电源学报

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基于改进粒子群算法的Boost变换器分数阶PID控制设计

王仁明, 杨婕, 刘闻仲, 鲍刚, 张铭锐

电源学报. 2025, 23(4): 1-9. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.1

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研究Boost变换器分数阶PID控制设计问题,利用Oustaloup滤波器近似算法拟合系统的分数阶电感和电容模型。针对粒子群优化PSO(particle swarm optimization)算法整定分数阶PID控制器参数时学习能力不充分、迭代收敛乏力的问题,提出1种改进的粒子群优化算法,该算法引入了自适应惯性权重、自适应学习因子及加权变异3种策略用以提高粒子多样性,增强收敛速度与精度。将改进的粒子群算法应用于分数阶Boost变换器PID控制系统设计。仿真结果表明,经改进的粒子群算法设计的控制系统的输出电压和电感电流动态响应更快,在负载突变时输出电压的抗干扰能力更优,电感电流的跟踪调节能力更强。

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宽增益级联Buck变换器的输出电压协同控制

李霄, 李杨, 王涛, 叶宗鑫, 李睿

电源学报. 2025, 23(4): 10-16. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.10

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单级Buck变换器的实际占空比受到开关速度与死区影响,难以满足宽范围调压需求。采用多级级联Buck拓扑结构并提出1种适用于多级级联变换器的输出电压协同控制策略。所述控制策略兼顾运行效率,采用脉宽调制与变频调制结合的混合调制方法,实现各级变换器输出电压控制切换并覆盖全范围输出电压。建立开关损耗模型并分析混合调制对效率的优化效果。最后搭建仿真模型验证调制与控制设计的正确性,并搭建了1台50~75 V输入,1~40 V/200 A输出的8 kW两级式样机验证所提控制策略的可行性。

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基于驱动侧电流检测的无传感器Boost DC-DC变换器

李梓帆, 李华兵, 黄萌, 徐莹, 朱明硕, 刘懿

电源学报. 2025, 23(4): 17-25. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.17

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峰值电流控制Boost DC-DC变换器的电流内环需检测IGBT集电极电流,现有电流检测方法需在IGBT主电路中串入元器件,使电路体积和成本增加,主电路效率降低。基于具有集电极电流检测功能的IGBT智能驱动技术,提出1种无电流传感器的峰值电流控制Boost DC-DC变换器。首先,进行智能驱动设计,在米勒平台期间集电极电流和栅极电流关系的基础上,提出三点法用于确定IGBT器件米勒平台期间集电极电流和栅极电流的关系,通过检测栅极电流来检测集电极电流;其次,建立考虑采样保持、量化误差及延时影响的前缘调制Boost DC-DC变换器小信号模型,对变换器进行稳定性分析;最后,搭建1台基于驱动侧电流检测的无传感器Boost DC-DC实物样机,验证电流检测和稳定控制效果。

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基于多谐振结构的宽输入电压范围DC-DC变换器

秦月, 任春光, 孔健生, 张佰富, 韩肖清

电源学报. 2025, 23(4): 26-34. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.26

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针对传统LLC谐振变换器电压增益范围窄,不能很好地适应宽电压增益的要求,提出1种基于多谐振结构的宽输入电压范围DC-DC变换器,其同时实现了对欠谐振和过谐振频段范围的宽电压增益。介绍所提出谐振变换器拓扑结构及其工作原理,建立其基波等效数学模型,并详细分析了电压增益特性和输入阻抗特性。在此基础上,分析各谐振参数对电压增益、输入阻抗和工作效率的影响,并给出500 W变换器参数设计流程。最后,搭建了额定功率为500 W的实验平台,实验结果表明,所提变换器不仅同时在欠谐振和过谐振频段范围具有较宽电压增益,而且可以传递基波和三次谐波功率,提高了变换器的工作效率,同时该变换器具有良好的软启动与短路限流能力。

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航天器供电系统用组合型非隔离三端口变换器

王蓓蓓, 吴建超, 王力, 董晓锋, 吴红飞

电源学报. 2025, 23(4): 35-44. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.35

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组合型非隔离三端口变换器TPC(three-port converter)作为航天器供电系统用能源管理器,可以实现太阳能光伏、蓄电池和负载3个功率端口之间的电能传输与变换,具有功率密度高、变换效率高、系统易构建、在轨易维护的优点。组合型非隔离三端口变换器采用交错双向Buck/Boost变换器和半有源全桥整流器以堆叠方式连接,实现了任意2个端口之间的单级功率转换,并采用脉宽调制+移相调制策略实现了其中2个端口的独立功率控制。详细分析TPC的工作原理、调制和控制策略,提出设计注意事项,并通过实验结果进一步评价其性能。

