电源学报

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SiC MOSFET 器件栅氧可靠性研究综述

胡嘉豪, 王英伦, 代豪豪, 邓小川, 张波

电源学报. 2024, 22(4): 1-11. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.1

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碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field effect transistor)因具有高压、高频、低导通损耗等优异特性而获得产业界广泛关注,但相比于硅基IGBT,SiC/SiO₂栅氧界面高缺陷密度引起的栅氧可靠性问题成为制约SiC MOSFET 器件规模化应用的关键瓶颈。通过对近年来国内外SiC MOSFET 栅氧可靠性研究成果的梳理和分析,阐述了当前栅氧可靠性问题的形成原因,归纳总结了各类常用的栅氧可靠性评估方法,并进行了比较分析,最后重点探讨了极端工况下SiC MOSFET 栅氧可靠性及其提升技术的发展现状。

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引入负载扰动观测的Boost变换器定频滑模控制

许加柱, 王家禹, 刘裕兴, 曾林俊, 梁志宏, 钟朝峰

电源学报. 2024, 22(4): 12-19. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.12

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针对传统线性控制方法下Boost 变换器存在系统动态性能差和对负载扰动鲁棒性不强的问题,从功率平衡的角度提出1 种定频滑模电流控制方法。首先,利用负载电流观测值计算维持输出电压稳定所需的输入功率;其次,通过控制电感电流调整变换器输入功率,从而将系统的状态轨迹限制在对负载扰动具有不变性的滑模面上,保证系统大信号稳定并提升其动态性能;最后,基于等效控制原理,通过PWM 技术实现等效滑模控制,避免了传统滑模控制中存在的抖振及开关频率不稳定问题。在Simulink 中对Boost 变换器负载阶跃变换的工况进行仿真,将所提方法与传统线性控制方法对比。结果表明,采用所提方法,系统的动态性能更好,且能保证系统在负载大范围扰动下的大信号稳定。

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一种应用于车载辅助电源的DC-DC变换器

董雨坤, 刘俊峰, 周浩, 曾君

电源学报. 2024, 22(4): 20-28. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.20

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以应用于车载辅助电源模块APM(auxiliary power module)的DC-DC 变换器设计为研究对象,提出1 种由三电平升压型TL-Boost(three-level Boost)拓扑和半桥LLC谐振拓扑构成的两级式DC-DC变换器拓扑结构,分析其工作原理。前级TL-Boost 拓扑将宽范围的输入电压转换为稳定电压,保证了后级半桥LLC 谐振拓扑的高效率运行。通过搭建实验平台并进行相关实验,结果验证了所提DC-DC 变换器的可行性和正确性。

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双开关二次型结构的耦合电感高增益DC-DC变换器

程诗伟, 赵世伟

电源学报. 2024, 22(4): 29-39. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.29

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在能源危机和环境问题的背景下,高电压增益的DC-DC 变换器成为利用可再生新能源不可或缺的环节。基于此,提出1 种双开关二次型结构,使传统的二次型Boost 变换器的电压增益得到有效提升,且降低了开关管的电流应力。结合开关电容和耦合电感,提出1 种电压增益极高的双开关二次型结构耦合电感高增益DC-DC 变换器。该变换器具有电压增益高、2 个开关管同相、开关管和输出二极管电压应力低和多个二极管实现零电流关断的优点。详细分析了变换器的运行原理和稳态性能,包括电压增益推导、元器件电压电流应力等。制作了1 款120 W 样机,验证了理论分析的正确性和变换器的可行性。

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具有混合控制策略的宽输出双全桥LLC谐振变换器

潘健, 石迪, 刘松林, 熊嘉鑫, 宋豪杰

电源学报. 2024, 22(4): 40-52. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.40

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针对宽输出电压范围应用中传统频率控制的LLC 型谐振变换器存在开关频率调节范围宽、循环电流大及难实现高效运行等问题,提出1种具有定频移相-定频PWM 混合控制策略的双全桥LLC 型谐振变换器,以适用于较宽输出电压范围。其由2 个全桥LLC 型谐振变换器共用1 个桥臂组合而成,输出电压通过定频移相-定频PWM 混合控制进行调节,使该谐振变换器实现4 倍电压增益范围以获得较宽输出电压,同时解决传统频率控制中循环电流过大及在移相控制移相角小时的软开关不能实现问题,提升系统效率。该转换器开关频率工作在谐振频率点,电压增益与负载无关且有助于磁性元件设计,在全负载范围内实现软开关。最后给出详细的电路工作原理分析并通过仿真进行验证,搭建实验平台验证了所提变换器的可行性和有效性。

