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2019年, 第17卷, 第2期 刊出日期:2019-03-30
  

  • 全选
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    太阳能、风力、燃料电池发电
  • 高非,皇甫宜耿
    电源学报. 2019, 17(2): 1-2. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.1
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    燃料电池因其发电效率高、环境污染小、比能量高和噪音低等优点在未来能源利用上必将占据主要的地位。燃料电池系统是一个非线性、多输入、强耦合的复杂动态系统,本专辑在总结目前研究进展的基础上,对燃料电池精确建模,参数辨识,观测器设计,水管理及系统优化等方面进行了详细的分析。
  • 马睿,皇甫宜耿,赵冬冬,高非
    电源学报. 2019, 17(2): 3-11. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.3
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    燃料电池及其应用近些年逐渐成为研究热点,对于系统级的燃料电池运行工况分析及设计,底层的燃料电池本体模型显得至关重要。相比于已有的传统经验模型,重点提出了一种一般性的多物理域燃料电池分析模型,并从电化学域、流体力学域以及热力学动态域对质子交换膜燃料电池进行了精确建模。所提出的框架性建模方法可以适用于不同型号的质子交换膜燃料电池,同时也可以进一步拓展并应用于不同种类的燃料电池。随后以Ballard NEXA 1.2 kW质子交换膜燃料电池为例,对模型在不同工况下进行了仿真,并通过实验测试验证了所提出模型的有效性和准确性。在此基础上,可以展开相应的控制策略及电池本体运行分析,从而提升燃料电池系统的运行性能和工作寿命。
  • 电源技术、产业发展展望
  • 蒋璐,李奇,陈维荣,于瑾,刘嘉蔚
    电源学报. 2019, 17(2): 12-18,25. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.12
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    精确、有效的燃料电池等效电路有助于分析燃料电池内部工作情况,确保燃料电池系统稳定可靠地运行。针对燃料电池内部工作状态无法使用传感器精确监测的问题,提出了基于Nelder-Mead优化算法的PEMFC 3阶RQ等效电路参数辨识方法,根据电池工作原理建立3阶RQ非线性等效电路模型,将模型参数与实际物理意义相结合建立复数域下的实部、虚部加权目标函数,最后在电化学交流阻抗谱实验的基础上进行参数辨识研究。研究结果表明:在相同初始条件下,Nelder-Mead优化算法在精度、速度上与最小二乘法相当,但抗干扰能力更强;与遗传算法相比,精度相当但速度更高,可以用于燃料电池的在线参数辨识。
  • 太阳能、风力、燃料电池发电
  • 李飞,赵冬冬,皇甫宜耿,赵国胜
    电源学报. 2019, 17(2): 19-25. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.19
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    针对质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)系统的强非线性及强耦合特性,提出一种适用于PEMFC系统过氧比OER(oxygen excess ratio)估计的鲁棒非线性系统观测器,解决PEMFC系统中难于利用传感器直接测量的状态变量(如供应管道中空气质量、阴极侧氧气以及氮气质量等)准确估计的问题。通过矩阵变换,利用微分中值定理将动态误差系统转化为线性变参数系统。基于李雅普诺夫稳定性理论和凸性原理,将观测器设计问题转化为线性矩阵不等式LMI(linear matrix inequality)可行性问题。仿真结果表明所设计的观测器具有良好的收敛特性。
  • 电源技术、产业发展展望
  • 张钦国,郗富强,王晓阳,张学伟,欧阳明高
    电源学报. 2019, 17(2): 26-31,91. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.26
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    质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)水管理不当会增加内阻阻碍氧还原反应,因此有效的水管理是提高性能和耐久性的关键策略之一。膜脱水、催化剂层溢流、质量传输和流体流动状态等现象会受到流道中水的分布和移动的影响。对PEMFC水管理的关键技术相关文献进行了综述,讨论了改善水管理的各种技术方案,汇总了采用中子成像和电子显微镜等技术对液滴的形成、扩散以及与气体扩散层GDL(gas diffusion layer)的相互作用进行研究的成果。详细分析了采用CFD模型和VOF方法模拟燃料电池微通道中的水滴运动和段塞形成。
