电源学报

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高效光伏发电功率变换及其系统适应性专辑特邀主编评述

张兴,张纯江

电源学报. 2017, 15(6): 1-02. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.1

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太阳能光伏发电技术的迅猛发展，尤其是光伏并网的大规模应用以及分布式光伏发电和微电网技术的兴起，使得光伏发电许多问题成为业界和学界的关注重点和研究热点。近年来，基于光伏逆变器系统结构和控制策略的研究以及SiC、GaN等宽禁带器件的商业化推进了光伏逆变器高效化和高功率密度化等方面的技术革新；大规模光伏发电系统中，MPPT算法、孤岛检测技术、电网适应性控制、分布式光伏发电系统的稳定和经济运行等的研究都取得了一定的成果。

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弱电网下基于加权系数的电网电压前馈控制策略

李明,张兴,杨莹,赵文广

电源学报. 2017, 15(6): 10-18. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.10

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在含有电网电压背景谐波以及电网阻抗变化情况下，并网逆变器的控制性能会受到影响。直接电网电压比例前馈因其实现方便且可有效抑制电网背景谐波而获得广泛关注，但其在高电网阻抗的弱电网情况下会降低电流控制的相位裕度，影响并网稳定性。基于加权系数的电网电压前馈控制策略存在基波增益下降的问题，但是能够大幅提高并网逆变器的稳定性。首先，对并网逆变器进行数学建模，并结合阻抗稳定性判据全面对比分析了弱电网下基于加权系数的电网电压前馈控制策略和传统直接电网电压前馈控制策略的动、稳态性能，得出了前者在弱电网下具有更好的电网适应性；其次，给出了调整系统闭环增益的方式来提高并网逆变器基波跟踪性能的理论分析；最后，结合Matlab/Simulink仿真和实验，进一步验证了弱电网下基于加权系数的电网电压前馈控制策略的有效性。

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用于PV组串的单输入-多输出电流均衡器的建模与仿真

张卫平,潘玥,张晓强,张懋

电源学报. 2017, 15(6): 19-25. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.19

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光伏板部分被遮蔽使得大型PV阵列的平均功率损失为20%~30%，因此提高PV阵列的电能利用率是一个重要的课题。首先提出了单输入-多输出隔离型电流均衡器的Forward型拓扑结构，对其进行平均建模和小信号建模。给出了电流均衡器的均衡机理和平均模型，然后比较了正激拓扑的平均模型和瞬态模型的仿真区别。最后利用PSIM软件搭建该均衡器的闭环系统的平均等效模型电路。仿真结果表明均衡器可以提高输出功率33%，平均模型可以提高仿真效率32倍。

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光伏发电自治微电网逆变器的谐波均流控制

张纯江,郭忠南,郭吉平,张丽,王晓寰

电源学报. 2017, 15(6): 26-35. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.26

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首先定性分析了微电网逆变器的功率传输特性，证明了微电网逆变器均流控制最关键的是解决各DGs（distributed generations）线路阻抗不平衡时的均流问题，进而提出了一种简单可行的电流直接前馈式均流控制策略，不仅省却了传统下垂控制中所需要的功率计算与电压合成计算，而且可以在确保频率恒为50 Hz的前提下实现并联逆变器间的电流均衡；然后详细分析了虚拟阻抗对均流的作用，提出无滤波器的谐波均流控制，并将其与有滤波器的谐波均流算法进行了对比分析；最后，采用Matlab/Simulink仿真软件进行了仿真验证。仿真结果证明了该控制策略的合理性与有效性。

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Boost结构太阳能收集电路的MPPT控制方法研究

郑明才,赵小超,胡恩博,郑金兵

电源学报. 2017, 15(6): 36-42. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.36

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针对太阳能收集电路的收集效率和可实现性问题，提出一种Boost结构太阳能收集电路的MPPT控制方法。利用Boost电路PWM工作时的升压作用将光伏电池生成的电能强制性储存于大容量电容中，为光伏电池生成电能的最大化收集提供实现可能。通过实时检测光伏电池等效状态和收集电路等效负载确定Boost电路的MPPT控制脉冲最优占空比，迫使收集电路实时工作在光伏电池的MPPT工作点附近，尽可能达到提高太阳能电收集效率的目的。通过分析收集电路工作过程，给出了光伏电池等效状态和收集电路等效负载的实时检测方法以及MPPT控制脉冲最优占空比的确定方法。理论分析和实验结果表明，该控制方法下的Boost结构太阳能收集电路的收集效率高、实现容易。

