2023年, 21卷, 2期　刊出日期：2023-03-30

  

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DC-DC 变换器
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  基于SiC MOSFET三电平Buck变换器电压尖峰抑制研究

  于越, 李蔚, 张泽, 黄权威, 彭霞

  电源学报. 2023, 21(2): 1-11. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.1

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  SiC MOSFET工作频率高,温度稳定性好,应用于三电平Buck变换器中可以减小系统损耗,提高系统效率,但SiC MOSFET的高频特性会使其开关过程中的电压尖峰更为严重。针对该问题,分析了三电平Buck电路SiC MOSFET开关过程及瞬态电压尖峰产生机理;在传统的充放电型RCD吸收电路的基础上加以优化改进,设计了一种低损耗型RCD吸收电路作为电压尖峰抑制方法。首先,对充放电型RCD吸收电路和改进后的低损耗型RCD吸收电路的工作原理及损耗进行对比分析;其次,搭建了三电平Buck变换器实验装置,对吸收电容和电阻进行参数设计;最后,通过实验验证了低损耗型RCD吸收电路的有效性、参数设计的合理性;结合理论分析和实验结果表明,相比于带充放电型RCD吸收电路,带低损耗型RCD吸收电路的三电平Buck变换器具有更低的损耗。
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  适用于低压同步整流器的新型谐振驱动电路

  郭晓君, 张杰, 林清华, 林维明

  电源学报. 2023, 21(2): 12-20. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.12

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  随着开关频率的提高,同步整流变换器功率MOSFET管的开关过程及其驱动带来的损耗也愈发凸显出来,特别是在低压大电流应用中。为了降低这部分损耗,提出一种单电感双管谐振驱动技术,能够利用一个单电感驱动两个不共源极的功率MOSFET管。详细分析了工作原理和特性,给出了参数设计方法,并进行了仿真和实验,结果表明该驱动技术具有驱动损耗低、驱动速度快、抗干扰能力强、便于集成等优点,适用于高频高功率密度的同步整流功率变换器。
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  MOSFET非线性寄生电容对单管谐振正激变换器的影响及其处理

  邓俊清, 陈为, 贺宇航

  电源学报. 2023, 21(2): 21-28. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.21

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  高效的正激变换器常利用高频谐振实现磁复位及软开关。高频下,MOSFET非线性寄生电容对谐振的影响更加明显,不仅导致谐振点偏移,软开关失效,更可能令磁芯无法正常谐振复位。为计算在非线性寄生电容影响下的谐振参数,利用Simplis搭建仿真模型,并推导基本数学表达式;利用分段线性法计算谐振过程中电容充放电时间,并根据能量守恒建立谐振参数取值的约束方程组。计算所得的谐振参数可在不降低频率和占空比的条件下克服MOSFET非线性电容的影响,当激磁电感取其上限值时,磁损最小,此时可得最高效率。
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  用于车载充电机的谐振变换器及其控制策略研究

  刘松林, 潘健, 陈庆东

  电源学报. 2023, 21(2): 29-37. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.29

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  对于车载充电机应用,传统频率控制的LLC谐振变换器难以实现宽电压范围,也不利于车载充电机的优化设计。为了解决这些问题,基于一种具有混合整流器的谐振变换器,对其控制策略进行研究以实现宽输出电压。在这种结构中,转换器的副边侧整流二极管与输出滤波电容间的两个辅助开关管反接串联,将整流电路构成全桥-半桥的混合整流器。然后,提出了一种窄频率范围的频率控制和一种定频PWM控制,使得谐振变换器可以实现宽电压范围。与传统频率控制的谐振变换器相比,该转换器有如下优点：宽电压范围、低环流损耗、缩小了频率调节范围。最后,MATLAB/Simulink仿真和实验结果验证了该转换器和控制策略的有效性、可行性。
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  新型谐振式开关电容变换器及其潜电路分析

  夏守行, 白若琦, 宋建伟, 朱飒飒

  电源学报. 2023, 21(2): 38-45. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.38

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  针对传统三电平开关电容变换器存在硬开关或软开关实现较苛刻的不足,提出一种恒流充电谐振放电的新型1/2降压式开关电容变换器,谐振电容的谐振电流脉冲数减半,增大了电流占空比,降低了谐振电容的阻性损耗。以电路谐振和能量变换的规律,分析了输出电压、充电脉冲平均电流和变换效率等数学表达式,并得出一种简单的减少潜电路产生的新方法。这种谐振型开关电容变换器在一定范围内可通过调频方式调压,是一种谐振电感量小且效率高的直流变换器。最后通过仿真和实验验证了电路及其分析过程的正确性。
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  适用于激光器脉冲驱动系统的低纹波交错并联Boost变换器