  • 太阳能、风力、燃料电池发电
  • 吴字强,王伟,黄亮,谢长君
    电源学报. 2019, 17(2): 32-39. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.32
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    目前对燃料电池性能的研究基本上都是对燃料电池的某一个目标进行分析,这可能会导致其他重要参数产生重大偏差,从而影响燃料电池系统的性能,并且对于一个发电装置来说,其功率和效率是一对不可分割的重要参数。为此,提出了一种针对燃料电池系统稳态输出功率与效率的双目标优化算法。通过模型分析得到燃料电池稳态输出功率和效率与影响变量的关系,采用控制变量的方法实现对输出功率和效率的最优化。因系统复杂的非线性关系,仿真中采用一种带约束处理机制的自适应差分进化多目标优化算法以实现优化目标。
  • 电源技术、产业发展展望
  • 周群,游志昆,刘雪山,刘陈琼,徐懿
    电源学报. 2019, 17(2): 40-49. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.40
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    研究了电感电流检测电阻对电流模式控制开关变换器稳定性的改善作用。以I2控制Buck变换器为例,建立了含有输出电容等效串联电阻ESR(equivalent series resistance)的二阶离散迭代映射模型。在此基础上,通过分析输出电容时间常数和电感电流检测电阻变化时的分岔图、特征根轨迹、最大Lyapunov指数、稳定边界,深入研究了电感电流检测电阻对变换器动力学特征的影响。研究结果表明,增大电感电流检测电阻,可以使变换器在较小输出电容时间常数时稳定工作,拓宽稳定工作范围。最后,通过仿真和实验,验证了理论分析的正确性。研究结果可以推广到其他开关变换器,对开关变换器的设计和优化具有指导意义。
  • 其他
  • 李山,崔森,陈艳,陈敏
    电源学报. 2019, 17(2): 50-56. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.50
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    高频条件下的Buck变换器具有体积小、效率高等特点而备受关注,其同时更易因参数选择不当而带来严重的非线性行为影响系统稳定性。对高频条件下的Buck变换器的非线性行为进行了分析,研究了电压控制方式下的高频Buck变换器,从其状态方程出发,建立了该变换器在连续运行模式下的精确离散迭代映射模型。通过Jacobian矩阵判断系统稳定性随输入电压和电路中电感电容等不同参数变化规律,并确定系统的稳定运行区域。最后通过实验验证了理论分析的正确性。本结论不但能够为高频Buck变换器的稳定运行提供参考,也为系统参数的优化及控制性能的提升提供理论依据。
  • 软开关技术
  • 杨玉岗,孙彬彬,闫孝姮
    电源学报. 2019, 17(2): 57-62. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.57
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    含变压器的隔离型变换器易受到寄生电容的影响,降低系统运行的稳定性。针对LLC谐振变换器,建立含变压器寄生参数的等效电路模型,推导电压增益公式。对比无寄生参数和含寄生参数的电压增益曲线,分析寄生电容对选取电感比及其品质因数所产生的影响。在设计参数时考虑寄生电容的影响,分析开关管实现ZVS的条件,推导电感比的计算方法以及品质因数的取值范围。优化设计电感比、品质因数,进而优化各谐振参数。搭建实验样机,验证该优化方法的正确性和可行性。
  • 新颖开关电源
  • 金林,张波
    电源学报. 2019, 17(2): 63-71. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.63
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    提出了一种开关电感型有源阻抗变换器,并对该变换器工作原理和连续导通工作模式的边界条件进行了探究;对变换器的各元器件进行了电压电流应力计算和参数设计。结果表明,该变换器具有电压增益高、电感电流应力低、元器件总体数量少等特点。利用状态空间平均法建立了变换器的小信号动态模型,证明了该变换器的稳定性。仿真和实验证明了该变换器的有效性。
  • SiC、GaN器件、新型功率器件及其应用
  • 崔森,陈敏,居鑫,况智允
    电源学报. 2019, 17(2): 72-78. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.72
