太阳能学报

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金致含, 苏建徽, 施永, 汪海宁

2022, 43(7): 1-8. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1162

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目前电化学阻抗谱广泛应用于燃料电池故障诊断。针对诊断设备成本高昂的问题,提出集成在燃料电池系统DC/DC变换器的EIS测试方法,将激励信号在变换器双闭环控制的参考信号上分别施加干扰,实现了燃料电池电流和电压宽频带的在线扰动。为实现快速测试,采用一种伪随机二进制序列作为激励信号,可同时满足频率宽度和功率强度需求。实验采用Matlab/Simulink建模仿真,通过硬件在环实验验证,测试方法满足时间和精度要求,可通过嵌入式系统实现在线测试。

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PEMFC圆形双极板径向流场环形肋板孔道研究

廉钰弢, 郑明刚

2022, 43(7): 9-15. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1111

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为研究质子交换膜燃料电池圆形双极板径向流场环形肋板上的孔道对电池性能的影响,借助多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对不同孔道数目的流道设计方案进行数值模拟。选定某一特定孔道数目之后,进一步研究孔道的形状尺寸对电池电化学性能和物质输运能力的影响。结果表明：增加环形肋板上孔道的数目有利于提升电池输出功率,采用长宽比为1.50~1.75的矩形孔道的燃料电池整体性能最优。

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基于PID-二分组合控制算法的分布参数空气源热泵仿真模型的研究

龚光彩, 李柏霖, 周富玉, 黄喜文

2022, 43(7): 16-21. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1129

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采用分布参数法建立双级压缩空气源热泵系统热力学模型,建立一种基于PID-二分组合控制算法的全系统循环分布参数模型,并结合实验数据验证该模型的准确性。结果表明：系统模型在双级压缩制热模式下制热性能系数（COP）的模拟数据与实验数据的平均偏差为5.41%,两者在不同运行模式下的最大偏差不超过15%,均在可信范围之内,模型能准确反映系统性能随外界参数变化的规律;该模型与单独使用比例积分微分（PID）控制算法的分布参数法模型相比,总迭代次数较原模型减少约2.96倍,极大减少了模型的计算量,可在保证模型精度的情况下提升模型的计算速度。

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提升距离保护适应性的新能源主动故障控制研究

季亮, 张林楠, 姜恩宇, 洪启腾, 米阳, 符杨

2022, 43(7): 22-29. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1245

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该文以新能源送出线路为研究对象,通过研究新能源故障控制方法,提升距离保护在新能源电力系统中的适应性。首先,分析过渡电阻和逆变器控制对于距离保护的影响机理。然后,提出新能源故障控制策略,主动调整新能源输出特性,使故障附加阻抗呈纯阻性。接着通过利用有效故障阻抗、测量阻抗及故障附加阻抗在阻抗复平面中的关系,求解有效故障阻抗,以提升距离保护在新能源系统中的耐过渡电阻能力。最后,利用Matlab/Simulink仿真验证所提方法的有效性,为新能源送出线的保护与控制协调配合提供了理论基础。

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计及火用分析的综合能源系统多目标优化调度

黄宇, 王宇涛, 李淑琴, 杨凯, 王东风, 李永玲

2022, 43(7): 30-38. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1167

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建立综合能源系统优化调度模型并进行高效求解有利于可再生能源的开发利用,发掘综合能源系统降本增效的潜力。针对含光伏发电的综合能源系统,以系统火用效率倒数最小和总运行成本最小为目标,结合电-热-冷综合需求响应模型和运行约束,构建综合能源系统多目标运行模型。针对模型中存在的非凸非线性项进行等价线性转化处理,将问题由多目标混合整数线性分式规划等价转换为多目标混合整数线性规划,进一步采用ε约束法将其转换为一系列单目标混合整数线性规划问题进行高效求解获得帕累托Pareto前沿,并采用TOPSIS法进行决策。算例仿真表明,所建立的含光伏发电的综合能源系统能提升系统运行灵活性,相比于单目标运行,计及火用分析的综合能源系统多目标优化调度能够实现系统运行成本和火用效率的折衷。

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计及风、光消纳的风电-光伏-光热互补发电二层优化调度

熊伟, 马志程, 张晓英, 王琨, 周强, 陈伟

2022, 43(7): 39-48. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1146

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以风电、光伏、光热构成新能源互补发电模式,计及风、光资源消纳,建立将高载能负荷作为可调度资源参与新能源互补发电系统的二层优化调度模型,采用NSGA-Ⅱ和二进制粒子群算法求解模型。上层优化模型以互补系统输出功率波动最小和并网效益最大为优化指标确定各机组的出力,并且计算出弃风弃光量。在此基础上,下层优化模型针对上层优化模型造成的弃风弃光量,选取能够有效消纳风、光的高载能负荷参与电网调度。最后,以甘肃地区实际数据为例,验证了所提方法的可行性和有效性。仿真结果表明,光热电站的参与增加了44.3%的经济效益,减小了65.8%的输出功率波动,高载能负荷的参与减小了86.3%的弃风弃光量。

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基于Z域D分割法的并网逆变器控制参数多约束可视化设计

李飞, 许珂, 刘洋, 张兴, 王付胜

2022, 43(7): 49-55. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0934

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研究基于D分割法的并网逆变器控制参数设计方法。考虑并网逆变器数字控制的离散特性,推导Z域D分割法的成立条件,并和S域D分割法进行比较。根据系统的性能要求,利用Z域D分割法得到指定的相位裕度和幅值裕度以及参数鲁棒性要求下调节器参数空间域。在此基础上,以逆变器带宽为目标函数在参数空间域内,通过可视化的方式对控制器参数进行优化设计,该可视化分析方法无需对参数反复试凑,整定目标直观明确。最后通过仿真和实验,证明了该方法的正确性和有效性。

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面向“双碳”目标的脆弱区域生态光伏模式研究

隋欣, 魏毅, 罗小林, 吴赛男

2022, 43(7): 56-63. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0837

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光伏作为大力发展的零碳能源之一,是“双碳”目标达成的主力军,有必要对生态光伏模式进行研究。在总结分析光伏阵列对气象、土壤和植被的影响,光伏电站区域的固碳增汇效益和生态系统服务价值估算研究现状的基础上,从成本约束下的生态-经济效益最大化和固碳效益最优化角度,提出了生态光伏的概念和内涵;基于脆弱区域特征,融合生态系统过程模型和InVEST效益核算模型,构建基于“双碳”目标的脆弱区域生态光伏模式。研究结果可为光伏发电与脆弱区域生态修复双重效益核算,开发路径识别,行业标准出台提供参考。

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基于混沌海鸥优化算法的含光伏发电系统负荷模型参数辨识

盛四清, 关皓闻, 雷业涛, 张文朝, 潘晓杰, 邵冲, 王逾桐

2022, 43(7): 64-72. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0571

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针对分布式光伏发电系统广泛接入配电网,导致电力系统潮流计算速度和精度较低的问题,提出一种基于混沌海鸥优化算法的含光伏发电系统负荷模型参数辨识模型。首先,在综合负荷模型的虚拟母线上接入等效光伏发电系统的负荷模型,从而建立配电网广义负荷模型;之后,提出一种将混沌优化与海鸥优化相结合的优化算法,基于该算法完成配电网的等值,并在此基础上进行含光伏发电的综合负荷模型参数辨识。最后,通过仿真表明该文提出的算法,相比于传统的粒子群算法和单一海鸥优化算法,在计算精度和收敛速度等方面具有优越性,并可应用于负荷模型的参数优化。

