2023年, 第47卷, 第1期　
刊出日期：2023-01-20

  

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  新年寄语

  电源技术. 2023, 47(1): 1-1.

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综述
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  车用锂离子动力电池风冷散热系统研究进展

  杨朝蓬, 张宁, 段志宇

  电源技术. 2023, 47(1): 2-5. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.001

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  锂离子电池作为电动汽车动力电池首选,维持其工作在最佳温度范围需要应用散热系统。针对常用的风冷散热系统,阐述了不同类型的特点,综述了国内外在电池内部流道、进出风口结构、冷却空气流体参数等方面开展的仿真与实验研究,以及采用优化算法和优化策略,改善电池内部温度和温差的优化设计研究。为克服风冷散热系统冷却效率低及密封性不足的问题,基于风冷散热系统的混合冷却系统被研究者广泛提出。
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  高性能红磷/碳负极材料的研究进展

  黄瀚, 谢东, 赵莉君, 程发良

  电源技术. 2023, 47(1): 6-10. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.002

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  目前商业化石墨电极较低的理论容量和较差的倍率性能已无法满足发展需求,红磷由于具有理论容量高、资源丰富以及价格低廉等特点,近年来被作为新一代储能材料受到广泛关注,但导电性差、在充放电过程中的体积膨胀等问题阻碍了红磷在二次电池中的应用。简述了红磷在储能领域中的应用前景和需要解决的难题;介绍了红磷/碳复合材料的制备方法及其优缺点和微观结构,并分析总结在金属(锂、钠、钾)二次电池中的电化学性能;对其在未来电化学储能领域中的应用前景进行了展望。
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  质子交换膜燃料电池用低电导率冷却液研究

  张超, 张传龙, 郗富强, 李可敬

  电源技术. 2023, 47(1): 11-15. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.003

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  质子交换膜燃料电池因环境污染小、能量密度高、利用效率高等优点被推广使用,冷却液作为燃料电池发动机冷却系统介质起到至关重要的作用。探讨了燃料电池的不同冷却方式,分析了主流的液体冷却用燃料电池低电导率冷却液现状、组成、性能要求及去离子器基本结构组成、吸附离子原理、发展现状等。以期对正确使用燃料电池冷却液起到指导作用,对制定燃料电池用低电导率冷却液标准和修订传统冷却液标准鉴定基础,对正确使用去离子器及了解去离子工作原理提供指导。
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  催化MgH₂水解制氢的研究进展

  黄旭, 戴庆伟, 徐超

  电源技术. 2023, 47(1): 16-19. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.004

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  “双碳”背景下,水解制氢作为清洁燃料电池发展的关键配套技术得到广泛重视。MgH₂因其优异的储氢性能,成为质子交换膜燃料电池的理想水解原料。为解决其水解制氢在现实中的高工作温度、氢吸附/脱附动力学缓慢等问题,阐述了过渡金属催化剂、特殊结构催化剂及低成本纯酸添加剂的作用机制与工艺技术。结合MgH₂绝缘性质,总结了现阶段的催化局限,并对未来催化剂的开发提出了展望。
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  铁基液流电池研究进展

  曹中琦, 张英, 张力婕, 袁学玲

  电源技术. 2023, 47(1): 20-23. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.005

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  大规模储能技术是解决新能源利用过程中非稳态问题的关键技术。全钒液流电池是极具前景的大规模储能技术之一,然而受钒价格影响,其成本较高,制约了该技术进一步发展。铁化合物是液流电池的理想活性物质,且铁储量丰富、价格低廉,有助于降低液流电池的成本。基于现有铁基液流电池的研究工作,综述了不同类型铁基液流电池的优势和特点,总结了各类铁基液流电池面临的关键问题及研究进展,重点介绍了铁基液流电池的应用情况,并对其未来发展方向进行了展望。
研究与设计：化学电源
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  掺锑二氧化锡包覆改善LiNi_0.82Co_0.11Mn_0.07O₂正极材料性能研究