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应用于中压直流系统的零电流开关中频直流变换器

丁明进, 杜文珍, 侯鹏飞, 陈武

电源学报. 2025, 23(4): 45-52. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.45

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直流变换器是中压直流汇集系统的核心组件,承担着升压、隔离及电能传输等重要任务。提出了1种创新的半桥型零电流软开关中频变换器,该变换器利用辅助变压器,通过2个半桥电路共享2个开关器件实现设计。变换器采用混频调制策略,使主电路运行于中频状态,承担主要的功率传输任务,而辅助电路则借助高频斩波控制技术,起到对电路的功率和电压进行调节的作用。通过合理的参数配置,确保了中频开关器件能在全负载范围内实现零电流开关,从而大幅度减少了开关损耗,提升了系统整体效率。详细介绍了变换器的工作原理并分析关键参数的设计方法,最后制作1套240 V/ 3 000 V/7 200 W原理样机对所提变换器的性能进行验证。

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基于图形化方法的四开关Buck-Boost变换器模式平滑切换策略研究

王红斌, 陈奥博, 薛云涛, 欧阳有鹏, 贺宇航, 陈武

电源学报. 2025, 23(4): 53-62. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.53

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应用于燃料电池系统的四开关Buck-Boost变换器在传统的两模式控制下理论上可以获得更高效率,但是实际上,在2个模式切换的过程中,受电压增益盲区影响,系统的动态性能较差,大大降低了变换器工作的稳定性。在电流较大的大功率场合,为了减小电感电流纹波,提高变换器的功率密度,通常会在变换器中使用并联技术。基于此,以四相交错并联的四开关Buck-Boost变换器的模式平滑切换为控制目标,首先介绍变换器的拓扑结构,得到变换器的基本数学关系;接着使用1种图形化方法分析了变换器的电压增益盲区产生的原因,并在传统三模式控制策略的基础上提出1种消除盲区、实现模式之间平滑切换的控制策略,在动态过程中实现了占空比变化量的最小化,电感电流性能也得到了优化,变换器的效率及稳定性得以提高;最后通过实验验证了该控制策略的有效性。

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DAB变换器三重移相电流应力全局优化策略分析

叶伟, 王浩, 李善寿, 陶勇

电源学报. 2025, 23(4): 63-69. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.63

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为实现双有源桥DAB(dual active bridge)变换器电流应力全功率范围最小化,研究了三重移相TPS (triple phase shift)控制下电流应力全局优化策略。首先分析三重移相控制下变换器的工作原理及工作过程,并建立传输功率和电流应力与移相比的关系模型;然后基于所建立的关系模型,以电流应力全局最小化为目标,通过寻求最优移相比组合对TPS控制进行优化,并从电流应力及回流功率2个方面将优化结果与双重移相DPS(dual phase shift)控制做了对比;最后通过实验进行验证,理论和实验结果证明电流应力全局优化的TPS控制在全功率范围内进一步减小电流应力的同时减小了回流功率。

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基于分层协同控制的逆变器并联系统电压幅值补偿策略

孙纪伟, 刘淇, 张犁, 张勇, 卢盈, 邢岩

电源学报. 2025, 23(4): 70-78. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.70

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受下垂方程及等效阻抗影响,采用传统下垂控制作为逆变器并联策略将导致输出电压幅值出现稳态误差,无法适用于对电压精度要求较高的应用场景,故针对该问题提出了一种基于分层协同控制的逆变器并联系统电压幅值补偿策略。采用鲁棒下垂控制替代传统阻性下垂作为一次控制,将幅值误差限制在5%内,保证系统在应对不同工况时均具备一定的电压调节能力。在定量分析一次控制误差的基础上,借助低带宽通信进行电压二次调节,将电压幅值微调至基准值附近,提高补偿精度。实验结果验证了所提方案的可行性与有效性。

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基于改进DPWM的三电平逆变器多目标优化算法

柴锦, 王伟胜, 卢家璇, 刘通, 陈阿莲

电源学报. 2025, 23(4): 79-88. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.79