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不规则太阳电池临近空间发电模型构建与分析

刘乾石, 徐国宁, 李兆杰, 高阳, 杨燕初

2022, 43(7): 73-79. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0330

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临近空间长航时飞行器（平流层飞艇、太阳能飞机、高空科学气球等）是目前高空平台（HAPS）的一种发展趋势。目前临近空间长航时飞行器的能量来源主要是太阳电池,由于飞行器形状和体积不同,太阳电池安装位置和面积也不同。飞行器有效铺装面积有限,为了实现能量平衡,因需要铺装更大面积,会遇到不规则形状铺装的情形,但此时的发电预测计算过程比较复杂且速度较慢。该文提出一种基于太阳电池之间关系的发电模型,实现任意单块太阳电池快速预测光伏阵列发电功率。针对现有飞行器不规则铺设太阳电池的进行仿真分析,结果表明,该模型能够准确预测其发电能力,并解决了不规则太阳电池发电能力的准确预测计算过程复杂和速度较慢的问题,修正后的模型在计算用时效率上最多可减少50%。

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卫星太阳翼在轨输出功率预测模型

姜东升, 彭梅, 井元良, 朱立颖, 穆浩, 张沛

2022, 43(7): 80-85. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1257

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该文介绍一种卫星太阳翼在轨功率输出预测方法,由单体太阳电池根据固体物理理论推导出来直流理论分析模型获得其等效电路,通过对单体太阳电池串、并联后组成的太阳翼电气电路,获得太阳翼等效电路,并根据该等效电路推导出太阳翼的直流分析模型。将太阳翼的直流分析模型转化为由单片太阳电池片开路电压Voc、短路电流Isc、最大功率点电压Vmp、最大功率点电流Imp这4个参数决定的太阳翼工程应用方程。同时,通过地面试验获得单体太阳电池的电压和电流衰降系数,获取太阳翼实际在轨不同时刻的开路电压VAoc、短路电流IAsc、最大功率点电压VAmp、最大功率点电流IAmp,并通过计算获取太阳翼工作点电压、电流,得到太阳翼的在轨预测工作输出功率。通过将该文模型预测值与太阳翼实际在轨输出电流、电压遥测值进行比较,验证该预测模型的有效性。该预测模型可通过单体太阳电池的4个工程参数,获得整个太阳翼的直流分析模型,便于太阳翼设计阶段建模分析的工程化应用。

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弱电网下光伏并网逆变器稳定运行组合控制策略

王力为

2022, 43(7): 86-92. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0935

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为提高弱电网下光伏接入的并网电流质量和系统的稳定裕度,提出一种基于公共耦合电压点的选频前馈结合相位超前校正的组合控制新策略,该策略设计选频环改善电网电压前馈函数,使其既保留对电网背景谐波的抑制,又避免稳定裕度的下降,同时提出在电流通路中设计超前补偿校正环节,补偿弱电网阻抗引起的系统相角裕度下降,增加稳定裕量,从而提高光伏并入弱电网的并网电流质量和系统的稳定裕度。通过仿真和实验验证该策略对谐波抑制和稳定裕度提高的有效性。

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基于改进PCI控制器的光伏并网逆变器的直流分量抑制策略

干天助, 梁理程, 陈延礼, 丁欣, 陈延明

2022, 43(7): 93-100. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1223

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针对非隔离型光伏并网逆变器存在直流分量注入问题,提出一种基于改进比例复数积分（PCI）控制器的直流分量抑制策略。将直流分量当作系统的扰动,设计相应的扰动观测器（DOB）,利用DOB对系统中的直流分量进行实时观测,并基于直流分量的观测值设计补偿环节,实现对直流分量的抑制。此外,针对系统在传统PCI控制器控制下存在系统相位裕度不足的问题,将传统PCI控制器的实数形式的谐振系数替换为复数形式,在复数域下设计改进型PCI控制器,提高系统的相位裕度。最后通过仿真与实验验证所提控制策略的可行性与有效性。

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一种新型三相Buck-Boost光伏逆变器漏电流抑制研究

王立乔, 林健, 朱文通, 张佳慕, 董子亮

2022, 43(7): 101-108. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1199

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漏电流问题是限制非隔离型光伏逆变器广泛使用的关键因素之一。为解决该问题,提出一种可应用于光伏系统的新型三相Buck-Boost逆变器。首先介绍该逆变器的拓扑结构和工作原理,然后推导该拓扑在任意开关时刻共模电压的表达式,从而研究正弦脉宽调制（SPWM）和系统共模电压及漏电流之间的关系,并通过数学模型分析逆变器的升降压能力。最后通过实验平台对上述方案进行验证,实验结果证明了上述方案的有效性和可行性。

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基于任务剖面的单相Boost型功率解耦光伏逆变器寿命预测

张榴晨, 张亚, 茆美琴

2022, 43(7): 109-114. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1100

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以单相Boost型功率解耦光伏并网逆变器为研究对象,提出一种基于任务剖面的光伏并网逆变器的寿命预测方法。首先将安装点1年的太阳辐照度和环境温度作为任务剖面,通过PLECS热模型仿真获得不同工况下IGBT的结温数据;然后利用插值查表法得到安装点年任务剖面下对应的IGBT结温剖面,并根据结温循环寿命模型预测单个IGBT的寿命;最后通过蒙特卡罗法计算IGBT的寿命分布函数,并利用串联系统可靠性评估框图得到逆变器系统的寿命分布。计算结果表明逆变器的寿命分布在5年以上,满足ISO 9001质量管理体系认证。

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遮挡状态下光伏组件多峰输出特性的参数计算与分析

方洛迪, 郭倩, 卫东, 郭泽阳, 黄鑫

2022, 43(7): 115-121. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1112

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基于太阳电池正反向输出特性,建立光伏组件输出特性模型,针对遮挡状态下的多峰输出特性,提出一种模型参数计算方法,研究不同遮挡状态对I-V特性曲线和模型参数的影响作用。通过仿真和实验,分析组件中各单元所受遮挡光强和电池片遮挡数量的变化对模型参数的影响规律。研究结果表明：模型参数计算结果和基于模型参数获得的I-V特性曲线,有较高精度;所建立的组件输出特性模型和参数计算方法,对于实现光伏组件和组串的故障诊断,具有良好的工程应用前景。

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Al₂O₃/SiO_xN_y/SiN_x叠层钝化膜对PERC太阳电池性能及LID效应的研究

凡金星, 陈达明, 许林云, 杨言华, 周宏平

2022, 43(7): 122-127. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1145

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由于等离子体增强化学的气相沉积（PECVD）法制备的SiO_xN_y薄膜中含有大量H原子,因而具有优异的表面钝化性能。通过在PERC太阳电池的Al₂O₃/SiN_x背钝化叠层中间插入一层SiO_xN_y薄膜,形成Al₂O₃/SiO_xN_y/SiN_x结构,可避免SiN_x所带的固定正电荷对Al₂O₃负电荷场钝化效应的负面影响。试验结果表明,硅片少子寿命从原来的130 μs提高至162 μs,电池转换效率增加0.09%。同时,基于Al₂O₃/SiO_xN_y/SiN_x背钝化的PERC太阳电池的LID也得到了改善,由对照组的1.83%下降到实验组的1.09%。

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p型多晶硅PERC太阳电池LeTID特性和机理的研究

纪方旭, 周春兰, 程尚之, 王贺, 吁洵哲, 王文静

2022, 43(7): 128-133. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1094

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热辅助光诱导衰减（LeTID）作为一种不可忽视的太阳电池效率衰减现象,其衰减机制和相关缺陷形态的演变过程亟需澄清。针对p型多晶硅钝化发射极局域接触（PERC）太阳电池,研究在不同光照强度下的衰减规律,光照促进了衰减-再生反应的进行,衰减程度随光照强度减小而增大。对衰减起主导作用的是由LeTID过程中产生的体内深能级缺陷导致的SRH复合,该缺陷中心的电子与空穴俘获截面之比k值在33~37范围内,而对衰减影响较小的浅能级缺陷可能是k值在0.1~1.0之间的Fe—B复合物。