  黄丫, 田小建, 吴戈, 于兰

  电源学报. 2023, 21(2): 46-54. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.46

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  设计了一种适用于激光器脉冲驱动系统的低纹波交错并联boost变换器,采用多路交错并联结构有效降低了系统重载下的输出电压纹波,理论空载最大输出电压120 V,最大输出功率119.2 W,重载下电压纹波低于5 mV。分析了交错并联Boost变换器的并联路数和每路电感放电时间间隔等参数对输出电压纹波的影响,并提出利用单路Boost变换器输出参数估算多路电压纹波的方法,可为交错并联Boost变换器并联路数的确定提供依据。
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  一种新颖的耦合电感无源无损缓冲电路及其设计方法

  张弘雨, 周建平, 杨运东, 程志荣

  电源学报. 2023, 21(2): 55-62. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.55

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  无源无损软开关技术是一种通过附加无源器件实现开关管软开关的手段,因其控制简单易于实现,在工程应用中得到了广泛的应用。但传统无源无损软开关技术应用于大功率场合时,流入缓冲电路二极管的电流较大,造成了成本上升和散热困难等一系列问题。首先分析了传统无源无损软开关技术应用于大功率Boost变换器上存在的不足,随后提出了一种新型耦合电感无源无损缓冲电路以及该电路谐振元件参数的设计方法。该设计以避免谐振回路参与主电路的续流过程为主要思路,降低流过二极管与缓冲电感的电流,提升变换器的转换效率。通过设计一台15 kW的样机,验证了该缓冲电路的正确性与可行性。
AC-DC 变换器
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  一种单相Vienna整流器及其控制方法

  袁义生, 张执钦, 刘文钦

  电源学报. 2023, 21(2): 63-71. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.63

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  针对三相\单相输入兼容场合使用的电动汽车直流充电模块,在三相Vienna整流器结构的基础上,提出了一种单相Vienna整流器结构及3种调制方法。第1种调制方法中2组开关管共用一个调制波,同时通断;第2种调制方法中一组开关管恒通,另一组开关管工作在高频PWM模式;第3种调制方法为2组开关管有2个独立的调制波。分析表明,第3中调制方法具有实现宽范围输出和能够调整输出电压不平衡的优点。基于第3种调制方法,建立了该整流器的数学模型,进而提出了含有输出电压u_pn与输出电压差Δu_pn两个控制环的整流器控制方法。通过对一个110 V AC输入的整流器的仿真和实验表明,只有第3种调制方法能够既实现200~380 V DC的宽范围输出电压,又能在输出电容和负载不平衡的条件下实现输出电压的平衡。
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  基于LCL恒流谐振网络的无电解电容LED驱动电路研究

  何海泉, 林国庆, 徐心靖

  电源学报. 2023, 21(2): 72-81. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.72

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  LED驱动器中电解电容寿命较短,与LED灯的长寿命不匹配,限制了LED照明光源的长时间使用。基于LCL谐振变换器的恒流特性,提出一种脉动电流驱动的两级无电解电容LED驱动电路方案。通过将LED电流与功率因数校正PFC（power factor correction）输出电压加权反馈调节PFC输出电压,并使LED灯以脉动电流方式工作,从而减小所需的储能电容大小,提高输出电流的恒流精度。详细介绍了无电解电容LED驱动电路的工作原理和控制策略,给出了关键参数的设计思路。最后设计了一台100 W的原理样机,并进行了实验测试。实验结果验证了所提方案是可行的。
DC-AC 逆变器
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  钳位型分裂Y源逆变器

  房绪鹏, 阚兴宸, 王璞, 薄常辉

  电源学报. 2023, 21(2): 82-88. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.82

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  Y源逆变器具有高电压增益的优点,但是其电压增益中的调制因数和直通占空比相互制约,影响其电压质量和直流母线利用率,漏感的存在也使Y源逆变器流经耦合电感的电流在状态转换过程中发生突变,导致功率开关管产生明显的电压尖峰。分裂Y源逆变器SYSI（split Y-source inverter）工作过程中由于不需要引入直通状态,可以有效解决上述问题,为此提出一种钳位型分裂Y源逆变器CSYSI（clamped split Y-source inverter）,不仅可以同向调节调制因数和升压占空比,消除开关管电压尖峰,而且通过加入电压钳位单元,进一步提升了电压增益。对该逆变器进行了详细的理论分析,并进行MATLAB/Simulink仿真与样机实验,验证了其合理性。
新能源系统
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  基于DSOGI-PLL的VSG双机并联系统功率分配控制策略

