电源学报

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锁相并网设备的独立激励-响应机制及基于幅频运动方程的设备特性表征方法

袁小明, 王思成, 贠阳阳

电源学报. 2024, 22(5): 1-14. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.1

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针对风电、光伏等电力电子并网设备对系统支撑能力评估问题,核心基础是正确认识设备根据有功/无功功率不平衡调节内电势幅值/频率的功能性角色（设备特性）。然而电力电子设备主流的锁相并网结构严重阻碍了对设备功能性角色的认知,特别是目前业界普遍基于锁相并网的具体连接结构,形成了设备内电势跟随电网电压或端电压变化的“跟网”角色认知,尚未认识到系统运行中设备所应具备的功能性角色。为此,首先通过深入认识隐藏在锁相并网结构下内电势响应取决于电流单独激励的电流控制独立激励-响应机制,澄清了锁相并网设备通过有功/无功功率不平衡独立调节内电势幅值/频率的功能性角色,进而提出基于有功/无功功率不平衡激励-内电势幅值/频率响应关系即幅频运动方程的设备特性表征方法,最后通过阐述锁相并网设备特性由功率激励-内电势响应关系表征的必然性,指出当前业界对锁相并网设备特性认知的局限。

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电力电子系统中的电磁兼容专辑主编述评

张波, 李虹, 王硕, 和军平

电源学报. 2024, 22(5): 15-18. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.15

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SiC、GaN新一代宽禁带功率半导体在推动电力电子设备快速高频化、高效化和小体积化的同时,更容易干扰敏感负载、影响无线电通讯,乃至危害自身安全、可靠运行,从而给电力电子设备内外部的电磁兼容性能带来极大的压力和挑战。近年来,功率开关器件的射频特性、磁性器件的宽频带电磁模型、开关电源电磁辐射机理、无线电能传输近场特性、新型电磁干扰EMI（electromagnetic interference）滤波器设计成为研究热点,并受到了学术界及工业界的持续关注。《电源学报》特别推出“电力电子系统中的电磁兼容”专辑,以期推进电力电子系统电磁兼容分析与设计领域难点和热点问题的探讨。

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考虑结电容和跨导非线性的辐射频段EMI分析模型

陈雯霞, 陈文洁, 程睿, 王红彭, 霍永琪, 吴恢斌

电源学报. 2024, 22(5): 19-27. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.19

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宽禁带WBG（wide band gap）半导体电力电子器件由于其开关频率高、开关速度快、寄生参数大等特点从噪声源头引发了越来越严峻的电磁干扰问题。然而,传统的噪声源研究主要集中在30 MHz传导频段以内,如何评估噪声源在30~300 MHz较高频率范围内的辐射频段产生的影响仍存在不确定性,因此提出1种改进的WBG器件电磁干扰分析模型,与传统的非对称梯形波电磁干扰模型相比,首次详细考虑了WBG器件的结电容和跨导体的非线性特性,评估了非线性参数对辐射频段噪声的影响,并进一步提出该模型在辐射频段噪声源抑制中的应用。仿真结果验证了所提计算方法的准确性,基于SiC器件的硬件测试结果与理论分析相吻合。

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考虑频变特性的共模电感宽频段阻抗建模方法

连振珠, 傅恺宁, 陈为

电源学报. 2024, 22(5): 28-36. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.28

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共模电感由绕组和磁芯组成,锰锌铁氧体可以作为共模电感的磁芯,其高频参数的频变特性使共模电感的阻抗特性在150 kHz~30 MHz内呈非线性。针对传统共模电感集总电路模型与实测阻抗特性存在较大偏差,难以准确预测共模电感在高频段阻抗特性的问题,分析磁芯材料参数与绕组绕制方式对共模电感高频阻抗特性的影响;从共模电感分布电容特性的角度阐述磁性材料参数与绕组结构对分布电容大小的作用机理;提出考虑磁芯相关频变参数的共模电感宽频段阻抗仿真建模方法,结合阻抗测试验证所提方法的有效性。

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高频变压器传导共模干扰分析与评估

傅恺宁, 涂江涛, 陈为

电源学报. 2024, 22(5): 37-43. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.37

