太阳能学报

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韩博, 李进, 安百俊, 徐尊豪, 石星宇

2023, 44(1): 1-7. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0789

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利用CGSim软件对定向凝固多晶硅从长晶过程开始到退火过程结束进行瞬态数值模拟,研究不同退火温度和退火时间对多晶硅锭内热应力及位错密度的影响。通过软件中热弹性应力非稳态模型（Haasen-Alexander-Sumino模型）计算出位错和Von-Mises应力。结果表明：随着退火温度的升高和退火时间的增加,热应力及位错增殖速率的逐渐减小,在退火1 h后热应力和位错增殖速率大幅减小,退火3 h后减小效果减弱。高温退火时热应力和位错密度低于低温退火,在1250 ℃下退火3 h是比较合适的方案。

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准Z源级联光伏并网逆变器功率平衡控制

孟志强, 邵武, 唐杰, 尹进田

2023, 44(1): 8-15. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0791

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提出一种基于准Z源级联逆变器功率平衡控制的调制波分配方法,该方法的核心是将系统所需无功功率由某一个级联单元提供,并网有功功率由所有级联单元平均分配,然后按这一功率分配原则生成各级联单元调制波;由于准Z源级联逆变器结构特点,在应用时直通占空比存在一定约束条件,因此基于调制波分配方法,推导出实现功率平衡控制的准Z源级联逆变器的直通占空比约束条件;最后通过载波移相调制控制各级联单元逆变实现并网。仿真与实验结果验证级联单元输入功率不平衡时,该策略能有效保障直流母线电压的稳定和光伏模块最大功率输出,实现单位功率因数并网。

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考虑寄生电感的SiC MOSFET半桥电路串扰峰值预测方法

杜明星, 边维国, 欧阳紫威

2023, 44(1): 16-23. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0824

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针对光伏并网逆变器中的串扰问题,提出一种考虑寄生电感影响的非开尔文封装SiC MOSFET串扰峰值预测算法。以TO-247-3封装SiC MOSFET构成的半桥电路为研究对象,首先分析各个阶段的串扰电压数学模型,并推导串扰电压的微分表达式;其次提出串扰峰值的预测算法,建立预测峰值所需参数的数学模型;最后搭建实验平台,验证理论的正确性和算法的有效性,为设计光伏并网逆变器的驱动和保护电路提供参考依据。

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一种三相电流型Sepic逆变器

李宗阳, 沈虹, 王立乔, 李嘉欣, 宁小己

2023, 44(1): 24-32. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0874

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该文提出一种非隔离型三相电流型Sepic逆变器,该逆变器的结构主要通过传统的三相桥式电路以及可升降压模块的Sepic电路组合而成。借助SPWM载波幅值可调策略解决对于电流型逆变器直流侧电感较大的问题,同时优化输出波形质量。首先介绍此三相电流型Sepic逆变器的工作原理以及相应的调制方式,并在此基础上给出此电路的电压增益数学公式推导,进行相应的数学建模,并由此确定了闭环控制策略。通过仿真验证此电路的升降压能力,最后通过TMS320F2812与FPGA搭建数字控制平台进行实验验证,验证此电路的可行性。

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基于双重约束的光伏逆变器直接前馈阻尼控制研究

齐磊, 孙孝峰, 赵巍, 沈虹, 王宝诚

2023, 44(1): 33-41. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0908

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针对高比例光伏发电系统网侧变弱潜在的高频谐振问题,提出一种基于输出电流直接前馈的新型阻尼控制方案,并对环路谐振抑制参数整定的全局-局部运行双重约束进行研究。首先,建立光伏多机并网系统数学模型,利用阻抗比判断潜在的高频谐振。其次,对逆变器串电阻环路变换构建等效的输出电流直接前馈控制环路,通过分析不同谐振抑制参数下系统全局高频谐振治理效果及单台逆变器局部运行状态,以全局-局部稳定为双重约束确定了谐振抑制参数可行域,并分析电气参数随运行状态变化下所提方案的抗扰能力。最后,搭建光伏多机并网系统的仿真实验平台验证上述研究的有效性。

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储能型开关升压光伏并网逆变器的研究

刘硕, 周旭, 李建林

2023, 44(1): 42-48. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0967

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以光伏发电并网系统为研究对象,提出一种新型储能型开关升压并网变换器。通过建立小信号模型,对系统中的储能型开关升压网络进行分析,该系统共包含3个功率单元：光伏组件、储能型开关升压网络和并网逆变器。为最大程度地利用太阳电池能量,利用扰动观测法对最大功率点进行跟踪。同时建立能量管理策略,对3个功率单元的能量流动进行控制,可提高能量利用率、增强系统的稳定性。仿真和实验验证了该拓扑结构的优越性以及储能策略的可行性。

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基于图像处理技术水分迁移对光伏桩冻拔稳定性影响的试验研究

陈强, 李驰, 高利平

2023, 44(1): 49-54. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0802

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该文以光伏螺旋短桩基础为例,对冻结过程中土体内部水分的迁移实现可视化观测,研究冻土中水分迁移对桩体抗拔稳定性的影响。试验结果表明,通过图像观测到的水分迁移过程与百分表记录的全螺旋桩冻拔量在时间和空间上具有一致性,主要分为3个阶段：第1阶段（初始阶段）,在0~1.5 h,水分迁移速率与桩体冻拔速率均较大,且在此阶段末,桩体的冻拔量达到桩径的8.4%;第2阶段,在1.5~5.0 h,二者的发展速率都有所下降但总趋势仍在上升,到5.0 h时桩体的冻拔量达到桩径的14.5%;第3阶段,在5.0 h后,水分的迁移基本完成,桩体的冻拔量达到最大并逐渐趋于稳定,最终冻拔量为桩径的15.3%。拟通过该文为寒冷地区光伏螺旋短桩在工程应用中所受到的冻拔影响提供基础试验依据。

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基于散点图-AlexNet网络的光伏红外热图像识别方法

孙海蓉, 周映杰

2023, 44(1): 55-61. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0811

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针对神经网络在光伏发电中对光伏红外热图像识别准确率和训练效率低的问题,提出基于散点图-AlexNet网络的识别模型。首先将光伏红外热像图对应的HSI空间数据信息直接投射到平面坐标系中,形成由若干散点构成的可视化RGB三色图像,并使用基于AlexNet网络的快速AlexNet网络进行训练。为了证明新方法的优良性能,选取识别准确率和单次训练时间对模型进行评价。实验结果表明,该方法识别率高,能准确识别光伏红外热图像中的图片种类,且训练效率也显著提升。

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考虑需求响应与光伏不确定性的电力系统经济调度

朱怡莹, 周荣生, 罗龙波

2023, 44(1): 62-68. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0844

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针对光伏不确定性对电网的影响日益增加,该文提出一种考虑需求响应的源网荷经济调度方法。首先以光伏历史数据,利用非参数估计来拟合光伏出力,同时利用蒙特卡洛进行场景表征,并利用基于马氏距离场景缩减技术进行场景缩减;其次,结合随机规划方法,建立考虑需求响应下系统运行成本最小的电力系统源网荷经济调度模型;最后以IEEE39节点模型进行分析,结果表明采用所提出的优化模型可实现对光伏的不确定性调度,并能降低用户用电成本,对未来电力系统需求响应下的多能互补提供理论支撑。

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基于两阶段不确定性量化的光伏发电超短期功率预测

张家安, 郝峰, 董存, 刘辉, 李志军

2023, 44(1): 69-77. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0887

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针对光伏功率预测,提出一种光伏发电出力不确定性量化分析的两阶段模型。第1阶段,首先选取待预测日之前一段时间的光伏输出功率历史数据作为训练样本,引入模糊熵（FE）将不同天气类型量化并作为输入量;然后利用集成经验模态分解（EEMD）将光伏发电功率时间序列分解为多个模态分量,再利用Hurst指数分析将不同模态分量重构为中尺度和宏尺度2个子序列,基于双向长短期记忆神经网络并引入注意力机制对重构后的2个子序列分别进行预测;最后对中尺度子序列对应的误差序列进行修正,得到光伏发电出力的点预测结果。第2阶段,根据第1阶段点预测结果得到的误差统计,采用核密度估计（KDE）方法预测光伏发电出力的区间,分别获取在95%、90%、85%及80%置信水平下的区间覆盖率（PICP）。应用中国西北地区某光伏电站运行数据作为算例,验证了该文预测方法的有效性。

