2022年, 第20卷, 第6期　刊出日期：2022-11-30

  

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电动汽车无线充电技术专辑
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  电动汽车无线充电技术专辑主编述评

  钟文兴, 张波

  电源学报. 2022, 20(6): 1-3. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.1

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  电动自行车无线充电的发展现状及技术剖析（上）

  郭淑筠, 张波

  电源学报. 2022, 20(6): 4-12. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.4

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  环保和代步的便利性使得电动自行车在人们的出行交通工具中所占比例越来越高,然而充电的安全性和便利性却成为电动自行车广泛应用的瓶颈,电动自行车无线充电成为未来可供选择的发展方向。首先简述了电动自行车有线充电的现状,进而引出电动自行车的无线充电技术,并从国内外的研究现状进行综述;然后介绍了电动自行车无线充电的相关标准及产业现状;最后探讨了电动自行车无线电能传输技术亟待解决的关键问题和发展趋势,从而为电动自行车无线充电的研究和发展提供技术参考。
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  电动自行车无线充电的发展现状及技术剖析（下）

  郭淑筠, 张波

  电源学报. 2022, 20(6): 13-23. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.13

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  随着电动自行车需求量的增大,且传统有线充电存在安全隐患,电动自行车的无线充电技术因其安全、可靠、灵活等优势具有极大的发展空间。然而如何设计满足消费者需求的电动自行车无线充电设备,进而逐渐取代传统有线充电依旧具有很大的挑战性。从电路拓扑、磁耦合机构、恒流恒压控制及异物检测等方面剖析电动自行车无线电能传输技术,指出了未来该技术的研究方向。
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  电动汽车三相无线充电系统关键技术研究综述

  资京, 丘东元, 肖文勋, 张波, 谢帆

  电源学报. 2022, 20(6): 24-33. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.24

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  电动汽车无线充电技术是推动电动汽车走向智能化和无人化的重要技术手段,高效率、高功率密度、大偏移和低成本等要求是电动汽车无线充电技术面临的挑战。三相无线充电系统由于具有功率密度高、磁场分布均匀和抗偏移能力强等优点,受到了越来越多的关注。围绕电动汽车三相无线充电系统的磁耦合机构、补偿网络和高频逆变器,归纳总结了这些关键技术的研究现状,分析讨论了亟待解决的问题及今后的发展趋势。
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  电动汽车磁场与电场混合耦合型无线电能传输技术综述

  潘文璇, 刘超, 张艺明, 毛行奎

  电源学报. 2022, 20(6): 34-41. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.34

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  磁场与电场混合耦合无线电能传输技术是一种结合电场耦合以及磁场耦合实现无线电能传输的技术,具有空间结构紧凑和抗偏移能力强等优点,能够弥补传统电动汽车无线充电系统抗偏移性能差和功率密度低的缺点。首先以磁场耦合式与电场耦合式无线电能传输技术为切入点,阐明各自的工作原理、技术优势及缺陷不足,介绍磁场与电场混合耦合型无线电能传输技术的发展背景;其次针对电动汽车无线充电的应用,从耦合机构、补偿网络、电力电子变换器及其控制策略、传输水平对国内外研究现状展开论述;最后指出目前亟待解决的问题以及未来的发展趋势。
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  单管逆变器并联的电动汽车无线充电变换器

  郭志浩, 王春芳, 杨凌云, 丁祥昱, 卢心雨

  电源学报. 2022, 20(6): 42-48. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.42

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  目前单管逆变无线电能传输电路由于结构的特殊性无法进行直接并联实现千瓦级别输出。针对此问题,在不需要特殊磁耦合器的情况下,提出了一种用于单管逆变器的双重并联结构。所提恒压补偿网络通过引入辅助谐振LC使得逆变器可正常运行,实现单线圈并联;应用增流LC网络,将电压源并联转换为电流源并联,增加电流输入能力的同时,使输出电压具有更高的自由度。为验证所提拓扑的可行性且模拟为电动汽车144 V电池包充电,设计了一台输出164 V/1.3 kW的实验样机,最大效率可达90.2%。
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  基于频率切换的S/SP拓扑恒流恒压输出WPT系统研究

