太阳能学报

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张志刚, 苏珂, 姚万祥

2022, 43(10): 1-6. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0296

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该文在热管置入式墙体稳态传热实验和动态传热模拟的基础上,于天津地区搭建实际环境下热管置入式墙体测试系统。该测试系统基于2个相同结构尺寸房间,在其中一间的南外墙上置入热管,测试期间用电暖器维持室内18 ℃。依据测试数据对实际环境下墙体的动态传热特性进行分析。结果表明,相比于普通墙体,热管置入式墙体的内表面温度提升率为3.4%,蓄热能力提高;热管置入式墙体平均延迟时间为11.12 h,比普通墙体滞后约0.50 h;热管置入式墙体平均衰减倍数为89.37,比普通墙体大;测试期间热管置入式墙体节能率为25.9%。

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空气源热泵冷岛效应形成机理及实验验证

郭郑道, 许强强, 陈锦鹏, 巫江虹

2022, 43(10): 7-8. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0138

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采用流体仿真与实地测试相结合的方法研究空气源热泵冷岛效应的形成机理和影响因素。长春机组实地测试和仿真结果均表明,在有周围建筑物和环境风为4.92 m/s时,机组排风会影响机组下游空气温度和下游回风温度,使平均回风温度下降0.15~0.18 K。室外机换热量、风机风量、机组堆积、环境风和周边建筑形状是影响空气源热泵冷岛效应的重要因素,冷岛效应回流率和机组换热量成正相关,和风机风量成负相关;在无环境风和周边无建筑物的情况下,空气源热泵的冷风沿地面扩散到环境中。在无环境风工况下,单机组在换热量为52.8 kW,风量为3.4 kg/s时,回流开始时间为38 s,最终回流率为28%,最终回风温度和环境温度的温差为6.08 K。

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基于水蒸气工质新型压缩-吸收式热泵循环性能分析

孙健, 马世财, 霍成, 戈志华, 周少祥

2022, 43(10): 15-20. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0317

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针对常规热泵在工业余热利用领域应用温度范围受限的技术难题,该文对一种压缩-吸收式耦合热泵系统在大温升工况下制取约130 ℃热水或蒸汽开展研究。首先介绍耦合热泵循环的运行原理,构建耦合热泵的完整热力学模型,通过EES软件最优化函数计算发现吸收侧压力越低,循环性能系数（COP）越好,同时在溶液热交换器出口浓溶液温度高于结晶温度10 ℃及溶液放汽范围为5.0%~5.5%的约束条件下,以某工业余热回收工况为设计工况,其中余热热水进/出口温度为90/75 ℃,余热水流量为30 kg/s,高温热水进/出口温度为100/125 ℃,吸收与发生侧最优压力值分别为40和2.2 kPa,对应耦合热泵的COP为9.8。同理分析了不同余热热水出口温度及高温热水出口温度变化工况下系统的循环性能,验证了该循环在高制热温度下仍具有较好的性能系数。

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准PR调节下单相光伏并网逆变器的非线性研究

陶慧, 赵世彬, 贾春华

2022, 43(10): 21-28. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0455

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调节下单相LCL型光伏并网逆变器为研究对象,利用频闪映射法推导系统的离散迭代模型。通过分岔图和Matlab/Simulink仿真描述系统随电路参数变化由稳定到混沌状态的演变过程。采用雅可比矩阵法对系统的稳定性进行理论分析,得到系统在双分岔参数以及三分岔参数下的稳定工作域,并根据不同参数下的雅可比矩阵特征值确定系统的分岔类型以及失稳后的振荡频率。最后通过物理实验得到并网电流的实时波形,进一步验证了理论分析的正确性。

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磁集成交错并联LCL型高增益变换器

李洪珠, 袁凤睿

2022, 43(10): 29-36. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0433

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针对分布式光伏发电并网对高增益DC-DC变换器的需求,提出一种基于耦合电感倍压单元的磁集成交错并联高增益变换器,通过改变倍压单元匝数比N提升电压增益的同时将所有电感进行磁集成,推导变换器的电压增益、开关管和二极管的电压应力及暂态和稳态等效电感表达式。理论分析表明该变换器具有较高的增益,电压增益是传统交错并联开关电容电感变换器的（N+1）/2倍,电感以最佳耦合度集成后稳态电流纹波有所减小,暂态响应速度提高约2.5倍,搭建一台功率100 W的实验样机,样机测试验证理论分析,证明了磁集成变换器相较于传统变换器具有更好的电气性能。

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不同背反射结构在硅异质结太阳电池中的应用研究

姚宇波, 张丽平, 刘文柱, 石建华, 孟凡英, 刘正新

2022, 43(10): 37-42. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0430

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该文旨在利用银纳米颗粒（Ag NPs）和SiO_x/Ag背反射结构提升硅异质结（SHJ）太阳电池在900~1200nm波段红外光谱响应。研究在SHJ太阳电池背光侧分别制备Ag、SiO_x/Ag和嵌入Ag NPs的SiO_x/Ag几种背反射结构,以最大限度提升SHJ太阳电池红外光谱响应。结果表明：SiO_x/Ag背反射结构可有效减少红外光的逃逸损失,提升太阳电池红外光谱响应,使得双面制绒SHJ太阳电池短路电流密度从37.74 mA/cm²提升到38.07 mA/cm²;但嵌入Ag NPs并不能帮助SiO_x/Ag背反射结构进一步提升双面制绒SHJ电池红外光谱响应,证明了基于其局域表面等离激元共振效应仅对陷光能力较差的平面太阳SHJ电池有一定提升。

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基于BP神经网络的光伏阵列清洁机械臂逆运动学分析与时间最短运动规划

芮宏斌, 曹伟, 孙宁宁

2022, 43(10): 43-51. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0427

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针对光伏阵列积灰效应带来的光电转换效率下降问题,依据中国西北地区安装地形特点和清洁作业环境设计一款车载式光伏阵列清洁机器人。清洁机械臂逆运动学分析是末端清洁器轨迹规划的难点,针对解析法求解逆运动学方法复杂且得不到最优解,提出基于BP神经网络求解机械臂逆运动学的方法,建立BP神经网络模型并利用Matlab进行仿真验证。为了提高光伏阵列清洁效率,针对清洁机械臂点到点运动的时间最优问题进行时间最短运动规划。利用五次多项式插值法对机械臂各个关节变量在关节空间坐标系中进行路径拟合,并利用遗传算法对清洁机械臂运动时间进行优化。最终根据优化结果对机械臂进行轨迹规划仿真。结果表明,建立的机械臂运动学模型及使用的BP神经网络求解清洁机械臂逆运动学方法符合清洁机械臂时间最优运动规划,提高了光伏阵列清洁效率,在一定程度上为光伏阵列清洁机器人机械臂提供了时间最优控制规划。

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基于有效介质理论的积灰组件透射特性研究

张军涛, 朱少康, 王珊, 王林泽, 李丽荣, 高德东

2022, 43(10): 52-58. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0425

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该文对青海大学50 kW多功能光伏电站进行板面积灰采样,并利用X射线荧光分析技术对积灰进行元素分析,并依此求解积灰试样在0.3~0.7 μm波长范围内的等效折射率与吸收系数。根据有效介质理论将光伏组件表面的积灰等效为连续均匀的介质层,通过分析太阳光束在积灰组件各结构层的传输,确定了积灰对入射光的吸收、反射及透射情况。研究表明:积灰对入射光的吸收作用远大于反射作用,组件透射性能降低主要是积灰对光的吸收导致的。在积灰玻璃透射率试验中,测量值与计算值的绝对误差在0.002~0.087之间,表明模型对积灰组件有较好的实用价值。