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双有源桥变换器拓扑结构与控制策略研究综述

黄匀飞, 钟启濠, 欧阳有鹏, 张雷, 何晓坤, 陈武

电源学报. 2024, 22(4): 53-65. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.53

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针对功率双向传输系统中的核心—双有源桥DAB(dual-active-bridge)变换器,首先对其基本原理与拓扑结构进行概述;然后,介绍了DAB 变换器单移相、双重移相、拓展移相与三重移相这4 种基本调制策略;进一步地,对基于这4 种调制策略的控制优化建模、优化实现进行了对比分析;最后,对DAB 变换器在实际应用中所面临的问题与解决方案进行了探讨。随着直流配电、储能、分布式能源技术的进一步发展,DAB 变换器将迎来广阔的应用前景。

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基于可变电感的双有源桥隔离DC/DC变换器功率控制

王亮, 王春斌, 史宇欣, 郭卓麾, 徐自远

电源学报. 2024, 22(4): 66-73. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.66

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针对传统双有源桥DAB(dual-active-bridge)变换器存在开关损耗大、循环电流大、负载变化范围窄且运行效率偏低等问题,提出1 种基于可变电感和移相PS(phase shift)角相结合的新型双有源桥变换器功率控制方法。该方法将可变电感和移相角作为主要控制参数,以提升DAB 在更宽的负载变化范围内的运行效率。此外,将DAB 变换器的传递函数线性化,以提高控制器的实用性和便利性。基于所提方法中器件饱和可控,通过减小磁芯尺寸来优化变换器尺寸。最后,通过实验验证了所提方法的有效性和优越性,结果表明在最大PS 角条件下,电感变化显著影响DAB 变换器的功率传输,在轻载和重载条件下,其整体运行效率均比传统DAB 变换器高约5%。

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基于两级结构的电动汽车直流充电桩建模

杨闯闯, 俞波

电源学报. 2024, 22(4): 74-82. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.74

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基于电动汽车直流充电桩的AC/DC 和DC/DC 两级结构,通过对两级电路结构的功能要求进行分析,选择Vienna 电路作为前级AC/DC 整流电路,Buck-Boost 电路作为后级DC/DC 电压变换电路,组合作为主电路搭建MATLAB/Simulink 仿真模型,并分别将负载设置为纯阻性负载和电池的PNGV 模型进行仿真。仿真结果满足输出电压稳压精度、输出电压纹波和输入电流谐波等参数要求,证明了该模型具有应用于含电动汽车负载电网分析的价值,对于研究电动汽车充电对电网的影响具有积极的促进作用。

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一种单电源九开关二倍升压九电平逆变器

潘健, 陈光义, 熊嘉鑫, 刘雨晴

电源学报. 2024, 22(4): 83-91. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.83

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针对现有九电平逆变器存在使用器件较多且调制策略复杂的问题,提出1 种新型的开关电容九电平逆变器,其拓扑仅需1 个直流电源、9 个开关、2 个电容和2 个二极管即可输出九电平,同时实现二倍升压。该逆变器具有电容电压自平衡的能力,无需复杂的控制算法和外部均压电路来维持电容电压平衡。采用多载波层叠调制策略对该逆变器进行调制,逆变器中4 对开关的工作状态互补,可以使用非门逻辑电路来降低调制策略的复杂度。首先对该逆变器的拓扑结构和工作原理进行理论分析;其次,对调制策略进行了详细介绍,并将所提拓扑与其他九电平拓扑进行比较,介绍了该拓扑的优点;最后,搭建的仿真电路和实验平台验证了所提拓扑及调制策略的可行性和有效性。

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一种新型输出频率连续的交-交变频调速系统

李玉东, 段乾超, 王钰, 孟娟娟, 韩亚

电源学报. 2024, 22(4): 92-99. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.92

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针对传统交-交变频器功率器件多、控制复杂、功率因数低等缺点,在脉冲阻塞式交-交变频电路控制原理的基础上提出1 种输出频率连续的交-交变频电路控制方法。首先给出三相输入三相输出和六相输入三相输出这2 种交-交变频电路拓扑及其详细的工作原理。然后,搭建MATLAB/Simulink 仿真环境下2 种变频调速系统仿真模型进行仿真实验,仿真结果与理论分析相一致。最后,制作实验样机进行验证,实验结果证明了所提新型变频调速系统控制方法的有效性与可行性。