  邱彬, 王雪纯, 宋平, 王凯, 杨桢

  电源学报. 2023, 21(2): 89-99. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.89

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  针对多虚拟同步发电机VSG（virtual synchronous generator ）并联运行条件下受扰容易引发功率振荡和频率稳定性降低的问题,提出了一种双二阶广义积分器锁相环DSOGI-PLL（dual-second order generalized integrator phase-locked loop）技术的改进型VSG控制策略。分析了不同工况下VSG双机并联系统对公共耦合点负载增量的分配情况,分析了关键参数对各机组供电容量分配的影响。通过在功频控制器中引入积分环节来实现电力系统频率的二次调节,并采用DSOGI-PLL技术减少VSG输出电能在基频处的扰动,从而抑制多VSG并联运行时受扰的功率振荡程度。仿真结果表明,相比于传统控制策略,该方案能有效减少VSG输出电能在基频附近的扰动,减小了功率振荡,提高了并联运行条件下的输出电能质量,实现了各机组之间能量的合理分配,验证了所提控制策略在并离网模式下的适用性。
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  多微网解列运行模式切换控制方法研究

  韦斌, 隋宇, 邓小玉, 韩克

  电源学报. 2023, 21(2): 100-105. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.100

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  在切换多微网的解列运行模式时,由于对电势差控制不足,导致运行模式切换后的电网频率出现波动、切换不平稳的情况,因此提出多微网解列运行模式切换控制方法。首先对多微网中的逆变器进行下垂状态调整,保证切换后的有功、无功功率平稳。然后用PQ方法来消除下垂控制对电流内环的影响,同时切换多微网的运行模式,以保证电流稳定输出。但使用PQ方法后容易出现输出相位不同步的情况,需要使用相位控制对多微网进行电势差平衡,完成多微网运行时的模式切换控制。最后为了验证研究方法的可行性,使用文献[1]、文献[5]、文献[6]及所提研究方法,分别仿真多微网进行孤岛-并网、并网-孤岛的模式切换,并进行分析。仿真结果显示,研究方法有效地控制了切换时的电网频率,切换平稳,具有一定的可行性。
电力系统
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  一种考虑再生制动能量反馈的混合铁路功率调节器

  何棒棒, 高志宣, 马超, 罗建涛

  电源学报. 2023, 21(2): 106-115. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.106

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  为低成本地解决高速铁路或重载铁路牵引供电系统中的三相电流不平衡问题,提出了一种考虑电力机车再生制动能量反馈的混合铁路功率调节器HRPC（hybrid railway power conditioner）对负序电流进行补偿。HRPC由模块化RPC和所提的一种新型静止无功补偿器SVC（static var compensator）组成。首先,详细介绍了HRPC的拓扑结构及其工作原理,分析了列车不同运行工况下的三相电流不平衡度及负序补偿原理。然后,设计了模块化RPC和新型SVC的控制策略。最后进行了仿真验证。仿真结果表明,所提HRPC具有较好的负序补偿能力,且降低了补偿装置的成本,易于工程应用。
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  同相供电系统混合补偿容量优化分析与设计

  侯鹏飞, 杨跃文, 徐海东

  电源学报. 2023, 21(2): 116-128. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.116

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  针对现有同相供电系统中有源补偿容量较大、成本高的缺陷,提出一种基于混合补偿的同相供电系统。首先,分析了该系统的拓扑结构及工作原理,建立了混合补偿模型;其次,分析了无源补偿容量、负荷大小和功率因数对有源补偿容量的影响,完成了混合补偿容量优化配置;最后,研究了电能质量指标优化补偿原理,推导了电能质量指标参数与有源补偿装置两变流器补偿电流给定值之间的关系,建立了有源补偿容量优化模型,并采用粒子群优化算法进行寻优计算。同时,根据实测负荷数据仿真验证了混合补偿模型和协同控制策略的可行性及有效性。结果表明,混合补偿有效降低了有源补偿容量,优化补偿后在满足国标要求的同时进一步降低了有源补偿容量。
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  计及衰减直流分量的基波幅值相位实时检测

  张建鑫, 谢丽蓉, 杜立伟, 刘磊

  电源学报. 2023, 21(2): 129-137. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.129

