电源学报

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一种基于自由衰减振荡的固定占空比控制的无铁芯变压器

戴晨皓, 张波

电源学报. 2024, 22(2): 1-9. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.1

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针对基于无铁芯变压器的DC-DC变换器工作频率过高的问题,提出了一种基于自由衰减振荡的无铁芯变压器的DC-DC变换器。首先,建立无激励源的串联型-串联型拓扑电路理论模型,讨论特征根的演化过程,分析系统自由衰减振荡的运动行为。其次,设计基于自由衰减振荡无铁芯变压器的DC-DC变换器。实验结果表明,该变换器的开关频率可明显低于无铁芯变压器的工作频率,且其输出功率与无铁芯变压器的工作频率可被自由衰减振荡系统的特征根所描述。最后,构建一个实验样机,该样机采用固定占空比控制,当无铁芯变压器的工作频率为206 kHz、开关频率为103 kHz和69 kHz时,变换器的最高整机效率为91.2%,变压器效率在任何工况下均高于96%。

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基于预估-校正算法的分数阶Boost变换器倍周期分岔研究

谢玲玲, 杨雨晴, 姚浚义, 秦龙

电源学报. 2024, 22(2): 10-18. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.10

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基于电感电容本质是分数阶的事实,对分数阶Boost变换器的非线性动力学特性进行了深入研究。采用分数阶微积分的预估-校正算法,建立了Boost变换器的预估-校正模型,在此基础上得到了以参考电流、输入电压以及电容电感阶数为分岔参数的分岔图,研究了变换器的倍周期分岔和混沌行为,同时与整数阶Boost变换器的非线性动力学行为进行了比较。研究结果表明,在一定的工作条件下,随着变换器某些电路参数的变化,分数阶Boost变换器会出现分岔和混沌等非线性现象;在相同电路参数的条件下,整数阶和分数阶变换器的稳定参数域之间存在差异,与整数阶变换器相比,分数阶变换器的参数稳定区域更小,更真实地反映了Boost变换器的非线性动力学特性。

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基于R-L分数阶定义的PCCM Boost变换器建模与分析

王仁明, 李啸, 张赟宁

电源学报. 2024, 22(2): 19-26. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.19

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研究了基于R-L分数阶定义的电感电流伪连续PCCM（pseudo-continuous conduction mode）Boost变换器模型,并由此导出了变换器的状态平均模型,然后推导出升压比,直流静态工作点,电感电流波纹以及输出电压波纹的表达式。结果表明,与基于Caputo分数阶定义下的变换器模型相应表达式比较,R-L分数阶定义下的直流静态工作点和升压比不仅与占空比相关,而且还与电感和电容的阶数有关,输出电压波纹的表达式不仅与分数阶电感的阶数α有关,与分数阶电容的阶数β也相关。电感和电容的阶数对状态变量的直流分量和分数阶PCCM Boost的稳态特性有很大影响。最后,在MATLAB/SIMULINK中搭建了R-L分数阶PCCM Boost变换器数学模型和电路模型,仿真结果显示R-L分数阶PCCM Boost变换器模型的分析结果比其他PCCM Boost模型的分析结果更加稳定,误差更小。

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基于Cockcroft-Walton倍压网络的隔离型高升压比DC-DC变换器

包鹏, 刘雪山, 多佳琦, 张荣飞, 王春涛

电源学报. 2024, 22(2): 27-35. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.27

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传统Boost变换器由于受到占空比的约束,一定程度上限制了其在高电压增益电源上的应用。本文基于隔离型升压变换器和Cockcroft-Walton电压倍增单元研究了一种具有高电压增益的DC-DC变换器,并分析了其工作原理及特性。该变换器通过整合隔离型升压变换器与电压倍增单元实现了超高升压比转换,与传统Boost变换器相比,该拓扑具有以下优点：①在较低占空比下实现了高电压增益;②较低的有源开关器件电压应力;③单开关结构简化了控制电路。最后,搭建了一台效率可达89.5%的35 W样机,实现了24 V到1 000 V的高升压比转换,并利用样机对理论分析结果进行了验证。

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一种低电流纹波高增益软开关直流变换器

王建, 林国庆

电源学报. 2024, 22(2): 36-46. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.36

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提出了一种应用于新能源发电系统的低电流纹波高增益软开关直流变换器。在传统交错Boost变换器基础上,该变换器通过引入耦合电感和二极管、电容升压单元提高电压增益,耦合电感在整个开关周期过程中都传递能量,提高了磁芯利用率。输入侧工作在交错模式,两相电感电流纹波可以相互抵消,从而获得较低的输入电流纹波。由于耦合电感自身漏感的存在,减轻了整流二极管反向恢复问题,同时采用有源钳位电路回收利用漏感能量,实现了所有开关管零电压软开关,抑制了开关管关断电压尖峰,提高了变换器转换效率。详细分析了变换器的工作原理、电路特性以及软开关实现方法。最后,搭建了一台200 W的试验样机验证了理论分析的正确性。

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Boost端耦合电感三管交错并联升降压电路研究

张先进, 张小倩, 吴迪

电源学报. 2024, 22(2): 47-54. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.47

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双管Buck-Boost变换器在升降压场合被广泛应用,虽然其控制和调制模式较多,但是其通常仍然工作在硬开关状态,且交错并联时控制电路较为复杂。利用同向耦合电感的特点给出了Boost端同向耦合电感三管交错并联Buck-Boost电路及控制方法。分析了大耦合系数条件下耦合电感在开关管切换过程中的耦合过程,并据此详细分析电路基本工作原理,得出在自感电流断续模式下,该电路具有利用小占空比获得大占空比功能的占空比扩展和Boost部分功率器件软开关功能,从而避免两相交错并联控制电路中同步电路和均流电路,大大地简化了控制电路。最后,仿真和实验结果表明理论分析是正确可行的。