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三电平逆变器在中高压场合受到了广泛关注,但是传统的连续脉宽调制CPWM(continuous pulse width modulation)方法具有开关损耗大、共模电压CMV(common-mode voltage)波动大、中点电位不平衡等缺点。为解决上述问题,在分析共模电压产生机理的基础上,推导出基于离散脉宽调制DPWM(discrete pulse width modu-lation)的共模电压抑制条件,提出1种改进的DPWM调制策略,其可在DPWM0~DPWM3调制下降低开关损耗的同时实现共模电压抑制。此外,在所提DPWM调制策略的基础上,探究了中点电位控制方法,最终实现了三电平逆变器的多目标优化控制。仿真和实验验证了所提DPWM控制策略的有效性。

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异质开关三相三电平并网变流器断续脉宽调制死区补偿方法

张勇, 卢盈, 沈肖, 诸葛慧子, 邹宇航, 张犁

电源学报. 2025, 23(4): 89-99. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.89

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相比于连续脉宽调制CPWM(continuous pulse width modulation),断续脉宽调制DPWM(discontinuous pulse width modulation)可有效降低开关损耗,更适用于高开关频率变流器。然而,随着开关频率的提升,死区时间占开关周期的比例增加,加剧了对变流器输出谐波的影响。提出异质开关三相三电平并网变流器断续脉宽调制死区补偿方法,当桥臂电平处于高频变化区间时,通过调制波偏移消除死区时间对开关状态的影响;当桥臂电平被钳位时,通过改进调制波与载波的比较逻辑,避免被钳位相产生多余的开关动作,并保证钳位模式切换时有足够的死区时间。最后,搭建三相三电平有源钳位并网变流器实验平台,验证所提死区补偿方法的可行性与有效性。

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一种改进的五电平逆变器电流平衡开环控制方法

魏华, 李敏, 陈柯蒙, 肖曦

电源学报. 2025, 23(4): 100-110. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.100

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五电平逆变器被广泛应用于储能与电气传动领域,特别是高压大功率场合。随着功率等级提升,单个逆变单元的容量已无法满足需求,因此需要逆变器并联运行。相比于两电平或三电平拓扑,由于悬浮电容的存在,五电平逆变器并联运行时单相各模块间的环流问题更加突出。针对公共直流母线结构,提出1种改进的电流平衡开环控制方法。通过比较各个功率模块输出电流的大小,设置时间戳记,对矢量切换进行时移控制,从而人为引入1个正向或负向的不平衡电流以达到快速消除原有环流的效果。对1台6 kV并联高压逆变器进行实验,实验结果验证了所提方法的有效性及悬浮电容电压差对环流的影响,校正过程仅需0.1 ms,能够快速精确地完成电流平衡。

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一种新型交流侧调频输出的AC-DC双向变换器研究

刘晓东, 张君扬, 李宁, 刘宿城, 孙海涛

电源学报. 2025, 23(4): 111-119. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.111

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针对传统多级式AC-DC双向变换器功率密度较低、应用场景单一的问题,提出1种新型交流可调频输出AC-DC双向变换器。采用矩阵式变频电路代替全桥电路,结合整流与逆变2种工作模式控制方法,实现变换器无需直流环节的单级式交-交变频功能,使得变换器在满足车网互动V2G(vehicle-to-grid)能源交互策略的基础上新增新能源电动车的能量灵活外放功能。控制层面,当变换器工作在逆变模式时,采用比例谐振控制以获得较低的总谐波失真及频率可调特性,进而覆盖更多交流侧用电器需求;当变换器工作在整流模式时,基于连续导通模式CCM(continuous conduction mode)的平均电流控制可保证交流侧高功率因数值与直流侧稳压输出。最后,搭建MATLAB/Simulink仿真模型与硬件实验平台进行验证,结果证明了所提拓扑的正确性及有效性。

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基于描述函数法的分数阶Cuk变换器稳定性分析

陈艳峰, 汪鑫, 张波, 陈生

电源学报. 2025, 23(4): 120-136. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.120

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摘要：提出了分数阶Cuk变换器闭环系统的建模与稳定性分析方法。首先分析了PWM控制的分数阶Cuk变换器闭环系统的传递函数; 然后对其控制系统的非线性环节进行建模,从而获得分数阶Cuk变换器闭环系统的描述函数模型; 进而利用改进的Nyquist稳定判据,分析了分数阶元件阶次对变换器闭环系统稳定性的影响; 最后通过仿真与RT Box平台验证了分数阶变换器闭环系统建模及稳定性分析方法的准确性。

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基于自适应电压前馈的并网逆变器弱网致稳控制

张琳, 游龙翔, 宋美艺, 曹苗, 严薇, 张欣

电源学报. 2025, 23(4): 137-150. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.137

