电源学报

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电力电子前沿技术与应用专辑主编评述

杜雄,陈武

电源学报. 2020, 18(1): 1-3. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.1

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随着宽禁带半导体器件和无线电能传输等新技术的快速发展，以及基于电力电子技术的新型设备在电力系统中的大规模应用，电力电子技术作为高效电能转换和传输的关键支撑技术，得到国内外研究人员广泛关注，近年来涌现了众多前沿热点技术与新型应用。比如变流器的拓扑设计、老化监测与稳定性控制等等。基于电力电子众多前沿技术与应用的最新研究进展，《电源学报》特别邀请中国电源学会青年工作委员会推出"电力电子前沿技术与应用"专辑，以期推进电力电子前沿技术与应用难点和热点问题的探讨。

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大功率中频变压器研究综述

杨景刚,张珂,陈武,赵国亮,陈智,董阔军

电源学报. 2020, 18(1): 4-17. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.4

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在交直流混合配网、电力机车牵引及工业特种电源等电能变换领域，大功率中频变压器作为关键设备，因其体积与功率密度优势得到了广泛应用。目前国内对中频变压器的建模与设计已接近国际先进水平，但在制造工艺方面仍有一定差距。介绍了大功率中频变压器的应用背景，并回顾了近年来国内外的样机研制工作；分章节阐述了中频变压器的损耗计算与优化，寄生参数建模与控制、干式中频变压器绝缘以及新型热管理技术；最后，对大功率中频变压器领域目前存在的挑战与热点问题作了总结。

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基于热时间常数的IGBT模块热疲劳老化监测方法

余瑶怡,杜雄,张军

电源学报. 2020, 18(1): 18-27. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.18

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提出利用热时间常数作为新的特征量，实现了对IGBT模块和导热硅脂的热疲劳老化进程的同步监测。通过研究热时间常数与Cauer型热网络参数的关系，建立了热时间常数与IGBT模块物理结构间的联系，总结出热时间常数在IGBT模块热疲劳老化过程中的变化规律。最后，通过3-D有限元仿真模型和实验验证了该方法对监测IGBT模块和导热硅脂热疲劳老化的有效性。该方法的显著优势在于可以仅通过1条结温降温曲线提取热时间常数，且不需要任何损耗信息或加热模块至热平衡状态。

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车载牵引变流系统故障诊断与容错控制综述

葛兴来,谢东,邓清丽

电源学报. 2020, 18(1): 28-44. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.28

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车载牵引变流系统作为高速列车的动力源，其安全可靠性对保障高速列车安全、高效、可靠的运行和维护至关重要。在非线性、强耦合和多工况等复杂条件和恶劣环境中长期运行，牵引变流系统中的各类部件都会出现不同程度的劣化失效，引发各类故障，给高速列车的安全运行带来极大挑战。为此，针对高速列车车载牵引变流系统功率器件、牵引控制单元、传感器和中间直流环节等故障率高的部件进行了故障诊断与容错控制方法的调研和总结，对比分析不同方法的研究思路和适用条件。最后，讨论车载牵引变流系统故障诊断与容错控制研究中亟待解决的问题，并对未来的研究做出展望。

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基于GWO-ELM的逆变器开路故障诊断

姚芳,姜涛,刘明宇,董超群,郑帅

电源学报. 2020, 18(1): 45-53. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.45

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为提高三相光伏逆变器工作的稳定性和可靠性，针对其功率管单管或两管同时故障等多种故障类型，分析了逆变器开路故障的特性及故障后可能造成的影响，并提出了一种基于时域的故障特征提取技术。基于GWO-ELM的故障诊断模型，是利用灰狼算法优化极限学习机，实现隐含层神经元个数的最优设计，进而进行模型训练，最终实现故障诊断。仿真与实例验证表明，所提时域故障特征量提取方法和GWO-ELM故障诊断模型提高了故障诊断精度，对逆变器的故障诊断具有重要意义。

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基于神经网络的老化锂电池SOC估算方法的研究

张立佳,徐国宁,赵向阳,杜晓伟,周翔

电源学报. 2020, 18(1): 54-60. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.54

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针对锂离子电池循环次数的增加出现的老化现象以及锂离子电池性能的下降的问题，本文分析了锂离子电池老化相关参数的变化情况，建立了对应的锂离子电池等效模型并根据实际的电池数据拟合了参数的衰减曲线。同时，基于神经网络自学习的方法设计了针对老化后锂离子电池SOC估算方法。最后，通过数据证明了所提方法能够实现对老化锂离子电池的较为准确的预测。

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功率半导体模块的温控散热器设计方法

刘波,杨云霄,朱晔,马柯

电源学报. 2020, 18(1): 61-67. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.61