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基于布谷鸟算法的光伏MPPT改进

葛传九, 武鹏, 董祥祥, 金俊喆

2022, 43(10): 59-64. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0423

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为减小光伏阵列在存在局部阴影时光伏系统输出功率的损失,提高最大功率点追踪（MPPT）的速度和准确性,提出基于布谷鸟（CS）算法和扰动观察法（P&O）相结合的MPPT控制方法（ICS-P&O）。对CS算法中的种群进行分组,在随机游走阶段为2个种群设置不同的更新策略,在偏好游走阶段加入信息共享策略来辅助更新,从而加快算法的收敛,提升收敛精度,而后利用小步长P&O算法进一步提高后期的收敛精度。仿真结果表明,所提算法在不同的外界环境下追踪速度和追踪精度均得到有效提升。

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基于改进自抗扰的光伏并网逆变器直流母线电压控制

周雪松, 刘乾, 马幼捷, 谢冰杰

2022, 43(10): 65-72. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0394

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针对直流母线电压的控制性能受到各种不确定干扰因素负面影响的问题,提出一种改进型自抗扰控制策略以增强直流母线电压的控制稳定性。该策略采用级联扩张状态观测器来补充传统方法下未估计的剩余扰动,进而提升扰动估计抑制能力。最后,通过理论分析和仿真结果验证所提策略的有效性和可行性。

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倾角与方位角对张北地区光伏发电特性的影响

王宗林, 樊亚东, 王建国, 李泉新, 蔡力, 薛健

2022, 43(10): 73-79. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0379

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为使光伏组件获取更多的太阳辐照,需设置合适的倾角和方位角。通过2018年8月份在张北地区记录的辐照数据,计算得到张北地区光伏组件的最佳倾角。设置倾角为0°、30°、60°、90°、120°和150°的光伏组件,记录光伏组件的电压电流数据,分析不同天气下倾角和方位角对发电特性的影响。研究发现,光伏组件在该月的月最佳倾角为18.5°,晴天的日最佳倾角为27.1°,多云、阴天、雨天分别为18.0°、3.7°、0.2°。倾角对于发电特性的影响主要在于光伏组件接收的直射辐照大小,晴天和多云时30°倾角光伏组件的发电量最高,雨天和阴天水平光伏组件的发电量则最高。方位角对于发电特性的影响来源于直射辐照在一天中照射方向的变化,晴天和多云时方位角影响较大,阴天和雨天时影响很小。

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临近空间太阳电池模型修正与发电量预测研究

高阳, 徐国宁, 王生, 李兆杰, 蔡榕, 杨燕初

2022, 43(10): 80-87. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0225

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由于在飞行过程中,温度、辐照度和倾角变化都会对临近空间飞行器上太阳电池的输出功率及效率产生影响,该文利用太阳光模拟器及薄型晶体硅太阳电池,进行多组测量实验,得到在不同温度、辐照度和倾角条件下,太阳电池的短路电流、开路电压等参数,并通过与模型仿真结果进行对比,对已有太阳电池电模型进行修正,得到更接近真实飞行工况的临近空间飞行器用薄型晶体硅太阳电池的模型。最后,基于修正后的模型通过仿真对太阳电池阵列在临近空间的全天发电功率变化趋势进行预测,可为临近空间飞行器用太阳电池阵列设计与功率预测提供重要参考。

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植物布置模式对光伏组件和屋面被动降温及水分蒸发的影响

张凯珂, 冉茂宇

2022, 43(10): 88-93. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0145

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绿色光伏屋顶是一种光伏组件遮阳与植被绿化相结合的隔热屋顶,为了揭示植物布置模式对光伏组件和屋面降温的影响,提出了2种植物布置模式并建立了2个混凝土屋顶试验小室。分别对光伏组件背面和屋面上表面温度、植物叶片温度和蒸发量进行测试和对比分析。结果表明：1）相对于植物架空布置模式,植物直接实铺在屋面上可有效降低屋面上表温度平均值和波幅值;2）植物与光伏组件背面距离增加时会减弱其对光伏组件的冷却效果,间距为10 cm时冷却效果较为明显;3）植物与光伏组件背面距离变小时,叶片温度会变高,水分蒸发量变多。因此,植物直接实铺模式有利于绿植光伏屋面节水和节能。

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基于模糊层次分析法的太阳能-空气源热泵复合供暖系统多目标优化

谭心, 朱振经, 孙国鑫, 刁力, 方桂花, 虞启辉

2022, 43(10): 94-103. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0421

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为减小太阳能空气源热泵供暖系统的综合成本和碳排放量,提高热泵运行效率及太阳能使用率,提出一种基于模糊层次分析法的多目标优化设计方法。采用TRNSYS,搭建复合供暖系统仿真模型,通过参数化分析选出7个系统参数作为优化变量,提出复合供暖系统综合评价指标,运用模糊层次分析法确定每个因素的权重并定义综合目标函数并通过正交试验法得到最终优化方案。通过仿真试验对比复合供暖系统优化前后的运行性能,验证了该优化方法的有效性。

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太阳能热泵联合风电蓄热供暖系统优化研究

刘寒, 马小晶, 王宏伟, 宋帆, 贺航

2022, 43(10): 104-112. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0419

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设计一种太阳能热泵联合风电蓄热系统,并建立系统动态模型。为获得最大太阳辐照量和最小生命周期成本,使用4种不同优化算法对集热器倾角（CTA）、集热器方位角（CAA）、集热器面积（CA）、水箱容积（TV1、TV2）、热泵功率（HP1、HP2）和电锅炉功率（BP）等关键参数进行优化。以乌鲁木齐某单位行政楼的供暖系统为对象进行算例分析。结果表明:Hooke-Jeeves方法优化效果最佳,CTA为(φ-6°)（φ为当地纬度）、CAA为(α-2.5°)（α=0°为正南朝向）时,可使系统获得最大采暖季辐照量;TV2/BP为69.8 L/kW,TV1/CA为86.4 L/m²,（HP1+HP2）/CA为125.6 W/m²,系统生命周期成本最低,相比优化前,参数优化后的系统生命周期成本节省11.8%。

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熔盐储罐预热过程优化研究

岳松, 陈宇轩, 肖虎, 王鼎, 李明, 张燕平

2022, 43(10): 113-118. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0381

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基于CFD方法研究阶梯式预热过程中熔盐储罐温度分布和热应力分布,并分析温度端差和预热气体入口流量等参数对预热时间和罐体最大热应力的影响。结果表明：温度端差和质量流量各增加1倍时,预热时间分别缩短78.1%和61.5%,温度端差比质量流量对熔盐储罐预热过程的影响更显著。

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基于自适应引力搜索算法的定日镜场优化布置

高博, 刘建兴, 孙浩, 刘二林

2022, 43(10): 119-125. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0397

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针对塔式太阳能热发电电站中定日镜场优化布置问题,提出一种基于自适应引力搜索算法的定日镜场优化布置方法。以Campo布置规则为基础建立比目标定日镜场大1.5倍的密集型初始镜场,将定日镜所在环的半径作为输入变量并将年均效率作为镜场优化布置的评价标准。通过在引力搜索算法中引入动态调整因子α,可提高算法在高维搜索问题方面的求解能力。最后以塞维利亚Gemasolar电站的定日镜场为例进行优化布置,证明使用自适应引力搜索算法优化后的定日镜场具有更高的年均效率。

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二次反射多碟太阳能聚光器设计与性能分析

许宏宇, 许诚, 吴礼宁, 杨勇平

2022, 43(10): 126-132. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0272

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设计一种小规模的光线向下式焦点固定的多碟聚光集热系统,其特点是焦点固定,光线向下汇聚,吸热器开口向上,并提出该系统的追踪方式。通过对一次镜场和二次反射镜的分析和优化设计,使设计工况下吸热器入口的平均能流密度达到420 kW/m²,光学效率为87.4%,可为实现光线向下式焦点固定聚光系统的发展和优化提供技术方案。

