太阳能学报

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龚晔, 许天福, 袁益龙, 辛欣, 朱慧星

2022, 43(11): 1-8. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0185

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该文采用高压旋喷灌浆技术对近井储层进行改造,通过在井壁周围形成高渗透泡沫砂浆旋喷桩,结合降压来提升水合物开采效率。以印度K-G盆地NGHP-02-16站位砂质水合物储层为研究对象,构建近井储层改造强化水合物降压开采模型,利用TOUGH+Hydrate对所提方法的增产效果进行数值分析和定量评价。结果表明：近井储层改造能有效提升水合物降压开采效率;水合物开采效率随旋喷桩改造半径和渗透率的增加而增加,但不受旋喷桩孔隙度的影响;降压幅度增大可进一步提升近井储层改造结合降压开采的增产效果。

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高轨卫星三结砷化镓太阳电池阵抗辐射设计

习成献, 刘迎春, 林宝军, 王学良, 蒋桂忠, 孔陈杰

2022, 43(11): 9-13. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0183

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分析空间辐射效应对三结砷化镓（TJ-GaAs）太阳电池阵的影响,结合地面试验结果对太阳电池阵进行抗辐射设计,并在某倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星上进行验证。通过对在轨卫星5 a的遥测数据分析,得出太阳电池阵输出功率因辐射效应造成的衰减规律,最后与设计方案进行比较,有效验证了抗辐射设计的数学模型,可为其他中高轨道卫星太阳电池阵的设计提供参考。

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p型铸造单晶硅光注入再生后LID与LeTID的机制分析

程尚之, 周春兰, 王文静

2022, 43(11): 14-19. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0182

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光致衰减（LID）与热辅助光诱导衰减（LeTID）是晶硅太阳电池的2种主要衰减,其典型光注入条件分别为25 ℃、1 sun（LID环境）和75 ℃、1 sun（LeTID环境）。从有效少子寿命的角度研究p型铸造单晶硅的衰减机制。200 ℃、7 suns光注入处理过程中样品少子寿命先下降后恢复,这一过程称为光注入再生处理。在LID环境下,无光注入再生处理的样品具有快速与慢速2个衰减阶段,光注入再生处理的样品只有快速衰减阶段。计算两组样品带隙中央附近的缺陷电子/空穴俘获截面比k约为7,表明其中缺陷与直拉单晶硅（Cz-Si）中的BO缺陷相同。对光注入再生处理的样品,在LeTID环境下的衰减阶段计算出k约为35,此数值与多晶硅（mc-Si）中LeTID缺陷的一致。

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辐射对太阳电池光电输出性能影响的定量研究

张建新, 刘昶时

2022, 43(11): 20-25. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0148

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该文定量研究电子和质子辐射对太阳电池输出特性的影响。首先,证实作者前期工作得到的太阳电池输出电流-电压（I-V）模型仍适用于高能粒子辐射后的太阳电池;其次,由太阳电池输出电流-电压特征量定义一个等效电阻（Req）。采用最小二乘方曲线拟合方法,找到能够定量描述太阳电池能量转化效率（PCE）与等效电阻（Req）的关系,并且定量解释了经历电子和质子辐照的太阳电池的等效电阻（Req）同辐照剂量的关系。最后,扩展这个模型用于定量描述太阳电池外量子效率（EQE）与入射光子能量（hν）的关系,经拟合验证,该模型与实验数据十分吻合,理论同实验结果的相关系数R大于0.98,平均相对误差（ARE）小于3%。

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波浪作用下浮式光伏组件基座水体交换实验研究

陈维, 刘文龙, 蒋茗韬, 毛晨浩

2022, 43(11): 26-32. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0191

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采用平面激光诱导荧光（PLIF）方法,对波浪作用下浮式光伏组件基座的交换通量进行定量分析。设计不同开孔交换面积的浮箱模型,并在不同波高和温度下进行实验。实验结果表明,水体在基座内停留时间与波高、基座单元间的连通面积及单元内水体与环境水体的温差有关,波高的影响最大,温度次之,连通面积最小。

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基于表面改性的光伏组件冷凝除尘特性研究

廖智兴, 刘全兵, 黄斯珉, 元武智

2022, 43(11): 33-40. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0615

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制备5种不同润湿性表面,并在冷凝条件下进行光伏组件表面灰尘自清洁实验,分析不同表面冷凝除尘的过程、机理以及除尘效果。结果表明：在实验条件下,超亲水表面、亲水表面和疏水表面均无法实现冷凝除尘,而超疏水表面和超滑表面上冷凝液滴以滚动方式除去表面76%以上的灰尘。相较于亲水型表面,疏水型表面冷凝干燥后能有效减少表面灰尘相对覆盖率,进而减少灰尘遮挡对光伏发电的影响。超疏水表面滚动液滴较小且速度快,除尘更早发生;而超滑表面滚动液滴较大且速度慢,但与表面接触面积大,清扫范围广。冷凝除尘主要依靠灰尘颗粒与冷凝水之间的界面力,液滴发生运动的临界直径越小越有利于除尘。

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一种能够抑制共模电流的单级单相Buck-Boost光伏逆变器

王立乔, 陈建医, 武晨

2022, 43(11): 41-49. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0578

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该文给出一种能抑制共模电流的单级单相Buck-Boost光伏逆变器,该逆变器是通过将H桥逆变器与Buck-Boost斩波电路级联以及对相关的元件进行复用并对电路进行简化得到的,可同时实现升降压以适应宽输入范围的直流侧电压,无电解电容应用且具备有效抑制漏电流的能力,保证系统的可靠性和安全性,非常适用于中小功率光伏系统。此外,利用一种基于调制波重构的非线性调制策略,能显著降低直流侧储能电感大小,有效提高功率密度,实现均衡升降压。详述其工作原理,通过共模分析验证其能对阴阳两极漏电流实现有效抑制以及新型调制策略下可实现均衡升降压控制。在理论分析基础上,完成逆变器并网控制的仿真和实验,结果与理论分析相契合。

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光伏准Z源H桥级联多电平逆变器并网调制技术

孟志强, 邵武, 唐杰, 尹进田

2022, 43(11): 50-59. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0544

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该文针对光伏准Z源逆变器的运行特点,基于逆变器两态滞环电流控制工作原理,提出一种能使逆变器直通实现光伏MPPT的三态滞环控制器和单相准Z源级联逆变器三态滞环控制系统,分析三态滞环控制器的工作原理,并用三单元准Z源级联逆变器系统仿真,对比研究三态滞环控制、载波层叠法和载波移相法的控制效果。仿真结果表明,三态滞环控制调制策略表现出更好的稳态和动态响应性能,其并网电流谐波畸变率更小。

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改进型准Z源单相逆变器非线性动力学研究

曹益畅, 丁新平, 韦正怡, 王凤莲, 周明珠, 李恺

2022, 43(11): 60-67. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0496

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提出改进型准Z源逆变器,通过集成改进的“倍压单元”提高逆变器的升压能力,减少输出电压的谐波含量。高阶非线性系统参数设计不当会使系统进入次谐波振荡和混沌等状态。针对逆变器非线性行为导致系统参数设计复杂及失稳现象,构建CCM模式下含有二倍频纹波的动力学模型,研究PI控制下的变换器非线性行为,分析不同输入参数和二倍频纹波对系统稳定性的影响,为改进型准Z源逆变器的参数优化和稳定设计提供参考依据。最后搭建1000 W样机验证理论分析的正确性。

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适用于光伏直流升压变换器的故障诊断及保护策略

张鑫宇, 樊艳芳, 马健, 王一波

2022, 43(11): 68-77. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0511

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以输入并联输出串联（IPOS）型Boost全桥隔离变换器（BFBIC）为研究对象,针对其内部故障发生后无法迅速定位的问题,提出基于波形积分法的故障诊断策略。该策略通过选取变换器内部固定测量点,基于运行机理分析变换器发生硬故障或直流汇集线路故障时各电气量的波形特征,并通过总结特征规律对故障位置进行识别。针对现有冗余桥臂方案在BFBIC-IPOS上不适用的问题,提出利用冗余升压单元实现内部故障穿越的保护策略。该策略通过更改器件参数及冗余单元备用状态,避免升压单元投切过程中的过流、过压问题。最后,通过PSIM建模仿真,验证故障诊断策略及冗余保护策略的有效性。

