2019年, 第17卷, 第5期　刊出日期：2019-09-30

  

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模块化多电平变换器
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  固态变压器技术及其应用专辑特邀主编述评

  黄勤,佘煦,Marco LISERRE

  电源学报. 2019, 17(5): 1-3. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.1

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  固态变压器是一种基于电力电子变换技术来取代传统60 Hz变压器的新型智能装置。其主要特点在于体积小、重量轻、可控性高以及可集中多种功能，因此在电力系统和其他领域中有着广泛的应用前景，比如电压转换、可再生能源系统集成、电网储能、电动汽车充电站及电力机车等。开发固态变压器需要克服很多困难，包括如何实现中压和高压电网连接能力。基于目前固态变压器研究的困难和热点问题，《电源学报》特别推出"固态变压器技术及其应用"专辑，以期推进固态变压器技术难点和热点问题的讨论。
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  基于模块化结构的固态变压器硬件设计

  雷洋,全相军,黄勤

  电源学报. 2019, 17(5): 4-10. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.4

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  固态变压器SST（solid-state transformer）在智能电网和电传动系统应用中有广泛的应用前景，但是其硬件实现与控制策略非常复杂，降低了在实际应用中的竞争力。为此，提出了一种基于模块化结构的固态变压器的硬件设计，其主电路采用级联式H桥CHB（cascaded H-bridge）整流器+双主动全桥DAB（dual-active-bridge）隔离型直流/直流变换器+并联H桥逆变器方案，由于整个主电路仅由H桥电路构建而成，系统的模块化程度大大提高。同时，针对这种硬件结构提出了模块单元控制器与辅助电路的设计，使得系统的模块化程度进一步提高。模块化结构的固态变压器设计不仅极大地降低了其建造成本，也简化了其控制器的实现，增加了灵活性与可靠性。
其他
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  单相电流源型高频链矩阵式PET及解结耦调制

  闫朝阳,康鸣,宋雪微,卫炳昂,代会文

  电源学报. 2019, 17(5): 11-21. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.11

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  提出一种单相电流源型AC/AC高频链矩阵式电力电子变压器PET（power electronic transformer）拓扑，通过采用高频变压器进行磁耦合及功率传递，使用电流源型电路拓扑实现输入输出的电压变换，其变压器原边采用LC滤波器及矩阵变换器结构，而副边采用矩阵变换器及CL滤波器结构。为使矩阵变换器双向开关合理工作，提出一种前级单极倍频正弦脉宽调制SPWM（sinusoidal pulse width modulation）与后级混合脉宽调制HPWM（hybrid pulse width modulation）相结合的解结耦调制策略，对前级双向开关管进行整体式驱动，对后级双向开关管进行分立式驱动。为了拓宽电力电子变压器的变换特性，对其调制策略进行了变压、变频验证。在对调制原理和主电路工作状态分析的基础上，仿真验证了所提拓扑和调制策略的有效性及可行性。
系统仿真、建模与控制
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  基于电压平衡器的固态变压器及其控制策略研究

  张哲,许崇福,王弋飞,成勇

  电源学报. 2019, 17(5): 22-30. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.22

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  固态变压器是交直流混合配电网的核心装置。针对低压直流配电网一般采用双极性供电的特点，提出了一种基于电压平衡器的固态变压器拓扑。所提拓扑的中间级DC/DC包括输入半桥、双有源桥和电压均衡3部分，结合其运行模式给出了各部分的控制策略。为了分析系统的大信号稳定性并加快仿真速度，给出了中间级DC/DC子模块的大信号回转器模型，并采用仿真方法验证了所提拓扑和控制策略的有效性。所提出的基于电压均衡器的固态变压器具有多个电压端口，能够与中高压电网及低压电网相连，提供自身用电或组网运行。
模块化多电平变换器
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  基于级联多电平变换器的固态变压器冗余设计的容错控制研究