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空气/水双冷型PV/T一体化组件实验与模拟研究

杜涛, 马进伟, 何伟, 方浩, 陈茜茜, 李葱

2023, 44(1): 78-84. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0902

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提出一种空气/水双冷型PV/T一体化组件,搭建2套测试平台开展PV/T组件的空冷、水冷、空气-水复合冷却实验,研究不同工作模式下组件的性能表现。实验结果表明：3种工作模式均可对光伏组件进行有效冷却,空冷、水冷、复合冷却模式组件综合效率分别为76.05%、74.51%、84.83%,其吸热板温度较无工质冷却模块分别可降低19.08、27.58和35.16 ℃。为进一步分析设计参数对PV/T组件电热特性的影响,利用ANSYS构建组件的三维数值模型,并通过实验数据验证模型的准确性。模拟显示：采用双风道翅片式结构可有效提升组件电热性能;随着环境温度的升高（10~40 ℃）,组件的综合效率由61.85%增至80.31%。

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光照资源富集区太阳能集中供热系统容量配置及热网管径协同设计优化研究

刘艳峰, 穆婷, 罗西, 胡筱雪, 胡德泽

2023, 44(1): 85-93. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0693

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针对常规太阳能供热系统优化设计中太阳集热供热站设计与供热管网设计相互分离,供热管网热传输过程中热损失难以精准计算的问题,建立太阳能集中供热系统容量配置及热网管径协同优化模型,以系统全生命周期成本最小为优化目标,采用遗传算法求解,并通过具体算例与常规优化方法以及工程设计方法的计算结果进行对比分析。结果表明,利用协同优化模型进行太阳能集中供热系统设计,能够有效避免设计系统太阳能保证率偏小以及供热管网比摩阻不满足规范要求的现象。针对具体算例,当太阳能保证率由50%增至100%时,系统最优最低供水温度从60 ℃降至45 ℃;随着太阳能保证率的升高,系统单位太阳集热器面积所匹配的储热水箱体积增大,而系统供热管网管径保持不变。

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计及水约束的太阳能冷热电联供系统运行优化研究

李薇, 匡慧子, 许野, 王旭, 刘铠诚

2023, 44(1): 94-100. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0820

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以上海某酒店的太阳能“冷-热-电”联供系统为研究对象,构建以运维成本最低为目标,以能源供需平衡、设备功率限制和用水定额限制为主要约束的系统协同运行优化模型,探究不同用水定额下系统的最优运行方案。结果表明,用水定额对设备出力和系统总成本均有不同程度的影响。在牺牲系统经济性的前提下,可在一定程度上减少系统的耗水量,有效保护水资源。

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混合太阳能微型燃气轮机性能限制分析与优化

陈坚红, 张锦卓, 李蔚, 王光烛

2023, 44(1): 101-108. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0822

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为研究混合太阳能燃气轮机系统的现实应用需构建实验系统,通常的思路是采用目前性能较好的型号燃气轮机与太阳能集热加热组件耦合,但耦合后的系统性能指标相对型号燃气轮机受到限制。对此限制的原因进行热力学性能原理分析,并利用EBSILON软件建立型号燃气轮机仿真模型和混合太阳能微型燃气轮机实验系统计算模型,通过计算验证热力学性能原理分析结果,发现燃烧室通流能力是系统性能指标的主要限制因素,并提出增加压气机压比和提高燃烧室通流能力、更好地组织燃烧可作为系统优化方向。

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电极片检测熔盐储罐泄漏的实验研究

赵辉, 黄中华, 左宇航, 时华, 周昊

2023, 44(1): 109-113. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0872

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提出利用电极片检测熔盐储罐泄漏的方法并实验研究其可行性。结果表明,不同温度的熔盐发生泄漏时,熔盐会使电极片的回路立即形成通路,从而灵敏地检测到熔盐储罐的泄漏。并且,熔盐的运行温度越高、电极片布置位置越靠近地基材料顶部,熔盐泄漏到电极片上时导电性越强,电路中的电流越大,电极片检测熔盐罐泄漏的灵敏性和持续性越好。

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钴铜锂复合金属氧化物热化学储热温度调控特性研究

袁鹏, 彭记康, 肖刚

2023, 44(1): 114-118. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0884

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提出通过掺杂的方法,调控复合金属氧化物的热化学反应温度,试验结果表明钴铜锂三元复合氧化物的还原起始反应温度可从850 ℃降低到795 ℃,氧化反应起始温度也可降低35~50 ℃。XRD和反应动力学分析表明,复合相CoLiO₂的出现使还原反应活化能均值从911 kJ/mol降低到602 kJ/mol,这是反应温度降低的主要原因。经过105个循环后,钴铜锂三元复合氧化物的氧化还原反应循环的比例仍保持在80%以上。

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基于平板热管的太阳能-空气能双源集热蒸发器性能实验研究

娄晓莹, 全贞花, 赵耀华, 杜伯尧, 侯隆澍

2023, 44(1): 119-125. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0913

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设计一种基于平板热管的太阳能-空气能双源集热蒸发器及由其组成的新型直膨式热泵系统,并对其进行实验研究与分析。实验测试平板热管在制冷剂低温取热条件下的均温性与导热性能,热泵运行工况下集热蒸发器表面温度分布、光电光热性能,以及在不同天气条件不同运行模式下热泵系统性能。结果表明,平板热管在低温取热条件下当量导热系数可达6.8×10⁵ W/（m·℃）,集热蒸发器运行时纵向最大温差为3.9 ℃;在夏季晴朗天气条件下运行太阳能模式制热水时热泵平均COP为3.62;在低辐照阴天下运行太阳能-空气能双源模式与太阳能模式相比,单位面积集热功率提高18.8%,系统平均COP提高5.7%;在无辐照的夜晚,运行空气源模式系统COP为2.54。

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塔式太阳能原位开采油页岩系统余热回收及参数优化研究

侯宏娟, 王晶, 杜琼杰, 蔡亮

2023, 44(1): 126-132. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1536

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为减少油页岩原位开采过程中的化石能源消耗,构建塔式太阳能聚热页岩油原位开采系统模型,对集热场蒸汽参数和油页岩开采井间距进行优化,并在此基础上展开余热回收研究以提高系统综合能效。结果表明：通过对蒸汽参数和井间距进行优化,系统热效率η可由22.4%升至33.5%,再对生产井出口的蒸汽余热进行回收利用后,系统热效率η进一步提升（升至38.4%）,页岩油生产成本Cp由306.0美元/t减少到174.7美元/t。

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基于地基云图的超短期太阳辐照预测方法与装置研究

张臻, 陈天鹏, 王磊, 邵玺, 张起源, 居秀丽

2023, 44(1): 133-140. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0912

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提出一种自主研发全天空成像仪的云图曝光优化方法,通过自主研发的地基云图采集仪采集地基云图,结合在同一时刻连续拍摄的不同曝光度的云图,利用动态范围优化算法对云图进行处理。对优化后的云图进行特征提取,将图像特征作为预测模型的输入数据,建立基于BP（back propagation）神经网络的预测模型。验证结果表明：在5 min预测尺度上,所建立模型的预测均方根误差相比持续性模型降低14.31%。与现有研究对比,所建立的模型具有更低的均方根误差（RMSE）。

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中国低纬度地区的夏季太阳总辐照度研究

尹凯丽, 谢静超, 张晓静, 郝梓仰, 王建平, 刘加平

2023, 44(1): 141-147. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0987

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目前GB 50736—2012已给出中国北纬20°~50°地区的夏季太阳总辐照度,尚缺少北纬10°~20°之间低纬度地区的规范值。为解决该问题,对处于低纬度地区的永暑、西沙的太阳辐射数据进行统计整编,并根据中国太阳辐射基础数据的确定原则,在现行规范的基础数据上补充太阳高度角为3°、大气透明度等级为4时的太阳辐射基础数据;然后通过插值法与理论计算生成中国北纬10°和15°地区、大气透明度等级为4时的夏季太阳总辐照度表,为低纬度岛礁地区太阳辐照度研究和太阳能应用提供规范数据。

