太阳能学报

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褚召祥, 王义江, 赵光思, 董凯军, 孙钦, 王泽桂

2022, 43(5): 1-9. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0932

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以细观尺度假设条件下砂土多孔/颗粒介质周期性单元结构为几何模型,采用COMSOL Multiphysics软件开展针对不同孔隙率和饱和度、不同边界条件下,固-液-气三相砂土稳态热传导过程有限元数值实验。研究结果表明,砂土热导率随孔隙率的增加而降低,随饱和度的增加而增加,变化速率均逐渐减小;相同孔隙率和饱和度工况下方形单元结构采用恒壁温+绝热+第3类边界条件的组合方式时,热导率反向计算结果最优;基于数值实验结果建立的砂土热导率与孔隙率、饱和度之间的指数、幂律函数关系式计算获得的热导率在低、高饱和度区与实验回归模型预测结果吻合度较高;与理论和试验研究相比,数值模拟/实验可以有效表征孔隙/颗粒尺度砂土导热特性,进而以土壤物理参数为基础建立具有较高精度的砂土表观热导率预测关联式模型。

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土壤水力学特征对水平埋管换热能力的影响分析

邹行, 裴鹏, 郝定溢, 王沉

2022, 43(5): 10-20. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0905

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以土壤毛管水力特征曲线为基础,通过数值模拟手段,计算分析地下水位线变化对水平换热埋管换热特性、土体热失衡风险和热泵机组技术经济特性的影响规律,并提出“单位热影响面积换热量”这一新的评价指标,讨论土壤水力学特征对水平埋管换热能力的影响规律。研究结果表明：随着地下水位线埋深变浅,埋管水平土壤含水饱和度从12%增加到100%时,在制冷工况下,水平管延米换热量增加了30%,出口水温降低了23%,单位热影响面积换热量提高了47%;制热工况下,水平管延米换热量增加了24%,出口水温升高了25%,单位热影响面积换热量提高了39%。地下水位线埋深和土壤中含水饱和度对水平埋管换热器地下换热效率影响显著。同时,不同水力特征曲线的蓄能土体热失衡风险具有差异性。

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深井CO₂爆破致裂干热岩系统综合效应预评价

夏杰勤, 窦斌, 谷俊廷, Muhammad Kashif, 崔国栋, 陈劲

2022, 43(5): 21-29. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0454

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CO₂爆破致裂工艺为建造商业化EGS储层提供了新方案,有望突破深层地热能行业发展的技术瓶颈,但目前未见CO₂致裂技术用于干热岩系统的综合性能评价研究。基于此研究不足,借助数学建模定量科学评价其综合性能,解决此技术效果的不确定性和模糊性,填补深井地热系统综合评价体系的空白。考虑到深井CO₂爆破干热岩系统是一个多变、模糊、复杂的非线性系统,该文选取AHP-FCE优化数学模型,AHP对深井爆破干热岩系统复杂问题分层,构建递阶层次结构,通过Matlab将专家的定性判断定量化,进而确定FCE中各层评价指标权重大小,再通过FCE模糊关系合成原理,对多因素影响下的深井CO₂爆破致裂干热岩系统综合评分为83.36,预评价结果为较好,可考虑将CO₂爆破致裂器用于干热岩开采。评定结果可作为深井CO₂爆破致裂干热岩建设过程中的数据支撑,为地热开采工程提供一定的理论依据。

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地埋管间断工作进出孔平均温度预测方法研究

张晨, 关鹏, 段新胜, 李鹏, 林清龙, 李少华

2022, 43(5): 30-35. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0448

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按不改变每天总换热量的原则,将单位长度地埋管换热孔在制冷季或制热季中每天的实际释热或取热过程简化为一个矩形释热或取热脉冲,脉冲大小为单位长度地埋管换热孔的设计释热量或设计取热量,时间为每天的等效满负荷释热或取热小时数。采用线热源理论和热流叠加原理,推导若干个矩形脉冲负荷作用后地埋管换热器进出口温度平均值的计算公式,并通过长期现场岩土热响应试验对该公式进行了验证。在已知制冷季或制热季天数和地埋管换热器每天等效满负荷工作小时的基础上,通过设定地埋管在制冷季和制热季传热流体的最高或最低温度,可用该公式计算单位长度地埋管换热孔的设计释热量或取热量。

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考虑灵活性供需匹配的孤岛微网优化调度策略

冉金周, 李华强, 李彦君, 李扬帆

2022, 43(5): 36-44. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0938

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为使孤岛微网能更大程度地实现源侧发电功率与荷侧用电需求之间的匹配程度,以灵活性理论为依据,提出考虑灵活性供需匹配的优化调度模型。以最大化经济效益和最大化灵活性供需匹配程度为目标,利用多目标粒子群优化算法得到该优化问题的Pareto解集,并从中选取更符合实际需求的解。算例仿真结果表明,所提优化调度策略能有效提升系统应对可再生能源发电机组出力的波动性与随机性的能力,提高经济效益。

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基于LMI的直流微电网分布式鲁棒H∞控制

王晓兰, 王科祖

2022, 43(5): 45-52. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0924

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针对直流微电网中分布式发电单元（DGU）投入或退出引起的结构不确定性,采用分布式鲁棒H∞控制,使微电网电压稳定。采用区域极点配置约束控制器参数,使闭环系统的极点落在区域D中。通过线性矩阵不等式的H∞优化求解,得到鲁棒H∞-γD控制器。控制器的设计仅需DGU和与之连接的线路参数,而无需整个微电网参数。给每个DGU分别配置相应的控制器,嵌入DGU中,可以实现分布式控制。仿真结果表明,该控制方法有较好的鲁棒性。

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钴铝双金属氧化物的制备及其储锂性能的研究

王俊杰, 沈宣佐, 王含, 李京浩, 李晓蒙, 杨林

2022, 43(5): 53-59. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0915

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以水滑石为前驱体,采用微波辅助合成法,制备复合水滑石前驱体材料（CoAl-LDHs）,该前驱体是由超薄纳米片组成。经焙烧处理后,得到多孔纳米花球状Co₃O₄/Al₂O₃复合材料。研究结果表明,电极在0.2 A/g的电流密度下,经过100次循环之后仍能表现较好的稳定性且倍率性能良好,在为光伏电站配置锂离子电池储能系统的材料选择上提供可能。

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不同输出方式下2种AA-CAES系统性能的对比研究

韩中合, 孙烨, 李鹏, 胡庆亚

2022, 43(5): 60-66. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0474

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为获得先进绝热压缩空气储能（AA-CAES）系统较高的效率与较好的经济性,设计2种输出策略。建立AA-CAES模型与和太阳能相结合的复合储能系统模型,通过数值模拟,比较2个系统在不同输出方式下的热力学特性与经济性能,并研究了基本参数的敏感性问题。结果表明：原系统在采用方案1时循环效率最高,复合系统在采用方案2时年利润率最大。储能功率的提高对2个系统的循环效率与年利润率有积极影响,而释能功率的提高对其有消极影响。当储释能时间间隔延长时,不同方案下2个系统的循环效率与年利润率均降低。

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考虑广泛负荷聚合商无功调节优先权的调度决策模型

李鑫, 林延平, 刘长玺, 何义琼, 顾大可

2022, 43(5): 67-73. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1350

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针对柔性负荷、分布式储能和分布式电源等负荷聚合商在参与电力市场调度中存在的问题,整合各类分布式资源构成广泛负荷聚合商,建立考虑无功调节优先权的广泛负荷聚合商参与电力市场调度的决策模型。首先,考虑不同分布式资源在参与电网调度时的无功可调节水平、无功调节可信度、调节经济性与有功支撑水平方面的特性,基于熵权法建立考虑无功优先权的调度评估模型;然后,以广泛负荷聚合商参与电力市场调度的收益最大为目标建立调度决策模型及其求解方法;最后,通过算例仿真表明该文提出的调度决策模型的有效性和经济性。