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基于GRU神经网络的光伏电站数据预处理方法

王丽朝, 孟子尧, 陈诗明, 许盛之, 龚友康, 赵颖

2022, 43(11): 78-84. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0521

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光伏电站数据为时间序列数据,会受到通信传输、逆变器采集等因素的影响而包含大量异常数据,故该文研究一种基于深度学习的光伏电站数据预处理算法,进行数据清洗等预处理。一方面,根据组串逆变器的工作特性,对光伏电站数据的常见异常类型进行分析标记,结合滑动窗口法划分数据,构建用于深度学习训练的光伏电站数据集。另一方面,从激活函数、损失函数以及隐藏层等方面优化GRU神经网络模型,并利用自建数据集对该模型进行训练和测试。测试结果表明：该模型在实际光伏电站数据上的处理准确率达99.84%。

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基于SOM聚类和二次分解的BiGRU超短伏功率预测

董雪, 赵宏伟, 赵生校, 卢迪, 陈晓锋, 刘磊

2022, 43(11): 85-93. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0518

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提出一种基于自组织映射网络（SOM）聚类和二次分解的双向门限循环网络（BiGRU）超短期光伏功率预测方法。首先利用SOM聚类方法将输入数据进行天气分型聚类,以应对不同天气状态对光伏功率输出特性的影响;然后采用奇异谱分析和变分模态分解相结合的二次分解方法进行原始信号分解,减少信号的波动性,降低光伏数据特征映射的复杂度;最后将分解后的信号作为输入,采用BiGRU网络进行时序信息建模,有效结合不同时刻的信号特征,进一步提升功率预测的准确率。与其他几种经典方法相比,该文方法有效提升光伏功率预测的效果。

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太阳能聚光光伏-膜蒸馏海水淡化复合系统研究

王革, 梁深, 马兴龙, 郑宏飞, 李正良, 陈名贤

2022, 43(11): 94-99. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0175

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提出一种可在海岛或偏远地区同时产生电力和淡水的聚光光伏-膜蒸馏海水淡化复合系统。对该系统的工作原理以及结构设计进行介绍。对系统的聚光结构进行光学仿真,研究汇聚到太阳电池上的光线接收率及能流密度的均匀性,结果表明,入射角在15°以内时,位置聚光比方差均小于0.8。在实际天气条件下对系统进行实验研究,结果表明,在夏秋季太阳辐照度为800 W/m²的条件下,系统每小时淡水产量可达375.8 g/m²,产水效率可达33.1%,每小时平均输出功率可达61.7 W/m²,电效率为8.0%,系统整体效率可达41.3%。在冬季条件下,对光伏发电功率和发电效率影响不大,但对装置的产水量有较明显的影响,但产水效率仍可达到26%以上。

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不同辐射模型对太阳能烟囱数值模拟影响研究

聂晶, 王静文, 贾靖, 闫素英, 苏昊, 高虹

2022, 43(11): 100-105. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0612

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以太阳能烟囱发电（SCPP）系统为研究对象,比较定热流密度、离散纵坐标（DO）辐射模型、表面对表面（S2S）辐射模型对SCPP温度、速度等性能模拟结果,将3种模型模拟结果与试验数据对比,选择更合适的辐射模型应用于SCPP数值模拟。结果表明,S2S辐射模型集热棚出口流体最大速度比定热流密度和DO辐射模型分别高0.13、0.36 m/s;S2S辐射模型沿烟囱入口流体最大湍流黏度比定热流密度和DO辐射模型分别高16.87%、8.44%;定热流密度、DO辐射模型、S2S辐射模型沿集热棚半径流体温度与试验结果的误差分别为3.09%、0.98%、10.14%。DO辐射模型更适合SCPP系统的数值模拟计算。

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基于生物质碳的界面光热蒸发实验研究

吴琳, 王军, 范奇, 焦青太

2022, 43(11): 106-111. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0475

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具有多孔结构的生物质碳可作为光热材料应用于界面光热蒸发。该文对具有不同表面形貌和多孔结构的多种生物质碳（碳化木块、榴莲壳与百香果皮）进行界面光热蒸发实验研究。研究结果表明：界面光热蒸发因良好的热限制实现了更高的光热利用率,复杂的表面形貌和多孔结构能进一步提升生物质碳的蒸发速率与光热利用率。其中,碳化百香果皮实现最佳的蒸发性能：一个标准太阳下的蒸发速率达到1.27 kg/（m²·h）,光热利用率为88.6%。同时,生物质碳对盐度为3%（质量分数）的人工海水的脱盐率均高于99.5%。因此,生物质碳具有较好的海水淡化应用前景。

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塔式外置式吸热器多区域涂层优化与性能分析

黄一航, 裴刚, 杨洪伦, 曹静宇, 关学新

2022, 43(11): 112-118. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0163

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为减少塔式太阳能吸热器在高温下快速增加的辐射热损,基于聚光太阳辐射的空间分布不均匀特性,提出并优化一种在吸热器表面不同入射能流区域采用不同光谱选择性吸收涂层的多区域涂层设计方法,并与均一选择性吸收涂层和传统灰体涂层吸热器进行热损性能、全天适应性和全年性能的对比分析。结果表明：在中国帕里地区,吸热器进口温度为290 ℃、出口温度为800 ℃的条件下,多区域涂层对比传统灰体涂层和均一选择性吸收涂层吸热器在典型日12月21日中的辐射热损分别降低89.8%和75.7%,总热损分别降低63.9%和38.5%;全年光热转换效率可分别提升8.1%和2.4%。

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适合于太阳能热发电的锰铁锂复合金属氧化物储热特性与热化学反应机理

肖刚, 彭记康, 袁鹏, 向铎, 倪明江

2022, 43(11): 119-124. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0047

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提出在锰基氧化物中添加Fe₂0₃和Li₂0,构建锰铁锂三元复合金属氧化物,降低热化学储热反应温度,更好地满足新一代太阳能热发电系统需求。实验发现,与Mn₂O₃相比,新生成的Li₂FeMn₃O₈复合氧化物的还原反应初始温度由773℃降低至622℃;还原反应活化能从797.10 kJ/mol降低至132.44kJ/mol;氧化反应由难以进行,变为从590℃开始进行;氧化放热量增至209.40 kJ/kg;经过105次循环后仍保持良好的循环反应稳定性。

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1961—2017年黄河源区日照时数变化趋势响因子分析

汪治桂, 王兴丽, 王建兵, 姚玉璧, 吉哲君, 赵慧珍

2022, 43(11): 125-131. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0577

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利用黄河源区7个气象站1961—2017年的日照时数、平均总云量、降水日数、相对湿度等地面气象观测资料,对近57年黄河源区日照时数的变化趋势及影响因子进行分析。发现黄河源区年日照时数的空间分布呈北多南少的特点,位于北部的玛多、兴海日照时数最多,而位于南部的久治、红原最少;各季节日照时数的空间分布特征与年日照时数相似。黄河源区日照时数的年际变化表现为兴海、红原的年日照时数呈下降趋势,下降趋势分别为-28.6 h/10 a、-18.4 h/10 a,其余各地均呈上升的趋势,玛多上升趋势最明显,为22.4 h/10 a。黄河源区日照时数的月际变化表现为明显的三峰二谷的特征,4、8、11月份为3个高值时段,6、9月份为2个低值时段,其中9月份日照时数为全年最低。周期分析结果表明：黄河源区日照时数的周期变化主要以2 a、4~6 a、10~13 a和22~30 a周期为主。源区日照时数和平均总云量、降水日数、相对湿度呈明显的负相关;空间分布上随总云量、降水日数、相对湿度自南向北的减少日照时数明显增多;日照时数与总云量的相关性最好,尤其季节总云量的变化对年日照时数的变化影响最敏感。源区总云量与日照时数在空间分布上恰好相反。降水日数、相对湿度的减少也是源区日照时数增加的一个重要原因。黄河源区太阳能资源丰富,且黄河源头—吉迈区间日照时数呈持续增加的趋势,有利于太阳能资源的开发和利用。

