分析模型。基于工作点处转速和功率对风速的传递函数，对比分析了常规转矩控制和改进转矩控制的控制性能。分析结果表明，提出的控制策略提高了机组对中低频风的动态跟踪性能，同时抑制了机组在电网敏感的高频风段中的功率波动，实现了提高发电量目标和限制功率波动目标的综合优化。最后，在BLADED和RTDS联合仿真平台上建立了1.5 MW双馈风力发电系统，通过仿真和实验验证了理论分析的正确性及所提控制策略的有效性。
储能控制及系统
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  大型矿车制动能量回收与利用装备管理系统

  吴阳杰，刘健，王阳，王祥生

  电源学报. 2022, 20(1): 149-157. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.149

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  大型矿车工况恶劣，环境复杂，其制动能量回收与利用装备维护调试困难。针对上述问题，利用 C#.Net平台设计了大型矿车制动能量回收与利用装备的管理系统，该系统具有制动能量回收与利用装备的监视和控制、超级电容与蓄电池的能量管理等功能。采用运行效率较高的C#语言编写管理系统主控程序，使用线程优化手段提高其运行效率，同时使用基于SQLite数据库优化存储技术记录系统的基本数据，利用Visual C#.Net平台下的控件和第三方控件完成界面设计。将继电保护领域IEC 60870-5 103通讯规约引入管理系统，进一步提高其安全稳定性。在所搭建的300 kW/1 800 V超级电容与蓄电池混合储能大型矿车制动能量回收与利用装备实验室的动模实验平台上，对管理系统的各项功能进行实验验证。结果表明，管理系统可以安全、稳定、高效地实现对系统的控制、调试和维护。最后，在平朔安家岭煤矿管理系统进行车载运行制动能量回收与利用的调试和控制实验，验证了在实际工况中管理系统的稳定性和可靠性。
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  具有谐波抑制功能的电网电能质量最优控制方法

  史帅彬，曾江，康文韬，张伟

  电源学报. 2022, 20(1): 158-164. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.158

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  电网运行过程中容易受谐波干扰，造成电压畸变、网损过度。为此，提出具有谐波抑制功能的电网电能质量最优控制方法，优化电网电能质量的同时有效抑制谐波干扰。采用分层控制策略，初级控制采用多目标电压无功谐波优化算法获取电压差异数据、电压不稳定性数据、网络损坏率数据、电网谐波数据优化电网电压输出，同时采用模糊PI控制器完成复合电流谐波补偿抑制；二级控制将电网输出电压和频率反馈至初级控制，电网电能输出再次达到平衡；二级控制采用谐波补偿器对电网进行谐波补偿，实现电网电能质量最优控制。实验结果表明，该方法能够有效抑制电网电流畸变率，同时提高电网输出有功功率、降低无功功率，实现电网电能质量最优控制。
加热、电焊等特种电源
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  一种无通信的无线电能传输阻抗匹配方法

  吴昕，何小斌，蓝建宇，邹小雨，谢伟，董梦雪

  电源学报. 2022, 20(1): 165-172. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.165

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  磁耦合谐振式无线电能传输系统由于线圈两侧的电气隔离，通常使用无线通信来实时获取原副边的电压电流信息并对其进行控制。在一些特殊应用场合比如航天器，由于频率管制等原因无法使用通信电路。为了解决该问题同时使得系统的传输效率最优，提出了一种无通信的阻抗匹配方法。该方法选用Buck电路作为阻抗匹配网络，在负载电压变化时采用线性拟合的方法对整流输出电压进行控制，进而实现对系统最大效率的跟踪。建立了系统的等效电路模型，在不同负载下对系统的效率曲线进行了分析，给出了系统的控制策略。仿真与实验表明，在10 cm的传输距离下系统的效率保持87%以上，验证了无通信阻抗匹配方法的可行性。
谐波、电磁兼容和电能质量控制
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  非隔离逆变器交直流侧共模干扰耦合抑制

  梅朝朝，江师齐，喻礼礼，黄祖勋

  电源学报. 2022, 20(1): 173-179. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.173

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  在非隔离的逆变系统中往往需要在逆变器直流侧和交流侧放置电磁干扰滤波器，以往学者主要是研究直流侧或交流侧滤波器的拓扑结构、参数设计等，但对于交流侧和直流侧EMI滤波器两者之间的耦合作用缺少分析。通过分析共模噪声在两侧EMI滤波器之间的耦合特性，在交流侧采用一种浮地结构的EMI滤波器，改变了共模噪声的流通路径。实验结果表明，该结构能够削弱交直流侧共模EMI滤波器的耦合，使得两侧的EMI滤波器可以达到预期效果；同时，能够增强直流侧和交流侧EMI滤波器的共模衰减能力，有效抑制光伏系统的共模干扰。
逆变器与UPS
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  基于二维卷积神经网络的BLDCM驱动系统故障检测方法

  孙权，于翔海，李宏胜，黄家才，樊冀生

  电源学报. 2022, 20(1): 180-187. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.1.180

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  针对无刷直流电机驱动系统功率开关管故障诊断存在由于特征提取效果差而导致识别准确率低等问题，提出一种基于二维卷积神经网络2D-CNN（two-dimensional convolution neural network）自适应特征提取的故障检测方法，避免人工提取特征的复杂性及不确定性。以相电流作为故障敏感信号进行FFT预处理，并将一维数据转换为矩阵形式作为2D-CNN的输入数据，然后利用Adam优化的softmax分类器对2D-CNN提取的故障特征进行分类，实现逆变器不同故障模式的状态识别。实验结果表明，2D-CNN模型在不同工况、不同故障模式下的故障诊断准确率均优于多层感知机MLP（multi-layer perceptron）和堆栈去噪自动编码器SDAE（stacked denoising auto encoder）方法。实验结果验证了所提方法的有效性和准确性，可为功率变换系统健康状态评估奠定理论基础。