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为了搭建适合工程批量应用的高频变压器共模抑制特性评估平台,分析变压器的共模噪声传导机理,研究变压器通道上共模噪声的传导特性,评估变压器对共模噪声的抑制能力。首先,通过函数发生器产生高频跳变电位信号,将其施加于变压器原边绕组以模拟变压器的共模噪声传输特性;其次,采用示波器捕捉共模信号在采样电阻上产生的电压降的值,判断变压器对共模噪声的抑制效果,分析评估平台中采样电阻的阻值选取对评估结果的影响;最后,对比评估结果与传导电磁干扰频谱的测试结果,验证所提变压器共模抑制特性评估方法的有效性。

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AC/DC通信电源模块远场电磁辐射发射预测研究

王伟新, 舒俊华, 睢宁宁, 和军平

电源学报. 2024, 22(5): 44-51. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.44

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AC/DC通信电源产生的电磁辐射易超过限值,对其电磁辐射机理和预测方法开展研究有助于改善电磁兼容性设计。首先,在分析AC/DC通信电源模块共模电磁噪声的形成源头和传播路径后,提出其远场电磁辐射可分解为由“输入端口”、“输出端口”共模电压驱动的2类辐射。然后,提出将共模电压驱动源与寄生辐射体的辐射传递函数相结合,进行远场电磁辐射预测的新方法;设计频谱分析仪+电阻衰减器,实现各共模电压驱动源的频谱测量;采用FEKO电磁仿真软件,通过数值计算得到各寄生辐射体的辐射传递函数。最后,实现了4 kW AC/DC通信电源模块辐射预测,并实测验证了其有效性。

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虑及互耦效应的线缆辐射EMI建模

姬军鹏, 张宁, 林珊, 李臻, 骆鹏

电源学报. 2024, 22(5): 52-59. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.52

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并行布线结构的开关电源线缆是开关电源辐射电磁干扰EMI（electromagnetic interference）的重要干扰源。针对并行线缆间辐射场互耦效应机理不明晰使得辐射电磁干扰预测不准确的问题,提出1种虑及线缆间互耦效应开关电源线缆的辐射电磁干扰模型。通过对描述线缆互耦效应的互阻抗建模,得到描述开关电源线缆辐射特性的辐射EMI输入阻抗模型,进而得到虑及互耦效应开关电源线缆的辐射EMI模型;搭建辐射EMI测试实验平台进行测试。实验结果表明,所提虑及互耦效应的辐射电磁干扰模型能够更为准确地预测开关电源线缆的辐射电磁干扰。

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宇称-时间对称电场耦合无线电能传输系统电场分布特性研究

郑小瑶, 江彦伟, 疏许健, 周阳, 赵小光

电源学报. 2024, 22(5): 60-66. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.60

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电场耦合无线电能传输ECPT（electric-field coupled wireless power transfer）系统具有耦合极板轻便、跨金属传能、涡流损耗可忽略等优点。其中,宇称-时间对称电场耦合无线电能传输PT-ECPT（parity-time symmetric ECPT）系统具有在耦合极板间距发生变化时保持恒定输出的特性,具有广泛的应用前景。基于此,研究了PT-ECPT系统的电场辐射分布。理论分析、仿真及实验结果表明,在强耦合区域且输出功率相同的情况下, PT-ECPT系统的电场分布在耦合系数较小时比传统的谐振式ECPT系统更为集中,使得PT-ECPT在小耦合系数时安全性更高。

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基于人工神经网络的差模EMI滤波器插入损耗预测

陈荣亮, 梁海燕, 刘艺涛

电源学报. 2024, 22(5): 67-73. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.67

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在电力电子设备中,高速开关经常会导致严重的电磁干扰EMI（electromagnetic interfere）,严重影响电力电子系统的可靠性。为解决EMI问题,EMI滤波器是1种常用的解决方案。插入损耗作为噪声衰减能力的评价指标,其模型的准确性直接影响EMI滤波器的参数设计精度。为了提高EMI滤波器插入损耗模型的预测精度,首先准确描述系统行为并预测EMI滤波器滤波性能,提高EMI滤波器设计效率,然后利用反向传播神经网络对单级差模EMI滤波器的插入损耗进行建模。相较于理想模型和高频电路的行为模型,所提神经网络模型预测精度具有更好的实际应用价值,可以快速评估EMI滤波器的实际插入损耗,提高EMI滤波器设计效率,并为EMI滤波器的设计和优化提供指导。

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三重移相控制的DAB变换器多目标统一优化控制策略

曾进辉, 饶尧, 兰征, 何东

电源学报. 2024, 22(5): 74-85. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.74

