2023年, 第21卷, 第5期　刊出日期：2023-09-30

  

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DC-DC变换器
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  宽输入范围、全范围ZVS的高效率BBLLC-LLC混合变换器的DCX工作模式研究

  李伟, 潘尚智, 林子森, 王明龙, 查晓明

  电源学报. 2023, 21(5): 1-8. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.1

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  在新能源发电占比不断提高的当下,一个具有高效率宽输入范围的大功率变换器的提出十分有必要。在现有研究的基础上,提出了由Buck-boost LLC和LLC-DCX两个变换器共同构成的Sigma结构变换器,能够很好地实现高效率、宽输入范围的需求。Buck-boost LLC通过桥臂集成能够有效地减少元器件同时降低损耗,但是其Buck-boost电感上流过的是全部输入电流,在大功率场合这会造成很大的损耗。因此采用Sigma结构和部分功率传输的理念,减小了Buck-boost LLC变换器所产生的损耗。最后实验证明了所提出拓扑优越的调压特性和高效率。
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  准谐振改进型SEPIC变换器建模与分析

  吴靖, 夏晓春, 蒋燕萍, 郑伟彦, 高珊珊, 王懿杰

  电源学报. 2023, 21(5): 9-15. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.9

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  凭借高电压增益及低电压应力的特点,改进型SEPIC变换器广泛地应用于光伏、不间断电源等领域。同时由于其具有良好的软开关特性,可应用于高频场合,以提升功率密度。为了拓宽负载变化范围,改善动态响应,其数学模型的建立至关重要。采用广义状态空间平均法,对基于开关电感的准谐振改进型SEPIC变换器进行建模,建立其对应的小信号模型,并得到系统输出的传递函数。使用K-factor的方法设计补偿器,优化系统的动态性能,设计恒流输出的数字控制实现方法,并通过实验进行了验证。
AC-DC变换器
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  维也纳拓扑在断续空间矢量调制下开关序列切换优化

  赵裕昊, 吕征宇, 姚文熙

  电源学报. 2023, 21(5): 16-25. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.16

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  维也纳拓扑的可用空间矢量受电流影响的特性,使得断续空间矢量调制开关序列切换时的衔接问题变得严重。为了探明衔接问题的机理并降低其影响,首先分析在电流不变向时开关序列切换的可能情况,推导计算了在电流变向时因为理想扇区和实际扇区间的滞后超前偏差导致的矢量合成误差,进而给出在切换前后选择特定开关序列的优化策略;然后对目前常见的断续矢量调制方案的衔接情况进行分析,并结合优化策略给出优化方案;最后,通过仿真和实验验证了优化方案可以实现平滑的开关序列衔接,且实现算法简单,具有一定的实用性。
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  不同负载条件下DICM Cuk PFC变换器稳定性分析

  余铁钞, 郭慧珠, 刘天成, 贺明智, 周群

  电源学报. 2023, 21(5): 26-32. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.26

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  重点分析了系统负载变化时,不连续电感电流模式Cuk功率因数校正PFC（power factor correction）变换器稳定性的变化情况。在变换器工作特性的基础上,根据谐波平衡法和Floquet理论分析,研究结果表明：当负载电阻变小时,即系统由轻载到重载变化时,系统发生了工频频率上的倍周期分岔。给出了系统发生倍周期分岔时的电阻,以及在输出电感、输入电压产生改变时和负载电阻共同构成的系统不稳定与稳定的边界区域图,基于输入电感电流-输出电压的相轨图和输出电压的谐波分析谱,更好地观察到系统的动力学行为。最后通过实验验证了理论分析的正确性。
DC-AC逆变器
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  带有升降压的三相五电平逆变器拓扑及控制设计

  杨国良, 王明, 秦杭

  电源学报. 2023, 21(5): 33-40. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.33