  王灿, 蒋帅, 贺坤宇, 王萌, 耿直, 杨林

  电源学报. 2022, 20(6): 49-57. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.49

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  近年来,无线电能传输技术因其稳定、安全、电气隔离等优势受到研究者广泛关注。在实际应用中,确保无线电能传输系统在零相位角的条件下实现稳定的先恒流后恒压充电输出对延长电池寿命和提高系统的功率传输效率至关重要,因此,提出了一种基于频率切换的S/SP拓扑补偿的具备恒流和恒压充电功能的WPT系统。通过理论分析,该系统可以在2个固定的零相位角频率点下实现稳定的恒流和恒压充电输出特性,且无需重构电路补偿结构。此外,所提系统的整体补偿元件较少,降低了系统的设计复杂度和开发成本。为验证所提系统的正确性,搭建了一台4.2 A/56 V充电输出的实验样机。实验结果与所提系统的理论分析吻合良好。
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  EV-BWPT无缝功率环移相控制策略研究

  刘芳, 赵杨, 李昊, 凌淳扬

  电源学报. 2022, 20(6): 58-66. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.58

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  电动汽车双向无线电能传输系统以其便捷性、安全性和可靠性高等优势,在车网互联时代得到广泛应用。与传统的单向系统相比,双向系统需要在多个不同控制自由度中进行选取,从而影响系统传输效率。为降低系统无功功率,提高效率,提出一种双向无线电能传输系统无缝功率环移相控制策略。首先,对基于双边LCC补偿网络的双向无线电能传输系统进行了有功和无功功率传输特性分析,得出有功/无功功率与效率、内移相角及外移相角之间的关系;进而提出采用有功功率环路控制外移相角、无功下垂环路控制内移相角的无缝功率环移相控制策略,且该控制策略无需切换模式即可实现功率正反向流动;最后,通过Matlab/Simulink以及半实物实验平台,验证该控制方法的有效性。
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  无线电能传输系统的全双工FMPSK通信方法

  魏玉霞, 陈俊儒, 郭佳俊, 李弘昌

  电源学报. 2022, 20(6): 67-74. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.67

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  无线电能传输WPT（wireless power transfer）系统的控制、监测等操作需要在能量发送侧和能量接收侧之间建立通信链路实现,为此提出了一种基于WPT系统的全双工调频相移键控FMPSK（frequency-modulated phase-shift keying）近场通信方法,该方法采用较小的相位调制深度来减少对能量传输的干扰,并使用频率调制器和频率解调器来保证信号传递的准确性。首先介绍了FMPSK全双工通信的总体方案设计,其次通过推导出WPT系统输出功率和效率的相应数学表达式来探究FMPSK通信方法对能量传输的影响,最后通过仿真对所提的方法进行验证,证实了能量传输受到信号通道的影响很小,同时实现了可靠稳定的全双工信号传输。
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  由复合屏蔽层构成的电动汽车无线充电磁耦合器

  卢哲, 王春芳, 杨凌云, 李卓玥

  电源学报. 2022, 20(6): 75-83. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.75

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  磁耦合器作为无线充电系统的核心部件,由能量发射线圈、能量接收线圈和电磁屏蔽层组成。目前在屏蔽层中使用大量的铁氧体和铝材以增强系统的耦合性能并且减少电磁泄漏,这造成了磁耦合器体积大、重量重、成本高,另外铁氧体还存在着易碎易饱和等问题,严重制约了电动汽车无线充电技术的推广和应用。为了解决上述问题,提出了一种由铁基纳米晶带材、铁氧体和铝箔构成的复合屏蔽层,在详细分析纳米晶带材特性的基础上,给出了纳米晶带材的前置处理工艺,利用Maxwell等仿真软件,从线圈静态参数的对比、铁氧体饱和状态的改善以及屏蔽效能和抗偏移能力等多方面阐述了复合屏蔽层的优势。最终搭建实验平台并加以验证。
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  互操作电动汽车无线充电系统设计方法