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针对双有源桥变换器存在电流应力大、全部开关管软开关实现困难以及动态响应慢的问题,提出1种基于三重移相控制的多目标统一优化控制策略。分析三重移相控制正向功率流的全局模式,选出其中3种高效率模式并建立电流应力和软开关解析模型。结合模型,采用成本函数优化方程推导不同模式下的最优移相比组合和最小电流应力,使开关管运行在零电压开关功率约束范围内。同时在效率优化过程中引入虚拟功率分量,构建小信号模型并阐明不同状态变量的小扰动对输出电压的影响较小。实验结果表明,所提控制策略可以在全功率范围内降低双有源桥变换器的电流应力且使所有开关管实现零电压开通,同时还能够提高输出电压的动态性能。

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双有源桥变换器双移相控制动态特性优化方法

李善寿, 王浩, 叶伟

电源学报. 2024, 22(5): 86-91. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.86

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为了提高双移相控制的双有源桥DAB（dual active bridge）变换器负载切换的动态响应性能及减小电流应力,研究了1种改进型双移相NDPS（novel dual phase shift）控制方法,通过改变传统双移相TDPS（traditional dual phase shift）控制内移相角移动方向,重构了传输功率与移相比的关系,增大了移相比调节范围。研究了电流应力最小化条件下双移相控制最优移相比的求解方法,对比分析NDPS与TDPS控制方式负载切换时的动态响应特性。最后搭建了DAB变换器实验平台对理论分析进行实验验证,实验结果表明,轻载条件下,基于电流应力最小化方法得到的最优移相比组合可以有效减小电流应力,同时NDPS比TDPS控制方式有更好的动态响应特性。

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双有源桥变换器的最小电流应力变频控制

贺伟, 刘晓芳

电源学报. 2024, 22(5): 92-99. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.92

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为了提高双有源桥DAB（dual-active-bridge）变换器的效率,提出1种变开关频率控制下的最小电流应力控制策略。首先,分析电压在宽范围变化时的最小电流应力优化控制方法,建立变换器在轻载条件下的导通损耗和开关损耗表达式,并对不同开关频率下的导通损耗和开关损耗进行比较;其次,详细介绍闭环控制的实现方法及各模式下的功率传输范围,轻载条件下所提方法可显著降低电流应力,从而提高DAB变换器的效率;最后,通过仿真和实验验证了所提控制方法的优越性。

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基于共同二次Lyapunov函数的频率可控的Boost变换器切换律

李思琪, 张波, 张伟悦

电源学报. 2024, 22(5): 100-108. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.100

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针对最小型切换律开关频率过高难以应用于工程实际的问题,建立了Boost变换器CCM运行的切换系统模型,基于共同二次Lyapunov函数提出1种新的切换律。根据切换律的数学表达式,分析变换器的稳态性能及动态性能,描述该切换律对变换器开关频率的调节机制。仿真及实验表明,在该切换律的作用下,Boost变换器开关频率可控,不会出现切换系统特有的芝诺行为,且与现有控制策略相比,变换器的动态性能好,在受到外部扰动时电压波动更小,调节时间更短。

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一种可拓展的双输入高增益DC-DC变换器

黄毅敏, 林国庆, 林思圻

电源学报. 2024, 22(5): 109-119. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.109

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针对光伏燃料电池等新能源联合供电系统,提出1种非隔离型双输入高增益直流变换器。该变换器基于双输入Boost电路,两输入源与输出以及各开关管均共地。在后级引入二极管电容网络以实现高电压增益,并降低开关器件电压应力。该变换器在不额外增加开关管的情况下不仅能实现两输入源同时供电,还能实现其中任意一路输入源单独供电。此外,还可以通过拓展增压单元进一步提高电压增益以适应不同应用场合。详细分析了变换器及其拓展电路在3种供电模式下的工作原理、电压增益特性、开关器件电压应力等,并与现有同类变换器进行了性能对比。最后,搭建实验样机验证了其可行性。

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定频PWM控制混合桥双LLC谐振变换器研究

潘健, 宋豪杰, 刘松林, 熊嘉鑫

电源学报. 2024, 22(5): 120-132. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.120