  桑子夏,郑旭,颜炯,王思聪,杜治,周思璇

  电源学报. 2019, 17(5): 31-38. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.31

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  应用固态变压器的综合能源互联系统的可靠性与组成固态变压器的级联多电平变换器的可靠性紧密相关。冗余变换器模块的引入使得固态变压器具备了承受元件故障的能力，从而提高了固态变压器以及相关电网的可靠性。基于可用于综合能源系统以及主动配电网的固态变压器，提出了一种基于冗余子模块的容错控制策略。对几种冗余配置的容错控制策略以及运行原理进行对比研究，基于Saber仿真平台对由级联多电平变换器模块组成的单相九电平固态变压器进行建模，并对所提出的冗余子模块容错控制方法进行了仿真。其仿真结果证明所提出的冗余子模块容错控制策略可以减少故障引起的用户侧电力中断时间以及降低对固态变压器设备的损害。
软开关技术
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  基于ZVZCS的大功率屏蔽门驱动电源的研究

  方炜,陈厅和,刘晓东,刘宿城

  电源学报. 2019, 17(5): 39-47. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.39

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  屏蔽门是轨道交通系统中的关键设备之一。多台门机同时动作时，要求直流供电系统瞬时提供较大的功率输出，且供电电压不能有太大波动，这对供电电源提出较高要求。基于零电压零电流开关ZVZCS（zero-voltage zero-current switching）全桥变换拓扑，设计了一类大功率直流供电模块，分析开关ZVZCS全桥变换器在周期内的开关模态及关键波形，根据超前臂并联谐振电容在换流时的充放电过程，确定超前臂实现零电压开关ZVS（zero-voltage switching）的条件，综合零电流开关ZCS（zero-current switching）条件下开关管耐压值及原边电流复位时间，推导隔直电容的取值范围。给出最大有效占空比计算公式，详细分析了超前、滞后臂的开关损耗。根据设计参数，制作了1台2.2 kW实验样机。实验结果表明，所设计的直流电源模块在各种负载状态下实现软开关，提高了供电效率，有着良好的动态特性。
微型电网、智能电网中的电力电子技术
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  新型双向串联型Z源NPC三电平逆变器

  颜景斌,庞志聪

  电源学报. 2019, 17(5): 48-55. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.48

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  传统Z源逆变器启动冲击电流大、不具备能量双向流动能力、存在非正常运行状态、输出电压电平数少。针对上述问题，提出双向串联型Z源NPC三电平逆变器。将串联型Z源网络与NPC三电平逆变器结合，内在抑制启动冲击电流；在阻碍能量回馈的二极管反并联全控开关管，流过全控开关管的电流能够反向流动，进而维持直流链峰值电压稳定，消除非正常运行状态。仿真结果表明：配合软启动策略，改进型拓扑能实现无冲击启动；具备能量双向流动能力；低功率因数时，正常运行；输出线电压电平数增加为5。
其他
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  MMC的多载波调制策略对比分析

  何梨梨,帅智康,单佳佳

  电源学报. 2019, 17(5): 56-64. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.56

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  相比于传统直流输电技术，模块化多电平换流器型轻型直流输电系统MMC-HVDC（multi-level modular converter high-voltage direct-current）交流输出电压波形质量高，有良好的可扩展性，适用于多种电压和功率场合，而MMC调制策略对MMC系统的输出质量有很大影响，对调制策略进行研究很有必要。首先介绍了应用于MMC的载波移相调制（CPS-PWM）和载波层叠调制（LS-PWM）3种层叠方式的工作原理，并对CPS-PWM、PD-PWM、POD-PWM和APOD-PWM 4种调制进行了深入的对比分析；然后重点比较了4种调制策略在输出相电压谐波畸变率及等效开关频率等方面的表现，总结4种多载波调制的特点及应用场合；最后通过Matlab/Simulink搭建单端三相无源逆变MMC系统对4种调制进行对比分析，验证上述理论结果。
SiC、GaN器件、新型功率器件及其应用
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  NPC三电平逆变器的开关管开路故障诊断

