2023年, 21卷, 4期　刊出日期：2023-07-30

  

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DC-DC变换器
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  一种高降压比双输出Buck变换器的分析与设计

  皇金锋, 任舒欣, 谢锋

  电源学报. 2023, 21(4): 1-10. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.1

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  为解决传统单电感双输出SIDO（single-inductor dual-output）Buck变换器降压比低的问题,引入了二次型单元,提出一种高降压比双输出Buck变换器。对高降压比双输出Buck变换器的工作原理进行了深入分析,发现其存在4种工作模式,求出了变换器的电压增益表达式,得到了各个工作模式的临界电感,总结出了工作模式与电感和负载之间的关系。建立了各个工作模式的纹波电压解析式,并分析了纹波电压与电感的关系。以电感纹波电流和电容纹波电压为约束条件,获得了电感和电容的设计公式。搭建了实验平台,实验结果验证了理论分析的正确性。
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  单电感双输出Boost变换器的复合控制方案

  吴家荣, 卢振坤, 王擎宇, 文春明, 韦峻峰

  电源学报. 2023, 21(4): 11-18. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.11

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  为减小单电感双输出Boost变换器的交叉调节,提出一种复合控制方案。建立变换器仿射非线性数学模型,基于微分几何理论证明所建模型满足精确反馈线性化条件,构造出相应输出函数实现系统的线性化和解耦,进而分别为线性系统设计内模控制器和状态反馈控制器,并对满足控制系统稳定要求的反馈系数选取进行分析。与现有控制方法进行仿真比较,结果表明,所提控制方案具有更好的动态调节特性、更优的控制性能和更小的交叉调节。实验结果进一步验证了所提控制方案的可行性。
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  带恒功率负载的Boost变换器模糊自适应反步滑模控制

  罗玮, 陆益民

  电源学报. 2023, 21(4): 19-26. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.19

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  恒功率负载的负阻抗特性易导致DC/DC变换器系统输出电压不稳定。针对带恒功率负载的Boost变换器,提出一种模糊自适应反步滑模控制策略。首先应用精确反馈线性化将模型转化为布鲁诺夫斯基标准形式。然后在保证大信号稳定的前提下,将模糊自适应控制方法加入到反步滑模控制器的设计中,根据模糊自适应控制系统实时更新系统增益,利用李雅普诺夫理论证明整个闭环系统的稳定性。最后,仿真和实验结果表明,与传统的双闭环PI控制方法相比,该控制策略具有更好的动态调节性能和更强的鲁棒性。
AC-DC变换器
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  基于相位补偿的高频Vienna整流器解耦控制方法

  杨青松, 熊慧, 石健将

  电源学报. 2023, 21(4): 27-37. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.27

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  针对三相三线制Vienna整流器控制频率与输入电压频率比值较低时dq轴耦合加剧的问题,采用基于复系数传递函数的方法,推导了Vienna整流器电流环的开环传递函数。在同步旋转坐标系下,建立了考虑数字控制延时后的电流环复系数控制模型,对该模型的分析与研究表明,考虑数字控制延时后,传统电流前馈解耦方法不能实现完全解耦。为解决此问题,提出了一种带相位补偿的电流前馈解耦控制方法。该方法将输出的控制信号乘上延时对应的相位补偿量后作为新的控制信号,以消除延时对控制环路的影响,有效提高了电流环的性能。最后搭建了1 000 W的Vienna整流器仿真与实验平台进行验证,仿真与实验结果证明了所提控制策略的有效性。
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  LCL电压型整流器模型预测优化控制

  马雯, 郭强, 李山

  电源学报. 2023, 21(4): 38-46. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.38

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  传统的LCL整流器模型预测控制需要附加有源阻尼算法MPC-AD（model predictive control-active admping）来消除LCL滤波器引起的谐振问题,此时由于网侧电流由整流器侧电流间接控制,导致其控制性能不佳。为此提出了一种基于LCL滤波的电压型整流器VSR（voltage source rectifier）有限控制集模型预测优化控制策略。利用模型预测控制中多变量控制的特性,通过构建单个代价函数同时控制网侧电流矢量、滤波电容电压矢量以及整流器侧电流矢量（MPC-i₁i₂u_c）,无需状态变量反馈有源阻尼,然后通过所构造的代价函数J来选取下一时刻最优开关状态作用于系统。为验证所提出方法的可行性,进行仿真实验并搭建测试样机。通过与传统的MPC-AD控制方法进行比较,验证了所提优化控制策略的可行性与优越性。
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  基于热管理的改进型模型预测电流控制研究