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基于分数阶极值搜索的光伏最大功率跟踪控制

蔡兴龙,马铭磷

电源学报. 2017, 15(6): 43-48. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.43

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针对光伏阵列获取最大功率点过程动态响应速度和稳态跟踪精度二者之间不能达到平衡的问题，提出一种基于分数阶极值搜索控制（FO-ESC）的光伏阵列最大化功率点跟踪方法。该方法主要利用分数阶理论提高极值搜索过程的收敛速度和鲁棒性；与整数阶极值搜索控制（IO-ESC）相比，其降低了算法的复杂性。为了验证所提方法的有效性，在Matalb/Simulink中搭建仿真模型进行仿真分析。结果表明，所提方法与IO-ESC相比具有更快的收敛速度和鲁棒性，能够应用于光伏发电工程。

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基于能量谱分析的被动式孤岛检测方法

刘宁,徐华电,苏建徽

电源学报. 2017, 15(6): 49-55. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.49

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提出了一种新的基于信号能量谱分析ESA（energy spectrum analysis）的孤岛检测方法，并对所提出的检测特征量在孤岛发生前后的变化进行了深入分析，对ESA方法的孤岛检测有效性及抗扰动性进行了仿真及实验验证。实验结果表明，ESA方法在分布式发电单元与本地并联谐振负载间存在功率匹配，传统过/欠电压、过/欠频率方法落入盲区内时仍可有效识别孤岛，检测需时远小于IEEE 1547-2003标准所规定的时间，且不易受系统暂态过程影响；同时，由于没有向系统中加入扰动信号，不会对电能质量产生影响。

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一种改进型光伏并网逆变器孤岛检测方法研究

袁精,赵清林,张纯江,郭小强

电源学报. 2017, 15(6): 56-61. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.56

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孤岛检测是光伏并网逆变器系统运行的重要功能之一，为了实现快速准确的孤岛检测，同时减小对电能质量的影响，提出一种改进型主动式孤岛检测方法，即周期性正负相位偏移法。首先建立了加入正/负偏移相位后逆变器在孤岛运行时公共耦合点电压的角频率与负载品质因数、负载谐振角频率及所加偏移相位之间的函数关系；然后设计了消除检测盲区的正/负相位偏移参数，确保提出的方法对电能质量影响很小；最后在IEEE Std.929-2000标准中规定的最恶劣情况下进行了仿真和实验研究。实验结果验证了提出方法的有效性。

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一种改进型一阶广义积分锁频环的研究

周立,张静

电源学报. 2017, 15(6): 62-67,74. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.62

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稳定可靠的并网控制策略是提高光伏逆变器故障穿越能力的关键，对锁相技术的研究尤为重要。提出一种改进型一阶广义积分锁频环FOGI-FLL（frequency-locked loop based on first order generalized integrator）技术，首先利用滑动平均滤波器MAF（moving average filter）滤除电网电压中的谐波分量，消除谐波对FOGI-FLL的影响，再利用FOGI-FLL进行基波正、负序分离。仿真结果表明：在发生谐波畸变的电网中，所提出的方法能够在电网电压不平衡、频率突变和相位跳变的故障情况下，准确提取出电网电压的基波正、负序分量，并快速跟踪电网频率和相位。

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基于DSP的微逆变器双频率控制方法及实现

杨波勇,王军,阎铁生,孙章

电源学报. 2017, 15(6): 68-74. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.68

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传统交错反激微逆变器原边电流峰值与变压器体积、损耗较大。针对此问题，提出了一种基于原边峰值电流控制且电感电流断续模式（DCM）的双频率控制策略。推导了DCM模式下的参考电流表达式，并在此基础上，详细分析了双频率控制策略中开关频率切换点的选取原则，推导了其选取表达式。该策略可根据负载大小变化自动调节开关频率，在减小峰值电流的同时最大程度上减少开关次数，减小开关损耗。最后，通过PSIM仿真分析验证了设计的有效性，并研制出了以数字信号处理器（DSP）为核心控制器的实验平台。实验结果表明，该控制策略在减小原边电流峰值的同时能保证系统效率并实现较小的并网电流谐波畸变率（THD）。