  何欣悦, 方赞峰, 黄天浩, 钟文兴

  电源学报. 2022, 20(6): 84-92. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.84

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  电动汽车无线充电的互操作性是指同一发射端可以匹配不同离地间隙、不同充电功率等级的电动汽车接收端进行安全高效的无线充电。国家标准对电动汽车无线充电的互操作性给出了解释和示范,但如何在不同间隙级别、不同功率等级和不同偏移位置下均实现最优的功率传输效率,是互操作设计的一个难题。针对双边LCC电动汽车无线充电系统,以电动汽车无线充电系统标准GB/T38755.1为参考,提出一个满足工程应用需求的互操作无线充电系统优化设计方法。在满足电感量要求下,优化发射线圈表面磁场辐射的均匀度,以效率为目标优化不同间隙与不同功率等级的接收线圈及其补偿参数。制作了一个满足互操作性的11 kW发射线圈与9个不同充电气隙和功率等级的接收线圈,对设计方法进行了实验验证。
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  含无线充电电动汽车的孤岛直流微电网运行模式研究

  蓝嘉豪, 漆倬宇, 张强, 刘贤, 薛永龙, 周玮

  电源学报. 2022, 20(6): 93-101. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.93

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  为改进电动汽车充电设施的供电方式,研究了无线充电电动汽车与光储直流微电网的融合,并重点研究充电功率发生变化时微电网的能量管理策略。分别建立光伏、储能、无线充电电动汽车能量传递的数学模型,推导各部分功率、端口电压电流等的关联性,基于此设计了相应的控制器。考虑充电功率需求以及储能电池状态信息,定义微电网运行的3种模式,并提出基于功率缺额判据的能量管理策略。最后搭建实验平台,验证系统的3种运行模式均可实现充电负荷的可靠供电。当充电功率发生变动时,所设计的能量管理策略可实现模式切换,维持母线电压稳定。
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  多线圈无线电能传输系统效率最大化研究

  贺蓉, 汪鑫林, 傅旻帆

  电源学报. 2022, 20(6): 102-110. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.102

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  感应式无线电能传输系统主要依靠耦合线圈将能量从电源端传输到负载端。多线圈的耦合特性可以用来构建多输入多输出的无线能量传输网络,目前针对此类网络的稳态特性分析仍然不具有通用性。传输效率作为系统稳态特性之一,是多线圈系统的重要优化目标。由于线圈寄生电阻使得耦合器损耗占据整体系统损耗的大部分,因此,优化系统效率的关键在于最大化耦合线圈效率。首先,建立任意耦合线圈个数的无线充电系统的电路模型,依照输入输出稳态特性分析效率最大化的影响因素以及最优效率点下的功率分配和损耗;其次,仿真验证不同输入端和不同输出端时理论分析的准确性;最后,搭建实验平台验证多发射多接收无线充电系统效率最大化点的稳态特性。
DC-DC变换器
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  一种改进二次型高增益Boost-Sepic变换器

  孙毓璞, 徐玉珍, 金涛

  电源学报. 2022, 20(6): 111-116. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.111

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  高增益DC-DC变换器是可再生能源发电实现高压并网的一个重要环节。提出一种改进二次型高增益Boost-Sepic变换器,既实现在较小占空比的情况下得到较高的电压增益,又降低功率MOS管与二极管的电压应力,同时还具有输入电流连续的优点;且由于二次型Boost变换器与改进Sepic升压变换器的集成,共用一个功率MOS管,变换器的主电路与控制电路均变得简单。对该变换器的工作原理和工作过程进行详细的论述,对变换器增益、功率器件、电容电压应力进行分析,并与目前常用的高增益DC-DC变换器进行对比研究。最后,在理论分析基础上,搭建了一台100 W实验样机进行实验研究,实验结论与理论分析结果一致。
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  基于互补占空比调制的改进全桥ZVS直流变换器