  李壮, 吕嘉琪, 丁冠华, 程红, 王聪

  电源学报. 2023, 21(4): 47-55. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.47

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  针对传统定频有限集模型预测电流控制FSF-FCS-MPCC（fixed switching frequency finite control set model predictive current control ）方法不能实现IGBT器件结温均衡、降低其结温波动和平均温度等问题,以单相PWM整流器为研究对象,提出了一种基于热管理的改进型模型预测电流控制。该方法在两矢量定频预测控制基础上,通过设计评价函数选取最优两矢量及动作序列;其次以采样周期为单位灵活选取2种零矢量交替使用;最后通过调制模块产生相应的开关状态进行控制。为了验证理论分析的正确性和有效性,在小功率实验平台上与传统FSF-FCS-MPCC进行了对比研究,结果表明该方法不仅可以实现上述控制目标,而且可以进一步减小网侧电流谐波和稳态误差,提高了开关器件的使用寿命和变换器可靠性。
DC-AC逆变器
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  弱电网下电压控制型逆变器的自适应快速功率控制策略

  郭梓暄, 张兴, 李明, 付新鑫, 韩峰, 王继磊

  电源学报. 2023, 21(4): 56-66. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.56

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  电压控制型逆变器VCI（voltage-controlled inverters）在弱电网下表现出更强的稳定性,有望在可再生能源发电中得到更广泛的应用。然而,VCI的有功功率控制带宽通常低于电流控制并网逆变器CCI（current-controlled inverter）。随着电网阻抗增大和电网强度进一步降低,其调节时间甚至将长达数秒,难以满足可再生能源发电最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）的要求。此外,现有的以功率环改造为特点的VCI有功功率快速控制方法,则可能导致弱电网下VCI稳定性损失。针对这一问题,建立了VCI并网系统的详细输入-输出模型,揭示了弱电网下VCI功率环改造法面临稳定性和快速性矛盾的根源,并提出了一种基于外环改造和功率指令前置滤波的VCI有功功率快速控制方法,能够有效提升VCI有功功率控制带宽,且不影响其弱电网下的稳定性,进一步实现了基于VCI的MPPT控制;针对短路容量比和电网阻抗大幅波动对所提控制的影响,又提出了一种基于电网阻抗在线辨识的VCI有功功率快速控制自适应方法。最后,实验结果验证了所提方法的有效性。
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  基于多谐振前馈与电流估计的光伏并网逆变器控制策略研究

  李圣清, 江宇, 罗朝旭

  电源学报. 2023, 21(4): 67-73. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.67

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  针对弱电网环境下电网阻抗较大以及传感器等元件造成延迟引发的并网电流品质差的问题,采用了一种多谐振前馈与电流估计法,相结合的控制策略。利用多谐振前馈控制提取低次谐波,使得正反馈通道只在主要背景谐波处有反馈作用,同时引入电流估计法,在不改变对LCL固有谐振频率抑制效果的前提下,降低系统成本。仿真结果表明,并网电流的总谐波畸变率降低2.56%,增强了系统对含有低次谐波弱电网的适应能力,验证了此控制策略的正确性和有效性。
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  不平衡电网电压条件下MMC控制策略综述

  江友华, 陈芳, 赵乐, 曹以龙, 杨兴武, 吴卫民

  电源学报. 2023, 21(4): 74-87. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.74

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  模块化多电平换流器MMC（modular multilevel converter）中负序电流的有效抑制对提高电能传输质量和系统稳定性具有重要意义。随着电网中出现不平衡故障的概率与日俱增,平衡网压下MMC的控制策略已不再适用。为此,从MMC内、外特性的影响因素出发,对国内外的研究现状进行归纳总结,并基于现有研究展望未来。首先,从外特性角度分析三个控制目标下不同控制策略的异同点,再进一步阐述引入多变量控制参数k后各电气量的变化趋势,并指出这些方法存在的局限性;其次,从内特性角度梳理环流注入、三次谐波注入对桥臂电流、电容电压的影响,并对相关研究的共性问题进行分析;最后,综合国内外对相关问题的分析与思考,提出该领域目前所面临的挑战,对未来需要深入探究的方向做出了展望。
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  三相并网逆变器改进定频模型预测电流控制