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基于分形特征的海上风力机防护装置设计研究

岳新智, 韩志伟, 李春, 缪维跑, 赵鑫磊, 张万福

2023, 44(1): 148-155. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0299

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根据分形理论设计一种分形防护装置,基于非线性动力学理论,采用ANSYS/LS-DYNA模拟5000 t船舶与设有不同阶数防护装置的4 MW海上风力机碰撞过程,分析研究不同阶数防护装置的防护效果。结果表明：较橡胶材料实心防护装置,分形防护装置可有效降低接触力,延长接触时间;分形结构可提高防护装置内能转化能力,促进外层钢壳吸能,并提升橡胶内能耗散;分形防护装置应力峰值更低,高应力区域更广,可使更大面积材料发挥防护作用,有效降低撞深。不同阶数分形结构的抗撞性能与分形孔受撞后变形状况有关,其中一阶分形结构提升防护装置抗撞性能最优。

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海上风电筒型基础建造期风险分析研究

侯鸽, 蔡鸥, 徐奎, 练继建

2023, 44(1): 156-162. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0536

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以中国某海上风电场筒型基础为研究对象,识别其建造期的风险源,并建立风险指标体系,然后基于改进的模糊故障树方法量化筒型基础建造期的整体风险发生概率,并与单桩基础结果进行对比。研究结果表明：筒型基础及单桩基础结构建造期的风险发生概率分别为3.21×10^-3、9.47×10^-3。依据DNV规范规定的失效频率等级可知,海上风电筒型基础及单桩基础结构建造期的风险等级均为高风险,但单桩基础的风险概率明显高于筒型基础,高约66.10%,筒型基础建造期的风险更低,工程实用性强。

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海上风电场集电多分支线路故障区段定位方法

王晓东, 王永浩, 刘颖明, 高兴

2023, 44(1): 163-170. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0568

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针对海上风电场集电多分支线路导致的故障定位精度不高的问题,提出一种基于行波原理与故障分支判定矩阵的故障区段定位方法。分析风电场拓扑结构和行波波头传输路径,建立固有距离差值矩阵。利用变分模态分解（VMD）和Teager能量算子（TEO）标定各端故障初始行波波头,并根据双端行波法得出故障距离差值矩阵。通过计算故障距离差值矩阵与固有距离差值矩阵的差值,构建故障分支判据判定矩阵,并根据不同故障点判定矩阵之间的差别,提出相应的故障区段判定依据。仿真结果表明：所提故障区段定位方法精确率高,且不受过渡电阻、故障类型等因素的影响。

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弧形锯齿尾缘对叶片气动噪声影响及机理的研究

张玲, 谷豪飞

2023, 44(1): 171-178. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0768

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以弧形锯齿尾缘叶片为研究对象,同时设置三角形锯齿尾缘和直尾缘叶片作为参照组,采用大涡模拟结合声类比方程的方法,对比分析不同攻角下3种叶片的声压级指向性、噪声频谱特性。通过分析3种叶片周围涡结构,进一步对弧形锯齿尾缘所特有的声学机理进行研究。结果表明：同三角形锯齿一样,弧形锯齿结构并未改变叶片声压级指向性呈偶极子分布的规律;弧形锯齿尾缘有效降低中高频段的噪声,低频段降噪效果不明显;锯齿结构影响尾缘处展向涡的发展,进而对叶片气动噪声产生影响,且弧形锯齿尾缘对尾部涡结构的影响程度大于三角形锯齿尾缘。

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风电机组行星轮系柔性齿圈疲劳寿命研究

谢高敏, 章翔峰, 周建星, 许华超, 王成龙, 张荣华

2023, 44(1): 179-187. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0788

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为探究风电机组行星轮系柔性内齿圈在动态啮合力作用下的疲劳损伤规律,建立考虑内齿圈结构柔性的行星轮系动力学模型,运用瞬态动力学进行仿真计算得到内齿圈结构应力时域历程,并通过试验验证该动态应力仿真结果的正确性。运用雨流循环计数法及Goodman平均应力修正法得到对称循环应力,随后结合Miner线性损伤理论计算内齿圈结构的弯曲疲劳寿命,分析内齿圈结构变形引起应力变化对疲劳寿命的影响,探讨不同轮缘厚度、支撑数量及不同负载下内齿圈结构疲劳寿命的变化规律。结果表明：内齿圈疲劳寿命受到齿圈结构变形和轮齿变形的共同作用,轮缘越薄内齿圈结构变形越剧烈,各轮齿间寿命差距越大,两支撑间各轮齿疲劳寿命波动趋势越复杂;当齿圈柔性较大时,其最大应力由齿圈结构变形引起且疲劳破坏点由齿根向齿槽偏移,齿圈柔性较小时其疲劳寿命主要取决于轮齿变形。

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风电机组偏航制动器制动稳定性分析

杨书仪, 赵康康, 张鸿泰, 赵前程, 文泽军, 阳雪兵

2023, 44(1): 188-195. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0797

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针对风电机组偏航制动器制动不稳定问题,基于ABAQUS软件开展偏航制动器制动稳定性分析。运用复特征值分析法和不稳定倾向系数TOI值,分析制动压力、摩擦系数、偏航速度、弹性模量以及开槽方式等对制动稳定性的影响。基于全因子试验及Design-expert软件建立不稳定倾向系数TOI值响应面模型,并开展相关参数优化。研究表明：对制动稳定性具有显著影响的因素是摩擦系数、偏航制动缸弹性模量、摩擦片弹性模量;开双槽的摩擦片对制动稳定性影响显著,开单槽影响较小;制动稳定性受制动压力与偏航速度影响很小;参数优化后的偏航制动器制动不稳定系数降低73.7%。该研究结论可为偏航制动器设计、开发提供理论指导。

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尾随涡对风力机叶片气动性能影响机理研究

陈明, 赵振宙, 孟令玉, 冯俊鑫, 江瑞芳

2023, 44(1): 196-202. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0798

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以Phase VI 风力机叶片为研究对象,以r/R=30%、63%和95%处叶素为参考,建立与7、9、15 m/s试验风速下该风力机叶片附着涡环量沿展向分布相同的叶片模型,分析尾随涡对风力机当地翼型气动性能的影响机理。采用带转捩效应的SST k-ω湍流模型,对所建立的叶片模型和二维S809翼型的气动特性进行研究和对比分析。结果表明：旋转叶片尾随涡对分离现象产生抑制作用且随攻角的增大减弱;尾随涡的影响表现出多重效应,除了减小当地翼型的攻角,还降低其吸力面负压系数和压力面正压系数。

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含裂纹损伤叶片在切变来流下的应力耦合性分析

焦念鹏, 宋力, 陈永艳, 焦晓峰, 冯瑞, 田瑞

2023, 44(1): 203-210. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0800

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针对含裂纹损伤风力机在运行过程中产生的失效现象,将切变来流作为入口条件,基于流固耦合原理,分析含不同形式裂纹损伤的风力机叶片应力分布规律。通过无人机现场实验得知,裂纹主要集中于叶根（r/R=0.10截面）和叶中（r/R=0.50截面）后缘部位。单叶片在30°方位角时应力最大,额定风速下分布于叶根的裂纹受力最大,为33.34 MPa。强风风速下分布于叶中的裂纹受力最大,为44.31 MPa。重力载荷主要影响叶根部位的受力,气动载荷则主要作用于叶中,风速越大,叶中部位的裂纹越容易产生扩展。同时,沿弦向分布的裂纹,其扩展趋势最强。对于叶根处裂纹而言,若使叶片产生失效,裂纹长度需达到弦长的1/2、深度需达到叶片厚度的1/2;对于叶中处裂纹而言,若使叶片产生失效,裂纹长度需达到弦长的3/8、深度需达到叶片厚度的1/3。

