电源学报 | 2024年第4期目录（下）【无线电能传输、电池与储能、照明电源、功率半导体器件、无源元件与材料、电机系统与控制】

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作者：苏福清, 匡洪海, 钟浩

刊期：电源学报,2024,22(4):192-199

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.192

摘要：针对风电机组并网出力的不确定性,采用基于概率发生的场景分析法将不确定性模型转换为不同发生概率的多场景问题,建立以有功网损和电压偏差最小为目标的无功优化模型。针对传统方法得到的Pareto 前沿多样性较差的问题,提出基于自适应网格的多目标粒子群优化AG-MOPSO(adaptive grid multi-objective particleswarm optimization)算法。该算法采用自适应网格得到外部档案库中粒子的密度,并根据密度信息以轮盘赌机制选取全局最优粒子和维护外部存储库的规模,有效地保证了Pareto 前沿分布的均匀性和多样性。运用该算法对含风电的IEEE 33 节点系统进行无功优化计算,并与已有NSGA-Ⅱ算法进行比较,结果表明所提算法得到的Pareto 前沿较好,验证了该模型和算法的可行性。

作者：薛云涛, 任百群, 谢剑翔, 陈宇昇, 鄞庆佳

刊期：电源学报,2024,22(4):200-208

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.200

摘要：针对非理想电网下VSC-HVDC 系统中同步旋转坐标系锁相环SRF-PLL(synchroncus reference frame phase-locked loop)、双二阶广义积分器锁相环DSOGI-PLL(dual second-order generalized integrator phase-locked loop)等传统锁相环无法准确追踪电网基波正序电压相位,致使不同程度的锁相误差影响VSC 控制性能,降低系统稳定性等问题,提出了改进型DSOGI-PLL 方案。首先,根据SOGI-QSG 的Bode 图分析其对不同频率的衰减特性,得出DSOGI-PLL 的适用局限性;然后,基于谐波电网电压,在DSOGI 基础上引入重复控制内模,实现对谐波信号的实时跟踪调节,以抑制谐波电压干扰。同时考虑到直流偏置与电网电压频率波动,提出直流偏置消除与频率自适应方法,实现对电网相位的自适应跟踪;最后,通过仿真及实验结果对比,验证了所提策略的优越性。

作者：张彬, 朱翀, 张希

刊期：电源学报,2024,22(4):209-218

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.209

摘要：为提高电动汽车无线充电系统金属异物检测性能,提出1 种检测线圈灵敏度优化方法。首先,建立金属异物介入矩形检测线圈的等效电磁模型,研究线圈的物理参数变化机理,得到不同尺寸金属异物引起的检测线圈参数变化理论公式;其次,分析多个线圈构型参数对检测线圈灵敏度的影响,结合无线充电实际工况优化检测线圈构型,通过电磁场仿真及实验证明了理论模型的准确性;最后,在3 kW 无线充电系统中进行金属异物检测实验,结果表明：以优化后检测线圈为基础搭建的金属异物检测系统可以准确地检测到25 mm 及以上尺寸的金属异物,并具有抗干扰能力。

作者：宋毅, 罗颖, 麦瑞坤, 朱宸彦, 肖静, 陈绍南

刊期：电源学报,2024,22(4):219-227

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.219

摘要：与传统接触式充电方式相比,采用感应式电能传输IPT(inductive power transfer)系统给自主水下航行器AUVs(autonomous underwater vehicles)充电更加方便和安全。为了解决AUV 船体中心磁场强和由波浪引起的旋转偏移导致传输功率剧烈波动的问题,提出1种具有新型耦合结构的三相IPT 系统。耦合器由3个发射线圈和4个反向交替串联的接收线圈组成,该结构有利于抑制中心磁场并提高抗旋转偏移性能。Maxwell 仿真结果表明,在船体旋转时,等效互感Meq 波动小于2%,同时AUV 中心磁场始终保持在较低水平。此外,为简化系统分析,采用1种无源元件解耦的方法对3个发射线圈进行解耦。搭建了1台基于LCC-S 补偿拓扑的实验样机来验证系统的可行性,实验结果表明,当AUV 旋转时,传输功率为536~595 W,最大波动率为9.91%,系统直-直最高效率为86.28%。

