太阳能学报

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罗西, 赵天亮, 刘艳峰, 杨燕子

2023, 44(12): 1-8. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1347

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该文以太阳能资源丰富的陕北典型农村为例开展调研,在家庭分组的基础上利用蒙特卡洛聚合生成社区可平移负荷曲线,并提出时间、能耗、随机度的三维指标进行可平移负荷综合评价分析。研究结果表明,农村炊事用电负荷体量较大但可平移潜力有限,洗衣用电负荷可平移性较好但体量较小。生活热水负荷的各项可平移指标较为均衡,在水箱蓄热特性加持下,可平移潜力尤为突出。

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双面光伏垂直遮阳系统综合能效与参数优化研究

杨芝蕊, 彭晋卿, 王蒙, 周浩, 宋佳明, 刘洪

2023, 44(12): 9-16. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1412

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该文对双面光伏垂直遮阳系统的综合能效进行实验与理论研究。首先,提出一种基于EnergyPlus的双面光伏垂直遮阳发电模型,并通过实验验证模型准确性,再结合空调和照明能耗模型,建立双面光伏垂直遮阳系统综合能效模型;然后,基于验证过的模型,采用净能源消耗（Q_NEC）、自消耗率（SCR）和自满足率（SSR） 3个评价指标,分析气候条件、悬伸宽度以及安装倾斜角对系统综合能效的影响。结果表明,净能源消耗随着倾斜角的增大而减小,节能率最大可达71.25%。自满足率的变化趋势与光伏发电量基本一致,自消耗率的变化趋势与净能源消耗有较高的一致性。

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围护结构动态热响应机理及应用

刘大龙, 郜起航, 赵佳, 马岚

2023, 44(12): 17-23. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1574

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动态性是围护结构传热的本质属性,动态热响应机理是其动态运行规律的体现。围护结构在夏季的动态性比在冬季表现更为典型,因此该文开展隔热建筑的围护结构动态性机理及应用研究。通过研究围护结构的动态热响应机理提出围护结构最大防热量G_max,该指标兼顾多种工况下围护结构热性能的评价。以夏热冬冷地区的重庆为例进行模拟分析。研究发现：G_max <60 W/m²时,提升墙体最大防热量可有效提升其动态热响应性能;G_max在60~90 W/m²之间时,提升墙体最大防热量可较少提升其动态热响应性能;G_max >90 W/m²时,提升墙体最大防热量反而会降低其动态热响应性能。

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新型一体化通风光伏屋顶结构优化和节能潜力研究

彭晋卿, 张强志, 周聪, 张松, 张凤军, 罗伊默

2023, 44(12): 24-32. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1334

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该文提出一种新型一体化通风光伏屋顶。为优化该屋顶结构,建立该光伏屋顶的CFD模型,并通过实验验证模型的准确性。基于该CFD模型,探究散热通道高度H和组件间距D对光伏屋顶温度分布的影响。结果表明,增加H和D强化了光伏屋顶散热,有效提高了组件发电效率。综合考虑散热效果和结构可靠性等因素,该光伏屋顶的优化结构参数为H=50mm,D=100mm。进一步采用EnergyPlus模拟该光伏屋顶的传热特性和光伏产能特性。结果表明,在西安地区,与普通屋顶相比,新型光伏屋顶夏季得热量和冬季热损失分别降低了48.0%和27.1%,全年建筑节能潜力高达198.0 kWh/m²。

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围护结构太阳辐射吸收系数对太阳能采暖建筑外墙热性能的影响

桑国臣, 程芳玥, 刘瑶, 龙凯晨, 崔晓玲

2023, 44(12): 33-40. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1235

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利用墙体热工系统理论,依据墙体传热的室外边界条件具有地区差异和表面特性差异的特点,选取拉萨、银川和西安作为代表性地区,通过以附加热阻百分率和附加热惰性指标为外墙表面热工参数的等效计算方法,讨论冬季采暖条件下改变太阳辐射吸收系数对南墙节能量和内壁面温度的变化规律。结果表明：增大南墙的太阳辐射吸收系数可有效增大节能量,但会小幅降低内壁面温度的稳定性,这种影响在太阳辐照度最高的拉萨地区最为显著,其次为银川和西安,且随着墙体传热阻和热惰性指标的增大,节能量和内壁面波动幅度对太阳辐射吸收系数的敏感性变小。

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晶体硅和钙钛矿光伏组件碳足迹研究

庄园, 温金城, 卞与良, 茅笑笑, 李马杰, 叶晓军

2023, 44(12): 41-46. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1408

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全球的光伏技术及其市场在清洁能源运用的不断增进下呈现快速发展趋势。为评估光伏组件在生产和制造环节对环境的影响,利用GaBi软件以及生命周期评估（LCA）的方法进行研究和评估,主要评估对象包含晶体硅光伏组件,这些组件采用不同电池,包括发射极背钝化（PERC）太阳电池、隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）太阳电池和异质结（HJT）太阳电池,以及新型钙钛矿太阳电池（PSCs）。计算发现现有4种光伏组件的典型碳足迹分别为469.25、474.24、427.98和500.55 kg CO₂/kW。对于晶体硅太阳电池,硅片生产所引起的碳足迹份额最大,占比达到50%以上。对于钙钛矿太阳电池,其光伏组件由于现阶段产业化效率较低,碳足迹较大。

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局部阴影下光伏阵列的最大功率点跟踪算法研究

解宝, 李萍宇, 苏绎仁, 苏建徽, 刘甜甜

2023, 44(12): 47-52. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1363

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针对局部阴影下光伏阵列输出功率的多峰值问题,传统的MPPT跟踪算法不能准确跟踪系统的最大功率点,为此,该文研究了3种基于人工智能算法的光伏阵列MPPT算法,包括粒子群算法、灰狼算法和改进人工蜂群算法。该文详细介绍了3种人工智能算法的原理及算法流程,并在Matlab/Simulink中搭建系统的仿真模型,对比3种算法在静态阴影遮挡和阴影突变情况下的MPPT跟踪性能,结果表明：3种人工智能算法均能有效跟踪光伏阵列的最大功率点,跟踪误差均小于0.5%,其中粒子群算法跟踪精度最高,收敛速度最慢,而灰狼算法跟踪精度最低,收敛速度最快,在收敛稳定性方面,相较于灰狼算法和改进人工蜂群算法,粒子群算法更易陷入局部最优。

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计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相载荷不平衡多目标优化方法

邵晨旭, 汤奕

2023, 44(12): 53-64. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1216

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针对含分布式光伏中低压配电网的三相载荷不平衡问题,提出一种计及电压越限风险的含分布式光伏配电网三相载荷不平衡多目标优化方法。以三相不平衡度综合指标、电压越限指标和优化动作复杂度指标为最小化优化目标,构建面向分布式光伏和用户的三相载荷不平衡多目标优化模型。提出日前-日内两阶段优化算法,通过将多目标问题转化为单目标问题求解得到的最优解作为先验知识的方式,对NSGA-Ⅱ算法初始种群的选取方法进行改进,然后采用改进的NSGA-Ⅱ算法对多目标问题进行全局寻优。最后仿真分析,验证了该文所提优化方法能显著改善中低压配电网的三相载荷不平衡问题,同时能有效抑制分布式光伏带来的系统电压越限风险。

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基于HPO-VMD和MISMA-DHKELM的短期光伏功率组合预测

