电源学报

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基于准Z源的低电容电压应力高增益DC-DC变换器

丘恒越, 张桂东, 陈思哲

电源学报. 2024, 22(6): 1-12. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.1

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在新能源技术迅速发展的背景下,随着DC-DC变换器性能的不断提高,提出1种新型高增益DC-DC变换器,即在准Z源的拓扑结构基础上进行改进,采用3个电容共同向负载放电以获得更高的电压增益,同时减小各电容的电压应力。仿真和样机实验结果表明,所提变换器不仅保留了传统准Z源直流变换器控制方式简单、电流连续、电流纹波小等优势,还具备升压倍数高、电容的电压应力低的特点。

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基于模糊免疫-单神经元PID控制单开关高增益直流变换器

万陆峰, 徐玉珍, 金涛

电源学报. 2024, 22(6): 13-24. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.13

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针对1种无变压器、无耦合电感的新型单开关高增益变换器,通过将电压升举单元引入Boost变换器来实现在较小占空比情况下提高电压增益,降低开关管、二极管电压应力,减小开关管的导通损耗,从而提高变换器的效率。为了进一步提高变换器的动态性能与抗扰动能力,在分析单神经元控制器的基础上引入免疫反馈机制,研究模糊免疫-单神经元PID控制策略,将模糊免疫控制与单神经元智能控制器结合,实现了单神经元比例系数的自整定。最后,对所提变换器和控制策略进行了仿真研究,并设计了1台输出200 V/0.5 A的实验样机进行实验验证,仿真和实验结果均表明：所提变换器可在较小占空比情况下获得较高电压增益;与传统的PID控制策略相比,所提模糊免疫-单神经元PID控制策略能更有效地抑制系统扰动,提高变换器的动态性能,具有更强的自适应能力和鲁棒性。

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一种新颖的低电压应力共地高增益直流变换器

程昱舒

电源学报. 2024, 22(6): 25-32. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.25

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为了提高直流电压增益并降低电器应力,提出1种基于Z源的新型高增益直流变换器,理论上输出电压与输入电压之比可达(2-D)/( 1-2D)。与传统二极管电容滤波型Z源直流变换器相比,所提拓扑结构可以在相同占空比下提供较高的直流电压增益;当电压增益相同时,所提拓扑结构开关器件的电压应力及电感电流应力均有所降低;所提直流变换器的输入端口与输出端口共地,有助于降低系统的电磁干扰。在此基础上,进一步阐述了所提直流变换器的稳态原理特性,并进行参数设计和理论效率计算。最后,成功构建1台功率为200 W的实验样机,通过实验结果证明了所提电路拓扑的可行性和优越性。

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一种低电压应力高效率ZVS-PWM Superboost变换器

庞玉婷, 杨华, 程新, 邱燕

电源学报. 2024, 22(6): 33-42. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.33

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非隔离型Superboost变换器具有输入输出电流连续、效率高和功率密度高等优点,因此在航天器电源系统中被广泛应用。但在高电压增益场合中,器件开关损耗增加,导致变换器效率降低。为此,提出1种低电压应力ZVS-PWM Superboost变换器,通过引入谐振支路实现主开关的零电压开通和零电压关断及辅助开关的零电流开通和零电压关断,并且所有二极管均实现了软开关,从而有效降低了开关损耗,在未增加主功率器件电压和电流应力的基础上提高了变换器的效率。详细分析了所提变换器的工作原理、软开关实现条件及器件应力,采用状态空间平均法分析了该变换器的稳态和动态特性,并通过1台400 W/100 kHz样机验证了所提变换器的可行性。

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软开关有源钳位逆变器逐波限流控制策略研究

叶怡伟, 陈敏, 徐德鸿

电源学报. 2024, 22(6): 43-50. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.43

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软开关有源钳位逆变器能够实现功率器件的软开关,有利于提升逆变器功率密度和动态性能。但在发生过流故障时,若采用传统的逐波限流策略,即过流时封锁功率器件的方法,将使直流母线电流由流向逆变桥变为流向直流侧。由于软开关变换器谐振电感的存在,直流母线电流与谐振电感电流叠加流过辅助开关器件,使辅助开关器件承受大电流应力。针对上述情况,提出1种改进逐波限流策略,通过改变逐波限流发生后的逆变桥开关状态,减少流向直流侧的直流母线电流,从而显著抑制电流应力,并通过3 kW软开关有源钳位逆变器实验进行了验证。