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全角度陷光的微-纳复合绒面单晶PERC太阳电池

邹帅, 吴成坤, 徐磊, 张晓宏, 苏晓东

2022, 43(7): 134-139. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1121

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采用银金属催化化学腐蚀（Ag-MCCE）技术在碱腐蚀的金字塔微米初级绒面结构上制备均匀的纳米次级绒面结构,并研究银纳米颗粒在微米金字塔表面的附着特性及其对纳米结构均匀性和电池性能的影响。结果表明,通过添加聚乙烯吡咯烷酮（PVP）可改善银纳米颗粒在微米金字塔表面的附着均匀性,制备的纳米结构在微米金字塔结构表面分布均匀,且便于后道SiN_x的钝化;制得的单晶PERC电池平均效率达到22.22%,较未改善的对比组提升0.46%;独特的微-纳复合绒面（NOM-texture）可实现单晶太阳电池的全角度陷光,兼顾新型光伏屋顶等光伏建筑一体化（BIPV）场合对电池高转换效率和准全向外观的双重要求。

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氢等离子体处理钝化层对高效晶硅异质结太阳电池性能的影响

刘欢, 由甲川, 赵雷, 王文静, 曲铭浩, 徐希翔

2022, 43(7): 140-144. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1113

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研究不同时间氢等离子体处理（HPT）氢化非晶硅a-Si:H（i）钝化层对高效晶硅异质结太阳电池（效率>23％）性能的影响。发现适当时间的HPT可改善钝化效果提升电池性能,但过长时间的HPT可导致薄膜钝化效果变差,有效少数载流子寿命降低。分析认为HPT时间过长,H原子进入到a-Si:H（i）薄膜层中,导致薄膜内部SiH₂增多,微结构因子（R）增大,薄膜质量变差。并且,适当时间的HPT改善太阳电池性能的幅度有限,而过长时间的HPT导致电池性能下降却很明显。因此,针对高效率的晶硅异质结太阳电池,应对钝化层沉积之后的HPT工艺进行谨慎控制。

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基于T-VGG的太阳电池片缺陷检测

陶志勇, 杜福廷, 任晓奎, 林森

2022, 43(7): 145-151. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1105

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针对太阳电池片EL图像,提出一种融合注意力机制和Ghost卷积层并引入批标准化的T-VGG轻量级卷积神经网络模型。首先使用Ghost卷积层替换常规卷积层,其次引入注意力机制和批规范化,进而实现对电池片缺陷的高精高速检测。实验结果表明,该卷积神经网络模型对缺陷的检测准确率为99.15%,对缺陷类型的检测准确率为96.28%,检测时间为0.032 s/张,在保证高精高效性的同时兼具通用性。

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三相行波电帘的电场分布及除尘机理研究

沈振兴, 刘百诚, 庄建宏, 孙旗霞

2022, 43(7): 152-158. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1117

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为了研究行波电帘清除光伏组件表面微尘的机理,提出一种基于COMSOL多物理场仿真软件的电帘除尘建模方法,建立三相行波电帘与带电微尘颗粒相耦合的动力学模型。研究不同电极、电源参数和环境因素下微尘颗粒的运动,首次分析电极形状对电场分布和场强的影响。结果表明,三相行波电帘能有效实现尘埃的定向输运,带正电微尘颗粒会以跳跃、帘状或冲浪模式沿行波传播方向移除电帘,但微尘颗粒的运动模式及除尘效率受多种因素影响。

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平板型光伏/光热系统高效换热数值模拟研究

张亮, 毕宜鑫, 张高明, 王泽昕, 魏进家

2022, 43(7): 159-165. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1128

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针对光伏/光热（PV/T）系统管板换热结构传热性能差、电池层温度分布不均匀的问题,采用管板连接处增加机械加固的形式强化管板导热接触,同时提出蛇形管、单向螺旋型和双向螺旋形3种换热通道分布结构。通过数值模拟方法对比不同结构的系统热性能,随后在流量、辐照度、入口水温等多工况条件下分析换热性能的变化。结果显示：系统在流量90 L/h、辐照度800 W/m²时呈换热性能最佳状态,热效率能达71.5%;管道具体排布方式对热效率和电池层平均温度的影响不大,而双向螺旋管将冷热管交替布置,较单向螺旋管和蛇形管结构能明显提高电池层温度分布的均匀性,温度分布不均匀度最高可降低37.5%。

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基于GRU-RF模型的太阳辐照度短时预测

周满国, 黄艳国, 段锦锋

2022, 43(7): 166-173. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1091

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针对现有太阳辐照度短期预测方法的建模复杂、准确度低等问题,提出一种基于深度学习的GRU-RF动态权值组合预测方法。大气因素与太阳辐照度数据融合,将运算速度较快且模型复杂度较低的随机森林（RF）模型与带有时序记忆的门控循环单元（GRU）神经网络进行动态权值的加权集成,分别将地表接收到的太阳辐照度、近地层气温、相对湿度、近地层风速和相对气压等变化特征进行预测研究。通过几种模型对比分析,结果表明使用GRU-RF模型预测短时（9 h）太阳辐照度结果较好,运行速度较快,在不同时间间隔（5、10以及15 min）下能够很好地预测太阳辐照度数据。

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基于大气透明系数的天气分类方法

陈龙, 孙文哲, 禹国军

2022, 43(7): 174-179. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1239

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因天气变化的随机性大且影响因素繁杂,一定程度上限制了太阳辐射模型的使用,该文从实际应用的角度出发,讨论大气透明系数作为天气分类依据的可行性,将大气透明系数的定义推广至复杂天气条件下,并对太阳高度角的影响进行修正,提出一种基于大气透明系数的天气分类方法,最后列举了该方法在太阳直射辐射模型中的应用,说明了这一方法的有效性。

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基于改进遗传算法的清洁移动机械臂运动学逆解

李翠明, 任柯州, 龚俊

2022, 43(7): 180-185. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1273

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以研制的塔式太阳能热发电站定日镜表面清洁作业的车载清洁移动机械臂为研究对象,建立运动学模型并分析其逆解集。采用遗传算法求解车载清洁移动机械臂逆解,在解决多解问题时,利用“多移动小关节,少移动大关节”的原则进行约束,并求出最优解,对机械臂的轨迹规划提供基础。实验证明该文采用的算法能得到可行的最优解,并使得关节1的移动最小,提高清洁机械臂的控制度,满足实际清洁要求。

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玻璃套管双层吸热芯的热辐射特性研究

戴贵龙, 陈雪淇, 庄莹

2022, 43(7): 186-190. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1187

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为降低多孔介质高温吸热器的辐射散热损失,设计一种玻璃套管-多孔介质双层吸热芯。采用实验测量和蒙特卡洛数值模拟方法,定量分析双层吸热芯的多光谱热辐射传输特性。结果表明,绝大多数太阳辐射外热源在双层吸热芯的内部被吸收（多孔介质入口段）。当工作温度为1000 K时,双层吸热芯的太阳光吸收比与自身红外辐射发射比之比达到约2.0,其辐射热效率较单层多孔介质吸热芯高约30%。

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基于分层蓄热水箱的相变球释热实验研究

方桂花, 张振华, 连小刚, 谭心

2022, 43(7): 191-196. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1174

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相变蓄热水箱可有效调节集热器和负载端之间供求不匹配的矛盾,设计了环形布水器进水结构和蓄热水箱,并搭建相变蓄热水箱性能测试平台,对比直进型蓄热水箱和环形布水器蓄热水箱的温度分层,探究孔隙率、进水流速和变温进水等变量下相变蓄热水箱的热分层和相变球的释热性能。实验研究表明：环形布水器能有效抑制进水水流对温度场的扰动,保持良好的温度分层,使相变球逐层放热,增大相变球与传热流体（HTF）的温差,提高释热效率,保证高温水能够源源不断地提供给用户端;孔隙率越小分层效果越好;流速越大分层效果越差,但是释热效率有所提高;变温进水比恒温进水,释热时间延长约40%。