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    Z源变换器因在超高频条件下具有体积小、效率高等特点而备受关注,但该变换器在光伏并网等实际工作过程中更易产生一种规则的噪声,即耦合电路引起的传导和电磁辐射的干扰使得变换器产生呼吸现象,严重影响电网系统稳定。故建立了具有耦合干扰信号的超高频Z源变换器模型,通过电路仿真及实验观察到了间歇现象,从理论上将时间分岔映射为参数分岔,利用雅克比矩阵特征值运动变化判定系统的稳定性,从而验证了超高频Z源变换器呼吸现象的存在。最后根据对该变换器的分岔控制行为进行分析,确定该系统处于干扰信号下的电路参数稳定域。结论能够为超高频Z源变换器的稳定运行提供参考,对实际电路的设计提供理论依据。
  • 新颖开关电源
  • 秦振,牟少芳,宋英杰,张堃,丁新平
    电源学报. 2019, 17(2): 79-83. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.79
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    设计了一种基于变频控制芯片L6565D的宽电压范围双管反激电源,其输入电压范围为200~1 000 V,作为系统的辅助电源应用于光伏电站中;L6565D通过采集输入电压的变化情况实现不同电压段的电流环限流点的调节,同时利用检测变压器磁复位状态来控制两个开关管工作于谷底导通模式,实现软开关功能。其准谐振工作模式降低了开关管开通损耗,改善了电磁兼容EMC(electromagnetic compatibility),提高了整机效率,节约了成本。目前该款电源已经成功应用到光伏系统中,取得了良好的效果。
  • 谐波、电磁兼容和电能质量控制
  • 汪玉凤,朱秋明,徐德,赵东
    电源学报. 2019, 17(2): 84-91. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.84
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    针对空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse width modulation)在功率因数较低的情况下,失去对钳位型三电平逆变器直流母线中点电位的控制效果的问题。通过研究载波正弦脉宽调制SPWM(sinusoidal pulse width modulation)与SVPWM的本质联系,将从SVPWM调制原理出发,推导出控制中点电位所需的零序分量,构造相应的调制波,通过载波SPWM法抑制中点电位波动,从而提出一种基于载波SPWM与SVPWM混合控制的中点电位平衡策略。最后仿真结果验证了这种混合控制策略可以有效地抑制中点电位漂移。
  • 微型电网、智能电网中的电力电子技术
  • 宋平岗,董辉,周振邦
    电源学报. 2019, 17(2): 92-100. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.92
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    传统下垂控制无法解决模块化多电平换流器多端直流MMC-MTDC(modular multilevel converter multi-terminal DC)输电系统中换流站功率裕度和系统功率协调分配的问题,为此提出一种最优潮流下自适应下垂控制策略。首先根据电压变化方向与实时裕度设计MMC自适应下垂控制器;然后分析传统下垂控制无法解决MTDC中直流线路阻抗产生电压偏差的缺陷,针对影响直流网络潮流的因素,构建约束条件以及目标函数求解潮流优化分配下垂系数;最后通过直流电压差值实时计算权衡系数来分配两种下垂曲线所占比例。在PSCAD/EMTDC中建立5端MTDC模型,分别在稳态与暂态工况下对比两种控制方式,结果表明该控制策略可以避免换流站满载、减少线路损耗实现系统功率优化分配。
  • 储能控制及系统
  • 杨海柱,岳刚伟,范书豪
    电源学报. 2019, 17(2): 101-108. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.101
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    直流微网由于接入分布式能源而具有随机性和不稳定性,为平衡负荷波动,传统直流微网常采用下垂控制策略,但会引起一定范围内的电压偏移,不仅影响系统调节范围,而且会对接入负载产生不良影响。此外,传统下垂控制系数为常数,下垂系数大则电压会远远偏离参考值,下垂系数小则动态性能差。针对以上问题,提出直流微网自适应动态下垂控制策略,不仅具有良好的动态性能而且实现系统电压无静差。将上述控制策略分别进行仿真和实验,结果表明该控制策略可有效实现直流微网的运行稳定。
  • 微型电网、智能电网中的电力电子技术
  • 柴锦,陈阿莲,王瑞琪,王昭鑫,柴东新
    电源学报. 2019, 17(2): 109-116. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.109