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基于改进型粒子群优化算法的非对称级联开关电容多电平逆变器

张枫鑫, 叶远茂

电源学报. 2024, 22(6): 51-59. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.51

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针对粒子群优化PSO(particle swarm optimization)算法在应用到逆变器的特定谐波、消除脉宽调制SHEPWM(vselective harmonic elimination pulse-width modulation)所存在的全局搜索能力差、且容易陷入局部最优等问题,提出1种改进型PSO。通过在搜索过程中引入遗传算法中的垂直交叉运算,以及采用精英保留策略来提高算法的全局搜索能力、局部搜索能力和保留优秀的个体,由此提高开关角精确度,改善SHEPWM的性能。使用所提算法对新型非对称级联开关电容多电平逆变器的SHEPWM非线性超越方程进行求解,解决了传统数值法对初值依赖性高及传统PSO求解开关角精确度低等问题。仿真及实验结果验证了所提拓扑结构的可行性和所提算法应用到SHEPWM中的有效性。

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三电平NPC变换器电流纹波与EMI优化调制策略

马保慧, 李宁, 田博文, 张岩

电源学报. 2024, 22(6): 60-68. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.60

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针对三电平中点钳位型NPC(neutral point clamped)变换器开关频率提高导致变换器电流纹波与电磁干扰噪声增大的问题,提出1种基于电流纹波预测的变开关频率调制策略,以降低三电平NPC变换器电流纹波、谐波噪声及电磁干扰噪声。根据电流纹波的要求计算出开关周期与采样周期并合成最新的开关周期,形成反馈,从而实现变频调制。使随机周期分布在期望周期的周围,从而使变换器的谐波噪声和电磁噪声更加均匀地分布在较宽的频段上,以达到减少变换器电磁噪声的目的,并改善输出电感上的电流纹波。相关仿真及实验结果表明,相较于传统的调制策略,所提调制策略共模噪声降低了约20 dB/μV,差模噪声降低了约10 dB/μV,其输出电感电流纹波幅值也有相应的减少。

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一种混合结构二倍升压九电平逆变器

潘健, 陈光义, 陈庆东, 熊嘉鑫

电源学报. 2024, 22(6): 69-80. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.69

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将开关电容的升压能力与耦合电感的均压特性相结合,提出1种具有二倍升压能力及减少组件的新型九电平逆变器拓扑。该逆变器由12个开关元件、2个开关电容和1个反极性耦合电感组成。其中,所提逆变器的电容器充放电自平衡,不需要额外的平衡电路,且相较于目前大部分基于开关电容的九电平逆变器,该拓扑的开关电容容量更小。通过使用反极性耦合电感,提升了输出电压电平数量,降低了部分开关50%的电流应力,有利于开关损耗的进一步降低。详细讨论了所提拓扑的工作模式、调制策略、开关电容器设计和损耗分析,并将所提拓扑与其他部分九电平拓扑进行比较,介绍了该拓扑的优点。仿真和实验结果验证了该拓扑的有效性。

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弱电网下LCL型逆变器的改进并网电流控制策略

朱胤杰, 苗虹, 曾成碧, 童广

电源学报. 2024, 22(6): 81-90. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.81

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针对弱电网环境下电网阻抗的出现导致LCL型并网逆变器系统的相位裕度下降,造成严重的并网电流畸变,甚至系统失稳的问题, 提出1种改进并网电流控制策略。在电压前馈环中引入多谐振控制器以抑制电网电压背景谐波,并在电流前馈环中加入相位补偿器以提升系统相位裕度,从而避免多谐振环节的谐振峰与-180°线交汇的风险。理论分析与仿真实验结果均表明,所提策略可有效抑制弱电网下LCL型并网电流谐波,提高电流质量,增强并网系统的稳定性。