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定频移相控制六开关双谐振变换器研究

潘健, 宋豪杰, 刘松林, 熊嘉鑫, 石迪

电源学报. 2024, 22(2): 55-63. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.55

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针对传统频率控制的LLC谐振变换器在宽电压应用中电压调节性能差且循环电流较大的问题,设计一种六开关双谐振LLC变换器。该变换器由2个全桥LLC谐振变换器共用1个桥臂混合组成。相较于传统的频率控制,该变换器采用定频移相控制调节输出电压,减小开关频率范围。根据2个变压器连接方式的不同,变换器有2种拓扑形态。当2个变压器顺极性串联时,变换器的增益范围为0~1,可以实现超宽输出电压;当2个变压器反极性串联时,变换器的增益范围为1~2,在工作过程中具有较小的环流损耗。2种拓扑形态下,原边开关管和副边二极管分别实现ZVS开通和ZCS关断。最后,通过Simulink仿真和实验验证了研究内容的有效性。

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一种双有源桥变换器单侧非对称占空比调制策略

王弥新, 潘三博

电源学报. 2024, 22(2): 64-72. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.64

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针对双有源桥变换器在单移相调制策略中宽电压范围情况下的低效率问题,文中提出了一种单侧非对称占空比调制策略,显著的提升了双有源桥变换器的效率,尤其是在轻载情况下。首先描述了单侧非对称占空比调制方式的原理,并根据控制自由度的关系得到了两种工作模式。第二,基于时域分析,推导了两种工作模式的稳态特性,包括电感电流以及传输功率。第三,为了寻求控制自由度的最优组合,选择电感电流峰峰值作为优化目标,应用KKT条件得到了最优的单侧非对称占空比调制策略。最后,搭建了一台基于碳化硅器件的双有源桥变换器实验平台,实验验证了单侧非对称占空比调制策略的有效性。

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基于逆系统解耦的三电平Buck变换器反步滑模控制

蒋经纬, 陆益民

电源学报. 2024, 22(2): 73-80. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.73

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多电平变换器因其可以降低开关管承受的电压应力、减小滤波电感和滤波电容体积,被广泛应用在直流微电网中。三电平Buck变换器的飞跨电容电压和输出电压存在耦合,是一个多输入多输出、强耦合的非线性系统。针对这一问题,提出一种逆系统解耦反步滑模控制方法。采用逆系统方法实现输出电压控制和飞跨电容电压控制的解耦,采用反步滑模法控制保证输出电压的稳定性和鲁棒性,通过状态反馈控制将飞跨电容电压平衡在输入电压的1/2处。仿真和实验结果表明,所提控制策略能使得飞跨电容电压和输出电压均具有良好的稳态和动态特性。

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基于氮化镓的反激同步整流DC/DC变换器设计

佟强, 刘贺, 曲璐

电源学报. 2024, 22(2): 81-89. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.81

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给出了一种适合低轨商用航天的中小功率DC/DC变换器的设计方法。该方法采用了反激同步整流拓扑和表贴器件,可以覆盖常见的航天用中小功率单路及多路输出DC/DC变换器需求,具备低成本、高性能、高可靠、可批量化生产的优点。为了进一步提高转换效率和功率密度,还应用了氮化镓GaN（gallium nitride）功率开关。并且对不同工作条件下拓扑中主要功率器件的损耗进行了计算和对比分析。最后,以一款宽输入电压范围（23~47 V）,输出5 V@30 W的电源变换器为例对所提方法进行了验证。

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基于模型预测控制的Buck型双向DC-DC变换器动态补偿控制

孟良, 胡雪凯

电源学报. 2024, 22(2): 90-97. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.90

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针对直流微电网中负载投切、功率波动和二倍频注入导致的直流电压波动问题,提出了一种基于模型预测控制的Buck型双向DC-DC变换器动态补偿控制策略。首先,建立Buck型双向DC-DC变换器的离散状态空间矩阵,并以输入电流为扰动量。其次,设计Buck型双向DC-DC变换器的基于模型的内环电流预测控制和外环电压控制。然后,针对电流扰动设计基于残差生成器的动态补偿控制结构,并求解动态补偿控制器Q（z）,同时利用最小二乘递推算法进行参数辨识,减少模型不确定性对动态补偿控制策略的影响。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上设计对比实验,验证所提控制策略的有效性。通过实验结果可知,该补偿控制结构在不改变原预测控制的前提下,可以有效地解决直流母线电压波动问题,增强整个系统的鲁棒性。

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基于分裂-叠加结构的部分功率主动调控型准单级直流变换方法

侍良东, 程钰杰, 杨帆, 吴红飞

电源学报. 2024, 22(2): 98-105. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.98

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针对“直流变压器级联PWM变换器”两级式架构中各级变换器均需处理全部负载功率、多级变换效率低的问题,提出了基于分裂-叠加架构的部分功率主动调控型准单级直流变换方法。通过将直流变压器输出分裂为两个端口,使得其中一个端口的功率无需经后级PWM变换器处理而直接传输至负载,等效实现了准单级功率变换,且有效降低了PWM变换器的功率容量和损耗,提高了系统效率。详细分析了分裂-叠加式架构的原理和电路实现方法,深入研究了系统输出电压调节的原理和特性。以其中一个电路为例,详细分析了工作原理、电压调节特性和关键参数设计方法,并通过实验结果验证了所提方案的有效性和正确性。

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三端口直流换流装置及其无源控制仿真研究

刘誉繁, 李建国, 张雅静, 王久和

电源学报. 2024, 22(2): 106-112. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.106

