电源学报

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高性能双向直流变换技术及其应用专辑主编评述

张云,吴红飞

电源学报. 2020, 18(3): 1-3. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.1

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双向直流变换技术，是一种基于双向直流变换装置接口高低压直流能量源或直流母线进行高低压侧电压匹配和功率双向流动控制的技术。近年来，随着高性能半导体器件、高效率磁性元件、先进热管理等技术和高性能控制技术的发展，双向直流变换器及其控制系统的设计成了工业界和学术界研究和发展的热点。基于当前双向直流变换技术的研究热点问题，《电源学报》特别推出“高性能双向直流变换技术及其应用”专辑，以期推进双向直流变换技术难点和热点问题的讨论。

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一种基于内置变压器的高增益双向DC-DC变换器

严志星,曾君,赖臻,刘俊峰

电源学报. 2020, 18(3): 4-12. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.4

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提出一种应用在储能系统的双向DC-DC变换器，其具有电压增益高、电压应力小和软开关范围宽的优势。通过将内置变压器集成在飞跨电容结构和2个交错的Buck/Boost结构中，可以同时实现电压增益高和电压应力小。内置变压器结构的特点是磁芯中的磁通可以相互抵消，避免了磁饱和，从而有效地减小磁性器件的体积。通过采用交错的结构，低压侧的电流纹波明显减少；通过调节占空比，实现变压器原、副两边的电压匹配，从而减少环流；同时，通过采用移相控制，可以单调地调节传输功率；合理设置参数后，所有MOSFET可以实现宽范围的软开关。详细给出了工作原理和稳态分析，并设计了额定功率为1 kW的实验样机，以验证所述变换器的可行性。样机的效率在升压模式和降压模式下是相似的，这表明该变换器的效率是不受功率传输的方向影响的；在低压侧电压变化时，该变换器的效率变化不大。因此，所提变换器适用于需要高电压增益、宽电压侧电压范围的储能系统。

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一种并联输入并联输出的宽范围双向隔离DC/DC变换器

姚洪涛,粟梅,但汉兵,熊文静,邬思升,胡子恒

电源学报. 2020, 18(3): 13-21. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.13

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目前，DC/DC变换器广泛应用于新能源发电、电动汽车以及锂电池化成分容等领域。针对低压大电流双向功率传输应用场合，提出了一种输入并联输出并联的宽范围双向隔离DC/DC变换器。该变换器由2个相同的两级式DC/DC变换器组成，前级采用高效率LLC谐振变换器作为直流变压器,以实现电气隔离；后级采用交错式Buck/Boost变换器，保证宽范围电压输出和高动态性能。所提变换器能够实现功率的双向传输，且采用了一种功率方向改变时，无需进行功率流向判断与开关逻辑切换的调制策略，简化了系统的控制策略并提高可靠性。设计了1台3 kW的实验装置，实验结果验证了所提变换器及其控制方法的可行性和有效性。

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一种具有恒电压增益和自动功率限制能力的双向LLC-DCX变换器及其调制策略

粟梅,蔡志强,谢诗铭,许国,邓国良,陈孝莺

电源学报. 2020, 18(3): 22-30. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.22

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对于汽车低压辅助电源系统，双电源（48 V/12 V）系统架构已经成为12 V供电系统到48 V供电系统的过渡方案。为提高效率及实现电池组自动均压，研究了低压大电流的双向隔离DC-DC变换器拓扑及其控制方法。首先，提出了一种混合供电系统的架构，可以减小DC-DC变换器的功率容量以及电池组的数量；其次，结合所研究的架构，提出了LLC-DCX（DC-transformer）变换器的同开同关调制策略；再次，在传统LLC变换器中添加钳位二极管限制启动电流，并在过载情况下实现恒功率限制。最后，通过纯模拟控制，采用一台720 W（12 V/60 A）的LLC变换器样机，对变换器的调制策略、功率分配以及电池均压等特性进行验证，其结果表明了所提出方案的有效性。

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一种高增益双向准Y源DC-DC变换器

房绪鹏,王晴晴,郑士成,綦中明

电源学报. 2020, 18(3): 31-37. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.31