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    现有微电网的架构在运行期间极少变动,而微源输出功率具有随机性和间歇性,并且微电网负荷的波动较大,这导致系统难以获得全局最优运行状态。首先提出了交直流混合微电网动态架构重组的思想,以减少交流母线和直流母线之间的能量流动,实现交直流混合微电网的优化运行。构思了一种交直流混合微电网架构,分别建立了并网模式和孤岛模式下的数学模型,并以山东某光伏电站的光伏输出功率历史数据及相应的用户负荷数据为例,建立了基于支持向量机的超短期负荷预测模型和光伏输出功率预测模型,并在此基础上通过NSGA-Ⅱ算法动态优化混合微电网的架构。算例结果表明了所提架构重组思想的有效性。
  • 太阳能、风力、燃料电池发电
  • 贺鑫露,朱田华,关童,王丰,卓放
    电源学报. 2019, 17(2): 117-123. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.117
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    为了解决光伏系统中由于在实际环境中光照不均、阴影遮挡、光伏板老化程度差异等因素导致的失配问题,采用分布式最大功率跟踪DMPPT(distributed maximum power point tracking)结构是有效方法之一。针对光伏DMPPT结构提出了一种基于差额功率结构的多输入变换器拓扑及分时控制策略。该拓扑及控制策略不仅只用1个MPPT控制单元就可完全消除光伏板间的失配问题、使各个光伏板输出其理想最大功率,而且变换器拓扑采用差额功率结构,该结构具有降低变换器的功率等级要求和提高系统的电压增益等优点。对该拓扑及控制策略进行了详细分析,并在Matlab/Simulink中仿真验证。仿真结果表明,即使在光照不均及光照突变的情况下,每个光伏板仍都可以工作在各自理想最大功率点上。
  • 电源技术、产业发展展望
  • 刘黎,卢志飞,戴涛,李剑波
    电源学报. 2019, 17(2): 124-131,162. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.124
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    模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC(modular multilevel converter based high voltage direct current)技术近年来得到迅猛发展,已成为解决新能源并网以及多端直流互联的有效手段之一,而高压直流断路器的缺乏已成为制约其工程应用的瓶颈之一。首先探讨了MMC-HVDC的双极短路故障特性;接着,对比分析了不同类型的直流断路器技术;然后,基于上述结果,在传统混合直流断路器基础上,提出了一种改进的混合式直流断路器方案,并详细分析了其工程过程;最后,通过仿真对其可行性和有效性进行了验证。
  • 电池及充电技术
  • 韩洪豆,景妍妍,曲小慧,奚康,周科峰
    电源学报. 2019, 17(2): 132-138. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.132
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    感应式电能传输技术IPT(inductive power transfer)应用到电动汽车中具有许多独特的优点。由于IPT变换器输出特性复杂,与变压器参数、补偿参数、工作频率和负载均有关,而电池在整个充电过程中负载变化范围宽,故IPT变换器难以直接提供负载电池所需的充电电流或电压。针对此问题,根据4种基本的IPT补偿结构的输入和输出特性,找到可同时实现输入纯阻性和输出恒流或恒压的拓扑结构及工作条件,从而解耦负载对输出的影响,消除无功功率。但单个拓扑无法满足电池先恒流后恒压的充电特性,因此进一步提出了一类复合拓扑结构,采用最少的器件实现恒流拓扑和恒压拓扑的切换,电路简单可靠,传输效率高。
  • 新颖开关电源
  • 李震,王春芳,魏芝浩,孙华海,李聃
    电源学报. 2019, 17(2): 139-145. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.139
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    针对无尾果蔬机在使用过程中电机负载不断剧烈变化容易造成单管感应耦合电能传输ICPT(inductively coupled power transfer)系统中开关管和副边整流管损坏等问题,系统研究了单管逆变ICPT系统拓扑及其并联-并联PP(parallel-parallel)和并联-串联PS(parallel-series)补偿网络电路特性。通过建立数学模型,分别分析了PP和PS补偿网络各个参数间的关系,给出了其对应的电压增益和输出电压特性曲线;并用电路仿真软件分别对PP、PS系统在负载动态切换时的开关管耐压与输出电压波形进行了仿真。分别搭建了PP和PS补偿下额定输出功率为1 kW的单管逆变ICPT系统样机,对理论分析和仿真结果进行了实验验证。