  苗贝贝,沈艳霞

  电源学报. 2019, 17(5): 65-72. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.65

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  开关管故障诊断是三电平逆变器系统实现可靠运行的前提。针对二极管中点箝位型NPC（neutral-poi-nt-clamped）三电平逆变器，提出了一种新颖的开关管开路故障诊断方法。选取开关状态、负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征，在不同的电流流通路径下进行开路故障特征分析，实现对故障开关管地准确定位。实验验证了所提故障诊断方法的正确性和有效性，与其它开关管开路故障诊断方法相比，该方法不需要复杂的算法，具有诊断迅速、可靠性高的优点。
系统仿真、建模与控制
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  矩阵变换器系统小信号模型稳定性分析

  戴斌,宋卫章

  电源学报. 2019, 17(5): 73-79. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.73

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  提供了一种基于小信号模型的矩阵变换器稳定性分析方法。以电源、二阶输入L-C滤波器、矩阵变换器和R-L负载为对象，建立矩阵变换器系统小信号模型。获得传递函数，通过对其零极点的分布进行分析，探明了各参数对系统稳定性影响的规律，并着重研究了矩阵变换器管压降、换流和死区这些非线性因素对系统稳定性的影响。通过傅里叶分析给出了谐波表达式，分析了这些非线性因素与稳定性的关系。仿真结果验证了建模和分析结论的正确性。
电源的数字控制
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  两相连续型阻塞式交交变频电源

  李玉东,李凯存,马星河

  电源学报. 2019, 17(5): 80-86. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.80

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  针对传统变频技术的不足，提出一种两相连续型阻塞式交交变频电源，具有传统变频技术所不具备的谐波含量少、功率因数高、功率器件少、控制简单和成本低廉等优势。依据阻塞控制策略对输入两相电网电压进行阻塞拼接变换，实现调频的目的；同时采用SPWM斩波调压技术对阻塞后电压进行斩波处理，进一步实现调压的目的。使用DS1104实时控制系统完成对控制策略的验证，并依靠STM320F2812实现控制策略的实施。进一步设计主功率电路及信号调理电路，完成变频电源的相关实验，获得了典型的实验结果。实验结果与理论分析相一致，验证了提出的两相连续型阻塞式变频电源的正确性与可行性，同时也为面向家用电器、工厂中小容量排风设备的节能及换流方式的改进提供理了论依据和实验指导。
逆变器与UPS
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  具有参数鲁棒性的三相电压源型并网逆变器模型预测电流控制

  陈韬珉,阮玉斌,林琼斌,苏先进

  电源学报. 2019, 17(5): 87-95. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.87

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  传统模型预测电流控制十分依赖精确的数学模型，然而建模存在的误差会使模型参数失配。针对模型参数失配引起的控制器鲁棒性较差问题，提出了具有参数鲁棒性的模型预测电流控制算法。通过对模型预测电流控制的工作机理进行分析，论述了电感失配对控制器的影响；根据实际电流变化量与预测电流变化量的关系建立电感观测器并划分观测区域，使预测模型具有强鲁棒性。在两电平三相电压型并网逆变器系统上对所提算法进行仿真与实验，在模型参数失配时，控制器可通过电感观测器准确跟踪实际电感值并修正模型，从而有效降低并网电流的总谐波含量，仿真和实验结果验证了该算法的可行性与有效性。
系统仿真、建模与控制
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  计及闭环策略的并网逆变器集群阻抗特性比较分析

  徐香菊,朱淼,侯川川,蔡旭

  电源学报. 2019, 17(5): 96-105. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.96