  许章茁, 潘健

  电源学报. 2022, 20(6): 117-126. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.117

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  针对传统移相全桥零电压开关ZVS（zero voltage switching）变换器存在的例如软开关范围受限、占空比丢失以及寄生振荡问题,提出了一种基于互补占空比调制的改进全桥ZVS直流变换器。通过引入并联辅助谐振网络以实现滞后桥臂开关宽范围的ZVS,选择较小的谐振电感以减少占空比丢失,引入原边钳位二极管网络以消除寄生振荡。详细阐明了工作原理与特性分析,并进行了仿真对比。结果显示,在20%负载条件下,相较于传统移相全桥变换器,所提改进全桥变换器保证了软开关特性且消除了寄生振荡。
新能源系统
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  基于HOMER和禁忌算法的高速公路光储充一体化电站容量优化

  李建霞, 赵峰, 高锋阳

  电源学报. 2022, 20(6): 127-136. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.127

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  为充分利用清洁能源、减少快充电站对电网的冲击,针对并网状态下的高速公路光伏充电站提出了一种容量分级优化策略。首先,分析了光伏充电站容量优化模型及充电需求模型,提出用基于时刻充电概率的蒙特卡洛法进行高速公路充电站的负荷预测,得到充电需求曲线;在综合考虑生命周期内建设成本、运行成本、置换成本、环境成本等系统净现总成本TNPC（total net present cost）小和光伏供电比高的基础上,考虑混合储能,建立了高速公路光伏充电站容量分级优化配置模型,利用HOMER和禁忌算法相结合进行求解。最后,以周期25年使用寿命为例,对高速公路光伏充电站进行优化配置,从容量变化趋势及储能出力等方面进行分析,结果表明,当敏感变量售电量增大和最大容量缺额比减小时,系统配置容量将增大;混合储能比单一储能更加可靠和经济。
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  含光热电站接入的多源联合系统模型预测控制方法

  朱子琪, 张维涛, 祁秋民, 张文松, 张舒凯, 李鑫

  电源学报. 2022, 20(6): 137-145. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.137

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  光热电站具有良好的可调节特性,能够弥补常规机组调节能力不足,促进风电、光伏消纳。然而,光热电站的可调节能力受到太阳能直射辐射情况以及蓄热装置初始蓄热量的影响,增加了光热电站接入下多源联合系统协调优化难度。为此,提出了含光热电站接入的多源联合系统模型预测控制方法。首先,建立了光热电站功率调节特性、能量储存运行特性的数学模型;在此基础上,基于多源联合机组组合滚动优化及反馈校正的模型预测控制MPC思路,提出了含光热电站接入的多源联合系统滚动优化模型及相应的优化方法,进而得到含光热电站接入的多源联合系统优化控制方案;最后,以某含光热电站接入的新能源送端电网为例进行仿真计算,仿真结果验证了所提方法在挖掘光热电站有功调节能力、促进风光电消纳方面的有效性。
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  虚拟同步发电机电流模型预测控制策略

  李琰琰, 赵亚谦, 郭磊磊, 金楠, 胡石阳

  电源学报. 2022, 20(6): 146-154. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.146

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  虚拟同步发电机因能为电网提供电力电子装置渗透率提高所降低的惯性和阻尼而得到广泛关注。虚拟同步发电机采用PWM控制输送电网电流,但需要PWM波调制和PI控制。基于此,提出了虚拟同步发电机电流模型预测控制策略,以无需PWM波调制和PI控制的模型预测控制来弥补PI调制参数复杂、调制困难的缺陷,同时提高灵活度,增强鲁棒性。采样变换器的输出电流经虚拟同步发电机和电流预测模型分别生成参考电流、预测电流,根据代价函数,选取8种开关矢量中误差最小的一组作用于变换器,形成电流闭环控制。所提控制策略结构简单,灵活易操作,能在为电网提供惯性和阻尼的同时,还提供有功和无功功率支撑。仿真和实验验证了所提策略的有效性。
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  适用于PMSG背靠背变流器的新型电压矢量控制