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四筒型基础气浮过程自振特性及运动响应研究

刘宪庆, 赵明阶, 乐丛欢, 余葵, 罗盛

2023, 44(1): 211-217. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0803

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针对多筒型基础气浮过程中的动力及运动响应问题,设计了筒间距为2.5倍筒直径的四筒型基础,通过比尺为1∶25的物理模型试验并结合数值模拟的方法,对结构在静水中的自振特性和规则波下运动响应的变化规律进行研究。研究结果表明：建立的数值分析模型能够较好地预测结构静水中自振特性以及波浪中运动响应的变化趋势;随着吃水的增加,该四筒型基础的有阻尼摇荡自振周期呈增大的趋势,而附加质量系数和阻尼比呈下降的趋势,结构摇荡运动的附加质量系数取值在1.4~1.7之间变化;吃水的增加能够改善结构的摇荡运动性能,但是增大了结构的垂荡响应以及接近纵摇角最大幅值的周期范围;水越浅,摇荡运动越大。

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涡流发生器安装参数对风力机翼段动态失速影响

江瑞芳, 赵振宙, 刘惠文, 马远卓, 陈明, 冯俊鑫

2023, 44(1): 218-225. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0805

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基于k-ω SST湍流模型,对安装不同间距z和安装角αvg涡流发生器（VGs）的DU91-W2-250风力机翼段的动态失速过程进行数值研究。翼段做典型的正弦俯仰振荡运动,探究该过程中VGs安装参数对风力机翼段流动控制效果的影响。研究结果表明：改变z对气动影响非常小,改变αvg的影响较大;当z=6~8mm,αvg=13.4°~16.4°时VGs改善翼段气动性能的效果较好;流向涡强度是影响VGs流动控制效果的一个主要因素。

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基于生成对抗网络的风电爬坡功率预测

黄棋悦, 严楠, 钟旭佳

2023, 44(1): 226-231. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0812

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风电的波动性和随机性,尤其是功率爬坡事件严重威胁着电网运行的安全和稳定。功率爬坡是极端天气影响下产生的,属于小概率事件。其极低的发生概率导致历史爬坡样本数量严重不足,并制约了传统功率预测模型的预测精度。针对此类问题,提出一种基于生成对抗网络的风电爬坡功率预测方案。将历史爬坡数据和模拟特征量作为输入,通过生成器和判别器的对抗训练,生成大量与历史爬坡数据特征相似的模拟爬坡数据,实现爬坡数据集的扩充。再将扩充后的爬坡数据集输入给长短期记忆神经网络算法,进行风电爬坡功率预测。通过仿真测试,验证了该方法在历史爬坡数据匮乏情况下风电爬坡功率预测的有效性。并与传统预测方法进行了对比,证明了其预测的精确性。

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筒间距对四筒导管架基础在砂土中承载特性的影响

乐丛欢, 姜明涛, 任建宇, 胡灏, 张浦阳, 丁红岩

2023, 44(1): 232-238. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0819

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导管架吸力筒基础是近年来兴起的一种新型的海上风电基础,目前对其承载特性的研究相对较少。针对四筒导管架海上风力机基础,通过建立不同筒间距的四筒导管架基础有限元模型,研究了筒间距对导管架基础在砂土中极限承载力的影响。研究发现：导管架基础的竖向承载力受筒间距变化的影响不大,而极限水平、抗弯以及抗扭承载力随筒间距的增大而呈现明显的增加趋势。

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基于改进劣化度模型的风电机组日常运行状态评估

金晓航, 秦治伟, 郭远晶, 单继宏

2023, 44(1): 239-246. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0830

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为准确地掌握整台风电机组的运行状态,提出一种基于改进劣化度模型的评估方法。首先求得风电机组层次结构中各状态参数的劣化度;其次通过组合赋权法确定各参数的权重,利用岭型分布隶属度函数确定各参数的隶属度矩阵;最后利用模糊综合评判法和彩色图谱对机组的运行状态进行评估和展示。案例机组的日常运行状态评估表明：所提方法可较SCADA系统提前发现机组发电机非驱动端轴承的异常,且误报次数较少。

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短路故障清除时刻直驱风电机组机端暂态过电压研究

田颢璟, 孙大卫, 刘辉, 王倩, 邢楚铭

2023, 44(1): 247-256. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0836

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大规模风电汇集地区的配套火电机组少,属于交流弱电网,故障后暂态过电压问题严重。2011年至今,中国西北、东北、华北等多个区域电网已经发生了数十起风电暂态过电压脱网事件,且事故中,故障恢复过电压引发脱网的风力机占比很高,其过电压程度直接影响风电场的开机容量。针对该问题,该文基于典型低电压穿越策略建立永磁直驱风电机组（PMSG）并网模型,研究弱电网条件下送出线路短路故障清除时刻PMSG机端暂态过电压的影响因素。结果表明,PMSG暂态过电压与风电机组容量、电压跌落程度及锁相环动态特性等因素有关,根据某实际直驱风场搭建仿真系统模型验证了该结论。

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高效低载的三维风力机叶片外形优化设计方法

姚叶宸, 刘兆方, 黄典贵

2023, 44(1): 257-264. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0849

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常规风力机叶片的优化设计都是从二维翼型开始的,且翼型总是以升阻比最大为优化目标。然而,二维翼型的升阻比最大和三维叶片的高风能利用率与低气动载荷有本质的不同,采用以往的叶片优化方法常常会在提高风能利用率的同时,使叶片所受的气动载荷也提高。针对这一问题,提出基于多岛遗传算法和动量叶素理论,在给定风况条件下,以加权风能利用率最高与气动载荷最小为目标函数,以叶片各个截面的翼型型线及扭角作为设计变量,对三维叶片开展多目标优化方法设计研究。并对某实际NREL Phase VI叶片进行优化设计,结果表明：在给定风况下相比原叶片,优化叶片在风能利用率提升了3.06%的基础上,叶根弯矩降低了11.68%。在变转速与变风况下,优化叶片的气动效率整体提升,叶根弯矩明显降低。

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基础环式风力机基础在线监测与损伤评估方法研究

吕伟荣, 赵思钛, 姚帅, 付秋云, 姜皓云, 戚菁菁

2023, 44(1): 265-272. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0876

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针对风力机运行及基础环式基础风致疲劳损伤特点,提出“上下联动,动静结合”的在线监测和损伤评估方案,即基于基础环水平度测量结果确定线性差分式位移传感器（LVDT）位移计安装位置,并将实时采集的位移信号接入风力机数据采集与监控（SCADA）系统,可实现与上部机组参数同步采集、分析与损伤评估。现场监测结果表明,风力机在启停机、偏航、高中低速运行平稳段等常见工况下轮毂转速与基础环水平度的相关系数均为0.8及以上,为极强相关,故可将轮毂转速视为基础所受的“等效荷载”;通过绘制启机工况下的轮毂转速n-基础环位移Δ曲线,确定临界轮毂转速下限nd和上限nu以及斜率k等曲线参数,可评估风力机基础疲劳损伤程度;通过绘制机头方位角θ-基础环最大水平度Δmax曲线,可确定下法兰周边混凝土磨损性空腔分布区域及大小,为后期基础注浆提供明确的加固位置。

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中国沿海风电施工窗口期及功效分析

林逸凡, 杨梓豪, 刘玉飞, 王小合, 逯鹏, 董胜

2023, 44(1): 273-280. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0896

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海上风电建设施工难度大、风险高,成本极难控制,其中工期是最大的可变成本。适应平价上网时代海上风电降本增效要求,本研究基于实测数据比较ERA5、CCMPv2、NCEP这3种再分析风场在中国近海的质量,并对SWAN模式进行适应性修正,在此基础上根据25 a（1996—2020年）逐小时风浪数值后报数据对山东半岛南至广西海上风电桩基施工和风电机组安装窗口期及功效的时空分布进行评估,并结合关键海域具体风电场进行讨论。结果表明：ERA5数据的质量最优;修正SWAN模式后报波浪要素的准确性得到提升;可施工桩基及安装风电机组数据在研究海域具有显著的时空变化特征。