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针对宽输出电压应用中传统频率控制LLC谐振变换器工作频率范围宽且存在较大循环电流的问题,提出1种定频PWM控制混合桥双LLC谐振变换器。根据原边侧结构的不同,所提变换器有3种拓扑结构形式,分别为半桥-半桥双LLC谐振变换器、半桥-全桥双LLC谐振变换器、全桥-全桥双LLC谐振变换器。其中,原边侧结构并联输入,2个变压器二次侧串联输出。相较于传统频率控制LLC变换器,3种拓扑形态始终在谐振频率点工作,缩小了开关频率范围; 在PWM控制策略下,可以分别实现2倍电压增益、3倍电压增益和4倍电压增益以适应宽电压场合;电路中循环电流损耗低,软开关性能良好。Simulink仿真和实验结果验证了所提方案的可行性。

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兼顾共模电压抑制与中性点电压平衡的T型三电平逆变器DPWM策略

叶少茜, 张希, 朱翀

电源学报. 2024, 22(5): 133-142. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.133

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为提升T型三电平逆变器的可靠性与效率,提出1种可抑制共模电压的非连续脉宽调制RCVDPWM（reduced-common-mode-voltage pulse width modulation）策略,同时能够降低开关损耗。根据T型三电平拓扑开关序列对共模电压作用机理,总结出5种实现共模电压抑制的非连续脉宽调制DPWM（discontinuous pulse width modulation）钳位方式。分析表明,在任意调制度和相角下,至少存在1种实现共模电压抑制的钳位方式。对于部分相角区间存在的多种钳位方式,优先选取电流绝对值最大相的开关管进行钳位,以降低开关损耗。同时,所提RCVDPWM策略可保证中性点电压直流分量为0,具有中性点自平衡能力。实验结果验证了RCVDPWM策略的可行性与有效性。

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并网逆变器全等效并联电阻有源阻尼控制方法

朱江舸, 李飞, 凤强, 吴金涛

电源学报. 2024, 22(5): 143-149. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.143

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虚拟电阻并联电容有源阻尼法是在电容并联电阻无源阻尼法的基础上通过反馈电容电流,从控制算法上达到对并联电阻的虚拟,实现对输出滤波器谐振峰的有源阻尼。针对现有虚拟电阻并联电容法无法实现并联电阻的严格等效,带来了动态性能欠佳的问题,通过控制框图的变换,提出1种基于电容电压与电容电流反馈的全等效并联电阻有源阻尼控制方法,实现了电容并联电阻无源阻尼法严格意义上的等效,并通过对系统主导极点的分析得出：相较于基于电流环的虚拟电阻并联电容法,所提全等效并联电阻有源阻尼控制方法可以有效增加系统的阻尼比,提高系统的响应速度,减小超调量。最后,仿真和实验结果验证了该方法的有效性。

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三相电压型PWM整流器的虚拟转矩冲量平衡控制策略

张成糕, 王宇, 张艺, 郝雯娟, 夏宇航

电源学报. 2024, 22(5): 150-160. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.150

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模型预测控制具有结构简单、鲁棒性强和动静态性能良好等优点,因此其在三相电压型PWM整流器系统中得到了广泛应用。然而,模型预测控制的电压外环采用PI线性调节器进行调节,影响了直流侧电压的动态性能。为此提出了虚拟转矩冲量平衡控制策略,从而使直流侧电压仅经过1次调节即可实现快速收敛。为了实现此策略,首先,根据数学模型推导得到了虚拟转矩的表达式;其次,根据负载突变前、后直流侧输出电压保持不变,同时结合功率守恒原则,分析建立了负载突变时的虚拟转矩冲量平衡控制方程,求得零矢量与前进矢量的作用时间;最后,通过仿真和实验实现了三相电压型PWM整流器系统负载突变时的虚拟转矩冲量平衡控制,验证了所提算法的正确性与有效性。

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三有源桥DC-DC变换器广义状态空间平均模型及控制策略研究

申科, 汪万兴, 赵丹

电源学报. 2024, 22(5): 161-169. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.161

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基于移相加占空比控制策略的三有源桥TAB（triple active bridge）DC-DC变换器具有效率高和软开关范围可扩展等优点,但其小信号建模过程复杂、闭环控制环路参数整定困难。针对该问题,提出1种TAB工作在移相加占空比控制下的全阶连续广义状态平均建模和PI控制器设计方法。首先,分析TAB的运行原理和Y型等效结构;然后,结合移相加占空比控制的特点和交流方波源等效方法,推导出TAB的广义状态空间平均模型;接着,在推得模型的基础上求得输入到输出的传递函数,设计出PI控制器参数。最后,结合数字仿真及样机实验验证了所提方法的正确性及有效性。