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基于槽式聚光的光热反应与集热协同实验研究

张遵恒, 金俊宇, 郑翔升, 吴启亮, 高远, 张彦威

2022, 43(10): 133-137. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0141

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设计一种全光谱太阳能分级分质利用系统进行光热协同反应与集热一体化实验研究。该系统通过光热协同催化材料将太阳光中紫外及部分可见波段光的能量转化为化学能进行储存,并利用系统中的集热材料将太阳光中部分可见及红外波段的光能转化为热能进行储存,从而实现对全光谱太阳能的综合利用。实验以光热协同分解水制氢为目标反应,利用导热油进行集热。结果表明,在反应材料表面温度为414 ℃的条件下,氢气产量为15.65 μmol/g,系统集热效率可达43.61%。

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基于风速预测的风电场虚拟惯量协调控制技术

汪正军, 高静方, 赵冰, 丁亮, 曹扬

2022, 43(10): 138-143. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0298

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针对现有风电场虚拟惯量协调控制在风电机组调频辅助功率协调分配方面的研究,提出一种基于风速预测的风电场虚拟惯量响应场级协同分配策略,具体是通过经验模式分解（EMD）和BP神经网络训练风速时序序列获得风速时序模型,预测短时段内的风速,根据实时转速和预测风速计算惯量分配权重因子,根据频率变化计算全场惯量响应值,通过惯量分配权重因子结合变流器容量限值给单机分配惯量响应值。该控制策略成功应用于云南某148.5 MW风电场站级调频测试,验证了算法的有效性。

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基于偏航尾流模型的风电场功率协同优化研究

李雄威, 徐家豪, 朱润泽, 李庚达

2022, 43(10): 144-151. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1292

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为减小风电场尾流效应的影响,提升风电场整体发电量,提出一种基于偏航尾流模型的风电场功率协同优化方法。首先建立风电场偏航尾流模型,该模型包括用于计算单机组尾流速度分布的Jensen-Gaussian尾流模型、尾流偏转模型及多机组尾流叠加模型,对各机组风轮前来流风速进行求解;再根据来流风速计算风电场输出功率,并以风电场整体输出功率最大为优化目标,利用拟牛顿算法协同优化各机组轴向诱导因子和偏航角度。以4行4列方形布置的16台NREL-5 MW风电机组为对象进行仿真研究。结果表明,所提出的基于偏航尾流模型的风电场功率协同优化方法能显著提升风电场整体输出功率。

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Spar型浮式风力机涡激运动特性及其抑制研究

肖阳宏, 李磊, 张兆德, 李文丽

2022, 43(10): 152-158. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0729

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为减轻涡激运动对系泊结构的疲劳破坏,提出一种波纹柱体结构,探讨其涡激运动特性及抑制机理。结构与流体的非线性耦合作用通过用户自定义函数（UDF）和动网格技术实现,运动微分方程采用四阶龙格-库塔法求解。研究发现,波纹柱体与裸圆柱结构的涡激运动特性明显不同。裸圆柱随折合速度的增加呈明显的锁定特性,而波纹柱体结构的涡激响应特性与波纹高度Hw/D相关。当波纹高度Hw/D=0.01和0.05时亦会发生锁定现象,但锁定区间较裸圆柱小,当波纹高度Hw/D=0.02~0.04时结构不再发生锁定问题。结果表明,波纹结构对柱体的涡激运动有明显抑制作用。

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基于加装叶尖小翼风电机组发电量提升试验研究

魏超, 唐梓彭, 上官炫烁

2022, 43(10): 159-166. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0566

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针对老旧风电场由于风电机组风轮和风资源未能很好匹配等原因导致的发电量不理想问题,提出一种基于加装叶尖小翼风电机组发电量提升方法,该方法在增加叶片扫掠面积的同时有效改善叶片的气动性能。通过加装叶尖小翼增加叶尖部分切向力,增加主轴扭矩从而提高风轮吸收功率,达到提升发电量的目的。基于风电场实际试验数据对提功增效效果进行分析,结果表明所提方法在满足安全性的前提下可有效提高机组输出功率,提升发电量。同时该方法成本低,展现了良好的性价比。

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数据驱动的时间注意力卷积风电功率预测模型

张浩田, 温蜜, 李晋国, 田英杰

2022, 43(10): 167-176. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0453

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由于风电受气象特征影响大,风能波动性和间歇性强,导致快速、精准的风电预测成为一个难题。对此,该文提出一种基于数据驱动的时间注意力卷积网络的风电功率预测方法。首先,将来自风力机和数据采集（SCADA）系统的数据进行清洗;然后采用可并行计算的时间卷积网络,并加入Attention机制突出关键特征的影响,使模型训练速度和预测精度得到有效提升。实验结果表明,该文所提方法与其他方法相比可更准确地减少数据噪声,同时有更高的预测精度和更快的训练速度。

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考虑时间窗约束的海上风电机组运维方案优化

吕致为, 王永, 邓奇蓉

2022, 43(10): 177-185. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0443

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降低运维成本是保障海上风电经济效益的关键,运维方案优化对降低海上风电机组运维成本和提高发电量起着双重作用。根据风电机组零部件的可靠度模型,计算出每台风电机组最佳维修时机对应的时间窗,考虑提前维修和故障后维修的经济损失,建立包含时间窗约束的海上风电机组运维方案优化模型,然后设计基于参数优化的改进遗传算法计算出最优运维方案。最后采用某海上风电场内风电机组运维案例验证模型和算法,结果表明考虑时间窗约束的运维方案可大幅度提高海上风电的经济效益,改进遗传算法比传统遗传算法具有更强的寻优能力。

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基于惯性网络的兆瓦级风电叶片形变测量算法研究

张华强, 刘林, 秦昌礼, 刘卫生, 苏庆华, 陈雨

2022, 43(10): 186-191. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0442

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针对目前风电叶片形变过程中挠曲度测量误差较大的问题,提出一种基于惯性网络的相对运动监测算法。首先根据应力分析对叶片建立主从式惯性网络,然后推导出主子节点间的相对运动解算方法并建立相对导航误差模型,设计相对导航误差估计滤波器,通过误差反馈保证子节点的位姿解算精度;其次构建联邦式的相对惯性导航误差估计滤波器进行主子节点的数据融合,提高风电叶片的形变估计精度及系统整体的容错性;最后对某型风电叶片进行静力加载试验,试验结果表明：该算法可准确测量出叶片上各节点在三维空间的位移曲线,3个子节点在挥舞方向的平均相对误差仅为0.92%、1.18%、1.07%。该算法可实时监测风电叶片的位姿状态,在叶片检测及风力机日常运行的安全监测上具有较好的理论研究意义与工程应用价值。

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基于混合Copula优化算法的风速预测方法研究

黄宇, 张冰哲, 庞慧珍, 徐璟, 刘磊, 王彪

2022, 43(10): 192-201. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0431

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针对风电场中各风电机组风速之间存在的复杂时空相关性问题,提出一种基于混合Copula优化算法的风电场风速预测方法。该方法首先分析单一Copula函数拟合优度检验,选取合适Copula函数进行组合;其次,构建混合Copula函数模型对风电场内多风电机组风速相关性进行分析;最后应用最大期望（EM）算法求解模型相关系数并完成风速预测。结合优化算法,改进Copula函数能很好地解决风速相关性问题,为获取准确风速预测值奠定基础。以中国某地区风电场风电机组实测风速数据为例对所提方法进行验证,实验结果表明该模型可在准确分析风速相关性的基础上提高风速预测准确性。

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基于Frandsen尾流半径假设的风力机尾流模型研究

魏歆蕊, 黄铭枫

2022, 43(10): 202-209. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0349

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在Frandsen非线性尾流半径假设的基础上,推导得出考虑环境湍流强度和风力机推力系数影响的Frandsen高斯修正尾流速度模型,并提出Frandsen双高斯湍流强度模型。以600 kW单风力机为案例,通过开展风洞试验和大涡模拟2种研究手段验证2个修正模型的预测效果。结果表明,Frandsen高斯修正尾流速度模型在径向尾流上预测效果更好,模型平均误差下降至7%,优于Frandsen速度模型。Frandsen双高斯湍流强度模型则能更好反映实际湍流强度在尾流场的变化特征。2种修正模型均比传统模型具有更好的预测效果,为风力机设计提供了新的尾流模型。