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随着可再生能源不断开发，电力电子系统的运行条件愈发严苛，对功率半导体器件的可靠性提出了严峻的挑战，其中，严苛的环境温度及器件温度的快速变化是影响功率器件寿命的2个主要因素。因此，模拟环境温度对功率器件的影响是分析器件老化因素的关键步骤。由于传统模拟环境温度的方法昂贵且不能模拟温度的急剧变化，因此提出了一种功率半导体器件的温控散热器设计方法。该设计方法引入了基于PLECS的热仿真模型及基于占空比可变开关信号的温度控制算法，能够实现功率半导体器件环境温度的模拟。相较于传统方法（如温箱），该方法能够实现更快的温度响应速度，且成本更低。搭建了实验样机，通过实验验证了该设计方法的有效性。

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压接式IEGT芯片布局对其温升的影响

肖磊石,代思洋,赵耀,王志强

电源学报. 2020, 18(1): 68-73. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.68

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压接式电子注入增强型门极晶体管PP-IEGT（press pack-injection enhanced gate transistor）封装内采用多芯片并联结构，芯片间的布局对器件温升与稳定性有着重要影响。在现有的对齐阵列布局下，芯片间严重的热耦合效应会导致器件结温较高，因此提出一种交错阵列的圆形布局。基于有限元热稳态仿真分析，对比了2种布局下的芯片温度分布，以及封装内各层组件的温度差异；同时，考虑不同功率损耗和外部散热条件的影响，对2种布局下各层组件温度变化进行了讨论。结果表明，提出的交错阵列布局可有效改善热耦合效应，芯片上的热量得到更好地耗散。此外，各芯片和器件整体的温度分布均匀性得到了提高，为更大电流参数PP-IEGT的芯片布局设计和稳定工作提供了参考。

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光伏组件热斑电池片功率损耗的简化算法研究

翁捷,刘恒,张志祥,马铭遥,云平

电源学报. 2020, 18(1): 74-80. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.74

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热斑故障是光伏组件各类故障中最常见的一种。热斑电池发热越大，热斑故障越严重，对光伏系统的危害越大。针对常见晶硅光伏组件结构，剖析了光伏组件因热斑故障所引起的发热机理，结合单二极管等效电路模型提出一种简化的热斑电池片功率损耗计算方法；分析了光伏组件的不同工作状态，并结合组件的I-V曲线给出了各种工作状态下简化功率损耗算法中的关键参数确定方法。通过对光伏组件热斑电池片实验测试温度和热仿真温度对比，验证了所提简化功率损耗计算方法的准确性。

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风-光-沼可再生能源发电的电源有效接纳容量评估

申洪涛,牛为华,吴一敌

电源学报. 2020, 18(1): 81-87. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.81

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为解决可再生能源发电存在间歇性问题，提出一种风-光-沼可再生能源发电的电源有效接纳容量评估方法。基于风-光-沼可再生能源发电系统结构特点，以成本经济性和供电可靠性为目标，以系统稳定性、电量供需均衡性及各微电源输出功率最大值为约束条件，建立电源有效接纳容量评估模型。采用改进粒子群的电源双层规划方法，求解电源有效接纳容量评估模型，通过自适应变异粒子群解决粒子群优化算法易陷入局部最优解情况。利用2个粒子群优化算法的交互迭代规划电源上下两层，求解最佳电源有效接纳容量。以L省某负荷中心为实验平台展开算例分析，结果表明：该方法具备风-光-沼可再生能源发电电源有效接纳容量评估可行性和有效性，通过协调控制可以保证负荷中心稳定运行。

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一种超宽电压范围隔离型DC-DC变流器研究

万新强,倪喜军,骆皓,赖勇,王秀茹,王书征

电源学报. 2020, 18(1): 88-95. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.88

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针对不同规格电动汽车的统一充电系统需求，研究2倍以上宽输出电压范围隔离型DC-DC变流器已成为该领域的热点。提出了一种隔离型的LLC串-并联模式变换拓扑及其设计方法，实现0.5~3.0倍的宽输出电压范围，且所有功率器件满足软开关运行。首先，利用半桥变模态控制，获得1.0倍以下电压增益；然后，利用PWM脉冲180°移相实现串-并联快速切换，实现1.0倍或2.0倍电压增益的转换；最后，通过变频结合PWM整流器直流电压调压功能，实现0.5~3.0倍宽电压增益的调节。样机实验结果表明：所提变流器利用上述策略，达到了预期的0.5~3.0倍增益，且实现软开关运行；此外，并联至串联切换过程时间非常短，仅300 μs，串联至并联切换过程稍长，但也仅4.5 ms，适用于对电压增益范围要求较宽的应用场合。