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变占空比三态Boost功率因数校正电路研究

吕广强, 赵仲祥, 姜川, 赵志宏

2022, 43(5): 74-81. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0896

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为提高新能源并网等系统中变换器的功率因数,该文提出三态Boost变换器的变占空比控方案。通过分析电感电流参考值,推导出开关管的占空比表达式;根据输出电容上的二次谐波电压得到电压的纹波大小。相比于传统的定占空比控制方法,变占空比控制能够在较宽的输入电压范围内实时调整占空比,使电流跟踪电压变化,从而提高功率因数,降低输出电压纹波且不随输入电压变化。通过仿真和实验验证了理论分析的正确性以及控制的有效性。

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一种四端口能量路由器的协同控制策略研究

袁兴宇, 苏适, 李耀华, 陆海, 马伏军, 林立恒

2022, 43(5): 82-89. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0713

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针对研究的四端口能量路由器,首先分析能量路由器拓扑结构,根据能量路由器的功能需求提出各端口的控制方法。电网单元端口为T型三电平拓扑结构,采用电流闭环矢量控制实现直流母线的稳压控制;交流源单元端口为VSR拓扑结构,采用PQ控制实现交流源单元功率的灵活调节;光伏单元端口为Boost电路,采用最大功率点追踪（MPPT）和直流母线恒压控制（CVC）相结合的控制策略;储能单元端口为级联Buck-Boost电路,采用恒流控制。由此,提出一种四端口的协同控制策略,根据能量路由器接入的分布式能源与储能单元荷电状态（SOC）划分能量路由器的工作模态,再通过直流母线电压的波动、储能单元SOC等状态数据实现模态的切换。最后,通过MATLAB软件搭建仿真平台,验证能量路由器模态切换的可行性。

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基于平抑风光出力波动的主动配电网优化调度

朱自伟, 黄彪, 裘昕月, 黄春辉

2022, 43(5): 90-97. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0470

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因风电、光伏光出力波动特性,并网运行将对主动配电网运行的稳定性造成影响。结合储能系统,将主动配电网中功率波动幅度大的风电、功率具有间歇特性的光伏搭建为风光储联合发电系统。通过改变柔性负荷边际效益增强其参与调度意愿,提高主动配电网消纳分布式可再生能源的能力及运行的稳定性。为提高粒子群算法的收敛性,利用模糊推理规则对学习因子动态调整。基于IEEE 30节点仿真算例,以系统日运行综合经济性为目标,使用模糊自适应粒子群算法寻优。算例仿真与分析验证了该文模型有效性。

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基于双层优化模型的风-光-储互补发电系统优化配置

王磊, 王昭, 冯斌, 杨攀峰

2022, 43(5): 98-104. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0430

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提出一种基于双层优化模型的风-光-储互补发电系统优化配置方法,外层优化以互补发电系统年净收益最大化为目标、通过量子粒子群算法优化风-光-储容量配置;内层优化以互补发电系统日出力波动率和日出力峰谷差最小化为目标、通过8760 h生产模拟优化储能充放电功率。实际算例仿真计算结果表明,所提算法能有效解决风-光-储互补发电系统在规划阶段的优化配置问题。

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Zn_xCd_1-_xS的共沉淀法制备及其光催化活性研究

蒋灶, 吴廷增, 徐龙君, 刘成伦

2022, 43(5): 105-112. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0909

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利用共沉淀一步法在常温下合成具有高光催化活性的Zn_xCd_1-_xS固溶体光催化剂,用XRD、SEM、XPS、BET、UV-VIS DRS和PL对制备出的Zn_xCd_1-_xS样品进行结构和光学性能的表征,并在模拟太阳光照射下对罗丹明B（RhB）溶液进行降解,评价其光催化活性。结果表明,Zn_xCd_1-_xS对可见光的吸收阀值随Zn含量增加而减少,禁带宽度随之增大;颗粒状Zn_xCd_1-_xS固溶体对罗丹明B具有较高的光催化活性,其中Zn_0.8Cd_0.2S的光催化性能最优,在90 min内对RhB的降解率达到98.5%,远高于CdS和ZnS光催化剂;经过4次重复使用后,Zn_0.8Cd_0.2S对RhB的降解率维持在75%以上。Zn_0.8Cd_0.2S的比表面积和孔隙体积相对于CdS分别增至154.6 m²/g和0.40 cm³/g,其光催化活性显著增强的主要原因是由于其较高的光生电子空穴对的分离效率及较低的复合率。

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光伏组件辐照度增益研究

廖东进, 方晓敏, 黄志平

2022, 43(5): 113-118. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0370

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为有效分析双面光伏组件、平单轴跟踪技术较固定倾角单面光伏组件的辐照度的增益,通过固定倾角和平单轴视日运行轨迹分析,利用视觉因子方法,构建平单轴双面光伏组件辐照度模型。通过测试与分析,当组件阵列宽度为2 m、行间距为5 m、组件离地高度为2 m、地面反射率为0.2、双面系数为0.75的情况下,杭州地区的双面、平单轴、平单轴双面的辐照度增益分别为0.076、0.078、0.161;此外,当水平散射辐射量占比越高,双面增益越明显,水平直射辐射量占比越高,平单轴增益越明显。为不同地区的平单轴、双面光伏组件的安装与应用,提供理论指导。

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高能流密度下太阳能密集光伏组件射流冲击冷却特性

田勇, 颜健, 彭佑多, 刘永祥, 聂笃忠, 谢欣旖

2022, 43(5): 119-126. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0990

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针对高能流密度下密集阵列光伏组件的冷却控温问题,采用模块化阵列射流冲击装置实现电池控温。基于Fluent软件对密排光伏组件阵列射流冲击换热进行数值模拟,研究不同射流孔径、冲击间距比与射流孔长径比等关键参数对其电池冷却的影响特性,综合分析了质量流量和能流密度变化对其冷却效果和所获电能的影响规律。结果表明冲击间距比对电池的换热效果存在最优值,在本文范围内h3/d=4.5时换热效果最佳,但随着孔径的增大其换热均匀性有所下降;射流孔高度增大,换热效果和电池表面温度均匀性均降低;随着电池表面聚焦能量增加,其发电功率将成比例增加,而电池温度仅有小幅度升高;随着质量流量的合理增加,电池温度大幅度降低,且所产生的压降功耗基本不变。该文工作能为高倍聚光密集阵列光伏组件的高效均匀控温设计提供基础。

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基于斜面辐射组合计算模型的光伏阵列最佳倾角研究

李遥, 李照荣, 王小勇, 刘抗, 王有生, 赵文婧

2022, 43(5): 127-136. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0974

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基于2019年3月—2020年2月白银和敦煌光伏电站的实际观测数据,建立4种斜面辐射组合计算模型,在对模型预测精度检验的基础上,分析了电站当地不同倾角倾斜面辐射量的变化特征以及不同时段发电量与倾角大小之间的关系,同时提出3种最佳倾角选取方案并对输出的年总发电量进行对比,结果表明：1）4种组合模型预测效果均较为理想,白银电站4种组合模型各月平均RRMSE均低于8%,敦煌均低于9%。2）斜面总辐射与直接辐射9月之前随倾角增大呈现出递减趋势,大致表现为0°≈15°>30°>45°>60°>90°;9月之后则相反,表现为60°>45°>30°>15°>0°。散射辐射9月之前随倾角增大而减小,之后各倾角散射辐射差距不大,反射辐射始终随倾角增大而增大。各倾角直接辐射占总辐射比例最大,散射辐射次之,反射辐射最小;3）4种模型计算的最佳倾角较为接近,白银和敦煌年最佳倾角约为35°和38°,月最佳倾角变化曲线呈余弦型,白银和敦煌变化范围分别为4°~64°和6°~66°,白银夏、冬半年的最佳倾角分别约为16°和56°,敦煌分别约为19°和58°;4）为得到最大年输出总电量,建议电站选取方案Ⅱ每月调整阵列倾角,年总发电量较方案Ⅰ白银和敦煌可提高约5.3%和5.0%,条件不具备时可按方案Ⅲ每年至少调整2次阵列倾角,年总发电量较方案Ⅰ可增加约4.6%和4.1%。