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NACA0018翼型锯齿格尼襟翼尾迹特征的Liutex分析

于永迪, 陈榴, 郑哲辉, 戴韧

2022, 43(10): 210-217. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0343

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在雷诺数Re=1.38×105时,采用实验测量对比研究NACA0018原始翼型以及带有格尼襟翼和齿形襟翼翼型的尾迹涡结构,对比锯齿襟翼与格尼襟翼的控制机理。结果表明,在小攻角下,锯齿襟翼较格尼襟翼大大降低尾迹速度亏损,但速度偏转小于格尼襟翼。通过Liutex分析发现气流经过锯齿襟翼后产生了对涡结构,与襟翼固有的流向涡掺混耗散,削弱由于流向涡引起的尾流不稳定性,从而减小翼型的阻力。对比齿形结构不同位置处的流动表明,在尾缘附近,速度偏转角从齿根,齿中到齿尖依次增加,对于远场的尾迹,3个截面的流动一致。

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台风-浪-流耦合作用下海上风力机基础结构水动力特性分析

王硕, 柯世堂, 赵永发, 员亦雯, 张伟, 杨杰

2022, 43(10): 218-228. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0342

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为揭示台风-浪-流耦合作用下风力机基础结构的水动力特性,以广东外罗10 MW级海上风力机为研究对象,基于模式耦合器（MCT）建立中尺度台风-浪-流（W-S-F）实时耦合模拟平台,分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风-浪-流的时空演变特性;再结合中/小尺度嵌套方法分析风力机单桩基础水动力荷载分布特性;提出不同波浪相位下基础柱极值荷载模型。结果表明：建立的W-S-F平台对台风路径的模拟精度较单WRF模式提高42.51%;台风-浪-流耦合作用下基础柱水平波浪力正峰值增大约20%,负峰值减小约18%,并沿水深方向呈指数型变化规律,周向沿180°波向角呈对称分布;T4相位为风力机基础强度设计的最不利相位,基底剪力最大达7.68×10⁶量级,基底弯矩最大达5.2×10⁸量级。

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计及电网频率偏差的双馈风电机组频率控制策略

许益恩, 杨德健, 郑太英, 张新松, 华亮

2022, 43(10): 229-235. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0340

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针对电力系统发生大扰动时,双馈风电机组采用现有下垂控制方法不能充分利用自身旋转动能为电网提供频率响应服务,提出一种计及电网频率偏差的变系数双馈风力发电机组频率控制策略。该方法通过将下垂系数与电网频率偏差耦合,可根据电网频率变化量灵活地调节下垂系数,实现在系统发生大扰动时风电机组更有效地为电力系统提供频率支撑,并借助EMTP-RV仿真平台搭建含高比例风电渗透率的电力系统模型,验证所提控制策略的有效性。仿真结果表明,在不同风速场景下,当电力系统发生不同扰动时,双馈风电机组采用该策略均可有效提升自身频率响应能力,减少系统最大频率偏差,特别是在大扰动场景下,效果更加明显。

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风力机叶片上涡流发生器参数化模型应用方法研究

陈明, 赵振宙, 孟令玉, 冯俊鑫, 江瑞芳, 玛尔瓦提∙黑扎提

2022, 43(10): 236-242. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0333

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为提高涡流发生器（VG）参数化模型计算精度,对参数化模型的应用方法进行研究。首先提出参数化模型在计算域作为源项而添加的位置和涡核半径取值方法。然后,采用考虑VG叶片间影响的最大涡环量算法,基于DU91-W2-250叶段,从不同VG间距、VG入流角、翼型攻角来比对参数化模型和实体模型的计算结果,来验证应用上述方法的可行性。结果表明：参数化模型、实体模型与试验数据吻合良好,证明了两种模拟方法精度较高;此外,在不同工况下,两种模型得到的速度矢量和边界层速度型都具有较高的一致性,证明参数化模拟方法有效,且在风力机叶片上具有普适性。

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地震、风、浪作用下融合海水养殖的海上风力机耦合响应机理研究

张天翼, 李昕, 王文华

2022, 43(10): 243-251. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0309

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为实现海洋空间立体化,最大化经济产出,提出一种单桩基础海上风电机组（OWT）融合海水养殖的新型增殖型海上风电机组结构（MOWTAC）。该研究提出基于时域耦合数值仿真工具FAST v8的新型增殖型海上风力机水动力计算模型,建立新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下的整体耦合计算模型。进一步,开展地震组合工况作用下新型增殖型海上风力机整体结构动力响应计算。由计算结果可知,地震荷载为新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下海上风力机结构响应的控制荷载。相比于风浪联合工况,新型增殖型风力机在地震荷载激励下2阶频率对于结构响应的影响显著增加。

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永磁同步风力发电机匝间和退磁故障早期检测

刘颖明, 张天琦, 王晓东, 高兴, 谢洪放

2022, 43(10): 252-258. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0307

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永磁同步发电机在发电效率、可靠性、电网友好性等方面具有独特的优势,已逐渐成为5 MW及以上容量的风电机组的主流选择。该文针对永磁同步电机退磁和绕组匝间短路2种常见故障的特点和监测方法进行研究,并建立2种故障的数学模型。提出一种基于零序电压分量和故障指示量的方法,可实现匝间短路早期轻微故障检测及故障相的判断;提出一种基于滑模观测器的退磁故障在线监测方法,该方法可准确辨识永磁体磁链,具有辨识精度高和速度快的特点。仿真结果验证了2种故障诊断方法的有效性及优势。

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环氧树脂灌浆料在风电机组基础环式基础加固中的应用研究

陈俊岭, 段建平, 冯又全, 李奇泽

2022, 43(10): 259-265. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0301

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针对基础环式风电机组基础常见的开裂、冒浆现象,提出采用环氧树脂灌浆料修补T型法兰附近区域裂缝并填补磨空区。采用有限元软件ABAQUS建立未损坏基础和环氧树脂灌浆料加固后基础最不利截面处局部有限元模型,通过往复加载研究了基础的耗能性能,分析结果表明,环氧树脂材料加固后基础的耗能性能较加固前有大幅的提升。建立环氧树脂和水泥基两种不同灌浆材料加固后基础整体有限元模型,通过单调加载研究基础在极限荷载标准值和设计值下的应力应变分布,分析结果表明,和水泥基灌浆材料加固后的基础相比,环氧树脂材料灌浆加固后T型法兰和基础混凝土接触面的压应力分布更均匀,应力集中现象明显缓解,T型法兰上方混凝土塑性区范围明显减小。

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永磁直驱风力发电机自抗扰技术及其无位置传感器控制策略

祝可可, 阮琳

2022, 43(10): 266-274. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0298

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针对永磁直驱风力发电机传统矢量控制动态性能差,抗扰动能力弱的问题,提出一种双环线性自抗扰控制系统。在此基础上针对传统滑模观测器抖振等因素造成的速度和位置角观测误差较大的问题,提出改进型自适应滑模观测器。结果表明所设计的速度和电流双环线性自抗扰控制策略能有效提高转速跟踪性能和电流波形质量;在滑模观测器的基础上结合自适应算法精确观测反电动势,借鉴锁相环原理代替反正切函数估算出转子转速和位置角,相比传统滑模观测器具有更高的估算精度。