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基于PAM-SSD-LSTM的短期风速预测

赵鑫, 陈臣鹏, 毕贵红, 陈仕龙

2023, 44(1): 281-288. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0900

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为提高短期风速预测的准确性,提出一种基于PAM聚类、奇异谱分解（SSD）和LSTM神经网络的组合预测模型来预测短期风速,以解决上述问题。首先,为提高神经网络的学习效率,采用PAM算法对原始风速数据进行相似日聚类;其次,SSD具有抑制模态混叠和虚假分量产生的优点,使用SSD分解风速序列,提取多尺度规律;最后,由于LSTM神经网络捕捉长时间依赖的序列的波动规律的能力较强,使用LSTM神经网络对分解后的风速分量进行预测,将各分量预测值叠加得到最终预测结果。实验结果表明,基于PAM-SSD-LSTM的组合预测模型可有效提高风速短期预测的准确率。

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摩擦和常温蠕变对风电螺栓预紧力松弛的敏感性分析

黄华, 王永和, 魏泰, 薛文虎, 姚嘉靖

2023, 44(1): 289-296. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0921

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针对风力发电机螺栓由于预紧力松弛而导致的疲劳断裂问题,以风电塔筒环形法兰连接单段模型为研究对象,采用有限元的方法进行摩擦和常温蠕变对预紧力松弛的敏感性分析。结果表明：摩擦系数降低时螺纹最大应力降低了8.04%,平均应力增大了16.4%,且材料蠕变特性较低和屈服应力较高时预紧力仅分别减小了15.74%和6.37%。因此,当螺纹接触处和外部接触表面的摩擦较低,且螺栓材料具有较低蠕变特性和较高屈服强度时,螺栓抗蠕变性能较好且不易发生预紧力松弛现象。此时螺栓连接状态和预紧力分布较好,螺纹最大应力较小,且法兰间的接触压强和夹紧力较高,有效减小了预紧力松弛。研究结果为解决风电螺栓预紧力松弛问题提供了理论依据。

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齿形襟翼对风力机翼型气动噪声影响的数值研究

郑楠, 叶学民, 李春曦

2023, 44(1): 297-305. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0922

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为分析齿形襟翼（SGF）尾缘对风力机翼型气动性能及噪声特性的影响,利用SST k-ω湍流模型对装设Gurney襟翼（GF）和SGF的NACA0018翼型进行数值模拟,研究齿高和齿宽对气动性能和静压分布的影响,并采用大涡模拟（LES）对气动性能最优的SGF进行噪声预估和涡结构分析。结果表明：SGF可有效提高翼型升力系数并延迟失速;SGF-0.8-6.7模型可使最大升阻比提高8.61%,失速攻角延迟3°,其在拓宽高升力区间、延迟失速等方面具有最优性能;SGF翼型上下翼面噪声无明显差异,平均声压级随攻角增大而提高;SGF-0.8-6.7模型的尾迹噪声随攻角增大呈现先增后减的变化趋势,随距离增加而降低;翼型辐射噪声呈典型偶极子状,GF噪声小攻角下降低,而大攻角下则增大,SGF在不同攻角下均降噪显著,最大降噪量达10.2 dB;SGF尾涡稳定有序,能耗及损失降低,由此使气动性能和噪声得以明显改善。

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基于XGBoost和Wasserstein距离的风电机组塔架振动监测研究

苏连成, 朱娇娇, 郭高鑫, 李英伟

2023, 44(1): 306-312. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0924

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针对风电机组塔架振动监测问题,考虑到风能脉动与机组控制动作等激励对塔架振动的影响,提出一种基于数据驱动的塔架振动监测方法。首先基于K-均值算法对风电机组工况进行辨识,分析各状态参量、机组工况对塔架振动的影响;其次基于极限梯度提升（XGBoost）算法对不同工况下的塔架振动趋势进行建模预测,针对同一风电场不同塔架振动预测残差的差异,提出一种基于Wasserstein距离的塔架振动监测方法;最后使用风电场实际数据验证,以误差平方和为评价指标,考虑机组工况条件的XGBoost预测精度提高了34.6%。基于数据驱动的方法能有效识别风电场中异常振动较频繁的塔架,提升了运维效率。

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载荷优化的海上漂浮式风电机组二阶滑模变桨控制

韩耀振, 李淑祯, 杜翠齐, 杨仁明, 侯明冬

2023, 44(1): 313-319. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0951

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针对强非线性、强耦合的海上漂浮式风电机组动力学系统,提出一种基于二阶滑模的统一变桨控制策略,解决受海浪风速等随机干扰引起浮式支撑平台运动而产生的疲劳结构载荷及功率波动问题。构建漂浮式风电机组的不确定仿射非线性模型,基于风电机组“额定转速”设计积分滑模面,此“额定转速”不再是恒定值,而是取决于平台纵摇速度的变量,基于超螺旋算法实现二阶滑模变桨控制律。采用FAST和Matlab/Simulink联合仿真,所提出的方案与传统PI控制相比,对稳定高风速时风力发电机功率,抑制浮式支撑平台运动及减少叶根载荷具有更好的控制作用,对塔基也有较好的减载作用。

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基于ERA5数据的江苏海域风能资源评估

吉会峰, 刘吉堂, 宋心刚, 丁言者, 高清清

2023, 44(1): 320-324. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0952

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利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5风场数据,综合考虑风功率密度的时空分布、稳定性以及资源储量等要素,对江苏海域风能资源进行评估。结果表明,江苏海域多年平均风速和风功率密度总体呈现南高北低、离岸高近岸低的分布趋势。连云港近岸区域风功率密度等级小于2级,3级及以上区域主要分布在远海海域;盐城和南通除岸边潮间带滩涂区域外,大部分区域达到2级或3级,离岸约30 km可迅速提升至4级以上。风功率密度具有较明显的季节性分布特征;盐城南部和南通海域风能稳定性最好,连云港海域风能稳定性相对较差。南通和盐城南部风能资源有效储量最高,盐城北部次之,连云港最低。

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考虑齿圈柔性的风电行星轮系动态啮合特性研究

王烨锋, 周建星, 许华超, 王成龙, 谢高敏, 姚俊

2023, 44(1): 325-334. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0991

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针对集中参数法难以考虑齿圈柔性而有限元法计算量大的问题,以风电行星轮系为研究对象在集中参数/有限元混合法基础上提出一种揭示内啮合齿轮副延长啮合现象的分析方法。首先采用集中参数法建立风电行星轮系的动力学模型,并求解获得动态啮合力;随后,运用有限元法建立行星轮系内啮合齿轮副的有限元模型,并开展静态接触分析从而获得内啮合齿轮副各啮合位置发生多齿啮合时的变形阈值;最后,将集中参数模型获得的动态啮合力施加在内齿圈有限元模型上计算出内齿圈的动态响应,并结合发生多齿啮合时的变形阈值,从而揭示在不同负载和支撑数量下内齿圈上多齿啮合的分布区域,获得接触应力和齿根应力,分析啮合齿对数量改变前后对应力的影响。结果表明：考虑齿轮柔性后,内啮合齿轮副会出现除理论啮合齿对外其他齿对相接触的现象;随着负载扭矩的增大,内齿圈上三齿啮合首先发生在支撑两侧,随后三齿啮合发生区域不断增加;当行星轮与内齿圈间的啮合由理论两齿啮合变为三齿啮合时,其齿面接触应力和齿根应力小于其在相同时刻只计入两齿啮合时的应力值。

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二阶波浪力下超大型半潜浮式风力机动态响应分析

赵志新, 施伟, 王文华, 李昕

2023, 44(1): 335-345. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0992

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针对DTU（Technical University of Denmark）10 MW风力机,使用FAST软件对典型海况下不同水动力分量作用下的半潜浮式风力机系统进行全耦合分析,包括仅一阶波浪力作用、一阶波浪力和采用Newman近似计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域二次传递函数（quadratic transfer functions,QTFs）计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域QTFs计算的二阶和频波浪力作用以及一阶波浪力和全域QTFs计算的完整二阶波浪力作用,以对比分析二阶差频、和频波浪力对超大型半潜浮式风力机动态响应的影响;基于风力机结构疲劳计算理论,分析二阶差频和频波浪力对风力机结构疲劳破坏的影响。研究发现：在极端海况下,二阶差频波浪力对平台运动响应,二阶差频及和频波浪力对半潜浮式风力机结构荷载和疲劳破坏均产生显著影响。此外,Newman近似方法明显低估二阶差频波浪力对半潜浮式风力机动态响应的影响。

