2017年, 第15卷, 第5期　刊出日期：2017-09-30

  

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  大功率电力电子变换器技术及应用专辑主编评述

  查晓明,段善旭

  电源学报. 2017, 15(5): 1-02. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.1

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  大功率电力电子变换技术在提高大型互联电网运行可靠性、中高压大容量电力负荷供电与驱动、新能源中高压并网发电、电能质量治理以及大规模电力储能有着广泛的应用前景。为了总结近年来大功率电力电子技术变换方面取得的成果，梳理大功率电力电子变换技术的发展方向，电源学报特别推出“大功率电力电子变换器技术及应用”专辑。专辑征文得到了各高校和企业同行的大力支持与积极响应，经过认真细致的评审，收录18篇论文
大功率电力电子变换器技术及其应用专辑
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  基于MMC的高升压比直流变压器调制策略研究

  史书怀,王丰,朱彦霖,朱田华,卓放

  电源学报. 2017, 15(5): 10-15. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.10

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  现有的高压大功率DC/DC变换器研究开始更多地关注基于模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）的face-to-face（F2F）拓扑。该拓扑由变压器连接两个模块化多电平换流器，易于根据电压等级扩展模块数量，因此，基于F2F的拓扑开始研究并应用在直流电网互联、新能源并网等领域。目前，基于该结构的直流变压器主要由其中频变压器提供变比。针对上述拓扑的特点，提出不依赖变压器变比的调制策略。采用该调制策略，可以灵活调节拓扑中各桥臂模块的通断改变电压变比，同时兼顾升压、降压功能。最后，在Matlab/Simulink中给出仿真算例，验证提出的方法的可行性。
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  一种改进型交错并联高增益Boost变换器

  荣德生,段志田

  电源学报. 2017, 15(5): 16-24. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.16

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  传统Boost变换器存在电压增益低、开关器件电压应力高和电感电流纹波大等问题，为了解决这些问题，设计一种具有开关电容/电感的改进型交错并联高增益Boost变换器。该变换器用两个开关电容/电感分别代替储能电感L₁、L₂，并对开关电感进行耦合集成；再加入一个电容C₃，既可提高电压增益又能降低开关管电压应力；分析了变换器的工作原理，推导了电压增益公式；分析了开关管电压应力和电感电流纹波，给出了耦合电感设计方案。理论分析和实验表明该变换器具有以下优点：电压增益提高，尤其在占空比D>0.5时，是传统Boost变换器的4倍；对电感的耦合集成不仅减小了磁件体积，降低磁元件损耗，而且使电感电流纹波减小近一半；开关管电压应力减小，在占空比D>0.5时，开关管的电压应力是输出电压的一半。
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  基于九开关级联的多端口能馈型高压变换器

  查晓明,王盼,刘飞,宫金武,孙建军,黄萌

  电源学报. 2017, 15(5): 25-33. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.25

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  为解决工业现场中高压大容量电机群负荷的驱动及再生能量利用问题，提出一种基于九开关逆变器单元级联的多端口能量回馈型高压变换器。通过与现有三相桥式逆变器级联技术对比，分析适用于九开关逆变器的级联方法。详细分析了新变换器拓扑结构、功率分配模式、控制策略及优缺点，并以6单元级联双负载端口的6 kV高压变换器为例，通过Matlab仿真验证了该拓扑及控制策略的可行性和有效性。该变换器为负载端口间的再生能量提供了直接传递通道，降低了能量回馈压力；且大幅减少了开关、电容以及变压器绕组数量，提高了可靠性；其端口扩展灵活，对于多负荷工况具有较强的适应性。
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  一种新颖采用磁集成技术大功率组合式高增益Boost变流器研究

  郭瑞,海航,王磊,王秋实,杨玉岗

  电源学报. 2017, 15(5): 34-45. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.34