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随着新能源渗透率的不断提高,并网逆变器与弱电网之间的阻抗交互作用易诱发小信号振荡失稳问题。针对这一问题,首先分析了现有电压前馈阻抗重塑策略的局限性,接着提出一种自适应电压前馈阻抗重塑策略。该策略利用模拟退火-粒子群混合算法对不同输出功率和电网阻抗下的样本工况分别进行前馈通路参数的离线优化设计,进而利用多项式拟合来覆盖连续全工况范围。通过将拟合关系式部署于逆变器中,以根据实时输出功率和电网阻抗自适应调节前馈通路参数。所提自适应策略可保证并网逆变器在不同输出功率和电网阻抗情形下均具备较优的稳定裕度,并在一定程度上兼顾系统的动态性能。最后,通过OPAL-RT半实物实验平台开展实验,验证了所提策略的有效性。

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下垂控制逆变器的序阻抗建模分析及验证

刘宝谨, 李春晨, 林佳鹏, 许晖, 于瑞, 刘进军

电源学报. 2025, 23(4): 151-162. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.151

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随着光伏、风电等可再生能源的大规模开发和利用,基于下垂控制的逆变器也被广泛应用于分布式发电系统和微电网中。序阻抗建模是评估多逆变器并联系统稳定性及优化控制参数的重要手段之一,然而目前对下垂控制逆变器序阻抗建模的相关研究较少,故对其进行详细研究。首先确定下垂控制逆变器的稳态工作点,通过加入正负序小信号扰动,分析逆变器响应;其次,通过逆变器响应提取序阻抗模型描述逆变器阻抗特性;之后,通过PSCAD仿真验证序阻抗模型的准确性;最后,分析下垂系数、功率计算环节低通滤波器截止频率等关键参数对逆变器输出阻抗的影响,并通过实验进行验证。实验证明,所提序阻抗模型在下垂控制策略分析中具有较好的效果,为下垂控制策略的进一步优化与实际应用提供了重要参考。

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PQ扰动型电网阻抗估计方法的误差分析与改进策略

凌子涵, 许津铭, 宗林, 刁韩旭, 谢少军

电源学报. 2025, 23(4): 163-172. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.163

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电网阻抗对并网逆变器稳定性存在严重影响,准确的电网阻抗估计有助于实现弱电网下并网逆变器高性能自适应控制。PQ扰动法是1种典型电网阻抗在线估计方法,但是,研究表明,电网阻抗真实值与估计值之间存在非线性函数关系,影响电网阻抗估计结果。传统PQ扰动法由于忽略了扰动前后稳态工作点变化的影响,在电网阻抗估计准确度方面存在不足。因此,从固定相角差的误差补偿和基于离线查表的估计值修正2个角度出发,分别提出2种计及工作点变化的改进方案,实现弱电网下电网阻抗的准确估计。详细理论分析和测试结果表明,所提电网阻抗估计方法较传统PQ扰动法在电网阻抗估计准确度方面有较大提升。

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应用于电动汽车充电桩的负荷虚拟同步机及其频率自适应控制

吕志鹏, 李立生, 宋振浩, 杨飞, 王自力, 陈燕东

电源学报. 2025, 23(4): 173-185. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.173

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针对公共电网频率波动时充电桩前级AC-DC整流器电能质量恶化等问题,在应用负荷虚拟同步机LVSM(load virtual synchronous machine)控制策略的基础上提出1种具有频率自适应能力的电流内环控制方法。首先,建立LVSM频率环路小信号模型,分析可知虚拟频率将跟随偏离基频的电网频率而变化。其次,设计1种降低计算复杂度的电流内环频率自适应准比例谐振控制器以抑制并网电流谐波注入电网。最后,仿真结果表明所提控制器能够主动响应电网电压及频率变化,并改善调节过程中的电能质量,验证了理论分析的正确性。

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基于统一不平衡/谐波电压-电流下垂的构网型变流器电能质量控制

熊亮雳, 游力, 韩刚, 李奕萱, 刘佳, 刘进军

电源学报. 2025, 23(4): 186-199. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.186