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适用于微电网的软开关型高效光伏并网微型逆变器

许亚坡,胡海兵,邢岩

电源学报. 2017, 15(6): 75-81,95. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.75

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针对光伏并网小功率逆变器应用场合，提出一种能实现软开关的两级式微型逆变器，其前级采用有源箝位正反激变换器电路，通过箝位电路实现主开关管漏源极电压箝位，利用漏感电流为主开关管结电容放电实现零电压开通；后级采用基于临界电流连续控制的传统单相全桥逆变器，通过控制电感电流双向流动，实现开关管的零电压开通。搭建的250 W并网逆变器样机验证了所提方案的可行性和正确性。结果表明基于软开关控制方式的微型逆变器能大大提高效率，适用于微电网中光伏并网微型逆变器等功率较小的应用场合。

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一种单级高增益电流型光伏并网逆变器

茆美琴,郑亚军

电源学报. 2017, 15(6): 82-88. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.82

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光伏电池的输出电压范围很大程度上受到诸如温度、太阳辐射等环境因素的影响。由于在并网时光伏阵列较低的输出电压很难满足系统对电压的要求，因此，光伏并网逆变器需要具备较好的升压逆变能力。在传统三态电流型逆变器的基础上，提出了一种新型单级电流型升压逆变器。该逆变器采用了含有2个分别对称的电感和二极管的无源网络，在直流输入电压较低时仍能够实现中间母线电压幅值的较大提升，输出稳定的交流电压。分析了对该逆变器高增益的工作方式，并给出了调制策略的具体方案。通过理论分析和MATLAB仿真验证了该新型逆变器拓扑具有良好的性能。

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光伏并网逆变器电压跌落模型电流预测控制方法研究

杨帆,尚姝钰,陶涛,刘建山,金楠

电源学报. 2017, 15(6): 89-95. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.89

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针对传统光伏逆变器低电压穿越技术存在的不足，提出一种基于模型电流预测控制的低电压穿越控制方法，能够有效提高光伏逆变器的输出特性及响应速度。该策略通过逆变器预测模型得到预测电流，将有功、无功电流分量预测电流与给定电流误差之和作为价值函数进行最佳电压矢量的选取。针对系统不同运行状态自动平滑切换优先有功和优先无功两种控制模式，提出一种低压穿越输出电流控制方法，有效提高了光伏逆变器低压穿越能力。最后，通过Matlab/Simulink仿真及实验，验证了所提控制策略的正确性及有效性。

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基于载波调制的三电平并网逆变器断续调制策略

刘永奎,钟建朋,周洪伟,张磊

电源学报. 2017, 15(6): 96-100. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.96

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首先介绍了三电平逆变器断续调制法的原理及产生方法，对连续脉宽调制PWM方法和断续PWM（DPWM）调制法的性能进行了对比分析。然后提出了一种基于载波调制的优化方案，可以使断续调制法与非单位功率因数运行条件相适应，且采用该优化DPWM调制法的三电平逆变器在非单位功率因数条件下运行时可以获得更小的开关损耗。仿真和实验结果均验证了该方法的正确性与可行性。

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基于分子动理论算法的三电平逆变器谐波优化

易灵芝,李真贵,范朝冬,梁湘湘,马文斌

电源学报. 2017, 15(6): 101-107. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.101

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在许多大功率交流传动场合下，开关损耗大。为了降低开关损耗，提高逆变器效率，开关频率一般限制在1 kHz以下，导致牵引逆变器中含有大量的谐波。以应用于大功率电力机车的三电平逆变器为特定的研究对象，建立了三电平逆变器最小相电流总谐波畸变率谐波优化模型。采用分子动理论优化算法求解模型时施加了消除窄脉冲算法，完成全调制范围、多种脉波条件下优化函数的求解。与传统SPWM和SHEPWM比较，MMT-PWM具有良好的谐波优化效果。最后，通过仿真实验和硬件实验结果验证了理论分析的正确性。

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基于相空间重构和支持向量机的三电平逆变器故障诊断技术

沈艳霞,吴娟,吴定会

电源学报. 2017, 15(6): 108-115. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.108