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应用于矿井提升机系统的超级电容储能型MMC

杨晓峰,陶海波,游小杰,郑琼林

电源学报. 2020, 18(1): 96-103. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.96

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提出一种应用于矿井提升电气传动系统的超级电容储能型模块化多电平变换器MMC-SCES（super capacitor energy storage based modular multilevel converter），采用分布式超级电容组作为子模块的直流支撑电容，用于吸收提升机的再生制动能量，并在牵引工况合理释放，以提高能量的利用效率。首先分析了MMC-SCES的拓扑和工作原理；在此基础上研究了系统的关键控制策略；并通过仿真算例对所提MMC-SCES拓扑进行了验证。结果表明，MMC-SCES能够适应提升机的变频调速工况，提高了系统能量复用率，在中高压矿井提升电气传动领域中具有良好的工程应用前景。

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谐振式模块化直流变换器的高增益控制

杨晓峰,陶海波,杨帆,张延彬

电源学报. 2020, 18(1): 104-115. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.104

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随着新能源发电并网系统发展和各类新兴直流负载出现，直流配电网得到快速发展，高增益直流变换器成为不同电压等级互联的关键设备。提出了一种基于子模块级联结构的谐振式模块化直流变换器RMDC（resonant modular DC converter）拓扑，并利用子模块电容与桥臂电感构成串联谐振回路实现能量传递，同时级联结构易于获得较高的电压增益。首先分析了RMDC工作原理及关键参数和电压增益之间的数学关系；在此基础上，提出一种高增益控制方法；最后通过仿真和实验结果验证了理论分析和高增益控制方法的有效性和正确性。

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应用于模块化多电平直流变换器的阶梯波调制策略

徐晓冬,包广清,马明,汪宁渤,王裕

电源学报. 2020, 18(1): 116-121. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.116

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在直流配电网中，模块化多电平直流变换器MDCC（modular multilevel DC/DC converter）以模块化多电平变换器结构为基础，是实现不同电压等级直流母线电压变换和电能双向传输的核心装置。探讨MDCC的高频链阶梯波调制策略，并采用傅里叶级数建模，可有效简化阶梯波建模和分析过程。此外，阶梯波调制可有效减小高频链电压dv/dt、谐波和无功含量，提升MDCC整体效率，促进MDCC在直流配电网中的应用。

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考虑器件损耗的DAB变换器最大输出功率分析

徐墨尘,李永建,李珊瑚,李尔平

电源学报. 2020, 18(1): 122-130. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.122

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针对双有源桥DAB（dual-active-bridge）DC-DC变换器输出功率受变换器运行损耗的影响，对考虑开关器件损耗的DAB变换器输出功率进行特性分析。首先，根据DAB变换器不同工作模态与开关器件的工作特性，建立了双重移相调制策略下的开关器件损耗模型；然后，利用该模型推导出考虑开关器件损耗情况下的输出功率分布，并分析了该输出功率的特性，与理想输出功率相比，考虑器件损耗下的最大输出功率点向损耗偏小的方向发生了偏移，偏移趋势与开关器件的参数有关；最后，搭建了实验平台进行验证。实验结果证明了最大输出功率点偏移趋势的准确性。

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一种新型的小汽轮机给水泵变速恒频发电系统

谭杰元,张建文,施刚,肖振坤

电源学报. 2020, 18(1): 131-139. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.131

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为节能减排，火力发电厂采用主汽轮机再热蒸汽驱动小汽轮机带动锅炉给水泵供水，通过调节小汽轮机进汽阀开度的方式来控制转速。但该方案在阀门处产生节流损失，轻载时对系统效率影响更大。为此，提出一种小汽轮机、给水泵和电机三者同轴连接结构，用全功率变流器驱动电机，实现给水泵变频调速，并将剩余能量馈回电网，实现节能。运行时阀门全开，调节电机电磁转矩来吸收轴系功率，平稳快速控制给水泵速度，避免阀门损耗。从汽轮机-给水泵的转速转矩及机械耦合特性出发，建立了该发电系统的数学模型，针对工况切换下的调速要求，研究了运行稳定性和抑制功率波动尖峰的控制策略及控制参数设计。最后通过仿真分析以及小功率系统的物理动模实验，验证了系统运行的可行性和有效性。

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基于多功能串联补偿器的感应电机优化控制

王文彬,李琼,蒙天骐,邓杰,姜飞

电源学报. 2020, 18(1): 140-149. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.140