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S-CO₂布雷顿循环太阳能电力淡水系统火用分析

王刚, 董博祎, 姜铁骝, 陈则韶

2022, 43(7): 197-202. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1151

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设计一种使用S-CO₂布雷顿循环的太阳能电力淡水系统,对系统的工作原理和结构组成进行介绍,并对系统开展运行性能和火用分析。结果表明,设计工况下系统的输出电功率为233.8 MW,布雷顿循环效率为37.5%,淡水日产量为3981.6 t。增大太阳辐照度有利于提高系统的电力输出和总的能量效率。定工况下的火用分析结果表明,太阳塔集热器中的火用损最大,为303.99 MW,对应的火用效率为64.45%。海水淡化换热器的火用效率最低,且其火用损值也较大。随着太阳辐照度的增加,太阳塔集热器、海水淡化系统换热器和回热器内的火用损均有不同幅度的增加。因此,对于该S-CO₂布雷顿循环太阳能电力淡水系统的后续优化而言,应重点考虑改进这些部件的性能。

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660 MW燃煤发电机组的碳捕集系统余热利用和集成系统性能评估

董志坚, 叶学民, 宋睿哲, 李春曦

2022, 43(7): 203-211. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1148

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碳捕集与封存（CCS）技术能有效捕获燃煤电厂排放的CO₂但再生能耗大且效率低。为提高燃煤电厂能源利用效率,提出集成有机朗肯循环（ORC）与CCS的太阳能-燃煤发电系统,利用热力学、火用和经济性分析模型对集成系统进行参数敏感性分析。基于外部燃料火用矩阵模型,分析再沸器所需热量中CO₂压缩过程和太阳能集热器的热量占比及集成ORC系统对外部燃料火用贡献度的影响。研究表明：当热源比θ=0.4时的集成系统热经济性能最优且具有较合理的不可逆性;集成ORC系统后锅炉燃煤火用、一、二次再热燃煤火用对系统产品的贡献度均有所提高;随着θ增加,锅炉燃煤火用和一、二次再热燃煤火用对碳捕集系统产品的贡献度逐渐降低;压缩余热火用和太阳能火用的贡献度逐渐增加。

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氧化铈高温分解CO₂过程表面反应动力学研究

潘恒, 朱利亚, 吕友军, 陈绍琮

2022, 43(7): 212-217. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1144

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利用片状氧化铈材料对于氧化铈高温分解CO₂过程的反应动力学过程进行实验研究。将实验结果与不同气固模型比较,得出均相F1.5模型是能描述CO₂在高温下被氧化铈分解的最佳模型。并利用Hancock and Sharp无模型方法进行模型选择验证,最终得到该反应过程的反应动力学表达式和常数,为该材料在太阳能热化学循环的利用提供了指导。

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太阳能中温闪蒸海水淡化系统产水性能研究

范全海, 季旭, 闫磊磊, 李秋玫, 兰青, 邓佳

2022, 43(7): 218-224. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1122

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为提高系统产水性能并降低内部结垢,提出一种由非跟踪复合抛物面聚光器加热导热油至100 ℃以上作为供能热源,采用喷雾辅助闪蒸的海水淡化系统。实验研究实际天气中,不同太阳辐照度下进水口温度、进水流量对系统产淡水性能的影响。采用密封压力桶可将进水口温度升至沸点以上,最高可达123 ℃。太阳辐照度波动较大时,进水口温度保持稳定,系统可稳定运行。进水口温度对产水速率影响显著,平均进水口温度从100 ℃升至120 ℃时,产水速率提高47.61%。当进水流量为50 kg/h,压力维持在0.045 MPa时,系统产水速率最大,日累计淡水产量可达11.14 kg/（d·m²）,小时效率为81.45%,单级生产率为9.15%。

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基于改进递归深度信念网络的CSP电站短期出力预测

李锦键, 王兴贵, 杨维满, 赵玲霞

2022, 43(7): 225-232. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1079

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以预测CSP电站短期出力为目的,首先引入自适应思想对递归深度信念网络的训练算法进行改进,并建立直接法向辐射的短期预测模型。随后提出一种结合静态模型的CSP电站短期出力预测方法。最后进行性能检验,验证了改进递归深度信念网络的可行性,以及CSP电站短期出力预测方法的有效性。研究结果表明：建立的改进递归深度信念网络可提升预测准确性和收敛速度;提出的CSP电站短期出力预测方法可较为准确地预测其短期出力情况。

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分布式太阳能集中供暖用户热盈亏特性研究

刘艳峰, 高文贞, 陈耀文, 唐欢龙, 李勇

2022, 43(7): 233-241. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1023

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分布式太阳能集中供暖系统中的用户既用热又产热,其热量平衡具有动态热盈亏的特点。该文针对分布式太阳能集中供暖用户提出动态热盈亏计算方法,并给出用于盈亏状态评价的平均热盈亏及盈亏比等指标。通过理论分析和数值模拟研究地区气候差异、建筑类型以及层数对用户热盈亏的影响。结果表明：太阳能Ⅰ区-寒冷地区（拉萨）的用户平均热盈余及盈亏比最大,太阳能Ⅰ区-严寒地区（格尔木）次之,太阳能Ⅱ区-严寒地区（西宁）较小,太阳能Ⅱ区-寒冷地区（喀什）最小;相比于住宅和宾馆这种连续供暖建筑而言,办公和商场建筑平均热盈余较大、盈亏比较高;用户采暖期平均热盈余与盈亏比均随层数的增加而减小。

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新型变桨风力机关键部件载荷特性试验研究

包道日娜, 王鹏, 吴胜胜, 刘智峰, 王天博, 刘恒鑫

2022, 43(7): 242-248. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1333

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以新型变桨距风力机为研究对象,针对其独特的变桨调节机构,通过风洞试验的方法,采用IMC载荷测试系统,对其关键部件进行载荷测试。试验结果显示：随着桨距角增大,叶根所受弯矩降低,但叶根挥舞弯矩较摆振弯矩减小更明显;塔筒俯仰方向的受力大于侧弯方向,当风轮转速约为243.5 r/min时,塔筒侧弯受力出现突增;不同桨距角下,变桨调节机构的齿条与齿条同步盘测点载荷大小随风速变化趋势一致,但随着桨距角的增加,表现为先增加后减小再增加的趋势。

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考虑撬棒和直流卸荷保护的双馈电机电磁暂态过程分析

刘明洋, 潘文霞, 李程昊, 高泽, 崔惟, 刘铜锤

2022, 43(7): 249-256. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1279

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故障期间,撬棒（crowbar）保护和直流卸荷（chopper）保护的工作状态对双馈风电机组（DFIG）的暂态过程有重要影响。为此,针对三相故障不同严重程度下的双馈风力发电系统,综合考虑撬棒保护和直流卸荷保护的协调控制方式,通过分析转子电流、直流母线电压与机端电压跌落的关系,新建统一的保护动作分析判据;在此基础上,分析撬棒保护和直流卸荷保护在不同电压跌落深度下的状态,并建立统一的双馈电机故障后暂态等值模型。最后基于PSCAD/EMTDC提供的1 MW双馈电机标准模型,验证了所建DFIG暂态等值模型的准确性。