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适用于集中型光伏直流升压变换器的MPPT策略

马健, 樊艳芳, 王一波, 张鑫宇

2022, 43(5): 137-145. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0962

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针对基于输入并联输出串联（IPOS）型Boost全桥隔离变换器（BFBIC）的集中型光伏直流并网系统,采用小信号分析法对系统进行静态稳定性分析,进一步对适用于变换器的光伏最大功率点追踪（MPPT）策略展开研究。为满足工程实用性,提出一种能与DC-DC变换器双环控制相耦合的MPPT新算法,该算法基于恒定电压法和扰动观察法,通过变步长采样三点进行比较的方式精确逼近最大功率点。通过PSIM建模仿真,验证了新算法的有效性以及较好的追踪效果。

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基于波动特性挖掘的短期光伏功率预测

吉锌格, 李慧, 叶林, 王丽婕

2022, 43(5): 146-155. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0961

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综合考虑光伏功率受气象因素影响所呈现出的规律性和波动性,对光伏功率波动类型进行划分与聚类识别提出一种基于波动特性挖掘的短期光伏功率预测方法,。在此基础上,利用数值天气预报和基于互信息熵的相关性分析法提取各类功率波动对应的天气波动特征及其强相关气象因子,建立基于波动特性挖掘的长短期记忆网络组合预测模型,挖掘天气波动与光伏功率波动之间的潜在映射规律。最后,识别出待测日天气波动类型与预测模型之间的匹配关系,利用组合预测模型实现光伏功率预测。通过对中国西北地区某光伏电站的预测分析,验证了所提预测方法的有效性。

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改进幂次趋近律滑模控制的H桥逆变器复杂动力学行为研究

江伟, 吴荣华, 胡娟

2022, 43(5): 156-160. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0949

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以改进幂次趋近律滑模控制的H桥逆变器为例：首先,运用频闪映射理论建立数学离散模型;其次,采用频闪图和频谱图观察到系统工作在不同控制参数k1和k2作用下的非线性动力学行为;再次,运用快变稳定性定理对系统工作稳定性进行理论分析,研究的结论与频闪图及频谱图的分析完全一致;最后,研究发现输入电压E、负载电感L与电阻R等外部电路参数的变化,对系统的稳定性能有重要的影响。

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基于正交试验的光伏水泵性能优化

吴贤芳, 云天平, 谈明高, 刘厚林

2022, 43(5): 161-166. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0948

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以光伏水泵为研究对象,基于试验测试和理论分析建立光伏水泵出水量计算预测方法。采用正交试验设计优化方案,选取泵叶轮结构参数为优化变量,通过数值模拟和试验研究的方法,对该光伏水泵的性能进行优化和试验验证。结果表明：经优化后,光伏水泵系统的最低出水值下降至330 W/m²,水泵每日工作时长提升;光照辐射强度稳态时的泵出口压力脉动相较优化前有小幅提升,光照辐射强度瞬态变化时泵出口压力脉动波动幅度更平稳;优化后的模型泵叶轮进口低压区面积明显减小,叶轮出口压力显著增加,同时叶轮流道内速度分布更为均匀。

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双面p型PERC太阳电池的紫外衰减特性研究及电池紫外稳定性优化

任丽丽, 陈克勤, 陈诚, 沈灿军, 刘松民

2022, 43(5): 167-172. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0935

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以不同掺杂元素的高效双面p型PERC电池电性能参数在紫外辐照后的衰减特性为研究对象。硼元素掺杂和镓元素掺杂的双面PERC电池背面受紫外光辐照后,背面、正面效率均发生衰减,但两者背面效率衰减主要来自于Isc衰减,而正面效率衰减主要来自于FF衰减,Uoc在整个紫外辐照过程中表现稳定,背面衰减与紫外辐照后钝化层的折射率增大有关,而正面衰减可能与电池串阻增大有关。通过增加电池背面钝化层厚度优化紫外稳定的镓掺杂双面电池的紫外稳定性。优化后的电池在15 kWh/m²紫外辐照后,电池背面效率衰减仅为0.04%,同时其正面效率衰减相比于未加厚的电池下降0.32%,说明这种镓掺杂双面电池在户外光照下高稳定的潜力。

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基于气象相似性的光伏电站输出功率估计

纪德洋, 金锋, 冬雷, 郝颖

2022, 43(5): 173-179. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0769

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为了得到光伏电站的输出功率,提出一种基于气象相似性的输出功率估计方法。该方法通过对大量历史数据的分析,利用光伏电站输出功率与气象数据密切相关的特点,基于皮尔逊相关系数在历史数据中计算得到与待估计输出功率相似的气象时刻,再根据相似气象时刻的输出功率估计待估计时刻的输出功率。利用甘肃省某光伏电站采集的包含9个气象要素的历史数据,经过数据预处理之后挑选出214 d不含有异常数据的数据集作为数据样本,并随机选出14 d不同天气类型的数据作为测试样本,其余作为训练样本。通过对测试样本数据进行验证,所提出的估计方法平均绝对误差仅为0.46 MW,相对误差仅为15.74%,具有较高的计算准确度,且适用的气象条件更广泛。

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光伏电站中直流电弧故障的噪声强度分析

李智华, 钟杰人, 吴春华, 汪飞

2022, 43(5): 180-186. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0460

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针对大型光伏阵列中不同位置的直流串联电弧或并联电弧故障,基于电弧静态伏安特性和光伏阵列输出I-V特性,分析电弧的稳态工作点和电阻特性,进而定性推断电弧电流信号噪声的强度关系。结合实验测试,从电弧电流频域分量大小的角度,明确了光伏阵列不同位置的同类型电弧故障检测的难易程度,为大型光伏电站中各种位置的电弧故障有效检测提供了参考。

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级联H桥光伏逆变器开关管开路故障诊断

王付胜, 陈韬, 窦盛, 翁赛

2022, 43(5): 187-192. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0438

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多电平逆变器包含大量的半导体开关,以级联H桥光伏逆变器为例,针对开关管开路故障提出一种快速故障诊断和处理方法。在载波的顶端或底端采样每个H桥模块的输出电压,将其作为判断开关管开路故障的判据。诊断完成后,采取相应的措施降低故障程度。该方法可在一个载波周期内完成故障开关管的精确定位。实验结果验证了该方法的有效性。

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基于滑模变功率跟踪的PV-VSG控制技术

蒋林, 秦建茹, 韩璐, 代云中, 李平原, 左佳铭

2022, 43(5): 193-199. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0435

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针对含储能装置的传统光伏虚拟同步发电机（PV-VSG）不仅投资成本高且未考虑光伏阵列输出特性的问题,提出一种基于滑模变功率点跟踪（SM-VPT）的PV-VSG控制策略。该方法在滑模控制的基础上引入直流母线电压偏差控制,调整光伏阵列的功率跟踪轨迹,实现光伏出力自适应匹配负载需求,即当光伏容量充足时,只提供与负载相匹配的功率;光伏功率不足时,可实现传统的MPPT控制以减少电力短缺,同时防止直流电压骤降,保证系统稳定运行。该方法使PV-VSG能够按需向负载供电,无需增加额外的储能设备,可实现光伏发电系统直接以VSG形式接入并网,仿真结果验证了所提控制方法的有效性。

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硅橡胶平板暂态热路模型的建立与试验验证

王婷婷, 杨政霖, 阳林, 郝艳捧, 罗兵, 李立浧

2022, 43(5): 200-205. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0433

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为了研究光伏背板漏电起痕时表面温度特性,采用硅橡胶平板为研究对象并建立热路模型,实现放电表面温度的间接计算。首先根据光伏背板漏电起痕的特点对硅橡胶平板建立暂态热路模型,考虑到空气对流造成的影响,引入空气对流指数n对模型进行改进,提出空气对流指数和对流换热系数的求解方法。然后利用金属丝发热模拟平板表面放电时的发热状态,设计硅橡胶平板温升试验获得温度变化数据并与模型计算结果进行对比。结果表明,在求解得到对流换热系数和空气对流指数的基础上,暂态热路模型计算结果与试验结果的相对误差不超过10%,具有较高精度。

