太阳能学报

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刘西安, 陈海, 冯荣杰, 黄韬, 何石泉, 唐兰

2023, 44(11): 1-8. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1136

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基于可持续供热空气源热泵热气旁通除霜技术,该文提出一种分段除霜持续供热空气源热泵系统,并在焓差实验室中对其进行性能研究。结果表明,环境温度或相对湿度降低,或冷凝温度升高均会使得分段除霜系统平均制热功率降低。分段除霜过程中的压缩机吸气压强变化幅度比逆循环除霜小698.5 kPa、排气压强变化幅度比逆循环除霜小238.9 kPa。自上而下的除霜顺序每段除霜用时依次增加,而自下而上的除霜顺序每段除霜用时基本相同,且自下而上的除霜顺序比自上而下的除霜顺序总除霜时间减少55 s,但会对“二次结霜”造成影响。与传统逆循环除霜系统相比,该分段除霜系统具有除霜时间短且可持续供热、COP高、对系统冲击较小等优点。但除霜期间由于阀门的切换,会引起系统局部压力波动和能量损失,有待进一步优化。

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基于管网阻力辨识的太阳能-空气源热泵区域供热系统运行调控研究

王晶, 侯宏娟, 张辉, 孙莉

2023, 44(11): 9-15. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1064

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建立太阳能-空气源热泵区域供热系统模型,并利用遗传算法进行阻力辨识,进而对管网变流量运行调控进行研究,以降低供热系统热耗与水泵电耗。以包含4个热力站的某区域供暖系统为例,开展管网变工况运行调控研究。结果表明,当系统内某热力站负荷突变,如由168.62 kW减小到5.85 kW时,基于阻力辨识结果,通过管网变流量运行调控能够充分挖掘系统的节能潜力：相比常规调节方法该系统泵功率可由13.94 kW下降到10.46 kW,节能率达11.83%。

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用于晶硅异质结太阳电池的透明导电薄膜研究进展

王梦笑, 王光红, 赵雷, 莫丽玢, 刁宏伟, 王文静

2023, 44(11): 16-22. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1088

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提升晶硅异质结（HJT）太阳电池的电流有望进一步提高电池效率,透明导电氧化物薄膜（TCO）是影响HJT太阳电池电流的重要功能层。该文首先介绍了TCO薄膜的自身特性,包括掺杂元素和掺杂比例、制备技术对薄膜特性的影响。同时总结了薄膜特性对HJT太阳电池性能的影响。最后阐述了TCO薄膜应用的最新进展及发展趋势,增加盖帽层或多层TCO薄膜有望改善薄膜整体特性及电池性能。以期指导TCO薄膜特性的优化,从而进一步提高HJT太阳电池效率,加快HJT太阳电池产业化进程。

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基于改进DeepLabv3+的含噪声热红外图像光伏热斑检测方法

陈辉, 张傲, 孙帅, 梁维斌, 黄和平

2023, 44(11): 23-30. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1048

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光伏组件表面钢化玻璃会导致采集的热红外图像中带有反光噪声, 其与热斑的特征相似,热斑检测中常出现误检。该文提出一种多尺度融合注意力机制的轻量化DeepLabv3+语义分割模型LD-MA（lightweight DeepLabv3+ with multi-scale integrated attention mechanism）用于热斑检测。LD-MA基于DeepLabv3+网络架构,首先引用MobileNetV2作为主干特征提取网络,减小网络参数量以提高训练效率。然后设计多尺度特征融合模块并引入CBAM注意力机制,保留多阶段目标特征且强化对热斑目标特征信息和位置信息的学习。在自建光伏热斑数据集进行热斑检测实验,结果表明LD-MA模型参数量大幅减少,同时有效避免误检和漏检,在测试集中平均交并比（mIoU）和类别平均像素准确率（mPA）分别达到90.82%和94.39%。

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光伏发电系统直流串联故障电弧检测方法研究

唐圣学, 王彦丰, 乔乃珍

2023, 44(11): 31-39. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1131

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根据光伏阵列不同阴影下的伏安（U-I）输出特性,分析光伏发电系统直流串联故障电弧产生机理,通过搭建故障电弧实验平台分析直流故障电弧的信号特性,进而提出一种基于Volterra级数的串联直流故障电弧检测方法。该方法先对电流信号进行相空间重构,然后在重构的相空间内建立Volterra级数模型以提取时域核特征,并采用狮群算法（LSO）优化的核限学习机（KELM）辨识故障电弧。实验结果表明：该方法能准确检测光伏阵列正常运行与阴影状态下的强直流故障电弧,还能检测微弱直流电弧。

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基于MEEMD-QUATRE-BILSTM的短期光伏出力区间预测

张程, 林谷青, 匡宇

2023, 44(11): 40-54. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1067

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提出一种基于改进集成经验模态分解（MEEMD）和拟仿射变换（QUATRE）优化双向长短期记忆神经网络（BILSTM）的光伏出力区间预测模型。通过主成分分析法（PCA）对时间序列进行降维处理,利用K-均值算法将降维数据分成3种类型气象数据;然后采用MEEMD对每类光伏出力序列进行分解,将其输入QUATRE优化BILSTM神经网络和核密度估计算法（KDE）联合构建的短期光伏出力区间预测模型。最后基于宁夏光伏电站实例仿真评估模型区间预测性能,实验结果表明该模型可生成高水平光伏预测区间,能够为电力系统经济稳定运行提供可靠的决策保障。

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基于APDE算法的配电网分布式电源承载力评估

李练兵, 张凯宁, 曾四鸣, 梁纪峰

2023, 44(11): 55-63. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1075

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针对分布式电源接入配电网装机容量问题,提出一种基于自适应扰动差分进化算法（APDE）的配电网分布式电源最大承载能力评估方法。首先建立包含有载调压变压器及静止无功补偿器的配电网模型,并优化系统潮流与注入功率的关系表达式,通过考虑分布式电源及负荷的不确定性,建立基于机会约束规划下的源荷不确定性配电网分布式电源最大承载力评估模型;然后对差分进化算法进行改进,形成APDE算法以求解模型;最后基于IEEE-33节点配电系统对所建配电网模型进行分析,验证其满足电力系统分析需求,并进一步对所提配电网分布式电源承载力评估方法进行分析,通过与相关算法比较,证明了所建模型的可行性和改进方法的有效性。

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基于EEMD-ALOCO-SVM模型的光伏功率短期区间预测

吴汉斌, 时珉, 郑焕坤, 张纪欣, 张华铭

2023, 44(11): 64-71. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1096

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光伏发电功率的预测方法目前分为点值预测和区间预测两类,但点值预测方法难以适应光伏功率的随机性和波动性,因此,该文构建一种基于集合经验模态分解（EEMD）和混沌蚁狮算法（ALOCO）的支持向量机（SVM）光伏功率区间短期预测模型。首先,通过灰色关联度筛选出不同环境条件的相似日样本集,并利用EEMD将光伏出力序列分解成不同的本征模态函数;然后,利用混沌蚁狮算法对SVM的误差惩罚因子C和核函数参数γ进行优化,并利用分位数回归法对光伏的输出功率进行短期区间预测;最后,通过算例数据验证所建立模型的有效性。

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局部阴影下光伏电站参与一次调频的控制策略

杨黎晖, 王少康, 史金柱, 杨浩

2023, 44(11): 72-81. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1102

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针对采用光伏虚拟同步发电机（PV-VSG）控制策略的光伏电站参与电网一次调频的问题,考虑光伏阵列受局部阴影遮挡的情况,提出一种基于自适应虚拟惯量的有功备用式PV-VSG控制策略,采用粒子群优化算法实现局部阴影条件下光伏阵列的最大功率点跟踪和减载备用运行,并根据电网频率变化过程中不同阶段的特性,自适应调节虚拟惯量参数以减小频率超调量并加快频率的恢复速度。此外,为了使调频模式下光伏电站内各PV-VSG的有功功率合理分配,采用一种基于等可调容量比的有功分配策略,使站内各光伏机组具有相同的调频功率裕度,避免部分光伏机组的过度调节。最后,以10 MW光伏电站参与电网一次调频为例进行仿真分析,验证了所提控制策略的有效性。