作者：朱郭福, 李建贵, 王隆扬, 李强, 陈晨, 刘珊

刊期：电源学报,2024,22(4):228-235

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.228

摘要：针对目前电动汽车动态无线充电系统的发射线圈多采用分段导轨结构实现接力式动态无线充电,但系统在导轨切换处存在较大的互感跌落导致系统传输效率降低且在弯道处更加突出这一问题,建立弯道动态无线充电模型,通过理论分析推导原、副线圈互感与偏转角度的关系,提出1 种弯道处导轨发射线圈的改进结构并进行仿真分析,搭建基于共振磁耦合的弯道动态无线充电平台并进行实验。仿真与实验结果表明,采用改进型导轨发射线圈结构后无线充电系统互感跌落现象显著减小,在偏移角度最大处系统传输效率提升了8.66%,验证了改进型线圈结构的有效性。

作者：贾先屹, 王顺利, 曹文, 乔家璐

刊期：电源学报,2024,22(4):236-242

DOI:10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.236 

摘要：锂离子电池的荷电状态是电池管理系统BMS(battery management system)运维的重要参数,对其准确估算关系到锂离子电池的实时监测和安全控制。传统无迹卡尔曼滤波UKF(unscented Kalman filter)算法在估算锂电池SOC 时有使协方差矩阵负定的风险,存在估计精度不高的问题。为解决该算法的不足,以三元锂电池为研究对象,建立二阶RC 等效电路模型对电池的工作特性进行表征,在传统的UKF 算法基础上提出一种双UT 变换的平方根无迹卡尔曼滤波SR-DUKF(square-root double unscented Kalman filter)算法,并结合多种工况对改进后的算法进行验证。实验结果表明,改进后的SR-DUKF 算法通过二阶RC 等效电路能够较好地对锂离子电池SOC 进行估算,在HPPC、BBDST 工况下的平均误差分别为0.59%、0.52%,2 种工况下的收敛时间分别为60 s 和110 s,验证了改进后SR-DUKF 算法具有更高的估算精度、更好的收敛性及更优的鲁棒性。

作者：王语园, 安盼龙, 惠亮亮

刊期：电源学报,2024,22(4):243-250

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.243

摘要：为更好地获得锂离子电池荷电状态SOC(state-of-charge)估计值,选用二阶等效电路模型作为研究对象,针对带有遗忘因子的递推最小二乘法在参数辨识中易受到噪声等环境因素干扰的缺点,提出偏差补偿最小二乘法来实现模型参数的准确辨识,并结合无迹卡尔曼滤波算法对SOC 进行估计。针对无迹卡尔曼滤波算法稳定性差等缺点,提出利用权重向量更新滤波算法中的卡尔曼滤波增益。实验结果表明,所提算法估计SOC 的总误差可控制在2.7%以内,验证了算法的鲁棒性和有效性。

作者：任罡, 季宁, 胡晓丽, 李世倩, 张洁华, 吴祎

刊期：电源学报,2024,22(4):251-259

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.251

摘要：仿真变电站蓄电池的工作模式呈现间歇非连续性,导致电池性能在退化过程中存在容量再生现象,退化规律具有非平稳性和随机性,增大了蓄电池精确剩余寿命RUL(remaining useful life)的难度。针对存在容量再生现象的蓄电池剩余寿命预测问题,提出了变分模态分解VMD(variational mode decomposition)和蝙蝠(Bat)优化核极限学习机KELM(kernel extreme learning machine)组合的预测方法。基于VMD 将蓄电池健康状态SOH(state of health)时间序列分解为整体退化分量和容量再生分量;利用Bat 优化KELM 构建各分量预测模型,以提高分量趋势预测精度;通过各分量独立预测结果的叠加,得到精确的蓄电池健康状态及剩余寿命预测值。将该方法应用于蓄电池退化数据实例分析中,结果表明该方法相较于KELM 模型及VMD-KELM 模型,预测精度更高,验证了该方法的优越性。