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  提出了一种三相升降压型五电平逆变器。与传统的的多电平逆变器相比,升降压五电平逆变器具有能够实现升降压、拓扑结构简单、控制方法简单、所需功率开关器件数量少、开关损耗小等优点。采用载波层叠法作为逆变器的调制策略,采用PI调节器对系统进行控制,并且使用Matlab/Simulink平台对带有升降压的三相五电平逆变器及其并网控制策略进行了仿真验证。最后搭建了系统相应的硬件实验平台,通过实验验证了所提出的电路拓扑的性能。
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  一种改进的高增益无电压尖峰分裂Y源逆变器

  房绪鹏, 阚兴宸, 李鑫媛, 臧颖

  电源学报. 2023, 21(5): 41-50. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.41

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  在分布式可再生能源发电系统中,Y源逆变器YSI（Y-source inverter）拓扑已被应用于实现灵活地升降压。然而在系统需要高电压增益时,Y源逆变器的调制因数和升压占空比相互制约的缺陷导致其电压质量和直流母线利用率大大降低。此外,在考虑漏感的影响时,YSI会产生由感应电流突变引起的电压尖峰。鉴于此,提出一种改进型分裂Y源逆变器ISYSI（improved split Y-source inverter）,通过把分裂源结构与Y源阻抗网络相结合并且加入电压钳位单元,不仅能有效解决上述问题,还可以显著提高系统电压增益,同时消除二极管寄生电容和Y源阻抗网络漏电感谐振引起的电压振荡。对ISYSI进行详细的理论分析,仿真与实验结果验证了该逆变器的可行性。
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  基于DSP的正弦波逆变电源瞬时值反馈优化控制方法

  潘龙, 王合闯, 楚明月, 林茂盛, 杜立江, 张中宽

  电源学报. 2023, 21(5): 51-57. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.51

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  正弦波逆变电源输出受到瞬时值反馈不及时的影响,导致电源输出均衡性较差。为了提高正弦波逆变电源的稳态控制能力,提出基于数字信号处理DSP（digital signal processing）的正弦波逆变电源瞬时值反馈优化控制方法,建立逆变电源系统基本结构,构建三相级联H桥控制电路,并完成控制电路的构建及电源电路的设计。在零序电压的反馈调节下,实现电源电压的平衡控制和电压自均衡耦合调节,利用电压自均衡耦合控制器对正弦波逆变电源的输出功率进行补偿抑制;利用DSP技术对电源输出信号进行反馈处理,得到瞬时值反馈的控制优化算法;对逆变电源控制系统的软件及硬件进行优化设计,完成基于DSP的正弦波逆变电源瞬时值反馈优化控制。测试结果表明,使用该方法进行正弦波逆变电源控制的输出增益较高、控制稳定性较好、对电源输出的电流纹波抑制能力较强,提高了电源的输出质量。
新能源系统
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  基于光伏MPPT采样电流的自适应变步长INC算法

  刘聘凭, 程若发, 许立斌, 夏震

  电源学报. 2023, 21(5): 58-66. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.58

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  针对传统电导增量INC（incremental conductance）算法在跟踪最大功率点的过程中无法兼顾跟踪速度与稳态精度的问题,以及传统变步长算法在光照变化时容易发生误判的问题,提出了一种新型的自适应变步长INC算法。光照强度变化较大时,利用负载曲线与I-V特性曲线的工作原理,在暂稳态和非稳态下都可以根据最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）采样电流的变化,自适应调节跟踪速度;光照强度变化较小时,能够根据输出电压与功率的变化自适应减小步长,提高稳态精度。追踪速度是传统算法的9.3倍,是现有变步长算法的4.2倍,有效减少了光照强度变化带来的功率损失。
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  基于IBA-KELM模型的TCT光伏阵列故障诊断研究

  任晓琳, 杨奕, 高龙, 于婧雅, 韩青青

  电源学报. 2023, 21(5): 67-74. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.67