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  以逆变器集群为接口的新能源大规模接入改变了电网的动态特性，次/超同步振荡现象频发，制约了新能源的并网消纳。为深入研究该类型振荡的抑制方法，以单台并网逆变器输出阻抗为最小建模单元，引入谐波线性法推导了PI控制和准PR控制策略下逆变器闭环系统的序阻抗模型，在此基础上建立考虑多台逆变器并联运行的等效阻抗模型。通过对比两种闭环控制策略下逆变器集群输出阻抗的低频段动态特性和接入弱电网后的系统稳定性，在电流内环具有相同稳定裕度的情况下，相较于PI控制，逆变器集群采用准PR控制时互联系统稳定裕度更大，可以降低系统发生次/超同步振荡风险。最后在Matlab/Simulink仿真平台搭建逆变器集群并网仿真模型，模拟了不同强弱电网环境下的并网稳定与失稳现象，从而验证理论分析结果。
逆变器与UPS
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  电网电压不平衡下燃料电池并网逆变器功率控制

  陈沐泽,杨培宏

  电源学报. 2019, 17(5): 106-112. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.106

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  基于参考指令变更的三相并网逆变器功率控制方法，通过调节影响功率波动的参考指令内的谐波分量可以实现逆变器电流质量和功率波动间协调控制，但不能实现三相电压不平衡下负序交流分量的无静差调整。针对此问题，提出了三相电压不平衡下燃料电池三相并网逆变器功率控制方法，构建了燃料电池三相并网逆变器电路拓扑结构。在此基础上采用无锁相环直接功率控制方法，采用全通滤波器对并网逆变器电路中的电压和电流基波分量进行90°相移，消除2倍频的负序交流分量，实现并网逆变器有功功率和无功功率的有效控制。仿真结果证明，所提方法控制的并网逆变器进网电流谐波含量为0.33%，输出电流正弦度较高，电网电压不平衡状态下仍能坚持对电流进行控制。该方法功率控制效果好，具有较强的安全性。
太阳能、风力、燃料电池发电
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  风电场中分布式电源配置方法优化研究

  韩俊,崔文婷,黄俊辉,谢珍建,王娜,陈曦

  电源学报. 2019, 17(5): 113-119. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.113

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  现有的风电系统电源配置方法一般通过有功矩法确定电网的连接点，难以获取电源分布的最佳定容，网损较大，配置效果不理想。针对这一问题，对风电场中分布式电源DG（distributed generation）配置方法进行了优化研究，建立了风电场中分布式电源配置的目标函数，并通过约束方程获取有功网损和分布式电源节点状态变量的越限概率；采用改进基本仿电磁学算法得到分布式电源分布的最优定容方案，实现了分布式电源的优化配置。实验结果表明，所提方法能够减少风电场的有功网损，平均配置失误率和稳定性分别为1.96%和96.2%，具有最佳的电源优化配置效果。
谐波、电磁兼容和电能质量控制
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  一种基于YNvd变压器的多电平铁路功率调节系统

  罗隆福,周净轩,田野,颜亚菲

  电源学报. 2019, 17(5): 120-128. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.120

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  为解决高速铁路牵引供电系统中的负序、谐波电能质量问题，提出了一种基于YNvd平衡变压器的多电平铁路功率调节系统。采用由4个多电平级联型H桥链与滤波电感组成的多电平铁路功率调节器MRPC（multilevel railway power conditioner），并将MRPC一侧直接连接于YNvd平衡变压器二次侧β相分接头，取代了通过降压变压器连接于供电臂的传统方法，减少了系统成本。分析了该系统的拓扑结构、等效模型及补偿原理，并根据补偿原理提出一种由指令电流跟踪、环流抑制与链节电压平衡3层组成的分层控制策略，最后通过仿真验证了所提理论的可行性与有效性。
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  集成滤波电感变压器在10 kV箱式变电站谐波治理中的应用

  许加柱,柏滋艺

  电源学报. 2019, 17(5): 129-136. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.129