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用户与电网的互动技术是配电网安全、高效运行的重要内容。首先，提出了采用多功能串联补偿器MFSC（multifunctional series compensator）的感应电机优化控制方法，通过灵活控制MFSC中的串联型电压源变流器，使其能够分别运行在电压补偿模式、自适应柔性软启动模式。在电网电压跌落期间，通过在故障相注入补偿电压快速恢复电机定子并网点电压，保证电机稳定运行；在感应电机启动期间，基于动态分压原理，通过注入变化的虚拟阻抗实现对机端电压的柔性调节，保证电机柔性启动冲击电流和谐波扰动均较小，启动过程平滑。然后提出了MFSC系统的优化控制策略及参数设计方法，仿真和实验结果验证了MFSC系统在感应电机中应用中的有效性和正确性。

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宽禁带器件在1 kV高频直流谐振变换器中的应用与对比

顾占彪,李志斌,石伟杰,唐家承,张之梁,任小永

电源学报. 2020, 18(1): 150-161. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.150

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与传统硅Si（silicon）功率器件相比，第3代宽禁带功率半导体器件，如碳化硅SiC（silicon carbide）和氮化镓GaN（gallium nitride）功率器件，由于具有高功率密度、耐高温和抗辐照等特点，得到了越来越广泛的应用。分析了基于SiC和GaN的2种1 kV输入、32 V/3 kW输出的LLC谐振变换器，通过仿真和实验探究了变压器匝间电容对谐振电流的影响；并采取分离谐振腔、改变变压器绕组结构的方法，减小谐振电流的畸变，保证了开关管ZVS的实现。由于大匝比变压器难以平面化，2种变换器均采用原边串联、副边并联的矩阵变压器，实现自动均压、均流，降低电压和电流应力，提高功率密度和热稳定性。为了进一步提高效率，GaN LLC变换器副边采用同步整流。最后，本文从拓扑、损耗、整机尺寸、可靠性以及功率密度等方面对比分析了这2种变换器的优缺点，为器件的选择提供了参考依据。

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IGBT模块开关特性测试研究与驱动参数选择方法

李永皓,陈敏

电源学报. 2020, 18(1): 162-167. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.162

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工业应用中需要根据工况选用合适的IGBT模块，不能直接参考模块数据手册上的数据来应用模块。本文针对特定的应用工况搭建硬件和软件电路，进行全面自动化双脉冲测试，分析了各工况条件对开关特性的影响，为IGBT模块的实际工况运行优化设计以及功率能力评估提供参考。同时，还提出了一种驱动电阻的优化切换方法和一种最佳驱动电路和驱动参数的选择方法。

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干扰因素下无线电能传输频率控制算法研究

杨建

电源学报. 2020, 18(1): 168-175. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.168

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为了提高无线电能传输WPT（wireless power transmission）负载端接收功率以及效率，增强传输的稳定性，研究无线电能传输系统过耦合干扰因素下无线电能传输频率控制算法，解决在该种干扰因素下频率分裂引起的传输功率下降问题。采用自适应频率跟踪WPT系统，依据DSP控制DDS（direct digital synthesis）自动调节输出频率，完成无线电能传输频率的自适应跟踪控制。采用改进粒子群优化算法，以进化因子和时间变动为依据进行自适应调整粒子的惯性权重和学习因子，提高粒子寻求最优解的速度和粒子算法的搜索力，获取无线电能传输系统功率和效率的最优值，增强频率跟踪的速度和精度。结合Zigbee，向DSP中植入改进粒子群优化算法，控制无线电能传输系统射频源频率，完成无线电能传输系统功率和效率同步频率跟踪，增强过耦合运行状态下无线电能传输负载端接收功率及效率。实验表明，该控制算法可在临界耦合点前提高无线电能传输系统整体功率，且能提高无线电能传输系统效率，系统发射端频率得到平稳控制，性能得到改善。

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考虑宽负载变化的有源电容等效容值控制与损耗分析

杨明,朱国荣,邓翔天,王菁,李存中,王浩然

电源学报. 2020, 18(1): 176-184. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.1.176

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二端口有源电容是一种仅有2个引出端口而无需任何附加电气连接端子的有源电路。然而，基于传统控制方法的有源电容等效容值在理想情况下是无穷大的，这不适用于某些需要精确容值的无源电容应用场合。为此，提出了一种基于二端口有源电容的等效容值控制方法，该方法能根据不同的应用需求实现对有源电容的精准容值控制。首先，对有源电容的阻抗进行建模与分析；然后，通过基于单相整流器的仿真分析，将通过等效容值控制的有源电容与具有相同容值的无源电容进行对比，以验证控制精度；最后，通过与传统有源电容控制方式在功率损耗和动态响应速度方面进行对比，结果验证了所提出等效容值控制方法的有效性。

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2020年, 第18卷, 第1期　刊出日期：2020-01-30

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