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适用于DFIG连接到直流微网的双变换器设计与实现

苗晓阳, 李冰然, 傅洪全

电源学报. 2024, 22(5): 170-181. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.170

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针对双馈感应式发电机DFIG（doubly-fed induction generator）-DC连接系统电流谐波严重、双VSI连接系统损耗大等问题,设计了1种将三相 DFIG连接到直流微电网的新型双变换器连接系统。首先,详细阐述了双变换器连接系统的拓扑结构、脉宽调制PWM（pulse-width modulation）测量和DFIG模型等工作原理。与传统连接系统不同,所提连接系统采用开放端绕组结构,在定子绕组的每一侧使用1个三桥臂整流器,这些桥臂通常由绝缘栅双极晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）组成,为了减少控制开关的数量和降低成本,采用二极管替代了1个整流器中的IGBT;然后,给出了新型拓扑结构下SSC和RSC的控制策略;接着,与DFIG-DC连接系统和双VSI连接系统在电流谐波畸变、转矩脉动和半导体损耗等方面进行了仿真比较,说明所提方法优越性;最后,针对0.56 kW DFIG进行实验验证,结果表明了所提方法在损耗、谐波以及转矩脉动的优势。

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考虑非线性阻尼效应的孤岛微电网暂态稳定性分析及提升策略研究

唐英杰, 查晓明, 田震, 李翼翔, 胡宇飞, 万子镜

电源学报. 2024, 22(5): 182-192. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.182

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随着可再生能源发电及并网技术的快速发展,以电力电子变流设备为主导的微电网受到了越来越多的关注。由于电力电子变流器的低惯量和强非线性特征,孤岛微电网在大扰动下易发生暂态失稳。考虑微电网中构网逆变器与跟网逆变器的交互作用,提出1种基于等面积法则的暂态稳定性判据和暂态稳定提升控制策略。首先,建立了孤岛微电网的简化二阶动态模型,包含依赖于功角的非线性阻尼项。然后,从能量角度分析了非线性阻尼对加减速面积的影响规律。考虑非线性阻尼的分布特性,推导出正阻尼区域内的暂态稳定性判据。根据稳定边界条件,提出1种基于电压前馈的暂态稳定性提升控制策略。最后,利用MATLAB/Simulink仿真对所提稳定性判据和改进控制策略的有效性进行了验证。结果表明,所提微电网暂态稳定性判据和改进控制策略可为电力电子变流器的参数优化设计和提高微电网稳定运行能力提供理论依据。

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基于自适应特性的直流微电网双因子下垂控制策略研究

董旭, 徐永海, 马宁, 何志轩

电源学报. 2024, 22(5): 193-202. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.193

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分布式电源DG（distributed generator）出口线路参数不一致及其出力随机扰动引起了直流微电网负荷功率分配精度下降与网侧电压波动。针对上述问题,计及DG运行暂稳态工况,提出1种基于自适应特性的双因子下垂控制策略。首先,稳态运行时考虑线路阻抗的影响并引入电压调节系数,建立双因子下垂系数稳态分量,在阻抗值未知的情况下即可实现负荷功率的精确分配,同时抬升网侧电压,减小与额定电压的差值;其次,暂态过程中考虑DG出力随机扰动的影响并引入分布一致性迭代算法,建立双因子下垂系数自由分量,可在维持DG均衡出力的情况下快速抑制功率扰动与网侧电压波动,提高系统的稳定性;最后,在PSCAD中搭建直流微电网模型,仿真结果证明了所提策略的有效性。

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计及控制延迟和电网阻抗变化的并网微网内压控逆变器的被动增强控制

陈丽, 周永博, 李瑞琪, 卫祥, 袁昊

电源学报. 2024, 22(5): 203-212. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.203

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随着对环境问题的日益关注,越来越多以微电网为代表的分布式能源系统出现在电力系统中,这给传统电力系统带来挑战。如数字控制系统中的延迟、弱电网中的电网阻抗变化及微电网中并联变换器之间的相互作用等会对微电网稳定运行造成不利影响。基于此,提出1种计及控制延迟和电网阻抗变化的新型微电网形成控制方法,以提升微电网应对不确定性的稳定性。该方法首先对上述问题进行建模,并提出1种延迟补偿方法,提升控制系统对电网阻抗变化的鲁棒性;然后,在控制系统中引入前馈回路,使控制系统免受微电网中并联逆变器的干扰;最后,实验结果验证了所提控制方法的有效性与优越性。