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基于改进Unet的分布式光伏建筑物高精度分割方法

徐孝彬, 张好杰, 白建波, 裴融浩, 胡家宇, 谭治英

2023, 44(11): 82-90. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1155

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针对屋顶光伏资源评估中难以准确高效地获取建筑物屋顶区域的问题,该文提出一种基于Unet的FPN_AttentionUnet语义分割网络,用于实现建筑物屋顶的高精度自动提取。该网络融合Soft-Attention注意力机制和双层特征金字塔FPN以提取准确的语义信息,精细化分割结果。Soft-Attention注意力机制用于处理和连接编码部分与解码部分的特征图;双层特征金字塔FPN融合解码部分不同尺度的特征图来获取不同尺度的特征信息。采用无人机获取苏州某区域上空的建筑物数据集和武汉大学WHU公开数据集分别进行训练,训练结果表明：与Unet、AttentionUnet、FPNUnet网络相比,该文提出的FPN_AttentionUnet在建筑物外轮廓提取中具有更高的精度,有效提高边缘提取效果。在自制数据集中类别像素准确率CPA达95.56%,平均交并比MIoU达91.10%,在WHU公开数据集中分割效果同样优于其他对比网络,所提算法能够有效提升建筑物外轮廓边缘的分割精度。最后以河海大学常州校区为例,利用提出的算法从无人机图像中分割建筑物,评估指定区域的光伏发电量与光伏组件安装潜力。

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模块化串联分布式光伏低压直流并网的效率优化控制策略

吴泽志, 王朝亮, 张晶, 陈宋宋, 陈珂

2023, 44(11): 91-99. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1134

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为解决分布式光伏在局部阴影下输出功率下降的缺点,提出一种改进型模块化串联分布式光伏低压直流并网系统效率优化策略。重点分析基于分布式最大功率跟踪串联输出光伏系统的输出特性,表明系统在一定电压范围内都能输出最大功率,然后通过理论分析对比电压在指定范围内波动和电压均衡两种情况下的系统传输效率。最后在Matlab/Simulink环境中搭建系统级仿真模型,结果表明提出的效率优化控制策略能够在不增加系统硬件成本的基础上有效减少传输功率损耗,增加系统的发电效率。

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用于直流送出型光伏电站功率波动平抑的级联式电池储能系统变换器损耗优化

宋晋峰, 陈国栋, 祝志成

2023, 44(11): 100-109. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1175

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高频隔离型双向直流变换器是级联电池储能系统的关键部件,应当满足宽电压增益范围、高工作效率的要求。在级联电池储能系统中,针对双有源桥（dual active bridge,DAB）变换器在宽增益范围下由于回流功率及开关时刻大电流导致效率降低的问题,在三移相（TPS）调制策略的基础上,提出一种以总损耗为优化目标,基于内点法的优化调制策略。构建了DAB在不同增益下统一的损耗模型,在保证开关管软开通（ZVS）的基础上,根据不同的电池输出电压（OCV）,利用内点法得到移相角的最优值。分析电感值与开关频率对整个电压增益范围平均效率的影响,为电路参数设计提供参考。同时,构建5 kW小功率实验平台,验证了优化调制策略的有效性。

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非反向Buck-Boost变换器的三段式ZVS控制策略

贾磊磊, 孙孝峰, 潘尧, 张敏, 李昕

2023, 44(11): 110-119. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1177

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目前文献中的四边形控制方法及其改进方案,能实现非反向Buck-Boost变换器各开关管的ZVS,但存在如下问题：需使用多维查找表或外部存储设备而无在线检测实时计算的闭环、较大的通态损耗和多模式切换引起的输出电压波动等。该文针对上述3个问题提出一种三段式变频ZVS控制策略。首先,去除四边形控制中电感电流的环流续流环节,以减小电感电流有效值并提高效率。其次,在不添加任何额外有源或无源器件的条件眄,将整个宽输入电压范围分成3个模式,分析每个模式的特点,以增加控制条件和简化计算过程,同时实现各模式的在线实时恒压闭环和通态损耗最小ZVS而无需使用多维查找表和线性插值,整体控制简单易实现。然后,提出基于三段式ZVS控制的多模式平滑切换控制策略,可保证在模式切换时各开关管占空比跳变前后,闭环输出始终保持稳定。最后,本文给出了各模式区间划分的理论依据,并搭建500 W实验样机验证了所提方案的有效性。

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基于ArcGIS与多因子模型的光伏电站选址评估

王海金, 唐若笠, 周雨诗, 张彦

2023, 44(11): 120-130. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1194

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该文基于中国光伏资源的时空分布,研究并提出一种基于ArcGIS与多因子评价的光伏电站选址及发电潜力预测模型。利用ArcGIS软件与层次分析法,综合考虑多种影响大型光伏电站建设的因素,对不同地势和土地类型赋予不同的光伏利用系数,得到大型光伏电站建设适宜度、光伏潜力与光伏电站选址的多因子评价模型。基于该模型得出中国光伏发电潜力并给出光伏电站选址建议。评估结果表明,全国年光伏总发电量约为570.07×10⁶ kWh,其中新疆为年光伏总发电量最高的省份。中国较为适宜建设光伏电站的地区主要为西北部地区,其中适宜区面积为1.08×10⁶km²,最适宜区面积为2.10×10⁵ km²,研究可结果将为中国光伏产业长期的规划与建设提供可靠的理论依据。

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山区峡谷地形下柔性支撑光伏阵列的风振特性研究

郭涛, 杨渊茗, 黄国强, 张晋铭

2023, 44(11): 131-140. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1198

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为准确考察柔性支撑光伏阵列的整体抗风性能,该文以某光伏发电项目为研究对象,建立“系泊-光伏组件阵列结构”整体模型,基于Davenport风谱,采用AR自回归技术模拟脉动风荷载进行风振响应和流场分析。结果表明：1）迎风面边缘体型系数最大,沿风向呈递减趋势,具有明显梯度。因此,光伏组件表面风荷载分布是非均匀性的,这是光伏组件在风场作用下产生扭摆振动的主要原因。2）阵列外围光伏组件受风场作用的影响最大,为危险区,设计阶段应给予足够重视。3）此光伏阵列风振响应最大幅值约为8.0 cm,与实际工程情况符合;板体之间相互碰撞、发生隐裂的概率较低,柔性承托结构可在部分地形劣态地区作为刚性支撑结构的替代。4）柔性支撑下光伏组件之间纵横向连接紧密,结构刚度分布均匀,风致响应趋势相同,各光伏组件风振响应均以低频振动为主,风振系数为1.7。5）地锚拖曳结构对光伏组件位移有显著约束作用,因此,地锚数量、位置的分布调整可作为柔性支撑下光伏组件阵列的结构优化首选条件。

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基于CNT/Ag纳米流体的分光谱太阳能光伏光热系统实验研究

夏小康, 曹旭慧, 余本东

2023, 44(11): 141-146. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1214

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传统太阳能光伏光热（PV/T）系统的光电转换和光热转换过程耦合在一起,对太阳能全光谱能量的利用率较低,为使得光电、光热过程解耦,该文探究Ag、CNT、CNT/Ag纳米流体作为分光谱PV/T系统媒介时的光谱及能量性能。首先对不同浓度纳米流体的光谱性能进行测试,然后通过实验研究不同浓度的CNT/Ag纳米流体对系统电效率和热效率的影响。结果发现相比于Ag纳米流体,浓度为1×10⁶、3×10⁶、5×10⁶、1×10⁷ μg/m³的CNT/Ag纳米流体在太阳电池光谱响应区的透过率分别上升了8.6%、9.3%、8.5%、9.2%,响应区外波段的吸收率增加了30.4%、44.5%、58.4%、56.7%。系统电效率最高为8.2%、热效率最高为45%,当CNT/Ag纳米流体浓度为5×10⁶ μg/m³时,分光谱容器效率最高为18.3%时热效率达到了43%,电效率为7%。