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电力系统中不平衡与非线性负载会产生电压电流不平衡与谐波,从而影响一些关键设备的正常运行。为提升多台构网型GFM(grid-forming)变流器系统的电能质量,需在合理分配负载电流基波负序与谐波分量的同时,尽可能降低公共耦合点PCC(point of common coupling)的电压不平衡与谐波。针对这一问题,提出了一种基于统一不平衡/谐波电压-电流下垂的构网型变流器电能质量控制策略。通过建立PCC电压与输出电流的基波负序及谐波分量的统一下垂关系,实现不平衡与谐波电流在各单元之间按容量分配,且同时抑制PCC电压的不平衡与谐波。该方案适用于多变流器在离网与并网2种模式,且不需对基波负序与各次谐波分别提取,相比于现有控制方法更加简单,更易于在嵌入式控制器中实现。详细讨论了该方法基于闭环极点分析的控制参数设计方案。通过与现有方法的对比分析,所提方法具有更优的动态性能与更少的计算需求。最后,实验结果验证了所提控制方案的有效性。

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面向轨道交通氢电联供的液氢能源管道概念设计与能效评估

陈宇, 付琳, 陈孝元, 陈洁莲, 沈博洋, 康劲松

电源学报. 2025, 23(4): 200-209. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.200

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随着交通与能源领域的深度耦合,推动交通用能电气化、绿色化是实现“双碳”目标的重要技术手段。以低温能源作为高温超导电缆的冷却媒介,实现电力与燃料联合传输,提高能源传输效率并降低综合成本,是大规模可再生能源传输的有效途径。以10 km传输距离为例,设计了1种适用于轨道交通的1.5 kV/10 kA液氢能源管道结构。同时,通过建立超导电缆有限元仿真模型,研究了正负双极超导带材的排布角度对其临界电流的影响,其中平行排布方式下临界电流最大约为15 240 A。最后,对比了15 MW/10 km的超导电缆与传统铜电缆的系统传输损耗。研究结果表明,1.5 kV超导电缆的传输损耗仅为10 kV传统交流电缆的15%,且略低于35 kV电压等级的损耗,可为液氢超导能源管道应用于大容量电能与氢能传输提供1种可行的技术思路。

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考虑SOC和δ影响的风储协同一次调频控制研究

柴秀慧, 车任达, 王晓寰, 张纯江

电源学报. 2025, 23(4): 210-219. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.210

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为解决高渗透率区域电网存在转动惯量降低、系统调频能力下降、频率稳定性降低等问题,在储能调频的基础上,增加风电机组调频控制,通过分析风电渗透率δ对系统的影响,从减小电池损耗、延长储能寿命的角度出发,提出1种考虑荷电状态SOC(state-of-charge)和δ影响的自适应风储协同一次调频控制PFRC(primary frequency regulation control)策略。该控制策略由考虑SOC和调频死区的储能自适应PFRC和考虑δ的风电自适应PFRC策略协同配合,能够有效提高系统稳定性和电网调频效果。在阶跃扰动下频率的跌落最低点由0.33变为0.07,连续负荷扰动下所提控制策略与单一储能调频相比,频率质量由3.966变为1.676,SOC质量由0.064 07变为0.016 48,储能SOC变化更加平缓,能够节省储能容量的配置,减小储能单元的损耗,相对于单一储能调频能够达到更好的调频效果,维持系统稳定运行。最后通过在MATLAB/Simulink中搭建区域电网模型,验证控制策略的有效性。

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基于KKT条件的微网负荷波动抑制双层优化算法

刘进, 郝文波, 李童, 宋智, 张笑宇, 张纯江

电源学报. 2025, 23(4): 220-232. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.220

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针对微电网中可再生能源发电出力的不确定性及负荷随机波动问题,提出1种基于微网负荷波动抑制策略的双层优化算法。对微网发电设备运行状态和功率分配方式进行建模,上层模型主要考虑微源输出功率约束及微网运行相关约束,以保证各发电设备调度优先级和降低微网运行成本为目标函数;下层模型以最小化微网等效负荷波动为目标函数,同时采用长短期记忆与注意力机制LSTM-Attention(long short-term memory-attention)神经网络的预测值,对微网发电设备输出功率进一步约束。优化模型根据KKT条件将双层模型转换为单层模型进行求解,降低模型的求解难度。设计2种负荷场景,采用双层优化算法分别对2种负荷场景进行仿真计算。仿真结果显示,所提双层优化算法能够动态调整微网各发电设备输出功率,提高可再生能源的消纳比例,并针对不同负荷场景改变微网的运行状态,降低负荷波动对微网运行造成的影响。

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支撑微电网和配电网灵活潮流调节的电流源型多端口互联变流器控制技术

李树鹏, 李振斌, 刘亚丽, 梁海深, 王坤放, 何晋伟

电源学报. 2025, 23(4): 233-241. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.233