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基于RPC的同相供电系统供电运行能量多维控制研究

崔晓, 熊宇, 柳贵东, 曾贵娥

电源学报. 2024, 22(5): 213-219. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.213

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为确保高速铁路安全、可靠、经济运行,提出高速铁路同相供电系统供电运行能量多维控制方法。分析供电系统组成结构与供电过程,利用潮流控制器补偿该系统功率,确保系统稳定运行;结合三相不平衡程度、电压电流波形畸变等指标构建运行能量的最佳负载模型,使传输能量损失降到最低;经过对2个供电臂电流的有功与无功补偿,消除负序电流;制定铁路功率调节器控制策略,获得降压变压器变化情况,保障直流侧电压稳定;再使用比例积分控制器获取电流理想值,得出控制信号,实现供电运行能量多维控制。仿真实验证明,所提多维控制方法能提高三相电流平衡程度,达到均压稳定效果。

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基于扰动观测器和鲁棒模型预测的电动汽车集群调频方法研究

王晖南, 王昱瑾

电源学报. 2024, 22(5): 220-229. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.220

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提出1种适用于高渗透率可再生能源孤岛型电网中大量电动汽车EVs（electric vehicles）的频率调节方法。首先,针对系统的降阶模型设计了扰动观测器,为聚集的电动汽车产生附加频率控制信号。该降阶模型通过结合负荷、风电、光伏系统和聚集电动汽车的变化而获得,可以产生1个由扰动观测器估计的集总扰动;然后,提出1种基于Tube模型的鲁棒预测控制RMPC（robust model predictive control）方法,以提供有效的控制信号,提高聚合后电动汽车的响应能力。控制信号的产生是为了以最小的控制动作获得频率偏差误差的最小值,同时考虑各种系统运行物理约束;接着,通过稳定性分析研究了时延对通信链路的影响,获得了时延裕度;最后,通过仿真分析验证了所提方法的有效性,并验证了所提方法相对于传统MPC、模糊比例积分控制和线性二次调节器控制的优越性。

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多方位无线电能传输耦合机构设计与分析

常雨芳, 尹帅帅, 阎晟, 李飞, 唐杨

电源学报. 2024, 22(5): 230-241. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.230

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针对传统的多方位无线电能传输耦合机构常采用xyz正交圆线圈结构,需要3个电源且充电区域受线圈结构限制的问题,提出1种新型多方位无线电能传输耦合机构,该机构由2组8字型线圈和1组圆形线圈组合而成,整体呈现5个不同方位的圆环状,仅需单电源供电。对基于S-S型发射端拓扑进行了改进,通过对电路的操控改变线圈磁场分布,实现了线圈的内、外部电能传输,拓宽了充电区域。基于线圈结构,建立了该耦合机构的数学模型,推导出任意空间位置的互感和效率计算式。通过仿真和试验确定了该耦合机构的最佳工作区域。

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一种用于模块化CPC均衡充电的最优化策略

张嘉蕾, 王超宇, 樊郭宇, 李悦, 吕高

电源学报. 2024, 22(5): 242-250. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.242

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随着锂电池在工业及生活中的广泛应用,锂电池组均衡充电策略的高效性及快速性也变得愈发重要,因此构建单体电池与电池模块间CPC（cell-to-pack-to-cell）的均衡充电系统,以解决锂电池组快速均衡充电问题。首先,对均衡系统进行模块化处理,建立模块内和模块间的均衡电路;然后,提出1种用于均衡充电的最优化策略,对所提策略模型进行分层求解,顶层通过二分法来计算充电时间,底层通过梯度下降法来优化充电电流;最后,通过与非模块化均衡充电策略下的充电时间、均衡时间、单体电池端电压及均衡器承担电压进行仿真对比,验证了所提策略的可行性和有效性。

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基于开关电感电池均衡器的CCM软开关实现算法

高彬桓, 胡勇, 刘爱忠, 刘俊, 刘宇涵, 阚加荣

电源学报. 2024, 22(5): 251-259. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.251

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针对开关电感的锂离子电池均衡器在小功率便携式用电设备中仍有很强的实用价值,但传统控制策略控制的均衡器中开关管为硬开关的问题,提出1种基于开关电感锂电池均衡器电流连续运行模式下的软开关实现算法。分析均衡器电感电流电池单体充、放电电流大小的决定因素,由此提出均衡器中开关管的软开关实现算法并分析了该算法的控制精度。通过检测电池单体的电压与充电电流的变化率可实时得到电池单体的等效阻抗与开路电压,进一步保证了算法的精度。实验结果表明,所提软开关控制算法性能良好。