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基于镜面积尘的线性菲涅尔系统聚光性能研究

赵晓燕, 闫素英, 邢耀栋, 张维蔚, 付加庭, 赵宁

2022, 43(5): 206-212. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1360

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针对线性菲涅尔反射式（LFR）聚光集热系统镜面积尘所引起的光学损失问题,建立镜面积尘的系统三维模型,利用蒙特卡洛光线追迹法进行光学仿真模拟,研究灰尘颗粒形状、粒径以及镜面积尘密度对光线路径、系统能流密度和聚光效率的影响,并利用LFR能流密度测试系统来验证仿真模拟方法的可靠性。结果表明,球体颗粒对光线有汇聚作用,入射至正方体颗粒的光线会被完全吸收,镜面积尘密度增加1 g/m²,吸热管周的平均能流密度降低625.17 W/m²,系统的聚光效率下降5.53%,且镜面积尘颗粒的粒径越小,吸热管周的能流密度下降越严重,不同积尘密度下仿真模拟与试验测试的能流密度变化趋势一致,两者之间误差为9.6%。

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太阳能斯特林混凝土储热系统传热特性研究

张欣宇, 杨晓宏, 曹泽宇, 张燕楠, 田瑞, 张爽

2022, 43(5): 213-219. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1142

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设计碟式太阳能斯特林机混凝土储热系统,并对熔融盐及混凝土传热过程进行理论分析,对混凝土储释热过程进行模拟,运用多目标遗传算法进行优化,得到以下结论：在释热过程,选取290 ℃为流体出口的有效温度临界值,有效释热时间约2.1 h时,流体出口温度约为563 K,释热效率约为71%;高温混凝土和熔融盐沿着流程方向均存在一个温跃层区域,随着时间的延长,温跃层沿着流程方向逐渐向下游偏移,当温跃层移动到出口处时,熔融盐出口温度开始下降,温跃层占据的长度越小,储热系统效率越高;随着导热系数的增加,释热效率及有效释热时间提高。通过TOPSIS对解集进行重新排序分析,最优工况是蓄热量为2885 MJ、换热系数为672 W/（m·K）及储热效率为87%。

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太阳能生活热水系统相变储能研究进展

罗凯, 叶伟梁, 王艳, 曾最, 刘景滔, 费华

2022, 43(5): 220-229. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0324

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该文阐述了太阳能生活热水（SDHW）系统用相变材料的选择与封装情况,综述了相变材料在SDHW系统水箱、太阳能集热器和SDHW系统循环中的储能及其改进与强化换热研究进展情况,并对今后SDHW系统相变材料应用发展方向提出建议和展望。研究表明,石蜡与三水醋酸钠应用于SDHW系统水箱和集热器的研究较为广泛,其封装形式主要是的塑料、铝、不锈钢的宏封装,形状为管、柱体、球等,且相变材料加入到传统的SDHW系统中均能提高太阳能生活热水器的储热性能,其储热性能还有较大的提升与改进空间。

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小型菲涅尔定焦线聚光系统关键参数影响特性研究

李浩腾, 黄金, 王海, 颜健

2022, 43(5): 230-237. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1163

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基于线性菲涅尔透镜聚光特性和极轴式跟踪原理,提出一种采用圆弧腔体吸收器的小型菲涅尔定焦线聚光系统。采用蒙特卡洛光线追迹方法与数理统计原理,详细研究太阳赤纬角、太阳时角和腔体内表面吸收率等关键参数对聚光系统光学性能的影响。结果表明,腔体内表面吸收率对光学效率因子的影响最显著,其次为太阳赤纬角、太阳时角。腔体内表面吸收率分别为1.00、0.85、0.75时,系统平均光学效率因子分别为0.950、0.865、0.799。太阳赤纬角对能流均匀性影响最显著,其次为太阳时角、腔体内表面吸收率。在太阳赤纬角分别为0°、8°、16°、23.45°时的平均均匀因子分别为0.507、0.519、0.561、0.612。该系统可减少余弦损失、降低焦线偏移对端部损失的影响。

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多级鼓泡式加湿除湿型太阳能海水淡化装置研究

刘方舟, 马兴龙, 郑宏飞, 金日辉, 梁深

2022, 43(5): 238-243. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0972

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提出一种多级鼓泡式加湿除湿型海水淡化装置。该装置主要由多曲面太阳能聚光系统、加湿层和除湿层以及相应的泵和管路组成。经聚光器加热后的高温空气在风机驱动下分别进入加湿层和除湿层,热风穿过各级筛板及筛孔,产生气泡,增大了空气与水的接触面积,强化了传热传质过程。在不同天气下对装置进行实验研究,结果表明：在晴朗天气下,装置的太阳能利用率最高可达0.41,淡化装置效率最大可达1.23,最大产水速率为3.66 kg/h,全天产水量为17.08 kg;在非晴朗天气下,装置产水量为12.43 kg。

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基于动态运行策略的太阳能分布式供能系统设计运行联合优化

刘艳峰, 王亚星, 罗西, 胡筱雪, 刘正学

2022, 43(5): 244-251. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0907

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提出将光伏剩余电量按照可变比例分配给储能电池及市政电网的动态运行策略,建立基于该策略的并网太阳能分布式供能系统设计运行联合优化模型,在不同分时电价下基于遗传算法对模型寻优,并将动态运行策略与对照运行策略（剩余电量优先并网或优先分配储能电池）下的系统运行结果进行比较分析。以陕西某乡村典型民居建筑为例进行分析,结果表明：1）分时电价的峰谷价差较大时,动态运行策略可有效降低太阳能分布式供能系统成本;2）分时电价的峰谷价差对于动态运行策略下储能电池的容量配置具有较大影响：峰谷价差越大,储能电池的配置容量越大;3）光伏度电补贴对3种运行策略下的系统成本影响程度为：动态运行策略>策略B（剩余电量优先分配储能电池）>策略A（剩余电量优先并网）。

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基于相关向量信息熵的风电机组功率曲线构建方法研究

付德义, 高世桥, 孔令行, 贾海坤

2022, 43(5): 252-259. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0228

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仿真研究湍流强度、空气密度、偏航误差等风电机组功率输出特性关键影响因素与功率曲线之间的内在关联特性,建立各影响因素与功率输出特性之间的隐含关系子模型。结合风电机组运行数据,基于相关向量信息熵技术,实现风电机组运行功率曲线的构建。基于构建的功率曲线与机组实际输出特性开展年发电量对比,结果表明,基于相关向量信息熵法构建的功率曲线能够实现对风电机组出力特性的真实准确评价,评价误差不超过2%。

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基于齿廓修形和摩擦耦合的风电齿轮磨损动力学特性分析

田德, 陶立壮, 胡玥, 李贝

2022, 43(5): 260-269. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1280

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为定量研究齿面磨损（TSW）的振动特性,提出一种基于齿廓修形和摩擦耦合的磨损故障建模方法,并引入最大磨损深度来表征齿面磨损程度。以大型风电机组齿轮箱高速输出轴直齿轮为研究对象,得到对应不同磨损程度下的齿轮时变啮合刚度,并将其代入到齿轮箱8自由度动力学微分方程,在不同转矩条件下对齿轮箱进行动力学仿真,得到不同磨损严重程度和转矩条件下的振动时频域特性。结果表明：仿真结果与实验数据吻合良好,验证了该方法的有效性;随着齿面磨损程度增加、转矩增大,齿轮箱振动、齿轮扭振剧烈;在0.4倍额定转矩附近,齿面磨损引起齿轮箱振动速度、振动加速度最为明显。研究结果可为齿轮磨损故障诊断提供理论指导。

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海上升压站Laplace域振动响应预报方法研究

孙震洲, 陈杰峰, 崔莹, 卢洪超

2022, 43(5): 270-277. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0998

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针对传统时域预报方法的准确性依赖计算时间步长、频域法只能得到稳态响应的问题,基于Laplace变换提出一种新的海上升压站动力振动响应预报方法。通过解耦得到模态坐标系振动方程,在Laplace域求解海上升压站结构振动响应的极值和留数,进而得到时域响应。该方法考虑海上升压站的初始条件,可避免时域积分引起的误差。分别采用悬臂梁模型和导管架式海上升压站模型对该方法进行验证,结果表明了其振动响应预报的准确性。

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考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构风致疲劳寿命评估