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正负序时变幅频旋转矢量及其在三相静止坐标系上投影瞬时值间关系的特征及仿真分析

王巧, 袁小明

电源学报. 2024, 22(4): 100-111. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.100

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随着电力电子化并网设备在电力系统中所占比例的大幅增加,电源侧的输出特性明显区别于传统以同步发电机为代表的电源输出特性,电力电子化电力系统故障分析尤其是网络不对称故障分析面临新的挑战。然而现有的故障分析方法基本未认识到设备内电势的时变幅频特征,仅有的基于时变幅频信号提出的时变幅频对称分量法也仅是1 组数学化的分解公式,无明确的物理内涵作为方法支撑。针对此,通过分析正/负序时变幅频旋转矢量投影三相瞬时值间关系的特征,诠释了时变幅频对称分量法的物理本质。首先,研究时变幅频内电势旋转矢量的产生机制;然后,基于正/负时变幅频旋转矢量在三相静止坐标系上投影瞬时值特性建立描述各相的旋转相量概念及正/负序三相旋转相量图;最后,基于上述旋转矢量投影等效三相旋转相量的过程建立时变幅频对称分量法的物理内涵,由此将不对称故障点电压等效为正/负序旋转相量,并结合仿真进行分析。分析结果表明,所提故障分析方法为时变幅频内电势激励下网络不对称故障分析提供了基础理论。

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锁相同步并网变换器电流控制内电势幅值/频率形成机制分析

洪宇, 袁小明, 龚轩

电源学报. 2024, 22(4): 112-120. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.112

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传统电力系统中,同步发电机独立形成内电势幅值/频率,接入电网建立系统电压。然而目前电网电压的建立越来越依赖于可再生能源设备,在锁相同步下并网变换器形成内电势需检测电网电压,看似与同步机独立形成内电势并建立系统电压不同。针对此问题,研究锁相同步下变换器电流控制形成内电势幅值/频率的机制,明确内电势幅值/频率由电流唯一确定,阐明锁相同步设备在本质上与同步发电机独立形成内电势建立电压相同。首先,基于控制结构与交流瞬时值形成的本质,说明变换器的输出实质上为内电势幅值/频率。然后,从设备与网络闭环动态过程出发,明确端电压与电流的冗余关系,在输入电流确定后内电势幅值/频率即可相应地唯一确定。最后,结合仿真分析,说明输入电流唯一确定内电势幅值/频率的正确性。

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基于H_∞滤波器的LCL 型并网逆变器有源阻尼方法

陈润, 曾君,刘俊峰

电源学报. 2024, 22(4): 121-132. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.121

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LCL 型滤波器具有优越的高频谐波抑制性能,但会造成谐振和稳定性问题。对于LCL 型并网逆变器,传统的电容电流反馈型有源阻尼方法能有效抑制谐振尖峰,但是需要额外的电流传感器。为此,提出一种基于H_∞滤波器的新型有源阻尼控制策略。根据LCL 型滤波器状态空间模型及过程噪声模型完成H_∞滤波器的求解,可利用入网电流和公共耦合点电压信息估计滤波电容电流并完成反馈,增大系统阻尼,即使LCL 型滤波器参数发生摄动也仍能保持估计值的精确度。仿真和实验结果表明,该方法对LCL 滤波器参数变化和电网阻抗变化不敏感,验证了该方法的可行性和优势。

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基于聚合时空图卷积网络的多风场超短期风速预测

徐辰晓, 崔承刚, 郭为民, 杨宁, 刘备, 孟青叶

电源学报. 2024, 22(4): 133-142. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.133

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在一定环境内区域风电场呈不规则分布的条件下,传统卷积神经网络预测方法无法体现出各区域风场的分布状态和影响关系,难以实现对风速的准确预测。针对此问题,采用图卷积网络进行特征建模,并根据多风场的拓扑结构和各区域风场风速的互相关系数建立连通图和权重矩阵。其次,依赖风场风速的时间动态特征,采用改进并列式卷积结构获取同一风场下多时间段的风速序列相关性。再次,利用风场风速的空间相关性和延时效应,采用二阶聚合方法将不同区域内风速的时空特征聚合。最后,经某区域风场数据验证表明,在0~4 h预测尺度下该方法在多风场超短期风速预测中具有提取时空特征并提升预测性能的效果。

