电源学报 | 2024年第5期目录（上）【特邀专栏、电力电子系统中的电磁兼容专辑、DC-DC 变换器、DC-AC 逆变器...】

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作者：袁小明, 王思成, 贠阳阳

刊期：电源学报,2024,22(5):1-14

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.1

摘要：针对风电、光伏等电力电子并网设备对系统支撑能力评估问题,核心基础是正确认识设备根据有功/无功功率不平衡调节内电势幅值/频率的功能性角色（设备特性）。然而电力电子设备主流的锁相并网结构严重阻碍了对设备功能性角色的认知,特别是目前业界普遍基于锁相并网的具体连接结构,形成了设备内电势跟随电网电压或端电压变化的“跟网”角色认知,尚未认识到系统运行中设备所应具备的功能性角色。为此,首先通过深入认识隐藏在锁相并网结构下内电势响应取决于电流单独激励的电流控制独立激励-响应机制,澄清了锁相并网设备通过有功/无功功率不平衡独立调节内电势幅值/频率的功能性角色,进而提出基于有功/无功功率不平衡激励-内电势幅值/频率响应关系即幅频运动方程的设备特性表征方法,最后通过阐述锁相并网设备特性由功率激励-内电势响应关系表征的必然性,指出当前业界对锁相并网设备特性认知的局限。

作者：张波, 李虹, 王硕, 和军平

刊期：电源学报,2024,22(5):15-18

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.15

摘要：SiC、GaN新一代宽禁带功率半导体在推动电力电子设备快速高频化、高效化和小体积化的同时,更容易干扰敏感负载、影响无线电通讯,乃至危害自身安全、可靠运行,从而给电力电子设备内外部的电磁兼容性能带来极大的压力和挑战。近年来,功率开关器件的射频特性、磁性器件的宽频带电磁模型、开关电源电磁辐射机理、无线电能传输近场特性、新型电磁干扰EMI（electromagnetic interference）滤波器设计成为研究热点,并受到了学术界及工业界的持续关注。《电源学报》特别推出“电力电子系统中的电磁兼容”专辑,以期推进电力电子系统电磁兼容分析与设计领域难点和热点问题的探讨。

作者：陈雯霞, 陈文洁, 程睿, 王红彭, 霍永琪, 吴恢斌

刊期：电源学报,2024,22(5):19-27

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.19

摘要：宽禁带WBG（wide band gap）半导体电力电子器件由于其开关频率高、开关速度快、寄生参数大等特点从噪声源头引发了越来越严峻的电磁干扰问题。然而,传统的噪声源研究主要集中在30 MHz传导频段以内,如何评估噪声源在30~300 MHz较高频率范围内的辐射频段产生的影响仍存在不确定性,因此提出1种改进的WBG器件电磁干扰分析模型,与传统的非对称梯形波电磁干扰模型相比,首次详细考虑了WBG器件的结电容和跨导体的非线性特性,评估了非线性参数对辐射频段噪声的影响,并进一步提出该模型在辐射频段噪声源抑制中的应用。仿真结果验证了所提计算方法的准确性,基于SiC器件的硬件测试结果与理论分析相吻合。

作者：连振珠, 傅恺宁, 陈为

刊期：电源学报,2024,22(5):28-36

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.28

摘要：共模电感由绕组和磁芯组成,锰锌铁氧体可以作为共模电感的磁芯,其高频参数的频变特性使共模电感的阻抗特性在150 kHz~30 MHz内呈非线性。针对传统共模电感集总电路模型与实测阻抗特性存在较大偏差,难以准确预测共模电感在高频段阻抗特性的问题,分析磁芯材料参数与绕组绕制方式对共模电感高频阻抗特性的影响;从共模电感分布电容特性的角度阐述磁性材料参数与绕组结构对分布电容大小的作用机理;提出考虑磁芯相关频变参数的共模电感宽频段阻抗仿真建模方法,结合阻抗测试验证所提方法的有效性。