李万润, 郭赛聪, 张广隶, 杜永峰

2022, 43(5): 278-286. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0976

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针对风向对风力机塔筒疲劳产生影响的问题,基于实测数据对考虑风速风向联合概率分布的风电塔筒结构的风致疲劳寿命展开研究。首先结合甘肃安西地区37 a的实测风速风向数据,给出风速风向联合概率分布。然后利用主S-N曲线法分别对不同风向和不同风速下风力机塔架结构法兰及门洞区域的响应规律进行分析。最后考虑风速风向联合概率分布,对风电塔筒结构风致疲劳寿命展开研究。结果表明：门洞朝向与风轮朝向的夹角变化和风速的改变均对风电塔筒的风致疲劳寿命有一定影响,其中门洞朝向与风轮朝向夹角为225°时疲劳寿命最长,风速为10~14 m/s时疲劳寿命变化幅度最大;考虑风速风向联合概率分布能更准确地计算风力机结构的风致疲劳寿命,且以此为依据对门洞朝向进行调整可延长其疲劳寿命,因此建议对风电塔架进行设计时,应考虑风电场所在地区的风速风向联合概率分布。

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吸气控制策略对垂直轴风力机气动性能影响研究

罗帅, 缪维跑, 刘青松, 李春, 张万福

2022, 43(5): 287-295. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0946

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针对垂直轴风力机复杂气动特性,将吸气孔置于风力机翼型上下表面,提出不同吸气控制策略以改善其气动性能。基于CFD方法,研究不同叶尖速比下吸气策略对风力机风能利用率、叶片切向力系数及流场特性的影响,综合考虑能量消耗与风力机输出功率。结果表明：提出的3种控制策略在低叶尖速比下均能大幅提升整机气动效率。效果最佳的迎、背风区交替吸气策略可显著推迟分离点,延缓翼型动态失速发生,并减少分离涡周期性脱落造成的损失。此外,该策略对动态尾迹效应有良好的控制效果,同时降低整机转矩波动幅值,消除中低叶尖速比下风轮负转矩,从而提高获能效率且延长风力机使用寿命。

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可变偏心距风力机应力应变特性研究

包道日娜, 刘旭江, 王帅龙, 刘嘉文, 刘东, 吴胜胜

2022, 43(5): 296-304. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0914

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针对新型可变偏心距风力机,通过数值模拟及实验测试的方法,研究偏心距离对风轮、塔筒及侧偏调节机构受力的影响。结果表明,在来流风速增大的条件下,可变偏心距风力机通过增大偏心距可减小叶片受力,风轮向右侧偏心100 mm时叶片最大应力是未偏心工况的86%;随着偏心距离的增大,塔筒在俯仰方向受力增长趋势放缓,受风轮偏转角增大的影响,塔筒在侧弯方向受力处于持续增大的状态;在向右偏心距离增大的过程中,风轮侧偏调节机构应力及应变逐渐向右侧集中,最大应力、应变始终处于中间部位,结果验证了偏心距调节方式的可行性及安全性。

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基于BIM的光伏电站自动化布置及发电量评估

丁俊杰, 白建波, 李建, 王跃, 姜猛, 牛勇

2022, 43(5): 305-311. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0913

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对光伏电站自动化布置的区域填充算法以及进行阴影分析的射线检测算法进行研究,进而以BIM技术为基础在Sketchup平台上实现光伏组件自动参数化布置及逐时阴影遮挡分析功能,并和实际电站的性能进行比较。研究结果表明：自动化布置算法和阴影分析算法符合电站实际应用情况,相对于传统的光伏电站性能模拟方法可视化性能有明显提升,此外基于实测气象数据模拟电站全年发电量和实测发电量的差异约为1.5%,具有一定精度。

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基于线路阻抗聚类的分布式光伏电站等效建模

张永新, 李飞, 张榴晨, 吴凡, 马铭遥, 张兴

2022, 43(5): 312-318. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0911

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为对大规模分布式光伏电站进行建模以研究其运行特性,提出一种分布式电站聚类等效建模方法。根据电站分布式结构特点,该方法将各光伏发电单元至公共连接点的等效线路阻抗列入聚类算法的聚类指标中,将各光伏发电单元聚类并将同一类中的光伏发电单元进行聚合以构建多机等效电路模型。其中,针对传统的模糊C均值聚类算法（FCM）因过度依赖初始聚类中心点而易陷入局部最优的缺点,该方法使用Canopy-FCM聚类算法进行改进,在FCM算法前用Canopy聚类算法进行预处理。最后通过RT-LAB实时仿真平台对所提聚类等效建模方法的合理性和精确性进行验证。

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永磁同步风电机组发电机定子温度建模方法

杨明岱, 王宪, 赵前程, 胡芳, 阳雪兵

2022, 43(5): 319-326. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0891

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针对山地风电场大型永磁同步风电机组发电机定子温度的变化特点及传热过程进行分析,提出一种基于风电机组SCADA数据的发电机定子温度建模方法。首先,分析风电机组在实际运行过程中定子温度的变化情况;然后,根据永磁同步发电机内部的传热过程,对发电机定子温度建模;最后,采用风电机组正常运行时的SCADA数据求解模型参数。实例分析表明,风电机组状态正常时,定子温度估计的平均误差绝对值为0.59 ℃,模型精度较高;风电机组状态异常时,模型温度估计的平均误差绝对值为5.17 ℃,精度显著降低。

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适用于短路故障分析的风电场动态等值建模方法

薛翼程, 张哲任, 徐政

2022, 43(5): 327-335. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0791

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针对风电场集电网络等值较为粗略、对非对称故障时等值模型精确度关注较少的情况,提出一种适用于短路故障分析的风电场动态等值建模方法。首先,依据系统潮流计算结果对集电网络进行等值解耦计算,并采用基于模块度的K均值算法对各风力机端电压进行聚类分析,实现风电机群内的多机聚合。其次,考虑到集电网络分布电容的影响,对聚合后风电场设置集中无功补偿电容。随后,为保证非对称故障过程中等值模型的有效性,提出风电场零序网络的等值方法。最后,基于时域仿真软件PSCAD/EMTDC下搭建的电磁暂态仿真模型,验证了所提动态等值方法的有效性。

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建筑密度对建筑物群内风能利用的影响

侯亚丽, 吕爱静, 邸建琛, 汪建文, 王鑫厅

2022, 43(5): 336-342. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0656

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针对建筑物群内风能应用问题,采用CFD方法,对建筑密度分别为26%、20%、18%、16%、14%的5种建筑物群周围风速和湍流强度特征开展研究,分析建筑密度对建筑物群内风力机合理安装位置的影响方式。结果表明：在低于1.5H高度范围内,建筑物群的建筑密度越大,同一安装高度上适合于安装风力机的区域就越大,即越有利于建筑物群内风能的应用;在高度高于1.5H后,建筑密度对建筑物群内风力机安装位置的影响消失;无论建筑密度大小,在低于1.2H的高度范围内,建筑物群内不适合安装风力机;在高度高于1.45H后,可优先考虑将风力机安装于建筑物群内中间一排建筑物顶面,在建筑物顶面可优先将风力机安装于拐角位置;5种建筑密度的建筑物群内只考虑风速要求即可确定风力机的合理安装位置。

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基于图形特征的双输入卷积神经网络风力机轴承剩余寿命预测

余萍, 曹洁

2022, 43(5): 343-350. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0445

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提出一种基于图形特征的风力机轴承剩余使用寿命（RUL）预测方法。首先,基于连续小波变换（CWT）对时域振动数据样本集进行预处理,得到用于预测的时频图形数据集。然后,采用双输入卷积神经网络（DICNN）从图形数据集中提取特征映射,用于构造高性能健康指数（DICNN-HI）来表征轴承各退化阶段的状态。最后,结合DICNN-HI,采用基于高斯过程回归（GPR）的分析方法进行RUL预测,并用PRONOSTIA滚动轴承数据集进行验证。结果表明,该方法具有较高的健康指数预测精度,能有效反映滚动轴承的劣化状态,有助于实现风力机轴承的RUL预测。同时,也可为其他旋转机械设备的剩余寿命预测提供重要的理论参考,具有一定的实用价值。