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为了实现多个微电网之间的功率互济、电压频率支撑和储能电池荷电状态SOC(state-of-charge)的协同控制,提出了一种适用于微网群互联的多端口电流源型互联变流器。通过将微网群的平均SOC引入中央控制器的有功指令控制环路,并在环路中加入容量权重因子,实现了多种工况下3个微电网储能SOC的动态均衡。此外,考虑到SOC调整过程中可能出现的微电网频率越限情况,提出了一种兼顾微电网频率性能的SOC-频率协同控制策略,在实现微网群SOC均衡的基础上,保证频率运行在规定范围内。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。

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多光储自同步电压源逆变器协调控制方法

周可慧, 符有泽, 陈燕东, 张明宇, 唐海国, 游金梁

电源学报. 2025, 23(4): 242-254. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.242

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自同步电压源逆变器SSVSI(self-synchronized voltage source inverter)因能改善新型电力系统电压与频率稳定性而备受关注。为解决多光储SSVSI并联运行时储能荷电状态SOC(state-of-charge)不均衡、直流侧电压波动与交流侧输出功率振荡的问题,首先分析了多光储SSVSI并联系统交直流侧功率响应的动态特性,然后提出了多光储SSVSI并联系统协调控制方法。该协调控制方法通过考虑储能SOC的协调分配策略与储能功率前馈控制,实现储能SOC动态均衡,改善直流侧电压的动态特性。此外,通过阻尼增强控制抑制了交流侧输出功率振荡。最后,通过仿真和RT-LAB实验验证了所提控制方法的有效性。

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基于改进PPO的HCSY-MG并网系统分布式混合储能充放电优化控制

李锦键, 王兴贵, 丁颖杰

电源学报. 2025, 23(4): 255-264. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.255

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为平抑微源半桥变流器串联星型结构微电网HCSY-MG(half-bridge converter series Y-connection micro-grids)并网系统中微源出力的波动,保证各相直流侧电压之和相等,与并网电流三相平衡,提出1种基于改进近端策略优化PPO(proximal policy optimization)的分布式混合储能系统HESS(hybrid energy storage system)充、放电优化控制策略。在考虑HCSY-MG系统并网电流与分布式HESS特性的条件下,确定影响并网电流的主要系统变量,以及HESS接入系统的最佳拓扑结构。然后结合串联系统的特点,将分布式HESS的充、放电问题转换为深度强化学习的Markov决策过程。同时针对PPO算法中熵损失权重难以确定的问题,提出1种改进的PPO算法,兼顾智能体的收敛性和探索性。最后以某新能源发电基地的典型运行数据为算例,验证所提控制策略的可行性和有效性。

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基于电化学-热耦合的锂电池热效应分析

王春生, 孙含笑, 薛晨博

电源学报. 2025, 23(4): 265-273. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.265

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为了研究电池在充电过程中内部的热效应,以27 A∙h锂离子电池为研究对象,建立了单体电池的三维电化学-热耦合模型,并采用坐标阵列映射的方法将电芯单元的热效应扩展到单体电池。首先考察了充电倍率对电池产热的影响规律;然后研究了不同颗粒半径下,负极活性层中的详细产热情况,分析了颗粒尺寸对发热量的影响机制;此外还研究了自然对流下,不同充电倍率的电池温度分布情况。通过阐述锂离子电池的发热机理,给出了电池整体温度分布特性,为优化电池结构设计,开发电池热管理系统提供了理论基础。

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基于SSA-VMD和双层模糊控制的火储联合调频策略

于会群, 林涛, 戚明鑫

电源学报. 2025, 23(4): 274-285. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.274

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可再生能源的大量并网给电网带来火电机组调频容量不足、调频效果不佳等一系列问题。为此,基于电池储能系统提出1种火储联合调频策略。首先,利用变分模态分解VMD(variational mode decomposition)对区域控制误差ACE(area control error)调频信号进行分解;结合未来负荷预测数据,通过麻雀搜索算法SSA (sparrow search algorithm)滚动优化VMD算法中的分解模态数K和惩罚因子α;将高频信号分配给储能系统,低频信号分配给火电机组。其次,设计双层模糊控制器,第1层模糊控制将区域控制误差高频信号及其变化率作为输入量,改善系统的动态调频性能;第2层模糊控制考虑荷电状态的影响,防止储能产生过充、过放的问题。最后通过仿真分析验证所提控制策略的有效性。

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基于移相策略的半桥型锂电池均衡器

刘俊, 阚加荣, 彭思敏, 张春富, 吴云亚

电源学报. 2025, 23(4): 286-294. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.286