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基于模糊下垂的微网系统频率及平滑切换控制研究

徐琬琦, 王鲁杨, 柏扬, 贺帅帅

电源学报. 2024, 22(6): 91-99. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.91

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微电网并网和孤岛2种运行模式之间的平滑切换及系统频率的稳定是主从结构微电网系统安全稳定运行的重要保障。结合微电网系统的运行特征,提出基于相位角切换的并离网切换方式,增加预同步控制模块使得在孤岛转并网时更快跟踪电网相位并加以补偿,解决切换中主从逆变器输出电压和电流的冲击问题;为保证微电网系统频率的稳定,提出基于模糊下垂控制的V-F控制策略并将其应用于基于相位角切换方式的平滑切换中,使得系统频率基本保持在50 Hz,避免电压电流在切换中有过大的振荡及频率出现冲击等问题;最后搭建实验平台验证所提方法的有效性和稳定性。

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一种新型模块化三相光伏逆变器及其分布式控制策略

党兴华, 潘尚智, 葛晓露, 宫金武, 郝利东, 查晓明

电源学报. 2024, 22(6): 100-109. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.100

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级联H桥被认为是最适合光伏发电场景的拓扑之一。针对传统三相级联H桥光伏逆变器电容体积大、寿命短、相间功率失配及控制通信系统复杂的问题,基于磁通抵消原理提出1种新型模块化三相光伏逆变器及其分布式控制策略。首先,介绍了模块化拓扑的基本结构;然后,对磁通抵消功率解耦的基本原理及二倍频电压纹波的影响因素进行了详细分析,提出1种分布式控制策略以实现二倍频电压纹波的抑制并保证三相输出功率平衡;最后,通过仿真与实验验证了分析的正确性与控制策略的可行性。

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基于旗鱼优化算法与扰动观察法复合控制的最大功率点跟踪策略

莫仕勋, 蒋坤坪, 杨皓, 梁振燊

电源学报. 2024, 22(6): 110-121. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.110

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针对传统的最大功率点跟踪MPPT(maximum power point tracking)方法在部分遮阴条件下陷入局部最优而失效,且常见的智能优化算法往往存在收敛精度差、收敛速度慢、系统稳定性不高等问题,提出1种基于旗鱼优化SFO(sailfish optimization)算法与扰动观察P&O(perturbation and observation)法混合控制的光伏系统最大功率跟踪策略。SFO算法同时使用旗鱼(捕食者)和沙丁鱼(猎物)2个种群,可保证粒子在全局空间探索。所提混合算法先利用SFO算法快速跟踪到最大功率点附近,再利用小步长P&O法对最大功率点进行精细搜索,最后利用分段步长的方法同时兼顾MPPT搜索速度和搜索精度的要求。仿真结果表明,所提混合控制策略有效提升了控制系统的响应速度及跟踪精度,提升了系统的稳定性。

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适用于机-网谐振抑制的集中式有源阻尼装置及其控制策略

阮诗韵, 邱彬

电源学报. 2024, 22(6): 122-129. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.122

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针对并网逆变器(机组)接入弱电网时电网阻抗的宽范围变化可能导致系统不稳定的问题,通过在公共耦合点处并联集中式有源阻尼装置使其模拟阻尼电阻的外特性,可实现对并网逆变器和电网之间的谐振的抑制。为此,提出1种基于有源阻尼装置的虚拟阻抗值自适应调节方法,既可保证系统稳定性,又使有源阻尼装置中流过的电流尽可能小;提出1种对电流谐波基准的补偿方法,能够减小电流闭环对虚拟阻抗特性的影响,进一步改进阻尼效果。在实验室搭建1台5 kW并网逆变器和1台1 kW有源阻尼装置,验证了所提控制方案的有效性。

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用于VSC-HVDC系统谐波抑制的PI与VPI并联控制

吴嘉琪, 罗念华, 朱劲磊, 陈文睿, 吴彬兵

电源学报. 2024, 22(6): 130-138. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.130