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所研究的三端口换流装置包括电源、储能和负荷3个端口,其中负荷可以直接从电源或储能端口获取电能。首先,建立了欧拉-拉格朗日形式的数学模型,设计了无源控制器,并展开了无源控制PBC（passivity-based control）的仿真研究。PBC策略在非线性系统中具有全局稳定性强、对系统参数偏差和外部干扰具有较强的鲁棒性等优点,以PBC理论为基础,论证了该三端口换流装置系统的无源性,通过无源控制和单移相控制的双主动全桥DAB（dual-active-bridge）,实现了三端口之间的能量传递,最后给出Matlab/Simulink中的仿真结果,证明了该装置中负荷可以直接从储能端口获取电能并可以安全稳定可靠地运行。

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基于开关电容的单输入升压型七电平逆变器

张国鑫, 陈仕铠, 叶远茂

电源学报. 2024, 22(2): 113-120. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.113

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针对现有多电平逆变器存在拓扑结构复杂、开关器件总电压应力高和串联电容电压不平衡的问题,提出了一种新型的开关电容七电平逆变器。通过同相层叠脉宽调制策略,合理地控制开关管使得三个电容器与直流电源串并联分时运行,实现了三倍升压增益的七电平输出。该逆变器采用单个直流输入电源,不仅具有结构简单、器件少、升压能力强和电容电压自平衡等优势,并且负载端不采用逆变H桥来改变输出电平极性,从而降低开关器件的总电压应力。分析了逆变器的拓扑结构、工作原理、电容电压自平衡、调制策略、电容参数和电流应力,并从开关管数量、二极管数量、电容数量、总开关电压应力和升压增益5个方面与现有拓扑进行了比较分析,充分证明所提拓扑的实用性。最后实验结果验证了该拓扑的可行性。

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一种新型开关电容准谐振多电平逆变器

梁国壮, 聂辰浩, 田涵雷

电源学报. 2024, 22(2): 121-131. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.121

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针对现有多电平逆变器充电过程存在电流尖峰和电压波动问题,提出一种新型准谐振五电平逆变器。简言之,采用载波层叠脉宽调制方案,将开关电容技术与传统五电平逆变器相结合,减小了前级承受的累加电平,实现了五电平输出;并在电容充电过程与串接电感谐振,消除了电流尖峰和电压波动,同时减轻了电容的发热问题,延长电路的使用寿命。最后,对所提结构进行了仿真验证,其结果证明了所提逆变器结构方案的正确性和可行性。

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一种共地型高增益无变压器光伏逆变器

殷伟斌, 丁一岷, 范明, 傅进

电源学报. 2024, 22(2): 132-138. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.132

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提出一种用于光伏发电的单相无变压器逆变器,其输入端和输出端之间共地,从而消除了光伏系统中的共模电流。同时,该逆变器的电压增益高于传统单相准Z源逆变器。此外,利用薄膜电容使逆变器更可靠,并延长其使用寿命。详细分析了该逆变器的工作原理,最后,搭建了一台140 W的实验样机,在孤岛和并网2种运行模式下验证了所提逆变器拓扑的正确性和控制策略的有效性。

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一种新型的CRM-Boost APFC控制方法

陈明城, 张卫平, 刘元超, 史本元, 张晓强

电源学报. 2024, 22(2): 139-146. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.139

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介绍了Boost-APFC电路工作在临界导通模式下的优势。针对传统单相CRM-Boost APFC电压模式控制方法存在PI参数调试时间较长、调节效果较差、不稳定因素增加等不足,提出了一种有静态工作点的单相CRM-Boost APFC电压模式控制方法,并通过PSIM仿真验证了该方法的优点。针对新型交错控制方法存在PI参数调试时间较长、不稳定因素增加等不足和需要额外使用一个电压控制电流源的情况,提出了一种改进型两相交错并联CRM-Boost APFC电压模式控制方法,并且完成了PSIM仿真,功率因数高达99.96%。制作了一台4kW的两相交错并联CRM-Boost APFC实验样机,并进行了实验调试,功率因数达到了99.66%,效率为98.02%。

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NPC三电平虚拟同步机桥臂故障容错模型预测控制

金楠, 肖晗, 谢欢, 武洁

电源学报. 2024, 22(2): 147-157. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.147

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虚拟同步机VSG（virtual synchronous generator）通过模拟同步机特性为新能源并网提供惯性和阻尼。然而,电力电子开关器件高频开关过程中可能会发生断路故障,导致输出电流波形严重畸变,影响电网安全稳定运行。针对中点箝位型NPC（neutral point clamped）三电平VSG桥臂故障问题,提出一种中点电压均衡的VSG容错模型预测控制策略。分析NPC三电平VSG单相桥臂故障后运行机理,在开关器件故障后利用直流侧电容组成虚拟桥臂,重构为VSG桥臂故障容错结构。建立故障情况下预测电流模型,重构故障状态空间电压矢量,将直流侧中点电容电压引入容错模型代价函数,减小电容电压波动,实现VSG桥臂故障容错运行。实验结果表明,在开关器件发生故障后,NPC三电平VSG能容错连续运行,验证了所提模型预测容错控制策略的有效性,提高了VSG运行可靠性。

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一种提高变流器弱电网适应能力的虚拟阻抗控制策略

杨树德 , 李旺, 张新闻, 蔡长虹, 高雄鹰, 周鑫

电源学报. 2024, 22(2): 158-166. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.158

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弱电网下较大的电网等值电感可能引起并网变流器失稳,为此,首先,建立了并网变流器的阻抗模型,根据阻抗比判据分析了电网等值电感对并网变流器稳定性的影响;其次,针对并网变流器对感性电网阻抗适应能力较低的问题,提出了一种基于带通滤波的虚拟阻抗控制策略,并研究了虚拟电阻值对变流器弱电网适应能力的影响,给出了虚拟电阻的选取原则;最后,搭建了系统仿真模型,仿真结果验证了文中理论分析的正确性和控制策略的有效性。