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基于低速预处理的风力机翼型外形优化设计

王清, 张敏, 李德顺, 李寿图

2022, 43(5): 351-358. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0441

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针对经典的S809翼型,耦合基于低速预处理的流场求解方法和序列二次规划方法,开展针对翼型升阻比的翼型气动外形优化设计研究。优化结果显示优化翼型具有较大的翼型前缘半径和较平坦的上表面。数值计算结果表明,优化翼型在设计点1的状态下升阻比提高43.3%,在设计点2的状态下升阻比提高48.9%。进一步数值验证表明,优化翼型在雷诺数为5.0×10⁵状态下的最大升力系数从S809翼型的1.140增大到1.297,在雷诺数为1.0×10⁶状态下的最大升力系数从1.236增大到1.418。在优化翼型的基础上,开展翼型气动外形人工修型研究,数值模拟表明修型翼型能更好地消除气流分离,从而进一步增大翼型升力系数、减小翼型阻力系数。

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大粗糙度弦向分布对风力机气动性能影响

孟令玉, 赵振宙, 吴昊, 王同光, 郑源, 许波峰

2022, 43(5): 359-365. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0429

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针对5 mm大尺度蚊虫尸体在叶片上的附积问题,采用带转捩的k-ω SST湍流模型,以NERL Phase VI风力机为研究对象,从不同弦向覆盖位置入手,对大粗糙度下风力机气动性能进行数值模拟。研究结果表明,粗糙度对风力机整体做功具有较大影响,粗糙度越大效率降低越显著;粗糙度使在叶片靠近叶尖位置的吸力面促成小型低压涡,转捩提前;该效应在大尺度粗糙条件下表现明显,附着涡强度也更大;在叶片压力面添加75%c粗糙度会使翼型产生的气动损失最大。

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近海风力机水平受荷单桩简化p-y曲线研究

陈晓路, 管春雨, 张管武, 戴国亮, 高鲁超, 万志辉

2022, 43(5): 366-371. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0427

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开展近海风力机水平受荷单桩的现场试验,实测得到桩顶荷载-位移关系、桩身变形和弯矩,揭示水平荷载作用下桩-土相互作用规律。考虑地基土埋深效应来修正初始地基反力模量,提出适用于砂土和黏土中水平受荷桩承载特性的简化p-y曲线模型,并与实测值和API规范计算值进行对比,最后对极限抗力系数和形状参数进行敏感性分析。结果表明：简化方法计算的桩顶位移和桩身最大弯矩与实测值相对误差分别为15.6%和3.2%,提出的简化方法能提高计算精度;极限抗力系数和形状参数对水平受荷桩内力和变形均较为敏感,以变形控制为设计原则的单桩基础建议取较大值。

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碳基固体酸预处理结合酶解糖化玉米芯的研究

卢思, 王琼, 梁翠谊, 亓伟, 袁振宏, 蓝平

2022, 43(5): 372-376. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0973

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以自合成的木质素磺酸钠基固体酸（Sl-C-S-H₂O₂）为催化剂,并耦合纤维素酶实现玉米芯的两步水解建立糖平台。考察预处理条件对木糖收率的影响,最高木糖收率可达83.4％;在国产纤维素酶的作用下,48 h葡萄糖收率即可达92.6%,两步反应的总还原糖收率达88.1%。

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下吸式固定床的生物质H₂O/CO₂气化数值模拟研究

郑志行, 张家元, 李谦, 周浩宇

2022, 43(5): 377-382. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0925

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利用Aspen Plus 软件建立干桦木屑在下吸式固定床气化炉中的气化模型,模拟值与文献实验值吻合良好。利用Aspen Plus的灵敏度分析模块模拟分别以水蒸气（H₂O）和二氧化碳（CO₂）为气化剂时气化剂/生物质碳比（GC值）对气化结果的影响,并结合H₂O、CO₂各自的特点研究其复合气化。结果表明,H₂O气化时可获得富氢煤气,但其净CO₂排放量较高;CO₂气化时碳转化率及冷煤气效率较低,但净CO₂排放量较低;H₂O、CO₂复合气化使碳转化率及冷煤气效率略有降低,但可有效减少气化系统中的净CO₂排放量。

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碱改性HZSM-5热解生物质模型化合物影响研究

李延吉, 伊嘉婧, 何强, 杨振涛

2022, 43(5): 383-390. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0835

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实验采用Py-GC/MS在500 ℃下对NaOH、Na₂CO₃和有机碱（CTAB/TPAOH）改性HZSM-5催化热解生物质模型化合物的产物分布影响机制进行探究。结果表明,利用0.1 mol/L NaOH/Na₂CO₃改性HZSM-5使热解油中小分子酮、酚和酯类物质的收率有所提高,有利于碳链长度≥5产物（C_≥5）的生成;0.2 mol/L NaOH/Na₂CO₃改性HZSM-5催化剂有助于脱羰和脱羟基反应的进行,促使环状化合物开裂转化为链状化合物。TPAOH的加入使NaOH改性HZSM-5催化热解产物中酮类产物收率降至18.56%、醛类产物收率增至3.01%,并促使C_≥9产物向C_≤4转化,链状产物增加;经CTAB改性后C_≥9产物向C_5-8转化,环状产物增加。

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秸秆燃烧中钾逸出的几种模型的对比

苏现强, 何芳, 李秀华, 高振强

2022, 43(5): 391-398. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0775

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为研究生物质燃烧中钾逸出模型的异同,针对现有几种常见的蒸发和动力学模型编写钾逸出速率的计算程序,并结合秸秆灰在同步热分析仪中的实验对各模型进行对比分析。结果表明：1）蒸发模型和张/曹的动力学模型都能较准确地预测秸秆中钾的逸出随温度变化的规律。2）Peters模型的最大值出现时刻向低温处偏离,而Fatehi模型的向高温处偏离。3）蒸发模型在以高升温速率（30和50 ℃/min）升至900 ℃时,与实验吻合最好（相对误差<20%）。该模型物理实质清晰,但由于未考虑钾盐之间的相互作用导致预测值略大于实验值。4）各动力学模型和实验表明,在900~950 ℃内秸秆中钾含量及升温速率的影响大于终温对钾逸出速率的影响。

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温度对秸秆生物炭理化特性和电化学特性的影响

王炯, 张品, 张舒晴, 刘圣勇, 鲁杰, 温萍

2022, 43(5): 399-404. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1268

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采用程序升温限氧法,在不同温度下制备小麦秸秆生物炭,探究其表面形态、官能团和理化特性随碳化温度升高的演变规律。在此基础上设计基于生物炭的电极,并对其电化学性能进行测试。结果表明：生物炭内部保留了秸秆纤维素多层的束状结构,呈层状、狭缝型非均匀的孔道。随着碳化温度的升高,其表面形态经历蜂窝状小孔、多层维束结构坍塌、边缘熔融和表面析出结晶盐4个阶段。秸秆生物炭具有优越的电容性能,以WB600 ℃的电化学性能最为突出。当碳化温度≥600 ℃时,在波数1430~1870 cm^-1之间,还出现众多杂乱的弱峰。这是由于随着碳化温度的升高,生物炭中—CH==基团转化为C==O基团,生成具有环状结构的得电子基团——醌类。

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单釜间歇式生物质炭化热解设备的结构设计研究

袁小伟, 张学军, 吕慧捷, 徐永刚

2022, 43(5): 405-412. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1194

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针对当前生物炭生产设备仍以半机械化为主,生产连续性差、生产效率低、物料堆放松散不平、秸秆炭化不均匀等问题,提出一种生物质单釜间歇式炭化设备,通过选择热解参数以及热工计算,采用棉花秸秆原料进行炭化试验,获取现有技术条件下的炭化得率质量分数为45%,气体为CO₂（50.2%）、CO（28.1%）、H₂（7.2%）、CH₄（6.9%）和其他（7.6%）,其中CO、H₂、CH₄作为主要燃烧成分占气体总质量分数的42.2%,可实现设计目标、提高炭化得率。