  许国峰, 马帅, 裴东, 王九洲

  电源技术. 2023, 47(1): 24-27. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.006

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  采用固相法在LiNi_0.82Co_0.11Mn_0.07O₂(高镍NCM)正极材料表面包覆了纳米掺锑二氧化锡(ATO),并对比了不同包覆比例对正极材料性能的影响。扫描电子显微镜(SEM)检测表明,ATO在高镍NCM正极材料表面均匀分布。相比未包覆的高镍NCM正极材料(P-NCM),经过包覆的高镍NCM(ATO-NCM)表现出了更好的倍率性能与循环性能,0.25%(质量分数)ATO-NCM常温时3 C的放电比容量可达178.76 mAh/g,而P-NCM的放电比容量仅为166.02 mAh/g,1 C 50次循环后,0.25%的ATO-NCM材料的循环容量保持率为95.6%,远高于P-NCM 的91.2%。ATO包覆可将高镍NCM的热分解温度提升10 ℃以上,且放热量更低。
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  Li₂NiO₂的加入对LiCoO₂ /石墨+Si全电池电性能的影响

  邓孝龙, 王忠明, 冀亚娟

  电源技术. 2023, 47(1): 28-31. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.007

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  研究正极补锂材料Li₂NiO₂的添加对正极片以及电池电性能的影响。主要从正极片膜片电阻率,电池容量、首效、常温和高温循环以及其他电性能等方面进行测试分析。正极补锂材料的加入显著提升了电池容量及循环性能,同时降低了循环过程中直流内阻(DCR)增长率。当添加量达到6.5%时电池容量提升了8.0%。常温循环400周后容量保持率增长了13.3%,高温循环300周后容量保持率增长了7.2%,但同时补锂剂的加入也增大了正极片的膜片电阻率以及电池的初始DCR值。
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  NASICON型固态电解质LATP电化学性能及稳定性

  贾雪莹, 刘兴亮, 张路遥, 汪伟伟, 杨茂萍

  电源技术. 2023, 47(1): 32-36. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.008

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  NASCION型磷酸钛铝锂Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃ (LATP)作为一种低成本、高锂离子电导特性的无机固态电解质材料,在高能量密度、高安全性的锂电池领域有着良好的应用前景。基于LATP固态电解质在正极材料及隔膜包覆领域的潜在应用,对其电化学性能及充放电结构变化过程进行全面评价。结果表明,LATP在锂离子电池体系中循环稳定性较差,充放电循环容量迅速衰减,导致这一现象的原因在于,LATP储锂容量的主要贡献来源于Ti⁴⁺/Ti³⁺的价态变化,但是该过程并不完全可逆,使得储锂容量骤降。同时,LATP会与电解液中含氟组分反应生成TiF₃,使得Ti³⁺向电解液中溶出。但是,在循环后LATP导电性有所增强,可能得益于材料表面形成的电子导电层,该特性将有助于其在正极材料表面包覆应用领域的性能发挥。因此,针对LATP在实际电池体系中的应用开发,未来仍需评估LATP结构变化对电池性能的影响,在充分发挥优势的基础上,进一步研究改善其电化学稳定性。
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  导电剂梯度化分布对锂离子电池性能的影响

  贾玉龙, 王菁, 桂裕鹏, 康健强

  电源技术. 2023, 47(1): 37-40. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.009

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  如何在保持导电剂总体含量不变的前提下提升电池性能是学术界和产业界共同面临的难题。目前电极制作采用均匀分布的方式没有考虑分布差异性的影响。通过在磷酸铁锂(LiFePO₄)电极片制作过程中采用双层涂布浆料的方式,使导电剂含量从集流体到隔膜方向上呈梯度化分布。采用恒流恒压循环实验、倍率性能实验、交流阻抗实验、循环伏安实验和扫描电镜测试,研究了导电剂梯度化分布对锂离子电池性能的影响。结果表明：靠近集流体一侧导电剂含量为9%(质量分数)的样品和没有梯度化的样品,初始比容量分别为154.1和149.3 mAh/g,电荷转移阻抗分别为184.8和384.4 Ω,说明前者的性能较后者有一定程度的提升。
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  三元锂离子动力电池包热失控蔓延数值分析