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虚拟直流电机的虚拟储能控制策略

唐鹏, 李红伟, 刘彤, 甘昌坤, 张力丹

电源学报. 2024, 22(5): 260-268. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.260

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虚拟直流电机控制在平抑直流微电网的功率波动、提升直流母线电压稳定性等方面已经得到广泛的应用。由于微电网中分布式电源的随机性和不确定性以及微网中负荷的投切都会使得直流侧母线电压出现较大的波动,为了提高母线电压的调节能力,利用可控负荷的调节能力,结合负载变换器的虚拟电机控制,提出了1种虚拟直流电机与可控负荷协调的虚拟储能控制策略。通过调节虚拟电机的角速度实现对可控负荷消耗功率的调节,进而补偿母线功率波动,提高母线电压的稳定性。建立了虚拟直流电机旋转动能与直流电容充放电能量关系,通过MATLAB/Simulink搭建仿真模型,验证了该控制策略的有效性。

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基于注意力机制和CNN-LSTM融合模型的锂电池SOC预测

张帅涛, 蒋品群, 宋树祥, 夏海英

电源学报. 2024, 22(5): 269-277. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.269

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为提高锂电池荷电状态SOC（state-of-charge）预测精度,提出1种基于注意力机制和卷积神经网络-长短时记忆CNN-LSTM（convolution neural network-long short-term memory）融合模型的锂电池荷电状态预测方法。该模型采用一维CNN和LSTM神经网络学习得到SOC与锂电池放电数据的非线性关系,以及SOC序列存在的长期依赖性。同时,该模型采用“多对一”的结构,将当前时刻的锂电池SOC与多个历史时刻的放电数据建立映射关系,并通过注意力机制关注到对当前时刻SOC影响较大的历史放电数据,进一步提升SOC的预测准确度。动态工况下的锂电池SOC预测实验表明,该方法在不同温度条件下的平均预测误差为0.89%,与SVM、GRU和XGBoost相比,分别降低了81.2%、66.7%和56.5%,且优于未融合注意力机制的LSTM和CNN-LSTM,具有较高的预测精度和应用价值。

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基于SSA-BPNN的锂离子电池SOH估算

张凯飞, 张金龙, 吕满平

电源学报. 2024, 22(5): 278-285. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.278

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锂离子电池已被广泛应用于储能系统与电动汽车中,精确地估算锂离子电池健康状态SOH（state-of-health）是保证系统安全可靠运行的必要条件。从容量的角度分析SOH,在恒流-恒压CC-CV（constant current-constant voltage）充电电压和温度曲线中提取了7个健康特征HI（health indicator）作为输入,基于数据驱动法提出了麻雀搜索算法-反向传播神经网络SSA-BPNN（sparrow search algorithm-back propagation neural network）的锂离子电池SOH估算方法,并应用数据增强进一步提高模型的鲁棒性,最终在NASA锂离子电池随机使用数据集上进行验证。通过与未采取数据增强的传统BP神经网络相比,获得SOH估算精度有明显提升,测试集SOH估算的最大绝对误差和均方根误差分别小于3%和1.32%,实验结果表明该方法兼顾误差小,收敛快,全局搜索能力且能够适应电池老化差异特性。

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特殊环境下锂电池失效研究进展

石海鹏, 刁凤新, 袁浩, 丁洋, 王秀丰, 周静

电源学报. 2024, 22(5): 286-293. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.286

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能源结构调整是我国21世纪能源发展的重要问题,其中发展可再生新能源是优化能源结构,减少环境污染的重要手段。当今,锂电池依然是实现可再生能源可逆存储的主要器件。锂电池的电化学性能常受不同温度、机械应力及湿度等外界特殊环境的影响,导致电池组件出现损坏、容量衰减或短路爆炸、热失控等问题。系统分析了特殊环境下锂电池的失效机理;归纳了改善锂电池特殊环境下电化学性能和安全性能的主要方法;总结了特殊环境下锂电池仍亟需研究解决的问题,为锂电池的失效机理研究、特殊环境锂电池的研发与应用提供思路。

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基于开通延迟时间的MOSFET结温的在线测量方法研究

黄姣英, 李昌林, 王琪, 高成

电源学报. 2024, 22(5): 294-299. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.294