作者：傅恺宁, 涂江涛, 陈为

刊期：电源学报,2024,22(5):37-43

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.37

摘要：为了搭建适合工程批量应用的高频变压器共模抑制特性评估平台,分析变压器的共模噪声传导机理,研究变压器通道上共模噪声的传导特性,评估变压器对共模噪声的抑制能力。首先,通过函数发生器产生高频跳变电位信号,将其施加于变压器原边绕组以模拟变压器的共模噪声传输特性;其次,采用示波器捕捉共模信号在采样电阻上产生的电压降的值,判断变压器对共模噪声的抑制效果,分析评估平台中采样电阻的阻值选取对评估结果的影响;最后,对比评估结果与传导电磁干扰频谱的测试结果,验证所提变压器共模抑制特性评估方法的有效性。

作者：王伟新, 舒俊华, 睢宁宁, 和军平

刊期：电源学报,2024,22(5):44-51

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.44

摘要：AC/DC通信电源产生的电磁辐射易超过限值,对其电磁辐射机理和预测方法开展研究有助于改善电磁兼容性设计。首先,在分析AC/DC通信电源模块共模电磁噪声的形成源头和传播路径后,提出其远场电磁辐射可分解为由“输入端口”、“输出端口”共模电压驱动的2类辐射。然后,提出将共模电压驱动源与寄生辐射体的辐射传递函数相结合,进行远场电磁辐射预测的新方法;设计频谱分析仪+电阻衰减器,实现各共模电压驱动源的频谱测量;采用FEKO电磁仿真软件,通过数值计算得到各寄生辐射体的辐射传递函数。最后,实现了4 kW AC/DC通信电源模块辐射预测,并实测验证了其有效性。

作者：姬军鹏, 张宁, 林珊, 李臻, 骆鹏

刊期：电源学报,2024,22(5):52-59

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.52

摘要：并行布线结构的开关电源线缆是开关电源辐射电磁干扰EMI（electromagnetic interference）的重要干扰源。针对并行线缆间辐射场互耦效应机理不明晰使得辐射电磁干扰预测不准确的问题,提出1种虑及线缆间互耦效应开关电源线缆的辐射电磁干扰模型。通过对描述线缆互耦效应的互阻抗建模,得到描述开关电源线缆辐射特性的辐射EMI输入阻抗模型,进而得到虑及互耦效应开关电源线缆的辐射EMI模型;搭建辐射EMI测试实验平台进行测试。实验结果表明,所提虑及互耦效应的辐射电磁干扰模型能够更为准确地预测开关电源线缆的辐射电磁干扰。

作者：郑小瑶, 江彦伟, 疏许健, 周阳, 赵小光

刊期：电源学报,2024,22(5):60-66

DOI:10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.60

摘要：电场耦合无线电能传输ECPT（electric-field coupled wireless power transfer）系统具有耦合极板轻便、跨金属传能、涡流损耗可忽略等优点。其中,宇称-时间对称电场耦合无线电能传输PT-ECPT（parity-time symmetric ECPT）系统具有在耦合极板间距发生变化时保持恒定输出的特性,具有广泛的应用前景。基于此,研究了PT-ECPT系统的电场辐射分布。理论分析、仿真及实验结果表明,在强耦合区域且输出功率相同的情况下, PT-ECPT系统的电场分布在耦合系数较小时比传统的谐振式ECPT系统更为集中,使得PT-ECPT在小耦合系数时安全性更高。

作者：陈荣亮, 梁海燕, 刘艺涛

刊期：电源学报,2024,22(5):67-73

DOI:10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.67

摘要：在电力电子设备中,高速开关经常会导致严重的电磁干扰EMI（electromagnetic interfere）,严重影响电力电子系统的可靠性。为解决EMI问题,EMI滤波器是1种常用的解决方案。插入损耗作为噪声衰减能力的评价指标,其模型的准确性直接影响EMI滤波器的参数设计精度。为了提高EMI滤波器插入损耗模型的预测精度,首先准确描述系统行为并预测EMI滤波器滤波性能,提高EMI滤波器设计效率,然后利用反向传播神经网络对单级差模EMI滤波器的插入损耗进行建模。相较于理想模型和高频电路的行为模型,所提神经网络模型预测精度具有更好的实际应用价值,可以快速评估EMI滤波器的实际插入损耗,提高EMI滤波器设计效率,并为EMI滤波器的设计和优化提供指导。