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挟沙风对风力发电机叶片冲蚀磨损的数值研究

甄琦, 陈松利, 万大千, 闫彩霞, 孙凯, 李丹岚

2022, 43(7): 257-263. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1002

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风力发电机叶片的风沙冲蚀问题是风电机组耐候性研究的重点之一,该文通过数值模拟的方法,基于1.5 MW的叶片,建立相似模型,研究不同沙尘粒径、不同来流风速和不同叶尖攻角等冲蚀条件对叶片的磨损特性及规律。研究表明：叶片受到的磨蚀率随风速增大而增加,在9 m/s风速时冲蚀分布集中于叶根、叶尖附近,随着风速增大冲蚀由叶根向叶片的中后段移动,且冲蚀效果更显著;随着沙粒粒径增大,叶片磨蚀率逐渐增大,且集中在叶根和叶片中前段;风沙冲蚀角度影响叶片表面的冲蚀分布,角度越大,冲蚀分布的面积越大。

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风力机风轮模态局部化的动力学机理与影响因素分析

郭鑫, 李东升, 姜涛

2022, 43(7): 264-269. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0269

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该文对风力机叶片损伤导致风轮模态局部化的动力学机理与影响因素进行研究。首先从代数特征值角度,揭示模态局部化的动力学机理,发现结构产生模态局部化的主要原因是存在密集模态。其次,建立NREL 5 MW风轮结构的有限元模型,分析叶片失谐度、模态阶数和失谐位置对风力机风轮结构模态局部化的影响。结果表明：叶片损伤失谐会造成叶片的振型发生显著变化,产生模态局部化现象;同时在某些模态下,系统振动能量集中于损伤叶片,会加速叶片损伤,致使其产生疲劳破坏。因此在风力机结构设计时,需考虑模态局部化对风力机结构的动力学特性影响。

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风浪激励下的海上风力机振动控制

谢双义, 何娇, 张成林, 金鑫

2022, 43(7): 270-275. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1271

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该文建立考虑桩-土耦合作用的单桩式海上风力机整机多体动力学模型,结合水动力和空气动力,借助Matlab/Simulink搭建风力机的联合仿真模型。对安装于机舱内的单调谐质量阻尼器（STMD）和多重调谐质量阻尼器（MTMD）系统进行设计,并在运行工况和泊机工况下进行仿真分析。研究表明,相比于正常运行工况,泊机工况下的调谐质量阻尼器（TMD）振动抑制性能更优,对塔基前后弯矩标准偏差有着最优的控制效果,且MTMD系统中TMD的数量与系统振动抑制性能存在非线性关系。

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硫氧镁水泥固化沿海风电场滩涂软土加固机理及微观特性分析

朱剑锋, 杨浩, 徐日庆, 潘斌杰, 饶春义

2022, 43(7): 276-283. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1252

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沿海风电场滩涂软土含水率高,压缩性大,必须对其加固才能进行风电基础施工。为研究硫氧镁水泥固化滩涂软土的加固机理及微观特性,开展了硫氧镁水泥复合固化剂加固滩涂软土的XRD试验以及不同初始含水量（w）、固化剂掺量（Wg）和龄期（T）下固化滩涂软土的扫描电镜（SEM）试验,利用图像处理技术研究固化滩涂软土微观孔隙、微观颗粒形态以及接触面积率（RCA）受Wg、w和T影响的规律。研究结果发现,固化滩涂软土主要由石英、5Mg（OH）₂·MgSO₄·7H₂O相（简称5·1·7相）、白云石、叶腊石、M-F-A-S凝胶相以及少许CaO和MgO构成,固化机理包括改性硫氧镁水泥的水解和水化反应、离子交换及填充作用和碳酸化作用,固化滩涂软土微观孔隙可分为凝胶、接触和骨架3种类型,固体颗粒呈叶片状、颗粒状和凝块状3种形态。微观结构参数（RCA）与宏观力学参数,即初始切线模量Ei和强度指标（c和φ）均随w的增加而减小,随着Wg和T的增加而增大。最后建立了固化滩涂软土的RCA与Ei、c、φ之间的函数关系。

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齿根裂纹对风电齿轮箱高速级动态特性影响分析及其故障模式识别

毕玉, 朱才朝, 谭建军, 宋海蓝, 杜雪松

2022, 43(7): 284-292. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1251

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针对风电齿轮箱高速级齿轮传动系统齿根裂纹扩展程度识别难题,该文提出基于广义BP神经网络（GBPNN）的齿轮传动系统齿根裂纹故障模式识别方法。构建计及齿根裂纹扩展方向与路径的齿轮副时变啮合刚度解析模型及风电齿轮箱高速级齿轮-轴-轴承耦合的多自由度动力学模型,分析不同齿根裂纹扩展程度对系统振动特征的影响规律,并利用GBPNN对齿根裂纹故障模式进行识别。研究结果表明：齿轮故障振动周期冲击信号将沿着传动轴进行传递,但传动轴柔性会使其幅值产生明显的衰减;利用GBPNN并结合各轴段节点处振动加速度的峰值、峭度、统计矩阵参数以及方差,可有效实现对齿轮齿根裂纹故障模式的识别。

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兆瓦级风力机结构系统可靠性分析的样本分数阶矩最大熵方法

黄德胜, 张旭方, Sørensen John Dalsgaard

2022, 43(7): 293-301. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1241

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以兆瓦级风力机塔架和叶片极限载荷的概率外推模型为基础,结合载荷动态响应峰值的独立同分布假设和三参数威布尔模型,外推获取了正常湍流和极端湍流强度条件下风力机关键部件长期服役载荷概率分布;进一步通过无量纲极值统计量定义系统失效的结构可靠性状态函数,结合样本分数阶矩和最大熵理论提出兆瓦级风力机关键部件结构可靠性分析的数值方法,对比湍流模型对兆瓦级风力机关键部件结构失效概率的影响。计算结果表明：样本分数阶矩最大熵方法能有效重构结构可靠性状态函数的概率分布;基于无量纲极值统计量的系统可靠性建模方法能有效表征风力机关键部件耦合相关失效问题,结合该文方法可获得系统失效概率的准确预测结果;湍流模型对风力机结构失效概率影响较大,难以预先判定何种模型将得到结构失效概率的保守预估结果,需结合IEC 61400-1标准中的设计载荷工况细致分析后才能确定。

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基于时频分析的改进小波包风电功率波动平抑方法

齐先军, 郑夕炜, 王晓蓉, 韩平平

2022, 43(7): 302-309. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1238

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针对传统小波包风电波动平抑方法存在的过度平抑问题,提出一种基于时频分析的改进小波包平抑方法。首先,找出功率最大变化范围超过波动标准的时刻对集合,利用小波包对风电功率进行小波分解得到各频段分量;然后,从高频到低频依次对各频段分量在时刻对集合上进行局部削峰填谷,直到风电功率满足波动标准,从而得到平抑后的风电并网功率和储能功率指令;最后,对波动平抑效果进行评价。算例仿真表明该方法在满足风电波动标准的基础上,减小了储能功率指令的累积功率和充放电切换次数,有利于降低储能配置成本、延长储能寿命。

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基于AE-IFCM的轴承故障诊断方法

王进花, 王跃龙, 黄涛, 曹洁

2022, 43(7): 310-315. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1232

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针对传统模糊聚类（FCM）方法对故障进行聚类的依据是原始数据之间的相似性,在滚动轴承的故障诊断中无法提取轴承数据的深层特征,对于耦合故障、微弱故障等复杂情况下,不同故障的特征难以有效区分,导致故障诊断准确率较低的问题,提出AE-IFCM轴承故障诊断方法。利用自动编码器（AE）网络提取轴承故障的样本特征,再利用改进的FCM（IFCM）进行故障诊断,通过对AE网络提取的抽象特征聚类,不仅可最大限度地利用样本数据,也能降低模型陷入局部极小值的风险。通过在凯斯西储大学轴承故障数据集中的实验表明,AE-IFCM能提高轴承故障诊断的准确性。

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基于定关断面积的分层接入UHVDC系统换流器协调控制策略