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基于小波包分解的城市轨道交通混合储能容量优化配置研究

刘仕兵, 武沛池, 喻星, 但业光

电源学报. 2024, 22(4): 143-151. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.143

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受风速和光照强度等方面影响,风光发电具有随机性、间歇性、波动较大等特点,其直接并网会对电网造成损害。为实现风电平滑并网并对城市轨道交通系统进行安全可靠供电,提出1 种由超级电容/锂电池组成的混合储能系统进行平抑。由于城市轨道交通牵引负荷也具有较大波动,混合储能系统在对风、光出力平抑的同时也对牵引负荷进行了平抑。首先,采用小波包分解技术对牵引负荷与风、光输出功率信号进行多尺度分解与重构得到低频风、光并网功率和中高频分量,使用电池与超级电容分别吸收中频与高频分量。然后,以混合储能系统最小综合成本为目标,混合储能系统荷电状态、功率限制等为约束条件。采用增加收缩因子的差分进化粒子群优化算法进行优化求解,实现混合储能系统年综合成本最小化和内部功率容量配置优化方案。最后,基于某地当日风电、光伏功率数据为例进行分析,结果表明所提方法能够有效抑制风电功率波动,可有效为城市轨道交通进行供电。

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考虑故障穿越和时变延迟的孤岛微网电压功率控制

曹德发, 王彬, 李志华, 马明, 陈诚伟, 周哲民

电源学报. 2024, 22(4): 152-162. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.152

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为了解决孤岛交流微电网由时变通信延迟和不确定性故障引起的不稳定性问题,提出1 种新型鲁棒分层控制方法。该方法包括级联结构的电流环、电压环、虚拟阻抗和下垂控制环。首先,在电流环中设计1 种基于自适应反推积分非奇异快速终端滑模控制的鲁棒控制器,用于在未知有界不确定性和外部干扰时调节和跟踪电流参考值;接着,在电压环中采用混合H₂/H_∞控制,利用状态反馈控制律生成内环参考值,增加控制器对扰动的鲁棒性,并在线性矩阵不等式基础上给出充分条件。考虑到时变延迟TVD(time-varying delay)的不稳定影响,在第二控制层采用基于一致性的分布式协议,以提高控制器应对TVD 的鲁棒性。然后,为提高系统的功率分配精度,采用下垂控制和虚阻抗环;最后,通过半实物仿真,评估了控制方法的性能,并验证了所提控制方法的有效性。与已有研究进行对比分析,仿真结果表明：所提方法在大、小信号扰动下的瞬态响应、稳态性能和故障穿越能力等方面具有一定的优越性。

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采用新型模型预测的光伏虚拟同步机低电压穿越控制

陈璐, 张溪, 党晓圆, 李洁, 冯铁成

电源学报. 2024, 22(4): 163-172. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.163

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在光伏逆变器中采用虚拟同步机VSG(virtual synchronous generator)策略,可以实现惯性和阻尼支撑,但传统VSG 无法对系统提供暂态无功电压支撑,无法满足低电压穿越LVRT(low-voltage ride-through)期间对电压调节的需求。通常网侧发生接地故障后将光伏逆变器VSG 控制切换至模型预测控制MPC(model predictive control),接地故障切除后由MPC 切回至VSG 控制策略。为了提升LVRT 期间目标电流跟踪能力,在MPC 控制中设置自适应目标函数。MATLAB/Simulink 仿真和实验结果表明,所提新型模型预测的光伏虚拟同步机具备低电压穿越能力,LVRT 期间MPC 电流控制精确,MPC 切换至VSG 控制过程中无暂态电流冲击。

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不同故障状态下电网形成变换器的故障穿越控制

陶军, 钟鸣, 阿敏夫, 孙弘毅, 莫瑞

电源学报. 2024, 22(4): 173-181. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.173