王超, 蔺红, 庞晓虹

2023, 44(12): 65-73. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1225

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为提高光伏发电功率的预测精度,提出一种优化变分态分解（VMD）、多策略改进黏菌优化算法（ MISMA）和深度混合核极限学习机（DHKELM）的短期光伏功率组合预测方法。首先,利用VMD分解技术将不同天气类型的功率数据分解成多个模态分量,为避免模态分量间的频率混淆,使用狩猎者（HPO）算法优化VMD的关键参数-分解层数和惩罚因子;然后,针对不同天气类型分解的各分量建立DHKELM 预测模型,并采用 MISMA 优化 DHKELM 模型的超参数;最后,将各模态分量预测结果求和重构作为最终预测结果。利用新疆某光伏电站的实际数据进行实验分析,实验结果表明：该方法在不同天气类型下均能实现较好的预测效果,预测精度明显优于单一预测模型,与其他方法对比,验证了该方法的有效性。

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计及云图和混沌特性的光伏功率组合预测方法

王育飞, 郝德扬, 薛花, 米阳

2023, 44(12): 74-81. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1236

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为进一步提升运动云层引起的突变型辐照场景下光伏功率超短期预测准确度,提出一种计及云图和混沌特性的组合预测方法。首先,结合不同地基云图特征提取与匹配算法建立两阶段云速求解模型以精准预测云分布;其次,通过挖掘辐照度时间序列的混沌特性,提出一种“地基云图-光伏功率”映射关系动态建模方法以准确量化云分布对光伏功率的影响;最后,构建基于支持向量机云分类模型的组合预测方法并通过算例验证所提方法的有效性。

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基于动态时间规整的光伏系统直流串联电弧故障特征提取

李鑫, 高伟, 杨耿杰

2023, 44(12): 82-89. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1332

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针对光伏系统直流串联电弧故障特征难以提取且算法普遍缺乏泛化性、适应性的问题,提出一种基于动态时间规整（DTW）的串联电弧故障特征提取新方法。首先计算电流信号的移动平均值（MA）来识别突变事件,采集异常信号;接着使用奇异谱分析（SSA）去除异常信号中的趋势成分,减小不同光伏系统信号之间的差异;随后,计算信号的DTW距离来提取有效特征;最后,使用特征向量的波形因子作为诊断判据,辨识出电弧、短路以及由逆变器启动、辐照度突变引起的干扰事件。实验结果表明,基于所提特征提取的电弧故障识别方法不仅速度快、特征辨识度高,而且适用于不同的逆变器系统,具有较强的适应性,综合性能优于对比方法。

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用水规律对光伏光热热水系统性能的影响研究

侯隆澍, 全贞花, 杜伯尧, 赵耀华, 王珊珊

2023, 44(12): 90-98. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1249

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以基于微热管阵列的光伏光热热水系统为研究对象,通过数值模拟的方法,对考虑和不考虑用水规律的工况下该系统的连续运行性能进行对比研究。研究表明,考虑用水规律的工况下,该系统每日的水箱初始温度均高于40 ℃,但经过一天的连续运行,较高的初始温度对终止温度的提升并不明显;与不考虑用水规律的工况相比,其平均热效率、电效率和综合效率均出现下降,分别降低10.7%~34.7%、0.1%~0.4%和11.6%~35.4%,特别是在多云、阴天等工况下降幅最大。针对上述现象,建议可采用双水箱系统或优化用水规律等措施,以提升技术的适应性。

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基于交叉叠层微腔的柔性真空玻璃传热特性研究

张俊, 黄瑞, 宋辰辰, 李冬辉, 翁磊, 欧阳智

2023, 44(12): 99-105. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1033

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真空绝热玻璃是绿色节能建筑的关键组成部分。目前,传统真空玻璃（VG）存在众多问题导致其无法在现今的建筑行业中大范围推广。该文基于傅里叶定律设计聚碳酸酯交叉叠层真空玻璃（CLVG）,对其进行传热和强度模拟,结果表明,在小于30 cm×30 cm的尺寸下,交差叠层结构作为一种柔性薄膜结构拥有比VG更低的传热系数。由于CLVG具有小尺寸下传热系数低、成本低廉、轻薄具有柔性、改造方便等优点,在未来建筑玻璃的改造中拥有广阔前景。

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太阳能热泵联合系统的枸杞干燥特性与能耗分析

闫素英, 赵龙, 王群

2023, 44(12): 106-112. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1261

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为降低碳排放,利用太阳能集热器与空气源热泵联合干燥代替传统的燃煤热风炉干燥。通过对比太阳能热泵联合干燥和热泵单独干燥试验,研究太阳能热泵系统除湿特性。同时,进行太阳能空气集热器辅助空气源热泵的枸杞干燥试验,验证其可行性。在相同干燥温度设定下,太阳能热泵联合干燥相比热泵单独干燥节电了28.8%,高干燥负荷试验组较中等干燥负荷试验组相比节电15%。与传统热风炉烘干房干燥相比,每吨枸杞干燥节约成本448元,同时节约标准煤121.14 kg,可减少CO₂排放量317.39 kg。

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跟踪及安装精度对菲涅尔定向光输运装置的影响

王子缘, 赵连玉, 莫连健, 陈木生, 胡艳鑫

2023, 44(12): 113-120. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1302

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该文基于对菲涅尔定向装置的研究,搭建其集热性能测试实验平台,并采用TracePro光学模拟软件,建立菲涅尔定向光输运装置的光学模型。在进行模型验证后,模拟分析跟踪误差和安装误差对光学效率的影响。研究结果表明：俯仰角、旋转角的跟踪误差会导致菲涅尔定向光输运装置光学效率的降低,并且俯仰电机误差范围应控制在±0.1°,方位电机误差范围应控制在±0.5°;当菲涅尔定向光输运装置中定向光输运器抛物反射面的焦点与菲涅尔透镜的聚光焦点存在安装误差时,菲涅尔定向光输运装置光学效率普遍下降,最大偏移量不宜超过0.1。但当偏移量不超过0.5时,将定向光输运器向下侧偏移或将菲涅尔透镜向上偏移,有利于提高菲涅尔定向光输运装置（LTF-SC）光学效率。该研究结果为菲涅尔定向光输运装置和菲涅尔中央接收式太阳能高温集热系统领域的研究和应用提供参考。

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熔盐横向冲刷过冷沸腾水传热特性实验研究

董新宇, 张宇轩, 孟凡泰, 刘璐, 王腾

2023, 44(12): 121-129. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1351

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熔盐-汽水换热器性能直接影响塔式太阳能热电站的发电效率,以太阳盐为工质,实验研究了熔盐横掠冲刷管内过冷沸腾水传热特性,工况参数为：熔盐质量流速504~594 kg/（m²·s）,熔盐温度350~560 ℃;管侧质量流速135~226 kg/（m²·s）,入口温度260 ℃,热流密度65~465 kW/m²。研究影响熔盐换热器传热,特性的关键参数与次要参数,其中熔盐温度及水侧压力对传热特性影响较大。最后,将实验数据与文献中的关联式进行了对比分析。

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自由活塞斯特林发电机启动特性实验研究

林明嫱, 刘润宝, 池春云, 焦珂欣, 周宇昊, 牟健

2023, 44(12): 130-135. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1376

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启动是开展自由活塞斯特林发电机实验研究的前提,为更系统研究发电机的启动特性,搭建相关实验测试系统并开展实验。发现发电机在激励过后,只有热端温度超过一定值才能成功启动,并以此定义发电机的启动温度。然后以启动温度为评价指标,探究充气压力,配气活塞板弹簧刚度等参数对发电机启动的影响规律。实验结果表明：随着充气压力增加,发电机对应的启动温度逐渐降低。配气活塞板弹簧刚度只有在一定范围内,发电机才能成功启动,并存在最优值。同时,减小外负载阻值以及通过串连电容增加系统的谐振都有利于发电机的启动。