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针对传统双向DC-DC变换器电压增益小、传输效率低等问题，提出了一种改进型高增益双向准Y源DC-DC变换器电路拓扑，通过调节双向功率开关管的导通占空比和耦合电感的匝数比，实现功率双向传输的目的。电路拓扑结构简单，传输效率高，具有连续的输入电流，绕组匝数比设计灵活，进一步提高了电压增益，调压范围更宽。首先对电路的拓扑结构和工作原理进行了分析，并通过数学公式推导证明了其正、反向2种工作状态下的升/降压性能；然后用Matlab/Simulink软件进行了仿真分析；最后搭建实验样机进行验证，仿真和实验结果均证实了电路拓扑的可靠性和优越性。

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基于三端口双向DC/DC变换器的高增益组合式交直流变换器

杨柳,杨帆,吴红飞

电源学报. 2020, 18(3): 38-45. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.38

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储能系统是保证新能源供电系统、微网及大电网安全、稳定、可靠运行的关键。为了应对储能电池电压低对双向交直流变换器电压增益和效率等带来的挑战，提出了一种基于高增益比三端口双向DC/DC变换器的组合式双向交直流变换器。基于交流侧电压周期性波动的特点，利用三端口双向DC/DC变换器同时提供高压母线端口和低压母线端口，使得部分功率仅需经过低电压增益直流变换环节处理，为高增益高效率双向交直流变换提供了有利条件。详细分析了双向组合式交直流变换器的系统架构和工作原理，给出了前后级变换器的调制和控制策略，并分析了组合式交直流变换器的功率传输特性。最后，通过实验结果验证了理论分析的正确性和所提方法的有效性。

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面向港口供电的模块化多电平矩阵型电力电子变压器

鄢寅宇,孙毅超,张金龙

电源学报. 2020, 18(3): 46-54. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.46

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提出了一种面向港口供电的模块化多电平矩阵型电力电子变压器拓扑，该拓扑的输入级、中间级和输出级分别由模块化多电平矩阵变换器、双有源桥式电路和三相四桥臂逆变器构成。该变压器共有4个端口，其中2个高压交流端口分别与海上风电厂和岸上电网连接，实现海上风电厂和岸上电网同时向港口供电，互为备用；1个低压交流端口和1个低压直流端口则分别用来给靠港船舶和港口用电设备供电。在分析该变压器拓扑的基础上，推导出变压器各级的数学模型，进而给出相应的控制方法，最后通过Matlab/Simulink仿真验证了所提拓扑和控制方法的正确性和可行性。

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负载电流前馈闭环控制的快速动态响应双有源桥式变换器的输出阻抗分析

李沫霖,郭志强

电源学报. 2020, 18(3): 55-62. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.55

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提出了一种基于前馈控制的双有源桥DAB（dual active bridge）变换器的控制策略，并通过小信号模型分析了DAB变换器的输出阻抗及其对电路动态特性的影响。DAB变换器的输出阻抗不仅取决于输出电容，还与控制回路的增益有关。由于传输延迟和零阶保持器的存在，控制回路的交叉频率和增益不能选得过高。如果输出电容非常低，变换器无法实现快速动态响应。为了提高动态性能，根据期望的输出电流，提出了一种新的前馈控制策略。前馈路径只与负载电流有关，而对于输出电压是独立的，且前馈控制在实时计算中易于实现。这种具有前馈控制策略的闭环增益与单电压闭环控制的比较结果表明，采用前馈控制的控制回路具有较好的动态性能。最后，搭建了1 kW的实验样机，验证了所提控制策略的有效性。

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面向双有源桥宽增益范围的电流应力最小化策略研究

陈才学,刘旭,邓成

电源学报. 2020, 18(3): 63-70. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.63

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针对双有源桥DAB（dual active bridge）直流变换器在变压器原副边电压不匹配时会出现电流应力急剧增大现象，提出了一种基于改进灰狼算法的最小电流应力控制策略，可以使得DAB在宽增益范围内电流应力最小。首先，在分析DAB直流变换器漏感两侧物理模型的基础上详细推导了DAB高频链数学模型，将求解电流应力转化为一个多维的含非线性约束的数学优化问题；然后，提出了一种改进灰狼算法，用于求解上述问题的全局最优解；最后，通过与3种常规控制策略的仿真对比和动态实验，验证了所提控制策略的正确性和有效性。

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电流型双有源桥式双向DC-DC变换器的建模与解耦控制

王归新,肖波涛

电源学报. 2020, 18(3): 71-79. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.71