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双金属共改性沸石催化杉木热解制备轻质芳烃

王翰涛, 刘倩, 沈德魁

2023, 44(1): 346-352. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0777

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以杉木为原料在金属改性分子筛作用下进行热解制备芳烃,采用热裂解-气相色谱质谱法进行热解。结果表明：单金属改性中5% Zn/HZSM-5可达到最好催化效果,其芳烃的相对峰面积达到最高的34.17%,苯、二甲苯的产率相对最高;与单金属改性相比,1% Zn-4% Co/HZSM-5可增大单环芳烃产率,其中苯增大1.19倍,甲苯增大1.21倍;萘、甲基萘等大分子芳烃产率显著减小,同时氧化物产率减少。验证不同金属结合会产生某种协同效应,在热解过程中添加双金属改性分子筛有利于热解油品位的提高。通过NH₃-TPD表征和BET测试阐述金属改性对催化剂表面结构及酸位点变化的影响。

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水蒸气气氛下生物质与聚丙烯共气化产气特性数值分析

叶垚, 张俊霞, 李阳, 王巧丽

2023, 44(1): 353-360. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0784

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搭建生物质与废塑料共气化动力学模型,并用实验数据对其进行验证。选用6种生物质和聚丙烯作为共气化反应物,以水蒸气为气化剂,计算气化温度在300~1000 ℃之间、气化压强在0.1~0.8 MPa之间、聚丙烯和松木锯末质量比例在0.5~2.5之间,以及不同生物质类型等对生物质和聚丙烯共气化产气特性的影响。结果表明：松木锯末气化中添加聚丙烯后,最高产气量和最大产气速率增加,最高产气总流量提高21.46%,最高产气速率提高4.64%,H₂和CO最高产量分别提高54.27%和79.51%;压强增加不利于提高共气化产气的H₂和CO含量,有利于提高CH₄含量;6种常见生物质和聚丙烯共气化产氢量大小顺序为：果皮>棉花秆≈玉米秸秆>杨树木屑>稻秆>条浒苔;聚丙烯掺混比率增加有利于提高H₂、CO和CH₄等组分产量。

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百吨级生物质混合醇系统能耗和温室气体排放分析

叶茂林, 谭烽华, 李宇萍, 廖玉河, 王晨光, 马隆龙

2023, 44(1): 361-368. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0975

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以农林废弃生物质气化合成混合醇工艺为对象,利用混合生命周期评估方法对百吨级系统进行环境影响分析。通过构建系统的工艺模型和收集生命周期资源消耗及排放清单,研究农林业、收储运和制取等各阶段的投入和排放特性,对棉秆、玉米秸秆、木屑和枝丫柴4种原料制取系统的环境影响特性进行分析,并与5万吨级系统进行比较。结果表明：百吨级系统生命周期化石能源消耗和温室气体排放分别在589~734 kJ/MJ混合醇和63.2~80.8 g CO₂eq/MJ混合醇范围内,制取阶段的电力消耗是最主要的影响因素,其次为系统设备设施投入,玉米秸秆混合醇的环境影响最大,这与原料碳含量低及混合醇收率低有关。

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农林生物质微波热解过程影响因素数值模拟研究

朱福刚, 齐景伟, 胡明, 沈来宏, 袁浩然, 陈勇

2023, 44(1): 369-376. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0335

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利用COMSOL有限元软件对3种微波热解影响因素进行计算分析,结果表明在不同波导位置工况下,平均温度差值最大达50%,微波能吸收效率最高可达92%;加入典型吸收剂炭球后可提升生物质对微波能的吸收效率,使得生物质的平均温度升高,能效最高可提高5%;通过给生物质添加旋转速度可优化其温度均匀性,有、无旋转速度的温度标准差相差最大约26%,但旋转速度对温度均匀性的影响较小。

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基于CFD混流式水轮机上冠转轮泵结构优化研究

贵辛未, 牧振伟, 郭彤, 夏庆成, 张治山

2023, 44(1): 377-383. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0883

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为研究中高水头混流式水轮机上冠转轮泵工作特性及优化可行性,以红山嘴一级电站3号水轮机为例,建立现转轮泵及11种结构优化模型,利用CFD商业软件,基于SST湍流模型对不同结构转轮泵在9种流量工况下展开数值模拟。将上冠流道泄漏水流动特性、主轴密封真空度及转轮泵效率作为研究指标,结果表明：上冠流道泄漏水流动特性依赖于转轮泵的结构类型;减小转轮泵“泵盖高度比”或斜置动泵叶对提高主轴密封真空度均有显著效果（最佳结构可提高66.9%）,同时须兼顾其工作效率;额定工况下,转轮泵工作效率较低,建议转轮上冠开设合适的泄水孔补给流量提高其效率;该电站可将泵叶斜置45°、泵盖高度比Hp=0.0543的转轮泵作为最佳改进方案。

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后掠式水平轴潮流能水轮机的载荷与获能特性研究

刘聪, 闫宇婷, 徐明奇, 陈健梅, 董永军, 张雪明

2023, 44(1): 384-391. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0997

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针对双向潮流能有效利用问题,设计一种基于对称翼型的新型后掠式水平轴潮流能水轮机,并研究其水动力性能。根据对称翼型升阻力特性与叶片展向攻角变化,采用变截面设计优化后掠式对称翼型叶片,并基于Buhl修正模型分析不同后掠偏移叶片所受推力与获能特性。通过3D建模与水槽实验,研究不同后掠偏移叶片的载荷与获能情况。模型实验研究表明,同一尖速比下,后掠偏移量为10%和15%的水轮机相对于偏移量为5%的水轮机所受推力最大分别降低4%和13.3%,获能效率最多分别减小3.8%和11.1%,其中推力比获能效率减幅更大。实验结果与理论分析变化趋势吻合,但减幅比理论值偏高。此外,该水轮机3种后掠偏移量下对应获能效率随桨距角的增大分别降低18%、14%和6%,获能效率下降显著,与300 kW样机实海况运行情况变化趋势相同。

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含水合物沉积物力学-声学联合试验设备的开发和初步应用

徐佳琳, 黄玲惠, 许成顺, 赵雨晴

2023, 44(1): 392-401. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1353

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为开展天然气水合物沉积物力学、声学特性的试验研究,对高压-温控三轴试验设备的管道线路进行重新规划,并引入GCTS超声波测试系统。为了检验仪器性能,利用福建标准砂和甲烷气体制备不同水合物饱和度的沉积物试样,开展不同有效围压下的三轴排水剪切试验。结果表明：设备能稳定制备含水合物试样并进行力学试验,试验全过程可实时测试试样的压缩波速和剪切波速;波速变化与试样内部密实度、颗粒分布的变化等密切相关,可反映试样体积的变化及剪切初期的剪胀特性;通过固结后的波速计算试样的泊松比,在0.16~0.31之间。

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基于CORA数据的南海温差能资源时空特征研究

丁杰, 吴国伟, 姜波, 侯二虎, 白杨, 汪小勇

2023, 44(1): 402-409. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1507

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基于2000—2013年中国近海及邻近海域海洋逐日再分析产品（China Ocean Reanalysis, CORA）数据资料,通过计算南海表层（5 m）与深层（1000 m）的温差、卡诺效率、有效水头、暖水体积量、温差能可开发量等参数,对中国南海温差能在季节、年代际的地理分布及其变化特征进行详细分析。结果表明：1）南海大于1000 m水深海域的温差均满足发电净效率的要求,可全年有效开采,温差分布具有明显季节变换特征,夏季最高,秋、春次之,冬季最低,常年高值主要集中在南沙群岛至吕宋岛西部一带。2）中沙群岛以南是卡诺效率高值且月波动较小海区,效率最高月份为5—8月份。3）南海温差能年平均有效水头介于774~945 m,高值主要分布在南海中东部、南部海域,呈西南—东北走向,有效水头在850 m以上;南海中南部、吕宋岛西部海域年际变化呈2.0~3.0 m/a上升趋势。4）南海暖水体积量月变化呈“V”型,冬季8.50×10¹³m³以上,处在较高水平;年际变化0.165×10¹³m³/a,呈增长趋势,年平均7.31×10¹³m³。5）南海温差能14年平均可开发量238.86 GW,年际变化5.61 GW/a,呈增长趋势,潜在开发前景十分可观。