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塔式太阳能吸热器表面热流密度预测及优化

张俊峰, 彭怀午, 田家铭, 陈康, 王跃社

2023, 44(12): 136-142. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1393

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以塔式太阳能聚光集热系统为研究对象,耦合蒙特卡洛光线追踪法和卷积法,通过综合考虑定日镜阴影和遮挡因子以及反射光束对热流密度的影响,建立一种精度高、计算量小的吸热器表面热流密度分布预测数学模型,获得考虑光线遮挡、余弦损失、溢出损失及大气衰减等因素时单定日镜及全镜场下的光迹追踪路线及热流密度分布规律。并根据镜场光学效率与镜面所处的位置关系提出一种镜场布局优化方式。优化后12:00时镜场的光学效率从43.5%提高到45.6%,日平均光学效率提高约2%,太阳热流密度分布更加均匀。

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太阳能喷射制冷系统动态特性及多喷射器优化

王菲, 张瀚禹, 孟胜强, 王雷浩

2023, 44(12): 143-149. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0492

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在建立喷射器全工况模型的基础上,构建太阳能喷射制冷系统的仿真模型,假设蒸发器和冷凝器换热侧水的入口参数不变,研究某太阳能喷射式制冷系统随太阳辐射变化的变工况特性,并采用多喷射器并联进行优化,结果表明,当太阳辐射为设计值时,制冷系统的性能系数与制冷量均达到最大值,当太阳辐射增大或减小时,制冷系统的性能系数与制冷量均会下降;在夏天供冷季, 3个喷射器并联的系统平均制冷量及满足供冷需求的天数比例较单喷射器均提高了约21%。

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地表太阳辐射短期预测方法研究进展

金存银, 张淑花, XingongLi, 田欠欠, 王倩茹, 王默涵

2023, 44(12): 150-161. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1246

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根据太阳辐射预测使用的数据及预测方法,将目前地表太阳辐射短期预测方法归纳总结为4类：基于地面观测数据预测方法、基于卫星遥感观测预测方法、基于地基云图观测预测方法以及基于数值天气预报模式预测方法。分别阐述4类地表太阳辐射短期预测方法的研究进展,并对不同方法适用性及其优缺点进行评价,最后对未来短期地表太阳辐射预测方法进行展望。

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中国近海太阳能资源特征分析及储量评估

吴亚楠, 周庆伟, 武贺, 方舣洲, 丁杰, 王厚军

2023, 44(12): 162-169. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1293

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利用ERA5再分析资料研究中国近海太阳能年际、季节、月尺度和不同海区的时空分布特征,评估太阳能资源丰富程度,并对太阳能资源总量进行估算。结果表明：多年平均海上太阳总辐射范围为4886~7611 MJ/m²,年均辐射为6429 MJ/m²;太阳辐射随春、夏、秋、冬季节的变化而逐渐减小,分别为1894、1827、1462、1287 MJ/m²,春季最大、冬季最小,春夏季基本持平;月均总辐射在春季5月份最大,为650 MJ/m²,在冬季12月份最小,为377 MJ/m²。从空间上来看,渤海、黄海、东海太阳总辐射相近,年均辐射分别为5625、5581、5622 MJ/m²,南海中西部和中东部年均辐射量最大,并呈现出向南北两端递减的趋势,年均辐射为6843 MJ/m²,较渤、黄、东3个海区辐射平均值高出22%。经估算,中国近海太阳能资源年总量约为14×10⁹ GWh,水深H<10、30、50 m的海域太阳能资源年总量分别约为600×10⁶、1700×10⁶、2800×10⁶ GWh,总体来说海上太阳能资源很丰富,具有巨大的开发利用价值。

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基于Kmeans++-Bi-LSTM的太阳辐照度超短期预测

官松泽, 唐钰本, 蔡争, 吴凌涛, 郑含博, 覃团发

2023, 44(12): 170-174. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1294

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针对地表太阳辐射的不确定性和随机波动性,进而对大型光伏发电并网对电力系统的稳定性造成冲击,提出一种新的太阳辐照度超短期预测方案。该方案通过使用皮尔逊相关性分析和无监督学习中的Kmeans++算法,对多种气象数据进行筛选,找出关键气象数据并进行划分以及添加标签,接着将带有标签的关键气象数据输入双向长短期记忆网络预测模型中,以达到10 min时间间隔的太阳辐照度超短期预测。结果表明所提预测模型相较于目前常用的模型提高了预测精度。

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基于ICEEMDAN-LSTM和残差注意力的短期太阳辐照度预测

臧海祥, 张越, 程礼临, 刘璟璇, 卫志农, 孙国强

2023, 44(12): 175-181. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1761

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为提升短期太阳辐射预测的准确性,提出一种基于ICEEMDAN-LSTM和残差注意力的短期太阳辐照度预测方法。该方法利用改进的自适应噪声完备集合经验模态分解（ICEEMDAN）将原始辐射序列分解为多尺度模态分量,同时引入残差注意力机制对原始气象特征进行重构,然后利用长短期记忆网络分别提取两部分的时序特征,并融合所得特征输入至多层感知器,进行提前1小时的水平面总辐照度预测。实验结果表明,该方法能捕捉辐射序列的波动和突变,并考虑不同气象特征的重要程度,可有效提高短期太阳辐照度的预测精度。

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纵荡运动对风力机翼型动态失速特性影响研究

冯俊鑫, 赵振宙, 刘一格, 刘惠文, 江瑞芳, 王丁丁

2023, 44(12): 182-189. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0963

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采用带转捩SST k-ω湍流模型,以S809翼型为研究对象,探讨纵荡运动方向、频率、幅度对复合运动（俯仰+纵荡）下动态失速的影响规律。结果表明：纵荡频率增加,迎风下的翼型湍动能增强,边界层流体的能量提高、扰动程度加深,使得翼型升力提高的同时提前失速;高纵荡频率工况下,迎风下的前缘涡强度高且覆盖范围广,加速了涡的脱落。顺风条件下,纵荡削弱了前缘涡的诱导效应,有效缩小尾缘涡的拓扑结构。随着纵荡幅度增大,翼型升阻力系数的响应幅值显著增加,尤其是在翼型迎风状态下的上仰阶段。研究揭示了纵荡运动对翼型动态失速的影响规律,对准确认识和评估漂浮式风力机气动性能具有重要意义。

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基于深度强化学习的海上风电机组状态维护与备件库存联合优化

董文康, 吴雨芯, 姚琦, 郭俊, 赵天阳

2023, 44(12): 190-199. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1219

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维护与备件库存管理是海上风电运维的两个密不可分的关键环节。为提高海上风电机组设计寿命周期内的运维经济性,构建状态维护与备件库存联合优化策略。首先,将海上风电机组构建为由叶片、齿轮箱、电气、偏航、轮毂、制动、传动链、发电机8个子系统组成的系统,然后将各子系统的劣化过程构建为多状态马尔可夫随机过程,建立维护与备件库存的交互模型,其中包括被动维护时间与随机故障以及备件库存的关系、备件库存对维护活动的影响等。随后,设计子系统的劣化状态与备件库存状态、状态检修动作与备件订购的表征方法,并以此形成深度强化学习Dueling DQN的框架,通过对深度网络的迭代训练,求解海上风电机组的最优维护与备件订购决策序列。最后,以某海上风电场内的风电机组为例,验证所提联合优化方法的优越性,并讨论强化学习的探索率、风电场的可达率对运维成本的影响。

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计入线外啮合的风电齿轮动力学行为分析

易园园, 轩亮, 孟丽君, 谭昕, 刘长钊

2023, 44(12): 200-206. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1221

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为探究线外啮合对齿轮传动动态服役行为的影响规律,以一对风电高速级齿轮为例,基于齿轮啮合原理和冲击动力学理论计算不同负载和转速下线外啮入冲击力和时变啮合刚度。采用集中参数法建立计入线外啮合的直齿传动非线性动力学模型,数值求解不同激励下系统的动态特性。结果表明：在不同运行转速区,啮合冲击与啮合刚度对系统动态响应的贡献各不相同。在共振区,时变啮合刚度成为系统的主导激励;在超临界区,系统动载荷随转速升高而增大,这主要来源于啮合冲击的激励作用。