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规则波作用下旋转浮子式波浪能捕获装置水动力试验研究

尹则高, 高敏, 刘梅梅, 吴斐, 于宁, 张仁贡

2022, 43(5): 413-418. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0987

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提出一种旋转浮子式波浪能捕获装置,并进行一系列物理模型试验来研究其在规则波作用下的水动力行为特性。试验研究发现：1）浮子旋转角速度随螺距的增大而减小。2）入射波周期小于2.4 s时,平均角速度随入射波周期的增加呈增大趋势;入射波周期大于2.4 s时,随着入射波周期的增加,平均角速度增幅趋缓,个别工况呈轻微减小的趋势。3）波能捕获宽度比与入射波周期基本呈正相关关系。波能捕获宽度比随螺距的减小而增大;在螺距δ=0.02、入射波周期T=2.4s时,波能捕获宽度比达到最大。最后,利用量纲分析方法,推导旋转浮子的平均角速度方程,并利用试验数据对其进行验证。

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微水头水流能水轮机水动力性能研究

高强, 任亚雄, 张琰, 闫宏伟

2022, 43(5): 419-426. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0984

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针对微水头低流速水域流速梯度的问题,在水轮机导流罩基础上设计一种采集装置,使水轮机能提前采集低流速水流, 用结构补偿流量, 并通过数值模拟与试验相结合的方法,研究在非均匀流中加装采集装置对水轮机水动力性能的影响。结果表明：加装采集装置可减弱流速梯度对水轮机水动力性能的影响, 在低流速时作用明显。同时加装采集装置可增大水轮机输出功率, 减小启动流速,输出功率最多增大约2.2倍,启动流速可减小约0.1 m/s。

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车载高压氢气分级充注系统的设计与模拟

张镕驿, 王怀忠, 王依芮, 赵贯甲, 尹建国, 马素霞

2022, 43(5): 427-432. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0999

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研究单级氢气充注时,氢气充注速率、初始温度和压力对氢气终了温度的影响。通过调用NIST REFPROP 中标准氢状态方程,模拟氢气在充注过程温度、压力、充注率等参数的变化。设计和模拟两级和三级氢气充注系统。结果表明：多级充注时,存在最佳的中间压力,使得充灌终了氢气温度最低,且增加级数可降低终了氢气温度。最后,对多级充注系统的能耗进行分析,结果表明随着级数的增加,系统的总能耗降低。

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模拟PEM燃料电池环境下垫片材料的疲劳损伤研究

李洋, 谈金祝, 王志强, 陆颜, 王超

2022, 43(5): 433-437. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0921

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以质子交换膜（PEM）燃料电池垫片常用材料（硅橡胶弹性体材料）为对象,研究垫片材料在模拟PEM燃料电池环境下的疲劳损伤情况。选用2种溶液模拟PEM燃料电池环境,一种为接近实际PEM燃料电池环境的溶液,即正规溶液（RS）,另一种为加速损伤试验的加速持久性试验（ADT）溶液。采用压缩疲劳试验和屈挠疲劳试验方法,研究垫片材料在2种模拟PEM燃料电池环境下的疲劳损伤行为。压缩疲劳试验结果表明,PEM燃料电池模拟环境和老化时间对试样的压缩疲劳温升有重要影响,试样暴露在ADT环境下的疲劳温升较暴露在RS环境下高;随着老化时间的增加,试样的疲劳温升增大,疲劳损伤加剧。屈挠疲劳试验结果表明,PEM燃料电池模拟环境和老化时间对试样的疲劳寿命有显著影响,暴露在ADT溶液中的试样疲劳寿命小于暴露在RS溶液中;试样的疲劳寿命随老化时间的增加而减少。

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电化学储能电站NPC三电平变流器仿真建模研究

肖珩, 李建林, 李雅欣, 曾伟, 米阳

2022, 43(5): 438-445. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0146

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利用仿真软件及实验设备对中点钳位型（NPC）三电平储能变流器进行研究。首先建立1500 V高压直流储能系统,其能量密度、功率密度、系统循环效率较高,且成本和占地面积较低,正逐渐成为主流;然后建立单台NPC三电平变流器（PCS）模型,结合储能系统、滤波电路、变压器等形成电站基本结构,并将多台设备并联建立储能电站模型;最后通过dq坐标系全解耦控制策略实现对PCS输出功率的控制,从而实现与电网的功率互动。仿真和实验结果表明,储能电站可迅速切换充、放电工作状态,并准确跟踪目标功率,输出波形良好、畸变率低的并网电压,从而实现对电网的调节。

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一种退役动力电池梯次利用储能系统安全评估方法

于璐, 张辉, 田培根, 肖曦, 吴岩, 刘钰磊

2022, 43(5): 446-453. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0212

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以梯次利用于储能系统的退役动力电池为研究对象,提出一种梯次利用电池组合安全评估方法,采用梯次利用电池厂家、种类、测试等多维数据,通过熵权-TOPSIS法及层次分析法对梯次利用电池安全性能进行综合评估与算例分析。研究结果表明：对拟采用不同厂家、批次、种类退役动力电池构建的储能系统,该方法可对其中的梯次电池进行有效安全评估,有助于选用安全性更高的梯次电池来构建储能系统,进一步提升系统安全性,符合梯次利用储能系统大规模推广建设的现实需要。

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动力电池支撑架结构设计及散热性能分析

王博, 胡兵, 王小娟

2022, 43(5): 454-460. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0261

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可再生能源的发展势必带动动力电池的发展,在促进退役动力电池循环利用方面也将取得较大成效,在动力电池发展过程中,其安全性是值得广泛关注的重点问题,为提高动力锂电池组放电时散热效率,设计电池组支撑架,采用计算机仿真的方法研究不同支撑架结构、不同工质、不同流速下18650型锂电池构成的动力电池组的热性能。通过对空气和水2种工质流体、工质流速大小、工质入口位置等参数进行组合仿真分析,结果表明,随着工质流速的增加,电池组及支撑架表面的最高温度逐渐降低,当工质流速大于10 m/s时趋于稳定;适当的工质流入口的位置可增强降温效果,在低流速状态下,空气和水分别作为冷却工质时,纵向包裹型电池支撑架比横向包裹型电池支撑架电池组中表面温度分别降低了2.64%和1.86%;在高流速状态下,空气和水分别作为冷却工质时,纵向包裹型电池支撑架比横向包裹型电池支撑架电池组中表面温度分别降低了3.15%和1.83%。动力电池支撑架结构设计可为后续电池热控制提供理论参考。

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一种梯次利用电池可重构储能系统多级在线安全评估及风险预警定位方法

于璐, 张辉, 田培根, 肖曦, 吴岩, 张凯

2022, 43(5): 461-467. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0309

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为提高梯次利用电池可重构储能系统的安全性,提出一种梯次利用电池可重构储能系统电池的多级在线安全评估方法。该方法采用可重构储能系统中电池单体、模组的电压、温度等实时监测数据,建立电池及模组的安全评估模型,通过熵权-TOPSIS法对电池电热安全进行量化评估。安全评估方法可在线量化采用不同厂家、批次、种类退役动力电池可重构储能系统的安全状态,依据评估结果实现模组和单体的二级安全预警,完成模组级和单体级的安全风险定位。依据在线安全评估结果,可对梯次利用电池储能系统及时进行拓扑重构、能量调度和温度管理,有效提升系统的安全性,促进梯次利用电池在储能系统中的规模化应用,符合梯次利用储能系统大规模推广建设的现实需要。

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基于混沌自适应人工鱼群算法的含家庭储能配电网快速重构方法

谭慧娟, 李世明, 郭文鑫, 赵瑞锋, 徐展强

2022, 43(5): 468-477. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0394

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针对分布式电源接入配电网具有波动性和随机性的特点,提出一种基于混沌自适应人工鱼群算法的含分布式电源配电网快速化重构方法。在风电、光伏和家用储能的数学模型和节点划分基础上,以电网网损、开关次数以及失电负荷成本最小为目标函数,建立基于多目标优化的含分布式电源配电网的优化重构模型。利用混沌自适应人工鱼群算法对模型进行求解,通过对鱼群的混沌初始化和自适应动态调整步长参数,提高了算法的全局搜索能力和收敛速度。根据电化学储能系统出力特性划分配电网网架重构的典型工作场景,通过含分布式电源的IEEE 33节点测试系统仿真实例验证了该文方法的有效性。仿真结果表明,与单独考虑电网网损成本相比,由该文方法得到的配电网优化重构成本降低了50%以上,优化重构时间均小于0.9 s,实现了含分布式电源配电网的快速自愈。