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弱电网下LCL逆变器的有源阻尼控制策略研究

王翰文, 曾成碧, 苗虹

电源学报. 2024, 22(2): 167-174. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.167

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在弱电网中,由于电网阻抗的存在,会导致新能源并网LCL滤波器固有谐振频率发生偏移,传统有源阻尼控制策略则无法保证系统的稳定性。而且随着新能源发电在电力系统中的占比不断提高,如何降低运营成本成为了研究热点。因此本文提出一种基于并网电流和公共耦合电压反馈的新型控制策略,该控制策略不仅提供了有源阻尼以抑制LCL谐振,而且减少了传感器的使用,还能对大范围变化的电网阻抗有较强的适应能力。通过仿真和实验表明,与传统的控制策略相比,在改进的策略下弱电网的实用范围增加,系统的稳定性得到提高,对谐波的抑制能力提升,并网电流质量有了良好的改善。

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积灰对光伏组件性能影响的试验研究及数值模拟

吕玉坤, 周庆文, 魏子安, 赵伟萍, 汪岳池

电源学报. 2024, 22(2): 175-182. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.175

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探究光伏组件表面积灰对其输出特性的影响及污秽颗粒在组件表面的沉积规律,有助于制定清灰方案,提高光电转化效率。以置于华北电力大学风机大厅楼顶的光伏阵列为研究对象,进行人工布灰试验,探究了不同积灰量对组件输出功率、电流和电压的影响;为探究某单一因素对污秽颗粒沉积的影响,利用COMSOL软件建立与光伏组件自然积灰试验条件相同的颗粒沉积数值模型,模拟分析了风速、湿度、颗粒粒径和污秽浓度对光伏组件表面污秽颗粒沉积的影响。试验结果表明：积灰对工作电压影响较小,对输出功率和工作电流影响较大,且当积灰密度为5.07 g/m²时,组件输出功率、电流和电压的变化率分别为8.71%、6.48%和0.40%。模拟结果表明：其他条件相同时,颗粒的沉积量随风速和粒径的增大均先减小后增大,在风速3 m/s和粒径15 μm时取得最小值;相同条件下,颗粒沉积量均随湿度和污秽的浓度的增大而增大。

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电动汽车动力锂离子电池可靠性关键技术综述

何文轩, 耿磊, 姚芳

电源学报. 2024, 22(2): 183-196. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.183

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随着动力锂离子电池在电动汽车行业发挥关键性作用,保证其工作可靠性已成为当下研究热点。文中综述锂离子电池材料和制造工艺;详细归纳总结电池状态估算方法以及剩余寿命预测方法,并讨论各种方法的优缺点;从电池管理系统层面,先后梳理均衡管理系统和热管理系统相关知识;从电动汽车混合储能系统层面阐述实际工况下性能退化机理及相关技术。最后总结电动汽车动力锂离子电池与可靠性相关的四个方面关键技术的现状,并展望未来发展可能。

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锂离子电池全生命周期剩余使用寿命预测

赵沁峰, 蔡艳平, 王新军

电源学报. 2024, 22(2): 197-204. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.197

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为确保新能源汽车在整个使用期间的安全性,需要对锂离子电池进行全生命周期的健康监测。针对基于神经网络构建的剩余寿命预测模型训练数据集容量较小导致学习率较低,以及极限学习机方法具有复共性的问题,提出一种扩增训练数据集的方法,并基于改进极限学习机构建锂离子电池全生命周期剩余寿命预测模型。首先,提取电池早期运行数据构建健康因子,利用Akima插补法进行训练数据量的扩增;然后,使用樽海鞘群优化算法对极限学习机网络进行改进,建立锂电池全生命周期剩余寿命预测模型;最后,利用NASA电池数据集对模型进行验证。实验结果表明：所提出的训练数据容量扩增的方法有效,全生命周期剩余寿命预测模型容量跟踪能力强,预测误差小。

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动力锂离子电池组均衡策略研究

齐火箭, 张新瑞, 王嘉宏, 徐海宾, 张捷靖

电源学报. 2024, 22(2): 205-215. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.205

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为了有效减小串联锂离子电池组在使用过程中的不一致性,提出一种使用Cuk均衡器结合双层选择开关的新型均衡拓扑,该拓扑能够快速地实现任意单体间的能量传递,提高均衡速度。根据开路电压OCV（open circuit voltage）-荷电状态SOC（state-of-charge）曲线的特性,采取分段式均衡,将电压和SOC作为均衡变量,并设计模糊逻辑控制FLC（fuzzy logic control）算法动态调节均衡电流,以减少均衡时间和能量损耗。使用Matlab/Simulink软件进行模型搭建并仿真,实验结果表明,所提出的能量传递拓扑比传统Cuk电路在相邻单体间能量传递的拓扑要节省22.17%的均衡时间。此外,与均值差分算法相比,使用FLC算法在静置和充放电条件下,提高了30%以上的时间效率和约11%的能量效率。验证了该均衡方案的可行性。

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基于SOC的串联连接锂电池能量均衡控制研究

马春艳, 王庆龙, 张迪, 张纯江

电源学报. 2024, 22(2): 216-223. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.216

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串联锂电池的SOC均衡控制对提高电池寿命具有重要意义。针对锂电池单体SOC表现出离散性的不同情况,本文研究了一种主动均衡与被动均衡相结合的混合均衡方案,其中主动均衡器拓扑由多绕组反激变换器实现,被动均衡器由电阻与开关组成并联在单体电池两端,详细分析了混合均衡器的工作原理。在控制策略上讨论了锂电池SOC的离散性对均衡速度的影响,引入表征SOC离散度的标准差和表征离散原因的系数以实现SOC不同离散情况下的快速均衡。所提出的混合均衡器拓扑和控制方案能够使耗能与均衡速度获得优化,实验结果验证了文中理论的可行性。