  任志玲, 叶俊, 王继超

  电源学报. 2023, 21(4): 88-96. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.88

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  三相并网逆变器传统模型预测控制存在开关频率不固定和输出电流谐波含量较高的问题,给并网逆变器输出滤波器的设计带来了一定困难,并且影响并网逆变器的运行效率。为此,提出一种三相并网逆变器改进定频模型预测电流控制算法,在每个控制周期采用3个电压矢量,通过αβ轴电流无差拍控制来确定每个电压矢量的作用时间,以电流跟踪误差最小选择最优电压矢量组合,再经过离散化PWM0 DPWM0（discontinuous pulse width modulation zero）调制得到开关信号,实现输出电流定频控制且谐波含量降低。仿真和实验结果验证了所提算法的可行性和有效性。
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  基于状态观测器的单相并网逆变器复合控制

  梁理程, 丁欣, 谢李兵, 吴德武, 陈延明

  电源学报. 2023, 21(4): 97-104. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.97

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  针对单相并网逆变器的特定次谐波抑制与控制延时补偿,提出了一种基于状态观测器的准比例谐振Quasi-PR（quasi-proportional resonant）控制加重复控制RC（repetitive control）的复合控制策略。其中,准PR控制器用于实现对并网电流基频分量的无静差控制,重复控制器用于抑制特定次谐波分量。同时,考虑到系统的控制延时,采用状态观测器进行延时估计,并基于状态观测器设计了合适的延时补偿环节。此外,针对LCL的谐振尖峰,进行基于电容电流反馈的有源阻尼。最后通过仿真与实验,验证所提复合控制策略的可行性与有效性。
新能源系统
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  基于自适应ANN的孤岛微网群电压频率分布式协同控制

  王海云, 唐涛南, 王卫, 张雨璇, 汤云帅, 孙方霞

  电源学报. 2023, 21(4): 105-114. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.105

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  针对孤岛微网群稳定运行难度大,电压和频率控制极为复杂的问题,提出了一种适用于含多逆变器分布式电源DGs（distributed generations）微网群MGC（microgrid cluster）的智能电压、频率协同控制方法。首先,该方法利用李雅普诺夫理论和基于逆变器DG的动态特性设计了基于模型化的控制器;然后,利用人工神经网络ANN（artificial neural network）来近似上述动态特性,从而得到不需要DG参数先验信息的智能控制器,此外,所提控制器不需要使用电压和电流PI控制器;最后,通过不同场景下的仿真分析,验证了所提控制器的有效性,还利用李雅普诺夫分析,证明了跟踪误差和神经网络权值最终一致有界,从而可实现较好的电压和频率动态调节。
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  基于分层控制的多微网并联运行磁场定向控制策略

  刘小琦

  电源学报. 2023, 21(4): 115-121. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.115

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  原有方法对多微网并联运行磁场定向控制具有延迟的问题,导致多微网并联运行磁场定向控制的效果较差,因此,设计了一种新型多微网并联运行磁场定向控制策略。首先设定多微网并联运行磁场定向控制指标。然后确定多微网并联运行磁场定向控制影响因素,并建立并网方案中的分配系数,采用分层控制的方法对多微网并联运行磁场进行定向控制,以此完成多微网并联运行磁场定向控制的优化设计。最后进行仿真分析,验证所提控制策略的电压调节速度、功率稳定性以及功率调节正确性。所得结果验证了所提多微网并联运行磁场定向控制策略的有效性。
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  永磁直驱风电全功率变流器并联控制方法研究

  毛荀, 郭力, 彭红英, 占勇

  电源学报. 2023, 21(4): 122-129. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.122

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  为提高永磁直驱风电全功率变流器并联控制精度,研究了永磁直驱风电全功率变流器并联控制方法。首先分析永磁直驱风电全功率变流器并联拓扑结构,建立永磁直驱风电全功率变流器模型,再计算无功功率受有功功率波动造成电压幅值产生波动,结合虚拟阻抗控制方法,实现对永磁直驱风电全功率变流器的并联控制。实验结果表明,采用该方法控制永磁直驱风电全功率变流器并联运行的机侧环流与网侧环流波动较为稳定,且环流控制精度较高,最高可达到99%,验证了该方法的控制性能。
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  阴极循环对氢燃料电池系统电压钳位及自增湿效应的研究