  李昂, 刘卫国, 喻成, 李宗华, 赵晨

  电源技术. 2023, 47(1): 41-46. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.010

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  为研究电池包关键参数对于热失控蔓延抑制的影响,建立了锂离子电池包热失控蔓延集总参数模型,运用正交试验方法,并通过综合频率分析法得到了一组最佳试验方案：电芯与侧板间的热阻为0,即除去原有正常装配所产生的接触热阻,不新增热阻;电芯间热阻0.08 m²·K/W;侧板外隔热垫厚度4.5 mm;电芯与水冷板间的热阻0.24 m²·K/W。与原方案相比,靶模组电芯平均热失控蔓延间隔时间延长419.9 s;观察模组热失控电芯数量减少36个;观察模组最高温降低1 067 ℃,可有效抑制模组间热蔓延。所得结论可用于三元锂离子动力电池包的热蔓延抑制设计。
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  导热界面材料与强制风冷在储能模组内的应用

  王文文, 邹玉峰, 钱艳婷, 田青青

  电源技术. 2023, 47(1): 47-50. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.011

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  为探索导热界面材料与强制风冷冷却在锂离子储能电池模组中的应用模式,分析了导热界面材质的特性以及工程应用模式,并通过对比实验验证得到测试结果。研究结果表明：在某些中高倍率应用场景下,可以使用导热界面材料和强制风冷冷却双管齐下的散热方式;利用导热界面材质良好的填充效应可以提升锂离子电池模组的散热能力,可为储能电池模组热管理系统设计提供理论依据。
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  串联锂离子电池组均衡策略研究

  廖力, 徐雅雯, 姜久春

  电源技术. 2023, 47(1): 51-56. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.012

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  锂离子电池组的不一致性导致电池组增加过充电或过放电风险,使电池易于老化,进而使电池组的可用容量和寿命下降。基于此问题设计了一种改进的Buck-Boost均衡电路,使串联电池形成能量循环回路,提高均衡速度。根据锂离子电池的开路电压(OCV)-荷电状态(SOC)曲线的特点,将电压和荷电状态共同作为均衡变量。采用模糊逻辑控制(FLC)动态调节均衡电流,减少均衡时间,提高效率。在Matlab/Simulink仿真平台上搭建了均衡系统,将传统Buck-Boost均衡电路与改进后的Buck-Boost均衡电路进行了比较,仿真结果表明,改进后Buck-Boost均衡电路的均衡时间缩短了34%。与均差算法相比,静态、充放电条件下FLC均衡时间分别减少了51%、48%、46%,能量效率提高4.88%,电池的不一致性降低。
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  基于CNN-BiLSTM的锂电池剩余使用寿命概率密度预测

  刘泽, 张闯, 齐磊, 金亮, 刘素贞

  电源技术. 2023, 47(1): 57-61. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.013

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  通过预测锂离子电池的剩余使用寿命(RUL),可以对电池实现管理和维护,提升电池的耐用性和安全性。由于锂离子电池在使用过程中,不同的工况条件会增加锂离子电池RUL预测的不确定性,传统的点预测不能对电池的不确定性进行表达,因此提出了一种基于卷积神经网络(CNN)和双向长短时记忆循环神经网络(BiLSTM)的混合神经网络分位数回归的概率密度预测。该方法通过预测不同分位数条件下的电池容量,不仅可以利用中位数和众数对剩余寿命进行点估计,还可以利用核密度估计得到每个循环周期下电池的容量和剩余使用寿命的概率密度分布,为使用者提供更多有效的决策信息。
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  PEM静态供水电解池用Nafion/SiO₂复合吸水膜研究

  胡学增, 孙树成, 姜广, 王萌

  电源技术. 2023, 47(1): 62-66. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.014