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基于无源控制策略的MMC-DVR控制系统

周雅婷, 程启明, 江畅, 谢怡群, 傅文倩, 叶培乐

2022, 43(10): 275-280. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0293

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为了提高高压电网电压质量补偿效果,提出基于模块化多电平换流器（MMC）的动态电压调节器（DVR）系统的无源非线性控制方法。首先,介绍MMC-DVR的框图以及工作原理,根据基尔霍夫电压电流定律,分别构建abc静止与两相dq旋转坐标系下的数学模型;接着提出无源控制方法来解决问题;最终,在Matlab/Simulink软件实验平台上构建MMC-DVR系统,构建仿真验证无源非线性控制的可行性和优越性。与传统PID相比,无源策略能使系统迅速稳定,提高抗扰能力,采取阻尼注入,能快速、有效地对电压降落/升高和谐波进行补偿,并且无源非线性控制器控制规律简单,所需控制器数量少,可避免PI控制参数选择困难及繁复的缺点。

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海上风电筒型基础整机运输过程荷载识别研究

江琦, 董霄峰, 翁珮瑶, 周欢, 练继建

2022, 43(10): 281-288. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0289

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根据某3.3 MW海上风电筒型基础整机运输期原型观测数据,首先采用加速度响应探究环境要素对整机振动影响。其次依据应变-荷载原理计算塔筒底部截面弯矩,并统计全程计算弯矩幅值,分析塔筒承受荷载随环境要素变化规律。结果表明：1）波高从0.2 m增加到2.0 m时,加速度均方根增加98%,波高是引起整机耦联振动的主要因素;2）波高小于1.0 m时,塔筒底部识别弯矩在0~10 MN∙m范围内波动,占设计弯矩的21.5%,波高增加到1.5 m时,识别弯矩幅值基本在10~25 MN∙m范围内波动;3）波高达到2.0 m时,塔筒底部弯矩幅值达32 MN∙m,占设计弯矩的68.9%,整机结构仍在安全范围内;4）运输期根据波浪条件预测制定运输方案,整机应在不超过2.0 m波高条件下运输,保证整机结构有富裕的安全空间。

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USST高性能水平轴风力机翼型族

张倩莹, 伊鹏辉, 刘兆方, 黄典贵

2022, 43(10): 289-295. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0273

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结合层流翼型与钝尾缘的特性,通过Hicks-Henne型函数对翼型参数化修型,基于多岛遗传算法及Xfoil气动分析,针对大型水平轴风力机翼型进行多目标函数、多设计工况、多约束条件下的优化设计,得到适用于大型风力机的高性能翼型族（USST翼型族）。其升阻比在大多数攻角下均高于同厚度的FFA、DU系列等现有风力机翼型族,且在同样的升力系数下具有更大的升阻比。最后为考核优化设计得到的翼型族,采用数值模拟方法对优化结果进行验证,证明设计得到的新型风力机翼型族具有优越的气动性能。

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垂直轴风力机变桨控制策略及气动性能影响研究

张强, 缪维跑, 刘青松, 李春, 张万福

2022, 43(10): 296-303. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0234

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以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于不同尖速比下攻角随相位角变化规律,提出一种俯仰角控制策略,即攻角较大时俯仰变化幅值较大,而攻角较小时幅值较小。通过数值计算了解此控制方式对气动性能的影响规律,分析变桨后不同旋转角度下风力机涡量场的变化,并讨论气动载荷变化的原因。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著增强风力机功率系数,且尖速比较低时提升效果越显著,在TSR为1.25时功率系数提升高达146%。

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基于风电机组可靠性的风电场平准化成本模型研究

刘喜梅, 崔阳, 董建明, 王开让

2022, 43(10): 304-311. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1382

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考虑综合风电场总体运行成本、风电机组可靠性及风电场发电量等多个维度,从风电场全生命周期视角出发,建立基于风电机组可靠性的风电场平准化成本模型,并通过算例分析得出,提升风电机组可靠性可降低风电机组的故障维护成本,提高风电场运行小时数,进而降低风电场平准化成本。在此基础上测算当前阶段风电实现平价上网需达到的利用小时数,最后给出促进风电发展的合理化建议。

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基于组合型算法的风电并网地区电压闪变参数识别

张超, 邱衍江, 王维庆, 张新燕

2022, 43(10): 312-318. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0933

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针对矩形波调制下的闪变信号模型,提出优化能量算子以改善闪变包络提取精准度。将最大旁瓣衰减速率（MSLD）截断窗作为原始母窗,通过卷积运算构造频谱性能突出的MSLD自卷积窗（MSLD-SCW）函数。基于谱线插值原理推导出2阶 SCW函数的参数修正公式,据此实现闪变幅值与频率参数的处理与识别。与对照组算法的仿真结果表明,研究组在单频调制、多频调制、含有整数次谐波与次/超同步分量、基频波动及含高斯噪声等工况下,均保持较高的两大闪变包络参数识别准确性。最后,将组合优化算法应用于新疆某地区实际电网闪变参数识别,验证其工程实用性。

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集成管道生物质蓄热墙设计及热工性能研究

郭娟利, 金勇运, 李美玲, 赵建华, 刘哲

2022, 43(10): 319-325. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0396

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针对传统生物质墙体存在集热蓄热差的热工问题,提出一种以太阳能为热源的集成管道生物质蓄热墙体,通过建立对比实验模型,分别测试墙体系统及室内物理环境参数,研究2种模型存在的热效率差异,并对实验组墙体系统进行供热性能分析。结果表明：所提出的集成管道生物质墙体系统具有良好的集热、蓄热性能;管道流系统循环控制策略应适应当地气象条件以优化系统供热效率;集成管道生物质蓄热墙节能率可达79.3%,经济效益明显,在生物质能与太阳能富集地区具有广泛应用前景。

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竹材碱性过氧化氢预处理及其酶水解性能研究

詹云妮, 黄晨, 程金元, 邓拥军, 房桂干

2022, 43(10): 326-334. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0162

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采用碱性过氧化氢（AHP）体系对慈竹进行预处理,研究过氧化氢（H₂O₂）用量对竹材化学组分及酶水解得率的影响。利用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析预处理前后物料的物理和化学结构变化,采用二维核磁共振技术研究预处理物料中剩余木质素的化学结构。结果表明：AHP预处理过程中,随着H₂O₂用量（质量分数）的增加,竹材的葡聚糖含量（相对质量百分比）先增加后减少,木聚糖含量基本不变,而木质素含量整体呈减少趋势。AHP预处理能显著提升竹材的酶解效率,在纤维素酶用量为15 FPU/g葡聚糖,H₂O₂用量为7.0%时,预处理竹材的酶水解性能最高,葡聚糖和木聚糖酶水解得率分别为93.9%和100%。研究发现,慈竹木质素脱除率在H₂O₂用量达到2.0%后趋于稳定,为68.8%,继续增加H₂O₂用量,木质素脱除率无明显提升,对预处理竹材中剩余木质素进行2D-HSQC核磁分析,这部分难以脱除的木质素的化学结构为：64%的S单元、33.7%的G单元和61.6%的β——O——4键,其中S/G值为1.90。

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下吸式生物质气化炉热力学平衡模型研究

杨辉, 陈文宇, 孙姣, 陈文义

2022, 43(10): 335-342. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0156

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建立下吸式生物质气化炉热力学平衡模型,该模型包括焦炭、焦油和气体,并用已公布的实验数据对模型进行验证,均方根（RMS）在1.304~3.814之间,结果表明该模型的预测值与实验数据吻合较好,可认为模型可靠。然后模拟棉秆在下吸式生物质气化炉中以空气和富氧气体2种气化氛围下,不同操作参数(当量比、预热温度和气化炉反应温度)下对棉秆气化的气体组分、热值和产率的影响。模拟结果表明：富氧气体为气化剂时,当量比从0.20增至0.35时,气体中N₂含量比空气显著下降,达10%以上,同时发现能提高气体中H₂和CO的含量和热值,热值比空气提高约20%。预热温度对气化成分变化影响有限,随预热温度从30 ℃变化到130 ℃,气体的平均热值从空气的5.2 MJ/m³提高到富氧气体的7.0 MJ/m³。随气化炉内反应温度从750 ℃升至1250 ℃,空气和富氧气体2种气化剂下的H₂和CO分别从20.94%、26.84%和21.77%、28.67%下降到4.06%、9.12%和10.49%、21.60%,导致气体的热值降低。