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实用多朝向太阳辐照度概率密度函数研究

张娅琴, 徐政, 于海衡, 邱宗旭

2022, 43(11): 132-139. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0192

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利用安装在国内多地12朝向太阳辐照度远程监测系统所采集的数据,分析和比较不同地区的太阳辐照度概率分布特性,针对其截断双峰性、时序周期性和不确定性的基本特征,选用双贝塔混合模型,构建不同朝向、不同时间尺度（年、月、时）的太阳辐照度概率密度函数,搭建相应的数据库,为光伏发电系统的规划与建设提供科学依据,为大型光伏电站对电网安全与稳定运行影响的研究提供数学模型。

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基于多层语义融合注意力机制的短期风电功率概率密度预测方法

綦方中, 卓可翔, 曹柬

2022, 43(11): 140-147. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0138

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获得未来风电功率的短期概率性信息将有助于电网的综合能源调度,为此提出一种结合多层语义融合注意力机制的短期风电功率概率密度预测方法。为尽可能获得更多语义层下的编码信息,在编码阶段引入循环高速网络（RHN）并通过深层的RHN网络结构最大程度地提取输入特征的底层关联信息。设计多层语义融合注意力机制以融合不同语义层下的局部注意力向量,进一步加强编码特征向量的表达能力,并将网络的输出与分位数回归和核密度估计方法结合,得到不同分位点下未来短期风电功率的预测结果与连续概率密度分布。实验结果表明：提出的短期风电功率概率密度预测方法不论是在预测的得精度上,还是在具有不确定性的预测结果分布上均优于其他比较模型。

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不平衡数据集下优化WGAN的风电机组齿轮障诊断方法

苏元浩, 孟良, 许同乐, 孔晓佳, 兰孝升, 李云凤

2022, 43(11): 148-155. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1479

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针对不平衡数据集下风电机组齿轮箱故障诊断准确率低以及故障特征不明显的问题,提出峭度指标与遗传算法优化Wasserstein距离生成对抗网络（WGAN）的故障诊断方法。首先将峭度指标作为语义标签映射到卷积层规格化故障特征,其次在反卷积网络中对宏基因组二进制编码并权重初始化,然后对不平衡样本集进行多点交叉和高斯近似变异,重点搜索局部故障点,最后将峭度作为有标签的负例输入判别器网络,重构反卷积和VGG神经网络提高权重剪裁,使WGAN网络成为半监督学习模型,正向判断更新权重并输出诊断结果。实验表明：该方法在不平衡数据集下诊断准确率达到98.69%,拥有更高的泛化能力和特征提取能力,实现了故障特征的增强。

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基于卷积和共享权系数长短时记忆网络时融合机制在风速预测上的应用研究

王华彪, 鲁冠军, 李小勇

2022, 43(11): 156-165. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1362

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针对对于风能规划和应用都具有重大影响的风速存在强随机性问题,该文提出结合卷积神经网络（CNN）和共享权重长短期记忆网络（SWLSTM）的空时融合模型（CSWLSTM）,充分提取风速序列中蕴含的空域和时域信息,以提升预测精度。此外,为了获得可靠的风速概率预测结果,提出一种新的结合CNN、SWLSTM和高斯过程回归（GPR）的混合模型,称为 CSWLSTM-GPR。将CSWLSTM-GPR应用于中国内蒙古风速预测案例,从点预测精度、区间预测适用性和概率预测综合性能3个方面与相同结构的CNN和SWLSTM模型的风速预测方法进行比较。CSWLSTM-GPR的可靠性测试保证了预测结果的可靠性和说服力。实验结果表明,CSWLSTM-GPR在风速预测问题上能获得高精度的点预测、合适的预测区间和可靠的概率预测结果,也充分展现了该研究所提出CSWLSTM在风速预测方面具有较好的应用潜力。

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遗留桩坑对临近复合筒型基础倾斜率的影响

贾沼霖, 李新义, 练继建, 闵巧玲, 袁新勇, 张永旭

2022, 43(11): 166-171. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1075

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针对某海上风电项目,基于ABAQUS三维数值软件定量分析桩坑与复合筒型基础的距离、桩坑尺寸及深度等参数变化对复合筒型基础结构泥面倾斜率的影响,引入可反映桩坑充盈固结程度的系数γ与切线斜率K。结果表明：随着桩坑尺寸增加,复合筒型基础泥面倾斜率呈非线性增长,且均向桩坑所在方向倾斜;桩坑深度大于复合筒型基础入土深度时,基础倾斜率增长较快;研究表明筒型基础泥面倾斜率对大深度、近距离桩坑内部土体强度尤为敏感,拟通过该文研究为复合筒型基础风电机组安装船舶选型及布置提供理论依据。

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风电场风电机组机载风速仪状态自确认

周凌, 赵前程, 石照耀, 王宪, 阳雪兵

2022, 43(11): 172-178. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0709

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以风电机组机载风速仪为例,提出一种传感器状态自确认方法。利用多台风电机组风速的相关性,通过动态时间规整算法,选定一组风电机组群。构建基于自联想神经网络的风电机组群风速仪预测模型,采用历史正常数据通过麻雀搜寻优化算法对模型进行训练,根据实际值与预测值的关系对风速仪状态进行识别。通过仿真实验证明该方法可识别风速仪模拟异常状态,最后对某风场实际风速进行检测,结果显示能有效识别出风速仪的状态,实现风电机组风速仪状态的自确认。

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动态风工况下复杂地形风电场流场多尺度仿真

李林敏, 杨青, 潘航平

2022, 43(11): 179-185. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0550

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首先在秒级风速数据的基础上构建动态风速函数模拟真实风速工况,同时基于高程数据构建某真实复杂地形的三维结构图。基于格子玻尔兹曼方法并结合自适应格子排布,对复杂地形风电场非定常流场进行数值计算,得到该风电场的风资源分布。之后在典型位置布置2台2 MW风力发电机,考虑真实风力机叶片的动态旋转计算风力机及真实复杂地形在动态风工况下的流场。研究实际复杂地形和动态风速下风电场的风速分布及尾流结构演变规律。结果表明：该方法可实现对复杂地形在动态来流风速作用下的风资源分布预测,并考虑风力机小尺度尾流结构实现对真实风电场流场的多尺度仿真。

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海床冲刷对海上风电海缆及弯曲限制器的影响研究

陶伟, 刘溟江, 周国栋, 邱旭

2022, 43(11): 186-193. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0534

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该文以海上风电领域常用的海缆及弯曲限制器系统为研究对象,从系统所受荷载、结构特征、响应与失效特征出发,定性分析海床冲刷对系统结构响应的影响。同时借助海洋工程动力分析软件Orcaflex,建立数值分析模型并进行定量分析,以冲刷坑几何尺度、海缆松驰程度、J形管末端角度与喇叭口同海床相对高程等几何参数为变量,探讨海缆及弯曲限制器的拉伸和弯曲响应变化规律。结果表明上述参数显著影响海缆及弯曲限制器对海底冲刷的适应能力,相关研究结果可为海上风电海缆工程设计和运维管理提供参考。