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太阳纳米光子蒸馏膜的性能特性分析

岳晨, 曹友坤, 彭有德

2023, 44(11): 147-154. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0590

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为有效改善蒸馏膜（MD）的高能耗问题,提出一种低能耗的太阳纳米光子蒸馏膜（NESMD）组件,对其热力学性能开展研究,并分析关键操作参数对其热力学特性的影响规律。研究结果表明,温度极化是导致MD技术高能耗的主要内因,NESMD组件采用面加热方式进行料液加热,不存在温度极化现象,因此具有显著的节能优势。在相同进料温度和进料速度下,NESMD组件相较于MD组件,温度极化系数和热效率均有显著提升,NESMD组件热效率受潜热影响最大,可采取低进料速度和高进料温度来提高热效率;当将聚乙烯醇（PVA）涂层作为功率输入段时,NESMD和MD组件均存在最佳输入段长度使得热效率最大;NESMD组件相较于MD组件具有更好的拓展性和更长的活性长度。上述性能规律为进一步优化结构提供了科学依据。

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基于主从博弈理论的热电联供型太阳能热发电站冬季优化运行研究

张晓英, 陈宝奇, 马志程, 周强

2023, 44(11): 155-165. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0936

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针对西北地区冬季的风光资源情况以及供热需求,考虑太阳能热发电站的热电联供功能以及共享储能的发展,提出一种基于主从博弈理论的电-热综合能源系统优化运行方法。首先,介绍电-热综合能源系统的构成;其次,建立热电联供型太阳能热发电站、共享储能以及用户的模型;再次,搭建能源运营商和用户聚合商之间的主从博弈模型;最后,根据西北某光热新能源基地冬季实测数据进行算例仿真,通过Gurobi学术版与启发式算法相结合的方法优化系统运行。结果表明：所建模型不仅能实现能源运营商和用户聚合商双方均获得收益,且可为碳中和背景下供热需求的解决提供新的方案。

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真空管直膨式太阳能热泵系统性能分析

于晓慧, 王甜, 高志

2023, 44(11): 166-173. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1125

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该文将真空管集热器与直膨式太阳能热泵结合,提出一种真空管直膨式太阳能热泵系统。实验研究典型工况下太阳辐照度、循环水温度对系统性能的影响,并探讨压缩机变频条件下系统的动态性能。结果表明,提高太阳辐照度、降低循环水温度有利于提高系统性能,在太阳辐照度为850 W/m²,循环水温度为55 ℃时系统取得最大COP,为5.36。压缩机频率为42 Hz的系统COP为4.08,较45、47、50 Hz分别提高1.23%、8.5%、13.6%。

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平板太阳能集热器冬季运行策略优选实验与集热性能对比研究

方浩, 马进伟, 陈茜茜, 陈海飞, 罗成龙, 杜涛

2023, 44(11): 174-181. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1152

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为进一步改善平板太阳能集热器（FPSC）冬季水温提升能力的不足,通过搭建的实验平台对FPSC冬季运行策略展开多项实验,分析不同运行模式所对应的集热性能以及适用条件,为平板集热器更高效利用提供参考方案。研究发现：单块FPSC高流速运行的集热效率可达63.74%,各项热性能指标参数优异,但水箱温度偏低;串联、并联系统的水温提升能力较单块模式显著增强,全天温升超过30 ℃,㶲效率达到5.15%。其中,并联系统的热效率、对流换热系数、热损失系数分别为51.52%、41.95 W/（m²·K）、4.74 W/（m²·K）,明显优于串联系统的45.33%、38.74 W/（m²·K）、4.81 W/（m²·K）,集热性能更佳;系统冬季低流速运行将出现断流现象,同时水箱内部温度分层明显;高流速运行工况下,降低水箱容积将缩短有效集热时间,无法充分吸收太阳辐照能;增大水箱容积虽能减少集热损失,但系统温升下降造成热能品质降低。

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基于EMD-TCN的多能供热系统太阳辐照度预测模型

闫文杰, 徐志杰, 薛桂香, 宋建材, 杜欣瑜

2023, 44(11): 182-188. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1074

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针对太阳辐照度的非平稳性和非线性影响多能供热系统运行效率和可靠性问题,该文提出一种基于经验模态分解（EMD）和时间卷积网络（TCN）的太阳辐照度混合预测模型EMD-TCN,更精准地从气象数据中提取太阳辐照度非线性和非平稳的隐含特征,获得更佳的预测精度。该研究利用逐时气象数据对所提出的EMD-TCN模型进行不同时间尺度的太阳辐照度预测实验,并与4种主流深度学习预测算法进行对比分析,结果表明该太阳辐照度预测模型具有更高的预测精度和泛化能力。

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基于DAR-CapsNet的地基云图云分类

魏亮, 朱婷婷, 过奕任, 倪超, 滕广, 李岩

2023, 44(11): 189-195. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1099

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在当前地基云图分类任务中,存在识别准确率低等问题。为了提高云分类的精度,有效融合深度可分离卷积、注意力机制和残差结构的特点,构建DAR-CapsNet地基云图分类模型。首先,收集整理美国国家新能源实验室公开数据库中的地基云图,构建云分类数据库;然后,对所提出的DAR-CapsNet分类模型进行训练优化;最后,在不同数据集上验证所提出的分类模型性能。实验结果表明所提出的DAR-CapsNet分类模型,分类准确率高达95.50%,优于现有公开分类方法,且在不同数据集上具有较好的泛化性能。

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垂直轴风力机三维尾流模型的研究

凌子焱, 赵振宙, 刘一格, 刘惠文, 马远卓, 王丁丁

2023, 44(11): 196-202. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0855

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基于流量守恒,提出一种H型VAWT的三维解析尾流模型,该模型考虑了风切变效应,并采用多元高斯分布。首先,通过风洞试验及大涡模拟数据进行模型验证,结果表明在x/D>3的远尾流区,横向剖面的相对误差小于2%,垂向剖面的相对误差小于3%。然后,从下游4个位置（x/D=3、6、9、12）、3种推力系数（CT=0.6、0.7、0.8）、4种风切变指数（α=0、0.1、0.15、0.2）、两种湍流强度（I0=5%、8.3%）下演示了一系列预测结果,结果显示该文模型能有效地描述尾流风速的空间分布。由于考虑了高度影响,该模型可用于风力机轮毂高度的优化及风电场的布局优化,有利于提高风电场的功率输出。

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预应力锚栓式风力发电塔基础灌浆层的断裂及极限承载力研究

李金威, 陈俊岭, 赵康, 邱旭

2023, 44(11): 203-209. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0944

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预应力锚栓式风力发电塔基础的灌浆层经常出现开裂掉角现象,断面整齐光滑。采用FRANC-2D建立灌浆层部位的线弹性断裂力学模型,分析裂缝发展路径及断裂强度因子的变化情况。模拟结果显示：裂缝由灌浆层和钢板的交界处产生,开始沿着水平方向向外缘发展,随后沿着45°向下开展直至开裂至灌浆层边缘;I型断裂强度因子在裂缝开展过程中先减小后增大再减小,且在裂缝开展至0.2倍总长附近达到局部最小值,此点可用于评估灌浆层的断裂承载力。不同灌浆层厚度和外伸宽度的参数化分析结果显示：厚度增大后,裂缝较易开展;宽度增大后,裂缝较难开展,且宽度影响更大。基于参数化分析及量纲分析,提出灌浆层断裂承载力的计算公式和可供工程参考的设计建议,并结合工程算例的线弹性断裂力学和疲劳断裂分析,验证了公式的有效性和适用性。

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基于模型降阶的双馈风电机组虚拟同步机控制参数优化

王晓东, 付腾, 王晓驰, 刘颖明, 王瀚博

2023, 44(11): 210-216. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0961

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针对虚拟同步机（VSG）控制的双馈风电机组（DFIG）中由模型阶数过高导致的动态性能指标和参数优化求解困难的问题,兼顾稳定性与动态性能,提出一种改进的劳斯赫尔维茨与帕德近似结合的模型降阶方法。首先,建立DFIG-VSG系统的数学模型,基于此提出一种转子电流前馈补偿解耦的双环控制策略;然后,建立DFIG-VSG并网系统的小信号模型,得到对应的高阶闭环传递函数。基于该文提出的模型降阶方法对DFIG-VSG高阶传递函数进行降阶可得到输出有功功率的二阶传递函数,并进一步通过约束动态参数与稳定裕度得出一套控制参数选取范围,在该选取范围内通过根轨迹法分析主要控制参数对DFIG-VSG并网系统的影响。在不同风速工况下,通过Matlab/Simulink仿真验证了所提方法的可行性。