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针对电压源型换流器高压直流输电VSC-HVDC(voltage source converter based high-voltage direct current)交流系统中占比较大的5、7、11、13等低次谐波,在比例积分PI(proportional integral)控制的基础上,提出1种dq坐标系下基于矢量比例积分VPI(vector proportional integral)调节器的选择性谐波电流控制策略。其中,PI用于控制电流误差直流分量,而VPI用于抑制电流误差的倍频波动。与比例积分谐振PIR(proportional integral resonance)调节器不同,VPI含有二阶分子,可在所设谐振频率点处实现控制系统闭环传递函数的理想0°相位延迟,因此其对谐波电流的控制精度优于PIR。利用Simulink软件建立1个2端VSC-HVDC系统,分别对传统PI、PIR及PI并联VPI这3种控制方式下VSC的2侧交流电流进行仿真,通过对比谐波含量,验证VPI谐波抑制性能的优越性。

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基于偏最小二乘回归的低压微电网虚拟阻抗预测研究

乔金朋

电源学报. 2024, 22(6): 139-152. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.139

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针对孤岛微电网在采用基于虚拟阻抗的改进下垂控制时由于虚拟阻抗为固定值,当线路阻抗发生变化时仍存在无功功率不能精确分配和无功环流的问题,提出1种基于偏最小二乘回归的虚拟阻抗预测模型,采用线路阻抗值和补偿前系统阻抗值来预测虚拟阻抗值,实现自适应虚拟阻抗,从而克服基于虚拟阻抗的改进下垂控制存在的问题。该模型无需检测实时功率值和环流值,也无需借助通信网络。通过与神经网络模型的预测结果进行对比,证明了所提偏最小二乘回归虚拟阻抗预测模型的预测准确性优于神经网络模型。最后在MATLAB/Simulink下搭建微电网仿真系统对自适应虚拟阻抗进行仿真验证,仿真结果证明了所提模型的优越性。

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高精度低计算量的离散锁频环

肖宇, 黄瑞, 刘谋海, 刘小平

电源学报. 2024, 22(6): 153-162. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.153

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为满足可再生能源发电系统对并网电压检测环节的低采样率、低计算量和高精度要求,提出1种避免调用三角函数的高精度离散锁频环。首先根据静止坐标系下的电压复数表达推出离散降阶广义积分器的开环传函;接着利用该开环传函的未知参数和频率关系推出低近似误差的离散降阶广义积分器;最后构造估计该未知参数的锁频环,建立该离散锁频环的二阶小信号模型,给出参数整定方法。实验结果表明：相比于最常用的三阶数字积分器离散化方法,所提离散锁频环在低采样率下具有更高的检测精度;对比统计表显示,所提离散锁频环计算量具有更少的计算成本和存储需求。

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无需锁相环的柔直变流器负序电流补偿方法

余江盛, 吴轲, 苏涛, 罗卫华, 吴彬兵

电源学报. 2024, 22(6): 163-169. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.163

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电网电压不平衡时,锁相环PLL(phase-locked loop)需对电网电压进行重新追踪,此时锁相不准或锁相时间过长均会造成后续柔性直流输电系统中控制性能降低。为了避免锁相环带来的不利影响,提出1种无锁相环的改进型变流器控制策略。首先对传统锁相方案与无锁相方案的本质区别进行分析,进一步在无锁相环环境下提出1种瞬时正、负序分量提取方案;其次对无锁相环的变流器控制系统进行设计,并以补偿负序电流为控制目标;最后在实验样机下验证所提策略的正确性与有效性。

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多电压等级交流电网容载比计算方法

任鹏, 牛为华, 李鹏, 张洋瑞

电源学报. 2024, 22(6): 170-178. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.170

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现有的容载比计算方法未考虑不同电压等级对交流电网的影响,导致交流电网可靠性与经济性无法同时达到最优,因此在考虑电压等级的基础上,提出多电压等级交流电网容载比计算方法。分别计算高压与低压模式下交流电网的供电能力,根据供电能力利用离散粒子群优化算法计算不同电压等级的容载比粒子数,得到多电压等级交流电网的最优容载比计算结果,从而实现多电压等级交流电网容量配置优化。实验结果表明,该方法能够使变压器容载比达到最优,优化后的交流电网供电可靠性、经济性及满意度均较高。