作者：曾进辉, 饶尧, 兰征, 何东

刊期：电源学报,2024,22(5):74-85

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.74

摘要：针对双有源桥变换器存在电流应力大、全部开关管软开关实现困难以及动态响应慢的问题,提出1种基于三重移相控制的多目标统一优化控制策略。分析三重移相控制正向功率流的全局模式,选出其中3种高效率模式并建立电流应力和软开关解析模型。结合模型,采用成本函数优化方程推导不同模式下的最优移相比组合和最小电流应力,使开关管运行在零电压开关功率约束范围内。同时在效率优化过程中引入虚拟功率分量,构建小信号模型并阐明不同状态变量的小扰动对输出电压的影响较小。实验结果表明,所提控制策略可以在全功率范围内降低双有源桥变换器的电流应力且使所有开关管实现零电压开通,同时还能够提高输出电压的动态性能。

作者：李善寿, 王浩, 叶伟

刊期：电源学报,2024,22(5):86-91   

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.86

摘要：为了提高双移相控制的双有源桥DAB（dual active bridge）变换器负载切换的动态响应性能及减小电流应力,研究了1种改进型双移相NDPS（novel dual phase shift）控制方法,通过改变传统双移相TDPS（traditional dual phase shift）控制内移相角移动方向,重构了传输功率与移相比的关系,增大了移相比调节范围。研究了电流应力最小化条件下双移相控制最优移相比的求解方法,对比分析NDPS与TDPS控制方式负载切换时的动态响应特性。最后搭建了DAB变换器实验平台对理论分析进行实验验证,实验结果表明,轻载条件下,基于电流应力最小化方法得到的最优移相比组合可以有效减小电流应力,同时NDPS比TDPS控制方式有更好的动态响应特性。

作者：贺伟, 刘晓芳

刊期：电源学报,2024,22(5):92-99

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.92

摘要：为了提高双有源桥DAB（dual-active-bridge）变换器的效率,提出1种变开关频率控制下的最小电流应力控制策略。首先,分析电压在宽范围变化时的最小电流应力优化控制方法,建立变换器在轻载条件下的导通损耗和开关损耗表达式,并对不同开关频率下的导通损耗和开关损耗进行比较;其次,详细介绍闭环控制的实现方法及各模式下的功率传输范围,轻载条件下所提方法可显著降低电流应力,从而提高DAB变换器的效率;最后,通过仿真和实验验证了所提控制方法的优越性。

作者：李思琪, 张波, 张伟悦

刊期：电源学报,2024,22(5):100-108

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.100

摘要：针对最小型切换律开关频率过高难以应用于工程实际的问题,建立了Boost变换器CCM运行的切换系统模型,基于共同二次Lyapunov函数提出1种新的切换律。根据切换律的数学表达式,分析变换器的稳态性能及动态性能,描述该切换律对变换器开关频率的调节机制。仿真及实验表明,在该切换律的作用下,Boost变换器开关频率可控,不会出现切换系统特有的芝诺行为,且与现有控制策略相比,变换器的动态性能好,在受到外部扰动时电压波动更小,调节时间更短。

作者：黄毅敏, 林国庆, 林思圻

刊期：电源学报,2024,22(5):109-119

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.109

摘要：针对光伏燃料电池等新能源联合供电系统,提出1种非隔离型双输入高增益直流变换器。该变换器基于双输入Boost电路,两输入源与输出以及各开关管均共地。在后级引入二极管电容网络以实现高电压增益,并降低开关器件电压应力。该变换器在不额外增加开关管的情况下不仅能实现两输入源同时供电,还能实现其中任意一路输入源单独供电。此外,还可以通过拓展增压单元进一步提高电压增益以适应不同应用场合。详细分析了变换器及其拓展电路在3种供电模式下的工作原理、电压增益特性、开关器件电压应力等,并与现有同类变换器进行了性能对比。最后,搭建实验样机验证了其可行性。