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基于动力学模型和多种群遗传算法的漂浮式风电机组调谐质量阻尼器参数优化

郭海宇, 张英豪, 刘颖明, 王晓东, 朱若男

2023, 44(11): 217-223. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0964

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针对5 MW ITI Barge型漂浮式风电机组,该文利用动力学模型和多种群遗传算法配合寻求机舱中调谐质量阻尼器（TMD）各参数最优解。首先,基于拉格朗日方程建立含TMD的风电机组动力学模型,采用列文伯格-马夸尔特（LM）算法对模型中未知参数辨识;其次,以塔架纵向位移标准差为目标函数,采用多种群遗传算法和动力学模型配合对TMD各参数寻优。最后,按照最优解重新设计TMD参数,分别在5种典型风浪组合载荷工况下,利用FAST全耦合模型验证TMD的减载效果。结果显示：优化参数后的TMD能够有效降低Barge型漂浮式风电机组的关键部位的疲劳载荷。对比无TMD控制时,塔架纵向位移标准差降低约6%~48%;塔根纵向弯矩标准差降低约10%~45%;叶根纵向弯矩标准差降低约11%~33%。

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海上风场短时风速混合威布尔逼近方法

叶星汝, 董树锋, 严秋雨, 赵一凡, 栾富豪, 朱嵘华

2023, 44(11): 224-230. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1043

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海上风场风速分布特性是评估海上风场发电能力的重要因素,海上风场短时风速常呈现多峰特性,需采用混合威布尔分布。针对混合威布尔分布参数多、逼近难度大的问题,提出一种海上风场短时风速混合威布尔逼近方法,该方法以方差最小为优化目标,以矩估计值为参数初始值,以各参数取值范围为约束条件,利用改进后的粒子群算法DAIW-tanh优化参数,提高多峰型风速分布的逼近精度。算例表明：使用该方法对海上风场短时风速分布进行参数逼近,模型简单,计算速度快,不易陷入局部最优,能达到较好的逼近效果。

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基于摄动模态分析的风电叶片动力学特性研究

杨景云, 王文韫, 戴巨川

2023, 44(11): 231-238. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1045

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针对大尺寸叶片运行状态下受旋转软化效应和动力刚化效应耦合作用从而导致其模态特性改变的现象,提出一种基于摄动模态分析的旋转叶片振动分析方法。建立0.89 m和61.5 m两种型号的叶片模型,通过数值模拟分析叶片在0~50 r/min转速范围内这两种效应对叶片频率的影响。基于计算的频率差值Δf的变化规律,研究叶片3种主要振型与这两种效应之间的关联关系。最后,为验证数值模拟的准确性,通过锤击法进行实验模态分析并与数值模拟结果进行比较。实验结果表明,其一、二阶模态频率误差均在1%以内,计算结果较为准确。

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基于IAOA-VMD-LSTM的超短期风电功率预测

肖烈禧, 张玉, 周辉, 赵冠皓

2023, 44(11): 239-246. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1054

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为了对风电功率进行精确预测,提出一种基于改进算术优化算法（IAOA）、变分模态分解（VMD）和长短期记忆网络（LSTM）的超短期风电功率预测模型（IAOA-VMD-LSTM）。利用IAOA对VMD的关键分解参数k和α进行优化,得到的各固有模态函数（IMF）具有周期性,能够提升LSTM的预测精度,同时利用IAOA对LSTM网络参数进行优化。通过对风电功率数据进行预测分析,结果表明IAOA-VMD-LSTM预测模型相比于其他模型的预测精度更高。

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基于多重联合概率与改进加权HMM的风电功率预测方法

师洪涛, 李艺萱, 丁茂生, 高峰, 李希彬, 何竹

2023, 44(11): 247-254. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1055

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为解决传统风电功率预测中气象因素与功率数据结合应用时相互约束性不足且风电功率序列的历史时序信息随时间逐步衰减的问题,提出一种基于多重联合概率与改进加权隐马尔可夫模型（HMM）的风电功率预测方法。首先,提出多重联合概率方法将数值天气预报（NWP）中的气象因素进行逐步联合,并改进HMM中的释放概率,使NWP气象数据与功率时间序列融合以互相约束;然后,采用条件熵改进粗糙集以计算多步预测的合理属性权重,加权运算多步预测值,以获得风电功率预测值;最后,经过风电场实际算例验证,通过将NWP数据与功率数据相互融合、互相约束,可有效地提高风电功率预测精度。

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基于期权合同的风电商日前市场投标偏差风险管理

张致远, 张少华, 王晛, 吴彪

2023, 44(11): 255-262. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1069

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由于风电出力和平衡市场价格的不确定性,风电商在日前市场投标时将面临较大的风险。为此,提出风电商通过看涨期权以控制平衡市场价格风险,从而减小日前市场投标风险的方法。为了研究风电商的期权合同对其日前市场投标行为的影响,建立一个考虑风电商看涨期权合同的日前市场随机均衡模型,其中采用场景削减技术计入风速和平衡市场价格的不确定性。算例分析验证了模型的合理性和有效性,并表明看涨期权合同可降低风电商参与日前市场竞争时收益的波动,减小风电商的投标偏差,且风电商通过合适的看涨期权合同交易可达到效用最大化。

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对旋双风轮风力机载荷特性风洞实验研究

李德顺, 李志渊, 刘磊磊, 李仁年

2023, 44(11): 263-269. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1084

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为阐明对旋双风轮风力机前后风轮之间的载荷影响规律,基于风洞实验,测量对旋双风轮风力机3个正交方向的力和力矩,研究前后风轮间距和叶尖速比对载荷特性的影响规律。研究发现：高叶尖速比时,单风轮偏航力矩存在明显波动,而对旋双风轮风力机偏航力矩减小,且波动减弱;对旋双风轮风力机间距的变化影响前后风轮所承受的载荷占比,后风轮载荷占比随间距的增大而减小,这是由前后风轮之间所产生复杂的流动及湍流结构所致;虽然前后风轮的推力Fx和倾覆力矩My随叶尖速比的增大均有一定减小,但前后风轮的倾覆力矩Mx和偏航力矩Mz的方向相反,表明对旋双风轮风力机的前后风轮具有一定抵消倾覆力矩和偏航力矩的作用。

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双重不确定性预测下风电场超短期有功优化控制

贺敬, 李少林, 蔡玮, 姚琦

2023, 44(11): 270-278. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1101

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针对风电场并网友好性提升问题,提出考虑风速预测不确定性和风电机组有功特性不确定性的风电场发电能力评估方案。对风速超短期预测误差和风电机组在各风速区间的出力特性进行双重不确定性分析并建立概率分布模型,进而利用贝叶斯网络构建风电机组超短期出力的双重不确定性概率预测模型。基于风电场各风电机机组超短期出力概率预测模型,以最大概率跟踪电网调度指令为目标设计场站功率分配策略。算例分析表明,所提考虑双重不确定性的概率预测模型对机风电组有功的概率分布描述更准确,该模型在场站控制中可有效提升电网功率指令的完成水平。

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基于图神经网络的非均匀风电场功率预测方法

刘德澳, 董明刚, 叶威, 王彦, 甘国军

2023, 44(11): 279-286. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1106

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针对现有的非均匀风电场发电功率预测方法准确度不高、可解释性差等问题,提出一种改进的物理引导的图神经网络（IPGNN）模型来预测非均匀风电场的发电功率输出。首先,构建一个基于三维高斯尾流模型的物理信息基函数,可更准确地反映非均匀风电场中风力机之间尾流相互作用的关系;其次,设计一组基于消息传递框架的图神经网络更新策略,该策略在图神经网络边缘更新中结合注意力机制将物理信息基函数作为权重更新函数,可增强模型的可解释性。在不同数量风力机下的非均匀风电场仿真实验表明,相比于基于一维尾流模型的PGNN模型和典型的数据驱动模型,IPGNN模型均可获得较好的预测效果,其中对具有20台风力机的非均匀风电场,发电功率预测平均绝对误差为3.92%,可认为是一种有效的非均匀风电场发电功率预测方法。