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基于升降压变换器的锂电池均衡器只能实现能量的逐级传递,能量传输路径长,均衡效率低。研究了1种双有源半桥锂电池均衡器,分析了影响半桥型均衡器组内电池单体及组间电池单体能量流动的关键因素,并由此提出移相控制策略。采用移相控制的双有源半桥锂电池均衡器,可以在高频工作状态下实现半桥组间电池单体之间能量的快速转移,因均衡器工作在高频状态,极大地减小了均衡器的体积和重量。重点推导了均衡器组内电池单体和组间电池单体间等效均衡电流的表达式,并搭建了仿真模型和实验样机对其进行验证。仿真和实验结果表明,基于移相控制的双有源半桥型锂电池均衡器能够快速实现电池单体间的电压均衡。

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考虑寄生电容和电感影响的SiC MOSFET三相全桥损耗计算方法

陈魁昊, 刘旭

电源学报. 2025, 23(4): 295-305. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.295

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忽略开关过程中SiC MOSFET寄生电容和电感的损耗和导通过程中占空比变化所导致的导通损耗会降低三相全桥逆变器的损耗计算精度。为了解决上述问题,提出了1种考虑寄生电容、电感的SiC MOSFET物理模型,通过数据手册分段取值和振荡法获得寄生电容和寄生电感,计算了开关过程中寄生电容和寄生电感产生的损耗,推导出在空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse width modulation)下的平均导通损耗公式,得到三相全桥损耗。最后在基于SiC MOSFET的永磁同步电机控制系统上进行实验,分析了PWM频率对三相全桥损耗的影响,验证了SiC MOSFET物理模型参数的准确性,且基于SiC MOSFET物理模型的损耗计算方法能提高逆变器的损耗计算精度。

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基于热耦合分析的IGBT损耗与结温估算研究

熊刘涛，李国丽，孙泽辉

电源学报. 2025, 23(4): 306-315. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.306

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电机控制器IGBT模块是实现电能转换和电机控制的重要组件之一, 通常在复杂工况下工作, 其可靠性对整个电驱动系统的稳定至关重要。一般情况下, IGBT的损耗分析采用手册公式法直接求取, 忽略了温升对IGBT模块的影响。针对此问题, 提出1种热耦合分析的方法, 首先建立IGBT模块的损耗计算模型, 在此基础上构建热网络模型进行结温估算, 再用温升估算结果修正损耗计算模型;搭建了电机控制器仿真模型, 对IGBT结温和损耗进行仿真, 并通过电机温升实验, 验证了该热耦合分析方法的有效性。

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基于SiC MOSFET的固态断路器栅极失效及老化特性研究

桂雷, 庞士宝, 王勇

电源学报. 2025, 23(4): 316-321. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.316

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基于SiC MOSFET的直流固态断路器SSCBs(solid-state circuit breakers)因其具有快速分断故障电流的能力而广受瞩目,然而SiC MOSFET的失效机理较为复杂,有别于传统功率半导体器件的热失效模式,SiC MOSFET具有特殊的栅极失效及老化特征,但是相关特性及机理尚不明确,为固态断路器的失效及老化判别带来了较大困难。针对上述问题,以基于SiC MOSFET的400 V直流固态断路器为研究对象,探究器件在断路器这一特殊工况下的单次及多次硬开关特性,验证了SiC MOSFET在单次或多次动作过程中均有可能发生栅极失效,且出现了栅极电压降低这一新的老化特性。采用有限元仿真进行器件级分析,得到其内部在动作过程中的温度分布及热应力分布情况,结果表明器件栅极结构附近的温升接近1 000 K,并会产生1.4 GPa的热应力。通过对失效器件的开封、切片及电镜扫描处理,确认了栅极氧化层的裂缝存在,验证了SiC MOSFET由于热应力导致栅极结构开裂,并导致栅极失效及老化的机理。

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新型磁控变压器的特性分析

赵国生, 高权威, 郑晓雷, 潘俊鹏

电源学报. 2025, 23(4): 322-331. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.322

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传统的有载调压技术会存在产生电弧、响应速度慢、调节精度低等不足,影响变压器运行可靠性。新型电力电子变压器虽具有无弧、响应快的优势,但其损耗高、成本高。基于此,提出1种新型单相四柱式磁控变压器结构,由磁控电抗器和变压器串联连接组成。根据磁控电抗器拓扑结构分析该磁控变压器工作原理,并推导出电路方程与电磁方程。该结构的右旁轭可以提供交流磁通回路,不受直流磁通干扰。利用Ansys软件Maxwell与Simplorer进行模型场路耦合多物理域联合仿真分析其调压能力,并在Simulink中对输出电压进行谐波分析。结果验证了该新型磁控变压器可以无弧、无级、连续平滑地调节输出电压,谐波含量低。