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锂电池储能电站防消一体化系统设计及控制策略

徐亮

2022, 43(5): 478-483. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0411

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面向锂电池储能电站的安全需求,遵循“预防为主、防消结合”的原则,设计锂电池储能电站防消一体化系统,实现数据融合和智能诊断,建立早期预警、后期灭火防护的完整系统;参照实际储能预制舱结构,搭建储能预制舱试验环境,开展锂电池单体及模组热失控及灭火试验,结果表明：防消一体化系统控制策略通过安全预警、防护、消防系统的分级工作,实现了火灾早期预警以及后期灭火防护,最大程度降低了电池热失控带来的危害;以细水雾作为灭火介质能在短时间内熄灭磷酸铁锂电池火灾,并能有效防止电池复燃。

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基于PCA-GPR的锂离子电池剩余使用寿命预测

何冰琛, 杨薛明, 王劲松, 朱旭, 胡宗杰, 刘强

2022, 43(5): 484-491. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0422

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从充电过程中的电压-容量曲线中提取出一个与电池寿命高度相关健康因子（HI）。然后利用主成分分析（PCA）对影响电池寿命的多维因素进行分析和降维,结合高斯过程回归（GPR）机器学习方法提出一个基于PCA-GPR的锂离子电池剩余使用寿命预测模型。最后进行锂离子电池剩余使用寿命预测并与PCA-BP神经网络、PCA-支持向量机（SVM）模型进行比较。结果表明,利用该文提出的HI及预测模型可有效提高锂离子电池剩余使用寿命预测精度,其中通过贝叶斯优化器优化后的PCA-GPR模型的预测效果最佳。

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风电场含退役动力电池的混合储能系统容量优化配置

李培强, 李雄, 蔡笋, 赵伟, 雷二涛

2022, 43(5): 492-498. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0470

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针对退役电池在风电场平抑功率波动场景的应用,提出一种考虑退役电池时间尺度的混合储能系统容量配置方法。首先分析退役电池和新电池储能的优势,并介绍储能系统的成本构成;然后建立以全寿命周期经济性最优、考虑退役动力电池充放电时间尺度的混合储能容量配置模型,线性化后可调用求解器求解获取储能容量配置结果;最后用风电场实际数据进行分析,验证容量配置方法的有效性,并分析风电场不同储能配置时长政策要求、退役动力电池不同时间尺度以及不同控制策略下的混合储能容量配置结果。

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考虑退役动力电池衰减特性的新能源场站群共享储能长期规划配置

李笑竹, 陈来军, 杜锡力, 王再闯, 梅生伟

2022, 43(5): 499-509. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0505

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为最大化利用退役动力电池的全生命周期价值、解决共享储能在电力系统扩展规划方面需兼顾多方利益的经济性难题,计及逐渐增加的新能源装机容量与负荷需求,提出考虑退役动力电池衰减特性的发电侧共享储能长期规划模型。首先,设计基于退役动力电池的发电侧共享储能运营模式以打破能量共享壁垒,使其既能服务于自身新能源场站又可实现多个新能源场站间的能量互济、必要时还能参与电网的动态调频。其次,考虑退役动力电池衰减特性构建多个新能源场站自配并共享储能的长期规划模型,模型基于合作博弈以应对多方利益诉求冲突给资源优化配置带来的经济性挑战。最后以算例仿真验证所提发电侧共享储能运营模式及长期规划模型的可行性。

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面向实车数据的电动汽车电池退役轨迹预测

周雅夫, 史宏宇

2022, 43(5): 510-517. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0506

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针对车载环境下电池容量难以预测,电池退役时间难以确定的问题,提出基于车辆日常充电片段数据来估算电池当前最大可用电量,构建电池当前可用最大容量与行驶里程的序列关系以描述电池的退化特征,为剩余寿命预测提供可靠依据。首先在电池的充电工况下以安时积分法估算电池的当前可用最大容量,利用卡尔曼滤波对得到的容量值进行修正,然后建立长短期记忆（LSTM）神经网络模型来预测在车辆行驶里程下的电池容量衰退轨迹。结果表明：该方法实现了电池容量的准确预测,为车辆电池退役时间确定提供了可靠依据。不同训练集下均方根误差均低于多项式回归模型和高斯回归模型,预测精度至少提高了12.7%,具有较强的适用性和实际意义。

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基于深度神经网络的梯次利用电池健康状态评估

魏梓轩, 韩晓娟, 李炫

2022, 43(5): 518-524. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0550

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随着大量退役电池梯次利用,对退役动力电池健康状态的准确估计是保障电池梯次利用安全高效运行的前提。针对上述问题,提出基于深度神经网络学习的梯次利用电池健康状态评估方法。根据不同循环次数下梯次利用电池充放电性能的差异性,从梯次利用电池物理特性角度挖掘影响梯次利用电池老化特征的主要参数,利用皮尔逊法计算电池老化特征与梯次利用电池健康状态的相关系数,选取较高相关度特征作为深度神经网络的输入,建立基于深度神经网络学习的梯次利用电池健康状态评估模型。通过美国国家航空航天局Ames卓越预测中心的锂离子电池测试数据仿真实例验证了该文方法的有效性。仿真结果表明,与传统神经网络相比,深度神经网络学习可明显提高梯次利用电池健康状态的预测精度,为退役动力电池健康状态评估提供理论依据。

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基于风险防御的退役动力电池递进式分选方法研究

颜宁, 钟瑶, 李相俊, 武中立

2022, 43(5): 525-532. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0628

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针对退役动力电池存在初始特性参数不一致,梯次利用过程中存在安全稳定性降低等问题,提出一种基于风险防御的退役动力电池递进式分选方法。首先,提取电动汽车退役动力电池“灰箱”数据,选取剩余容量、内阻及端电压作为分选参数,采用改进K-均值算法对退役动力电池参数进行初始聚类数据提取。其次,估计梯次利用过程中退役动力电池荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）等特性,通过功能状态（SOF）表征参数间的关联特性,并基于SOF动态一致性进行分选。最后,考虑风险防御预留系统的SOF动态安全裕度,降低退役动力电池初始特性缺陷对梯次利用重组的影响。通过仿真分析验证所提分选方法提高了退役动力电池的一致性,并有效降低了重组系统的寿命损耗。

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考虑动力电池梯次利用的混合发电厂容量配置

王质素, 杜欣慧, 陈惠英, 贾晨, 蔡逸超, 李钢

2022, 43(5): 533-540. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2019-0732

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大量动力电池被淘汰,将淘汰的电池用作电力储能是解决问题的一个有效方法。选用风光和淘汰的动力电池作为储能的混合发电厂为研究对象,以目标函数为年利润最大进行容量配置,提出梯次利用电池的购买价格为全寿命周期等出力成本的方法,电池模型采取同时考虑使用次数、使用时间和充放电深度,并在可用容量相同的条件下每年进行置换更新的改进配置模型。通过最小乘子法、最优保存法和自适应步长法改进萤火虫算法,应用改进算法寻找最优解。最后选用张家口的天气参数进行模拟分析,验证模型算法的正确性,并对梯次电池回收价格进行研究。

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基于混合算法的配电网中电池储能的多目标优化配置研究

曹文思, 张敏, 黄慧

2022, 43(5): 541-546. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0529

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基于随机会约束规划理论,计及系统的不确定性因素提出配电网储能电站多目标选址定容模型。首先分析配电网的经济性和可靠性特征,接着基于随机机会约束规划建立储能电站的优化模型。采用二进制粒子群算法和改进粒子群算法的混合算法对模型进行求解。最后利用研究模型,结合IEEE 33标准节点系统建立配电网储能电站优化算例,对离网模式和并网模式2种模式进行仿真,对优化配置结果进行对比和分析。

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