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针对三电平逆变器交叉两桥臂的两只功率管同时开路故障（非典型故障）诊断问题，提出一种基于相空间重构和支持向量机（SVM）的故障诊断方法。该方法以三相电流为检测信号，为降低特征向量的维数，对三相电流进行了Park变换，然后采用相空间重构技术，对d、q轴电流分别进行重构，得到不同形状、大小和方向的电流轨迹图形，借助图像处理技术从中提取出故障特征向量，将其作为学习样本，在SVM中训练，使分类器能够建立不同特征向量和故障类型的映射关系，实现对二极管中点箝位型（NPC）三电平逆变器的故障诊断。仿真结果表明，该方法能够准确地定位故障元，诊断精度高。

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三相固态变压器功率平衡控制策略研究

张至愚,石健将

电源学报. 2017, 15(6): 116-126. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.116

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固态变压器作为现代智能电网的关键设备之一，得到国内外电力电子与电力系统等领域学者的广泛关注与研究。低电压/功率等级的模块级联型结构减小了在高电压/功率的传输时开关管电压电流应力。然而，这种拓扑结构引入模块之间电压/功率不平衡问题，可能产生开关管过压、过流及电网电流谐波增加等影响。分析了一种新颖的整流级共同占空比控制、中间级电压跟随控制、逆变级PR控制的三相固态变压器均压均功率系统控制策略以及可能影响电压及功率平衡的模块参数，理论与仿真验证该系统控制策略有效性。三相15 kW原理样机验证控制策略可实现输入侧单位功率因数、电压功率平衡及能量双向传输功能。

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一种双电感结构的LLC谐振型PFC AC-DC变换器

闫朝阳,秦海宁,郑倩男,张青山,田萌

电源学报. 2017, 15(6): 127-133. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.127

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传统的AC-DC电源多采用二极管整流，由于大滤波电容和不控器件的存在，造成电路本身功率因数较低，且会对电网侧产生严重的谐波污染。一般方法多采用再级联一级功率因数校正（PFC）电路，来解决谐波污染和功率因数较低的问题，但由此增加了电路级数，增加了电路结构和控制的复杂度，降低了电路的效率。研究了一种基于双电感结构的具有PFC功能的LLC谐振型AC-DC变换电路，单级电路可以实现高功率因数能量变换，提高了电路传输效率。该电路不仅实现了传统LLC谐振变换，保证开关管以软开关方式工作，而且采用双电感结构的PFC电路，运用并联交错技术，较好地克服了电流断续型PFC电路输入电流谐波畸变较大的问题。对该电路拓扑进行了理论分析和仿真研究，实验验证了该电路拓扑的可行性。

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双向直流变换器控制方法

陈菲,张方华

电源学报. 2017, 15(6): 134-140. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.134

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双向直流变换器配合蓄电池或超级电容等化学储能元件应用在具有直流母线支撑的系统中时，其主要控制目标为结合储能元件的荷电状态实现负载的稳定工作。当负载功率大于主供电功率时，控制储能元件释放能量以满足负载功率需求；当负载功率小于主供电功率时，控制储能元件吸收能量以避免母线电压上升。归纳和总结了现有的双向控制方法，详细分析了储能系统中变换器两端均为直流源的应用场合时双向直流变换器的双向切换原理，重点研究了采用带有方向信息的电感电流平均值作为电流内环、直流母线电压作为电压外环的双向控制方法。针对该控制方法中存在的母线电压波动和电池频繁充放电的问题，阐述了相应的优化措施。

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Bi-DC/DC变换器带恒功率负载稳定性分析

杨甲甲,张辉,支娜

电源学报. 2017, 15(6): 141-146,170. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.141

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针对直流微电网中储能装置接口Bi-DC/DC变换器带恒功率负载时的稳定性问题进行了研究。基于状态空间平均法，建立Bi-DC/DC变换器小信号模型，采用母线电压外环和电感电流内环相结合的双闭环控制策略来抑制直流母线电压的波动并设计控制器参数。利用阻抗比禁止区判据进行稳定性判定，并分析了线路滤波参数、负载功率和母线电容对变换器级联后稳定性的影响，得出规律性结论。仿真结果验证了理论分析及控制方法的有效性。

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双级矩阵变换器过调制连续控制方法的研究

岳舟

电源学报. 2017, 15(6): 147-154. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.147