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  为满足规模化储能系统及直流母线型分布式发电系统对大功率、高增益、高效率和高功率密度直流升压变换器的要求，提出了一种适用于大功率应用场合的组合式双输入高增益磁集成Boost变流器，并研究了该拓扑组合复用和控制策略。首先详细介绍了所提出的新型变流器的电路结构、工作模态和电气性能，推演出变流器电压增益、开关管应力及电感电流纹波特性，并分别讨论了组合拓扑的交叉控制和互补控制策略，通过与传统双输入Boost变流器的电压增益对比，该拓扑在两种控制模式下均具备更大电压增益和更小的电流纹波；其次推导了静态等效电感和暂态等效电感，以及耦合电感下稳态电流纹波和暂态电流响应速度的关系，给出耦合电感设计准则；最后制作实验样机进行测试，结果证明了理论分析的正确性。新拓扑较之传统高增益大功率升压变流器具备高增益、高功率密度、低应力和低纹波的优势，具备极大的研究价值和实用潜力。
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  非隔离新型高增益DC-DC升压变换器

  陈庚,董秀成,李浩然,代莎,廖官根

  电源学报. 2017, 15(5): 46-51. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.46

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  针对光伏发电系统中光伏电池板输出电压低，而要求其并网逆变器前端直流母线输入电压高的特点，提出了一种非隔离型高增益DC-DC升压变换器。对其工作原理和性能特点进行了详细的理论分析。并制作了一台输出功率为200 W的实验样机，实验结果表明该变换器具有如下特点：在相同占空比的条件下，变换器具有2倍于传统Boost拓扑结构的电压增益；变换器中两有源开关管的电压应力为传统Boost电路中有源开关管电压应力的一半；变换器中两电感电流一直相等而无需任何均流控制，外加两有源开关管采用同步控制，控制策略简单。
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  大功率直流系统六相磁耦合非隔离型双向DC-DC变流器研究

  郭瑞,陈超,王秋实,王磊,海航

  电源学报. 2017, 15(5): 52-63. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.52

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  针对大功率电力电子系统对高效率、高功率密度、高可靠性双向变流器的需求，采用交错并联磁集成技术，深入研究了适用于大功率系统的六相交错型非隔离全耦合双向功率变换器，同时研究了适用于该变换器的、具备多自由度可变耦合度的阵列式对称化六相耦合电感器。首次提出了可实现六通道变换器主电感之间对称化全耦合的磁集成理论；通过对主电感全耦合理论和变换器的工作模态的详述分析，推导了不同占空比区间下静态及动态等效电感，采用归一化的处理方法，给出最佳耦合系数设计准则，并同时给出了通用扩展型阵列式耦合磁件的设计方法；最后通过仿真和实验，对采用非耦合与全耦合电感的变换器进行性能对比测试，证明了理论分析的正确性。六相非隔离磁耦合技术能够降低每个通道的电流应力、增大功率输出容量、降低总电压电流纹波，并同时改善变换器每相电流纹波和动态响应特性，进一步提高功率密度，更适用于大功率直流变换系统。
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  基于移相控制的三电平LLC谐振变换器宽电压范围输出的分析与设计

  李含其,陈昌松,万文超,段善旭

  电源学报. 2017, 15(5): 64-71. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.64

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  LLC谐振变换器拓扑具有高效率和高功率密度的优势，广泛应用于DC-DC变换器场合。因为传统LLC谐振变换器难以适应宽电压范围输出，采用移相控制拓宽三电平LLC谐振变换器的系统增益范围，减小工作频率范围，提升轻载下的系统效率。移相模式下采用传统基波近似法分析时，系统增益曲线会与实际值偏差较大，分析其原因后，采用时域分析法建立了精确度更高的系统增益曲线，依据时域分析模型，提出了一种三电平LLC谐振变换器电感比（励磁电感与谐振电感的比值）的设计方法。实验结果表明：移相控制将增益范围从0.8～1.0提高到了0.5～1.0，并且采用所提电感比设计方法，软开关实现良好。
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  Vienna整流器简化三电平矢量调制的数字化实现

  王涛,蔡涛,段善旭,陈昌松,付函

  电源学报. 2017, 15(5): 72-79. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.72

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  将简化三电平矢量调制（SVM）应用到三相三线Vienna整流器中，并提出了一种数字化实现方式，简化了数字化实现过程中的算法流程和计算难度。首先介绍了Vienna整流器基于两电平的简化SVM调制的基本原理，说明了三电平SVM与两电平SVM的等效关系；然后提出了一种Vienna整流器简化SVM的数字化实现方式，这种方式将处于其他扇区的目标矢量先经过旋转变换至第Ⅰ扇区再由统一的计算方式得到向量作用时间，并基于两电平矢量调制推导了简化三电平SVM的矢量作用时间计算公式，确定了每个扇区内空间矢量作用顺序以及各相占空比与矢量作用时间的关系；最后，搭建了15 kW三相Vienna整流器的仿真模型和实验平台，使用所提方式实现了Vienna整流器的简化三电平SVM，验证了所提方式的正确性。
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  基于三电平SVPWM调制的Vienna整流器中点电压均衡控制