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对于电流型双有源桥式双向DC-DC变换器，分析了其工作原理与稳态特性。通过列出变换器半周期内的状态方程，对变换器进行小信号建模并推导出系统传递函数。由于系统在进行闭环控制时移相角与占空比之间的相互耦合会降低系统动态性能，因此需要采用解耦控制来解除二者之间的相互耦合，进而提出了一种稳态解耦控制策略。一方面通过建立相对增益矩阵来分析控制量与被控制量间的匹配关系来设计控制器，另一方面基于系统稳态过程增益矩阵得到系统稳态解耦矩阵，2个回路的相互影响通过加入系统稳态解耦矩阵而大大降低。最后通过仿真与实验对所提控制策略的有效性和合理性进行了验证。

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隔离型开关电感Zeta变换器磁集成研究

李洪珠,张理,李洪璠,吴剑男

电源学报. 2020, 18(3): 80-85. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.80

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为了提高传统非隔离变换器的电压增益、开关频率和功率密度，同时实现电气隔离、减小电感电流纹波和变换器体积重量，提出了一种磁集成开关电感隔离型Zeta变换器。该变换器中加入了变压器以实现电气隔离，用开关电感代替变换器中的储能电感，并对变压器和开关电感进行了磁集成。分析了变换器的工作模态，推导了变换器电压增益表达式；分析了电感电流纹波的大小，给出了该变换器的磁集成设计方案。与传统Zeta变换器相比，该变换器的电压增益提高了N（1+D）倍，开关电感电流纹波减小了近一半。样机实验结果表明具有开关电感的磁集成隔离型变换器具有优良的综合性能，验证了理论分析的正确性。

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变电站直流电源系统现状与展望

刘源俊,杜贵平,黎嘉健,雷雁雄,赖娜

电源学报. 2020, 18(3): 86-94. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.86

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变电站直流电源系统从20世纪90年代开始采用高频开关电源装置，距今已经20多年历史，虽然目前已经有发展较为成熟的成套系统如GZDW系列高频开关直流电源，但是仍存在谐波含量大、充电模块故障率高和智能化程度不高等问题。而且目前半导体器件已经发展到第三代的宽禁带半导体器件，变电站直流电源系统却仍停留于第一代硅器件的应用阶段，总体发展进程缓慢。针对变电站直流电源系统及其各模块现状进行研究，具体分析了诸如高性能充电模块、均流技术、谐波与功率因数校正等关键部分所存在的问题，并结合当今技术的潮流提出了对新一代变电站直流电源系统的展望。

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模块化多电平功率放大器的损耗分析与散热设计

韩蓉,徐千鸣,陈燕东,何志兴,欧阳红林,罗安

电源学报. 2020, 18(3): 95-105. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.95

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开关功率放大器在民用和军事中，如电动振动试验台和电声发射系统等重要领域都有着广泛的应用。首先研究了一种模块化多电平结构的大功率开关功率放大器，介绍了其工作原理，并着重分析了模块化多电平开关功率放大器的热损耗，讨论了其损耗与负载功率大小以及功率因数的关系。然后根据理论分析结果，对模块化多电平开关功率放大器的散热系统进行了设计，并通过热仿真软件PLECS和有限元分析软件ANSYS对所设计的热系统进行了仿真验证。最后研制了30 kW的模块化多电平功率放大器样机，对理论分析和仿真分析结果进行了实验验证。

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一种基于桥臂电流畸变及自适应观测的MMC子模块开路故障诊断定位方法

刘玉林,齐静静,李家宁,马文忠

电源学报. 2020, 18(3): 106-115. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.106

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模块化多电平换流器的子模块数量较多，增大了系统发生故障的概率，因此子模块故障的快速诊断和准确定位是保障换流器持续运行的关键。针对MMC子模块开路故障，提出了一种基于桥臂电流畸变及自适应观测的故障诊断和定位方法。通过对故障后桥臂电流的特征提取，判断出故障发生的桥臂以及开路故障的类型；然后利用自适应观测器得到子模块电容电压观测值与实际值的残差，从而实现故障子模块的快速和准确定位；最后利用Matlab/Simulink软件搭建MMC变换器仿真平台，通过对不同相、不同桥臂和不同类型的故障进行仿真，验证了所提故障诊断和定位算法的正确性与有效性。

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五开关H桥逆变器改进PWM控制方法的研究

叶满园,章俊飞,陈乐

电源学报. 2020, 18(3): 116-123. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.116