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颗粒直径对风力机翼型动态失速特性的影响研究

李德顺, 何婷, 王清

2023, 44(12): 207-213. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1232

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采用CFD方法对风力机翼型在不同直径颗粒下的动态失速特性进行建模与数值模拟。首先,针对二维NACA 0012翼型,采用SST k-ω湍流模型对连续相与离散相耦合进行建模数值;其次,验证SST k-ω湍流模型的准确性,并对离散相模型进行可行性分析;最后,分析颗粒直径对翼型动态失速气动性能和翼型周围流场的影响,同时给出不同直径颗粒的质量浓度分布规律。研究表明：当颗粒直径小于50 μm时,颗粒直径越大,升力系数变化越大,翼型前缘附近的涡量也越大,大量颗粒聚集在翼型的吸力面;当颗粒直径为50 μm时,翼型运动到振荡周期的任何攻角下,升力系数都在减小,翼型前缘处的流场发生改变,涡量减小,涡强减小,大量颗粒聚集在翼型压力面,分离点后移;当颗粒直径大于50 μm时,在大攻角下影响较大,小攻角下影响较小,且升力系数都在减小,翼型前缘附近的涡量随颗粒直径的增加而减小,大量颗粒聚集在翼型整个压力面上。

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基于条件卷积自编码高斯混合模型的风电齿轮箱健康评估

何群, 李晔阳, 江国乾, 苏楠, 谢平, 武鑫

2023, 44(12): 214-220. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1239

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为实现对风电齿轮箱健康评估、发现齿轮箱部件早期故障,提出一种基于条件卷积自编码高斯混合模型的风电齿轮箱健康评估网络。在编码器部分,同时对传感器信息和时序信息进行编码解码并提取压缩特征,根据高斯混合模型设计基于信号本身概率分布的能量设计评价指标进行健康评估。根据核密度估计确定阈值,并利用某真实风电场数据进行实验,验证方法的有效性。

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风电机组的机舱振动位移极值模型与现场数据验证

王建国, 田德, 陈函伯, 邓英, 张聪

2023, 44(12): 221-229. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1258

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针对风电机组的安全性评估,研究机舱振动位移极值模型和现场数据验证。基于某风电场1.5 MW风电机组的计算模型,仿真DLC1.1工况下的载荷数据,建立风电机组机舱振动位移外推极值模型,结合统计学原理和载荷统计外推原理,得到风电机组的机舱位移极值;同时,对该风场风电机组机舱振动实测数据进行特征极值分析,用这些特征极值拟合得到不同风速段的风速分布和机舱位移分布,建立风电机组机舱振动位移的联合分布极值模型,外推得到位移极值。提出利用李雅普诺夫稳定性理论,确定风电机组机舱振动安全阈值边界的方法,利用这些极值确定风电机组机舱振动安全阈值边界,并用实际运行时的机舱位移极值数据,对这几种极值模型进行现场数据验证,无论仿真数据的机舱振动极值,还是实际数据的振动极值,均未超出安全阈值边界。

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基于实测的海上风电基础局部冲刷及防护措施效果对比研究

邱旭, 马文冠, 姚中原, 袁赛杰, 闫姝, 卢坤鹏

2023, 44(12): 230-237. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1266

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海上风电单桩基础局部冲刷普遍存在,且极限冲刷深度是开展基础结构设计的重要参数。因此,针对海上风电单桩基础,基于江苏某海上风电场的冲刷实测数据,研究韩海骞公式、王汝凯公式、Qi & Gao公式冲刷计算值与实测值之间的关系;分析对比抛石、固化土及砂被3种冲刷防护措施的防护效果。结果表明：3种计算方法可较为准确预测单桩基础的局部冲刷深度;固化土、砂被、抛石对冲刷防护的效果呈递减趋势。

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基于双输入深度卷积神经网络的风力机轴承RUL预测

刘杰, 苏宇涵, 陈长征

2023, 44(12): 238-250. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1283

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针对轴承剩余寿命预测中常用健康指标泛化性不足的问题,提出一种基于双输入深度卷积神经网络的轴承剩余寿命预测模型。首先使用自适应最大相关峭度解卷积方法处理轴承信号并采用特征融合手段得到信号的时间序列特征;然后,将信号的时频图和时间序列特征同时作为模型的输入,通过已建立的双输入深度卷积神经网络模型来预测轴承健康因子;最后使用门控循环单元网络与健康因子相结合的方法来预测轴承的剩余使用寿命。在公开的西安交通大学公布的XJTU轴承数据集上对所提方法进行验证,并在风力机高速轴轴承历史监测数据上进行应用。试验结果表明：该方法不但显著提升了健康因子的泛化性能,还在预测精度方面有优异表现。

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基于ArcGIS与多因子模型的风力发电场选址评估

周雨诗, 张彦, 王海金, 唐若笠, 袁成清

2023, 44(12): 251-259. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1291

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基于地理信息系统,研究并提出一种基于ArcGIS与多因子模型的风力发电场选址评估方法,以实现对不同地区风能资源空间分布情况、开发适宜性和理论发电量的有效评估,进而为风电场的选址提供理论依据。首先,基于不同地区的风资源气象数据,通过引入地形、道路等地理限制因素,提出一种多因子模型,以实现对不同地区风能资源开发适宜性评估。然后,基于10 m高度处的风速分布,通过风速外推得到80 m高度处的风速分布,进而用于评估80 m高度处的风能理论发电量。最后,综合上述开发适宜性和理论发电量评估结果,可较为准确地给出计及风速、风功率密度、地形、道路等多因子模型的风电场选址建议。结果发现：风电场选址主要集中在西北部、东北部以及内蒙古等地。

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一种激光多普勒测振仪的自我消噪技术

杜岩, 刘敬楠, 谢谟文, 张晓勇, 霍磊晨

2023, 44(12): 260-265. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1308

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该文通过在系统中增加反光器,实现了仪器自振的测量,并依据仪器自振信号设计一种可自我矫正的新型激光多普勒测振系统,并与传统测振系统进行对比。新系统所测信号的频谱分析图明显更接近拾震器所测结果,均方误差平均值为0.08%。此外,新系统的测量误差平均降低了1.06个百分点,有效信号信噪比平均提升22.72 dB。新系统的测量精度会随着设备自振的增加有明显升高,但提升的效果会存在一定阈值限制。

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动态入流下风力机近尾迹气动噪声研究

荣宇, 马剑龙, 赵鑫鑫, 吕文春, 苏宏杰, 张鹏宇

2023, 44(12): 266-273. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1316

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基于自然风非定常性,结合某S翼型水平轴风力机实际运行条件拟合出3种动态入流函数,建立不同入流下的非稳态计算模型,研究动态入流对尾迹气动噪声和叶片压力脉动的影响。结果表明：各动态入流下各倍频声压级均高于恒定入流,大小规律表现为：扰动入流>渐变入流>阵风入流>恒定入流;动态入流对声压级的敏感性随倍频阶数增大而增强;沿轴向动态入流与恒定入流声压级差值逐渐增大;阵风入流、渐变入流和扰动入流的压力脉动峰值依次增大,这也是声压级产生相同大小规律的原因。通过分析入流情况对叶片声场分布和变化规律影响研究,对未来大型叶片噪声评估和降噪设计提供一定的理论和参考依据。