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基于电驱逆变器重构的车用动力锂电池自加热策略

韩京伯, 朱翀, 李佳, 鲁岩松, 张希

电源学报. 2024, 22(6): 179-187. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.179

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为解决车用锂离子动力电池低温性能衰退问题,提出1种基于电动汽车电驱逆变器重构的自加热方法,利用驱动电机绕组作为储能元件,无需额外设备即可对电池进行低温交流加热。首先,建立交流加热拓扑的详细数学描述,得到电池电压、电流与加热控制参数间的解析关系。随后,设计自适应模糊PI控制器对加热过程中的电池电压和电流进行动态调节,在保证加热速率的同时可有效防止电池老化。针对电池加热过程中电机易产生噪声和振动的问题,提出1种基于转子位置钳位的转矩脉动抑制方案,有效保障乘员舒适性和电机耐久性。实验结果表明,所提自加热策略在403 s内即可将电池从-20 ℃加热到0 ℃以上,且不会对电池寿命造成永久性损伤。

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基于VMD和ISSA-ELM的锂离子电池剩余使用寿命预测

丁恒, 黄凯, 田海建

电源学报. 2024, 22(6): 188-198. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.188

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准确预测锂离子电池的剩余使用寿命RUL(remaining useful life)对提高工作环境安全性和设备可靠性等具有重要意义。为提高RUL预测的稳定性和精度,提出1种基于去噪技术与混合数据驱动模型相结合的电池RUL预测方法。首先,利用变分模态分解处理原始数据,采用相关性分析筛选出噪声分量,将残差与相关性较强的分量进行组合完成序列重构过程;其次,结合Tent混沌映射、正余弦算法和Levy飞行策略优化麻雀搜索算法SSA(sparrow search algorithm),通过寻优得到极限学习机ELM(extreme learning machine)的最优权阈值;最后,采用平滑去噪数据训练改进的SSA-ELM模型并完成RUL预测,采用NASA数据集验证算法有效性。实验结果表明,所提方法预测结果的平均绝对误差和均方根误差可分别控制在1.58%和2.14%内,具有较高的鲁棒性和预测精度,可应用于电池RUL预测。

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变温下磷酸铁锂电池的SOC估计方法研究

肖占龙, 郑岳久, 李相俊, 靳文涛, 汪湘晋, 马瑜涵

电源学报. 2024, 22(6): 199-206. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.199

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电池实际运行中,电池温度会随着环境温度的变化而变化,这无疑增加了电池荷电状态SOC(state-of-charge)估计的难度。针对此问题,研究了温度与电池充放电容量、电池内阻及电池的开路电压之间的关系,并以此建立了考虑温度的等效电路模型。在该模型的基础上结合扩展卡尔曼滤波算法估计电池的SOC,可以实时更新与温度相关的变量,适应电池的温度变化,在变化的温度下进行验证。结果表明,所提方法可以快速并准确地估计出电池的SOC,其估计误差在2%以内。

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面向充放电工况的LiFePO₄电池迟滞性建模及SOC估计

梁莹, 孙涛, 郑岳久

电源学报. 2024, 22(6): 207-216. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.207

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针对磷酸铁锂电池(LiFePO₄)平坦的开路电压OCV(open circuit voltage)与荷电状态SOC(state of charge)滞回特性在充、放电切换工况下传统等效电路模型估计OCV存在精度较低的问题,提出电池迟滞建模。为了突出LiFePO₄电池考虑滞回特性的必要性,对3种电池模型的复杂性、准确性和适用性进行综合评价和对比分析。结果表明,一阶RC模型不考虑滞回的影响,仅适用纯充电或纯放电的工况;一阶RC滞回模型在一阶RC模型的基础上增加1个滞回量,虽考虑了滞回特性的影响,但滞回量受参数辨识影响较大,OCV估计存在波动;Preisach模型对存在充、放电切换工况的估算精度较好,但训练数据时间成本较高。NEDC(new European driving cycle)充、放电工况下对不同模型结合算法估计SOC,估计误差均在5%以内,其中Preisach误差在3%以内。

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基于ISSA-KELM的锂离子电池组SOC预测

张英达, 马鸿雁, 窦嘉铭, 王帅, 李晟延, 胡璐锦

电源学报. 2024, 22(6): 217-224. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.217