  李华东, 李蕾, 王国卉, 杨蕾, 李承印

  电源学报. 2022, 20(6): 155-164. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.155

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  直接模型预测控制DMPC（direct model predictive control）在改善背靠背BTB（back-to-back） 变流器永磁同步发电机注入电网电能质量方面具有重要作用。然而,由于BTB变流器的可行电压矢量VVs（voltage vectors）都是用来预测和评估的,且其成本函数中的权重因素会影响控制性能,因此,DMPC的计算量比较大,调整过程复杂。为此,利用直接控制的简单性,结合直接转矩控制DTC（direct torque control）和直接功率控制DPC（direct power control）,提出了一种新的直接模型预测磁通控制DMPFC（direct model predictive flux control）和直接模型预测功率控制DMPPC（direct model predictive power control）。首先,通过定义新的DTC和DPC切换表,在8个预测参数中只需要3个就可为BTB变流器选择最佳电压矢量,大大减少计算量。此外,为了避免权重因素的影响,本文将电磁转矩简单地转换为等效定子磁通,在成本函数中只考虑等效定子磁通。最后,实验结果表明,该方法的计算时间减少了26.9%,同时获得了最佳的控制效果。
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  一种基于CSC-VSC的DC/DC换流器及其控制策略

  于洋

  电源学报. 2022, 20(6): 165-173. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.165

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  在能源互联网建设中,DC/DC换流器是实现不同直流电压等级的可再生能源并网的必要环节,引起了广泛的研究。DC/DC换流器的体积、成本、动稳态性能和故障性能是其广泛应用的限制因素。为此,提出了一种并网端采用有源电流源换流器、分布式能源端采用电压源换流器的front-to-front混合DC/DC换流器,其中CSC和VSC交流侧采用高频率正弦波调制。所提出的基于CSC-VSC的混合DC/DC换流器具有体积小、成本低、可穿越直流短路故障等优点。通过对混合DC/DC换流器数学模型的分析,提出了换流器参数设计方法,给出了换流器运行范围约束。再提出了一种适用于混合DC/DC换流器的综合控制策略,其中CSC采用有功无功闭环控制、VSC采用交流电压幅值闭环控制。利用RTLAB半实物仿真平台分别对混合DC/DC换流器额定运行工况和直流短路工况进行了实验研究,结果验证了所提混合DC/DC换流器拓扑和控制策略的合理性和有效性。
特种电源
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  SPERF环向场线圈脉冲电流源设计

  关键, 凌文斌, 马勋, 李洪涛, 佟为明, 鄂鹏

  电源学报. 2022, 20(6): 174-183. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.174

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  空间等离子体环境模拟与研究装置SPERF（Space Plasma Environment Research Facility）中,环向场TF（toroidal field）线圈用于磁重联实验,物理上要求该线圈的脉冲电流在80 μs的时刻大于200 kA,这对脉冲电流源的整体设计、放电开关和放电测试等提出了较高的技术要求。研究TF线圈脉冲电流源的设计、关键技术和测试,以实现这种100 μs量级的脉冲大电流。首先,介绍了脉冲电源的结构,计算了脉冲电源的参数,设计了脉冲电源的模块化结构;其次,研究了放电开关组件的设计和测试;最后,介绍了脉冲电流源的测试,测试结果表明脉冲电流源能可靠地工作。所研究的脉冲电源对SPERF磁重联实验的开展具有重要意义,同时对脉冲强磁场、脉冲功率和电磁兼容等领域也具有参考价值。
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  应用于水处理的高频数字化电源