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基于最优带宽的广东海上风电出力非参密度估计与分析

饶志, 王科, 谭俊丰, 黎嘉明, 杨再敏, 蒙文川

2023, 44(12): 274-282. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1325

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为支撑广东省海上风电规划与电网安全调度,提出一种基于最优带宽参数下的海上风电非参数核密度估计模型,该模型无需依靠先验性的参数结果,可适配出力分布呈多峰性的海上风电。算例分析验证了所提模型的拟合效果可兼具曲线平滑与反映尖峰特征的特点,降低拟合估计的误差,并通过分析多时空尺度下的海上风电非参数核密度估计模型,形成对应地区的发展建议。所得结果可为广东省海上风电规划、电网安全调度提供风电运行的参考借鉴价值。

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基于涡方法的串列式双风轮风力机功率特性分析

陈嘉佳, 尹凡夫, 李新凯, 叶昭良, 廖猜猜, 沈昕

2023, 44(12): 283-289. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1330

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基于势流理论建立一种串列式双风轮风力机非定常气动模型。模型中,升力面法用于计算叶片环量,使用自由尾迹模型实现尾迹畸变计算,通过诱导速度耦合前后风轮的叶片气动载荷与尾迹。以串联NREL 5 MW风力机为模型,2个风轮以相同转速相对旋转,考察对转双风轮功率在不同转速下的时均与动态特性。计算结果显示：双风轮最优总功率系数较单风轮提升34%,高转速运行时性能下降。对转双风轮功率周期波动,前后风轮相互势流干涉,前风轮尾迹干扰对应后风轮功率波谷。

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海上风电基础修正p-y曲线模型研究

张小玲, 周锐, 许成顺

2023, 44(12): 290-297. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1389

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单桩基础是海上风电基础中应用范围较广的基础形式,目前工程中在分析桩土相互作用及单桩位移时常采用API规范推荐的p-y曲线模型进行计算。随着桩土理论的不断发展和进步,现有的API规范推荐的p-y曲线模型在应用于大直径桩的分析和计算时,其结果低估了不同深度处土体的极限土抗力,高估了初始地基反力模量,因而降低了计算结果的准确性。该文针对该问题,分析了现有p-y曲线法中影响极限土抗力和初始地基反力模量的因素;通过建立桩土相互作用的有限元数值模型,对不同桩径和土体深度的计算模型进行分析和数据回归,引入修正系数来考虑大直径桩的尺寸效应,并讨论了不同因素影响指数的变化规律,最终建立了适用于大直径单桩基础的修正p-y曲线模型。最后通过与模型试验和现场试验的结果对比,修正后的模型对极限土抗力和初始地基反力模量的计算更加符合实际情况,从而验证了修正p-y曲线模型的可靠性与合理性。

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NREL 5 MW风力机叶片外部翼型结冰模拟

杜静宇, 胡良权, 任鑫, 沈昕

2023, 44(12): 298-305. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1392

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该文首先建立欧拉法水滴收集系数模型和风力机叶片翼型结冰模型,并以NACA0012翼型结冰算例验证该模型的有效性,而后开展NREL 5 MW风力机叶片外部翼型（NACA64618）结冰数值模拟,对风速、液态水含量和水滴直径等参数在结冰速率的影响方面进行了讨论。数值模拟结果表明：随攻角增大,NACA64618翼型结冰区域移向压力面,结冰厚度增加（最大增加量约为167%）;增大风速、液态水含量和水滴直径均加剧NACA64618翼型结冰,结冰区域扩大、结冰量与结冰厚度增加。

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基于风电机组聚类的风电场有功分层分配策略

赵靖英, 门孝伟, 姚帅亮

2023, 44(12): 306-315. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1397

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针对风电场传统有功功率平均分配策略造成风电机组运行损伤差异性大、机组调整和启停次数多等问题,提出基于风电机组聚类的降功率分层分配策略。考虑实际风电机组调控能力,设计基于鲸鱼优化算法（WOA）的改进极限学习机（ELM）风电机组功率预测模型。构建实际风速、实际发电功率和预测功率的三维特征矩阵,提出基于模拟退火遗传算法（SAGA）的改进模糊C均值（FCM）聚类模型。以预测功率平均值和标准差、最大降功率值确定机群和机组调度优先级序列,构造“机群-机组”的两层分配策略,减少调整机组和停机机组的数量、提升风电机组损伤均衡性。结合某风电场实际工况,设计限功率模式不停机与停机的分配策略验证方案,对比分析3种不同策略的分配效果,算例结果验证了提出的分配策略的有效性。

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漂浮式海上风电机组稳定控制策略研究

刘登权, 程志江, 袁嘉旺

2023, 44(12): 316-322. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1413

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以NREL的5 MW的OC4半潜式海上漂浮式风力机为研究对象,首先建立半潜式风力机动力学简化模型,其中外激励的环境载荷模拟使用了一种载荷系数法并进行验证。基于此模型,风浪载荷联合作用下对半潜式风力机性能影响最大的是纵摇形式的动态响应,设计一种双幂次趋近律滑模控制压载水的方法来降低半潜式风力机的运动响应。最后,对所设计的控制器进行仿真。仿真结果表明：相比于传统变幂次趋近律滑模控制和幂次趋近律滑模控制,双幂次趋近律滑模控制方法有更高的控制精度,可有效降低载荷的作用效果,从而维持系统的稳定。

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基于Copula函数的叶片载荷相关性研究及预测分析

包道日娜, 高帆, 王鹏, 张少华, 韩峰

2023, 44(12): 323-329. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0067

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针对风速与叶片载荷的相关性,建立风速-载荷的Copula函数模型,提出一种基于Copula函数的预测方法并对叶片载荷进行预测。通过中小型变桨风力机风洞试验的载荷数据进行相关性建模并进行拟合优度检验,同时通过预测模型对载荷做出预测,采用显著性检验验证了预测效果的有效性。以1.5 kW风力机叶片载荷试验数据为例对所提方法验证,结果表明：在准确分析风速和叶片载荷相关性的基础上,采用Copula函数建立的预测模型能有效预测叶片载荷。

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基于实测风场的沿海风力机叶片流固耦合特性分析

潘月月, 李正农, 张雨坤, 黄斌

2023, 44(12): 330-340. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0154

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采用无人机测风手段实测获得某沿海风电场的风场特征,将所测量的风场参数应用到后续数值模拟中。以某2 MW风力机叶片全尺寸模型为研究对象,基于Workbench平台建立流固耦合系统进行计算,通过对比近尾流风速分布的数值模拟结果与实测结果来验证数值计算的准确性,进而计算额定风速下旋转叶片的挥舞变形和等效应力等响应。结果表明：风力机叶片的挥舞变形在0°方位角时最大,最大变形为1916.4 mm,接近静力加载试验最大挥舞工况结果2299 mm;相同方位角下的挥舞变形沿着叶片展向呈非线性增大,0.60倍风轮半径处变形增长速度明显提高。叶片等效应力集中区位于大梁和前缘侧交界处,最大值出现在60°方位角下0.78倍风轮半径处,同时在风轮高度方向上呈非对称分布。

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大尺度风轮高精度CFD缩比模型构建及其分析

易子欣, 高国强, 戴巨川, 岳文辉, 张帆

2023, 44(12): 341-348. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0231

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针对大功率风电机组气动分析过程中叶素动量（BEM）理论计算精度不高、三维计算流体力学（CFD）仿真分析计算时间长的问题,以某5 MW风电叶片翼型数据为参考,分析不同风轮尺度下BEM与CFD的计算精度和效率;基于几何相似、运动相似和动力相似理论,推导缩比模型与原型之间的几何、运动、力学参数的比例关系,比较不同几何比例尺下风电叶片的气动性能;以几何比例尺为参考,建立大尺度风轮高精度缩比模型,分析多种工况下缩比模型CFD仿真的计算精度与效率。研究结果表明：风轮尺度越大,CFD与BEM分析的结果相对差值越大,多种工况下大尺度风轮缩比模型气动性能基本与原型保持一致,但计算效率获得大幅提升。

