电源学报 | 2024年第4期目录（上）【特邀专栏、DC-DC、AC-DC、DC-AC、AC-AC、新能源系统】

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作者：胡嘉豪, 王英伦, 代豪豪, 邓小川, 张波

刊期：电源学报, 2024,22(4):1-11

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.1

摘要：碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管SiC MOSFET(silicon carbide metal-oxide-semiconductor field effect transistor)因具有高压、高频、低导通损耗等优异特性而获得产业界广泛关注,但相比于硅基IGBT,SiC/SiO₂ 栅氧界面高缺陷密度引起的栅氧可靠性问题成为制约SiC MOSFET 器件规模化应用的关键瓶颈。通过对近年来国内外SiC MOSFET 栅氧可靠性研究成果的梳理和分析,阐述了当前栅氧可靠性问题的形成原因,归纳总结了各类常用的栅氧可靠性评估方法,并进行了比较分析,最后重点探讨了极端工况下SiC MOSFET 栅氧可靠性及其提升技术的发展现状。

作者：许加柱, 王家禹, 刘裕兴, 曾林俊, 梁志宏, 钟朝峰

刊期：电源学报,2024,22(4):12-19

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.12

摘要：针对传统线性控制方法下Boost 变换器存在系统动态性能差和对负载扰动鲁棒性不强的问题,从功率平衡的角度提出1 种定频滑模电流控制方法。首先,利用负载电流观测值计算维持输出电压稳定所需的输入功率;其次,通过控制电感电流调整变换器输入功率,从而将系统的状态轨迹限制在对负载扰动具有不变性的滑模面上,保证系统大信号稳定并提升其动态性能;最后,基于等效控制原理,通过PWM 技术实现等效滑模控制,避免了传统滑模控制中存在的抖振及开关频率不稳定问题。在Simulink 中对Boost 变换器负载阶跃变换的工况进行仿真,将所提方法与传统线性控制方法对比。结果表明,采用所提方法,系统的动态性能更好,且能保证系统在负载大范围扰动下的大信号稳定。

作者：董雨坤, 刘俊峰, 周浩, 曾君

刊期：电源学报,2024,22(4):20-18

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.20

摘要：以应用于车载辅助电源模块APM(auxiliary power module)的DC-DC 变换器设计为研究对象,提出1 种由三电平升压型TL-Boost(three-level Boost)拓扑和半桥LLC谐振拓扑构成的两级式DC-DC变换器拓扑结构,分析其工作原理。前级TL-Boost 拓扑将宽范围的输入电压转换为稳定电压,保证了后级半桥LLC 谐振拓扑的高效率运行。通过搭建实验平台并进行相关实验,结果验证了所提DC-DC 变换器的可行性和正确性。

作者：程诗伟, 赵世伟

刊期：电源学报,2024,22(4):29-39

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.29

摘要：在能源危机和环境问题的背景下,高电压增益的DC-DC 变换器成为利用可再生新能源不可或缺的环节。基于此,提出1 种双开关二次型结构,使传统的二次型Boost 变换器的电压增益得到有效提升,且降低了开关管的电流应力。结合开关电容和耦合电感,提出1 种电压增益极高的双开关二次型结构耦合电感高增益DC-DC 变换器。该变换器具有电压增益高、2 个开关管同相、开关管和输出二极管电压应力低和多个二极管实现零电流关断的优点。详细分析了变换器的运行原理和稳态性能,包括电压增益推导、元器件电压电流应力等。制作了1 款120 W 样机,验证了理论分析的正确性和变换器的可行性。

作者：潘健, 石迪, 刘松林, 熊嘉鑫, 宋豪杰

刊期：电源学报,2024,22(4):40-52

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.40

摘要：针对宽输出电压范围应用中传统频率控制的LLC 型谐振变换器存在开关频率调节范围宽、循环电流大及难实现高效运行等问题,提出1种具有定频移相-定频PWM 混合控制策略的双全桥LLC 型谐振变换器,以适用于较宽输出电压范围。其由2 个全桥LLC 型谐振变换器共用1 个桥臂组合而成,输出电压通过定频移相-定频PWM 混合控制进行调节,使该谐振变换器实现4 倍电压增益范围以获得较宽输出电压,同时解决传统频率控制中循环电流过大及在移相控制移相角小时的软开关不能实现问题,提升系统效率。该转换器开关频率工作在谐振频率点,电压增益与负载无关且有助于磁性元件设计,在全负载范围内实现软开关。最后给出详细的电路工作原理分析并通过仿真进行验证,搭建实验平台验证了所提变换器的可行性和有效性。