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  针对光伏阵列的开路故障、短路故障、老化故障和局部阴影故障,提出了一种基于核极限学习机KELM（kernel extreme learning machine）的光伏阵列故障诊断方法,并采用改进的蝙蝠算法IBA（improved bat algorithm）对核极限学习机模型的参数进行优化来提高模型的诊断准确率。为避免蝙蝠算法陷入局部最优并加快在参数寻优过程中的收敛速度,引入Levy飞行策略并在速度更新公式中引入指数递减的惯性权重。通过全连接TCT（total-cross-tied）结构光伏阵列的故障数据验证表明,与BA-KELM,PSO-KELM、PSO-ELM模型相比,IBA-KELM模型在参数优化过程中收敛速度更快,优化后模型诊断精度也更高。
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  基于自适应虚拟阻抗的新能源微电网功率控制系统

  刘强, 赵文晶

  电源学报. 2023, 21(5): 75-82. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.75

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  传统新能源微电网功率控制系统因忽略虚拟阻抗而不利于随机位置分布式电源的结合,导致容易发生电网故障,致使微电网整体瘫痪。为了解决上述问题,本文提出基于自适应虚拟阻抗的新能源微电网功率控制系统的研究。引入虚拟阻抗,降低逆变器输出功率的耦合程度。通过逆变器额定容量比值确定虚拟电阻取值范围,计算微电网输出电压,保障微电网输出电能质量。在积分控制器下控制虚拟阻抗电阻数值,使逆变器输出功率趋近于积分控制器计算得到的功率参考值,保障输出功率的稳定性,实现对新能源微电网的功率控制。设计仿真实验,结果显示：本文方法控制的逆变器在同容量逆变器并联条件下,输出的有功功率最为稳定,无功功率保持均分状态;不同容量逆变器并联条件下,输出的有功功率稳定用时最短、无功功率基本与额定容量比匹配,充分说明提出方法对新能源微电网的功率控制及运行具备较好的控制效果。
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  基于LCL滤波器优化的微电网多逆变器稳定运行控制系统

  李惠庸, 张宏, 张海平, 冯杨州

  电源学报. 2023, 21(5): 83-90. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.83

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  为了有效控制逆变器谐振现象,保障逆变器稳定运行,设计基于LCL滤波器优化的微电网多逆变器稳定运行控制系统。依据LCL多逆变器拓扑结构,创建LCL滤波器三相微电网多逆变器的状态空间数学模型。依据该数学模型,分析滤波器的谐振特性,采用2个互相独立的单相逆变器实现对平衡三相LCL逆变器中谐振控制,利用单相LCL逆变器完成控制策略研究;利用被动阻尼策略,通过电容支路串、并联阻尼法对LCL滤波器的逆变器进行振荡控制优化;利用主动阻尼策略,在不添加其他传感器和控制闭环的条件下,运用2对零极点使闭环系统中全部的主导极点都在垂直平面单位圆中,抑制LCL滤波器谐振问题,以实现系统稳定运行控制优化。实验表明,该方法通过主动阻尼和被动阻尼控制策略对LCL滤波器进行优化,能够确保微电网多逆变器的母线电压以及暂态波形的稳定,控制效果好。
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  基于不同工况下双馈风机响应控制的电力系统频率控制方法

  杨蕾, 向川, 黄伟, 张丹

  电源学报. 2023, 21(5): 91-100. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.91

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  风电大规模并网虽然会降低电力系统对传统化石能源的依赖,但双馈风电机组自身的解耦控制会降低电力系统惯性和频率响应能力。针对该问题,将风电机组纳入系统频率调节体系,提出基于不同工况下双馈风机响应控制的孤岛电力系统频率控制方法。首先,研究了不同风况下双馈风电机组的有功频率控制模式及不同风况下的协调控制方案;然后,在深入分析双馈风电机组参与频率控制机理的基础上,提出风电机组频率控制启动判据以及风电卸载容量计算方法,该方法可降低风电备用储能,避免过多降低风电正常情况下的消纳水平;最后,仿真结果验证所提频率控制策略可在不同风速工况下有效参与系统频率控制,显著增强高渗透率风电接入电力系统的频率稳定水平。
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  基于抑制环流的自适应下垂控制改进策略