  王贵荣

  电源学报. 2023, 21(4): 130-137. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.130

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  通过阳极和阴极两侧的废气再循环可以实现低电流密度下的电压钳位以及无需外部加湿器的自加湿。基于氮气渗漏和水扩散动态系统仿真模型,提出了一种控制阴阳两极气体压力平衡和限电压的控制算法,并对控制算法进行了仿真分析和有效性验证。试验结果表明阴极循环系统动态性能良好,并能够把氢燃料电池在低电流密度下的单片电压控制在0.85 V以下。通过正交试验发现,进气阀开度和循环泵的转速是实现电压快速控制最重要的影响因素;在阴极再循环系统主动运行下,混合气体最高湿度可达60%。
电池与储能
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  基于分层电化学热耦合模型的锂电池放电过程研究

  时玮, 韩甜, 赵杨梅, 张雪楠

  电源学报. 2023, 21(4): 138-147. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.138

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  软包锂离子电池由许多电池单元叠压形成,其中电池单元的电和热行为对电池的整体安全性有很大的影响。为了研究电池单元与单体之间的关系,采用多孔电极理论建立了大容量软包锂电池的分层多维模型,并考虑了瞬态温度变化与电化学反应间的相互作用关系。利用该分层模型研究不同温度下电池放电过程中的电化学和热特性,得到更为真实的电池温度场分布。此外,介绍了表征电池单体内不同电池单元荷电状态分布的均匀指数。仿真表明,电池单体内的温度梯度差异加剧了不同电池单元间的过电位不一致和电流密度不一致程度,有利于进一步研究单体电池的衰退演化轨迹。
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  PEMFC新型压差流道传质与电化学性能研究

  赵富强, 祁慧青, 范晓宇, 贾彦奎, 张晓东

  电源学报. 2023, 21(4): 148-158. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.148

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  双极板是质子交换膜燃料电池PEMFC（proton exchange membrane fuel cell）核心组件,极板的流道形状和尺寸直接影响反应气体的利用率以及电池的排水、散热性能。基于极板工作原理提出一种新型PEMFC压差流道构型,研究流道内阴极氧气浓度、水浓度分布、进出口压降、流速的变化,分析电流密度和极化曲线对燃料电池电化学性能的影响;在50%开孔率时,通过对比8组低压直流道和高压直流道的宽度同时增大的仿真结果发现,低压直流道和高压直流道宽度均由2.25 mm减小到0.5 mm时,功率密度峰值提高了31.9%。进一步探究压差流道中增大或保持一种流道宽度不变而改变另一种流道宽度对燃料电池电化学性能的影响,结果表明低压直流道和高压直流道宽度均为1 mm时,功率密度峰值最高可达0.39 W/cm²。
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  基于边缘计算的电动汽车换电电池冗余度建模分析

  谢虎, 陈志伟, 郭文鑫, 赵瑞锋, 刘洋

  电源学报. 2023, 21(4): 159-166. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.159

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  针对电动汽车换电站电池冗余度和充电成本过高的问题,基于边缘计算建立了电动汽车换电电池冗余度分析模型。结合边缘计算与云计算技术,建立电动汽车换电电池冗余度分析的边缘计算平台,利用边缘节点A采集电动汽车用电信息,并将采集数据上传至云平台。云平台利用电动汽车换电电池充电优化控制模型,分析边缘节点B关联电动汽车换电电池冗余度;利用自适应遗传算法求解模型,实现电动汽车换电电池的充电优化。实验结果表明,该模型可有效分析电动汽车换电电池冗余度,将该模型应用于电动汽车换电站,换电站月充电费用降低幅度大于13%。
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  超导磁储能系统自抗扰控制策略研究

  蒋意珏, 林晓冬, 董海疆, 唐毓, 雷勇

  电源学报. 2023, 21(4): 167-176. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.167