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基于EDEM的双螺旋反应器内物料运动与混合特性研究

刘攀笏, 马莉, 曾德望, 肖睿

2022, 43(10): 343-349. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0147

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为了研究双螺旋热解反应器内物料的运动和混合特性,采用EDEM软件进行数值模拟。结果表明：物料由外螺旋向内螺旋的输送是通过外螺旋将堆积的物料抬升进而使物料顺利进入内螺旋来实现的;在模拟工况下,大转速下的混合效果明显好于小转速下,此外还发现外螺旋转速增大使得颗粒的混合作用增强;在单节螺旋中,粒径较小的生物炭颗粒更易在螺旋叶片外侧分布,颗粒群的前一部分中粒径较大的生物质颗粒占据更大的比例。

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不同涡流发生器参数对潮流能水轮机翼型水动力学特性影响研究

者浩楠, 刘永辉, 谭俊哲, 司先才, 袁鹏, 王树杰

2022, 43(10): 350-356. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0763

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将涡流发生器（VGs）流动控制理论引入到水轮机叶片设计领域,开展涡流发生器对潮流能水轮机叶片流动分离效应的抑制机理及水动力学特性研究。以NACA4418翼型为研究对象,分别建立基础翼型段和带VGs翼型段的潮流能水轮机翼型三维模型,应用CFD方法研究不同VGs排布方式、间距、高度以及长度参数对翼型段水动力性能的影响。结果表明：翼型段上安装VGs能有效减缓流动分离,合理的VGs排布方式可有效提高翼型的最大升力系数,正向排布优于反向排布,VGs间距为25 mm、高度为5 mm、长度为17 mm时对翼型段改善效果最佳,各组带VGs翼型最大阻力系数都增大约5%,翼型整体性能上升。利用水槽试验的方法验证仿真模型的准确性。此外,通过对翼型段进行二维流场分布以及VGs背流侧进行静压分布研究,进一步揭示VGs的作用机理。

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直驱式波浪发电系统无源-滑模控制策略

邱孟, 杨俊华, 林汇金, 谢子森, 黄纬邦

2022, 43(10): 357-363. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0448

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针对不规则波输入激励工况下的直驱式波浪发电系统,提出一类无源-滑模控制策略。利用双线性幅度法计算不规则波浪主频,结合波能捕获策略得到期望跟踪曲线,设计无源控制器实时跟踪期望曲线;为削减外部扰动影响并提高系统稳定性,在保证系统无源下引入滑模控制策略。采用扩张状态观测器代替速度传感器,辨识动子速度。仿真结果表明：双线性幅度法能预估不规则波浪主频,扩张状态观测器观测到的速度误差小,所提控制方案能快速响应期望电流变化,准确跟踪期望曲线,鲁棒性强。

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基于Rife法的波浪发电RBF神经网络功率优化控制

林汇金, 杨俊华, 邱孟, 谢子森, 黄纬邦

2022, 43(10): 364-370. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0436

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为提高不规则海况下直驱式波浪发电系统的功率捕获能力,通过建立水动力模型及直线电机模型,分析等效模拟电路共振状态,构造最优功率捕获条件;针对波浪工作环境强噪声干扰问题,采用Rife法获取波浪主导激励分量,设置等效阻尼系数,计算q轴最优期望电流跟踪值;通过设计径向基函数（RBF）神经网络PI控制,提高等效控制电流信号的跟踪精度,改善系统动态性能。仿真结果表明,所提策略对含强噪声干扰的波浪信号主频段幅值和频率预估精度高,跟踪期望电流效果好,鲁棒性强,系统输出功率优化效果显著。

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水泵水轮机启动过程转轮叶片受力分析

李琪飞, 黄腾, 马琴珍, 李仁年, 魏显著

2022, 43(10): 371-377. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0377

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为了研究水泵水轮机水轮机工况启动过程转轮区域流态对叶片载荷的影响,以某水泵水轮机模型为研究对象,采用Realizable k-ε湍流模型开展水泵水轮机全流道三维数值计算,运用UDF技术和动网格方式,控制启动过渡过程活动导叶的开启过程,分析机组启动过程中转轮的转速变化,并与试验结果进行对比。结果表明：数值计算与试验结果吻合度较高,该文数值计算准确可行;启动过程中,在0~5 s区间,转轮叶道中间分布明显沿周向规律分布的叶道涡,叶道涡随开度的增加及转轮叶片来流条件的优化逐渐变小然后消失;启动过程来流与转轮叶片工作面发生冲击并在此区域形成高压区,导致叶片工作面进口位置压力载荷集中、相同半径处叶片工作面背面压力差较大。启动过程中转轮叶片来流与叶片工作面发生冲击是叶片压力载荷集中以及叶道涡的主要诱因。

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分层岩土中地埋管换热器传热解析模型与分析

张琳邡, 张东海, 周扬, 高蓬辉, 赵鹏, 李晓昭

2022, 43(10): 378-385. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0869

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为准确预测地埋管换热器在分层岩土中的传热特征,采用分离变量法和格林函数法,基于单个圆环热源基本传热单元问题的解答,建立考虑岩土结构分层和横观各项同性特征的地埋管传热解析模型。该模型适用于工程中常见的垂直钻孔和桩基埋管换热器分层传热问题,具有较好的普适性。以2层岩土为例,利用模型解答对分层岩土中地埋管的传热特征以及分层参数对其影响规律进行研究。结果表明：均匀介质假设计算误差随作用时间的增加而逐渐增大,在靠近热源处误差更加明显,预测地埋管长时间温度响应时,应采用分层传热模型;在临界区域范围内,可用均质假设模型预测地埋管的传热特性,均质等效热物性参数取为对应岩土分层的热物性参数值;分层岩土导热系数对地埋管传热性能影响较大,岩土平衡温度随分层导热系数比的增大而明显降低;地埋管长度和直径的比值对地埋管传热性能有所影响,岩土平衡温度随长径比的增大而升高,且其影响程度随分层导热系数比的减小而增强。

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考虑桩土差异的能源桩传热模型及其热响应半径计算

欧孝夺, 黄中正, 秦金喜, 江杰, 吕政凡

2022, 43(10): 386-394. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0304

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为解决能源桩传热分析中一般将桩土视为相同介质而引起误差的问题,建立一种可考虑桩体与土体之间热物性差异的U型埋管能源桩非稳态传热模型,将其与线热源模型进行对比,验证该模型的准确性。在此基础上,通过级数展开得到近似简化的能源桩热响应半径表达式。最后,对单位桩长换热量、桩体的热扩散系数、桩径以及土体类型进行分析,利用“储热比”评价上述参数对能源桩传热过程的影响。结果表明：该模型较线热源模型可更精准地描述能源桩传热过程,可有效避免传热初期低估桩壁过余温度以及传热稳定期高估桩体温度的问题;在典型的能源桩运行周期内,所提出的热响应半径计算方法误差在0.1 ℃以内,符合工程要求;能源桩传热过程中,土体的储热比随桩体热容、桩土间热扩散系数相对差异的减小而增大;桩壁过余温度及土体储热比均随桩径的增大而减小,随着传热时间的增加,不同桩径对应的桩壁过余温度差逐渐加大,土体储热比差值逐渐减小;相同换热功率作用下能源桩桩壁过余温度的变化率几乎不随传热时间增长而变化;传热90 d后,桩径对能源桩传热过程中能量传递分布影响不大。