作者：黄匀飞, 钟启濠, 欧阳有鹏, 张雷, 何晓坤, 陈武

刊期：电源学报,2024,22(4):53-65

DOI:10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.53    

摘要：针对功率双向传输系统中的核心—双有源桥DAB(dual-active-bridge)变换器,首先对其基本原理与拓扑结构进行概述;然后,介绍了DAB 变换器单移相、双重移相、拓展移相与三重移相这4 种基本调制策略;进一步地,对基于这4 种调制策略的控制优化建模、优化实现进行了对比分析;最后,对DAB 变换器在实际应用中所面临的问题与解决方案进行了探讨。随着直流配电、储能、分布式能源技术的进一步发展,DAB 变换器将迎来广阔的应用前景。

作者：王亮, 王春斌, 史宇欣, 郭卓麾, 徐自远

刊期：电源学报,2024,22(4):66-73

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.66

摘要：针对传统双有源桥DAB(dual-active-bridge)变换器存在开关损耗大、循环电流大、负载变化范围窄且运行效率偏低等问题,提出1 种基于可变电感和移相PS(phase shift)角相结合的新型双有源桥变换器功率控制方法。该方法将可变电感和移相角作为主要控制参数,以提升DAB 在更宽的负载变化范围内的运行效率。此外,将DAB 变换器的传递函数线性化,以提高控制器的实用性和便利性。基于所提方法中器件饱和可控,通过减小磁芯尺寸来优化变换器尺寸。最后,通过实验验证了所提方法的有效性和优越性,结果表明在最大PS 角条件下,电感变化显著影响DAB 变换器的功率传输,在轻载和重载条件下,其整体运行效率均比传统DAB 变换器高约5%。

作者：杨闯闯, 俞波

刊期：电源学报,2024,22(4):74-82

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.74

摘要：基于电动汽车直流充电桩的AC/DC 和DC/DC 两级结构,通过对两级电路结构的功能要求进行分析,选择Vienna 电路作为前级AC/DC 整流电路,Buck-Boost 电路作为后级DC/DC 电压变换电路,组合作为主电路搭建MATLAB/Simulink 仿真模型,并分别将负载设置为纯阻性负载和电池的PNGV 模型进行仿真。仿真结果满足输出电压稳压精度、输出电压纹波和输入电流谐波等参数要求,证明了该模型具有应用于含电动汽车负载电网分析的价值,对于研究电动汽车充电对电网的影响具有积极的促进作用。

作者：潘健, 陈光义, 熊嘉鑫, 刘雨晴

刊期：电源学报,2024,22(4):83-91

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.83

摘要：针对现有九电平逆变器存在使用器件较多且调制策略复杂的问题,提出1 种新型的开关电容九电平逆变器,其拓扑仅需1 个直流电源、9 个开关、2 个电容和2 个二极管即可输出九电平,同时实现二倍升压。该逆变器具有电容电压自平衡的能力,无需复杂的控制算法和外部均压电路来维持电容电压平衡。采用多载波层叠调制策略对该逆变器进行调制,逆变器中4 对开关的工作状态互补,可以使用非门逻辑电路来降低调制策略的复杂度。首先对该逆变器的拓扑结构和工作原理进行理论分析;其次,对调制策略进行了详细介绍,并将所提拓扑与其他九电平拓扑进行比较,介绍了该拓扑的优点;最后,搭建的仿真电路和实验平台验证了所提拓扑及调制策略的可行性和有效性。

作者：李玉东, 段乾超, 王钰, 孟娟娟, 韩亚

刊期：电源学报,2024,22(4):92-99

DOI:10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.92

摘要：针对传统交-交变频器功率器件多、控制复杂、功率因数低等缺点,在脉冲阻塞式交-交变频电路控制原理的基础上提出1 种输出频率连续的交-交变频电路控制方法。首先给出三相输入三相输出和六相输入三相输出这2 种交-交变频电路拓扑及其详细的工作原理。然后,搭建MATLAB/Simulink 仿真环境下2 种变频调速系统仿真模型进行仿真实验,仿真结果与理论分析相一致。最后,制作实验样机进行验证,实验结果证明了所提新型变频调速系统控制方法的有效性与可行性。