  潘健, 陈凤娇, 张琦, 刘松林

  电源学报. 2023, 21(5): 101-109. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.101

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  在孤岛模式下的微电网中由于线路阻抗存在差异,采用传统下垂控制的逆变器不仅无法精确分配负载功率,还会产生环流。为解决该问题,提出了一种基于抑制环流的自适应下垂控制改进策略。该策略采用旋转坐标的环流来构造虚拟阻抗,通过PI控制使线路等效阻抗不断相向趋近直至相等,从而均衡分配负载功率。所提出的改进策略无需实时检测线路阻抗,也无需借助通信网络。此外,构造的虚拟阻抗不仅能有效抑制环流,还不会引起输出电压大幅跌落。仿真结果验证了改进控制策略的有效性。
电力系统
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  基于卷积神经网络多判据融合的井下电网故障选线方法

  王玉梅, 张家康

  电源学报. 2023, 21(5): 110-117. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.110

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  针对矿井电网消弧线圈接地系统单相接地故障选线方法准确率和可靠性不高的问题,提出基于卷积神经网络多判据融合的选线方法。主要分析了深度学习模型——卷积神经网络的结构与原理,通过快速傅里叶变换和小波变换从故障信息中提取5次谐波分量、小波分析模极大值、衰减直流分量和高频暂态分量作为原始输入数据,并利用改进LeNet-5模型强大的学习能力和泛化能力对其进行融合。基于Matlab软件搭建井下电网仿真模型,结果表明该方法准确性高、可靠性强。
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  10 kV系统电容取能方式电源特性分析

  史宇昊, 王鸿, 薛枫, 宋静毓, 赵兴耀, 杨兰均

  电源学报. 2023, 21(5): 118-127. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.118

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  电容取能电源由于体积小、装置成本低和取能稳定等优势,成为10 kV一二次融合柱上开关的就地取能电源。为了在取电电流限制下提高最大取能功率,基于简化取能模型进行了输出电压和取能功率的电源特性研究,给出了不同补偿关系下的电源特性;通过影响取能功率上限的设计参数分析,得到了最大取能功率下的设计原则;考虑到典型负载如柱上开关的动态特性,进行了负载等效为储能电容器、恒功率负载及瞬时大功率负载下的仿真,其结果表明了不同动态负载下的电源特性,验证了理论计算的电源特性。
电能质量
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  基于改进局部均值分解和概率神经网络的电压扰动识别

  牛健, 张志飞, 汤铭辉, 赵才, 王坤

  电源学报. 2023, 21(5): 128-137. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.128

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  随着新能源技术的发展和普及,大量非线性用电设备接入电网对其电能质量产生了严重影响。为解决谐波扰动信号对电力系统带来的影响,提出将改进的局部均值分解LMD（local mean decomposition）和概率神经网络相结合,构造一种电压扰动分类器,对电力系统中的电压扰动信号进行识别分类。通过构造三角波形自适应地延拓扰动信号的方法抑制LMD的端点效应,应用改进LMD算法对扰动信号进行3层分解,得到具有电压信号幅频信息的乘积函数PF（product function）分量,将由PF分量构造的信号能量作为概率神经网络的输入,以识别和分类电压干扰信号。通过建立训练模型对电压扰动信号进行仿真实验,结果表明,该方法可以准确识别电压扰动信号,有助于提高电力系统中电压扰动信号的识别精度。
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  应用于复杂工况的输出电流自锁相SVG控制策略

  孟金林

  电源学报. 2023, 21(5): 138-146. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.138