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针对锂离子电池组荷电状态SOC(state-of-charge)难以预测的问题,提出改进麻雀搜索算法ISSA(improved sparrow search algorithm)优化核极限学习机KELM(kernel extreme learning machine)的SOC预测模型。首先,引入Logistic混沌映射改进标准SSA,获取最优种群个体;其次,采用改进算法优化KELM的核函数参数S和惩罚系数C,建立ISSA-KELM预测模型;最后,利用某储能设备的历史数据进行仿真研究,对比分析ELM、KELM和ISSA-KELM模型的预测结果,并选用其他工况数据验证模型的鲁棒性。结果表明,SOC预测均方根误差和平均绝对误差分别减小至2.06%和1.54%,证明所提模型的预测精度提高,具有良好的收敛性、泛化性及鲁棒性。

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基于EKF-Markov的UPS荷电状态预测与健康管理系统

傅军栋, 陈浩杰, 孙翔, 刘深深

电源学报. 2024, 22(6): 225-233. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.225

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根据生产不间断电源企业的需求,设计了基于EKF-Markov的不间断电源状态维修管理系统,在使用方许可的情况下,使用地理信息系统可视化显示设备在线位置及实时运行的状态数据。与传统事后维修方案相比,在数据预处理中运用加权的方法对数据驱动采集的信息进行状态维修建模,能够减少不同类型数据导致的差异;采用扩展卡尔曼滤波消除噪声对采样结果的影响,该算法下荷电状态预测的误差均值为0.434 3%,结合马尔可夫决策过程对UPS电池状态进行分析,实行充/换电模式下的健康管理状态维修策略,维修时间平均减少了57.12%。研究结果表明,相较于传统维修方法,状态预测与健康管理系统的使用可提高维修效率,加速实现从传统的计划性维修到状态维修模式的转化。

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基于疲劳理论和等效循环数的锂电池循环寿命预测方法

钱伟杰, 高强, 吴晶莹, 叶承晋, 罗文俊

电源学报. 2024, 22(6): 234-243. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.234

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针对目前锂电池循环寿命模型中物理参数难以获取,参数识别过程需要大量测试,以及锂离子电池循环效应的模拟难以实现且成本昂贵等问题,探究锂离子电池老化(由于循环)的电气模拟及其对电池容量和内阻的影响,提出1种锂离子电池的新型循环寿命模型。基于疲劳理论和等效循环计数建立简单的物理方程,参数识别过程简单,仅需电池数据表中的少量数据和有限(或短时间)的循环实验。所提模型为通用型,能够表示常见循环寿命因素的影响,如放电深度、温度和C速率。利用LFP-LiFePO₄和NMC-LiNiMnCoO₂这2种锂离子电池对模型进行验证,模拟结果与实际情况近似,与实验结果相比误差在1.5%以内。

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基于多绕组变压器与倍压整流器级联的电池均衡充电器研究

吴冬春, 朱飞, 唐佳维

电源学报. 2024, 22(6): 244-252. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.244

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储能电池由数量庞大的低压电池单元构成,由于单元特性差异导致各电池单元的荷电状态存在差异,使得部分单元在充电过程中出现过充现象。基于此,提出1种基于多绕组变压器+倍压整流器的电池均衡充电器,并与集中无源均衡充电器的特性进行了比较。对所提均衡充电器的工作原理进行分析,得到其等效电路,并对其缓冲电感与变压器的匝比设计进行了优化。同时,提出单电压环的控制策略,实现了恒流、恒压两阶段充电,并分析了单元间电压差异大小对变压器工作的影响。仿真结果表明,所提充电器可有效实现电池单元的充电与均衡功能的统一。

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航空运输环境中锂离子电池热失控研究

李明浩, 黎桂树, 谢松

电源学报. 2024, 22(6): 253-259. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.253