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海上风电场单桩基础局部冲刷深度计算方法适应性研究

邱旭, 马文冠, 张宇, 陈新明, 张波, 刘鑫

2023, 44(11): 287-293. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1112

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针对在海上风电中应用最为广泛的单桩基础,基于山东、江苏、浙江等地海上风电场的冲刷实测数据,对海上风电场的冲刷深度分布情况进行讨论。同时,运用Qi & Gao公式、韩海骞公式、王汝凯公式对各风电场的理论冲刷深度进行计算,并分析计算结果与实测数据之间的关系,研究各冲刷计算方法的适应性。结果表明,上述3种计算方法可在一定程度上预测单桩基础的局部冲刷深度。

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基于EMD和TLS-Prony的次同步振荡模态辨识方法及电压反馈抑制策略

刘克天, 胡新宇, 李想, 韩笑

2023, 44(11): 294-302. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1113

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以减小次同步振荡模态辨识中的误差,提升Prony算法的抗噪性,抑制双馈风电机组并网次同步振荡为研究对象,提出一种基于经验模态分解（EMD）和TLS-Prony算法的次同步振荡模态辨识方法及电压反馈抑制策略。首先,使用EMD对振荡信号进行预处理,降低噪声对Prony算法辨识振荡模态的影响;然后,使用TLS-Prony算法进一步抑制噪声干扰,提取振荡特征,辨识振荡模态;最后,直接调整控制参数调制网侧变流器的输出电压,向系统注入等效正电阻,改善系统负阻尼特性,设计以串补电容电压为反馈输入信号的附加阻尼控制器。采用模态计算分析附加阻尼对系统稳定性的影响,基于Matlab/Simulink仿真平台验证所提阻尼抑制策略的有效性。

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水滴高速撞击风力机叶片的SPH-FEM耦合计算

周文平, 杨茂立, 马桂兰

2023, 44(11): 303-309. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1120

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基于SPH-FEM耦合方法,对水滴高速撞击叶片涂层表面后的动态过程及材料冲击响应进行计算。结果表明：水滴撞击后会出现两次接触力峰值,第一次是由水滴被压缩后形成的高压导致的,会在涂层表面形成较高的应力,但造成材料的塑性变形较小;第二次是由水滴内部的高压释放引起的横向扩散导致的,会在涂层表面造成较大的塑性变形,是导致叶片前缘损伤的主要因素;水滴速度的增加或涂层厚度的减小会导致更大的接触力,同时在涂层表面产生更大的塑性变形区域以及塑性应变。

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基于领域自适应的风力机发电机轴承故障诊断方法研究

田淼, 苏晓明, 陈长征, 安文杰, 孙鲜明

2023, 44(11): 310-317. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1137

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针对不同型号的风力机发电机滚动轴承采集的振动信号存在分布差异且待诊断轴承样本标签不足的问题,提出一种基于聚类领域自适应卷积神经网络（CDA-CNN）的风力机发电机滚动轴承故障诊断方法。首先利用一维卷积神经网络提取源域中有标签轴承数据和目标域中无标签轴承数据的特征,其次利用聚类方法减小数据特征的条件分布差异并为目标域数据提供伪标签,随后利用最大均值差异（MMD）对齐两域的边缘分布,最终得到风力机发电机滚动轴承的故障诊断模型。将所提出的CDA-CNN对实际风力机发电机滚动轴承进行故障诊断,诊断结果表明：所提出方法的故障诊断精度高达92.52%,有效解决了可用数据标签不足的问题。试验对比结果表明：CDA-CNN模型的诊断精度和迁移性均优于其他方法,对风力机发电机滚动轴承的故障诊断研究具有一定的工程应用价值。

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基于现场测量的建筑环境风场特征分析力机出力评估

侯亚丽, 栗广浩, 杨宇昕, 李荣阳, 汪建文

2023, 44(11): 318-324. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1162

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采用ZephIR 300激光雷达测风设备对呼和浩特市区某建筑风场进行为期12个月的现场测量,获取11~200 m内共11个高度上的风速、风向及湍流强度值,然后对风场的湍流特性进行分析,并计算6种风力机的年容量系数。结果表明：所有高度上0~3 m/s低风速的出现频率明显增大,出现频率最高的风速在2.0~2.5 m/s,而大于10 m/s风速的出现概率几乎为零,而且传统威布尔概率密度分布不能准确对城市建筑环境内的低风速分布概率做出预测;0°~90°区间内的风向出现频率较高,但风功率密度却相对较低,不能仅以盛行风向为依据选择风力机的安装地点,而需同时考虑不同风向上的风功率密度;为避开强湍流区域,低矮建筑环境内风力机的安装高度应高于建筑平均高度,且应设置为分时段和分风向工作模式;而低额定风速和低切入风速是建筑环境内风力机高容量系数的有效保证,其中低额定风速的影响更大。

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前缘分布式粗糙带对风力机翼型气动性能的影响

凡盛, 詹佳普, 胡杰桦, 梁鹏程, 冯学斌, 戴龙侠

2023, 44(11): 325-330. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1166

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基于翼型粗糙容忍度,采用三维建模方法模拟分布式粗糙元,代替传统粗糙带,并利用3D打印技术打印粗糙前缘模型。通过风洞测试,得到前缘粗糙的18%厚度风力机翼型气动性能数据。测试结果表明,随着雷诺数的增加,翼型的升力系数增加。前缘粗糙会导致翼型的最大升力系数减小,阻力系数上升,最大升阻比减小,失速攻角提前。同时,相同粗糙水平下,相较于前缘凸起,前缘凹坑粗糙方式对风力机翼型气动性能影响较小。

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Spar型漂浮式风力机断缆影响及运动稳定性研究

李东升, 涂靖, 李炜

2023, 44(11): 331-340. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1168

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为探究系泊断裂对漂浮式风力机造成的影响,建立基于Spar平台的漂浮式风力机多刚体动力学模型,研究在正常运行工况以及风浪存在不同夹角工况下系泊断裂对其动力响应的影响,通过考虑漂浮式风力机断缆前后的运动稳定域探讨两种风电场布置的可行性。结果表明：漂浮式风力机的纵荡与横荡运动受系泊断裂的影响较大,且位于荷载方向两侧的系泊相比其他系泊在发生断裂后对风力机运动响应的影响更大;对于风浪夹角工况,30°以下的风浪夹角不会增大系泊断裂给漂浮式风力机带来的不利影响;对于采用共享锚链锚固点的风电场布置而言,星形布置方式存在相邻风力机碰撞的风险,宜采用安全距离较大的六边形布置。

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软黏土中张紧式吸力桶基础循环弱化过程分析

汪明元, 李娜, 程星磊, 陆佳清, 鹿群

2023, 44(11): 341-349. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1178

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采用基于Tresca屈服准则的理想弹塑性模型,结合建议的软土刚度弱化模型,通过编制USDFID子程序,建立描述软土中吸力桶基础循环弱化过程的数值分析方法;针对张紧式吸力桶循环加载模型试验开展三维数值模拟,验证建立的数值方法的合理性,同时分析吸力桶基础的循环弱化承载特性。研究结果表明,该方法能预测吸力桶基础在软黏土中的循环变形和承载能力,描述其荷载-位移曲线的非线性滞回及循环累积特性。增加吸力桶的直径或长度均能一定程度上降低基础刚度的弱化,且在用钢量相同的条件下,相较于增加桶径,增加桶长对循环承载力的提升更为显著。

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全钢型负压筒式海上风电机组基础结构的监测参数预报

徐成根, 江海涛, 孙德成

2023, 44(11): 350-360. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1181

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针对东海海域首个配备监测系统的全钢型负压筒式海上风电机组进行数值模拟研究。首先对海洋环境载荷进行分析,分别建立全钢型负压筒基础模型和主体钢结构模型,采用叠加法计算风电机组的倾角变形;并对不同工况下负压筒和结构的监测量进行数值模拟,最终分析所有测点监测参数的变化范围,从而确定实时监测报警系统参数阈值,并进行报警分析,可为海上风电机组的运维安全提供参考。