韩平平, 孙浩然, 童青洋, 张炎, 陈忠, 杨为

2022, 43(7): 316-325. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1228

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基于分层接入特高压直流输电（UHVDC）系统逆变侧高低端的耦合特性,分析叠弧面积增加引发换流器换相失败的机理,提出一种抑制分层接入UHVDC系统非故障层换流器换相失败的协调控制策略。该策略通过补偿交流故障后非故障层换流器所需的叠弧面积,使晶闸管具有足够的关断面积完成去游离过程,从而防止换相失败的发生。最后基于PSCAD/EMTDC搭建实际系统模型并进行了仿真验证,结果表明所提协调控制策略能有效抑制不同故障程度下受端电网对称和不对称故障下非故障层换流器的换相失败,可提升系统的稳定性。

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偏航工况下叶片翼型动态特性研究

李银然, 赵丽, 李德顺, 马继武

2022, 43(7): 326-333. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1221

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首先通过理论分析,研究风力机偏航运行时叶片各翼型的攻角变化规律,建立翼型俯仰运动模型;然后基于大涡模拟（LES）方法,研究偏航工况下叶片翼型的动态气动特性。结果表明：风轮在偏航工况下运行时,叶片各截面翼型攻角变化呈近似的正余弦规律;叶片不同展向位置翼型均发生不同程度的流动分离,出现动态失速现象,越靠近叶根,由偏航引起的动态迟滞效应越明显;翼型俯仰过程中,吸力面前缘分离泡的动态变化过程,导致吸力面前缘压力出现小范围的剧烈振荡,增大流动的不稳定性。

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前缘结节对风力机气动性能影响的数值研究

柯文亮, 张文武, 卢加兴, 祝宝山

2022, 43(7): 334-339. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1181

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基于座头鲸的鱼鳍前缘结节的流动特性,开展前缘结节对改造的Phase Ⅵ仿生风力机叶片性能及流动特性影响的数值研究。结果表明：在设计工况下（V_∞=10 m/s）,结节放置在叶片展向81%位置时,叶片根部的回流区域消除,但结节处的旋涡扰动会破坏叶片稳定流动,使叶片性能相对较低。在高风速下（V_∞=15、20、25 m/s）,由于前缘结节的结构特征,叶片表面产生旋涡,发生阻塞作用,叶片吸力侧压力减小,叶片正背面压差增大,升力增大,进而使仿生叶片的性能得到提升。

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基于流固耦合偏航下风力机尾迹湍流特征的研究

张立茹, 牛佳佳, 王雪丽, 焦雪文, 姚慧龙, 汪建文

2022, 43(7): 340-346. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1180

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偏航状态下风力机叶片与流场之间相互作用会导致风力机近尾迹流场的湍流特征变化,采用双向流固耦合对不同偏航工况下水平轴风力机近尾迹流场进行数值模拟研究,获得不同偏航角下尾迹湍流特征演化规律。结果表明：随着偏航角的增大,正偏航侧会出现“速度亏损圆环”,且此圆环的范围呈扩大趋势;偏航角的增大对叶根处速度亏损影响最大,对叶尖处速度亏损影响最小,与正偏航侧相比,负偏航侧的速度亏损值减为约1/2;随着偏航角的增大,正负偏航侧的湍流强度变化呈不对称性,正偏航侧对湍流耗散的影响程度较负偏航侧大;涡流黏度越来越小,且在偏航10°涡流黏度相对于偏航5°减小约1/2,沿着轴向叶尖涡的管状环涡结构变得不稳定,出现明显耗散,且在偏航15°之后涡结构的耗散破裂程度越来越剧烈,进而对风力机气动噪声产生较大影响。

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考虑风荷不确定性的大用户直购电鲁棒区间优化调度

万庆祝, 刘伟娜

2022, 43(7): 347-355. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1169

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该文以发电企业运行效益最优为目标,使用鲁棒区间优化方法对风电出力进行建模,用基于价格的需求响应对负荷不确定进行建模,建立考虑风电和负荷不确定性的大用户直购电鲁棒区间优化调度模型。最后,通过Matlab和CPLEX求解目标函数,验证所提模型的有效性和可行性。

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计及风电条件风险价值的鲁棒柔性超前调度

李飞, 姚敏东, 李靖

2022, 43(7): 356-365. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1156

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提出一种考虑大规模风电并网的超前优化调度方法,引入风电条件风险价值来评估风电消纳风险。建立基于鲁棒优化的柔性超前调度模型,以平衡运行成本与风电条件风险价值。根据该模型,对AGC机组的基点功率、参与因子、柔性容量进行协同优化,还可得到各风电场输出功率的可容许区域。提出一种基于大M法和分解法的求解双线性规划模型的高效算法。所提模型及算法结合鲁棒优化与随机优化的优点,在保证计算效率的同时,可避免鲁棒优化的过度保守。仿真结果验证了所提模型及算法的有效性。

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不同海况下近海超大型风力机动力学响应及结构损伤分析

李志昊, 岳敏楠, 闫阳天, 李春, 杨阳, 薛世成

2022, 43(7): 366-374. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1119

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以超大型DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象,通过p-y曲线和非线性弹簧建立桩-土耦合模型,选取Kaimal风谱模型建立湍流风场,基于P-M谱定义不同频率波浪分布,并利用辐射/绕射理论计算波浪载荷,采用有限元方法对不同海况下单桩式风力机进行动力学响应、疲劳及屈曲分析。结果表明：不同海况波浪载荷作用下塔顶位移响应及等效应力峰值远小于风及风浪联合作用,其中风浪联合作用下风力机塔顶位移响应及等效应力略小于风载荷;波浪载荷对风载荷引起的单桩式风力机动力学响应具有一定抑制作用,此外相较于波浪载荷,风载荷为控制载荷;风载荷与风浪联合作用下风力机等效应力峰值位于塔顶与机舱连接处,波浪载荷风力机等效应力峰值位于支撑结构与桩基连接处;仅以风载荷预估风力机塔架疲劳寿命将导致预估不足;随着波浪载荷的增大,风力机失稳风险加大,波浪载荷不可忽略;不同海况下,风浪联合作用局部屈曲区域位于塔架中下端,在风力机抗风浪设计时,应重点关注此处;变桨效应可大幅降低风力机动力学响应、疲劳损伤及发生屈曲的风险。

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基于光纤传感的风电机组叶片应变传递特性研究

李密密, 戴巨川, 陈换过, 杨书仪, 李建涛

2022, 43(7): 375-384. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1114

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针对在进行应变感知时光纤感知到的应变和叶片基体实际应变会存在一定偏差（即应变感知传递偏差）的问题,开展基于光纤传感的风电叶片应变感知传递特性研究,以建立应变传递分析模型。首先确定光纤光栅应变传感器布置策略,然后利用理论和数值仿真相结合分析载荷、光纤（纤芯）直径、包层（传感结构参数）、粘接剂厚度、光纤相对基体位置、叶片材料属性参数等对应变变化及其传递特征的影响,分别考虑表面粘贴式和嵌入式2种布置模式。最后,基于多因素的正交试验分析,通过回归分析建立光纤感知应变（传递值）与传感结构参数、光纤相对基体位置、材料属性之间的关系表达式。研究结果表明：随着光纤传感器植入深度的增加,应变传递大小以中性层为对称面对称分布;轴向杨氏模量E1、轴向和横向构成法平面内的剪切模量G12、轴向和纵向构成法平面内的剪切模量G31对2种布置形式的应变传递都有明显影响。