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NaCl-MgCl₂-CaCl₂相图计算方法研究

李元媛, 张翔, 苗智昶

2022, 43(10): 395-399. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0454

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为满足规模化太阳能热发电中对传热蓄热的要求,针对储能材料开展探究。以熔融盐热物性及经济性作为筛选条件,选定来源广泛、价格低廉、工作温度范围宽、黏度低、相变潜热大的NaCl、MgCl₂和CaCl₂三元熔盐体系开展深入研究。应用修正的准化学溶液模型,在子二元系基础上推导计算三元混合熔盐NaCl-MgCl₂-CaCl₂相图。结果表明,该熔盐混合物共晶点温度为412.45 ℃,NaCl、MgCl₂和CaCl₂的摩尔分数分别为50.99%、22.78%和26.23%,与已有文献数据相比,误差在3%以内,验证了方法的准确性,为构建熔盐氯化物相图数据库奠定了部分基础。

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考虑复合储能电站接入的电网日前-日内两阶段滚动优化调度

王振浩, 马爽, 李国庆, 边竞

2022, 43(10): 400-408. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0444

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为提高电力系统对光伏的接纳能力,降低光伏波动对电力系统运行的影响,提出一种考虑电池储能-抽水蓄能复合储能的电力系统日前-日内两阶段“源-储-荷”协调优化调度策略。首先,在日前调度模型中,以最小化系统总运行经济成本为目标,综合复合储能资源和负荷侧各类需求响应资源对电网进行双端协调优化。然后,在日内短时间尺度上,供需双端协调优化机组出力与需求侧响应,充分发挥抽水蓄能的调峰能力以及电池储能对光伏波动的抑制作用。所提模型通过CPLEX软件求解,算例结果验证了该模型能协调优化系统内各类可调节资源,有效降低系统弃光率。

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基于压缩空气储能的CCHP系统特性研究

韩中合, 胡庆亚, 李鹏

2022, 43(10): 409-415. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0406

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以先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）为基础,构建冷热电联产（CCHP）系统,对比4种不同储气室和运行方式方案下的系统特性,并针对关键参数进行敏感性分析。结果表明,采用恒温储气室且滑压运行时系统储能效率和效率最高;采用恒温储气室且恒压运行时系统能量密度最高。第二级换热器损最大,是提高系统性能时的首要优化目标。当换热器效能提高时,储能效率、效率均出现折点。储气室最大压比越大,系统储能效率和效率越低,能量密度越高。采用恒温储气室时,系统不受压缩/膨胀影响;采用恒壁温储气室时,较高的压缩/膨胀功率有利于提高储能效率和效率,但压缩功率升高会降低能量密度。

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计及储能放电折损的风储一次调频配置优化方法研究

杨帆, 王维庆, 王海云, 程静, 李笑竹, 余佳英

2022, 43(10): 416-423. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0386

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以风储联合参与一次调频为背景,以风储联合系统调频收益最大化为目标,提出一种考虑季节性出力差异和储能不同荷电状态放电折损模型的容量配置方法。其次,根据调频特性和放电折损模型提出一种合理可靠的储能始末平衡充电方法。最后采用粒子群算法求解问题,分析储能变寿命模型下陆上季节性出力差异以及不同储能容量、下限对储能配置的影响。结果表明：所提方法能延长储能使用价值,有效提高风储全天候调频能力和收益。

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基于多储能技术经济性比较的可再生能源发电系统多目标容量优化

郭苏, 何意, 阿依努尔·库尔班, 宋国涛, 王豪威, 裴焕金

2022, 43(10): 424-431. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0314

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研究基于蓄电池、熔盐储热、抽水蓄能及储氢技术经济性比较的可再生能源发电系统多目标容量优化。该容量优化模型以最小化平准化度电成本及失负荷率为目标,应用4种代表性多目标进化算法进行求解。提出基于超体积的多目标算法综合评价指标,此外考虑了储能运行特性及资源不确定性提高仿真计算的准确性。算法性能比较结果表明,非劣排序遗传算法的平均排序等级为1.6,其具有最优的综合性能;储能的定量技术经济性比较结果表明,不同可靠性条件下熔盐储热系统的经济性均为最优;不同负荷曲线及不同资源水平的敏感性分析验证了储能经济性比较结果的有效性。

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一种谐振型双半桥+全桥三端口DC-DC变换器

吴俊娟, 燕祥伟, 孙孝峰, 王晓寰

2022, 43(10): 432-442. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0285

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提出一种谐振型双半桥+全桥三端口DC-DC变换器,各端口间均可实现功率双向流动。首先,分析该三端口DC-DC变换器的工作原理;其次,建立变换器稳态模型并分析功率传输特性和软开关特性;然后,对端口间功率耦合原因进行分析并提出硬件解耦方法;最后,通过磁集成降低磁元件数量,并通过仿真和样机实验验证所提三端口变换器硬件解耦的可行性以及磁设计和控制方案的正确性。

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风光接入下储能系统双层优化模型

朱志莹, 郭杰, 于国强, 徐明志, 胡尊民

2022, 43(10): 443-451. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0274

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提出一种风光接入下储能系统的双层优化模型,综合考虑规划和运行2个不同时间尺度问题的相互影响。外层考虑储能系统配置下的全网总成本,用改进粒子群算法迭代求解;内层考虑储能参与下的电网运行成本,采用CPLEX进行求解。在改进的IEEE 10机39节点系统进行仿真验证,结果表明所提模型可得到合理的储能配置方案,在对比不同情景下的经济指标可得到双储能配置为仿真系统的最佳方案。

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基于圆柱形单元的储热装置放热实验研究

方桂花, 连小刚, 张振华, 谭心

2022, 43(10): 452-457. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0161

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蓄热水箱作为太阳能供暖系统的重要核心设备,其性能直接影响着储能系统的整体运行效率。设计一种基于圆柱形相变单元的相变储热装置,并搭建相变蓄热水箱性能测试平台,通过单一控制变量法得到储热装置放热过程的温度变化曲线。研究表明：对于空间一定的储热装置,在等质量相变材料（PCM）时,相变单元的直径对装置放热速率的影响较大;相变单元之间的间距对装置放热速率的影响较小;当增大换热流体（HTF）的入口流量及降低HTF入口温度时,能大大减少储热装置的放热时间,提高储热装置的整体性能。

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基于MMC-PET的直流微电网综合控制策略

赵振民, 程静, 王维庆, 张陵, 南东亮

2022, 43(10): 458-464. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0144

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为提升智能配电网电能质量,提出一种基于模块化多电平型电力电子变压器的直流微网构架及其综合控制策略,对分布式电源并网方式进行简化,设计MMC-PET及风光储系统的控制器,对智能配电网中电压深度跌落、三相不平衡等电能质量问题进行治理。在PSCAD/EMTDC平台搭建基于MMC-PET的直流微网风光储系统仿真模型,进行仿真分析总结,结果表明该方法很大程度地提高了新能源接入适应性,具备更快的动态响应速度和更强的鲁棒性,能有效改善智能配电网电能质量。

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MILD条件下氢-天然气混合燃烧特性及排放物分析

滕霖, 李西贵, 武玥, 刘斌, 王兰, 李卫东

2022, 43(10): 465-471. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0294

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针对目前天然气掺氢后燃烧效率及氮氧化物排放研究较少的问题,应用组分输运模型、涡耗散概念燃烧模型和Do辐射模型,结合GRI-22化学反应机理,建立柔和燃烧模拟模型,通过与实验结果对比验证了模型的可靠性,进一步应用该模型分析不同掺氢比例对燃烧特性的影响。结果表明,随着掺氢比例增加,燃料与氧化剂的混合程度逐渐提高,混合气体的径向分量不断减小;由于反应速率和放热速率提高,燃烧器内部的温度升高,热力型氮氧化物含量增高,主要集中于燃烧器后端;燃料进口速度增大会导致燃烧器内燃烧不完全、出口处温度降低,氧气浓度升高,氮氧化物含量降低。研究发现,天然气中掺入氢气更有利于达到柔和燃烧条件。