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  静止无功发生器SVG（static var generator）的无功调节功能依赖其网相位跟随能力,因此受锁相环节影响较大。当电网存在背景谐波、不对称运行等复杂工况时,基于系统电压锁相的方式需要设计正/负序提取、谐波提取等辅助环节,增加了系统的复杂度与非线性。基于此,提出了一种基于输出电流自锁相的SVG控制策略,在不添加辅助环节的前提下提高了SVG在复杂工况下的适应能力。首先,对SVG的控制策略与锁相方式进行了阐述,分析了不同工况下SVG的输出特性。然后,详细解释了所提自锁相方法的工作机理,论证了电流自锁相具备较好的环境适应能力,并通过Bode图分析验证了所提策略具备良好的响应特性。最后,通过实验验证了理论分析的正确性。
无线电能传输
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  两线圈串联电动汽车动态无线充电系统研究

  卢闻州, 赵健, 董一帆, 黄芳辰, 陈海英

  电源学报. 2023, 21(5): 147-156. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.147

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  从经济和空间角度考虑,电动汽车EV（electric vehicle）同时装设匹配静态和动态无线充电方式的接收单元是不理想的。为此,参考EV静态无线充电标准,设计了两发射线圈同向串联EV动态无线充电系统,使其接收单元能同时满足动态和静态无线充电需求。首先,分析了收发线圈的水平偏移特性和互感电路模型,并根据分析结果确定了单发射线圈组切换以及两发射线圈串联的方式,根据两发射线圈串联的三维磁通图确定了两个发射子线圈的通电方向为同向通电;然后,对单发射线圈组切换系统以及两发射线圈串联系统进行了有限元仿真,验证了两个发射线圈串联的互补作用以及同向通电方式的优越性;最后,参考EV静态无线充电标准搭建了实验平台,并完成了静态和动态的无线充电实验。
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  无线电能传输抗偏移线圈的设计方法

  张智翔, 张宣

  电源学报. 2023, 21(5): 157-165. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.157

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  无线电能传输技术具有灵活性高、安全、美观等优点,因而受到广泛关注和研究。传统线圈由于磁场分布不均匀,导致接收端在发生偏移时,互感系数发生变化,进而影响系统稳定性。针对上述问题,提出一种利用穷举推导抗偏移线圈参数的方法。该方法首先根据所需发射和接收线圈尺寸、线圈气隙,穷举出不同匝数和匝距的发射线圈。然后利用互感公式计算线圈发生偏移过程中的互感数值,并判断线圈发生偏移时互感是否稳定,最后通过筛选可以得到所需线圈的绕制参数。利用所提方法推导抗偏移线圈,计算时间较短,设计精度较高。通过实验验证,证明了所提方法的有效性。
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  带中继谐振器的磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率特性分析

  冯宏伟, 刘媛媛, 黄从贵, 谢林柏

  电源学报. 2023, 21(5): 166-172. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.166

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  探讨了带中继谐振器的磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT（magnetic coupling resonant-wireless power transfer）系统的传输效率优化问题。通过构建和分析带中继线圈的等效电路模型,引入功率传输性能参数|S_ij|²推导出当中继线圈和接收线圈位置固定时,发射线圈和带中继谐振器之间的最佳耦合系数的闭合形式解,进而确定发射线圈和带中继谐振器之间的最优距离,实现总系统传输效率最大化。通过线圈设计及相关实验,验证了分析结果与实验结果的一致性。研究结果表明,MCR-WPT系统可方便配置最佳耦合系数以实现电能传输效率最大化,为带中继谐振器的WPT系统效率优化提供重要参考。
电池与储能
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  基于Dropout优化算法和LSTM的铅酸蓄电池容量预测

  舒征宇, 翟二杰, 李镇翰, 黄志鹏

  电源学报. 2023, 21(5): 173-181. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.173