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风电齿轮传动系统弹流润滑特性研究

张林, 周建星, 章翔峰, 姜宏, 邵媛, 孙占飞

2022, 43(7): 385-394. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1095

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为研究风电机组齿轮传动系统的润滑特性和动力学特性,以SQI风电机组传动系统实验平台中两级定轴齿轮箱为研究对象,综合考虑齿轮油膜刚度、齿轮啮合刚度以及轴承时变刚度等,计入轴的柔性并采用有限元法建立多自由度渐开线直齿轮动力学模型,利用Newmark 积分方法求解多源时变激励下两级齿轮传动系统的动力学特性。讨论不同工况条件对油膜刚度的影响,并研究系统润滑特性、固有频率和振型的变化规律。研究结果表明,在考虑齿轮润滑效应后,齿轮啮合刚度降低,系统动态特性变化趋于敏感,系统固有特性均有所变化,其中对第11阶影响最为突出,然而在系统共振转速附近,固有特性变化趋势有所减弱。

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风电叶片低粗糙敏感性厚翼型优化方法研究

李星星, 李成良, 毛晓娥, 陈淳

2022, 43(7): 395-401. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1093

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基于叶片设计需求,将厚翼型设计点性能随前缘粗糙的敏感性参数化并引入到厚翼型设计中,改进其优化模型;结合翼型几何设计、性能分析以及最优化算法建立厚翼型低粗糙敏感性优化设计方法。通过35%相对厚度翼型案例设计,验证了该方法在实现光滑表面下高气动性能的同时,可有效降低粗糙表面下的性能损失。

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海上风电单筒多舱筒型基础筒体屈曲特性研究

王海军, 刘伟, 闫晓荣, 练继建

2022, 43(7): 402-408. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1086

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对单筒多舱筒型基础入土下沉过程进行稳定性分析,研究其失稳模式与临界屈曲荷载以及分舱板与纵向加劲肋对筒内外压差临界值的影响。结果表明,单筒多舱筒型基础筒体失稳属于极值点失稳,应采用非线性方法确定结构失稳的临界荷载;分舱板和适当间距的加劲肋均可提高筒体的临界屈曲荷载,但随筒顶接近泥面,其提升效果逐渐减小,筒内外压差控制条件转变为防止筒内土体发生渗透破坏。

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基于风电概率预测的风电场调频容量估计方法

杨锡运, 刘雅欣, 邢国通, 张悦超

2022, 43(7): 409-416. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1085

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考虑风电的不确定性,提出一种基于风电功率概率预测区间和储能设备的风电场调频容量估计新方法。首先基于风电场弃风数据,利用粒子群算法得到风电场储能系统容量配置;然后建立Copula分位数回归模型求得日前风电功率预测区间;最后结合日前风电限值和不同置信概率下的风功率预测曲线产生最优调频容量估计。风电场实际数据的仿真证实所提方法的有效性,可为风电场调频能力研究提供有益的探索。

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YD-大厚度风力机翼型粗糙敏感度试验研究

陈棋, 龚玉祥, 周晓亮, 李永亮, 周民强

2022, 43(7): 417-423. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1014

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基于YD-系列3个大厚度钝后缘风力机翼型（相对厚度35%、40%和60%）,在西北工业大学NF-3低速翼型风洞开展粗糙敏感度对翼型性能影响的试验研究。结果表明,前缘粗糙对大厚度翼型的性能影响很大,造成升力线斜率和最大升力系数急剧减小,吸力面后缘流动的提前分离。

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废弃物干酒糟生物质热解特性及动力学研究

徐青, 彭伟超, 杨威, 凌长明

2022, 43(7): 424-429. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1299

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酒糟（DG）的组成成分以及在50~900 ℃范围内的热解进行研究。TG/DTG实验结果表明,DG的开始热解温度为137 ℃,热解温度在305 ℃时热解速率最快,为6%/min。傅里叶变换红外光谱（FTIR）数据表明,DG的主要气态产物为CO₂、CH₄、酮、醛、酸和胺。通过分布式活化能模型（DAEM）与无模型积分（Flynn-Wall-Ozawa,FWO）方法对DG的动力学行为分析发现,DG在热解初始阶段活化能为76.49 kJ/mol,平稳阶段活化能为160 kJ/mol。随着热解反应的进行,DG的热解活化能逐渐升高。

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中药渣固废的碳酸钾催化热解特性与产物分布规律

方刚, 郎林, 杨辛苗, 阴秀丽, 王明峰, 吴创之

2022, 43(7): 430-438. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1267

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以木本中药渣为原料,采用浸渍法负载不同含量K₂CO₃催化剂;通过热重实验,分析中药渣催化热解特性和热解特征参数,并采用Starink法进行动力学分析,计算催化热解反应的表观活化能;使用固定床热解炉,优化催化热解反应条件,考察不同K₂CO₃负载量对热解产物分布的影响规律。热重结果表明,K₂CO₃能显著降低中药渣的初始热解温度和最大热解温度,从而降低热解快速失重段的反应活化能;且K₂CO₃负载量越大,催化热解效果越好。热解实验证实：K₂CO₃含量为中药渣催化热解反应的最主要影响因素,它可加速生物基大分子的低温解聚和热解中间产物的催化裂解,既可降低热解油产率,又能大幅提升H₂、CO和C₂H₆等小分子低碳烃气体的产率,且有利于提高热解气的H₂/CO比例。

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园林废弃物水热炭燃料特性研究

刘云云, 曹运齐, 余强, 陈小燕, 王忠铭, 袁振宏

2022, 43(7): 439-444. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1183

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以园林废弃物为原料进行水热碳化制备固体生物燃料水热炭,研究不同温度、时间对水热炭燃料特性和燃烧行为的影响,利用燃烧动力学对水热炭燃烧过程及参数进行模拟计算。结果表明：制备的园林废弃物水热炭的燃料特性得到明显改善,且水热炭燃料特性受温度影响较为显著。水热炭热值范围为19.86~27.93 MJ/kg,达到与工业煤相当的水平。水热炭燃烧参数点火温度（Ti）、燃尽温度（Tf）和最大失重率温度（Tm）随碳化温度的升高和时间的增加而增加,其失重量-失重速率（TG-DTG）曲线移向高温区,表明水热炭的热稳定性提高。水热炭燃烧反应过程的动力学拟合符合一级燃烧动力学线性模型（R2=0.93~0.99）,且水热炭具有较高的反应活化能（17.33~41.34 kJ/mol）。

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地沟油制备生物柴油过程中硫化物迁移及脱除研究

苗长林, 吕鹏梅, 庄新姝, 杨玲梅, 李惠文

2022, 43(7): 445-450. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1171

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采用地沟油等餐饮废弃油脂转化制备生物柴油中会含有一定量的硫化物,针对上述问题,考察传统的酸碱两步法制备生物柴油过程中硫化物的迁移,并以离子液体（[Hnmp]H₂PO₄）为萃取剂和催化剂,H₂O₂为氧化剂,对粗生物柴油进行萃取氧化脱硫,并利用正交实验法对萃取氧化脱硫反应工艺进行优化。结果表明：反应过程使用的试剂和操作条件几乎不会增大生物柴油制备过程中的硫含量以及改变硫化物在反应体系中的存在形态,硫化物含量及存在形式与原料油自身所含硫化物形态有关。S元素在地沟油原料及生物柴油粗成品中的存在形式主要以噻吩、硫醇、硫醚、硫胺素、硫代葡萄糖苷等物质为主,其中噻吩类硫化物约占地沟油原料或生物柴油中总含硫质量分数的93%以上。在粗生物柴油与离子液体体积比为10∶3,粗生物柴油与H₂O₂体积比为10∶1.2,反应温度75 ℃,反应时间70 min条件下,生物柴油脱硫率达94%以上,脱硫后的生物柴油满足最新国Ⅵ柴油排放标准（GB 17930—2016）硫含量≤10 mg/kg要求。