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针对传统级联五电平逆变器所需开关器件较多的问题，介绍了一种由1个辅助开关电路与H桥电路相结合的五开关H桥逆变器拓扑。根据该拓扑工作原理的特点，对其脉宽调制PWM策略进行了研究，提出了一种基于载波移相脉宽调制的改进型PWM控制方法。该方法依据两单元H桥级联，通过单极倍频CPS-PWM方法得到五电平相电压的波形，并把该五电平电压波形作为五开关H桥逆变器的输出目标波形，再结合逆变器的4种工作模式来逆向推导出PWM脉冲信号。最后通过仿真和实验研究证明了该拓扑结构和控制方法的可行性与有效性。

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一种改进卷积神经网络的逆变器故障诊断

赵丹阳,董唯光,高锋阳

电源学报. 2020, 18(3): 124-132. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.124

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针对传统二极管钳位式三电平逆变器故障诊断方法存在的诊断效率低且准确率不高的问题，将一种自适应正则化系数引入卷积神经网络CNN（convolutional neural network），对逆变器进行故障诊断。在传统CNN模型引入正则化去拟合中，正则化系数常采用全局统一的常数型参数，训练过程中需不断试错且效果甚微，针对此提出根据目标损失函数梯度变化，自适应调整正则化系数的CNN模型，能够加快其在逆变器故障诊断中的收敛速度，增强模型泛化能力，提高故障识别准确率。实验表明，与传统BP神经网络和原始CNN模型相比，改进的CNN模型能对逆变器复杂故障做出实时准确诊断。

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电流源型PWM整流器交直流侧解耦控制策略研究

肖蕙蕙,奥琳芳,郭强,李山

电源学报. 2020, 18(3): 133-141. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.133

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三相电流源型整流器CSR（current source rectifier）作为恒压源输出时，直流侧并联大电容，使系统建模复杂度及控制难度大大增加，针对这一问题，将d轴定向于交流侧电容电压，简化d-q坐标系下动态数学模型。为抑制谐振和直流侧电压谐波，首先设计了一种交流侧采用虚拟电阻的有源阻尼控制，直流侧采用状态反馈控制的策略。通过整定状态反馈系数回馈状态变量来控制输出变量，提高系统的动态响应特性及直流稳压性能；利用高通滤波器，降低直流侧低频信号对交流侧的影响；因直流侧LC低频滤波特性，抑制了交流侧高频信号的影响，从而实现交直流侧的独立解耦控制。其次，调节q轴开关分量来实现网侧单位功率因数运行。最后采用Matlab/Simulink仿真验证该控制策略的合理性和可行性。

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反电势负载单相全波整流电路无功功率的图解法

伍家驹,周叶,冯上贤,陈亮亮

电源学报. 2020, 18(3): 142-150. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.142

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当整流电路所带负载为蓄电池时，其电路工作状况和无功功率计量均与纯阻负载有所不同。为此，提出一种单相相控整流电路带反电势负载的无功功率图解法，通过网侧电压、电流和对应磁通波形绘制三维Lissajous图形，并利用其投影三角形的面积来分析无功能量流。该方法可为单相相控整流电路的无功功率测算及功率补偿提供参考。分析结果表明，所提反电势负载的无功功率图解法简单直观，且有较好的实时性。

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基于准Z源直接矩阵变换器的新型空间矢量调制策略研究

李少峰,郭碧翔,程启明,吕斌,郭凯军

电源学报. 2020, 18(3): 151-159. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.151

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由于矩阵变换器的电压利用率较低，严重限制了其在并网变换器等方面的应用，故将准Z源网络引入到矩阵变换器中，并提出新型直通状态插入方式，从而提高了电压利用率和抗干扰能力等。首先，分析准Z源直接矩阵变换器的升压原理；其次，简单介绍了双空间矢量调制方法，然后在采用直通状态代替部分零矢量的传统调制基础上，提出新型直通状态的插入方式，把直通零矢量均分10等份插入到SVPWM调制策略中，降低了稳态状态下Z源网络电容电压和电感电流的波动；最后，搭建准Z源直接矩阵变换器的仿真模型和实验平台，结果验证了这种新型调制策略的正确性和有效性。

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基于噪声源阻抗估测的单相并网逆变器传导电磁干扰滤波器的设计

江师齐,刘艺涛,金典恒,潘学伟

电源学报. 2020, 18(3): 160-167. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.160