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短期风电功率预测误差及出力波动的概率建模

马伟, 谢丽蓉, 马兰, 叶家豪, 卞一帆, 杨永辉

2023, 44(11): 361-366. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1183

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准确刻画短期风电功率预测误差以及区域风电出力波动特征是解决大规模不确定性能源并网运行难题的基础。为准确表征风电出力波动与预测误差及气象误差的关联关系,建立高斯混合分布概率模型及利用其与观测曲线的误差构造云模型,然后建立基于正态云与混合高斯分布耦合的概率分布模型,最后采用多种概率密度分布模型对冀北地区单风电场功率预测误差、集群风电功率预测误差、气象预测误差以及不同功率波动范围的预测误差和与其对应的气象预测误差的关联关系进行统计分析。算例结果表明,所提模型拟合效果最优,从而验证了基于正态云与混合高斯分布耦合的概率模型的有效性。

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海上风电全钢质筒型基础波浪疲劳分析与优化

曾斌, 刘海波, 周德棕, 张宇彤, 丛云龙, 唐志德

2023, 44(11): 367-374. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1211

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疲劳是控制海上风电基础结构安全的主要因素之一,针对海上风电全钢质新型筒型基础结构疲劳问题展开研究,基于随机波浪理论与频谱分析方法,阐述了长期海况分布下结构交变应力服从Rayleigh分布的疲劳损伤累积计算方法;借助全钢质海上风电筒型基础基于前述理论开展了疲劳损伤与寿命计算,获得筒型基础主要的疲劳破坏点集中在斜撑与圆柱体连接的位置,并基于此进行了结构局部优化,结果对比表明关键部位的几何优化可极大降低应力集中程度,减小疲劳累积损伤,同时也验证了疲劳计算结果对热点应力水平具有高敏感性。

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计及几何和工程约束的风电叶片气动与结构特性分析

李建军, 岳文辉, 高国强

2023, 44(11): 375-381. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1595

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为分析气动外形参数小幅度变化对风电叶片气动与结构特性的影响,以某5 MW海上风电叶片为研究对象,构建叶片CFD（计算流体力学）气动模型与复合材料有限元结构模型,考虑某个翼型参数改变引起其所在叶素段曲面形状变化的几何约束,在满足展向光顺性工程约束的前提下,计算不同位置叶素段翼型弦长与扭角的试验水平改变量,设计气动外形参数交互作用下的正交试验方案,采用极差分析和方差分析方法,选取来流风速分别为8.0、11.4、14.0 m/s的3种工况,分析气动外形参数对风电叶片气动扭矩和叶尖挠度的影响。结果表明,气动外形参数3%的试验水平改变量,能影响约6.7%的气动性能改变和约15.0%的结构性能改变;不同位置段气动外形参数主效应不同;不同位置段参数间的交互作用对叶片气动扭矩和叶尖挠度有着不同程度的影响。

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三筒吸力式导管架基础循环承载特性研究

陈立, 张浦阳

2023, 44(11): 382-386. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1963

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为研究长周期循环荷载对多筒导管架基础水平承载力的影响,在砂土地基中开展物理模型试验,考虑循环加载次数、循环幅值比及对称比等因素为变量,对基础在循环加载后的水平单向极限承载力进行分析。结果表明：随着循环荷载幅值比和循环次数的增加,基础周土的致密性得到有效提高,进而增强了水平极限承载力。同时循环荷载对称比的增加会减小基础的水平承载力。说明水平单调承载力受循环荷载极值差的影响,差值越大对于基础周土的致密化效果越好,水平承载力越大。

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偏航工况下漂浮式机组非定常气动特性研究

袁李杰, 孟航, 刘永前, 武广兴, 刘鑫

2023, 44(11): 387-392. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0389

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采用自由涡尾迹法探索漂浮式风电机组在偏航工况下,受平台纵摇影响时功率与气动特性变化规律。研究结果表明：随着偏航角的增加,输出功率以二阶余弦函数下降,推力以一阶余弦函数下降;动态局部轴向诱导因子最小值产生从0°~22°的相移;法向力系数曲线分解所得基频与二倍频分量振幅和偏航角正相关,三倍频分量与偏航无相关性;其中,风轮旋转与纵摇运动耦合导致法向力系数产生相对运动频率更高频的三倍频分量。

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基于C-DWT和FFNN的风电场接地故障诊断方法

张成义, 高兴, 闫立鹏, 王晓东

2023, 44(11): 393-398. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1281

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为及时、准确地检测风电场交流输电线路的接地故障并对其进行分类,同时解决故障电阻、故障起始时刻和故障位置给故障诊断精度带来的影响,提出一种基于Clarke变换、离散小波变换（DWT）和前馈神经网络（FFNN）相结合的风电机组交流输电线路故障检测及分类方法。该方法通过Clarke变换对测量的三相电压信号进行分解生成γ分量、α分量和β分量,采用DWT就3个分量进行高频分量的提取,将5种统计学方法应用于高频分量D₁,生成最终故障特征值。将γ分量的故障特征值和γ分量、α分量和β分量的故障特征值分别与FFNN相结合以实现精准的风电机组接地故障检测和分类。通过1400个故障案例验证该方法可不受故障电阻、故障起始时刻和故障位置的影响,有效对风电场交流输电线路进行故障诊断。

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生物质气化副产有机污染物脱除及防控技术现状

卢岩, 李学琴, 李艳玲, 刘鹏, 祖思雅, 雷廷宙

2023, 44(11): 399-405. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1047

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有机污染物作为生物质热化学转化过程中的主要副产物,严重影响了该技术的应用前景;其中,有机污染物主要包括焦油、硫化物、氮化物等。焦油常温下粘结附于设备和管壁,造成设备堵塞;硫化物、氮化物等气化副产有机污染物对人体健康和生态环境产生严重危害。因此,该文从生物质气化技术入手,结合国内外有机污染物脱除及防控技术,对生物质气化过程中产生的焦油、硫化物、氮化物的来源、危害及处理方法进行了详细分析,展望了有机污染物防控技术的发展方向,以期为生物质气化过程中有机污染物脱除及防控提供可借鉴的经验,进一步促进生物质资源的高值化利用。

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热分析仪中生物质炭氧化特性及面反应动力学分析

闫升太, 李舒琪, 徐攀, 何芳

2023, 44(11): 406-412. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1118

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为明确生物质堆积燃烧或大颗粒炭燃烧动力学特性,应用同步热分析仪对不同生物质炭（玉米秸、稻壳、榆树皮和柏木）在不同横截面积坩埚（0.21、0.42 cm²）中使用不同高度样品量（满坩埚、1/10坩埚）进行实验,分析样品失重速率与反应面积（坩埚横截面积）和样品量的关系。结果表明：失重速率与反应面积成正比,与样品量无关,表明生物质炭的堆积燃烧为面反应;灰分少、氧扩散阻力小的柏木炭的热重数据更能体现动力学特性,其基于面反应的动力学参数指前因子As=40.5 m/s,活化能E=61.5 kJ/mol。

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基于改进雷达图法的海洋能发电装置电能质量综合评价

张原飞, 王项南, 郭毅, 贾宁, 薛彩霞

2023, 44(11): 413-418. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1058

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为了科学准确评价海洋能发电装置电能质量特性,在传统单项指标评价方法的基础上,提出雷达图法的综合评价方法,并从指标的表现形式、赋权方法和等级划分3个方面做出改进,以更加全面、合理、直观地反映海洋能发电装置电能质量的整体情况。以波浪能发电装置现场测试数据为依据,计算分析该装置的电能质量整体情况,所得结果具有唯一性,并与传统雷达图法的评价结果相比较,验证了该方法的实用性和科学性。

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超高功率密度锂离子电池放电性能及容量预估研究

杨斌, 樊立萍, 高迎慧, 王础, 易星, 严萍

2023, 44(11): 419-425. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0931

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研究一种以钛酸锂氧化物（LTO）为负极材料的锂离子电池,对电池在不同倍率下的性能以及温升情况进行研究,并对电池在66C（C为最大容量）的放电倍率下进行连续循环放电测试,通过实验可得：电池在66C状态下达到最大温升,最高温度51.72 ℃,达到最大温差25.65 ℃,其中最大产热率为739.97 W,66C放电倍率下电池放电深度仅为总电量的42%,随着循环次数以及放电倍率的增加,电池的内阻呈逐渐减小的趋势,最小为0.63 mΩ。最后根据电池在高倍率下的循环放电,对卡尔曼滤波算法进行改进,应用扩展卡尔曼滤波算法对电池的容量衰减进行预测,验证了此算法在高倍率放电情况下的适用程度,误差最大控制在0.05以内,达到了良好效果。