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  静态供水是质子交换膜(PEM)电解池的一种供水方式,相比于常规供水方式的水电解池,静态供水电解池优点在于无需水循环系统及水气分离装置和溶解氢分离装置等辅助装置,可以大大简化系统且降低辅助装置费用。但受限于水传递过程,其电流密度相对于常规PEM水电解池低很多。采用在线溶胶凝胶法制备改性Nafion212/SiO₂复合膜,改善了Nafion212亲水性。将其作为吸水膜用于静态供水的电解池,具有良好的性能,阴极进水下相对商品化Nafion212膜在1.78 V下电流密度仅为50 mA/cm²,改性后提高至100 mA/cm²;阳极进水下相对商品化Nafion212膜在1.78 V下电流密度仅为70 mA/cm²,改性后提高至240 mA/cm²。此膜的高效亲水性提升策略操作简单易行,对提升PEM水电解池静态供水能力具有重要意义。
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  阴极疏水微槽流场板对DMFC的性能影响研究

  梁穆熙, 李添, 张旭焱, 吴超群

  电源技术. 2023, 47(1): 67-70. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.015

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  设计并制作了一种具有疏水性的亚毫米级线性单向微槽结构的直接甲醇燃料电池(DMFC)阴极流场板,测试了该微槽结构的疏水性,并研究了微槽结构对电池性能的影响。实验测试结果表明：在甲醇浓度为8 mol/L的条件下,电池的极限电流密度值和极限功率密度值分别提高了6.894%和14.747%。通过对比实验得到了微槽结构的最佳结构参数,当微槽结构的切槽宽度为400μm,切槽深度为600 μm时,电池性能最佳。
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  离聚物含量对质子交换膜燃料电池性能的影响

  贺阳, 孙毅, 蒋永伟, 王涛

  电源技术. 2023, 47(1): 71-74. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.016

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  离聚物含量是构建质子交换膜燃料电池催化层三相反应界面的关键参数,为研究其对膜电极性能的影响,制备了不同I/C比(离聚物与碳载体质量比值)的膜电极,并进行了电极极化性能、敏感性和交流阻抗测试。结果表明：低I/C比(<0.4)或高I/C比(>1.0)时,膜电极均会因为较高的传质极化或浓差极化而导致电极性能较差;而I/C比在0.4~1.0范围内,不同工作条件下存在最佳的I/C比值,且更高的I/C比通常会导致更低的膜电极性能衰减。该研究结果对于膜电极开发过程中催化层结构优化设计具有重要意义。
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  大面积双极板质子交换膜燃料电池仿真与实验

  王国庆, 何振峰, 王超, 王学科

  电源技术. 2023, 47(1): 75-78. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.017

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  合适的流场能提高燃料电池性能以及燃料的利用率,仿真模拟可以作为流场板设计与优化的重要工具。通过Fluent软件,对509 cm²的大面积燃料电池进行了101和200 kPa两种不同操作压力下的数值模拟。仿真结果表明：在不同的操作压力下,燃料浓度沿流动方向均呈现出降低的趋势,并且随着操作压力的增加,各组件的气体分布均匀性更高,燃料电池的输出电流密度也越高。燃料电池仿真的极化曲线与实验结果吻合较好,该电池结构在燃料电池实际工程化应用方面具有一定的参考价值。
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  扁管式燃料电池阳极集流肋的构型探究

  乔耀璇, 樊铖, 孙克宁

  电源技术. 2023, 47(1): 79-82. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.018

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  直接将燃料化学能转化为电能的固体氧化物燃料电池是一种高效的发电设备,是解决环境问题的有效途径。以固体氧化物燃料电池为研究对象,探索了阳极集流肋的构型设计对阻抗、放电性质等的影响。研究结果显示：合理排布阳极集流肋位置可以缩短电荷传输路径,增加阳极集流肋数量可以增大电接触表面,减小带电粒子的传导输运阻力,使欧姆极化下降,电池的放电功率得到提升。通过优化电池组件构型实现高效输运电荷是简易可行的方法。
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  基于NSGA2算法的燃料电池系统净功率优化