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基于多层深度互信息变分网络的风电机组轴承故障预警方法

柏林, 晏锐, 刘小峰, 孔德斌, 王明迪

2022, 43(11): 194-202. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0513

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针对变工况复杂环境下风电机组轴承的早期故障潜隐性高且故障阈值设置困难的问题,提出一种基于多层深度互信息变分网络的轴承故障超前预警方法。该网络在变分自编码器的架构上进行多层编码拓展,采用解码信号的二次编码增强了变分网络对输入信号中噪声的鲁棒性,通过隐层变量与输入信号间最大化互信息以及与二次编码特征间的最大化互信息,提高了网络对轴承正常状态空间的建模能力。以二次编码特征与隐层变量的重构误差为基础,构建健康指数,结合三次递推指数加权移动平均模型设置与风电机组轴承工况环境相适应的健康基线。在2个风电机组轴承故障检测试验中的应用结果表明,该方法对比传统的基于模型重构的轴承早期故障检测方法,具有更高故障预警准确率和抗干扰能力。

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基于多状态空间划分的风电机组非完美维修决策

张晓红, 张剑飞, 何于港, 甘婕, 王金贺, 王欣洁

2022, 43(11): 203-214. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0507

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对风电机组的合理维护维修是减少风电场运维成本的重要方式。同一风电场的多台风力发电机构成了一个典型的多部件系统,各风力发电机的运行性能共同决定了系统整体的运行效率和维修需求。同时,对各风力发电机的维修效果也将影响到系统后续的可利用率和维修决策。该文以同一风电场中多台风力发电机的主轴组成的同型多部件系统为对象,在考虑非完美维修的条件下制定基于周期检测的视情机会维修策略;构建考虑非完美维修的多状态退化空间划分模型,以定义系统状态与维修需求的表示及关系,并归纳推导系统维修需求概率的计算模型和非完美维修干预下的系统退化及维修恢复过程中的状态转移概率;在此基础上,建立系统平均费用率解析模型,以确定最优的检测周期和维修阈值。通过某风电场的主轴实际运行数据进行数值实验,验证策略和模型的正确性和有效性,并对参数进行灵敏度分析以说明模型的适用性。结果表明该策略能有效减少风电场的运维成本。

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基于深度卷积自编码器的风电机组故障预警方法研究

刘家瑞, 杨国田, 杨锡运

2022, 43(11): 215-223. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0506

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通过风电机组状态监测进行故障预警,可防止故障进一步发展,降低风场运维成本。为充分挖掘风电机组监控与数据采集（SCADA）各状态参数时序信息,以及不同参数之间的非线性关系,该文将深度学习中自动编码器（AE）与卷积神经网络（CNN）相结合,提出基于深度卷积自编码（DCAE）的风电机组状态监测故障预警方法。首先基于历史SCADA数据离线建立基于DCAE的机组正常运行状态模型,然后分析重构误差确定告警阈值,使用EMWA控制图对实时对机组状态监测并进行故障预警。以北方某风电场2 MW双馈型风电机组叶片故障为实例进行实验分析,结果表明该文提出DCAE状态监测故障预警方法,可有效对机组故障提前预警,且优于现有基于深度学习的风电机组故障预警方法,可显著提升重构精度、减少模型参数和训练时间。

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基于统计模型的短期风能预测方法研究进展

赵泽妮, 云斯宁, 贾凌云, 史加荣, 贺宁, 杨柳

2022, 43(11): 224-234. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0500

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以确定性短期风能预测为出发点,综述常用的4种统计模型的研究进展,包括时间序列方法、人工神经网络、支持向量机和深度学习。针对基础统计模型预测效果不佳的问题,提出各类混合模型。数据预处理、优化算法与基础统计模型之间的组合,或人工神经网络与卷积神经网络、循环神经网络等深度学习模型之间的组合,对预测水平都有很好的提升作用。

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碳中和目标下风电消纳量的影响因素分析

平悦, 单永娟, 李诚

2022, 43(11): 235-241. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0495

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分别从风电产量、需求量、政策、硬件配套4个方面选取8项指标,通过多元回归分析和聚类分析法对全国31个省（市、自治区）年风电消纳情况进行定量分析。结果表明：电价是影响消纳的最主要因素,其次政策、配套设施也有较大影响;聚类分析中第3类地区风电消纳整体情况最优,主要体现在风资源情况、政策导向及电网配套方面。据此探讨未来风电消纳提升路径,并提出相应建议及措施：完善政策与制度支持,加快细节性政策的落实和制定;健全碳市场与可再生能源电力市场交易制度及交易体系,利用电价调控市场影响消纳;加强电网等配套设施建设。

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波浪作用下海上风电伞式吸力锚基础周围冲刷演变机制

胡瑞庚, 刘红军, 王秀海, 赵真, 时伟

2022, 43(11): 242-252. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0490

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以近海风电伞式吸力锚基础为研究对象,进行室内水槽试验和数值模拟,研究波浪作用下伞式吸力锚基础周围冲刷演变机制,分别基于Raaijmakers和Myrhaug模型,提出随机波浪小Keulegan-Carpenter数（KC）情况下伞式吸力锚基础周围平衡冲刷深度预测模型。结果表明：随机波浪下,波峰时形成的旋涡体系主导冲刷过程,此时基础上游逆压梯度最大,这有利于波浪边界层充分分离,形成马蹄形旋涡,马蹄形旋涡和桩侧流线压缩导致筒裙上游两侧约45°圆心角位置剪切流速最大,筒裙和锚枝的设置保护了该位置床面土体,使得最大冲刷深度位置位于锚枝之间。当KC采用KCs,p,且KCs,p<8时,修正Raaijmakers模型预测的平衡冲刷深度Seq'与计算值具有较好的一致性,当KCs,p>8时,预测值与试验值之间的误差变大,修正Raaijmakers模型过分估计了平衡冲刷深度。当KCrms,a<4,n=10时,修正Myrhaug平衡冲刷深度预测模型预测效果最好。

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涡流发生器弦向位置对翼型动态失速的影响机理

江瑞芳, 赵振宙, 王同光, 孟令玉, 陈明, 冯俊鑫

2022, 43(11): 253-258. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0484

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采用k-ω SST湍流模型,研究加三角翼涡流发生器（VGs）的DU91-W2-250翼段的动态失速过程,从升阻力系数、表面压力系数、流场、VGs脱落涡发展过程等方面,分析VGs弦向位置（x/c）对动态失速抑制作用的影响规律。结果表明x/c对翼型动态失速过程中的增升效果影响较大,VGs增大了翼型的失速攻角。升阻力及压力结果显示,x/c=0.25时增升效果最佳,翼段上表面压力系数Cp较大;x/c=0.20~0.25时尾缘附着流动较好;从涡量峰值变化看,x/c过大、过小时对分离涡的抑制作用有所减弱;从VGs脱落涡的变化看,x/c=0.20~0.25时VGs下游脱落涡强相对较大,旋涡耗散速度较慢。总而言之,VGs在x/c=0.20~0.25时对翼段气动性能提升效果最佳。

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基于自适应非奇异智能终端滑模观测器的风力机载荷增广预测控制

马磊明, 肖玲斐, 姜斌

2022, 43(11): 259-268. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0477

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为有效降低风力机在高风速运行时的不平衡载荷,提出一种基于自适应非奇异智能终端滑模观测器的载荷增广预测控制策略。首先,针对模型不匹配导致的模型预测控制性能下降的问题,将指令跟踪误差与系统状态的变化量增广为状态向量,设计增广预测模型以消除稳态跟踪误差;其次,设计自适应非奇异终端滑模观测器对系统状态进行估计,以提高控制系统的可靠性;然后,设计多目标变速灰狼优化算法同时对控制器和观测器参数寻优;最后,基于Simulink仿真平台验证了所提控制策略的有效性。结果表明,所提控制策略可有效消除稳态误差,缩短调节时间并提高控制性能。

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深水海上风电三筒导管架基础受力及浮运分析

朱航, 李孟超, 郭耀华, 杨旭, 王海军, 练继建

2022, 43(11): 269-276. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0471

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以中国福建某较深海域风电场为背景,提出一种海上风电宽浅型三筒导管架基础结构,继而通过建立考虑分层土体的基础整体有限元模型,对分层土中宽浅型三筒导管架基础静动力特性及浮运稳性展开研究。研究结果表明,正常荷载作用下此基础结构法兰倾斜率为3.98‰,满足规范要求：极限荷载作用下,基础结构各部位应力满足要求;基础-塔筒-机组整体共振校核满足要求：基础可在4级风浪以内的海况下进行自浮远距离拖航浮运;等效疲劳荷载作用下,基础结构疲劳损伤满足要求。