  • 电动汽车与电力机车
  • 许加柱,王涛,刘裕兴,郝铭轩,潘宏杰
    电源学报. 2019, 17(2): 146-152. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.146
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    为减少双流制机车体积和重量,直流工作制式下牵引变压器二次侧绕组充当平波电抗器即为其中一项关键技术。二次侧绕组接线方式不同时,其等效电感值可能非线性,这将对直流母线电压稳定性造成重要影响。针对该问题,首先将变压器当作普通电感,建立起双流制机车直流供电模式下系统等效电路,并运用小信号分析法对牵引变压器复用平波电抗器时直流母线电压的稳定性进行了分析;然后在牵引变压器二次侧绕组正串与反串两种不同接线方式下,提出了小信号模型下对应电感值的计算方法,以此得到变压器复用平波电抗器时对直流母线电压稳定性的影响,整个分析求解过程对多流制或双流制机车的研发与应用具有很好的指导作用。
  • 电池及充电技术
  • 佘畅,蔡涛,魏芃,段善旭
    电源学报. 2019, 17(2): 153-162. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.153
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    研究了一种适合高压动力电池组的分散逻辑式均衡系统,并分析了该系统结构及其控制策略。在所提出的电池均衡系统中,整车电池组被划分为多个电池模组进行模块化分散管理。均衡变换器结合电池模组的电压信息,构造变参数下垂控制器,调节电池模组输入输出功率,实现电池模组的实时均衡。与此同时,均衡变换器还可以代替车内辅助铅酸蓄电池为车内低压设备供电,减小了车内电气单元的体积与成本。对均衡控制策略的稳定性进行了分析,对均衡变换器(双向双半桥变换器)进行了建模与设计,实验结果验证了均衡系统及均衡策略的可行性。
  • 储能控制及系统
  • 祖海鹏,刘旭,杨耕,孙孝峰
    电源学报. 2019, 17(2): 163-170. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.163
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    分析锂离子电池的一些特性时通常要电池的恒流放电曲线特性。目前工程上一般令电池输出阶跃电流以测取这个曲线,因此得到的电池电压特性是阶跃电流响应而不是恒电流响应。基于电化学理论中的控制电流法提出了建立锂离子电池阶跃电流响应模型的方法,分析了放电过程正极材料扩散系数的变化对电池端电压的影响,建立了数学模型并给出了模型参数的获取方法,还分析了模型参数随工作电流、环境温度以及电池荷电状态的变化规律。仿真和实物实验验证了模型的正确性。
  • 电池及充电技术
  • 姜水生,马龙,姜光军,文华,江先念
    电源学报. 2019, 17(2): 171-177. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.171
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    为探索纯电动汽车用锂离子电池在放电过程中的瞬态热特性,通过试验测试得到不同温度下的内阻和不同放电倍率下的温升曲线,计算出不同放电倍率下的瞬时生热率;根据0.5C放电倍率下的瞬时生热率和内阻生热率,求出熵热(可逆反应热)系数变化曲线,分析锂离子电池熵热特性对瞬态生热特性的影响。分析结果表明:锂离子电池的瞬态热特性主要受电池内阻热和熵热(可逆反应热)的瞬态特性影响;熵热是影响电池放电过程中温度波动的主要因素,在放电中期会出现由相变反应引起的吸热现象;在小倍率放电过程中,熵热对电池温度场的影响大于内阻热,而在大倍率中则相反。通过分析,可以为电池瞬态生热模型的建立与完善提供依据。
  • SiC、GaN器件、新型功率器件及其应用
  • 刘清,秦海鸿,余俊月,李友,文谦
    电源学报. 2019, 17(2): 178-184. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.2.178
    摘要 ( ) PDF全文 ( ) 可视化 收藏
    SiC BJT新型器件是IGBT器件的有力竞争对手,由于SiC BJT是电流型器件,设计适应于SiC BJT的电流型驱动电路非常重要。针对传统双电源阻容RC(resistance-capacitance)驱动电路的不足,设计了一种双电源阻性时序驱动电路。该驱动电路由开通支路、稳态支路和关断支路3个支路组成,通过延时电路产生不同的驱动信号,分别控制3个驱动支路。该结构可以解决传统RC驱动电路的占空比问题和驱动振荡问题,和传统RC驱动电路相比较,其驱动损耗减小很多。为了验证新驱动电路的优势,对两种驱动电路分别进行LTSPICE仿真,并制作了对应的驱动样板,仿真和实验结果验证了所提出方案的良好驱动性能。