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随着半导体材料技术的不断发展，应用在逆变器系统中的电力开关管的开关频率可以达到十几、几十乃至几百kHz，从而在开关管处产生很大的di/dt和du/dt，因此与逆变系统各部分之间或者系统与地之间的寄生电感和电容耦合产生共模或差模干扰。干扰噪声主要是以传导的形式流通于系统中，对逆变系统的控制部分和周围设备的正常工作产生极大影响。基于噪声源的阻抗特性，通过可操作性较强的实验方法，测出源阻抗的数据来设计电磁干扰滤波器的各个参数，可使滤波器的设计更加有效，加快其设计进程，节省工程上EMI滤波器的整改时间。最后的仿真和实验中传导电磁干扰得到了有效抑制，验证了该方法的可行性和有效性。

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自适应果蝇算法多峰值光伏阵列最大功率点跟踪

原琳,程海军,赵凤贤

电源学报. 2020, 18(3): 168-174. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.168

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光伏PV（photovoltaic）阵列在实际应用中常存在遮挡现象，与光照均匀时的单峰特性不同，遮挡情况下的PV输出曲线呈多峰特性，常规的最大功率点跟踪方法大多寻找到第1个峰值点即停止搜索，易使光伏阵列因陷入局部极值点的跟踪而失效。提出一种基于自适应的果蝇优化算法AFOA（adaptive fruit fly optimization algorithm），对原有果蝇算法的初始值设定及寻优步长进行改进，并定时与扰动观察法P&O（perturb&observe）相结合，增强寻优算法的实时性。通过Matlab仿真，分别在光照均匀和遮挡情况下，与扰动观察法和粒子群优化PSO（particle swarm optimization）算法的跟踪效果进行了比较，仿真结果表明，无论有无遮挡现象，AFOA算法都可准确跟踪到系统的全局最大功率点，提高了系统输出功率的稳定性及发电效率。

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锂离子电池状态估算与寿命预测综述

姚芳,张楠,黄凯

电源学报. 2020, 18(3): 175-183. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.175

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随着锂离子电池的广泛应用，其健康管理和寿命评估成为很多领域的挑战和热点问题。准确的电池状态估算与剩余使用寿命预测能让用户及时获取电池信息并更新失效电池，保障整个电池组的安全高效运行。为此，针对锂离子电池健康管理和寿命预测的研究现状进行分析，重点归纳和总结了锂离子电池剩余使用寿命预测的方法和应用现状，涵盖锂离子电池荷电状态与健康状态估算和剩余使用寿命预测2部分核心内容，总结其优势与局限性，并分析了未来的发展趋势和研究挑战。

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软碳负极材料锂电池在储能电站应用研究

黄福闯,张洪信,霍炜,赵清海,徐方超

电源学报. 2020, 18(3): 184-190. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.184

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为了分析软碳负极材料锂电池用作储能电池的优势，首先利用电化学工作站对单体电池基本动态性能进行实验测试，然后利用集装箱储能系统对储能电站工作特性进行实验测试。实验结果表明，单体电池在3C放电时，放电电压可以保持2.5 V以上，3C放电容量为37 611 mA·h，放电比率可以达到77.17%。电池充放电内阻相对较小，电池具有较高的充放电效率。储能电站电池模组在充放电过程中簇电压曲面平滑升降，电池的充入容量均值为50.45 A·h，标准差为0.75，放出的容量均值为49.60 A·h，标准差为0.82，各单体间温差较小，充放电温度变化一致性良好。因此，软碳负极材料锂电池单体具有优异的充放电性能，同时该电池串并联使用时一致性良好，满足作为储能电池的设计要求。

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PSS/E环境下的第二代风机模型解析与低电压穿越功能优化增强

朱航,朱淼,黄阮明,蔡旭

电源学报. 2020, 18(3): 191-201. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2020.3.191

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PSS/E作为广泛应用且功能强大的电力系统专业仿真分析软件，在模型仿真研究中具有巨大优势。但PSS/E的暂态模型在对风电机组的低电压穿越描述中存在缺陷，致使PSS/E环境下的风电建模仿真无法进行有效深入的并网研究，对于电网规划建设及运行控制各个环节，均降低了实际参考指导意义。通过全面解析PSS/E第2代风机模型的构建机理，阐述其在风机低电压工况描述上的优势与不足，并应用PSS/E强大的暂态模型自定义功能对其低穿特性进行功能补充优化。该工作填补了基于PSS/E第2代风机模型进行功能扩展上的研究空白，丰富了PSS/E暂态模型库，赋予该软件平台进行大规模可再生能源并网发电暂态分析的核心功能。结合风机实际电压跌落故障下的输出特性，通过仿真对比验证了该模块的准确性与实用性。

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2020年, 第18卷, 第3期　刊出日期：2020-05-30

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