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不同烷基链酯类复配柴油理化特性研究

庄新姝, 吴鹏, 苗长林, 李吾环, 谭雪松, 杨天华

2023, 44(12): 349-357. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1314

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将不同烷基链长度的乙酰丙酸酯与0#柴油进行复配混合,引入Hildebrand溶解度参数验证互溶性,再对复配燃料的闭口闪点、运动黏度、冷滤点、氧化安定性等理化性质进行测试与研究。结果表明,烷基链越长的酯类与0#柴油的复配燃料越稳定;短烷基链酯与0#柴油在低温情况下复配易分层;复配燃料的低温流动性、喷射的雾化性、运输储存的安全性、氧化安定性均有较明显改善。

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不同成熟期玉米秸秆特性分析及利用潜力评价

傅国浩, 霍丽丽, 姚宗路, 赵立欣, 贾吉秀, 谢腾

2023, 44(12): 358-365. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1334

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为深入探究不同成熟期玉米秸秆组成特性之间的关联性以及生长时间对不同秸秆资源化利用潜力的影响,以3个不同成熟期,生长时间分别为110~116、116~122、122~132 d的玉米秸秆为原料,系统分析14个指标特性（纤维素、半纤维素、木质素、可溶性糖、粗蛋白、C、H、O、N、S、灰分、挥发分、固定碳、低位发热量）,采用主成分分析法对3种利用路径进行综合评价。结果表明,在玉米植株生长时间为110~132 d的整个成熟阶段,秸秆的纤维素、半纤维素和低位发热量显著升高,升幅分别为7.6%、14.0%和2.8%,粗蛋白、可溶性糖、N、S和固定碳显著降低,降幅分别为19.8%、96.7%、18.9%、73.8%和3.1%,木质素、C、H、O、挥发分和灰分无显著差异;玉米秸秆利用潜力综合评价结果表明玉米秸秆营养养分利用适宜采收时期为乳熟期,生物化学转化利用适宜采收时期为蜡熟期,燃烧利用适宜采收时期为完熟期。

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生物质气化合成-尾气发酵制备混合醇系统㶲及环境影响分析

谭烽华, 李宇萍, 廖玉河, 董凯军, 吴晋沪, 马隆龙

2023, 44(12): 366-373. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0245

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以林业废弃木屑为原料,构建经气化、合成气催化合成、尾气发酵制乙醇的混合醇制备新工艺模型,对系统物质和能量流动、系统/子系统㶲效率及㶲损失来源进行分析。通过收集林业、收储运、制备和产品运输等不同阶段的资源能量消耗和排放清单,对包括全球变暖潜值、臭氧层耗竭潜值等9种环境影响类型开展分析。结果表明：尾气发酵子系统,可利用微生物菌株代谢尾气中CO和CO₂来制备乙醇,结合催化合成高级醇的高产率,使得耦合系统混合醇质量收率和㶲效率分别达0.328kg/kg木屑和43.8%。混合醇生命周期内,人体非致癌损害和陆地生态毒性是受影响较大的环境类型,分别来源于制备和收储运阶段。

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基于超螺旋滑模的直驱波浪发电系统功率优化

黄逸, 杨俊华, 王超凡, 梁昊晖, 罗琦

2023, 44(12): 374-380. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0826

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针对复杂工况下的直驱式波浪发电系统功率提取问题,提出一类超螺旋滑模控制策略。由ANSYS软件获取浮子辐射力信息,建立系统水动力方程,构造并求解能量函数,得到最大功率捕获策略下的参考电磁力。以电压、电流为输入,设计基于超螺旋滑模的模型参考自适应速度观测器,实现无速度传感器控制。结合矢量控制策略,设计超螺旋滑模电流控制环,保证系统对参考信号的跟踪效果。仿真结果表明,所提速度观测器观测误差小,电流控制环可准确跟踪期望电流,系统输出功率提高,动态性能更好。

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海洋波浪能发电装置PTO系统研究进展

刘艳娇, 彭爱武, 黄铭冶

2023, 44(12): 381-392. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1229

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从波浪能发电能量转换过程出发,梳理动力输出系统与波浪能发电装置及其各部分的协同作用关系,并通过不同类型动力输出系统基本结构和工作过程归纳技术特点,列举对应的典型波浪能发电装置实例,探讨动力输出系统及波浪能发电装置存在的问题并展望未来发展趋势。

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基于上原循环中间抽气的OTEC性能和热经济性分析

朱柯宇, 卞永宁, 刘杨

2023, 44(12): 393-400. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1264

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以温差发电的上原循环为基础,考虑中国南海海域气候条件,采用模拟方法对上原循环的中间抽气环节展开分析,探究其对上原循环发电系统的循环热效率、冷热海水消耗量及循环㶲效率的影响,并分析其平准化度电成本（LCOE）。研究结果表明,存在最佳额外中间抽气率使循环热效率及㶲效率同时达到最佳,且对不同中间抽气压力,其所达到最佳值的额外中间抽气率不同。设备投资成本随额外中间抽气率的增加而增加,且成本主要集中在换热器部分。在搭建海洋温差发电工厂时,应考虑具体工况选择合适的中间抽气压力及额外中间抽气率。

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永兴岛温差能评估及电站选址分析

严孙鸿, 周春艳, 朱峰, 张继生

2023, 44(12): 401-409. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1402

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基于NOAA WOA 2018数据集数据,用Nihous方法评估2005—2017年南海、西沙群岛海域以及1955—2017年永兴岛海域温差能资源储量,分析温差能资源的时空变化特点。为符合永兴岛温差能电站选址要求,对永兴岛周边海域温差能资源分布和水深条件进行更具体的分析,选出8个温差能发电潜在站址,再结合温差能净功率、离岸距离及水深等因素,找出相对更适宜的4个站址,并对这些站址温差能发电的净功率年际变化加以分析。

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基于储能协调自适应VSG控制策略研究

朱作滨, 孙树敏, 丁月明, 黄绍平

2023, 44(12): 410-419. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1215

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针对高比例可再生能源接入电网由于电力电子装置欠阻尼和惯量难以有效主动支撑系统频率的缺点,同时为了兼顾储能系统的稳定频率及功率调节的重要作用,提出基于储能协调的自适应虚拟同步机（VSG）控制策略。首先,建立VSG光储并网基本结构以及各模块单元控制基本结构。其次,对基于储能协调自适应旋转惯量和阻尼协调虚拟同步机控制策略进行设计,根据功角振荡特性曲线和转子角频率曲线,推导出旋转惯量和阻尼与频率变化之间的关系。同时通过直流侧储能DC/DC控制策略结合下垂特性耦合到交流侧虚拟同步机控制策略,将蓄电池荷电状态容量（SOC）的变化通过储能协调控制器生成VSG的部分有功参考值协调自适应旋转惯量J、阻尼D参与P-f调频,并对基于储能协调的自适应VSG控制策略动态性能进行分析。最后,建立基于储能协调自适应VSG光储微电网系统仿真模型。通过仿真验证了该方法的可行性,仿真结果表明：基于储能协调自适应VSG控制策略相比于常规自适应VSG控制策略,可充分发挥储能的作用,能更好地协调J、D自适应调节系统频率和稳定功率、抑制波动,提高系统的暂态性能。