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中深层地热单井循环系统传热强化方法研究

朱强, 杨轩, 马凌, 李扬, 赵军

2023, 44(1): 410-417. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0808

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针对中深层地热单井循环系统井内热贯通导致的换热功率低的问题,提出一种内管末端变径的井下传热强化方法,并建立数值模型,利用FLUENT进行为期30 d的模拟计算。结果表明,采用内管末端变径的方式能有效增强地下水“互动”,充分利用含水层的高温来提高单井换热功率。将井下换热分为导热区和采灌区两部分,随着封堵比例的增加,抽水中的含水层补给占比增加,且采灌区换热功率在系统换热功率中的占比逐渐增加。当封堵比例增大到100%时,采灌区换热功率达到导热区的1.76倍,井口出水温度可基本稳定在58 ℃,系统换热功率稳定在约995.46 kW,相较于内管等径系统,换热功率可提高84.71%。同时,单井循环系统仅导热区的延米换热量就可达到154.23~216.89 W/m,超过了闭式同轴套管换热系统稳定运行的最高延米换热功率,而系统换热功率可达到闭式系统的3.57~6.60倍,在单井换热系统中具有显著优势。

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退役动力电池梯级利用分选技术研究

李建林, 王哲, 李雅欣, 刘若桐, 闫湖, 黄碧斌

2023, 44(1): 418-425. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0859

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首先利用熵权法对退役电池各特征参数进行权重计算,依据计算结果选取电池剩余容量、开路电压和放电直流等效内阻作为电池聚类的分选因子。其次利用支持向量机算法预测退役电池剩余容量,最后利用K-均值聚类算法将电池分成4种等级,并通过实验证明了该方法的准确性。

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基于改进粒子群算法的混合储能独立调频的容量优化研究

李聪, 秦立军

2023, 44(1): 426-434. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0871

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新能源与可再生能源在“3060双碳”战略目标下深入构建清洁能源体系,针对储能以独立主体向电网提供调频辅助服务以应对间歇性和随机性功率波动的优化问题,提出飞轮和锂电池混合储能的容量配置策略。首先,以考虑调频里程的储能经济效益最大化建立数学模型;然后采用自适应噪声完备集合经验模态分解将调频指令分解为高频需求和低频需求;最后构建算例,在不同分频参数下嵌入混合储能的充放电功率控制和荷电状态约束,并运用反向搜索前期寻优和变异交叉策略后期寻优的改进粒子群算法求解。结果表明,该方法求解得到的配置方案有效提升了混合储能整体的经济性和安全性。

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活动导叶头部圆半径对水泵水轮机飞逸特性的影响研究

李琪飞, 马琴珍, 郑非, 谢耕达, 刘思琦

2023, 44(1): 435-441. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0873

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以中国某抽水蓄能电站水泵水轮机模型机为研究对象,通过改进活动导叶头部圆半径r,基于Realizable k-ε 湍流模型,分析改进活动导叶头部圆半径r对水泵水轮机飞逸特性的影响,充分发挥水泵水轮机在抽水蓄能中的核心作用。结果表明：减小头部圆半径r至(r-0.313) mm,对机组“S”特性存在较佳的改善效果;飞逸工况下无叶区的高速水环逐渐减弱。流体由活动导叶进入转轮叶片流道的过程中,流体的速度由活动导叶出口附近逐渐增大,受高速水环的影响,在无叶区达到最大,随后速度逐渐减小进入转轮,保持在某个较大速度持续流动;飞逸工况下1~5流道转轮叶片进口端旋涡沿着流道逐渐扁平且向转轮叶片后移扩散。转轮叶片进口端旋涡附近压强变化整体呈下降趋势,在叶片进口端出现峰值,转轮叶片进口端旋涡附近压强大小随旋涡位移以及强度而变化;飞逸工况下尾水管的直锥管段分布着大量涡带,且涡带沿着弯肘段逐渐后移到扩散段。回流主要集中在尾水管扩散段边壁附近,在距离转轮中轴线300~500 mm处,回流逐渐减少。

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考虑多变量协同保护的储能变流器故障穿越策略

陈凌彬, 夏向阳, 廖一丁, 陈贵全, 徐志强, 陈伟其

2023, 44(1): 442-450. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0687

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电网发生不对称故障时,会导致储能变流器（PCS）运行性能不满足要求,进而影响并网系统的可靠运行。针对上述问题,提出一种PCS多变量协同保护策略。该策略在柔性控制策略的基础上,以无功支撑为首要目标,PCS运行性能为约束条件,构建无功功率关于柔性控制参数k的一元函数和有功功率安全运行区域。进一步可解得满足要求的k取值范围,随后根据系统的要求选取合适的k值和此k值对应的功率参考值进行控制。仿真结果验证了所提策略的有效性,能根据电压跌落程度向电网提供相应无功支撑,在保障系统安全的基础上充分利用了PCS容量,还能在解得的k取值范围内灵活控制PCS。

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氢气管输技术研究进展

刘超广, 马贵阳, 孙东旭

2023, 44(1): 451-458. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0881

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利用现有“全国一张网”的天然气管道设施,将氢气掺入天然气管道输送,可有效解决中国氢气规模化输送难题。该文综述目前关于氢气管道输送的研究成果,总结氢气管道建设现状;分析输氢工艺安全性,阐述管线泄漏的危害性及防护措施,分别讨论高压输送管道、中低压配送管道和管道焊缝的相容性;归纳目前的燃气互换性方法及设备适应性。指出了目前氢气管输面临的问题：掺氢比例等参数对氢气渗透、聚集、泄漏、喷射火灾等安全问题的影响尚不明确;氢气与典型管材的相容性研究不足;缺少纯氢和掺氢管道输送技术相关标准规范体系。

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船体简谐振动下PEMFC气体扩散-电化学反应的动态响应

温小飞, 邱阳, 詹志刚, 陈泽滔

2023, 44(1): 459-466. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0965

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针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）船舶适用性问题,建立船体简谐振动条件下三维单流道PEMFC计算模型,并以计算流体力学为主要研究方法,仿真研究PEMFC在船体简谐振动情况下的动态性能变化,并通过组分运输过程以及电化学反应对振动条件下PEMFC的动态响应进行内在机制解析。结果表明：简谐振动下PEMFC在经过初始阶段响应后,呈周期性输出规律;船体振动会显著影响PEMFC内部组分传热传质,导致电化学反应无法正常进行,PEMFC性能出现衰变趋势,甚至造成电池饥饿现象;当振幅不变时,振动频率的增大会加剧该现象。

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基于ALMBO算法的PEMFC分数阶时域子空间模型研究

孙成硕, 戚志东, 叶伟琴, 单梁

2023, 44(1): 467-474. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0971

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针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）发电过程复杂难以建模的问题,考虑PEMFC系统的分数阶特性,提出一种基于优化的分数阶时域子空间辨识方法,并建立PEMFC的分数阶状态空间模型。首先,将分数阶微分理论与子空间时域辨识方法相结合,采用Poisson滤波器对输入输出信号进行滤波处理,并引入权重矩阵提高辨识的精度;其次,对Poisson滤波器以及辨识的分数阶阶次寻优,提出一种变异反向学习的自适应帝王蝶优化算法（ALMBO）,在迁移算子中引入变异反向学习策略、并融入自适应权重来提高寻优的精度,防止陷入局部最优解。最后,通过仿真结果验证算法的有效性,所得的PEMFC辨识模型能准确描述PEMFC的动态过程。