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基于DSVPWM的PMSG并联型GS-NSC研究

王梦涛, 任永峰, 乌森高乐, 钱智涌

2022, 43(11): 277-284. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0459

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为提高九开关变换器直流侧电压利用率,减少开关损耗,采用一种不连续空间矢量脉宽调制（DSVPWM）,同时将九开关变换器用于直驱式永磁同步风力发电机（PMSG）网侧构成并联型网侧九开关变换器（GS-NSC）。在对并联型GS-NSC控制策略、故障穿越方案进行理论分析的基础上,建立PMSG并联型GS-NSC仿真模型,设计多种电网电压故障工况对其进行仿真研究。结果表明,在电网电压正常工况下,并联型GS-NSC可维持电网电流的正弦波特性。在电网电压跌落工况下,并联型GS-NSC可向电网注入无功电流辅助电网电压的恢复,并通过提升并网电流幅值减少卸荷电路的功率损耗,降低PMSG散热负担。在电网电压骤升工况下,并联型GS-NSC可动态分配直流母线电压,避免因直流侧过压而导致PMSG退出运行。

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海上风电筒型基础结构体系阻尼特性研究

姜军倪, 董霄峰, 练继建, 王海军, 周欢

2022, 43(11): 285-291. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0341

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针对某筒型基础海上风电结构,基于实测振动响应数据,采用随机子空间法对所测海上风电结构的阻尼进行识别,研究海上风电筒型基础结构在停机及运行状态下阻尼的变化规律。结果表明：在停机状态下,海上风电筒型基础结构的顺风向阻尼和横风向阻尼均随外界风速的增大呈增长趋势,两者的平均值分别为0.952%和0.973%;当风电机组处于运行状态时,顺风向运行阻尼随外界风速的增大呈增长趋势,阻尼平均值在3.87%~5.28%之间变化,而对于横风向运行阻尼,其变化趋势受外界因素的影响较小,阻尼平均值在整个风速范围内在1.74%~3.37%之间变化,横风向运行阻尼小于顺风向运行阻尼。

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大型海上风力机地震冲击角动力学响应分析

牛凯伦, 闫阳天, 李春, 李志昊, 岳敏楠

2022, 43(11): 292-302. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0261

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为研究海上风力机在不同地震冲击角下的动力学响应,基于p-y曲线法构建土-构耦合模型,基于DTU 10 MW 单桩式近海风力机建立有限元模型,研究地震冲击角变化对大型海上风力机地震动力学响应的影响。结果表明：0°和90°地震冲击角下风力机结构受载荷响应最剧烈;当地震冲击角为锐角时,塔顶前后向和侧向位移幅值均下降,总应变能集聚现象显著缓解;地震冲击角为15°和30°时风力机等效应力均值相对其他角度有明显下降。因此,主动调整风力机叶轮朝向以调整地震冲击角可能成为风力机受地震冲击后降低损害的有效控制方式。

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基于惯容的风力机结构控制装置作用位置研究

胡银龙, 高宁翔, 石尚, 孙永辉, 李志华

2022, 43(11): 303-310. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0194

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针对基于惯容的结构控制装置（IDVA）最优作用位置问题,建立基于拉格朗日方程的风力机动力学模型,给出装置参数优化方法。优化问题考虑IDVA系统安装在塔架不同位置对减振性能的影响,以及塔架位移与IDVA相对位移之间的相互影响。结果表明：IDVA系统安装在塔架的位置越高减振效果越好。不考虑IDVA行程时,IDVA系统可极大提升减振性能;考虑IDVA行程时,IDVA系统减振性能有所下降,在该优化问题条件下,塔顶位移与IDVA行程存在冲突,无法同时得到改善。

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考虑扇区划分的自然风风向建模

辛欣瑶, 汪建文, 赵煜, 尹九俊, 任彪, 张鹏

2022, 43(11): 311-316. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0046

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以随时间变化的自然风为研究对象,考虑风向扇区划分的方法,计算指定时间段内的风向时间维变差,基于统计学方法马尔科夫链模型理论与实验基地实测自然风数据,构建呼和浩特郊区典型风况下自然风风向变化的转移概率矩阵模型,并根据模型生成随机时间序列进行反向验证,意在建立更完整的风模型。

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铁基和硅基材料对有机垃圾厌氧发酵产沼气的促进作用研究

董晓莹, 付佳辉, 肖永厚, 周扬, 宁跃文, 徐卫平

2022, 43(11): 317-324. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0964

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制备并考察3种功能材料（Fe₂O₃、Silicalite-1和Fe₂O₃@Silicalite-1）的3种投加量（50、100和150 mg）对有机垃圾（鸡粪）的厌氧发酵产气影响。结果表明：各功能材料组的日沼气产量和甲烷含量相比于空白组均得到有效提高,其中Fe₂O₃组分别提高31.07%和10.34%;Silicalite-1组分别提高23.98%和12.07%;Fe₂O₃@Silicalite-1组的产气效果最佳,其最高累计产气量和甲烷含量分别提高41.39%和17.24%。由此可见,将纳米Fe₂O₃分散负载在多孔材料（Silicalite-1）上可作为一种有效的厌氧发酵催化剂,该材料可避免传统方法中纳米颗粒的团聚造成的自身性能失活,从而通过厌氧发酵技术耦合复合材料实现有机垃圾处理工艺的能源效益和环境效益。

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生物质循环流化床飞灰烧失特性研究

苏新凯, 黄兴强, 岳松, 余春江

2022, 43(11): 325-330. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0479

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选取2家典型生物质电厂除尘器处的飞灰,通过热重-傅里叶红外光谱联用（TG-FTIR）、X射线荧光光谱（XRF）、能谱（EDS）和X射线衍射（XRD）等分析手段,对飞灰的成分及其在高温下的失重特性进行研究。研究发现,生物质飞灰的高温失重机理较为复杂,在空气中加热时,碱金属氯盐的蒸发从380 ℃开始缓慢进行,600 ℃以下主要进行未燃碳的燃尽与碳酸镁的分解;600~750 ℃主要进行碳酸钙的分解;750 ℃后蒸发速度迅速上升,直至950 ℃完全蒸发;950 ℃以上发生矿物质的玻璃化反应和碱金属硫酸盐的蒸发。鉴于目前电力行业和ATSM对生物质飞灰含碳量的测试结果均不准确,该根据生物质飞灰的烧失机理,提出更加精确的氮气和空气气氛下600 ℃烧失量之差含碳量测试方法。

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温度对三元燃料运动黏度的影响机制研究

赵中锦, 李法社, 王霜, 王文超, 肖黑, 马鑫

2022, 43(11): 331-336. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0469

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为探究温度对生物柴油-乙醇-柴油三元燃料运动黏度的影响规律,以大豆油、小桐子油和餐饮废油生物柴油-乙醇-柴油3种燃料为研究对象,建立三元燃料“运动黏度-温度”高精度数学模型,该模型复相关系数均在0.99以上,最大误差为0.03,能精确预测燃料运动黏度随温度的变化规律。结果表明,餐饮废油混合燃料的黏度梯度最大,受温度影响程度最高,流动性能变化显著。3种三元混合燃料的临界预热温度分别为59.1、63.4和61.7 ℃,燃料在预热温度之下运行成本最低、雾化效果最佳。