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  电力系统的瞬时性故障易产生暂态衰减直流分量DDC（decaying DC component）、高次谐波等干扰信号,有效滤除干扰信号以实现电压基波幅值相位的快速、准确检测,对于提升电能质量非常重要。为此,基于三相畸变电压信号的周期性和半波对称性,提出在abc坐标系下对畸变电压分别延迟半周期、全周期采样,实现DDC分量的单位周期检测。其次,针对同时含有DDC与高次谐波的畸变信号,在dq旋转坐标系下将DDC检测算法与滑动平均滤波算法结合,实现单位周期同时滤除DDC与高次谐波分量。最后,将所提检测算法与电压相位开环算法结合,通过搭建RT-LAB半实物实时仿真平台对基波电压幅值相位进行检测验证。实验结果表明：在dq坐标系下同时滤除DDC与高次谐波干扰信号的检测算法响应时间仅为20 ms,验证了所提算法的有效性以及分析结论的正确性。
电池与储能
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  基于TRNN和FA-PF融合的锂离子电池RUL预测

  徐波, 雷敏, 王钋

  电源学报. 2023, 21(2): 138-145. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.138

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  预测锂电池剩余使用寿命RUL（remaining useful life）可以提高电池供电系统的稳定性和安全性,从而明确故障的发生并及时做出响应。在预测过程中粒子滤波PF（particle filter）常用于在线辨识模型参数,但当PF在线辨识参数时易出现粒子贫化问题,需要大量粒子才能完成状态估计,这将会导致预测结果不准确。为了提高RUL预测的准确性,提出一种基于时间递归神经网络TRNN（time recurrent neural network）和萤火虫算法FA（firefly algorithm）优化PF融合的锂电池RUL预测方法。首先,由于TRNN的泛化能力优于经验模型,并且易于捕捉容量退化的长距离依赖问题,因此选用其模拟各种条件下的电池退化模型;其次,基于FA优化的PF技术对TRNN模型参数进行递归更新,使粒子群移动到高似然区域,从而减少PF的贫化;最后,选择不同条件下不同电池的实验数据进行验证和比较。结果表明,与传统方法相比,该方法具有更高的RUL预测精度。
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  基于WLTC工况电化学-热耦合仿真的NCM锂电池极耳优化分析

  姚丹, 赵江平, 唐工凡, 刘昆宇

  电源学报. 2023, 21(2): 146-153. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.146

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  电化学-热耦合模型是锂离子电池设计开发过程的关键技术。采用基于WLTC（Worldwide Light-duty Test Cycle）工况的锂离子电池电化学-热耦合模型,分析了111型镍钴锰酸锂电池（Li（Ni_xCo_yMn_z）O₂）同侧极耳分布的方形电池的温度场以及电特性,并优化极耳尺寸及极耳间距。研究发现,WLTC工况下放电倍率对温度场和电特性有显著影响,随着放电倍率的增大,WLTC工况的两个循环结束时刻电池的最大温升和温差均以凹型曲线的趋势升高,放电倍率为2C时温升达12.705 ℃、温差为1.359 ℃;电压曲线的变化趋势也随放电倍率的增大而大幅下降。进一步研究发现,电池的最大温升和温差与正、负极耳的宽度及极耳间距显著相关,当正极耳宽度为 0.03 m,负极耳宽度为0.05 m时,电池的最大温升与温差最小;当正、负极耳间距为0.05 m时,电池的最大温升与温差最小。
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  基于GWO-SVR的锂电池剩余使用寿命预测

  杨战社, 王云浩, 孔晨再

  电源学报. 2023, 21(2): 154-162. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.154

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  锂离子电池剩余使用寿命预测在电池管理系统中发挥着重要作用,准确预测其剩余使用寿命能够保障电池的安全稳定运行。由于支持向量回归SVR（support vector regression）参数内核选择较为困难,为此提出灰狼优化—支持向量回归GWO-SVR（gray wolf optimization-SVR）方法,使用灰狼算法优化其内核参数,根据NASA预测中心提供的电池数据集对该方法进行了验证。通过与SVR方法进行对比发现,所提GWO-SVR方法的预测精度得到显著提高;在此基础上与ALO-SVR方法进行对比,证明所提方法平均相对误差降低了7.16%,预测精度更高,有效地提高了锂离子电池剩余寿命预测的精确性。
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  基于DeepAR与特征选择的锂离子电池在线状态估计

  史永胜, 任嘉睿, 李锦, 张凯

  电源学报. 2023, 21(2): 163-171. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.163

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  电池健康状态SOH（state-of-health）和荷电状态SOC（state-of-charge）估计是电池管理系统的核心功能。目前,状态估计存在依赖大量历史数据以及单一状态估计适应性差的问题,因此提出一种基于DeepAR与特征选择的锂离子电池状态估计模型。首先,提取电池恒流充电过程中电压、温度及时间间隔数据,组成3组老化特征作为模型输入,用于估计SOH;然后,在估计SOC时考虑SOH估计值,消除了电池老化因素对SOC估算的负面影响;最后,在不同工况下的牛津电池数据集上进行实验验证,并与其他两种算法模型进行误差与收敛性对比。结果表明,所提模型在冷启动估计方面具有较强的优势,SOH和SOC估计精度较高。
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  基于超级电容储能的SiC器件变流器性能分析