作者：潘健, 宋豪杰, 刘松林, 熊嘉鑫

刊期：电源学报,2024,22(5):120-132

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.120

摘要：针对宽输出电压应用中传统频率控制LLC谐振变换器工作频率范围宽且存在较大循环电流的问题,提出1种定频PWM控制混合桥双LLC谐振变换器。根据原边侧结构的不同,所提变换器有3种拓扑结构形式,分别为半桥-半桥双LLC谐振变换器、半桥-全桥双LLC谐振变换器、全桥-全桥双LLC谐振变换器。其中,原边侧结构并联输入,2个变压器二次侧串联输出。相较于传统频率控制LLC变换器,3种拓扑形态始终在谐振频率点工作,缩小了开关频率范围; 在PWM控制策略下,可以分别实现2倍电压增益、3倍电压增益和4倍电压增益以适应宽电压场合;电路中循环电流损耗低,软开关性能良好。Simulink仿真和实验结果验证了所提方案的可行性。

作者：叶少茜, 张希, 朱翀

刊期：电源学报,2024,22(5):133-142

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.133

摘要：为提升T型三电平逆变器的可靠性与效率,提出1种可抑制共模电压的非连续脉宽调制RCVDPWM（reduced-common-mode-voltage pulse width modulation）策略,同时能够降低开关损耗。根据T型三电平拓扑开关序列对共模电压作用机理,总结出5种实现共模电压抑制的非连续脉宽调制DPWM（discontinuous pulse width modulation）钳位方式。分析表明,在任意调制度和相角下,至少存在1种实现共模电压抑制的钳位方式。对于部分相角区间存在的多种钳位方式,优先选取电流绝对值最大相的开关管进行钳位,以降低开关损耗。同时,所提RCVDPWM策略可保证中性点电压直流分量为0,具有中性点自平衡能力。实验结果验证了RCVDPWM策略的可行性与有效性。

作者：朱江舸, 李飞, 凤强, 吴金涛

刊期：电源学报,2024,22(5):143-149

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.143

摘要：虚拟电阻并联电容有源阻尼法是在电容并联电阻无源阻尼法的基础上通过反馈电容电流,从控制算法上达到对并联电阻的虚拟,实现对输出滤波器谐振峰的有源阻尼。针对现有虚拟电阻并联电容法无法实现并联电阻的严格等效,带来了动态性能欠佳的问题,通过控制框图的变换,提出1种基于电容电压与电容电流反馈的全等效并联电阻有源阻尼控制方法,实现了电容并联电阻无源阻尼法严格意义上的等效,并通过对系统主导极点的分析得出：相较于基于电流环的虚拟电阻并联电容法,所提全等效并联电阻有源阻尼控制方法可以有效增加系统的阻尼比,提高系统的响应速度,减小超调量。最后,仿真和实验结果验证了该方法的有效性。

作者：张成糕, 王宇, 张艺, 郝雯娟, 夏宇航

刊期：电源学报,2024,22(5):150-160

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.150

摘要：模型预测控制具有结构简单、鲁棒性强和动静态性能良好等优点,因此其在三相电压型PWM整流器系统中得到了广泛应用。然而,模型预测控制的电压外环采用PI线性调节器进行调节,影响了直流侧电压的动态性能。为此提出了虚拟转矩冲量平衡控制策略,从而使直流侧电压仅经过1次调节即可实现快速收敛。为了实现此策略,首先,根据数学模型推导得到了虚拟转矩的表达式;其次,根据负载突变前、后直流侧输出电压保持不变,同时结合功率守恒原则,分析建立了负载突变时的虚拟转矩冲量平衡控制方程,求得零矢量与前进矢量的作用时间;最后,通过仿真和实验实现了三相电压型PWM整流器系统负载突变时的虚拟转矩冲量平衡控制,验证了所提算法的正确性与有效性。

作者：申科, 汪万兴, 赵丹

刊期：电源学报,2024,22(5):161-169

DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.5.161

摘要：基于移相加占空比控制策略的三有源桥TAB（triple active bridge）DC-DC变换器具有效率高和软开关范围可扩展等优点,但其小信号建模过程复杂、闭环控制环路参数整定困难。针对该问题,提出1种TAB工作在移相加占空比控制下的全阶连续广义状态平均建模和PI控制器设计方法。首先,分析TAB的运行原理和Y型等效结构;然后,结合移相加占空比控制的特点和交流方波源等效方法,推导出TAB的广义状态空间平均模型;接着,在推得模型的基础上求得输入到输出的传递函数,设计出PI控制器参数。最后,结合数字仿真及样机实验验证了所提方法的正确性及有效性。