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基于自适应小波变换与HHT的混合储能容量配置

唐杰, 姜有华

电源学报. 2024, 22(2): 224-230. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.224

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混合储能系统能有效缓解风电输出功率强波动性与随机性造成电网频率不稳定问题。本文以蓄电池和超级电容组成的混合储能系统为研究对象,提出了一种混合储能容量配置方法。该方法首先采用自适应小波变换对风电输出功率进行功率一次分配,得到满足条件的并网功率和储能功率。然后采用HHT变换对储能功率进行分解,得到一系列波动功率分量以及各分量的瞬时频率。再根据瞬时频率确定分界频率,将高于分界频率的功率分量分配给超级电容,剩余的功率分量分配给蓄电池。最后根据蓄电池与超级电容各自的储能功率,对储能系统的额定容量与额定功率进行配置。该仿真结果表明,本文采用自适应小波变换与HHT变换能够有效地将风电输出功率进行分解,实现风电输出功率的平抑与混合储能系统的容量与功率配置。

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面向脉冲负载的基于超级电容储能UPQC设计及控制策略研究

王萌, 黄细霞, 孙程

电源学报. 2024, 22(2): 231-241. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.231

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针对带有脉冲负载电网的电压畸变和电流畸变问题,设计了带有超级电容储能的三电平统一电能质量调节器,提出了基于人工神经网络的方法对串联和并联补偿单元进行控制,基于双闭环PI控制的方法对超级电容储能单元进行控制。其中,串联补偿单元进行电压补偿,以维持负载电压的稳定,保证负载的用电需求;并联补偿单元进行电流补偿,以维持电源电流的稳定,避免电网受到持续大幅冲击;超级电容储能单元对直流侧进行充放电,以维持直流侧电压的恒定,保证串、并联侧的正常工作。所提方法省去了繁琐的坐标变换过程,避免了多个滤波器造成相位滞后的问题。仿真实验结果表明,所提拓扑和控制策略有助于改善带有脉冲负载电网的电能质量。

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采用改进MPC提高储能系统电压暂态特性研究

鲍建, 杨沛豪

电源学报. 2024, 22(2): 242-249. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.242

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储能系统通过换流器实现并网运行,常规换流器因为其开关频率低,在采样、计算环节存在延时导致储能系统暂态特性差,甚至引起整个电网不稳定。本文采用模型预测控制MPC（model predictive control）来实现储能系统功率快速响应,避免延时影响。引入功率权重价值函数在有功、无功MPC控制中,计算储能换流器输出电压最优值。针对因为滤波电感参数偏移导致的MPC模型不准确问题,本文采用电感误差补偿控制来提高模型精度。通过Matlab/Simulink仿真和实验来验证本文所提方案可提高储能系统暂态特性,有效消除误差对MPC控制性能的影响。

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超导磁储能装置提高柔性直流配电系统稳定性的研究

李岚, 丁安敏, 田洪英, 张彦, 张奎同, 马文忠

电源学报. 2024, 22(2): 250-262. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.250

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柔性直流配电系统中定功率控制的换流器具有恒功率负载特性,会降低系统阻尼,对系统的稳定性产生不利影响。针对该问题,在直流配电系统中加入超导磁储能SMES（superconducting magnetic energy storage）装置来提高系统的稳定性。推导了柔性直流配电系统的反馈控制模型,采用频域分析法研究了换流器恒功率负载特性对系统稳定性的影响,并结合数学模型和频域分析,指出SMES装置能够为电网提供正阻尼,增大了系统开环传递函数在剪切频率处的相位裕度,从而改善了系统稳定性。为防止超导磁体两端电压过高,SMES装置与直流配电网连接的DC/DC换流器需具备一定的电压调节性能,因此研究了采用模块化多电平DC/DC换流器DC-MMC（modular multilevel DC/DC converter）的SMES装置,通过调节子模块个数灵活设置换流器电压变比,在实现换流器能量双向流动的同时控制超导磁体两端电压,以保护储能装置。最后通过时域仿真波形验证了采用DC-MMC的SMES装置在提高柔性直流配电系统稳定性方面的可行性和有效性。

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海上风场混合直流送出系统停机策略研究

方陈,魏新迟, 时珊珊, 杨建平, 蔡旭, 方梓熙

电源学报. 2024, 22(2): 263-272. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.263

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对基于二极管整流器的低成本混合直流换流器的停机策略进行了研究。将辅助换流器的停机过程分为能量回馈与能量耗散阶段,能量回馈阶段通过主动控制,将子模块电容上储存的部分能量经直流母线回馈到电网中;能量耗散阶段通过耗散电阻依次对谐振电容和子模块电容放电,并推导了放电电流、电容电压和放电时间的计算方法,给出了耗散电阻的设计方法。所提停机策略能够快速有效实现换流器电容放电,且不需要高耐压大容量的耗散电阻,有利于工程实现。最后在Matlab/Simulink中搭建了相应的仿真模型,仿真结果验证了停机策略的有效性。

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基于多类需求响应的配电网优化调度

王玉梅, 王露露

电源学报. 2024, 22(2): 273-282. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.273

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针对当前激励型定价补偿机制无法满足多类型负荷差异化需求的问题,提出了一种分段式补偿价格形式的可中断负荷补偿方法,同时引入负荷转移时间和负荷转移功率的二维交变函数,建立了量化负荷转移成本的可转移负荷补偿模型;计及可中断负荷不确定性,建立了多类型需求响应参与配电网优化运行模型,针对模型中非凸非线性的约束,利用二阶锥松弛方法将模型转化为混合整数二阶锥规划模型,采用CPLEX求解器对模型进行求解,并引入贡献度和置信度作为评估用户响应能力的评价指标。仿真结果表明,新型补偿机制能更加合理地指导用户调整用电负荷,平滑负荷曲线,提高配电网运行经济性。