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针对双级矩阵变换器TSMC（two-stage matrix converter）常规调制策略电压传输比低的问题，提出一种可以提高电压传输比的过调制连续控制方法。首先介绍TSMC的拓扑结构和数学模型，分析整流级所采用的无零矢量空间矢量调制方法，阐述逆变级所采用的过调制连续控制方法；然后在分析过调制连续控制方法的原理和特点基础上，利用MATLAB工具建立系统仿真模型，进行仿真验证；最后采用型号为TMS320LF2812的控制器制作了一台样机，进行物理实验。仿真和实验结果说明采用该方法可以对空间电压矢量脉冲宽度调制SVPWM（space vector pulse width modulation）的输出电压进行连续和平滑地控制至达到6阶梯波工况时的最大值。TSMC过调制时输出电压基波可以精确控制，输出电流电压波形质量好。

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高效功率变换器设计与损耗建模

郑大为,曹磊,徐忠勇

电源学报. 2017, 15(6): 155-163. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.155

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绿色节能是开关电源、功率变换器的一大发展趋势，如何设计出高效的电源系统，也是电源设计关注重点之一。以3相UPS系统为例，从功率拓扑、半导体器件、磁性元件及辅助电源中的风扇调速等系统角度出发，阐述了功率变换器高效系统设计；同时针对系统进行损耗分类和各类损耗建模，从而导出系统损耗模型；最后，通过对额定电压230 Vac、额定功率50 kW三相UPS的损耗/效率仿真数据与实际UPS损耗/效率测试数据对比，验证了损耗模型的准确性。

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大型停车场直流充电桩输出侧低频纹波分量抑制

孔笑笑,秦岭,胡茂,候虚虚,罗松

电源学报. 2017, 15(6): 164-170. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.164

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大型停车场用直流充电桩前级采用无电解电容滤波的三相不控整流电路，导致后级DC-DC变换器输出电流、电压中含有6倍工频纹波，严重缩短动力电池组的循环使用寿命。为此，从转移导纳的角度出发，对大型停车场直流充电桩输出侧的6倍频纹波分量的抑制方法进行了研究。首先建立了Superbuck变换器的小信号模型，得出恒流充电模式下系统的闭环转移导纳，并指出抑制输出侧的6倍频纹波分量的根本方法是减小闭环转移导纳在该频率处的幅值增益；然后基于该方法，得出了2种低频纹波抑制策略：提高系统的带宽和引入输入电压前馈；最后，通过一台1.8 kW/80 kHz仿真样机验证了理论的正确性。

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基于电感的串联电池组新型主动均衡拓扑及控制策略

何耀,苏流,刘新天,郑昕昕

电源学报. 2017, 15(6): 171-178. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.171

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均衡技术对提高串联电池组充放电的可靠性、延长电池寿命等具有重要的意义。针对现有电感均衡电路存在能量仅能在相邻电池单体之间转移、应用场合有限以及电路中元器件数目较多等问题，提出了一种基于电感的串联电池组新型主动均衡拓扑，并研究了相应的均衡控制策略。通过对电感的选择性充放电，实现电池单体和电池组之间的能量转移，避免了能量仅在相邻电池单体之间转移而导致均衡时间过长的缺点，具有电路结构简单、易于控制等优点。通过对所提均衡电路拓扑及其开关模态的分析，以及对均衡策略的详细介绍，给出了均衡系统的整体设计方案。仿真和实验结果表明，所提出的均衡方案具有良好的均衡效果。

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压接式IGBT模块的开关特性测试与分析

常垚,周宇,罗皓泽,李武华,何湘宁,张朝山

电源学报. 2017, 15(6): 179-186. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.179

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随着柔性直流输电技术朝着更高电压等级、更大系统容量方向的发展，作为其中关键设备的换流阀和混合式直流断路器对大容量IGBT器件的封装特性和电气性能提出了更高要求。与焊接式IGBT相比，压接式IGBT具有功率等级更高、开关速度更快、易于串联等优点，成为柔性直流输电的优选器件。为系统掌握压接式IGBT模块的应用特性，设计了基于双脉冲测试原理的压接式IGBT模块开关特性的测试平台。基于测试结果，分析了不同压接力、负载参数和结温条件对压接式IGBT模块开关特性的影响规律；并从器件封装特性和半导体物理层面、初步探讨了压接式IGBT模块开关特性的变化机理，为其在大功率电力变换领域的推广和应用提供参考。

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2017年, 第15卷, 第6期　刊出日期：2017-11-30

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