  王珏

  电源学报. 2023, 21(2): 172-178. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.172

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  超级电容储能系统的促进功率响应能力优势是改善分布式发电电源的电能输出效率的有效方式,为此利用SiC器件设计SiC MOSFET典型等效开关模型,并将其应用到超级电容储能系统中,进一步提升系统单位能量的传输能力。基于超级电容器工作原理,建立超级电容储能系统数学模型,有效分析基于超级电容储能的SiC器件变流器性能。经仿真验证,超级电容器可准确响应功率由负到正的变化;随着传输功率的逐渐增大,基于超级电容储能的SiC器件变流器传输效率也呈现上升趋势,在功率接近储能系统变流器额定功率时,变流器效率逐步稳定,运行效率在98%左右;响应速度较快,输出电压波动以及输出功率的波动幅度较小,具备较强的输出抗干扰性;达到电压稳定输出的时间较短,且超调量较低。
特种电源
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  基于IGBT的频率叠加型高压脉冲电源的研究

  赵宽祥, 刘宏勋, 徐海

  电源学报. 2023, 21(2): 179-185. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.179

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  针对高压脉冲电源的高压高频以及脉宽的特殊需求,采用频率叠加理论提出了一种基于绝缘栅双极晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）的频率叠加型高压脉冲电源。该脉冲电源通过对传统高压脉冲电源的改进,解决受IGBT和二级管模块的开关频率限制而脉冲电源无法同时实现高压、高频问题。通过对理论的分析以及使用Matlab/Simulink软件进行仿真验证,仿真结果表明改进后的高压脉冲电源能实现IGBT开关频率为20 kHz而负载频率为40 kHz。最后,为进一步验证所提脉冲电源拓扑结构的可行性,搭建低压实验样机,并使用现场可编程逻辑门阵列FPGA（field programmable gate array）产生相对独立的控制信号。
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  -70 kV高压低纹波电源的电路特性分析

  郭翔, 张治国, 汪志勇

  电源学报. 2023, 21(2): 186-193. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.186

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  首先,介绍了高压电源的基本工作原理,提出了倍压整流电路的等效电路。然后,讨论了谐振元件参数选择与低纹波实现之间的关联,指出变压器原边峰值电流与谐振电感参数是决定电路性能的重要因素。最后,推导了可用于实现输出电压低纹波的计算公式,给出满足设计需求的低纹波高压电源主要元器件参数,并且给出了仿真与实验结果。所提方法可精确反映这种高压电源的电路特性。
无线电能传输
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  无线电能传输系统金属异物检测方法研究

  秦庆磊, 张昌州, 王中训

  电源学报. 2023, 21(2): 194-200. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.194

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  无线电能传输系统在工作过程中,线圈间存在混入金属异物的情况,金属的涡流效应会产生涡流损耗并导致升温,具有较大的安全隐患。产生的涡流损耗使得初级线圈的等效输入阻抗增大,而磁性金属较高的磁导率具有增强涡流损耗的作用。在有限元仿真中得出了金属异物在垂直移动、水平移动及更换材料种类和体积时产生的等效输入阻抗变化规律,并进一步得出该变化使初级线圈在自由谐振下的电压衰减幅度呈现规律凹形,与无异物时有明显差异。最后通过实验装置测试不同参数下的金属异物衰减曲线,提出了一种基于LC自由谐振状态下的金属异物检测方法。所提方法结合发射端自身的结构特征,实现对金属异物的识别,无检测盲区,准确度较高。
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  基于SOGI-PLL载波移相的机车谐波抑制技术

  苏鹏程, 于森林, 詹哲军, 张瑞峰

  电源学报. 2023, 21(2): 201-208. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2023.2.201

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  为了抑制机车四象限脉冲整流器在网侧产生的高频谐波,防止车网发生高次谐波共振,提出一种基于二阶广义积分器锁相环SOGI-PLL（second-order generalized integral phase-locked loop）载波移相控制策略。将锁相环输出的电网相位作为同步基准信号,针对网压频率异常波动,快速同步校正PWM载波周期,保证了各单元之间移相角的准确性,获得最优谐波对消效果。同时,该策略对电网谐波和幅值异常跳变不敏感,具有良好的抗干扰性和自适应性。最后通过半实物仿真和地面联调试验,验证了该策略的可行性和对谐波抑制的有效性。