  肖梁乐,陈昌松,王涛,段善旭

  电源学报. 2017, 15(5): 80-86,107. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.80

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  Vienna整流器的中点电压振荡问题会造成直流侧电容电压分布不均，导致交流侧输入电流波形畸变，开关器件承受电压不一致而损坏等问题。针对Vienna整流器中点电压不平衡的问题，研究了三电平空间矢量调制对Vienna整流器中点电压产生的影响。首先介绍了Vienna整流器的工作原理，然后分析了空间矢量对中点电压的影响，并基于SVPWM调制提出了一种中点电压波动的抑制策略。最后，搭建了15 kW实验样机，验证了所提控制策略的有效性，解决了中点电压不平衡的问题，明显改善了输入电流波形质量。
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  基于状态观测器的三电平逆变器故障检测与识别

  朱琴跃,李冠华,吴优,刘涛,吴桐

  电源学报. 2017, 15(5): 87-93. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.87

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  针对NPC三电平逆变器单相桥臂半导体器件的开路故障，在建立三电平逆变器状态空间模型的基础上，通过分析各类故障特征提出了相应的故障后逆变器状态空间模型，由此构建状态观测器，并基于此对相应的故障检测与识别算法进行研究，最终通过仿真建模对故障诊断策略的有效性进行了验证。仿真结果表明，基于状态观测器的方法可以快速检测故障发生，并能准确识别故障器件和类型，达到了预期目标。
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  基于直流供电的大功率高压链式STATCOM的换流链等效试验

  张扬,李卿鹏,章顺华

  电源学报. 2017, 15(5): 94-99. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.94

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  ±100 Mvar以上的大功率高压链式STATCOM必须进行换流链全功率试验，但是受制于大容量设备的要求，此类试验非常困难。传统的全功率试验是采用2套高压链式STATCOM装置对拖，成本很高，对场地和接入电网的要求严苛。通过全直流供电的方式，采用充电电源和补能电源构建了一种新型的试验平台，可以有效降低对接入电网的要求。在第1条换流链上采用恒电压控制，第2条换流链上采用恒电流控制。首先推导出传递函数，并根据Bode图设计了控制器及其参数。通过Simulink仿真及现场试验，验证了该方案的有效性，为解决高压大容量链式STATCOM的全功率试验提供了一种新的方法。
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  基于滑模控制理论的MMC-MTDC自适应下垂控制策略

  宋平岗,董辉,刘武,周振邦

  电源学报. 2017, 15(5): 100-107. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.100

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  传统MMC-MTDC下垂控制策略中常采用PI双闭环控制，系统的暂态特性较差。为提高系统响应速度和稳定性，提出基于滑模理论的自适应下垂控制策略。控制器采用双闭环级联控制结构，其中内环控制器根据滑模变结构在dq坐标系下对MMC非线性数学模型进行建模，设计积分滑模面和降低系统抖振的指数趋近律控制器；外环控制器根据MMC实时容量与功率参考指令的比较设计自适应下垂控制器，使MMC根据实际情况“量力而行”。最后在PSCAD/EMTDC中建立4端MTDC模型，在2种工况下进行验证，结果表明所提控制策略可以有效避免系统暂态时裕度较小的MMC满载，还具有较高的动态性能和响应速度。
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  一种宽工作范围Boost电路的滑模变结构控制策略研究

  肖阔,段善旭,程华,陈昌松,万文超

  电源学报. 2017, 15(5): 108-115. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.108