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随着工业需求的发展,对功率晶体管的可靠性提出了更高的要求。器件结温的实时测量因能够起到保证器件正常工作的作用而至关重要。通过对开通延迟时间在线测量方法的研究,设计测量电路测量不同结温下的开通延迟时间,建立二者关系;测量实际工况下的开通延迟时间,反推出器件结温,实现器件结温的在线测量。与红外测温枪测量结果进行对比,结果相近。所提基于开通延迟时间的MOSFET结温的在线测量方法,为今后结温的在线测量提供了新思路。

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一种改进型抑制SiC MOSFET桥臂串扰的门极驱动设计

李庆辉, 潘三博

电源学报. 2024, 22(5): 300-308. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.300

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针对传统驱动中SiC MOSFET在高开关频率下其寄生参数造成的桥臂串扰更加严重,而现有抑制串扰驱动电路多以增加开关损耗、增长开关延时和增加控制复杂度为代价的问题,根据降低串扰产生过程中驱动回路阻抗的思路,提出1种在栅源极间增加PNP三极管串联二极管和电容的新型有源米勒钳位门极驱动设计,分析其工作原理,并对改进驱动电路并联电容参数进行计算设计;搭建直流母线电压为300 V的同步Buck变换器双脉冲测试实验平台,分别与传统串扰抑制电路、典型串扰抑制电路的正负向串扰电压尖峰抑制效果和开通关断速度进行对比分析。实验结果表明,所提串扰抑制驱动电路正负向电压尖峰分别比传统和典型串扰抑制电路降低了80%和40%,同时减少了32%的器件开关延时。

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新型牵引变直流偏磁励磁的混合仿真分析

杨柳林, 王韬策, 王涛, 李永革

电源学报. 2024, 22(5): 309-318. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.309

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城市轨道交通牵引供电系统的稳定关乎城市电网的安全和交通稳定运行,由于大量投入使用的电缆和一系列电力电子装置,产生了严重破坏牵引供电系统安全性的谐波和无功问题。牵引变作为牵引供电系统的核心设备,具有传输供电和滤除非线性负载谐波等重要作用,直流偏磁是1种广泛存在的会对牵引变产生不利影响的现象,严重时会直接威胁牵引变的安全稳定运行。基于PSCAD/EMTDC及ANSYS分别建立了1种新型牵引变的UMEC及有限元模型,由励磁电流特性入手,通过多平台混合仿真的手段对这一新型牵引变遭受直流偏磁影响时的电磁、损耗等励磁特性进行了观测和分析,并与传统牵引变进行对比,评估了该新型牵引变遭遇直流偏磁时的励磁状态。

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一种多模式控制的行波管电源设计

张军, 路小月, 熊洁, 鲁玲, 李晖, 李渝

电源学报. 2024, 22(5): 319-324. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.319

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由于传统星载行波管放大器设计完成后仅有连续波或者脉冲1种工作模式,且饱和工作点输出功率固定,因此提出1种新的兼容连续波和脉冲多种工作模式的空间行波管电源设计方法。通过此方法设计完成的行波管电源与多模式行波管集成多工作模式行波管放大器,具备连续波工作模式、低重频脉冲工作模式和高重频脉冲工作模式及在轨功率可调节功能;能够应用于通信、导航、数传及遥感观测卫星,使在轨可重构载荷成为可能。通过仿真测试,多模式空间行波管电源效率达到94%,重频范围覆盖连续波到10 kHz,输出功率在47~53 dBm范围内可调节。

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应用于车载充电机的三相四线制差共模集成电感——一种带“准十字”差模磁支路的差共模集成电感

杨海军, 卢增艺

电源学报. 2024, 22(5): 325-330. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.325

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随着环保、节能意识不断深入人心,对新能源电动汽车及其车载充电机的要求越来越高。磁性元件作为车载充电机中一类重要的元器件,也相应获得越来越广泛的关注与研究。针对车载充电机抗电磁干扰滤波电路中三相四线制差共模电感的集成进行理论分析和研究。基于电源应用背景、差共模电感集成原理及业界和学术界已有集成方案的对比分析,提出1种采用“准十字”差模磁支路的三相四线制差共模集成电感,通过对集成电感单体的磁场特性分析、偏磁情况下的电气性能研究及上机测试,验证了所提集成方案的有效性,可显著减小三相不平衡电流情况下差模磁支路的偏磁问题并有效帮助电源改善抗电磁干扰性能。

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2024年, 第22卷, 第5期　刊出日期：2024-09-30

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