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一种新型空气源热泵用水蓄能末端装置的传热特性

邵旭泽, 张华玲

2023, 44(12): 420-424. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1300

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设计提出一种用于空气源热泵的可改变蓄能单元数量的冷热水蓄存型末端装置,并设置风机调节其冷热释放速率。为探究末端装置在冷热蓄放工况蓄能介质温度与室温变化时的传热特性,建立末端装置的传热计算模型并编写计算程序,搭建实验平台测试了实验数据验证计算模型的正确性。结果显示：不同数量蓄能单元的末端装置对传热特性的影响很小,在边蓄边放、自然释冷释热工况向房间放能时,末端装置的传热系数随其表面温度与实验小室室内温度之差增大而增大,而开风机增大释冷释热速率工况的传热系数约为25.2 W/（m²∙K）。

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基于时序模型的储能功率时长评估方法

段乃欣, 吕金历, 张小奇, 葛鹏江, 汪莹, 文章

2023, 44(12): 425-432. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1317

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高占比新能源系统中,储能对新能源消纳和电力保供至关重要。为此,提出一种评估方法。首先,基于净负荷曲线分析新能源受阻电力与系统缺口电力产生的机理,从电力平衡和新能源消纳两个方面研究储能替代火电开机的必要性。其次,通过新能源日弃电量持续曲线计算储能容量极小值;通过新能源受阻电力持续曲线计算最小储能功率,并结合系统实际合理需求得到等效储能容量极大值。然后,通过储能容量极小值和等效储能容量极大值提出储能功率时长近似曲线,并评估曲线的适用范围。最后,针对实际算例进行仿真验证,结果表明所提方法的有效性。

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基于差分电压和ICS-Elman神经网络的锂离子电池剩余使用寿命预测方法

李练兵, 朱乐, 李思佳, 刘汉民, 王阳, 赵建华

2023, 44(12): 433-443. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1357

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锂离子电池被广泛应用于支撑新能源并网设备中,其剩余使用寿命（RUL）预测对设备运维管理极为重要,该文提出一种基于差分电压和改进布谷鸟搜索算法（ICS）-Elman神经网络预测锂离子电池RUL的方法。首先,对电池内部的电化学反应和外部的数据特征进行分析,选取结合电池内外特征的差分电压曲线作为特征提取对象,在充电差分电压曲线和放电差分电压曲线中选取相关特征;其次,考虑电池容量再生现象,选取Elman神经网络作为电池容量预测模型;然后,为提高预测精度,考虑利用改进的布谷鸟搜索算法对网络的初始权值和阈值进行参数寻优,ICS算法以改进概率公式、增加扩散因子、混沌初始化3种方法对传统CS算法进行改进,最终形成ICS-Elman预测方法;最后,利用NASA数据集和自测数据集对ICS-Elman方法进行验证,对比分析CS-Elman、Elman方法,结果表明所构建的ICS-Elman方法能更准确有效地预测锂离子电池RUL。

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基于延时补偿的LCL型并网逆变器鲁棒控制策略

梁军杨, 孔繁镍, 王振民, 李想, 丁欣, 陈延明

2023, 44(12): 444-452. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1371

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在LCL型并网逆变器控制中,为减小控制延时对有源阻尼等效虚拟阻抗的影响,提出一种基于有源阻尼内环级联超前环节的延时补偿改进控制策略。首先,建立考虑延时的数学模型,分析传统逆变侧电流反馈有源阻尼降低系统低频增益的问题,总结了延时对等效虚拟阻抗正阻尼区分布的影响规律。然后,通过在阻尼内环设计合适的增益函数,消除低频增益降低的影响;提出一种级联超前环节的延时补偿方案,对延时引入的相位滞后进行补偿,将等效正阻尼区扩展到（0.48f_s）,有效改善有源阻尼效果,显著提高了系统的稳定性和鲁棒性。最后,仿真和实验结果验证了所提方案的可行性。

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计及电池储能单元时间约束的微电网储荷协调控制方案

吴青峰, 王毅, 于少娟, 孙孝峰, 董佳

2023, 44(12): 453-462. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1390

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在微电网内光伏、风力机等可再生能源发电装置发生故障或天气状况不佳,输出的能量不足以支撑负荷时,要求微电网内的电池储能系统（BESS）具有一定的负荷支撑能力。基于此,提出一种计及BESS时间约束的孤岛微电网储荷协调控制方案。该方案根据BESS时间约束和系统频率约束条件,利用两级多代理（MAS）对微电网内非关键负荷进行管理,使BESS能留有足够的容量支撑关键负荷在供电恢复前正常运行和保证频率在规定的范围内。同时,为保证所有BESS同时给负荷供电以减少切负荷量,提出基于两级MAS的BESS组间荷电状态（SOC）均衡方案。仿真结果表明：所提方案能同时实现BESS的时间约束、SOC均衡和频率控制。

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基于LADRC的燃料电池氢气供应系统压力跟踪控制方法

赵洪山, 王羽丰, 马利波, 蒋一铭, 许俊洋

2023, 44(12): 463-470. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0922

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针对燃料电池电堆阴阳极压力平衡易受扰动影响的问题,提出适用于燃料电池氢气供应系统的二阶线性自抗扰控制方法。首先,基于燃料电池氢气供应系统的运行特性,建立面向控制的三阶氢气供应系统模型;接着,基于面向控制的三阶模型以及自抗扰理论,设计出适用于氢气供应系统的扩张状态观测器和线性状态误差反馈,在此基础上得出燃料电池电堆氢气供应系统压力跟踪的二阶线性自抗扰控制律。仿真结果表明：基于二阶线性自抗扰控制的氢气供应系统压力跟踪控制方法具有较优秀的响应速度、精度和抗扰能力,可实现对系统扰动项的实时估计与补偿以及燃料电池阳极压力对阴极压力的快速稳定跟踪。

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全球燃料电池创新态势演变：基于“国家-企业-专利”多模网络视角

朱秀珠, 纪亚琨, 孙明汉

2023, 44(12): 471-480. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1289

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根据生命周期理论将燃料电池技术发展划分为4个阶段：技术萌芽期（1959—1999年）、技术成长Ⅰ期（2000—2009年）、技术成长Ⅱ期（2010—2015年）和技术成熟期（2016—2022年）,并定量分析每一阶段内燃料电池核心技术及企业、国家的竞争优势,从而客观呈现出技术更替和竞争格局演进。另外,由于对企业和国家的创新能力评价的现有研究忽略了专利的价值及其在专利发展网络中的位置和影响,因此该研究基于主路径SPC算法,通过构建“国家-企业-专利”多模网络,将SPC算法遍历计算的专利节点值映射到对应的企业和国家,从专利、企业、国家3个维度对燃料电池的创新态势及三者间的关系进行全面展现。

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不同地区太阳能光伏电解水制氢与储氢系统模拟研究

冯雷, 鲁家彤, 徐洪涛, 王珂, 杨辰斌

2023, 44(12): 481-486. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1353

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该文设计一种家用太阳能与电网联合供电的电解水制氢与储氢系统,基于北京、银川和哈密3座城市不同气候条件,利用TRNSYS和GenOpt软件对比分析了系统的动态性能。结果表明：北京、银川和哈密三市的光伏组件最佳倾斜角度分别为36.56°、37.81°和41.87°,对应的光伏系统年总发电量为38329.2、47169.8和50701.2 kWh;基于相同的供氢速率和储氢罐容量,该系统年产氢量大致相同,北京为13151.5 m³,银川为13124.1 m³,哈密为13144.7 m³;哈密市从电网取电量最少,其太阳能制氢效益最高为87.73%,其次为银川市85.57%,北京市最低,为66.58%。