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  针对10 kV变电站谐波污染问题，提出了一种将特定次滤波电感集成于配电变压器中的技术方案，避免了传统无源滤波装置中空心电抗器占用空间大或铁心电抗器噪音严重的缺点。首先分析了将滤波电感集成于变压器中的解耦技术；然后对某一容量800 kVA的样机进行有限元仿真，理论分析降阶电感矩阵法，计算出变压器绕组间耦合度和电感矩阵，并以电感矩阵为接口进行系统的场路耦合仿真；最后对样机滤波效果进行实验测试。仿真和实验结果表明：集成滤波电感配电变压器能达到很好的谐波抑制与无功补偿效果，且集成滤波电抗器具有与变压器其它绕组低耦合、占用空间较小、不增加噪音等特点。
系统仿真、建模与控制
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  基于UKF和SPRT小电流单相接地故障选线方法

  付华,赵珊影,孟祥云

  电源学报. 2019, 17(5): 137-145. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.137

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  为解决现有小电流系统单相接地故障选线方法在准确率和可靠性等方面存在的问题，提出了一种基于无迹卡尔曼滤波UKF（unscented Kalman filter）和序贯概率比检验SPRT（sequential probability ratio test）的小电流系统单相接地故障选线方法。首先建立故障线路的无迹卡尔曼滤波数学模型；再利用无迹卡尔曼滤波对系统故障特征信息进行跟踪与预测；通过序贯概率比方法，利用新信息观测值与实际量测值的残差值，计算似然比；构造故障判据，从而快速地选出故障线路。ATP-EMPT和Matlab的大量仿真实验结果表明该方法具有较高的准确率和可靠性。
其他
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  强磁场对电子式互感器与传统式互感器计量性能的影响

  唐志涛,卓浩泽,李金瑾,韦杏秋,龙东

  电源学报. 2019, 17(5): 146-152. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.146

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  磁场环境变化对线圈类电子式互感器及传统互感器的计量准确度均有一定的影响。通过理论分析研究不同电磁干扰下，磁场的平行分量、垂直分量对互感器输出计量准确度的影响，利用所研制的电子式互感器与传统互感器计量特性定量对比测试平台，分析其在电量累计过程中的差异，并在50 A/m、1 000 A/m电磁干扰下实时测量电子式电流、电压互感器比值差、角度差。试验结果表明，电子式互感器和传统式互感器计量性能基本不受强磁场的干扰。
电动汽车与电力机车
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  锂离子电池高镍三元正极材料LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂的改性研究进展

  邓七九,田聪聪,凤帅帅,惠鹏,燕映霖,杨蓉,许云华

  电源学报. 2019, 17(5): 153-161. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.153

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  新能源产业的快速发展对储能材料与器件的综合性能提出了更高的要求。锂离子电池正极材料，尤其是高镍三元材料（LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂）具有高能量密度、高工作电压及优异的化学稳定性等特点，因而被认为是下一代动力电池商业化正极材料的优越选择。系统总结了高镍三元材料LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂的优势并指出了其亟待解决的问题；在此基础上，综述了其各类改性方法，包括各类阴阳离子掺杂、表面包覆、浓度梯度材料设计以及石墨烯复合等方法；最后对其发展方向及商业化应用进行了展望。
电池及充电技术
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  基于增量误差的卡尔曼滤波算法全区间荷电状态估计

  高文凯,郑岳久,许霜霜,周龙

  电源学报. 2019, 17(5): 162-169. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.162

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  在电池管理系统领域，精确的荷电状态SOC（state-of-charge）估计是众多状态估计中最基础的技术之一。但在一些特定的SOC区间段内，便于实际应用的等效电路模型并不能很好地等效电池的特性，故基于传统卡尔曼滤波算法的SOC估计会出现精度下降的问题。提出一种基于增量误差的卡尔曼滤波算法，通过离线分析等效电路模型在各个SOC区间段内的性能优劣，得到各个SOC区间的噪声协方差控制表；将噪声协方差应用于对应的SOC区间段内，从而实现对全区间SOC的精确估计。实验表明在SOC低于20%的区间内，采用基于增量误差的卡尔曼滤波算法可以大大提高SOC估计精度。
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  质子交换膜燃料电池开路电压校准方法