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纳米ZnO/三元氯化物熔盐热物性及腐蚀特性实验研究

季畅, 姜文超, 杨薛明

2023, 44(11): 426-433. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1171

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以KCl-CaCl₂-MgCl₂三元氯化物熔盐（m（KCl）∶m（CaCl₂）∶m（MgCl₂）=25∶27∶48）为基盐,添加不同粒径及质量分数的纳米ZnO颗粒制备纳米ZnO/三元氯化物熔盐,对其热物性和腐蚀特性进行测试。差示扫描热仪（DSC）测试结果表明,1.0%、60 nm ZnO/三元氯化物熔盐的比热容相对于基盐提升效果最大,固态比热容提升18.87%,液态比热容提升18.98%;纳米ZnO/三元氯化物熔盐的熔点相对于基盐有所降低,熔化潜热有所提升。通过傅里叶红外光谱仪（FT-IR）、X射线衍射仪（XRD）和扫描电镜（SEM）对纳米ZnO/三元氯化物熔盐的晶体结构和微观形貌进行测试表征。测试基盐和纳米ZnO/三元氯化物熔盐对3种不锈钢的腐蚀特性。

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十八醇/ZIF-8定形复合相变材料制备及其蓄热器模拟

侯俊英, 杨金星, 郝建军, 侯传源, 李建昌, 王雅雅

2023, 44(11): 434-442. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0191

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制备一种新型的定形复合相变材料,以十八醇（OD）为相变芯材,ZIF-8金属有机骨架为载体,制备出质量分数为50%~80% OD/ZIF-8定形复合相变材料。扫描电镜（SEM）结果显示：ZIF-8孔道内的毛细作用力可有效吸附十八醇,其最大负载量可达80%;X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FT-IR）结果显示OD与ZIF-8之间只是物理结合,未发生化学变化;差示扫描热仪（DSC）测试结果表明：质量分数为80%的OD/ZIF-8在60 ℃下循环加热—冷却50次后,熔化焓未显著降低,说明此复合相变材料具有良好的热循环稳定性。另外,根据质量分数为80%的OD/ZIF-8的导热系数为0.2982 W/（m·K）,以质量分数为80% OD/ZIF-8为蓄热介质对蓄热器进行Fluent模拟分析,分别研究新型管束布置方式及添加翅片两种强化传热方式对蓄热器蓄热效果的影响规律。

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基于模型的5 kW SOFC系统操作参数寻优

霍海波, 谢根辉, 徐胜, 张浩, 崔立翔, 许竞翔

2023, 44(11): 443-449. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1059

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为延长固体氧化物燃料电池（SOFC）的寿命、提高系统性能,以5 kW平板式SOFC系统为研究对象,在满足功率需求和温度约束的条件下,探究其通过寻优最佳的操作参数组合以实现最高的系统效率。首先采用模块化建模方法,基于工作机理建立SOFC独立发电系统的模型。其次,基于所建立的系统模型,通过定义4个操作参数,并结合系统的热电约束,形成SOFC系统效率优化问题。针对该优化问题,提出一种结合元启发式优化算法的两级优化方案,即将操作参数按照对SOFC系统的影响分为两级,对第一级操作参数进行离散取值,对第二级操作参数采用麻雀搜索算法进行优化。结果表明,所提优化方案可获得全局最优操作点,使SOFC系统满足功率需求和温度约束条件且系统效率达到最优。

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质子交换膜电解池二维两相流综合模拟研究

舒展宏, 陈蕊, 宋浩, 张恒, 刘艺灏, 詹志刚

2023, 44(11): 450-458. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1083

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建立一个二维、非等温质子交换膜电解池两相流稳态模型,研究不同电压下电解池膜电极组件（MEA）中温度、液态水饱和度、膜态水分布以及温度、液态水饱和度和膜厚对质子交换膜电解池性能的影响,并通过实验验证模型的可靠性。实验结果表明：即使忽略接触电阻,膜润湿性较好,高电压（2.0 V）下欧姆损失占比仍可达到34.7%;随着电压的增大,极化损失的主导部分由活化损失变为欧姆损失,且传质损失占总极化损失的比例最小;当电压较小时,膜水含量是质子交换膜（PEM）电导率的主要影响因素,当电压较大时,温度是PEM电导率的主要影响因素。升高温度、增加液态水饱和度及降低膜厚均能有效提高电解池的性能。

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基于多标准交叉验证的城市加氢站定量风险分析

王海清, 左鸿谔, 郑威, 马佳雯

2023, 44(11): 459-464. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1206

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针对不同领域国家标准中安全距离计算的差异性问题对某典型加氢站配置模型进行定量风险分析（QRA）,计算出加氢站设施与站外防护目标安全距离和个人风险,实现多领域（氢能领域与危险化学品领域）标准交叉验证并通过揭示加氢站氢能标准和危化品标准的适配性差异,为加氢站的设计、建设和风险控制提供多维度参考。

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氢无损储存系统研究与设计

邵雪, 张珊珊, 侯晨雨, 祝世庆

2023, 44(11): 465-474. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0439

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针对氢燃料在动力系统中的应用需求,从氢储存和氢增压输送两个方面,综述氢燃料储存的研究现状,探讨氢储存原理、输送方案、适用装置、各自优缺点以及安全控制手段,比较几种无损安全设计方案。依据氢无损储存系统设计要求而设计的液氢储罐,包括储箱形状设计、绝热结构选择、支撑结构设计、防晃设计、强度设计等,进行较为综合的比较与分析;并利用CFD内嵌模块对储罐的传热和强度进行数值计算,评估其低温绝热结构的保冷效果;根据承受载荷,对低温条件下的储罐载荷进行强度计算,分析应力应变特性;最后,进行实验验证该储罐保证热流密度小于1.4 W/m²的无损储存的设计要求。

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县域场景划分方法与县域能源互联网典型模式研究

吴家福, 杜松怀, 苏娟, 夏越, 周旭, 杜迅

2023, 44(11): 475-484. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1031

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根据能源互联网中能源层、信息层和价值层的逻辑结构,规范县域能源互联网的概念、分析县域主要影响要素、聚类县域典型场景、设计县域能源互联网典型模式,为未来县域能源互联网的规划设计提供理论和方法支撑。首先,根据县域特点将县域分为核心区和非核心区,界定和设计县域能源互联网的技术内涵及总体架构;然后,介绍县域场景划分的方法与技术流程;第三,运用层次分析法对县域要素进行层次构建和权重求解;第四,构造县域场景函数式,建立基于自变量与函数的三维数据集,用轮廓系数分析法确定最优的聚类数目,运用K-均值聚类法得到不同的县域场景;第五,提出县域能源互联网总体规划设计原则、核心区与非核心区设计原则;最后研究设计不同场景下的县域能源互联网典型模式。

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基于虚拟惯量和阻尼参数自适应策略的直流微网电压控制研究

左芸裴, 王德林, 周鑫, 李京华, 胡杰, 陆佳怡

2023, 44(11): 485-494. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1040

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含大功率风光储的直流微电网具有“小惯量、弱阻尼”的典型特性,系统受到扰动后,会导致直流母线电压剧烈波动。为此,该文提出一种改进的虚拟惯量和阻尼参数自适应控制策略。首先,在类虚拟同步发电机控制中加入电压补偿环节,消除了控制带来的电压调节静差;然后,使虚拟惯量和阻尼参数自适应响应直流电压变化,并在虚拟惯量的自适应控制中考虑变换器输出功率限制的影响,在平抑电压波动的同时,兼顾了变换器的长期安全运行。为保证控制参数选取的合理性,该文建立了所提控制策略的小信号分析模型,通过绘制根轨迹图分析其主要参数对系统稳定性的影响。最后,通过仿真算例,验证了该改进控制策略的有效性。