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基于自适应变分模态分解的组合模型风电功率预测

鹿凯, 石开明, 贾欢, 金勇杰, 王旭, 徐谱鑫

电源学报. 2024, 22(2): 283-289. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.283

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风电机组出力的高波动与随机性,影响电力系统安全稳定运行与风电预测精度,针对此提出结合风电功率波动特性研究的风电功率预测方法。首先从时间与机组规模尺度分析风电功率波动特性,并指导选取合适的风电数据用于风电功率预测;然后建立基于最小二乘支持向量机的风电机组短期功率预测模型,采用自适应变分模态分解实现风电数据分频,并采用改进粒子群优化最小二乘支持向量机模型中影响回归预测的模型参数。实验结果表明,预测模型自适应性较强,通过预测误差评价指标,可证明预测方法的有效性。

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考虑源-荷不确定性的微能源网区间规划方法

李利, 韩胜峰, 郑焕坤, 李征, 李会彬

电源学报. 2024, 22(2): 290-304. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.290

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微能源网存在复杂的能量流动,其源-储优化配置成为其建设初期的首要挑战。此外,微能源网包含的不确定性,特别是风能、太阳能和多能负荷功率的随机波动性难以描述和克服。为解决上述问题,文中将可再生能源和负荷需求的不确定性描述为区间,以年折算投资成本最小为目标,耦合线性化交流潮流模型,计及冷/热/电功率平衡约束、节点电压静态安全约束、线路容量约束、热管道传输功率约束,并基于区间线性规划理论将相应的不确定性约束转化为确定性约束,构建了考虑源-荷不确定性的微能源网区间最优规划模型。通过算例分析验证了模型的可行性和优越性,规划方案可以适应不同的不确定场景,能够保证系统的稳定运行。

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基于PCA和EEMD的柔性直流配电网故障选线算法

胡亚辉, 韦延方, 王鹏, 王晓卫, 曾志辉

电源学报. 2024, 22(2): 305-315. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.305

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柔性直流故障选线技术的发展对直流配电网有着至关重要的作用。本文针对现有柔性直流故障存在的可利用的故障信息较少等问题,提出了一种新算法,该算法有效利用了集合经验模态分解EEMD（ensemble empirical mode decomposition）算法、主成分分析PCA（principal component analysis）和相关系数各自的优势。首先,提取暂态电流样本信号,采用EEMD得到以正交基函数表示的数据矩阵;接着,基于PCA进行该矩阵元素特征向量到主成分的转换,将样本信号投影到主元空间实现坐标变换,从而得到对样本数据的聚类和识别结果;最后,基于相关系数进行故障线路判别。本文算法的EEMD揭露了原始历史数据的内在变化规律,PCA能够有效选择故障有效特征。大量实验表明,该新算法准确有效,与现有其他方法相比,在故障信息不明显、不同过渡电阻方面具有优势。

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5G基站场景下的高压直流远供关键技术与经济模式

周京华, 孟祥飞, 陈亚爱

电源学报. 2024, 22(2): 316-327. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.316

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与4G通讯相比,5G通讯采用大规模天线、超密集组网和高频通讯等关键技术使性能大幅提升,但也使5G单个基站功耗增加,站点数倍增,因此供电需求发生变化。目前有就近供电及高压直流远供两类供电形式可满足新的供电需求。针对高压直流远供,梳理了供电架构与关键技术,并综合考量削峰填谷经济模式运行投资成本、5G基站业务负荷忙闲时段、峰谷分时电价,提出一种可行的工作模式。该工作模式在高压直流远供方案已投资建设的基础上,投资成本小,并利用峰谷分时电价差获得经济效益,一定程度上缓解基站用电成本高的现状。最后对5G基站供电的发展进行展望,为研究或设计其供电提供参考。

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一种混合低谐无盲区的孤岛检测方法

宋绍楼, 马超, 刘昕明, 李旸

电源学报. 2024, 22(2): 328-335. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.328

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主动式检测方法作为一种常用的孤岛检测方法,虽然可以通过增加扰动强度使孤岛检测盲区得以减小,但同时会增大对电网的谐波污染程度。针对此问题,提出了一种混合模糊低谐无盲区的孤岛检测方法,即首先对盲区进行判断,优先使用对电网无谐波污染的被动式孤岛检测方法,若此时处于被动式检测方法盲区之内,则使用一种具有模糊扰动控制的对输出电流第二、四个1/4周期进行扰动的模糊低谐孤岛检测方法。最后搭建相应的仿真模型对所提方法的有效性进行验证。

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配电网络电能质量综合治理设备优化配置策略

付勉, 刘志涵, 宋振浩, 周娟 , 杜少通

电源学报. 2024, 22(2): 336-344. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.336

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针对配电网络电能质量治理设备缺乏全局统筹配置的现状,提出了一种基于多目标粒子群优化算法对谐波、无功及三相不平衡治理设备的综合优化配置策略。分别采用有源电力滤波器抑制谐波、智能电容器补偿无功、换相开关治理三相不平衡,并以每类电能质量问题的治理效果和投入成本为优化对象,以满足相关电能质量标准为约束条件,通过多目标粒子群算法确定治理设备配置节点和相应投入容量的优化配置方案。建立了电能质量评估模型,搭建了基于IEEE-18节点的配电系统仿真模型,并分散接入谐波、无功和三相不平衡负载,模拟电能质量问题,通过仿真验证了所提出的治理设备综合优化配置策略的可行性和相较于传统电能质量治理方案在电能质量治理上的优越性。

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供电电源系统电能质量稳定性监测方法

贾伯岩, 贾静然, 卢锦玲, 王文轩, 景皓

电源学报. 2024, 22(2): 345-351. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.345