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  由于Boost变换器自身非线性以及非最小相位的结构特点，传统PI控制器能够保证Boost变换器在所设计的额定工作点附近稳定工作，并取得良好的动态和稳态性能。当Boost变换器的工作状态与额定点发生较大偏差时，其稳定性就无法保证。因此针对Boost变换器在偏离额定工作状态下的稳定性以及动态性能不足的问题，提出了一种滑模变结构控制与PI控制器相结合的控制策略。内环为采用电感电流为反馈量的滑模控制器，外环采用以输出电容电压为反馈量的PI控制器，并在滑模控制器中引入指数趋近律改善性能，提高了Boost变换器在宽范围工作下的稳定性和动态性能。基于Boost变换器模型，针对所提出的控制策略进行控制器参数设计，最后通过仿真与实验验证了控制策略的可行性与有效性。
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  基于滑模控制的牵引变流器网侧有源滤波器电流控制策略

  朱琴跃,刘涛,李冠华,吴优,谭喜堂

  电源学报. 2017, 15(5): 116-122,130. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.116

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  针对有源滤波器电流跟踪控制模块中现在控制方法灵活性较差、控制精度较低的不足，基于滑模变结构原理，对应用于牵引变流器网侧有源滤波器中的电流跟踪控制策略进行了研究。首先根据滑模控制原理从滑模切换面函数及控制函数两方面对控制策略进行了设计；在此基础上根据可达性条件从限制抖振幅度的角度对控制函数进行了优化；最后针对动车组不同运行工况，对所提控制策略在网侧有源滤波器中的控制效果进行了仿真验证。仿真结果表明，所提电流控制策略具有较好的网侧谐波补偿和抑制效果以及较高的电流跟踪控制精度，达到了预期的目标。
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  三相电压型PWM整流器预测功率控制研究

  张志文,李松,谢小城,黄玉杰,孙鑫

  电源学报. 2017, 15(5): 123-130. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.123

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  提出一种基于功率预测的三相电压型PWM整流器（VSR）直接功率控制。对三相VSR进行分析，建立两相静止坐标系下的数学模型，在瞬时功率理论的基础上建立功率的预测模型，以功率跟踪误差为目标函数来选择合适的交流电压矢量，针对功率跟踪存在的稳态偏差采取误差反馈校正以优化模型、提高精度，然后采用空间矢量调制实现恒定的开关频率，并通过估算电网电压实现无电压传感器，可以有效节省系统成本、提高系统鲁棒性。进行了详细的理论推导和仿真分析，其仿真结果验证了该方法的可行性和有效性。
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  一种带储能的级联光伏逆变器的协同调制方法

  杨雯,熊兰,席自强,查晓明

  电源学报. 2017, 15(5): 131-136. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.131

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  提出一种带有储能的混合级联光伏逆变器结构，并针对该逆变器的结构和工作原理，提出基于特定谐波消去（SHE）与载波移相（PS-PWM）调制的协同调制方法。该逆变器将1个储能单元与数个光伏单元混合级联，储能单元使用SHE消除其输出电压中的部分低次谐波，光伏单元采用PS-PWM技术补偿储能单元输出中未被消除的低次谐波，从而进一步降低总的输出电压中谐波含量。仿真结果表明，对于储能单元与光伏单元的输出电压幅值和相位不同的情况，相比于采用单一的PS-PWM调制，采用协同调制方法的输出电压中低次谐波含量与总谐波失真（THD）均较低。
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  储能式有轨电车能量管理策略多目标优化

  杨继斌,张继业,宋鹏云

  电源学报. 2017, 15(5): 137-143. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.137

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  研究了以电网、动力电池和超级电容为动力电源的储能式混合动力有轨电车。首先介绍该类有轨电车的混合动力系统结构，提出一种基于系统工作模式的逻辑门限式能量管理策略，通过多个控制参数实现工作模式的切换。针对能量管理策略中控制参数的不确定性，将整车车载电源的最小配置成本以及列车运行的能耗、准时性、准地点停车作为优化目标，应用多目标遗传算法对影响列车动力性能的主要能量管理策略控制参数进行了优化分析。结果表明，优化后列车的牵引运行能耗减少了约6.8%，再生制动能量的回收率提高了约2.4%。同时，通过优化得到了电源的最小配置，为电源的冗余配置提供参考。
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  锂离子动力电池充电优化技术现状

  吴海桑,刘伟,陈英杰,耿华,孙孝峰,杨耕

  电源学报. 2017, 15(5): 144-152. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.144