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电网形成GFM(grid-forming converter)变换器作为高渗透率电力电子设备电力系统的主要元件之一,其故障穿越FRT(fault-ride through)能力是保证高度电力电子化电力系统稳定运行的重要基础。基于此,提出1 种适用于GFM 变换器的FRT 策略,既考虑了变换器的硬件约束(即电流约束),又可在发生对称和非对称故障时使GFM 在保护模式下运行。首先,详细分析了GFM 变换器的FRT 相关问题;然后,建立了1 种适当的FRT 模型及控制方法;最后,通过功率硬件在环仿真与实验验证所提方法的有效性。结果表明,与电网跟随变换器相比,所提控制方法可保障GFM 变换器在故障时瞬时注入无功电流,以防止变换器出现过流问题,并最终实现GFM 变换器在严重故障条件下仍可容错运行。

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新能源储能微电网惯量支撑性能研究

卢军, 杨沛豪, 何凯琳

电源学报. 2024, 22(4): 182-191. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.182

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针对传统虚拟惯量控制无法在频率恢复阶段使直流母线电压恢复至额定的问题,提出1 种采用高通滤波器的虚拟惯量控制方法。MATLAB/Simulink 仿真结果表明,直流母线电压变化可以反应微电网实时频率,新型虚拟惯量控制策略可以保证频率变化全过程稳定,在频率恢复阶段减小虚拟惯量加快频率恢复,为后续频率调节提供充足时间裕度。高通滤波器虚拟惯量控制方法可以使直流母线电压恢复至初值,在不改变超级电容储能惯量支撑的基础上,使新能源储能微电网保持直流母线电压稳定。

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基于AG-MOPSO的含风电配电网无功优化

苏福清, 匡洪海, 钟浩

电源学报. 2024, 22(4): 192-199. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.192

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针对风电机组并网出力的不确定性,采用基于概率发生的场景分析法将不确定性模型转换为不同发生概率的多场景问题,建立以有功网损和电压偏差最小为目标的无功优化模型。针对传统方法得到的Pareto 前沿多样性较差的问题,提出基于自适应网格的多目标粒子群优化AG-MOPSO(adaptive grid multi-objective particleswarm optimization)算法。该算法采用自适应网格得到外部档案库中粒子的密度,并根据密度信息以轮盘赌机制选取全局最优粒子和维护外部存储库的规模,有效地保证了Pareto 前沿分布的均匀性和多样性。运用该算法对含风电的IEEE 33 节点系统进行无功优化计算,并与已有NSGA-Ⅱ算法进行比较,结果表明所提算法得到的Pareto 前沿较好,验证了该模型和算法的可行性。

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柔性直流输电系统接入非理想电网的改进DSOGI 同步方案

薛云涛, 任百群, 谢剑翔, 陈宇昇, 鄞庆佳

电源学报. 2024, 22(4): 200-208. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.200

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针对非理想电网下VSC-HVDC 系统中同步旋转坐标系锁相环SRF-PLL(synchroncus reference frame phase-locked loop)、双二阶广义积分器锁相环DSOGI-PLL(dual second-order generalized integrator phase-locked loop)等传统锁相环无法准确追踪电网基波正序电压相位,致使不同程度的锁相误差影响VSC 控制性能,降低系统稳定性等问题,提出了改进型DSOGI-PLL 方案。首先,根据SOGI-QSG 的Bode 图分析其对不同频率的衰减特性,得出DSOGI-PLL 的适用局限性;然后,基于谐波电网电压,在DSOGI 基础上引入重复控制内模,实现对谐波信号的实时跟踪调节,以抑制谐波电压干扰。同时考虑到直流偏置与电网电压频率波动,提出直流偏置消除与频率自适应方法,实现对电网相位的自适应跟踪;最后,通过仿真及实验结果对比,验证了所提策略的优越性。

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电动汽车无线充电系统金属异物检测灵敏度优化方法

张彬, 朱翀, 张希

电源学报. 2024, 22(4): 209-218. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.209

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为提高电动汽车无线充电系统金属异物检测性能,提出1 种检测线圈灵敏度优化方法。首先,建立金属异物介入矩形检测线圈的等效电磁模型,研究线圈的物理参数变化机理,得到不同尺寸金属异物引起的检测线圈参数变化理论公式;其次,分析多个线圈构型参数对检测线圈灵敏度的影响,结合无线充电实际工况优化检测线圈构型,通过电磁场仿真及实验证明了理论模型的准确性;最后,在3 kW 无线充电系统中进行金属异物检测实验,结果表明：以优化后检测线圈为基础搭建的金属异物检测系统可以准确地检测到25 mm 及以上尺寸的金属异物,并具有抗干扰能力。

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兼顾抗旋转偏移和中心磁场抑制的三相IPT 系统设计与分析