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监测供电电源系统电能质量是保障电力系统与用户侧设备安全运行的有效方法,为保障供电电源系统电能质量,研究供电电源系统电能质量稳定性监测方法。基于希尔伯特-黄变换HHT（Hilbert-Huang transform）算法监测供电电源系统电能质量信号帧中谐波频率与幅值,并检测电能质量扰动信号的扰动时间幅值与频率等,以此实现监测系统电能质量稳定性。通过实验检测不同压力（不同电能质量信号帧数量）条件下监测到的电能质量信号的丢帧率和准确率及电能质量信号传输时延,测试结果显示所研究方法可实现电能质量的监测。

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基于Halbach效应的磁屏蔽无线输电耦合机构研究

李强, 李建贵, 王隆扬, 陈晨, 朱郭福, 刘珊

电源学报. 2024, 22(2): 352-359. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.352

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针对主动磁屏蔽需要设置额外激励源、被动磁屏蔽所采用的磁屏蔽材料价格昂贵等问题,在传统DD线圈结构基础之上,提出了一种基于Halbach效应的磁屏蔽无线输电耦合机构。首先,提出了具有磁屏蔽效应的无线输电耦合机构拓扑,基于耦合机构等效磁路模型,从理论上分析了其产生磁屏蔽效应的原理;其次,采用微元法推导了耦合机构在空间中任意平面的磁场强度表达式;最后,搭建实验平台,验证了耦合机构的无线输电性能及磁屏蔽效果。结果表明,Halbach效应线圈在保证输电效率与DD线圈基本一致的同时,能有效削弱耦合机构外的磁场强度,提高磁屏蔽效果。

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电力巡检机器人移动式无线充电系统分析与验证

江炳蔚, 魏斌, 蒋成, 何浩, 吴晓康

电源学报. 2024, 22(2): 360-368. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.360

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为提升变电站的智能化程度,减少巡检成本,采用电力巡检机器人代替人工进行日常巡检。但电力巡检机器人续航能力有限,无法实现全天候巡检,于是使用移动式无线充电的方式进行供电,实现边走边充与二十四小时全天候巡检。本文中首先分析了线圈互感与系统效率之间的关系;接着,针对系统中采用的分段式发射线圈导轨,提出了导轨软切换方式,减小切换过程中的冲击电流,保护了电路元件;最后,通过实验,验证了线圈互感对效率的影响以及导轨软切换方式的可行性与有效性。

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基于无源均流的谐振式无桥型Boost LED驱动电源

史旭, 刘雪山, 周群, 王春涛

电源学报. 2024, 22(2): 369-377. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.369

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传统Boost功率因数校正变换器的输出电压必须大于输入电压,在一定程度上限制了其在LED驱动电源中的应用。同时,传统LED驱动电源因输入端整流桥的存在而限制了自身效率的进一步提升。基于谐振式Boost功率因数校正变换器拓扑提出了一种无源均流型无桥Boost LED驱动电源,通过引入谐振式电容均流网络,实现了多路均流输出;通过整流桥的去除,进一步提升了系统的效率。最后,搭建了一台效率可达93.64%的140 W实验样机,验证了理论分析的正确性与可行性。

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车用永磁同步电机高性能弱磁控制策略

章回炫, 范涛, 宁圃奇, 国敬, 温旭辉

电源学报. 2024, 22(2): 378-385. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.378

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提出一种基于电流预测的车用永磁同步电机弱磁控制方法,以提升永磁同步电机弱磁区的动态性能。详细分析了弱磁区的电压边界问题,以及不同电压选取规则下的稳定性问题。在此基础上,提出了一种考虑稳定性和动态特性的动态过调制策略。此外,研究了基于参数模型的电流预测控制算法,该算法具有快速动态响应和可控约束的优点,在保证稳定性的基础上可有效提升电机弱磁区域动态性能。最后,分别在仿真和实验平台上证明了所提算法的有效性。

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SiC MOSFET器件高温下最大电流导通能力评估方法

李华康, 宁圃奇 , 康玉慧, 曹瀚, 郑丹

电源学报. 2024, 22(2): 386-395. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.386

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碳化硅SiC（silicon carbide）器件被认为是一种良好的耐高温半导体器件,高功率密度和高温应用需要更深入地研究损耗和散热问题。研究了SiC MOSFET功率模块在高温下的最大电流导通能力,考虑了电气性能和散热的相互关系。在建立SiC MOSFET器件的热电耦合模型配合系统散热模型的基础上,分析了热失控过程的机理。通过热电联合仿真确定了一款SiC功率模块高温下的电流容量,与实验结果相比误差约为4%,验证了所提方法的有效性。

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国外航天器电源与供配电标准体系综述

杨东, 杜红, 付林春, 王磊, 姜东升, 穆浩

电源学报. 2024, 22(2): 396-404. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.396

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建设完备的航天器电源与供配电标准体系是提升航天器电源与供配电系统设计正确、确保卫星能源安全可靠的重要工具。本文通过研究欧洲空间标准化合作组织ECSS（European Cooperation for Space Standardization）、美国宇航局NASA（National Aeronautics and Space Administration）、日本宇宙航空研究开发机构JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency）、国际标准化组织ISO（International Standard Organization）和美国航空航天学会AIAA（American Institute of Aeronautics and Astronautics）等国外组织出版的电源与供配电系统标准,分析各自标准专业的侧重点,综述国外标准所包含的内容,总结各组织的标准体系,并结合我国的实际情况,提出了航天器电源与供配电标准体系建议和参考。

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一种适用于介质阻挡放电负载的简易型单极性正向脉冲式供电电源

方文睿, 唐雄民, 江天鸿, 邹翀, 陈伟正

电源学报. 2024, 22(2): 405-413. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.405