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优化虚拟同步发电机惯量和阻尼的自适应控制策略

杨效, 曾成碧, 苗虹, 赖辉, 吴雪峰

2023, 44(11): 495-504. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1049

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以新能源为主的微电网惯量小、阻尼弱,而虚拟同步发电机（VSG）是增强惯性和阻尼以提高微电网稳定性的有效手段,但同时引入同步机类似的功角振荡问题。该文提出一种优化VSG惯量和阻尼的自适应控制策略,改善小干扰稳定和暂态稳定。首先,建立虚拟同步发电机控制模型,在虚拟惯量控制中引入双曲正弦函数（tanh）优化惯量,通过等面积定则分析,验证优化惯量控制的正确性;在虚拟阻尼中引入灵活切换暂态阻尼和稳态阻尼控制环节,采用根轨迹分析论证优化阻尼方法的有效性。然后,根据频域特性指标,采用主极点法设计控制参数。最后,通过Simulink仿真,验证提出的优化方法对提高小干扰稳定和暂态稳定的有效性。

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基于网络安全稳定约束的新能源消纳能估方法

孟高军, 张峰, 徐晓轶, 张仰飞, 吉宇

2023, 44(11): 505-512. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1053

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多直流馈入和新能源高比例渗透的背景下,考虑新能源出力随机性以及系统网络安全约束,准确评估电网新能源最大消纳能力,对促进新能源消纳具有重要意义。因此,该文提出一种基于网络安全稳定约束的新能源最大消纳能力评估方法。综合考虑发电机组调节特性、多直流调节功率等因素对新能源最大消纳能力的影响,采用概率分布离散模型描述新能源分布的随机性,建立以电网静态电压稳定和发电机出力等约束的新能源消纳能力计算模型,并通过离散概率运算,实现新能源并网多场景状态模拟,求解新能源最大消纳功率的离散分布,进而计算多场景运行的新能源最大消纳容量。最后,利用改进IEEE 39节点系统进行多场景仿真分析,仿真结果表明,所提方法有效反映多场景运行状态下新能源消纳能力。

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含氢储能的公路交通风、光自洽微网系统优度策略研究

师瑞峰, 宁津, 高毓钦, 贾利民

2023, 44(11): 513-521. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1066

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该文构建以服务区微网净收益最大化为目标,以微网系统功率平衡为约束,包括蓄电池与氢能两种储能单元在内的风、光发电服务区微网优化调度模型。采用CPLEX求解器进行求解,并对纯蓄电池、纯氢储能、蓄电池与氢储能混合系统3种不同配置方案下的优化策略进行对比分析。研究结果表明：含氢储能的方案提升了风、光资源利用率的同时增强了系统供电可靠性,验证了该方案下优化调度策略的有效性。

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电热气氢综合能源系统随机优化调度

邓钰龙, 李春燕, 邵常政, 张谦

2023, 44(11): 522-529. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1124

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首先,分析电解槽以及燃料电池等设备工作特点,计及设备的动态能效,建立氢系统设备的精细化模型;其次,建立各种能源间的耦合关系模型,通过电热氢多种储能实现电热气氢系统的能量平衡;最后,计及电热气负荷的波动与可再生能源的不确定性,以日运行成本最小为目标,建立电热气氢综合能源系统随机优化调度模型。算例分析验证了该优化模型能有效消纳风光资源、降低日运行成本、减少环境污染,具有较好的经济性与环保性。

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基于电力CPS联合仿真的主配一体化电网负荷转供方法研究

杨志淳, 沈煜, 杨帆, 张顺道, 戴剑丰

2023, 44(11): 530-537. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1151

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分布式光伏和风电等分布式电源的大量并网、电力信息物理系统（CPS）的快速发展等对电力系统的运行调度带来不可估算的影响,针对紧急状态下提高电力系统供电可靠性的问题,该文提出面向主配一体化电网的负荷转供方法。首先,考虑光伏和风电自身特点建立分布式发电模型;其次,根据负荷重要性对负荷进行分类,并计及通讯延时计算负荷恢复率;然后,以切负荷与网损为目标函数,并考虑网络约束,通过构建遗传算法对目标函数寻优求解;最后,在电力CPS联合仿真平台上进行验证,结果表明所提方法能更接近实际运行工况,具有更好的负荷恢复效果,从而减小社会经济损失。

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考虑绿证-碳联合交易与需求响应综合能源系统经济运行

李亚峰, 王维庆, 寇洋, 朱姝林

2023, 44(11): 538-546. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1153

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“30·60”双碳背景下,将现有绿色证书交易、碳交易和需求响应机制实现联动,更能反映可再生能源低碳属性,实现系统低碳经济性。该文提出考虑绿证-碳联合交易与需求响应综合能源系统经济运行策略。首先,引入绿色证书交易和碳交易机制,通过绿色证书碳减排机理,联动绿色证书交易与碳交易;其次,引入需求响应机制,优化用户用能行为,促进可再生能源消纳,提高绿色证书和碳交易收益;最后,提出以购能成本、绿色证书交易成本、碳交易成本和需求响应补偿成本之和最小为目标的经济运行策略。算例结果证明：在综合能源系统中引入绿色证书交易、碳交易和需求响应机制具有优越的低碳经济性。

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计及碳交易和源-荷侧资源的综合能源系统低碳经济优化

安源, 苏瑞, 郑申印, 杨仁志

2023, 44(11): 547-555. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1156

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“双碳”目标下,综合能源系统多种能源进行融合,对推动电力行业低碳化具有重要意义。为了进一步提高IES的环保性,该文提出一种计及碳交易和源-荷侧资源的综合能源系统低碳经济优化调度模型。首先,从源侧引入光热电站充当热电联产机组;其次,根据负荷侧电能和热能的传输性质不同,分别采用价格型需求响应和考虑供热系统热惯性和模糊性的热负荷需求响应模型;然后,通过引入阶梯式碳交易机制,构建包含P2G装置的碳排放成本模型;最后,以运行成本、碳交易成本、弃风弃光惩罚成本最小为目标函数,建立综合能源系统低碳经济优化模型;通过设置4个场景进行仿真分析,综合考虑CSP电站、综合需求响应和阶梯式碳交易机制后能够使系统外购成本、碳排放量和弃风弃光率分别减少25.65%、14.36%和21.54%,验证了所提模型的有效性。

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一种缩小CCHP系统优化调度解空间的方法

周文操, 张学军, 闫来清

2023, 44(11): 556-564. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1197

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在冷热电联供（CCHP）系统中以生物质作为燃气发电的燃料,建立同时考虑光伏、风电消纳、储能电池寿命、CO₂排放与电网能量交互及各产能设备间不同能量形式的转换关系等因素的CCHP系统多目标日运行调度模型,针对混合热电（FHL）运行模式解空间偏大的问题,提出通过剔除明显不经济、不环保、不可能的运行工况来缩小每时段解空间的方法,提高了计算效率和获得全局最优解的可能性。在此基础上,采用改进权重的变学习因子粒子群算法求出算例系统的调度方案,结果表明,该文所提方法不仅缩短了FHL运行模式的求解时间,还能使该运行模式获得更好的经济和环境收益。

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新能源接入电力系统的宽频振荡风险识别与抑制

程静, 苏乐, 岳雷

2023, 44(11): 565-574. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1434

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电力系统振荡稳定性问题由来已久,随着新能源的高比例、大规模接入,因其不确定性、弱惯性特性及其与传统电力系统的交互作用,将给电力系统振荡问题带来新的挑战。该文提出一种基于模式谐振法的电力系统振荡风险识别与抑制方法,将新能源发电部分和传统电力系统部分作为两个独立的子系统,以其开环状态矩阵特征值判定模式谐振条件满足情况,进一步估算闭环系统特征值及振荡情况;在此基础上,引入参与因子,确定引发各频段振荡的主导因素,优化调节系统参数,改变系统特征值分布,破除振荡条件,从而抑制振荡;建立系统模型,并在Matlab软件平台进行算例仿真分析与验证。结果表明：该方法能有效识别系统宽频振荡,并准确识别振荡诱因,有效抑制振荡,提高系统阻尼,提升系统稳定性。

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