宋毅, 罗颖, 麦瑞坤, 朱宸彦, 肖静, 陈绍南

电源学报. 2024, 22(4): 219-227. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.219

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与传统接触式充电方式相比,采用感应式电能传输IPT(inductive power transfer)系统给自主水下航行器AUVs(autonomous underwater vehicles)充电更加方便和安全。为了解决AUV 船体中心磁场强和由波浪引起的旋转偏移导致传输功率剧烈波动的问题,提出1种具有新型耦合结构的三相IPT 系统。耦合器由3个发射线圈和4个反向交替串联的接收线圈组成,该结构有利于抑制中心磁场并提高抗旋转偏移性能。Maxwell 仿真结果表明,在船体旋转时,等效互感Meq 波动小于2%,同时AUV 中心磁场始终保持在较低水平。此外,为简化系统分析,采用1种无源元件解耦的方法对3个发射线圈进行解耦。搭建了1台基于LCC-S 补偿拓扑的实验样机来验证系统的可行性,实验结果表明,当AUV 旋转时,传输功率为536~595 W,最大波动率为9.91%,系统直-直最高效率为86.28%。

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电动汽车动态无线充电系统弯道互感跌落研究及改进

朱郭福, 李建贵, 王隆扬, 李强, 陈晨, 刘珊

电源学报. 2024, 22(4): 228-235. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.228

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针对目前电动汽车动态无线充电系统的发射线圈多采用分段导轨结构实现接力式动态无线充电,但系统在导轨切换处存在较大的互感跌落导致系统传输效率降低且在弯道处更加突出这一问题,建立弯道动态无线充电模型,通过理论分析推导原、副线圈互感与偏转角度的关系,提出1 种弯道处导轨发射线圈的改进结构并进行仿真分析,搭建基于共振磁耦合的弯道动态无线充电平台并进行实验。仿真与实验结果表明,采用改进型导轨发射线圈结构后无线充电系统互感跌落现象显著减小,在偏移角度最大处系统传输效率提升了8.66%,验证了改进型线圈结构的有效性。

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基于二阶RC等效电路和SR-DUKF算法的锂电池SOC 估算研究

贾先屹, 王顺利, 曹文, 乔家璐

电源学报. 2024, 22(4): 236-242. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.236

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锂离子电池的荷电状态是电池管理系统BMS(battery management system)运维的重要参数,对其准确估算关系到锂离子电池的实时监测和安全控制。传统无迹卡尔曼滤波UKF(unscented Kalman filter)算法在估算锂电池SOC 时有使协方差矩阵负定的风险,存在估计精度不高的问题。为解决该算法的不足,以三元锂电池为研究对象,建立二阶RC 等效电路模型对电池的工作特性进行表征,在传统的UKF 算法基础上提出一种双UT 变换的平方根无迹卡尔曼滤波SR-DUKF(square-root double unscented Kalman filter)算法,并结合多种工况对改进后的算法进行验证。实验结果表明,改进后的SR-DUKF 算法通过二阶RC 等效电路能够较好地对锂离子电池SOC 进行估算,在HPPC、BBDST 工况下的平均误差分别为0.59%、0.52%,2 种工况下的收敛时间分别为60 s 和110 s,验证了改进后SR-DUKF 算法具有更高的估算精度、更好的收敛性及更优的鲁棒性。

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基于卡尔曼滤波算法的电池状态估计

王语园, 安盼龙, 惠亮亮

电源学报. 2024, 22(4): 243-250. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.243

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为更好地获得锂离子电池荷电状态SOC(state-of-charge)估计值,选用二阶等效电路模型作为研究对象,针对带有遗忘因子的递推最小二乘法在参数辨识中易受到噪声等环境因素干扰的缺点,提出偏差补偿最小二乘法来实现模型参数的准确辨识,并结合无迹卡尔曼滤波算法对SOC 进行估计。针对无迹卡尔曼滤波算法稳定性差等缺点,提出利用权重向量更新滤波算法中的卡尔曼滤波增益。实验结果表明,所提算法估计SOC 的总误差可控制在2.7%以内,验证了算法的鲁棒性和有效性。

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基于VMD 和Bat-KELM 的仿真变电站蓄电池剩余寿命预测

任罡, 季宁, 胡晓丽, 李世倩, 张洁华, 吴祎

电源学报. 2024, 22(4): 251-259. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.251