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针对常用的负载谐振型波形连续式的供电电源无法充分发挥介质阻挡放电负载的性能,以及现有脉冲式供电电源拓扑结构比较复杂的不足,提出了一种由1个功率开关管、2个二极管和1个耦合电感构成的单极性正向脉冲式供电电源。通过对该供电电源工作模态的分析得出,该供电电源不仅能为介质阻挡负载提供快速上升的脉冲电压,而且功率器件工作于软开关状态。仿真和实验结果验证了该供电电源的可行性,所提出的单极性正向脉冲式供电电源对现有的介质阻挡放电负载的供电电源的升级改造有一定的借鉴意义。

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基于时序控制的固态开关串并联高压脉冲技术

施阳杰, 梁勖, 林颖, 方晓东

电源学报. 2024, 22(2): 414-420. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.414

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针对生物医疗等高压陡脉冲应用需求,设计了基于固态开关串并联高压陡脉冲发生电路,并结合时序控制技术,提出一种脉冲陡化新方法;从理论上分析了脉冲陡化的关键、系统工作的过程以及设计要点。该方法能较好解决开关管增加后杂散参数、布线电感以及导线电感对开关速度的影响。以2 kV高压直流电源、110 Ω的负载电阻进行实验,负载脉冲信号的上升沿约为50 ns,下降沿约为70 ns,输出电流幅值约18 A;最小脉宽信号的半高宽为100 ns,系统的最小分辨率为5 ns,可实现步进为5 ns脉宽的灵活调节,最大脉宽则与储能电容有关。

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一种基于功率合成器和功率分配器的2.45 GHz功率放大器

李钰梁, 杨桢, 李艳, 王宇宁

电源学报. 2024, 22(2): 421-430. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.421

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当前功率放大器在输出效率、输出功率以及线性度等方面不能很好地兼顾,针对这一问题,在三级级联放大方法的基础上,提出了一种基于功率合成器和功率分配器的AB类射频功率放大器。针对线性度和增益的问题,带通匹配和T型网络匹配技术对前置驱动级电路进行了优化设计;利用功率合成技术解决了末级放大器输出功率过大的问题,并且使功率放大器的稳定性和效率得到了保证。为防止功放的温度过高,对功率放大器腔体进行了热特性分析,最高温度为81 ℃,可以使功放得到良好的降温。在室温测试环境下,当中心频点为2.45 GHz时,射频功率放大器的输出功率为47 dBm,放大增益为42 dB,最大功率附加效率大于45%。测试结果与仿真结果相近,为后续放大器的研究与设计提供了一定的指导。

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SiC DC/DC变换器电磁辐射干扰优化

羊岳彬, 李先允, 王书征

电源学报. 2024, 22(2): 431-437. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.431

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碳化硅SiC（silicon carbide）开关器件具有更快的开关速度与更高的工作频率,被广泛应用于DC/DC变流器。但是SiC器件的高工作频率会产生强烈的电磁辐射干扰,为了优化DC/DC变流器内部结构,实现更高的功率密度,提出一种SiC DC/DC变换器电磁辐射干扰的优化方法。文中首先分析了变流器的电磁辐射干扰源特性,根据DC/DC电路扑拓结构建立了空间电磁辐射模型,然后基于电磁辐射模型和模拟退火算法,对DC/DC变换器元件布局进行低电磁辐射优化,优化后的布局方案减少了60.2%的高频导线长度。最后,进行三维有限元仿真分析进行验证,所提出方法能优化SiC DC/DC变换电路布局,将敏感电路上产生的电场强度降低两个数量级。

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基于分数阶混沌的反激变换器辐射EMI主动抑制

吴键澄, 杨汝, 张宇帆, 钟振业, 刘佐濂

电源学报. 2024, 22(2): 438-447. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.438

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快速通断的开关信号是造成开关电源电磁干扰EMI（electromagnetic interference）的主要原因。目前,关于混沌抑制EMI技术的研究主要集中在利用整数阶混沌抑制传导EMI。在此基础上,本文对分数阶混沌在辐射EMI上的抑制以及最优阶次的选取问题展开研究。首先,通过分数阶Lorenz的频谱特性及Lyapunov指数谱分析,优选出1.8阶Lorenz信号为最佳扩频序列;其次,基于变开关频率抑制EMI技术的基本原理,在STM32单片机中分别实现了定频、整数阶、2.7阶、1.8阶Lorenz混沌扩频PWM信号,在一台5 W反激变换器中进行近场辐射实验,证明了1.8阶Lorenz信号对近场磁场辐射抑制作用最强;最后,测得分数阶Lorenz混沌与定频PWM控制下,样机的整机效率相差2%左右,验证了分数阶混沌PWM在辐射EMI抑制性能上的优越性。

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基于多参数变量优化的户内空心电抗器电磁屏蔽方案研究

谢洪平, 何宏杰, 陈喆, 周亚龙, 沈舒雨, 程鑫

电源学报. 2024, 22(2): 448-455. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.2.448

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为解决户内空心电抗器漏磁导致其周围电磁污染严重、金属设备发热问题,采用ANSYS有限元仿真平台,对500 kV变电站的户内空心电抗器及其周围附属设施和房屋结构进行三维电磁建模,并在房屋顶部加设屏蔽板。通过对屏蔽体的材料、厚度及缝隙宽度等多参数变量进行优化分析,形成了一个改善户内电抗器周边电磁环境的方案。仿真结果表明：在钢梁上方增设由3 mm厚的铝板重叠搭接成的屏蔽板,可以有效降低房屋钢结构的磁感应强度,运行时电抗器温度变化符合空心电抗器要求的绝缘耐热等级,屏蔽装置边缘断面温度较高,最高点为53.26 ℃,周围建筑设施平均温度约增加5~10 ℃,满足安全运行要求。

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2024年, 第22卷, 第2期　刊出日期：2024-03-30

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