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基于多目标递阶模型预测理论的MMC能量协同控制研究

夏向阳, 徐雷, 易海淦, 陈凯平, 敬华兵, 刘放平

2022, 43(10): 472-481. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0498

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基于模块化多电平换流器的高压直流输电系统（MMC-HVDC）具有广阔的发展前景,针对常规控制方法在不平衡网压下存在控制复杂且换流器内部能量难以控制等缺陷,提出基于多目标递阶模型预测理论的模块化多电平换流器（MMC）能量协同控制策略。该方法通过优化控制各桥臂的各电流分量来调节MMC功率分布,实现交流侧三相电流与换流器内部能量平衡的协同控制;为简化控制复杂度、降低控制计算量,对传统模型预测控制进行优化,建立相应的预测模型和目标函数,并将控制目标划分为内部和外部特性的分层控制,利用外部特性控制的最优解及内部特性分析结果,优化内部特性控制的寻优范围。最后,通过仿真和实验的结果验证所提出的控制策略能更快实现正常及交流侧不平衡工况下的换流器安全稳定运行。

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兼顾公平性的多能源合作博弈优化调度

王芸芸, 马志程, 周强, 董海鹰

2022, 43(10): 482-492. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0408

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针对含高比例可再生能源的电力系统运行经济性和调度公平性问题,提出一种多种能源参与的双层优化调度模型。该模型考虑经济性的同时从两方面体现公平性：上层模型中首先将风电场、光伏电站、抽水蓄能电站和需求响应负荷聚合成虚拟电厂（VPP）,其次,将虚拟电厂作为大电网的一部分参与优化调度,采用基尼系数表征公平性并作为约束条件,以总成本最低为目标函数建立兼顾公平性的多能源经济优化调度模型,最后,将上层VPP的求解结果作为下层优化调度的输入变量;下层模型中基于合作博弈理论建立以VPP内部成员为博弈参与者,以各参与者收益最大为目标函数的合作博弈模型,采用均衡度对比不同联盟组合下各主体的收益分配公平性,对比均分法、按出力分配法及Shapely值法的收益分配均衡度。采用智能优化算法结合CPLEX求解器求解模型,应用实例验证模型的有效性和正确性。

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表面疏水性对结冰切向粘结强度影响试验研究

石磊, 李岩, 冯放, 郭文峰, 赵斌

2022, 43(10): 493-498. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0372

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通过在试样表面制备不同疏水强度的涂层,在-8 ℃及-12 ℃温度下对静态冰和冲击冰2种成冰方式的切向结冰粘结强度进行测试,获得多个工况的切向结冰粘结强度。结果表明：随着温度的升高,无论是静态冰还是冲击冰,结冰粘结强度均呈下降趋势;静态结冰时,疏水性表面能有效降低结冰粘结强度,冲击结冰时,由于接触界面出现霜冰层,疏水性涂层对降低结冰粘结强度的效能较弱。

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一种集成Y源网络的高升压DC-DC变换器

张民, 周明珠, 韦正怡, 郭硕, 褚丰齐, 丁新平

2022, 43(10): 499-506. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0339

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提出一种集成Y源网络的高升压DC-DC变换器。合理利用Y型支路,一路绕组匝比大于1,另一路绕组匝比小于1,选择合适的匝比组合,能实现比传统耦合电感更高的电压增益。在实现电压高增目的的同时,降低了开关管的电压应力。所提变换器具有传统Boost变换器输入电流连续的优点,且输入电流纹波小,这有利于电池、燃料电池和光伏组件应用。加入的无源钳位结构可将开关管关断时电压尖峰钳位至较低的电容电压,提高了变换器效率、减小了变换器的电磁耦合影响。实现了耦合电感器的零电流偏置,便于小磁芯体积的选择和低磁芯损耗。该文针对所提变换器的工作原理、特性以及参数设计进行详细说明。实验室搭建一台200 W的28 V输入和380 V输出的实验样机验证了所提变换器的可行性。

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含分布式能源的配电网双层优化运行策略

陈倩, 王维庆, 王海云

2022, 43(10): 507-517. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0326

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为响应“碳达峰、碳中和”的号召,兼顾分布式能源（DG）参与下配电网运行的经济性和环保性,该文构建一种含DG的配电网双层优化模型。该模型以DG投资运行成本及环境效益为上层目标对DG进行优化配置,并以网损和电压偏移度成本为下层目标对配电网进行无功优化。针对模型特点,提出改进麻雀算法进行模型求解,增加Tent混沌映射初始化种群,引入萤火虫扰动机制改进操作算子并优化越界处理机制维持种群多样性。仿真结果表明,该模型能有效提高配电网运行的经济环保性,并验证了改进麻雀算法在求解复杂非线性非凸含离散变量的复杂组合优化问题上的优势。

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应用于谐波放大治理的统一阻抗适配器研究

李飞, 刘孟桃, 张兴, 马铭遥

2022, 43(10): 518-523. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0323

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在高渗透率电网环境下,多逆变器并网系统更易出现谐波放大甚至失稳的问题。众多学者致力于通过并联阻抗适配器来缓解这个问题,但其既不易实现过小阻抗的虚拟,也无法有效抑制电网背景噪声的放大。针对上述问题,提出统一阻抗适配器,弥补并联阻抗适配器的不足。首先基于阻抗模型对弱网下多逆变器电网络耦合系统的谐波放大机理进行分析,明确了系统谐波放大甚至失稳的原因——系统欠阻尼特征和谐波源。其次介绍了并联阻抗适配器解决上述问题的机理与不足之处。再次,提出一种在并网点虚拟谐波段串并联阻抗相结合的统一阻抗适配器,解决系统谐波放大问题,提高并网电流的质量。最后搭建RT-LAB硬件在环仿真实验平台,验证了所提方案的有效性。

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中国太阳能资源评估及其利用效率研究进展与展望

姚玉璧, 郑绍忠, 杨扬, 张民, 赵继锋, 李强

2022, 43(10): 524-535. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0141

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围绕太阳能资源分布特征、资源潜力评估和太阳能利用效率的研究,从中国太阳能资源估算及其分布特征、中国太阳能资源潜力评估、太阳能利用方式及其太阳能利用效率研究、光伏发电效率评估、气候变化因子对光伏发电效率的影响等方面,归纳凝练了太阳能资源评估及其利用效率研究的主要成果。结合相关研究的国际前沿、热点问题和社会经济发展需求,剖析了研究中存在的不足和问题;提出加强气候变化背景下太阳能高辐射区光能资源变化新特征研究、深化太阳能高辐射区太阳能发电效率评估研究、深入开展气候变化因子对光伏发电效率的影响及其机制的研究、细化光能开发潜力评估、进一步完善光伏发电效率预测系统、推动绿色低碳社会经济发展等中国未来太阳能资源评估及利用研究需要重点关注的方向。

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中国不同气候区逐日直散分离模型适用性分析及通用计算模型优化

周勇, 刘艳峰, 王登甲, 刘晓君

2022, 43(10): 536-542. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0218

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利用中国5个气候区59个气象台站1981——2010年的日值气象数据,对比分析8个散总比和3个散射系数直散分离模型在中国不同气候区的适用性。采用判定系数（R2）、均方根误差（RMSE）、平均绝对误差（MABE）、平均误差（MBE）和全局性能系数（GPI）5个误差评价指标,确定各气候区最适宜的模型形式。以该模型为基础,建立适用于中国不同气候区的散总比和散射系数逐日直散分离通用模型。结果表明,除线性形式散射系数模型精度较差外,其他模型计算精度均较高,散总比和散射系数模型平均R2分别为0.85和0.62;基于晴空指数-日照百分率的二次多项式散总比模型和基于日照百分率三次多项式散射系数模型在不同气候区精度均最高;以该模型为基础建立中国不同气候区散总比和散射系数逐日直散分离通用模型,其平均R2分别为0.89和0.70。

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