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仿真变电站蓄电池的工作模式呈现间歇非连续性,导致电池性能在退化过程中存在容量再生现象,退化规律具有非平稳性和随机性,增大了蓄电池精确剩余寿命RUL(remaining useful life)的难度。针对存在容量再生现象的蓄电池剩余寿命预测问题,提出了变分模态分解VMD(variational mode decomposition)和蝙蝠(Bat)优化核极限学习机KELM(kernel extreme learning machine)组合的预测方法。基于VMD 将蓄电池健康状态SOH(state of health)时间序列分解为整体退化分量和容量再生分量;利用Bat 优化KELM 构建各分量预测模型,以提高分量趋势预测精度;通过各分量独立预测结果的叠加,得到精确的蓄电池健康状态及剩余寿命预测值。将该方法应用于蓄电池退化数据实例分析中,结果表明该方法相较于KELM 模型及VMD-KELM 模型,预测精度更高,验证了该方法的优越性。

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一种新型两开关无电解电容LED驱动电路

张经纬, 林国庆

电源学报. 2024, 22(4): 260-269. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.260

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LED 驱动电源通常需要大电解电容来减少低频电流纹波,电解电容的短寿命是制约LED 驱动电源寿命的重要因素,消除电解电容是LED 驱动电源长寿命的关键。为此,提出了一种基于反激变换器的两开关无电解电容LED 驱动电路拓扑,将辅助功率平衡电路与反激变换器集成,通过2 个开关管实现瞬时输入功率与输出功率的平衡,消除电解电容,抑制输出电流低频纹波,实现高功率因数。详细分析了该拓扑的工作原理,并提出了一种适用于该电路拓扑的控制策略。最后搭建了1 台30 W 的原理样机,实验结果验证了该拓扑的可行性。

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高增益和多路输出均衡的高效LED 驱动拓扑研究

徐石开, 曾君, 刘俊峰

电源学报. 2024, 22(4): 270-279. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.270

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驱动多路并联的发光二极管LED(light-emitting diode)容易导致各路电流不平衡,为了实现各路LED之间的均流并提高电路效率,提出1 种具有多路输出能力的高效率LED 驱动电源。采用Boost 级联串联谐振变换器的结构实现各路LED 之间的均流,并获得较高的电压增益;变压器的漏感抑制了开关管导通时的电流上升速度,实现了开关管的ZCS 导通;增加了1 个无损缓冲电路减缓开关管关断时的电压上升速度,极大地降低了开关损耗;将变压器的励磁电感设计得足够大,使变压器的损耗降低;在实现软开关的同时,仅需1 个开关管,从而降低了电路成本并简化了控制。因此,所提方案在实现均流的同时还能够实现较高的效率和电压增益,且成本较低。详细分析了所提方案电路的工作原理和工作特性,并给出了参数设计的具体流程。最后,搭建了1 台输入电压为12 V、两路输出功率为7.9 W 的样机,证明了所提方案的可行性。

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一种用于改善IGBT 开关过冲的主动栅极控制技术

谢海超, 王学梅

电源学报. 2024, 22(4): 280-291. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.280

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绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)的广泛应用对其开关性能提出了很高的要求,传统的栅极驱动CGD(conventional gate drive)对IGBT 开关过程中的电压和电流过冲调节效果有限,主要因其降低过冲总是以牺牲开关时间和开关损耗为代价。基于此,提出1 种新的主动栅极驱动AGD(active gatedrive)控制方法,用于抑制IGBT 开关过程中产生的电流和电压过冲,其原理是在IGBT 高di/dt 和dv/dt 阶段主动调节驱动电压,减小电流和电压的变化率,从而抑制电流和电压过冲。实验结果表明,相比传统驱动方法,所提方法可在基本不降低开关速度和不增加开关损耗的同时,显著降低IGBT 开关过程中的电流和电压过冲。

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计及磁链和电流的PMSM DTC 系统中功率器件键合线老化监测方法

赵相睿, 董超, 姚婉荣, 杜明星

电源学报. 2024, 22(4): 292-300. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.292