  李先允, 冯瀚飞

  电源技术. 2023, 47(1): 83-87. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.019

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  在质子交换膜燃料电池系统中,寄生功率占据燃料电池系统输出功率的相当一部分,系统的净输出功率是燃料电池系统的重要指标之一。目前对于燃料电池本身性能的改善主要集中在凭经验对单一控制参数的调整。提出了在稳态下,结合质、能量守恒公式推导,将空气过量系数、温度、阴极压力和阳极压力协同控制,将控制参数作为决策变量,燃料电池功率、空压机功率和散热器功率作为目标函数,采用一种非支配排序遗传算法(NSGA2)进行优化,在提高燃料电池输出功率的同时降低空压机和散热器的功率,并和传统的遗传算法(GA)作比较,验证了NSGA2的适用性,并探究了稳态条件对优化效果的影响。
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  氮硫共掺杂多孔碳材料制备及其电容性能研究

  雷舒霖, 杨思莉, 彭付康, 彭倩, 付旭东

  电源技术. 2023, 47(1): 88-91. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.020

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  碳材料因电化学稳定性好,被广泛用作超级电容器电极材料,但是其比电容较低,目前多通过对碳材料进行杂原子掺杂来提高其比电容。碳材料中杂原子掺杂量对其电容性能有重要影响。以静电交联的聚苯胺和聚对苯乙烯磺酸为碳材料的前驱体,其中静电交联作用可提高氮和硫元素的掺杂量,从而获得具有高比电容的多孔碳材料。当电流密度为1 A/g时,所制备碳材料的比电容为160 F/g,且具有良好的循环稳定性,而纯聚苯胺制备的碳材料比电容仅为110 F/g。
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  电双层电容孔隙渐变多孔电极电化学特性分析

  李泽宇, 陈威

  电源技术. 2023, 47(1): 92-98. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.021

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  针对渐变孔隙多孔结构电极的电双层电容器,将电极中电子电流传导和电解质溶液的扩散与迁移进行了耦合,建立了一维电化学电容物理模型,研究了电双层电容恒流充电恒压放电特性、恒功率充电下的电荷密度分布以及恒功率放电下的电流电压特性。研究结果表明,与常孔隙相比,采用渐变增加孔隙结构的电双层电容,在恒流充电及恒压放电的条件下,最大充电电压有所提高。达到最大电压时,充电时间缩短了60 s。不同周期响应时,达到恒定功率的时间缩短了15 s。在恒功率充电的条件下,电双层电流源最大提升了0.6×10⁶ A/m³,电荷密度变化幅度减小了0.5×10⁶ C/m³。在恒功率放电时,放电电压提高了0.3 V。该研究结果可为电双层充电和电极利用率的提高提供参考价值。
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  炭气凝胶/石墨烯薄膜在超级电容器中的应用

  付岚

  电源技术. 2023, 47(1): 99-102. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.022

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  以炭气凝胶(CA)和氧化石墨烯(rGo)为原料,制备得到炭气凝胶/石墨烯薄膜。炭气凝胶的引入,避免了石墨烯片层紧密堆积或团聚,使得材料呈现松散堆叠。将CA/GO-4炭气凝胶/石墨烯薄膜用作柔性超级电容器电极,获得了高循环寿命的柔性超级电容器,在充放电循环10 000次后容量保持率高达90.21%,呈现出了较高的比电容。制备得到的薄膜不仅可满足柔性超级电容器电极材料的要求,石墨烯还兼具集流体的作用,大幅降低了超级电容器的内阻,极大提升了其电化学性能。
研究与设计：物理电源
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  基于EEMD-Kmeans-ALO-LSTM的短期光伏功率预测

  朱坤, 付青

  电源技术. 2023, 47(1): 103-107. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.023