作者：张经纬, 林国庆

刊期：电源学报,2024,22(4):260-269

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.260

摘要：LED 驱动电源通常需要大电解电容来减少低频电流纹波,电解电容的短寿命是制约LED 驱动电源寿命的重要因素,消除电解电容是LED 驱动电源长寿命的关键。为此,提出了一种基于反激变换器的两开关无电解电容LED 驱动电路拓扑,将辅助功率平衡电路与反激变换器集成,通过2 个开关管实现瞬时输入功率与输出功率的平衡,消除电解电容,抑制输出电流低频纹波,实现高功率因数。详细分析了该拓扑的工作原理,并提出了一种适用于该电路拓扑的控制策略。最后搭建了1 台30 W 的原理样机,实验结果验证了该拓扑的可行性。

作者：徐石开, 曾君, 刘俊峰

刊期：电源学报,2024,22(4):270-279

DOI:10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.270

摘要：驱动多路并联的发光二极管LED(light-emitting diode)容易导致各路电流不平衡,为了实现各路LED之间的均流并提高电路效率,提出1 种具有多路输出能力的高效率LED 驱动电源。采用Boost 级联串联谐振变换器的结构实现各路LED 之间的均流,并获得较高的电压增益;变压器的漏感抑制了开关管导通时的电流上升速度,实现了开关管的ZCS 导通;增加了1 个无损缓冲电路减缓开关管关断时的电压上升速度,极大地降低了开关损耗;将变压器的励磁电感设计得足够大,使变压器的损耗降低;在实现软开关的同时,仅需1 个开关管,从而降低了电路成本并简化了控制。因此,所提方案在实现均流的同时还能够实现较高的效率和电压增益,且成本较低。详细分析了所提方案电路的工作原理和工作特性,并给出了参数设计的具体流程。最后,搭建了1 台输入电压为12 V、两路输出功率为7.9 W 的样机,证明了所提方案的可行性。

作者：谢海超, 王学梅

刊期：电源学报,2024,22(4):280-291

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.280

摘要：绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)的广泛应用对其开关性能提出了很高的要求,传统的栅极驱动CGD(conventional gate drive)对IGBT 开关过程中的电压和电流过冲调节效果有限,主要因其降低过冲总是以牺牲开关时间和开关损耗为代价。基于此,提出1 种新的主动栅极驱动AGD(active gatedrive)控制方法,用于抑制IGBT 开关过程中产生的电流和电压过冲,其原理是在IGBT 高di/dt 和dv/dt 阶段主动调节驱动电压,减小电流和电压的变化率,从而抑制电流和电压过冲。实验结果表明,相比传统驱动方法,所提方法可在基本不降低开关速度和不增加开关损耗的同时,显著降低IGBT 开关过程中的电流和电压过冲。

作者：赵相睿, 董超, 姚婉荣, 杜明星

刊期：电源学报,2024,22(4):292-300

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.292

摘要：在闭环控制系统中,基于电参数的功率器件老化监测方法是电力电子可靠性领域的难点之一。以永磁同步电机直接转矩控制系统为例,研究基于磁链相图和电流的功率逆变器中功率器件老化状态的在线监测方法。首先,分析功率器件老化的特征,得到键合线老化引起通态电阻增加的结论;其次,研究得到功率器件键合线老化与磁链相图、直轴电流和三相电流峰值变化的关系,进而提出功率器件键合线老化的监测方法;最后,通过多组仿真实验验证了基于磁链相图和电流的在线监测方法均可实现功率逆变器中功率器件键合线老化状态的在线监测。其中,基于磁链相图的在线监测方法需要系统磁链出现一些波动时才易观测,此时功率器件处于失效状态,该方法并不可取;而基于三相电流的监测方法能够更为精确地监测功率器件老化状况,效果更为优越。