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  针对变电站铅酸蓄电池容量预测模型存在的预测准确率低、泛化能力差等问题,提出一种基于Dropout优化算法和长短期记忆LSTM（long short-term memory）神经网络相结合的容量预测模型。该模型以LSTM神经网络为基础,结合变电站蓄电池充放电特性,将长时间跨度的蓄电池运行数据作为模型的输入,建立多层级LSTM预测模型来提升预测结果的准确率。同时基于Dropout优化算法完成LSTM预测模型的训练,提升模型的泛化能力。工程实际应用表明,相较于传统的LSTM神经网络和BP神经网络,改进模型在长时间跨度预测时具有更高的准确率和更好的泛化能力。
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  基于数据驱动的锂离子电池RUL预测综述

  张若可, 郭永芳, 余湘媛, 胡晓亚

  电源学报. 2023, 21(5): 182-190. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.182

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  剩余使用寿命预测技术对于锂离子电池的安全使用及维护具有重要意义。由于锂离子电池的长寿命特性以及复杂的非线性退化机制,目前剩余使用寿命预测仍是电池状态预测的难点问题。数据驱动方法不需要考虑电池内部电化学特性,而仅从数据角度出发,是目前主流的预测方法。通过实例介绍了剩余使用寿命概念,分类阐述了各种基于数据驱动的预测方法,并对其优缺点进行了分析。最后,针对现有方法的不足,提出未来需要改进的方向。
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  基于EWT-FC方法的氢-超级电容混合储能功率分配

  何平, 雷勇, 杜佳耘, 王进武

  电源学报. 2023, 21(5): 191-199. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.191

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  为平抑风电功率波动,弥补单一储能的不足,引入氢和超级电容构成的混合储能装置平滑风电功率波动。针对传统功率分配方法难以建模,容易出现模态混叠现象等问题,以及为了提高储能系统可靠性,提出了一种经验小波变换EWT（empirical wavelet transform）-模糊控制FC（fuzzy control）策略方法。首先,为了验证EWT算法能实现储能设备间功率精确分配,将EWT算法与经验模态分解EMD（empirical mode decomposition）和小波变换WT（wavelet transform）算法进行对比;其次,采用EWT算法分解重构风电原始功率得到并网功率和混合储能平抑功率;最后,考虑超级电容荷电状态SOC（state-of-charge）和储氢罐压力对系统安全稳定运行的影响,采用模糊控制修正储能元件的充放电功率。仿真结果表明, EWT算法避免了模态混叠,实现了储能设备间功率精确分配。该控制策略能有效平抑风电波动,保证了SOC和储氢罐压力在合理范围内,延长了设备寿命,实现系统稳定运行。
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  基于导抗网络的电动汽车充电器

  马浩, 陈希, 张斌荣, 杨元健, 全雯琳, 阚加荣

  电源学报. 2023, 21(5): 200-206. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.200

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  电动汽车应用日益广泛,车载充电器是其重要装置之一。充电过程需要同时检测电池的电压与电流,而采用电压、电流双闭环控制进行先恒流、再恒压的充电过程,成本相对较高且控制器较复杂。为此,提出一种基于导抗网络的充电器电路,分析了充电器的工作原理,给出了导抗网络的设计方法。该充电器不仅可以实现全部开关器件的软开关,而且器件电流应力低,充电过程不需检测充电电流就可以实现恒流、恒压两阶段充电,降低了充电器的成本与控制策略的复杂程度。实验结果表明,所提充电器具有良好的性能。
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  环境温度对锂离子电池放电性能的影响

  张蕾, 杨洋, 崔朝阳, 张轶, 乔岩

  电源学报. 2023, 21(5): 207-213. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.5.207

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  动力型锂离子电池的特性与环境温度紧密相关。开展不同环境温度下电池的放电性能试验,研究不同环境温度对电池的容量和能量、放电平台以及对应续驶里程的影响规律。结果表明,动力型锂离子电池的放电容量和能量以及放电平台在低温环境下迅速降低;室温下放电容量和能量与工况速率（放电倍率）的大小成反比,而低温下二者成正比;对比不同工况温升曲线发现,较低温度环境下大电流促使温升速率加快,对低温放电容量产生了积极效应。