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  针对电压源型换流器VSC（voltage source converter）的超导磁储能SMES（superconducting magnetic energy storage）系统,提出了一种自抗扰控制ADRC（active disturbance rejection control）策略。首先,分别建立了SMES的交流侧VSC、直流侧斩波器数学模型;其次,基于非线性扩张状态观测器和线性误差反馈律设计了SMES的交、直流侧ADRC;然后,通过描述函数法分析了ADRC的稳定性;最后,在Matlab/Simulink平台中搭建了仿真模型。仿真结果表明,与传统PI控制相比,ADRC具有更好的动态响应性能和抗扰动特性,并针对不确定的系统参数具有更好的鲁棒性,有效地提高了SMES的运行可靠性。
无线电能传输
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  电动汽车无线电能传输系统建模与电磁安全评估

  李马炎, 张希

  电源学报. 2023, 21(4): 177-185. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.177

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  从线圈结构和双边LCC补偿拓扑两方面开展无线电能传输系统的优化设计,以实现指定的输出功率和最高的传输效率。为研究无线充电环境中电磁场对人体的影响,通过三维电磁场仿真软件构建了一个完整的电磁环境仿真系统,包含无线充电系统、电动汽车和具有重要器官的人体模型。模拟了7个场景：成人站立于车后方;成人坐于车内左前、右前、左后和右后方;成人躺卧于车后方;儿童躺卧于车后方（最坏情况）。仿真结果表明,对于22 kW的高功率无线充电环境,躺姿势儿童的心肺和躺姿势成人的心脏超出国际非电离辐射防护委员会规定的感应电场基本限值。由于车辆外壳的屏蔽和人体与利兹线的距离,坐在车内和站立于车后的场景对人们是安全的。
电机系统与控制
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  基于PWM占空比优化的PMSM预测直接转矩控制

  姚存治, 张曼, 钱晓捷, 俱鑫, 苟瑞欣

  电源学报. 2023, 21(4): 186-194. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.186

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  针对永磁同步电机PMSM（permanent magnet synchronous motors）传统直接转矩控制DTC（direct torque control）存在开关频率不规则、开关噪声的频率范围太宽和死区补偿算法复杂等问题,提出了一种基于优化脉宽调制PWM（pulse width modulation）和死区补偿的PMSM预测DTC方法。该方法首先在已知零电压矢量的基础上,根据预测转矩和磁通误差来选择2个其他有效电压矢量,与此同时,也考虑反电动势和磁通-转矩耦合器;接着,利用1个零电压矢量和2个其他有效电压矢量预测每个采样周期的转矩和磁通变化量,其中,3个电压矢量的开关周期由转矩和磁通误差以及上一步计算出的预测转矩和磁通变化量共同决定;然后,采用死区补偿算法和改进的PWM来减小死区效应,以提高预测效果;最后,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性和优越性。研究结果表明,所提方法在转矩控制和磁通控制效果要明显优于其他方法,且极大地降低了开关损耗。
电磁干扰与电磁兼容
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  逆变器共模电压干扰及抑制措施研究

  王建渊, 栗俊明, 陈晓煊, 姬军鹏

  电源学报. 2023, 21(4): 195-201. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.195

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  在紧凑型逆变器设计中,随着功率密度的提升,功率器件快速开关过程所引起的电磁兼容EMC（electromagnetic compatibility）问题越来越突出,而要使逆变器在各种环境条件下稳定运行,EMC设计显得尤为关键。针对逆变器的共模干扰问题,从共模干扰传导的3条路径展开分析,基于ANSYS电磁仿真平台建立了逆变器共模干扰等效模型,分析干扰信号的传播通道及作用原理,得出共模干扰电压与寄生电容的关系,通过实验进行验证,提出了2种通过减小寄生电容进行共模抑制的有效方法。从原理分析到仿真得出结论,然后用案例加以验证,对于逆变器EMC设计及逆变器共模干扰问题的解决具有实际指导意义。
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  基于转移阻抗模型的功率回路和信号回路间串扰建模与试验验证

  杨春宇, 裴雪军, 向洋霄

  电源学报. 2023, 21(4): 202-208. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.4.202

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  由于列车和船舶上的空间有限,互连非屏蔽线缆的空间非常小,导致非屏蔽线缆之间存在严重的串扰问题,其中功率回路对信号回路的串扰会严重影响信号的质量和系统的正常运行,因此有必要估计功率回路中共模和差模电磁干扰对信号回路的影响。为此提出了一种可扩展的级联多端口网络模型,可对线缆间共模和差模串扰进行精准建模,准确估计出功率回路对信号回路的影响。最后,搭建了试验台架进行验证,实验结果验证了该方法的有效性。