  程俊红,肖震霞

  电源学报. 2019, 17(5): 170-176. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.170

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  为了提高电池开路电压校准效果，引入质子交换膜设计了一种电池开路电压校准方法。研究了新的质子交换膜燃料电池开路电压校准方法，通过分析质子交换膜燃料电池工作原理，以Nernst方程表示了质子交换膜燃料电池开路电压。在校准开路电压过程中，校准装置连接至测量点，质子交换膜燃料电池片放置在分选机上，通过采用分选机的I-V测量仪与校准装置同时测量质子交换膜燃料电池开路电压，对比了两组不测量数据；获取校准系数后，依照质子交换膜燃料电池开路电压的影响因素，分析了引入模拟器辐照度偏差、温度控制偏差和测量仪器重复性后开路电压校准不确定度。实验证明，方法平均校准误差值低于对比校准方法50%以上，且平均校准时间也比对比校准方法平均低1.77 s，说明该方法可实现高精度、高效率的质子交换膜燃料电池开路电压校准。
谐波、电磁兼容和电能质量控制
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  电动汽车永磁同步电机分布参数提取研究

  何逢春,贾晓宇,陈敏,徐德鸿,何茂军,柳绪丹

  电源学报. 2019, 17(5): 177-185. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.177

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  电动汽车驱动系统通常由电池组、逆变器以及永磁同步电机构成。由于逆变器中功率半导体器件高频地开关，驱动系统会产生电磁干扰EMI（electromagnetic interference）。永磁同步电机为共模电磁干扰和差模电磁干扰提供了传播路径，其寄生参数增强了电磁干扰，因此它是电动汽车驱动系统EMI模型的重要组成部分。在分析电机物理结构的基础上，基于永磁同步电机的集总参数模型，将模型中的电路元件与电机寄生参数联系起来；然后通过理论计算和有限元仿真分析相结合的方法，提出了绕组电感、相间互感、寄生电容、铜耗电阻和铁损电阻的获取方法，并通过实验测量验证了理论计算方法的正确性。基于所提参数提取方法，得到了集总参数模型参数，通过仿真和网络分析仪实验测量进行了所提方法的验证。
电力传动与变频调速
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  考虑三次谐波转矩的双五相永磁同步电机串联系统直接转矩控制研究

  段庆涛,周扬忠

  电源学报. 2019, 17(5): 186-196. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.186

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  针对反电动势非正弦的2台五相永磁同步电机串联驱动系统提出一种3次谐波转矩补偿型直接转矩控制策略。首先通过坐标变换建立了考虑3谐波转矩的双五相PMSM串联系统的数学模型，基于电压矢量对转矩的控制关系，分别在2个子空间计算定子磁链增量的期望值；然后根据2台电机定子电压方程，计算出2个平面内电压矢量参考值，并提出一种占空比调制型空间矢量调制算法；最后，通过仿真与实验验证了所提控制算法的可行性。
系统仿真、建模与控制
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  基于无迹粒子滤波的功率变换器剩余寿命预测方法

  孙权,王友仁,吴祎,姜媛媛

  电源学报. 2019, 17(5): 197-202. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2019.5.197

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  针对功率变换器难以准确建立表征其性能退化过程的物理模型，提出一种基于无迹粒子滤波的方法实现其剩余寿命预测。首先，通过分析电路关键元器件退化对电路性能的影响，选取输出电压均值作为寿命表征参数；其次，依据电路性能退化历史数据，采用无迹粒子滤波进行故障趋势建模；最后，逐步递推预测寿命特征参数值并结合电路失效阈值从而实现功率变换器剩余寿命预测。以闭环SEPIC电路为例，分析了建模数据规模对预测性能的影响，并与卡尔曼滤波方法进行对比分析，其结果验证了所提方法的有效性及准确性。