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成型炭化过程对磷酸-污泥-木屑成型炭性能的影响

徐嘉庆, 张守玉, 宋晓冰, 刘宏宇, 石岳, 胡南

2022, 43(7): 451-457. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1147

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以杉木屑和污泥为原料,磷酸为添加剂,探讨成型温度（70~100 ℃）、成型压力（80~110 MPa）和炭化温度（300~600 ℃）对磷酸-污泥-杉木屑成型炭物理性能和产率的影响,并对物理性能最佳的成型炭进行燃烧特性分析和重金属分析。结果表明,成型温度与成型压力对成型炭物理性能的影响相似,随着成型压力的增大和成型温度的升高成型炭物理性能均先升高后下降,炭化温度对成型炭物理性能影响较复杂。经80 ℃和100 MPa成型后再经500 ℃炭化制得的成型炭表观密度与抗压强度最大,分别为1279.0 kg/m³和18.7 MPa,均远高于商用烧烤炭。成型炭产率随炭化温度的升高而减小,由300 ℃的72.0%减至600 ℃的52.2%。较高的成型炭物理性能和产率可在一定程度上降低储存和运输成本,实现生物质废弃物的高效利用。

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棉秆炭与生物质焦油混合成型及燃烧特性研究

盛晨绪, 姚宗路, 赵立欣, 孟海波, 代敏怡, 丛宏斌

2022, 43(7): 458-464. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1139

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为研究棉秆炭与生物质焦油混合成型及燃烧特性,以成型压力、成型温度和焦油添加量为试验因素,采用正交试验方法,开展成型条件对抗压强度、跌落强度、松弛密度及吸潮率影响规律的试验研究,并采用差热热重同步分析仪,分析棉秆炭、焦油混合试样燃烧特性。试验结果表明：最优成型工艺参数为成型压力8 kN、成型温度20 ℃、焦油添加量6%。棉秆炭与焦油混合试样的综合燃烧特性指数（28.86~24.21）×10^-8 K^-3·min^-2随焦油添加量（0%~6%）的增加而逐渐减小,说明在棉秆炭中加入适量焦油制备成型炭可获得良好的成型及燃烧性能。

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灯泡贯流式水轮机在小流量工况下的内流特性分析

李琪飞, 周峰, 林志伟, 黄祺, 马琴珍, 任慧刚

2022, 43(7): 465-470. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-0785

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为了研究灯泡贯流式水轮机在小流量工况下的内流特性,以某水电站贯流式水轮机为研究对象,利用RNG k-ε湍流模型对全流道进行数值计算,分析在小流量工况下尾水管恢复系数和全流道流动情况,并定量分析水轮机部分过流部件的压力脉动情况。结果表明：在小流量工况下当电站水头和导叶开度不匹配时,尾水管的恢复系数减小,当尾水管恢复系数减小2%~3%时,机组效率降低1%;受转轮主流区和尾水管死水区的相互作用,在尾水管边壁会形成漩涡结构,有明显的回流且在边壁存在高速流体;在小流量工况下,机组主要受低频压力脉动影响,转轮进口处的主频是由在转轮转动和导叶提供机组环量时产生的,在尾水管中主要受频率为0.2 Hz的低频压力脉动影响,压力脉动系数沿尾水管出口方向依次增大,最大为1.75%。

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千瓦级小型液压式波浪能装置能量转换系统研究

陈坤鑫, 盛松伟, 姜家强, 王坤林, 叶寅, 张亚群

2022, 43(7): 471-476. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1107

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针对小型海洋观测仪器用电需求,研究高效、可靠的小型液压式波浪能装置能量转换系统。在实验室建立一套3 kW的液压式波浪能能量转换系统,进行不同电阻负载、不同蓄能体积以及不同控制策略的液压系统试验,获得PTO效率曲线及各发电过程的特性曲线,详细分析不同控制策略的能量转换特性,得到PTO效率随阻值的增大趋于平稳、蓄能体积基本不影响PTO转换效率的结论,验证有蓄能器无控制器型直冲式能量转换系统的可行性。

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深层U型地热井仿真模拟及取热性能研究

王伟

2022, 43(7): 477-484. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1186

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为充分考虑地热梯度、提高模型计算效率,采用分段方法建立闭式U型井换热器的传热解析模型,并编写程序实现模型的耦合计算。利用系统实际运行数据对模型进行精度验证,并对入口温度和循环流量2个运行参数对地热井取热性能的影响进行分析。结果表明：经与以光纤传感器实测数据在沿程方向上的对比,该模型的平均相对误差为7.3%,模型精度满足工程使用要求。在保证基础负荷需求的前提下,地热井入口温度保持在5~16 ℃之间,循环流量在80 m³/h以上时,可保证地热井处于高效运行区间。在该工况区间内,降低入口温度比提高循环流量能获得更好的热经济性,合理的入口温度和循环流量的匹配调节能使地热井的供热能力提高10%。

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换热孔回填材料含水率特征变化规律及其对热物性影响研究

罗婷婷, 王林, 裴鹏, 杨斌, 邹行

2022, 43(7): 485-492. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1390

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通过设计“量筒法”代替环刀法和选用热重法,分别测量地下水渗入换热孔内回填材料的饱和含水率和残余含水率,用滤纸法测量基质吸力与含水率数据,然后基于含水率计算出不同深度下回填材料热特性参数。结果表明,高吸力值时材料的含水率更低,假设饱水带最高点为地下水位线0点,在距地下水位线100 m处仅有3.6%含水率;对比软件模拟数据与实测点,发现所选用的设计方法与拟合结果相近;与干实回填材料相比,受地下水渗入的换热孔下段靠近水位线处蓄热能力更强,温度变化相对延迟,但导热能力和热扩散能力都有所减弱,中上段蓄热和导热能力减弱,但热扩散能力增强。

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低温地热双循环式发电系统横管喷淋降膜蒸发器传热性能实验研究

胡冰, 郭嘉俊, 黄斯珉

2022, 43(7): 493-498. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1081

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以R245fa为工质,搭建有机朗肯循环（ORC）发电系统横管喷淋降膜蒸发器传热测试平台,研究有机工质喷淋密度,地热水初温及流率等因素对管外换热系数的影响。实验结果表明：随着有机工质喷淋密度、地热水初温、地热水流率的增大,传热系数均先增大后减小。最后,根据实验结果,对现有横管喷淋降膜蒸发器的管外传热系数经验公式的参数进行修正。

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计及天然气压力能的微电网储荷协调优化调度

张安安, 刘艾, 曲广龙, 杨威, 林冬

2022, 43(7): 499-505. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1216

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为解决天然气输送过程中压力能的浪费问题,提高天然气能源利用率,提出将天然气压力能发电系统引入至微电网整体调度方案中。针对天然气压力能发电系统中前后端口的补热需要,将微电网中的风冷热泵补热系统与压力能发电系统进行耦合。考虑到由天然气管网中流量波动和环境因素造成的压力能出力波动问题,提出微电网储荷一体化协调优化方案,以确保系统高效稳定运行。基于上述内容,构建考虑可控电源出力成本、储能调度成本、微电网与配电网的交互成本和负荷调度成本的微电网优化调度模型,并采用Yalmip工具包编写优化调度程序。最后,通过对西南地区某调压站数据进行仿真,验证该方案的可行性与经济性。

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带恒功率负载多电平Boost变换器的复合非线性控制

罗玮, 陆益民

2022, 43(7): 506-512. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2020-1196

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针对带恒功率负载的多电平Boost变换器,提出一种将非线性干扰观测器和自适应滑模控制器相结合的复合非线性控制策略。首先应用精确反馈线性化方法将模型转化为布鲁诺夫斯基标准形式。然后在保证大信号稳定的前提下,将自适应控制方法和非线性干扰观测器加入到滑模控制器的设计中,利用李雅普诺夫理论证明整个闭环系统的稳定性。仿真和实验结果表明,与双闭环PI控制方法相比,该控制策略具有更好的动态调节性能和更强的鲁棒性。

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