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针对民用航空运输过程中的锂离子电池热失控事故,通过模拟民机飞行过程中的低温低压环境,使用外部热源接触加热的方式触发锂离子电池热失控,探究变压变温环境下锂离子电池热失控特性。实验结果表明：锂离子电池热失控时间随飞行高度的升高而提前;在一定温度区间内,温度对热失控时间的影响大于气压;当环境温度降低到一定程度时,不会再对热失控峰值温度产生影响;CO体积分数随飞行高度的升高而增加;热失控产生的固体颗粒物以0 ℃为界限存在差异,飞行高度为8 km (80 kPa、10 ℃)时热失控产物燃烧性更强。

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基于浸入与不变理论的电动汽车快充站飞轮储能系统非线性控制策略

韩磊, 王育飞, 薛花

电源学报. 2024, 22(6): 260-268. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.260

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为更好地补偿快充站直流侧母线电压跌落并限制电网功率爬坡率,提出1种基于浸入与不变理论的直流快充站飞轮储能系统非线性控制策略。首先,考虑快充站供电系统功率平衡关系,分析飞轮储能传统控制策略下充电负荷接入瞬间引发的冲击特性,确立直流母线电压稳定为优化目标;然后,考虑快充站母线电压控制效果和储能出力电流控制精度,建立飞轮储能的仿射非线性模型,利用浸入与不变理论构建流形面及控制律以提供快速响应充电负荷电流突变和飞轮转速变化的能力,并设计储能系统充放电控制策略;最后,搭建仿真模型对单/多台电动汽车接入下不同控制策略进行对比分析。结果表明,所提控制策略可有效抑制电动汽车接入及飞轮转速变化对母线电压的影响,缓解对配电网的冲击。

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悬浮绕组直流励磁型无轴承磁通切换电机转矩与悬浮力直接控制

周祎豪, 周扬忠, 张竞, 黄郑凯

电源学报. 2024, 22(6): 269-279. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.269

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针对悬浮绕组直流励磁型双绕组12/10极U型定子铁芯无轴承磁通切换电机BFSPMM(bearingless flux switching permanent magnet motor)提出1种直接控制策略。首先,分析转子偏心对电机数学模型的影响并构建偏心情况下的双绕组BFSPMM数学模型;然后,根据机电能量转换原理推导双绕组无轴承磁通切换电机的转矩数学模型并构建基于空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse width modulation)的直接转矩控制;最后,运用虚位移法得到悬浮力数学模型,通过SVPWM合成的电压矢量对悬浮绕组磁链的进行精确控制,实现对悬浮力的直接控制。实验结果表明,转子可以稳定悬浮且悬浮力与转矩可以独立控制,说明系统具有良好的动静态特性。

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中压电机驱动系统前端并网MMC共模电压抑制

姚景昆, 齐山成, 柴世俊

电源学报. 2024, 22(6): 280-287. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.280

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为最大程度地保护基于模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)无变压器背靠背中压电机驱动系统中的中压电机免受非对称电网故障和开关动作的影响,设计了前端无变压器配置并网MMC共模电压最小化控制策略。其中非对称电网故障引起的共模电压可由MMC生成对消电压消除,而MMC开关动作引起的开关纹波可由通过端到端布置桥臂电压脉冲来抑制;分析MMC共模电压抑制对单相功率偏差的影响,并据此提出了前馈控制;使用并网MMC样机系统开展测试。实验结果验证了在所提出控制策略作用下,并网系统在严重非对称电网条件下的最大共模电压可降至原来的1/3N(N为桥臂子模块数),同时还实现了单位功率因数、恒定直流电压和平衡单相功率。

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高温栅偏和电子辐照对SiC MOSFET阈值电压影响研究

张子扬, 梁琳, 尚海, 盛轲焱, 黄江

电源学报. 2024, 22(6): 288-294. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.288

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为研究栅氧化物在不同老化程度下电子辐照对SiC MOSFET可靠性的影响,结合高温栅偏和电子辐照2种实验对SiC MOSFET电学特性进行分析,讨论栅氧化物受到高温和强电场应力后电子辐照对SiC MOSFET阈值电压的影响。为避免封装材料在高温和电子辐照下对阈值电压产生影响,实验时将被测器件裸露于空气中。实验结果表明,高温正栅偏后器件阈值电压对电子辐照更加敏感,因此提出了电子辐照对SiC MOSFET高温栅偏老化后阈值电压影响的指数关系,且0.2 MeV电子能量辐照300 kGy剂量可将39 V、150 ℃、2 h高温栅偏后的器件阈值电压恢复至初始值。在Sentaurus TCAD仿真软件中建立SiC MOSFET基础数值模型,设置氧化物内电子浓度和空穴陷阱,模拟高温栅偏和电子辐照对器件阈值电压的影响,讨论阈值电压恢复机制。