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  锂离子动力电池的传统充电方法虽然具有设计成本低廉、通用性强、可靠性高等优势，但存在充电时间较长、对锂电池循环寿命影响较大等问题。因此，锂电池充电优化技术已经成为最近的研发热点。首先分析了锂电池的充电机理以及传统充电方法的过程及其存在的问题；然后介绍了锂电池充电优化技术的研究现状，分别以充电时间、循环寿命、存储能量为优化目标分析了锂电池的典型充电优化技术；最后，总结了锂电池充电优化技术的要点。
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  LCL并网逆变器的单逆变器侧电流控制性能分析

  许津铭,季林,张斌锋,谢少军

  电源学报. 2017, 15(5): 153-159. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.153

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  对LCL滤波并网逆变器来说，单逆变器侧电流闭环控制实现较为方便，但是控制延迟导致系统仍存在欠阻尼谐振甚至不稳定。无源阻尼方法虽可实现优良的电流控制性能，但会导致额外的功率损耗；附加数字滤波器的有源阻尼方法具有改善系统稳定性的能力，但是数字滤波器在非谐振频率处的幅值以及相位特性影响控制性能。以无源阻尼方法下系统性能为基准，对比了已有的逆变器侧电流闭环控制有不同的谐振频率同控制频率的比值条件下的性能，结果表明在一拍采样与计算延迟下，已有的单逆变器侧电流闭环控制难以兼顾系统稳定性、动态特性以及鲁棒性，附加数字滤波器的有源阻尼方法具有较大的局限性。
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  Buck变换器的混杂建模

  韩俊锋,张波,丘东元

  电源学报. 2017, 15(5): 160-164. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.160

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  详细分析了Buck变换器在不同工作模态之间的切换条件，并建立了Buck变换器的精确模型。在建模过程中，对于Buck变换器在不同工作模态下的切换条件用相应的逻辑合命题来表示，利用逻辑命题与整数不等式之间的等价关系，把Buck变换器的切换条件等价转换成混合整数不等式,并将不等式约束加入到系统方程中来描述系统的混杂特性，从而建立了Bcuk变换器的新型混杂模型。该模型描述形式简单，符合变换器工作时各模态间切换的一般规律，在DC/DC变换器的建模上具有一定的理论价值。
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  深井电脉冲压裂装置研制

  徐旭哲,孙鹞鸿

  电源学报. 2017, 15(5): 165-168,180. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.165

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  研制了一种用于油气藏增产增注的深井电脉冲压裂装置。装置通过馈电电缆下放至2 000 m到3 000米m的深井中进行工作。考虑到馈电电缆耐压和分布参数的影响，高压充电电源采用两级升压，工作频率为1 kHz；储能元件采用同轴型高储能密度脉冲电容器总储能为5 kJ（25 kV）。通过测试得到工作电压22 kV时放电电流约为30 kA。初步实验表明，研制的深井电脉冲压裂装置在额定电压下可以连续稳定工作2 000次以上。
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  逆变器并机用三相电抗器设计

  王建刚,陈为,曾平,于晓强

  电源学报. 2017, 15(5): 169-173. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.169

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  针对可再生能源逆变器需要并机运行以实现大功率电能输出的特点，通过分析现用逆变器的并网用滤波电抗器，提出了一种新型的兼具有共模电流抑制效果的三相五柱电抗器方案，在保证各相电路的差模感量的同时，通过解耦磁集成的方法，使三相电抗器的零序电抗大大增加。应用在逆变器并机系统中，可减小电路中的滤波电抗器的数量，改善系统的电路结构，减少逆变器的成本，具有较大的实际应用价值。
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  低频低压条件下抑制MMC电容电压波动的非对称控制

  王倩楠,杨荣峰,刘瑜超,徐殿国

  电源学报. 2017, 15(5): 174-180. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.5.174

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  模块化多电平换流器（MMC）应用于电机低频驱动时会工作于低频低输出电压状态，采用传统的对称控制方式时，因受直流侧高压影响会产生较大的电容电压波动。为此，提出一种非对称控制方式，使一桥臂不产生输出电流，另一桥臂承担几乎所有的输出电流。该方法中MMC不需要任何其他的功率交换技术，例如在低频/低压情况下通常采用的高频注入方法，以抑制电容电压的波动。详细讨论了非对称控制方法的实现过程、桥臂间的功率控制以及该方法的优缺点，仿真及实验结果表明，所提控制方法适用于电机20 Hz以下的驱动状态。