作者：陈庚, 黄思仲, 杨玉岗, 林金城

刊期：电源学报,2024,22(4):301-308

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.301

摘要：开关电源电感器设计中,磁路参数的计算具有重要意义。首先,针对EE 型磁芯中柱开气隙的电感器,结合有限元仿真,通过理论分析,利用磁场分割的方法将总磁通量分为7 个等效磁通,提出无效匝数的概念,在充分考虑扩散磁通、旁路磁通及磁芯磁通分布不均匀影响的基础上,求得主气隙磁导等效面积的解析表达式,根据等效磁路模型,从而求得电感系数开关电源电感器设计中,磁路参数的计算具有重要意义。首先,针对EE 型磁芯中柱开气隙的电感器,结合有限元仿真,通过理论分析,利用磁场分割的方法将总磁通量分为7 个等效磁通,提出无效匝数的概念,在充分考虑扩散磁通、旁路磁通及磁芯磁通分布不均匀影响的基础上,求得主气隙磁导等效面积的解析表达式,根据等效磁路模型,从而求得电感系数A_L的解析表达式。提出磁密分布不均匀系数的概念,根据单位电流最大磁通密度,求得饱和电流I_A的解析表达式。然后,采用编制Excel 表的方式对磁路参数进行精确计算。最后,通过实验测量,验证了所建公式的准确性,可为设计人员提供有益参考。

作者：谭舒丹, 马家庆

刊期：电源学报,2024,22(4):309-317

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.309

摘要：在一定参数条件下永磁同步电机会出现非线性混沌行为,主要表现为转矩、转速振荡等,导致系统性能不稳定。为此,在实际电机平台上进行滑模控制SMC(slide model control)实验,通过合理的方法处理数据后,绘制相应的系统相图并与无滑模控制作对比,从另一角度验证了混沌现象。在永磁同步电机混沌运动分析模型的基础上,利用稳定性理论和平衡点性质在理论上研究永磁同步电机的混沌动态行为。实验结果与数值仿真一致,验证了混沌现象的存在性及此理论分析的正确性,同时,表明滑模控制对混沌现象具有较优的抑制作用。

作者：陈会鸽, 王双岭

刊期：电源学报,2024,22(4):318-326

DOI:10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.318

摘要：针对无调制模块的模型预测控制器MPC(model predictive controller)存在的谐波含量高问题,提出1种新型基于模型的变采样周期MPC 策略,并将其应用于五相感应电机驱动系统。分析了MPC 对时间固定离散化所带来的问题,而引入调制或调制替代来解决此问题将使控制系统复杂度增加,故遵循更简单、自然的思路,基于追击算法来改变采样间隔,结合MPC 确定最优控制动作和实施时间,实现变采样周期MPC 方案。利用五相感应电机驱动系统开展实验,实验结果验证了新型变采样周期MPC 优良的参考跟踪和电流谐波性能。

作者：贺银平, 田密, 郑田娟, 李密

刊期：电源学报,2024,22(4):327-338

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.4.327

摘要：针对双定子绕组感应电机DSWIMs(dual-stator winding induction machines)在传统直接转矩和磁通控制下转矩、磁通和电流纹波大,在低速下控制磁通难度大、噪声大等问题,提出1 种基于超扭曲滑模控制器STSMC(super twisting sliding mode controller)的DSWIMs 新型转速和磁通直接控制方法。通过设计满足李雅普诺夫稳定条件的有限时间收敛误差为0 的非线性控制器,提出1 种DSWIMs 新型转矩分配算法,可使DSWIMs在较宽的转速范围内运行,并包括零转速,所需电磁转矩由2 组绕组根据其额定功率提供。此外,针对DSWIMs设计了1 种基于滑模控制的全阶观测器,能够高精度地估计绕组磁通、磁通角和转子转速,以实现最优磁通状态。最后,在1 个3.3 kW DSWIM 驱动系统上进行实验测试,评估所提DSWIM 控制方案的性能,实验结果证明了所提控制方法、转矩分配算法和全阶观测器在不同速度区域的有效性。