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基于一种新型导通压降采样电路的IGBT器件结温在线监测方法

赵蕤, 杨柯欣, 唐涛, 宋文胜

电源学报. 2024, 22(6): 295-303. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.295

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热敏感电参数法具有在线能力强、非侵入和快响应等特点,成为了当前的研究热点。因此以导通压降为热敏感电参数,重点研究了1种基于导通压降的IGBT结温在线监测方法。首先,通过双脉冲测试电路获取IGBT导通压降、集电极电流和结温数据;然后,基于所测数据构建了IGBT集电极电流、结温与导通压降的三维映射表征模型;最后,设计了1种新型导通压降采样电路,并开展IGBT结温的在线监测实验研究,实验结果验证了所得三维结温表征模型的准确性和有效性。

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带逻辑校正的低延时低功耗高电平移位电路

蒋志林, 姜岩峰, 于平平

电源学报. 2024, 22(6): 304-310. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.304

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提出1种带有逻辑校正功能的新型低延时低功耗的低电平到高电平的移位电路。该电路采用低延时电平移位电路与低功耗电平移位电路并行工作,在逻辑校正无误后将1.0~1.5 V的低电平转换为5 V的高电平,可广泛应用于GaN驱动电路中。基于0.5 μm的BCD工艺,将1.5 V的电源低压和5 V的电源高压在5 MHz频率下对该电路进行验证。结果表明,该电路虽版图面积有所增加,但上升和下降延时分别降低至2.3 ns和1.8 ns,总功耗电流仅为11 μA。

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结合近场扫描的开关电源电磁辐射仿真研究

高成, 张宇亮, 岳阳, 黄姣英

电源学报. 2024, 22(6): 311-317. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.311

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针对开关电源模块工作过程中电磁辐射干扰仿真缺少与实际模块工作情况相结合的问题,提出结合近场扫描的解决方案。首先利用Cadence Allegro软件建立开关电源仿真模型,使用Cadence Sigrity软件对开关电源模块进行电磁辐射仿真,得到近场辐射图像和数据。然后搭建电磁辐射近场扫描系统,用于测试开关电源模块电磁辐射干扰,得到开关电源模块在实验室环境下近场电磁辐射云图与电场分布数据。最后,对比近场扫描与仿真得出的电磁辐射分布数据,验证了仿真结果的正确性,精准地定位判定开关模块中的MOSFET开关管器件及周边电路是强度最高的电磁辐射产生源。

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样本不均衡下基于CGAN-CNN的逆变器故障诊断方法

孙权, 彭飞, 李宏胜, 于翔海, 孙国栋

电源学报. 2024, 22(6): 318-326. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.318

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三相逆变器是电动汽车电机驱动系统的重要部件,当出现故障时因发生时间较短导致故障样本规模受限,进而造成样本不均衡。为解决上述问题,提出1种融合条件生成对抗网络CGAN(conditional generative adversarial network)与卷积神经网络CNN(convolutional neural network)的逆变器故障诊断方法。首先将相电流作为故障敏感信号,经快速傅里叶变换FFT(fast Fourier transform)得到其频域特征,并进行归一化预处理;然后将各样本添加标签后输入CGAN模型进行对抗训练,生成各故障模式下的新样本。最后,采用CNN模型实现逆变器各类故障模式判别。实验结果表明,基于CGAN-CNN的故障诊断正确率可达98%以上,说明所提样本生成方法优于传统合成少数类过采样技术SMOTE(synthetic minority over-sampling technique)方法和生成对抗网络GAN(generative adversarial network)方法,可为新能源电动汽车智能运维提供理论支撑。

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2024年, 第22卷, 第6期　刊出日期：2024-11-30

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