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猪体水热液化工艺参数优化及生物油特性分析

樊晨昕, 周檀, 张鑫, 徐超, 田纯焱, 袁巧霞

2022, 43(11): 337-344. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0460

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以猪体为原料,以高位热值、C元素回收率、N元素残留率作为生物油质量指标,采用响应面法研究反应温度（220~300 ℃）、反应时间（40~80 min）、固含量（10%~30%）对猪体水热转化生物油产率与质量的影响。研究结果表明：反应条件均会影响水热反应的进行且温度影响最显著,分别在不同反应条件下得到单一指标最优的生物油;生物油的最大产率为76.94%（278 ℃、64 min、29%固含量）,最大HHV值为38.63 MJ/kg（290 ℃、47 min、30%固含量）,最大C元素回收率为93.16%（260 ℃、60 min、10%固含量）,最低N元素残留率为15.52%（220 ℃、40 min、12%固含量）。生物油的元素分析结果表明水热液化可有效降低生物油中N、O元素含量,提高生物油品质。傅里叶变换红外光谱分析与热重分析结果表明,生物油的化学成分复杂且以分子量较大、碳链较长的有机物为主。

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基于离散元法的秸秆生物炭接触参数标定

张雅文, 任德志, 宫元娟, 李佳奇, 成慧婷, 张露籍

2022, 43(11): 345-351. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0177

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为获取秸秆生物炭的离散元仿真参数,采用仿真分析与物理试验相结合的方法对生物炭接触参数进行标定。通过Placket-Burman试验筛选出生物炭离散元显著性影响参数,最陡爬坡试验确定显著性影响参数的最佳范围,Box-Behnken试验确定3个显著性影响参数分别为炭-炭滚动摩擦系数0.097、 JKR表面能0.018 J/m²、炭-钢滚动摩擦系数0.256。进行堆积角试验与其Rocky离散元仿真结果对比表明,所确定的参数误差为2.33%,满足仿真分析参数设定要求。

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枫木木质素热解自由基演变规律研究

范宇阳, 雷鸣, 孔祥琛, 刘超, 肖睿

2022, 43(11): 352-357. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0166

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采用电子顺磁共振波谱仪（EPR）研究枫木木质素热解自由基的演变规律。实验结果表明：枫木木质素热解自由基演变过程分为3个阶段：温度低于450 ℃时,以自由基引发反应为主,同时液体产率在450 ℃达到最大;温度处于450~550 ℃之间时为自由基增长阶段,其自旋浓度在550 ℃时急剧升至276.99×10¹⁷spin/g;温度高于600 ℃时,自由基增速放缓。此外,通过构建回归方程描述温度、氢碳比（H/C）、石墨化程度与自由基含量的耦合变化趋势,可为揭示木质素微观热解机理提供新思路。

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涡流发生器对潮流能水轮机叶片流动分离特性影响研究

刘永辉, 者浩楠, 谭俊哲, 司先才, 袁鹏, 王树杰

2022, 43(11): 358-363. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1598

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当来流速度过大或在大攻角来流工况下,潮流能水轮机叶片边界层会发生流动分离,导致获能效率降低,甚至会使叶片发生失速破坏。针对上述问题,该文将涡流发生器（VGs）理论与水轮机叶片设计相结合,开展VGs对潮流能水轮机叶片流动分离现象的抑制机理研究。以NACA63418翼型设计的潮流能水轮机叶片为研究对象,分别建立带和不带VGs的叶片三维模型,应用CFD方法研究VGs对潮流能水轮机叶片的流动分离特性影响。结果表明：水轮机叶片流动分离主要发生在吸力侧表面叶根部分,随着流速的增大会沿叶根向叶尖径向扩展;VGs能有效减小水轮机叶片吸力侧表面分离区域,抑制流动分离现象发生;在该研究中,安装VGs后水轮机叶片整体获能性能提升明显,获能系数增加0.5%~5.0%,且能增加潮流能水轮机运行稳定性。

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单浮筒振荡浮子式波浪能装置的动力特性分析

曹雪玲, 高涛, 王文胜, 唐伟炜, 吕志胜

2022, 43(11): 364-368. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1232

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针对振荡浮子式波浪能利用技术,提出一种单浮筒式波浪转换设计方案,对单浮筒随波浪的运动特性展开研究,将波浪能转换为振荡浮筒的摆动机械能,传递给PTO能量转换系统。通过采用Star-CCM流体仿真软件分析浮筒装置在不同PTO能量转换系统参数下的运动特性及受力情况,得到不同弹簧阻尼工况下浮筒装置的运动特性,以期为波浪能技术的装置结构优化及真实海况运行提供理论基础。

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地热井在不同注水和出水条件下热采效率优化研究

高俊义, 史启朋, 徐超, 王建望, 郭娟, 高文伟

2022, 43(11): 369-375. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0545

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基于地热开采概念模型,采用3DEC程序计算分析不同注水和出水的三口地热井对岩体温度场、地热井温度场,及地热井出口水温影响的规律。结果表明：1）中部为注水井或生产井,边缘为生产井或注水井,模型达到稳态时生产井出口水温最低,且几乎相同;2）由于邻近两口生产井抽取水流过程中通过之间的岩体发生热量叠加效应,使其出口水温大幅提升,此时生产井出口水温最高, 同时模型达到稳态所需的时间最长;3）当两口邻近注水井,生产井水流速增大1倍时,其水流传热量增多致其出口水温有所提升,同时模型达到稳态所需的时间最短;4）根据生产井出口水温由高到低,模型优化顺序为两口邻近生产井>两口邻近注水井>两口间隔生产井=两口间隔注水井。

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基于浅层地热能流体加热技术的机场道面融雪方案

曾姝, 闫振国, 张正威, 杨军

2022, 43(11): 376-382. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0165

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在利用浅层地热能流体加热技术为机场道面融雪化冰时,因传统埋管方案埋深较浅难以和机场道面施工结合,且在换热时会在道面结构内引起较大的温度应力,因此该文提出一种将管道铺设于面层和基层的交界处的新型埋管方案,以提高施工便利性、减小面层混凝土中的温度应力。建立COMSOL Multiphysics三维有限元数值模型,重点比较其在传热规律和融雪性能上与传统方案的差异,并分析入口温度和流速对融雪效果的影响。结果表明,新方案可有效利用浅层地热能提高路表温度,有效传热率为85.9%,融雪效果较好;新方案温度梯度仅为传统方案的40%,温度分布更均匀,可降低温度应力而减小路表开裂的风险;提高入口温度可有效提升融雪效果,而流速对传热性能和融雪效果的影响较小。

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河北献县东部雾迷山组碳酸盐岩热储酸化压裂试验研究

秦祥熙, 张萌, 王贵玲, 石建省

2022, 43(11): 383-391. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0152

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通过对河北献县东部雾迷山组碳酸盐岩进行大尺寸高地应力酸化压裂物理模拟试验与小尺寸温度应力耦合环境下酸化压裂试验,讨论地应力、温度、酸液排量以及压裂模式等因素与碳酸盐岩压裂效果之间的关系,找到碳酸盐岩储层压裂裂缝的生长规律。研究表明：将裂缝发育与裂缝不发育储层碳酸盐岩压裂曲线对比发现,储层岩石裂缝发育程度可明显降低破裂压力;压裂试验中储层岩石内裂缝激活对破裂压力具有显著影响,现场压裂过程中应当考虑到储层工程地质中裂缝发育程度的问题;酸液处理可显著降低破裂压力,更有利于形成复杂裂缝网络,破裂过程中诱发更多声发射事件,同时储层岩石裂缝发育程度直接影响到压裂效果。

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乳液聚合法制备石蜡基相变储能材料及热物性研究

吕喜风, 白金刚, 时春辉, 汪亚州, 刘雨, 梁鹏举

2022, 43(11): 392-398. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0631

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将石蜡真空浸渍于膨胀蛭石中,以其共同作为内相,丙烯酰胺水溶液作为外相,制得水包油乳液,引发剂使外相聚合,得到形状稳定的复合相变储热颗粒。测试结果表明：乳化剂和膨胀蛭石分别为石蜡质量的6%和2%时,熔融焓数值为128.79 J/g,石蜡的包覆率为72.80%;复合颗粒的形状是表面规整的球体,颗粒大小均匀;经过100次循环后,熔融焓只降低2.18%;复合颗粒在470 ℃以下有较好的热稳定性。膨胀蛭石与聚丙烯酰胺对石蜡的二次封装可有效提高复合体系防泄露能力,具有可靠的储能和温度调节性能。