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在闭环控制系统中,基于电参数的功率器件老化监测方法是电力电子可靠性领域的难点之一。以永磁同步电机直接转矩控制系统为例,研究基于磁链相图和电流的功率逆变器中功率器件老化状态的在线监测方法。首先,分析功率器件老化的特征,得到键合线老化引起通态电阻增加的结论;其次,研究得到功率器件键合线老化与磁链相图、直轴电流和三相电流峰值变化的关系,进而提出功率器件键合线老化的监测方法;最后,通过多组仿真实验验证了基于磁链相图和电流的在线监测方法均可实现功率逆变器中功率器件键合线老化状态的在线监测。其中,基于磁链相图的在线监测方法需要系统磁链出现一些波动时才易观测,此时功率器件处于失效状态,该方法并不可取;而基于三相电流的监测方法能够更为精确地监测功率器件老化状况,效果更为优越。

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基于磁场分割法的EE型电感器磁路参数计算

陈庚, 黄思仲, 杨玉岗, 林金城

电源学报. 2024, 22(4): 301-308. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.301

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开关电源电感器设计中,磁路参数的计算具有重要意义。首先,针对EE 型磁芯中柱开气隙的电感器,结合有限元仿真,通过理论分析,利用磁场分割的方法将总磁通量分为7 个等效磁通,提出无效匝数的概念,在充分考虑扩散磁通、旁路磁通及磁芯磁通分布不均匀影响的基础上,求得主气隙磁导等效面积的解析表达式,根据等效磁路模型,从而求得电感系数L A 的解析表达式。提出磁密分布不均匀系数的概念,根据单位电流最大磁通密度,求得饱和电流A I 的解析表达式。然后,采用编制Excel 表的方式对磁路参数进行精确计算。最后,通过实验测量,验证了所建公式的准确性,可为设计人员提供有益参考。

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PMSM 中滑模控制时的混沌机理分析

谭舒丹, 马家庆

电源学报. 2024, 22(4): 309-317. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.309

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在一定参数条件下永磁同步电机会出现非线性混沌行为,主要表现为转矩、转速振荡等,导致系统性能不稳定。为此,在实际电机平台上进行滑模控制SMC(slide model control)实验,通过合理的方法处理数据后,绘制相应的系统相图并与无滑模控制作对比,从另一角度验证了混沌现象。在永磁同步电机混沌运动分析模型的基础上,利用稳定性理论和平衡点性质在理论上研究永磁同步电机的混沌动态行为。实验结果与数值仿真一致,验证了混沌现象的存在性及此理论分析的正确性,同时,表明滑模控制对混沌现象具有较优的抑制作用。

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五相感应电机变采样周期模型预测控制策略

陈会鸽, 王双岭

电源学报. 2024, 22(4): 318-326. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.318

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针对无调制模块的模型预测控制器MPC(model predictive controller)存在的谐波含量高问题,提出1种新型基于模型的变采样周期MPC 策略,并将其应用于五相感应电机驱动系统。分析了MPC 对时间固定离散化所带来的问题,而引入调制或调制替代来解决此问题将使控制系统复杂度增加,故遵循更简单、自然的思路,基于追击算法来改变采样间隔,结合MPC 确定最优控制动作和实施时间,实现变采样周期MPC 方案。利用五相感应电机驱动系统开展实验,实验结果验证了新型变采样周期MPC 优良的参考跟踪和电流谐波性能。

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基于超扭曲滑模的双定子绕组感应电机转速磁通控制

贺银平, 田密, 郑田娟, 李密

电源学报. 2024, 22(4): 327-338. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.327

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针对双定子绕组感应电机DSWIMs(dual-stator winding induction machines)在传统直接转矩和磁通控制下转矩、磁通和电流纹波大,在低速下控制磁通难度大、噪声大等问题,提出1 种基于超扭曲滑模控制器STSMC(super twisting sliding mode controller)的DSWIMs 新型转速和磁通直接控制方法。通过设计满足李雅普诺夫稳定条件的有限时间收敛误差为0 的非线性控制器,提出1 种DSWIMs 新型转矩分配算法,可使DSWIMs在较宽的转速范围内运行,并包括零转速,所需电磁转矩由2 组绕组根据其额定功率提供。此外,针对DSWIMs设计了1 种基于滑模控制的全阶观测器,能够高精度地估计绕组磁通、磁通角和转子转速,以实现最优磁通状态。最后,在1 个3.3 kW DSWIM 驱动系统上进行实验测试,评估所提DSWIM 控制方案的性能,实验结果证明了所提控制方法、转矩分配算法和全阶观测器在不同速度区域的有效性。

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2024年, 第22卷, 第4期　刊出日期：2024-07-30

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