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改进小波阈值函数在高功率电源信号去噪中的应用

孙克仲, 鲁迎春, 杨笑笑, 黄连生, 陈晓娇

电源学报. 2025, 23(4): 332-340. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.332

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当对高功率电源输出信号(电压/电流)进行数据采集时,不可避免地会受到电磁噪声的干扰,影响对电压/电流信号的分析。因此,对高功率电源信号进行降噪处理是必要环节。针对高功率电源输出信号的特征分析,提出1种改进小波阈值函数叠加形态滤波算法的去噪方法。改进小波阈值降噪方法可通过调节参数对随机噪声进行滤除,能够在兼顾软、硬阈值函数优点的基础上,更加有效地从含噪信号中恢复出有用信号,减少不必要的失真;形态滤波则主要用于对脉冲型干扰进行滤波。通过仿真验证,该算法在对高功率电源信号进行降噪时,效果较为明显,可极大程度地保留实际信号的特征。将所提方法与形态滤波叠加其他改进小波算法对比,信噪比提升了17.5%,实验结果进一步验证了所提算法的优越性。

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HIRFL-CSRe二极铁高精度直流电源的研制

吴保宁, 陈改霞, 柴正勇, 蔺满强, 卢军祥, 杨亚洲

电源学报. 2025, 23(4): 341-349. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.341

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HIRFL-CSRe是兰州重离子加速器装置HIRFL(heavy ion research facility in Lanzhou)的后加速冷却储存环CSR(cooler storage ring)系统中的实验环部分,其中的二极铁磁铁对电源的性能提出了更高的要求。为满足此类磁铁电源高精度指标需求并解决其技术难点,研制高精度直流电源装置。电源主回路采用多重化电路拓扑结构,控制部分采用多变量耦合的数字模拟混合控制策略,工艺结构采用功率变换器等关键部件标准化设计。实验结果表明,电源输出电流稳定度≤5×10^-6/8 h,电源的其他性能指标也达到了加速器物理设计的要求,并通过了验收测试。

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EMI滤波器宽频段建模与滤波特性优化

傅恺宁, 连振珠, 陈为

电源学报. 2025, 23(4): 350-359. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.350

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电磁干扰EMI(electromagnetic interference)滤波器是抑制电磁干扰的有效手段,受高频寄生参数的影响,EMI滤波器对较高频段范围内的电磁干扰难以有效抑制。分析EMI滤波元件(共模电感和X电容)的高频寄生参数特性,建立反映滤波元件宽频段阻抗特性的高频模型,进一步分析铁氧体磁芯的磁导率频变特性对寄生参数抵消效果的影响,分析共模电感等效并联电容的提取方法,优化共模电感抵消电容的选取,实现共模电感的宽频段噪声滤波。通过有限元仿真预测整个EMI滤波器的宽频段噪声滤波特性,结合插入损耗仿真与测试,验证所提EMI滤波器频域建模方法和所提考虑磁导率频变特性的共模电感抵消电容选取依据的有效性。

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环形电感磁场泄漏分析与改善

邱智勇, 傅恺宁, 陈为

电源学报. 2025, 23(4): 360-368. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2025.4.360

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环形电感的不同绕组绕制方式会影响自身的磁场泄漏情况,而磁场泄漏会加剧电磁干扰EMI (electromagnetic interference)滤波器的近场耦合。采用部分元等效电路法分析环形电感的等效径向电流和切向电流产生磁场泄漏的情况发现,由切向电流合成的等效电流环是环形电感轴向磁场泄漏的主要来源。为此,提出一种绕组绕制方法,该方法使用双磁芯夹PCB的方式,使PCB上下面绕组产生反向电流环进行磁场抵消。实验环节中,通过三维有限元仿真表明,所提方案能够在与传统方案电感量基本一致情况下,进一步减少轴向磁场泄漏;通过阻抗测试与EMI滤波器的插入损耗测试,验证了所提方案相比于传统方案能够弱化高频寄生参数对电感阻抗特性的影响,能进一步优化EMI滤波器的高频滤波性能。

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2025年, 第23卷, 第4期　刊出日期：2025-07-30

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