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基于二阶滤波的混合储能系统能量管理控制策略

王腾, 张新燕, 王亚东, 周鹏, 程叶凡, 何星柱

2022, 43(11): 399-405. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0573

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针对由超级电容器与蓄电池储能构成的混合储能系统,提出一种基于改进型二阶滤波功率分配的荷电状态（state of charge,SOC）恢复控制策略。首先,分析传统一阶低通滤波算法的功率分配过程,构造具有功率误差反馈环的二阶滤波传递函数,消除传统一阶低通滤波器在响应高频功率指令时的积分作用,改善混合储能系统对目标功率指令的跟踪控制效果。然后,以归一化后的混合储能系统SOC为控制指标,制定滤波时间常数新型调整规则,动态优化混合储能系统功率分配指令。仿真结果表明,该控制策略可有效平抑风电并网功率波动,最大化利用超级电容储能可用容量,同时延长蓄电池使用寿命。

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基于场协同原理的异型管强化石蜡蓄放热性能分析

高杨, 何烨, 高佳圣, 王万权, 周艳

2022, 43(11): 406-412. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0562

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将1.5%石墨烯/石蜡复合相变材料填充到内管形状不同、换热面积相同的套管换热器内,采用数值模拟的方法分析内管形状对石蜡类复合相变材料蓄放热性能的影响。结果表明,异型管能有效提升石蜡复合相变材料的熔化及凝固速率,滴型管外石蜡复合相变材料的熔化速率比椭圆管及圆管分别提高53%、62%,滴型管外石蜡复合相变材料的凝固速率比椭圆管及圆管分别提高6.7%、9.8%。基于场协同原理分析异型管的强化石蜡类复合相变材料的传热机理,由于滴型管能使石蜡类复合相变材料在相变过程中温度场与速度场协同性更高,因此能更有效地提升其相变速率。

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考虑实时SOC与动态循环效率的电池损耗评估及储能定容策略

黄彦博, 冯忠楠, 随权, 武传涛, 徐昂, 林湘宁

2022, 43(11): 413-423. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0546

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笔者提出一种高精度电池寿命损耗评估模型,该模型能充分挖掘厂家提供数据中的有效信息,从而建立起动态循环效率、放电深度（DOD）与实时荷电状态（SOC）应力等因素之间的映射关系。同时,针对采用更精细化的储能模型所引入的非线性项,提出一种基于滚动McCormick松弛方法的优化求解算法,该算法可将原本包含混合整数非线性规划问题转化为混合整数线性规划问题,从而实现优化问题的数值化求解。最后,通过算例证明所提出的精细化电池寿命模型与滚动McCormick求解算法的合理性和优越性。

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两种AA-CAES+CSP系统的热经济性研究

李鹏, 胡庆亚, 韩中合

2022, 43(11): 424-432. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0529

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为解决传统耦合太阳能辅热的先进绝热压缩空气储能（AA-CAES+CSP）系统热能损失大的问题,提出其释能过程的改进方案。从热力学和经济学角度对改进前后的系统性能进行比较分析。结果表明,改进系统的热、冷能性能系数及年利润率显著提高。同时,进行参数敏感性分析,结果表明：集热温度升高,改进系统的冷能性能系数下降,两系统其他指标上升;储气室压差越大,系统年利润率越高,而其他指标越低;压缩/膨胀功率增大,年利润率减小,而其他指标增大。此外,以循环效率和年利润率为目标函数,采用灰狼算法对系统进行多目标优化,设置较高集热温度、压缩/膨胀功率和较低储气室压比时,更易获得最佳系统性能。

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氯化物熔盐单质及其混合物热物性子动力学模拟研究

杨薛明, 刘杰庭, 崔吉祥, 张明理, 孟凡星

2022, 43(11): 433-442. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0525

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采用分子动力学模拟的方法对3种常用的氯化物熔盐单质（KCl、NaCl和LiCl）、二元混合氯化物熔盐（LiCl-KCl和 LiCl-NaCl）和三元混合氯化物熔盐（KCl-LiCl-NaCl）的比热容、粘度和热导率进行系统研究。研究中粘度采用平衡分子动力学方法进行计算,而热导率采用非平衡分子动力学方法进行计算。结果表明,3种氯化物熔盐单质的比热容模拟值与实验值相比误差均在6.8%以内;NaCl、KCL、LiCl熔盐单质的粘度平均误差分别为5.3%、10.9%以及11.7%;热导率除了LiCl外,其余两种氯化物熔盐的热导率误差均在9%以下。与文献不同混合比例的NaCl-KCl的热导率平衡分子动力学方法模拟值比较,偏差均在12.5%以内。综合结果表明模拟结果均与实验值表现出较好的一致性。为了更好地从微观结构上理解氯化物熔盐的热物性,通过计算径向分布函数对熔融盐体系及局部结构进行分析。

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双有源桥DC-DC变换器H_∞混合灵敏度控制及优化

任皓妍, 马磊, 彭林, 程少昆, 何为一, 罗宇辰

2022, 43(11): 443-450. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0519

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以双有源桥DC-DC变换器（DAB）为研究对象,针对交直流微网中因可再生能源的波动性和随机性、测量误差、运行工况变化等原因所导致的参数摄动问题,提出基于差分进化算法（DE）优化的H_∞混合灵敏度鲁棒控制（H_∞-MSC）策略。通过选取合适的加权函数对系统不同频段特性进行规划,得到理想的动态性能及鲁棒性能,并针对加权函数难以选取的缺点,采用DE算法对选择过程进行优化,通过迭代寻优匹配最佳控制器参数,改进H_∞-MSC算法。最后,通过半实物实验对比例积分（PI）单移相控制算法和DE-H_∞-MSC算法进行对比分析。研究结果表明,DE-H_∞-MSC算法能有效增强DAB系统的动态性能和鲁棒性能,可提高微电网系统运行的稳定性。

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含电池储能系统的电热联合系统风电接纳能力评估

朱建锋, 张新松, 姜柯柯, 陈沛, 李大祥

2022, 43(11): 451-459. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0487

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为促进风电消纳,减少“弃风”,将电池储能系统（BESS）接入电热联合系统。为考虑风功率的不确定性,基于风功率预测误差的概率特性建立风功率场景概率模型。然后,建立包含BESS的电热联合系统风电接纳能力评估模型。模型具有系统运行成本最低和“弃风”电量最小2个不同维度优化目标,且目标优化之间可能存在冲突。为求解该模型,基于改进主要目标法将其转换为多个单目标优化问题,并采用GAMS中DICOPT求解器给出风电接纳能力评估模型的帕累托解集。基于帕累托解集,从接纳电量和接纳成本两方面对BESS接入后的电热联合系统风电接纳能力进行深入分析。最后进行仿真分析,验证了该文所提模型及求解算法的有效性。

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液氮、液氢加注系统数值仿真与试验研究

王朝, 邹宏伟, 陈甲楠, 杜海滨

2022, 43(11): 460-465. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0545

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以低温液氮加注系统为研究对象,通过FLUENT仿真与试验研究,结果表明：数值仿真与试验结果吻合良好,小流量预冷液氮温度升高约5 K,一定过冷度与低漏热率对单相加注具有重要作用。以低温储液瓶为研究对象,对“加注过程”进行仿真与试验,结果表明：加注初期液位高度低于临界液位,加注对整个流场扰动较大,加剧了储液瓶内部对流换热,液相区有气泡形成,部分气相二次液化,瓶内暂无温度分层;加注中后期,气液交界面趋于稳定,液相区无明显气泡,气相区无明显二次液化且温度逐渐形成分层;数值仿真与试验的液氮蒸发率分别约为1.7%和1.5%,具有较好一致性。基于液氮分析经验,对液氢“加注过程”进行仿真预测,结果表明：液氮、液氢加注过程储液瓶内部液相率与温度具有相似变化规律,液氮加注分析对液氢加注具有一定参考意义。