作者：王巧, 袁小明

刊期：电源学报,2024,22(4):100-111    

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.100

摘要：随着电力电子化并网设备在电力系统中所占比例的大幅增加,电源侧的输出特性明显区别于传统以同步发电机为代表的电源输出特性,电力电子化电力系统故障分析尤其是网络不对称故障分析面临新的挑战。然而现有的故障分析方法基本未认识到设备内电势的时变幅频特征,仅有的基于时变幅频信号提出的时变幅频对称分量法也仅是1 组数学化的分解公式,无明确的物理内涵作为方法支撑。针对此,通过分析正/负序时变幅频旋转矢量投影三相瞬时值间关系的特征,诠释了时变幅频对称分量法的物理本质。首先,研究时变幅频内电势旋转矢量的产生机制;然后,基于正/负时变幅频旋转矢量在三相静止坐标系上投影瞬时值特性建立描述各相的旋转相量概念及正/负序三相旋转相量图;最后,基于上述旋转矢量投影等效三相旋转相量的过程建立时变幅频对称分量法的物理内涵,由此将不对称故障点电压等效为正/负序旋转相量,并结合仿真进行分析。分析结果表明,所提故障分析方法为时变幅频内电势激励下网络不对称故障分析提供了基础理论。

作者：洪宇, 袁小明, 龚轩

刊期：电源学报,2024,22(4):112-120

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.112

摘要：传统电力系统中,同步发电机独立形成内电势幅值/频率,接入电网建立系统电压。然而目前电网电压的建立越来越依赖于可再生能源设备,在锁相同步下并网变换器形成内电势需检测电网电压,看似与同步机独立形成内电势并建立系统电压不同。针对此问题,研究锁相同步下变换器电流控制形成内电势幅值/频率的机制,明确内电势幅值/频率由电流唯一确定,阐明锁相同步设备在本质上与同步发电机独立形成内电势建立电压相同。首先,基于控制结构与交流瞬时值形成的本质,说明变换器的输出实质上为内电势幅值/频率。然后,从设备与网络闭环动态过程出发,明确端电压与电流的冗余关系,在输入电流确定后内电势幅值/频率即可相应地唯一确定。最后,结合仿真分析,说明输入电流唯一确定内电势幅值/频率的正确性。

作者：陈润, 曾君,刘俊峰

刊期：电源学报,2024,22(4):121-132

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.121

摘要：LCL 型滤波器具有优越的高频谐波抑制性能,但会造成谐振和稳定性问题。对于LCL 型并网逆变器,传统的电容电流反馈型有源阻尼方法能有效抑制谐振尖峰,但是需要额外的电流传感器。为此,提出一种基于H∞滤波器的新型有源阻尼控制策略。根据LCL 型滤波器状态空间模型及过程噪声模型完成H∞滤波器的求解,可利用入网电流和公共耦合点电压信息估计滤波电容电流并完成反馈,增大系统阻尼,即使LCL 型滤波器参数发生摄动也仍能保持估计值的精确度。仿真和实验结果表明,该方法对LCL 滤波器参数变化和电网阻抗变化不敏感,验证了该方法的可行性和优势。

作者：徐辰晓, 崔承刚, 郭为民, 杨宁, 刘备, 孟青叶

刊期：电源学报,2024,22(4):133-142

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.133

摘要：在一定环境内区域风电场呈不规则分布的条件下,传统卷积神经网络预测方法无法体现出各区域风场的分布状态和影响关系,难以实现对风速的准确预测。针对此问题,采用图卷积网络进行特征建模,并根据多风场的拓扑结构和各区域风场风速的互相关系数建立连通图和权重矩阵。其次,依赖风场风速的时间动态特征,采用改进并列式卷积结构获取同一风场下多时间段的风速序列相关性。再次,利用风场风速的空间相关性和延时效应,采用二阶聚合方法将不同区域内风速的时空特征聚合。最后,经某区域风场数据验证表明,在0~4 h预测尺度下该方法在多风场超短期风速预测中具有提取时空特征并提升预测性能的效果。

作者：刘仕兵, 武沛池, 喻星, 但业光

刊期：电源学报,2024,22(4):143-151

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.143

摘要：受风速和光照强度等方面影响,风光发电具有随机性、间歇性、波动较大等特点,其直接并网会对电网造成损害。为实现风电平滑并网并对城市轨道交通系统进行安全可靠供电,提出1 种由超级电容/锂电池组成的混合储能系统进行平抑。由于城市轨道交通牵引负荷也具有较大波动,混合储能系统在对风、光出力平抑的同时也对牵引负荷进行了平抑。首先,采用小波包分解技术对牵引负荷与风、光输出功率信号进行多尺度分解与重构得到低频风、光并网功率和中高频分量,使用电池与超级电容分别吸收中频与高频分量。然后,以混合储能系统最小综合成本为目标,混合储能系统荷电状态、功率限制等为约束条件。采用增加收缩因子的差分进化粒子群优化算法进行优化求解,实现混合储能系统年综合成本最小化和内部功率容量配置优化方案。最后,基于某地当日风电、光伏功率数据为例进行分析,结果表明所提方法能够有效抑制风电功率波动,可有效为城市轨道交通进行供电。