  曹以龙, 邵伟伟, 瞿殿桂, 周知

  电源学报. 2022, 20(6): 184-191. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.184

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  高频电源可实现高频功率输出,其后再加特定装置产生磁场,用以研究高频磁场下水的特性变化。为了在宽功率范围实现移相全桥的零电压开关ZVS（zero-voltage-switching）,提高整机效率,在Boost-PWM与移相PWM双自由度控制的基础上提出一种基于模型前馈的控制方法。通过建立输出功率模型,加以模型前馈控制,结合闭环PI控制,不但可以保证输出功率满足要求和全功率范围内实现ZVS,还能够提高对于负载突变时的动态性能。首先提出该高频变换器的拓扑结构,再详细分析其工作原理和运行状态,得到精确的基于负载输出功率数学模型,给出相对应的输出功率范围和ZVS软开关范围,最终设计基于DSP和碳化硅（SiC）MOS管的电源样机。实验结果验证了所提理论的正确性,且该电源可以满足水处理实验的基本要求。
电机驱动
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  虚拟直流电机技术参数分析及虚拟惯量自适应控制

  崔健, 房建军

  电源学报. 2022, 20(6): 192-202. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.192

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  建立了虚拟直流电机控制系统的闭环传递函数,分析了虚拟直流电机惯量系数和阻尼系数对性能的影响,并建立了基于模糊神经网络的虚拟惯量自适应控制器,解决了虚拟惯量导致的电压恢复缓慢问题。基于虚拟直流电机控制系统的闭环传递函数,根据伯德图、极点分布图以及阶跃响应曲线分析了惯量系数和阻尼系数变化对虚拟直流电机控制系统性能的影响。根据惯量系数和阻尼系数变化对控制系统性能的影响,以及虚拟直流电机控制算法,设计了基于模糊神经网络的虚拟惯量自适应控制器,并通过对系统超调量的限定,设计了阻尼系数的整定方法。通过计算机仿真分析,验证了基于模糊神经网络的虚拟惯量自适应算法的正确性,证明了该自适应控制器的有效性。
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  考虑电压电流约束的感应电机容错运行对比研究

  孙凯, 陈伟斌, 翟晓卉

  电源学报. 2022, 20(6): 203-213. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.203

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  围绕电机驱动系统可靠性提高问题,对现有几种具备容错运行能力的三相感应电机驱动系统性能开展了对比研究。对容错控制策略的评估应考虑电机驱动系统输出的实际转矩和转速,而这主要取决于系统电流和电压约束。考虑到励磁电流的存在,感应电机驱动系统中的电流极限不如永磁电机驱动系统中的电流极限直观,同时逆变器和电机都存在对系统电压的限制,故通过推导故障后电机驱动系统的电压方程,分析得到了电机参数、运行工作点和电压电流约束对输出转速的影响,并指出优化拓扑可使故障后电机运行在额定转速以上以获得额外的功率。利用搭建的感应电机驱动测试平台开展了实验研究,不同容错策略的对比实验结果验证了理论分析。
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  高速磁浮系统最小能耗下的运控曲线计算

  张雷

  电源学报. 2022, 20(6): 214-220. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2022.6.214

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  目前高速磁浮交通牵引系统多采用双端供电模式,针对该工作模式下给定运控曲线的等电流、等电压分配策略产生大量区间能耗的问题,研究了一种以最小能耗为目标的运控曲线计算。首先建立双端供电模式下长定子直线同步电机的d-q轴等效电路模型,分别根据等电流法和等电压法分配双端变流器的电流,然后将整个高速磁浮交通牵引系统的能耗作为目标函数,再把运行耗时和区间距离作为约束条件,最后通过拉格朗日条件极值法求出最小能耗点,进而得到高速磁浮的运控曲线。经仿真计算发现,该方法能在满足等电流和等电压分配策略的情况下,找到符合约束条件的最小能耗点和其所对应的运控曲线,使得整个高速磁浮交通牵引系统的能耗降低。