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风电消纳下多型号制氢机组阵列优化调度研究

林涛, 赵丹阳, 严寒

2022, 43(11): 466-473. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0499

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以风电消纳下多型号制氢机组阵列的优化调度为研究对象,首先研究碱式制氢机组的功率-效率特性。在此基础上,以经济收益最大化为目标,对机组出力进行双层优化。使用所提混合二进制萤火虫算法进行机组启停状态优化,粒子群算法进行考虑功率-效率特性的机组功率分配优化。最后对多种阵列方案的经济收益和风电消纳能力进行对比分析。实验结果证明所提算法的有效性和多型号制氢机组阵列方案的优越性。

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基于多功率耦合的风光互补制氢系统容量配置优化方法

帅逸轩, 赵培轩, 刘慧敏, 陈思懿, 戴文磊, 胡红云

2022, 43(11): 474-481. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0491

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为保证风光互补制氢系统平稳运行及蓄电池容量最优化,提出一种结合实际环境的改进蓄电池容量确定法,综合考虑制氢装置平均功率、蓄电池所需容量、制氢功率切换及工作功率波动等多因素影响,并针对单功率、双功率和三功率等不同制氢功率模式进行系统分析。结果表明,选取双功率模式能使蓄电池容量大幅减少,同时高低功率差距在允许范围内,功率切换不频繁,控制相对简单。

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主从控制模式下低压多端直流系统稳定性研究

伊尹, 邓卫, 曹欣, 谭建鑫, 井延伟, 裴玮

2022, 43(11): 482-492. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0557

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为探究影响多端直流系统稳定性的关键因素,针对电压源型换流器、直流线路、可再生能源和直流负荷等部分组成的低压三端直流系统,建立其相应的等效电路,并结合主从控制模式下各换流器控制策略,形成了系统整体的状态空间模型。其次,结合主导特征值对含可再生能源的低压多端直流系统进行小信号稳定性研究,对比分析不同参数变化时主导特征值的移动轨迹,进而确定换流器直流侧电容、控制器外环参数等影响系统稳定性的关键因素。在此基础上,基于Matlab/Simulink搭建含可再生能源的低压多端直流系统仿真模型,验证了理论分析的正确性。

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考虑源荷不确定性的分时电价动态修正机制研究

万玉良, 尚国政, 刘蒙聪, 陈颖, 李昱材

2022, 43(11): 493-500. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0547

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针对新型电力系统中可再生能源出力及负荷需求的不确定性造成源荷协调困难,导致难以制定合理的分时电价的问题,该文提出一种考虑源荷不确定性的分时电价动态修正机制。首先,根据可再生能源出力的波动性以及不确定性,建立新能源并网功率与并网电量偏差量化模型;其次,根据需求侧负荷的变化特征,结合可再生能源出力不确定性,通过多种不确定性因素影响条件的误差计算方法,建立电价概率密度模型。然后,根据负荷上报的用电量以及预报电价,建立考虑源荷不确定性的电力市场分时电价动态修正与优化模型,并采用粒子群算法进行模型求解。最后,通过实际运行数据仿真验证该文所提方法的有效性。

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基于无源性的直流微电网并联变换器控制策略

张泽华, 宋桂英, 侯明宣, 杨博伟, 张晓璐, 刘畅

2022, 43(11): 501-507. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0539

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针对可再生能源聚合而形成带混合负载的直流微电网稳定性与协调性问题,提出一种将无源控制与改进非线性干扰观测器前馈补偿相结合的新型控制算法,在消除恒功率负载对直流微电网的影响的同时提高了系统鲁棒性,再利用线路阻抗补偿来改善分流精度与实现电压无偏差。该文利用Matlab/Simulink搭建并联DC-DC变换器仿真模型进行验证,通过对比传统无源控制与比例积分调节的无源控制表明,提出的控制策略抑制了恒功率负载与线路阻抗对直流微电网的影响。最后,在Opal-RT半实物实验平台验证了该策略的有效性。

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基于模型预测控制的虚拟同步发电机控制策略

杨旭红, 李辉, 金宏艳, 吴亚雄

2022, 43(11): 508-514. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0486

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为了提高惯性和促进电网恢复,提出一种基于LCL型并网逆变器的虚拟同步发电机模型预测控制（MPC-VSG）策略。该方法在模型预测控制（MPC）中引入虚拟同步发电机（VSG）控制输出电流内环的参考值,使内环电流参考值可随电网电压和频率变化。基于Matlab搭建仿真模型,和MPC控制方法相对比和分析。仿真结果表明：当逆变器输出功率发生变化时,采用VSG的模型预测控制可增加电网的惯性和稳定性,改善系统暂态过程。

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电能质量变权综合评估及多功能并网逆变目标优化

李志军, 李格格, 张家安

2022, 43(11): 515-521. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0466

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光伏发电波动性和负荷随机性将引发电能质量评估指标的变化,多功能并网逆变器通常采用固化权重的综合评估指标及单目标优化控制方法,可能造成电能质量治理的劣化及剩余容量的利用率过低。该文利用混合变权原理改进的G1法,提出一种新的电能质量综合指标评估方法,该方法根据源、荷的动态变化,实时调整各电能指标的权重,实现对综合电能质量的客观评估。在此基础上,将电能质量综合指标最优和逆变器投入补偿容量最小作为目标函数,并对单项电能指标进行约束,利用带精英策略的非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）实现多目标优化。最后在Matlab中验证所提策略的可行性和有效性。

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基于EMD-MDT的直流微电网线路故障检测

王晓东, 王若瑾, 刘颖明, 高兴

2022, 43(11): 522-528. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0357

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提出一种经验模态分解和决策树相结合的风光储直流微电网配电线路故障检测和分类方法。该方法通过经验模态分解对发送端测得的直流电流进行分解,得到多个本征模态函数,并采用最大加权相关系数方法计算选取灵敏度最高的2个本征模态函数,将9个统计方法应用于本征模态函数生成故障特征值,最终基于决策树,实现风光储直流微电网配电线路的精准检测和分类。算例分析表明,基于经验模态分解的风光储直流微电网配电线路故障检测方法可不受故障电阻、故障起始时刻和故障距离的影响,快速有效的对配电线故障进行检测和分类。

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计及风光不确定性的新能源虚拟电厂多时间尺度优化调度

张大海, 贠韫韵, 王小君, 和敬涵

2022, 43(11): 529-537. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0176

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针对中国西北地区新能源消纳问题,该文聚合风力发电、光伏发电、光热电站、电储能装置组成虚拟电厂（VPP）,提出一种基于鲁棒随机优化理论的新能源虚拟电厂多时间尺度优化调度策略。首先对风力发电、光伏发电、光热电站与电储能装置进行数学描述,在此基础上建立VPP多时间尺度优化调度模型。在日前调度层中,以VPP运行效益最大为目标,依据风光日前预测出力建立日前优化调度模型;在时前调度层中,以VPP运行成本最小为目标,根据风光时前预测出力建立时前调度修正模型。同时,为了衡量风电、光伏发电出力不确定性对系统的运行影响,建立VPP随机优化调度模型。仿真结果验证该模型可提高运行效益与新能源消纳能力。

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模块化多电平变流器的高频谐振分析

王方洲, 刘开培, 朱蜀, 陈满, 彭若晨

2022, 43(11): 538-545. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0001

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首先基于动态向量方法建立模块化多电平变流器（MMC）主电路的10阶状态空间模型,然后根据实际工程建立包含电压电流内环控制、功率外环控制和环流控制在内的MMC控制器状态空间模型。考虑控制环节中存在的采样和计算等延时,采用Pade近似方法对非线性延时环节进行线性化,构建计及延时的MMC换流器与弱电网连接的系统状态空间模型。基于特征值法分析状态空间模型的谐振模态,分析实际MMC-HVDC工程产生高频谐振的机理并分析控制器输入输出延时对稳定性影响关系。通过仿真算例验证该文MMC换流器状态空间模型和高频谐振机理分析的正确性。

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