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西藏可再生能源开发适宜度评价

翁楚彬, 周雄冬, 徐梦珍

2023, 44(1): 475-484. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0769

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以西藏太阳能、风能、水能三大可再生能源为研究对象,运用空间多准则决策法,选取能源资源禀赋、地形地貌、道路交通和土地利用等相关的评价准则与指标,对西藏可再生能源开发适宜度的时空分布进行评估。结果表明：西藏约80%的区域全年可开发三大可再生能源;藏西北适宜太阳能、风光互补开发,藏东南适宜水能、水光互补开发,全区几乎无可进行风水互补和风光水互补开发的区域。

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基于反演控制的DC-MMC双闭环解耦控制策略研究

马文忠, 赵雨, 张彦, 张奎同, 韩嘉, 王昕睿, 王嘉星

2023, 44(1): 485-492. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0831

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随着大量分布式电源投入电网,分压式模块化多电平直流变换器（DC-MMC）得到广泛应用。针对模块化多电平变换器控制系统多输入多输出、强耦合非线性的特点,推导变换器拓扑数学模型,建立此类拓扑的电流和能量模型,提出一种基于反演控制的双闭环解耦控制方法。通过消除系统之间的耦合,采用模型反演理论对所建解耦模型进行控制,实现桥臂电流保持稳定并交流分量最小化,增强系统的抗扰动能力。在Matlab/Simulink中搭建DC-MMC双闭环模型,分析表明闭环控制模型具有良好的跟踪效果和调控特性,验证了提出的控制策略控制桥臂电流及高低压侧电流的可行性和有效性,为解耦控制的应用提供了参考依据。

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计及火电深度调峰的高比例可再生能源电力系统日前优化调度研究

王佳惠, 牛玉广, 陈玥, 李雄威

2023, 44(1): 493-499. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0868

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针对高比例可再生能源并网,提出含风、光、火、蓄的高比例新能源电力系统多目标日前优化调度模型。该模型考虑在火电机组深度调峰及频繁爬坡等新工况下的火电机组运行成本、污染物惩罚成本以及可再生能源弃电成本,以系统运行成本最低、风光出力最大以及净负荷波动最小为优化目标,采用NSGA-Ⅱ算法进行优化求解。通过对某典型日不同调度场景进行仿真计算,结果表明所建立的系统运行总成本计算模型能够兼顾该系统的经济、环保与消纳,所提出的多目标优化调度策略能够促进高比例可再生能源的消纳,缓解火电机组的调峰压力,降低系统运行总成本,指导电力系统火电灵活性改造,保证电力系统安全、稳定、经济运行。

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风-光-火-蓄联合系统两阶段优化调度

罗远翔, 王宇航, 刘铖, 范立东

2023, 44(1): 500-508. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0945

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由于间歇性能源出力具有不确定性,该文利用抽水蓄能容量大、响应速度快的优势,建立风-光-火-蓄两阶段动态调度模型。长时间尺度以总成本最低为目标,综合考量系统运行成本、SO₂、NO_X、PM排放量、弃风弃光量惩罚,来优化可控电源出力。短时间尺度以长时间尺度为基准,基于模型预测控制原理滚动求解出力增量,使抽蓄机组有功出力偏差最小,以增强调度的平滑性。最后根据东北某地区抽蓄机组实际数据及改进的IEEE-30节点系统仿真验证了该文所提模型的有效性,以此来降低系统的污染物排放水平,提升系统对风电、光伏的消纳能力。

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考虑碳自然循环的离网型风/光-火联合供能系统容量优化配置

冉亮, 费斯奇, 袁铁江, 吕清泉, 李国锋

2023, 44(1): 509-515. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0958

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针对合理规划离网型风/光-火联合供能系统使其达到碳中和要求的问题,首先考虑风光出力不确定性对新能源为主的离网型供能系统可靠性的影响,提出离网型风/光-火联合供能系统的基本结构;其次,基于自然界可消纳CO₂上限与世界能源需求总量之间的关系,建立供能系统的碳自然循环模型;以系统年总费用值最小为目标,建立供能系统容量优化配置数学模型,并采用粒子群算法求解。基于某实际离网型联合供能系统算例分析表明：所述容量优化配置方法在以较低成本保证供能可靠性的同时,可实现离网型风/光-火联合供能系统CO₂的“净零排放”。

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考虑动态频率响应的风光水互补发电短期优化调度模型

张秋艳, 谢俊, 潘学萍, 刘明涛, 肖宇泽, 冯丽娜

2023, 44(1): 516-524. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0970

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针对风光并网会降低系统惯量、削弱系统调频能力的问题,综合考虑水电机组同步惯量、风电场和光伏电站的虚拟惯量和下垂控制作用,提出含风光水的多机系统动态频率响应模型,推导系统频率变化率约束、最低点频率偏差约束和准稳态频率偏差约束。基于此,为实现清洁能源利用最大化,以弃风、弃光、弃水最小及水库调度期末蓄能最大为目标,兼顾梯级水电、风电、光伏和发电系统的多种运行约束,构建风光水互补发电系统短期优化调度模型,并使用混合整数线性规划方法进行求解。最后通过算例仿真验证所提模型的有效性和适用性。

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含分布式电源的配电网动态无功补偿优化策略研究

陈倩, 王维庆, 王海云, 武家辉

2023, 44(1): 525-535. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0974

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兼顾分布式电源（DG）出力和负荷动态变化提出一种基于需求侧响应的配电网动态无功优化策略。该策略采用灰色关联度映射方法划分时段,在同一时段内协同优化不同类型变量,然后固定多个时段内并联电容器组（SCB）和有载调压变压器（OLTC）的状态,进行二次静态无功优化校正。针对模型特征,对不同类型变量采用混合协同进化算法进行求解,并提出基于Tent混沌映射和Levy飞行策略的改进麻雀算法提高协同求解效率。仿真结果表明：计及新能源出力变化和需求侧响应的所提策略能在降低求解规模的同时获取较高满意度的无功优化结果,且该混合协同进化算法在求解混合整数的非凸、非线性优化问题上具有一定优势。

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办公建筑遮阳产品综合性能模拟与评价

温彩凤, 彭晋卿, 谭羽桐, 薛鹏, 罗伊默, 吴雨朋

2023, 44(1): 536-542. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0955

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该文旨在探究卷帘对夏热冬冷地区办公建筑采光和能耗的综合影响并确定影响卷帘综合性能的关键参数。首先,选取影响卷帘性能的6个参数：太阳辐射透过率、太阳辐射反射率、红外透射率、外侧发射率、内侧发射率和导热系数;组合得到560种遮阳产品,并利用EnergyPlus软件和Radiance软件对其进行全年动态能耗模拟和全年采光模拟;其次,通过调查问卷获得考虑办公建筑人员行为的遮阳时间表以及室内人员对眩光、自然采光和能耗的关注度占比;最后,综合考虑能耗、眩光和自然采光,创新性地提出综合性能指标（ED）对卷帘进行综合评价。基于该指标,确定影响卷帘性能的关键参数。研究结果表明,在夏热冬冷地区,太阳辐射透过率和太阳辐射反射率是影响卷帘综合性能的关键参数,当太阳辐射透过率在0.01~0.10范围内变化时,其对卷帘综合性能有积极影响。

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空气源热泵热水器在寒冷地区冬季的能效分析

张志刚, 刘莹, 姚万祥

2023, 44(1): 543-550. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0981

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对一台家用空气源热泵热水器进行冬季性能测试,研究室外空气温度、水箱温度不同时机组性能变化。基于测试数据分析影响机组性能的敏感因素,依据所得天津地区实测数据分析其冬季平均能效。结果表明：COP最低为1.30,具有节能效果;保证用水舒适度及机组运行稳定的情况下,45 ℃为水箱最佳设定温度;室外空气温度偏移较水箱平均温度偏移对系统性能更敏感;测试工况下热泵机组单独工作和启动电辅加热时全冬季的平均能效相差甚微,若用户设定机组在日最高温度时段开启加热,能获得更好的节能效果。

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