作者：曹德发, 王彬, 李志华, 马明, 陈诚伟, 周哲民

刊期：电源学报,2024,22(4):152-162

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.152

摘要：为了解决孤岛交流微电网由时变通信延迟和不确定性故障引起的不稳定性问题,提出1 种新型鲁棒分层控制方法。该方法包括级联结构的电流环、电压环、虚拟阻抗和下垂控制环。首先,在电流环中设计1 种基于自适应反推积分非奇异快速终端滑模控制的鲁棒控制器,用于在未知有界不确定性和外部干扰时调节和跟踪电流参考值;接着,在电压环中采用混合H₂/H_∞控制,利用状态反馈控制律生成内环参考值,增加控制器对扰动的鲁棒性,并在线性矩阵不等式基础上给出充分条件。考虑到时变延迟TVD(time-varying delay)的不稳定影响,在第二控制层采用基于一致性的分布式协议,以提高控制器应对TVD 的鲁棒性。然后,为提高系统的功率分配精度,采用下垂控制和虚阻抗环;最后,通过半实物仿真,评估了控制方法的性能,并验证了所提控制方法的有效性。与已有研究进行对比分析,仿真结果表明：所提方法在大、小信号扰动下的瞬态响应、稳态性能和故障穿越能力等方面具有一定的优越性。

作者：陈璐, 张溪, 党晓圆, 李洁, 冯铁成

刊期：电源学报,2024,22(4):163-172

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.163

摘要：在光伏逆变器中采用虚拟同步机VSG(virtual synchronous generator)策略,可以实现惯性和阻尼支撑,但传统VSG 无法对系统提供暂态无功电压支撑,无法满足低电压穿越LVRT(low-voltage ride-through)期间对电压调节的需求。通常网侧发生接地故障后将光伏逆变器VSG 控制切换至模型预测控制MPC(model predictive control),接地故障切除后由MPC 切回至VSG 控制策略。为了提升LVRT 期间目标电流跟踪能力,在MPC 控制中设置自适应目标函数。MATLAB/Simulink 仿真和实验结果表明,所提新型模型预测的光伏虚拟同步机具备低电压穿越能力,LVRT 期间MPC 电流控制精确,MPC 切换至VSG 控制过程中无暂态电流冲击。

作者：陶军, 钟鸣, 阿敏夫, 孙弘毅, 莫瑞

刊期：电源学报,2024,22(4):173-181

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.173

摘要：电网形成GFM(grid-forming converter)变换器作为高渗透率电力电子设备电力系统的主要元件之一,其故障穿越FRT(fault-ride through)能力是保证高度电力电子化电力系统稳定运行的重要基础。基于此,提出1 种适用于GFM 变换器的FRT 策略,既考虑了变换器的硬件约束(即电流约束),又可在发生对称和非对称故障时使GFM 在保护模式下运行。首先,详细分析了GFM 变换器的FRT 相关问题;然后,建立了1 种适当的FRT 模型及控制方法;最后,通过功率硬件在环仿真与实验验证所提方法的有效性。结果表明,与电网跟随变换器相比,所提控制方法可保障GFM 变换器在故障时瞬时注入无功电流,以防止变换器出现过流问题,并最终实现GFM 变换器在严重故障条件下仍可容错运行。

作者：卢军, 杨沛豪, 何凯琳

刊期：电源学报,2024,22(4):182-191

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.182

摘要：针对传统虚拟惯量控制无法在频率恢复阶段使直流母线电压恢复至额定的问题,提出1 种采用高通滤波器的虚拟惯量控制方法。MATLAB/Simulink 仿真结果表明,直流母线电压变化可以反应微电网实时频率,新型虚拟惯量控制策略可以保证频率变化全过程稳定,在频率恢复阶段减小虚拟惯量加快频率恢复,为后续频率调节提供充足时间裕度。高通滤波器虚拟惯量控制方法可以使直流母线电压恢复至初值,在不改变超级电容储能惯量支撑的基础上,使新能源储能微电网保持直流母线电压稳定。