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  光伏功率预测对电网调度具有重要意义。针对光伏功率数据具有较强波动性和不稳定性的特点,提出了一种基于集成经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD)、K均值聚类算法(Kmeans clustering algorithm, Kmeans)和蚁狮优化(ant lion optimization, ALO)算法优化的长短期记忆神经网络(long short-term memory network, LSTM)的光伏功率组合预测模型。对光伏功率数据进行EEMD分解,得到相应的本征模态分量(intrinsic mode function,IMF)和残差项;引入 Kmeans聚类对分解后的序列重构,降低序列复杂度和分量数量;将重构后的子序列输入经ALO优化的LSTM模型进行预测,并将各序列预测结果简单加和作为最终预测值。与目前应用较广泛的EEMD-LSTM模型对比,表明EEMD-Kmeans-LSTM和EEMD-Kmeans-ALO-LSTM模型的预测精度均得到一定程度的提高。
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  基于MPPT的光伏并网逆变器研究

  张志敏, 彭红义, 潘若妍, 周振雄

  电源技术. 2023, 47(1): 108-111. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.024

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  对三相光伏并网逆变系统的最大功率点跟踪控制和并网逆变电流控制进行研究,提出了带滞环比较的变步长扰动观测法,根据功率的预测变化实现快速跟踪最大功率点,能够消除稳定过程中的功率波动。为了实现并网电流和电压的同步,利用锁相环技术与并网电压前馈补偿的复合控制策略进行网侧逆变器的控制。在Matlab/Simulink软件环境中进行了对比仿真,结果表明：改进后扰动观测法的跟踪速度提高了40%以上,跟踪精度也提高了4.0%,而且振荡较小,可以准确快速地实现光伏发电最大功率点跟踪,而且并网电流能够跟踪电网电压,谐波含量较小。
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  一种改进型分区域光伏MPPT控制策略的研究

  李月英, 左明鑫

  电源技术. 2023, 47(1): 112-116. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.025

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  针对传统最大功率跟踪控制算法难以解决跟踪速度和稳态震荡的矛盾,根据光伏组件输出电压、电流和功率的关系,把光伏功率-电压(P-U)曲线分为线性区、最大功率区和急速变化区三部分,提出了分区域变步长复合最大功率跟踪控制策略;在线性区和急速变化区通过定步长算法快速追踪到最大跟踪点附近,进入最大功率区后通过牛顿差值法拟合曲线,并计算曲线极值点即为最大功率点。Simulink仿真和实验结果表明：改进型控制策略不仅具有较快的跟踪速度,而且有效地降低了稳态震荡。
研究与设计：系统技术
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  基于S3MPR拓扑和扰动观察法的空间电源系统研究

  司佳佳, 王利然, 张璇, 蒋硕

  电源技术. 2023, 47(1): 117-121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.026

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  利用S3R调节器和最大功率点跟踪(MPPT)模块将太阳电池阵控制在最大功率点工作,采用此控制策略的功率调节系统被称为开关分流最大功率调节器,可实现太阳电池阵功率的最大化利用。设计了S3MPR控制系统结构,并基于Matlab/Simulink仿真环境验证了最大功率算法的可靠性以及S3MPR电路的正确性,为后续S3MPR拓扑的应用提供了参考。
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  基于自抗扰的混合储能系统控制策略

  马幼捷, 张超, 周雪松

  电源技术. 2023, 47(1): 122-126. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.027

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  混合储能系统作为独立光储直流微电网的重要组成部分,兼具能量型储能和功率型储能技术特性,可以实现微电网系统内不平衡功率的平抑以及直流电压的稳定。为提高混合储能系统工作性能,提出了一种基于自抗扰的控制策略,利用扩张状态观测器对内、外未知扰动进行观测估计与扰动补偿,并引入模糊自适应与扩张状态观测器相结合,从而提高系统的稳定性与抗扰性。在Matlab/Simulink数字平台对混合储能系统进行了建模仿真,验证了该控制策略的可行性与优越性。