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塑料内胆材料高压氢渗透实验装置研究

薄柯, 黄强华, 王骞, 花争立, 赵保頔, 吕蓉蓉

2023, 44(12): 487-491. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1722

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介绍自主研制的中国首套99 MPa氢渗透测试装置,解决氢气高压密封、微量氢渗透精准测量等关键技术难题,可实现工作压力0.1~99 MPa、温度-40~85℃下的非金属材料氢渗透测试,获得塑料内胆氢渗透系数。基于该装置,分别开展环境参数为（87.5 MPa,15 ℃）,（80.5 MPa,55 ℃）,（70 MPa,85 ℃）和（70 MPa,-40℃）下的材料氢渗透实验,验证该装置的可靠性。

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金属氢化物储氢容器吸/放氢过程模拟研究

袁田, 刘学武

2023, 44(12): 492-498. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1867

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基于储氢合金LaNi₅吸放氢性能,建立金属氢化物的储氢数值模型,并利用COMSOL软件进行模型的模拟研究,重点分析直管、翅片与螺旋管结构对容器吸氢和放氢性能的影响。结果表明：内壁加翅片、带有螺旋管换热的两种结构能有效提高储氢容器吸氢速率,大幅缩短吸/放氢过程时间;温度云图显示,容器内壁加翅片的结构,热量是从壁面向容器中心进行传导;对于容器内部增加螺旋管换热结构,传热是从螺旋管向四周进行,且传热效率更高。与初始模型相比,带有螺旋管换热器结构其吸/放氢质量达到最大质量90%所需时间分别减少31.58%和31.12%。

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基于ADRC的PEMFC系统阴极相对湿度和氧气过量比控制

肖仰淦, 吴肖龙, 李曦

2023, 44(12): 499-509. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0853

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为解决传统的PID控制方法在处理质子交换膜燃料电池（PEMFC）系统因阴极相对湿度和氧气过量比跟踪过程中存在响应速度慢、抖振显著等不足,进而引发的性能和效率问题,基于采用膜水合、气体流量、能斯特电压等运行机制构建的PEMFC系统模型,提出一种具有线性反馈特性及超调抑制功能的PEMFC系统自抗扰控制（ADRC）方法,并给出控制参数配置。结果表明,采用ADRC控制方法可实现PEMFC系统阴极相对湿度和氧气过量比的低偏差及快速跟踪控制,有助于提升系统在较大负载变换扰动下的快速跟踪和超调抑制的控制性能,具有较好的应用前景。

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风光水储多能互补发电系统双层优化研究

安源, 郑申印, 苏瑞, 杨仁志

2023, 44(12): 510-517. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1157

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针对风电、光伏大规模并网造成的供电可靠性问题和弃风、弃光问题,结合抽水蓄能、储能电站以及电解水制氢的调节特性,提出一种风光水储多能互补系统双层优化调度策略。上层模型以系统全生命周期运行经济性最优为目标,旨在优化系统各单元的容量配置,保证供电可靠性和风光消纳水平;下层模型以系统每个调度周期内经济性最优为目标,旨在充分发挥储能的调峰能力,实现系统经济运行。该模型利用KKT条件和Big-M法将双层模型转换成单层线性规划问题,通过Matlab中调用CPLEX求解器进行求解,结果表明所提策略能有效提高系统供电可靠性和风光的消纳水平,验证了该模型的有效性。

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SoS架构下多微电网系统经济运行与贡献度评估

秦海红, 刘天羽, 刘永慧

2023, 44(12): 518-525. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1233

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介绍一种基于SoS的多微电网体系结构构建方法。在此基础上,建立多微电网系统两阶段经济优化模型和多微电网体系涌现功能贡献度评估模型。首先,在日前优化阶段,根据日前出力及负荷预测信息,利用CPLEX求解微电网最低日运行成本及缺余电信息,为接下来的实时优化阶段提供可靠的调度数据。其次,在实时优化阶段,基于合作博弈理论以多微电网运营成本最低为目标,充分考虑负荷侧的需求响应,促进群内能量共享水平,提升多微电网体系的经济效益。最后,根据多微电网体系运行成本最小求得SoS架构下的多微电网涌现收益,建立贡献度评估模型,采用Shapely算法对涌现收益公平分摊。通过算例仿真,验证模型的有效性。

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基于自适应人工蜂群黏菌算法的直流配电网故障定位的研究

徐岩, 王若琳, 胡紫琪, 马天祥, 郭明鑫

2023, 44(12): 526-532. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1290

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针对以往算法在直流配电网故障定位方面呈现的收敛速度慢、易陷入局部最小值、收敛精度低等问题,采用改进人工蜂群黏菌算法进行改善和解决。在黏菌算法的基础上引入自适应可调节的反馈因子和改进的交叉算子以提高收敛速度,引入人工蜂群算法提高搜索能力以跳出局部最小值,组成人工蜂群黏菌算法。首先基于六端直流配电网拓扑结构,以G-VSC与W-VSC之间发生故障为例,建立双极短路故障以及单极接地短路故障的数学模型。然后详细介绍改进人工蜂群黏菌算法的原理,建立合适的适应度函数作为直流配电网故障定位的衡量标准。最后进行实验仿真,将寻优得到故障点与实际值进行对比,验证算法的精准度。此外,通过对比其他算法进一步验证人工蜂群黏菌算法的高效性和鲁棒性。

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适用于纯新能源基地送出的混合型直流输电方案

刘文韬, 张哲任, 徐政

2023, 44(12): 533-543. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1323

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为实现光伏、风电等新能源远距离输送,提出一种适用于大规模新能源远距离外送的混合型直流输电系统。首先,介绍混合型直流输电系统的拓扑结构和数学模型,整流站采用半桥子模块型模块化多电平换流器（MMC）与电网换相换流器（LCC）串联,逆变站采用混合型MMC,该系统能为新能源基地提供电压支撑并且实现直流故障的自清除;然后,提出系统的稳态控制方式与交直流故障下的控制策略;最后,在PSCAD/EMTDC中对送端功率波动、送端交流故障、受端交流故障、直流线路故障等4个典型场景进行仿真分析,验证了控制策略的有效性。

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基于风光气能源协同互补系统参数耦合研究

王文新, 张珊, 秦超凡, 陈超希

2023, 44(12): 544-551. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1344

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提出3种结构不同的风能太阳能耦合天然气多能互补供热系统,结合全年太阳能测试数据及3年风能测试数据作为仿真模拟的边界条件与真实可靠的数据支撑,构建TRNSYS仿真模型。以呼和浩特市郊区典型建筑为例,对3套系统进行模拟与分析得出：集热效率与集热面积、风力机额定功率呈一种二元Parabola函数关系,集热效率随集热面积的增大而逐渐减小;燃气壁挂炉热效率随集热面积、风力机额定功率的变化不明显;燃气消耗量与集热面积、风力机额定功率呈一种以e为底的二元指数函数关系,当系统集热面积增加到一定数值后,燃气消耗量骤减;对比3种结构系统,串联系统较并联系统更节省化石能源的使用,两串联结构相比,对于农村典型建筑,出力顺序为“燃气壁挂炉→太阳能集热器→风力机”的串联结构系统更优。

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考虑可控负荷的含CSP和P2G的综合能源系统优化调度

李兴国, 任永峰, 孟庆天, 陈建, 贺彬, 方琛智

2023, 44(12): 552-559. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1394

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为提高综合能源系统经济效益和运行灵活性,从源-储-荷3个层面研究分析综合能源系统运行机理,构建含太阳能热发电站、电转气及可控负荷在内的综合能源系统协调优化调度模型。首先,提出电耦合太阳能热发电站,实现电-热能量转换以及热能存储一体化;其次,建立电转氢气与电转天然气的双层能量优化控制策略,为可再生能源存储及消纳提供新的途径;最后,综合考虑电负荷需求响应及热柔性负荷的影响机制,有效提高负荷侧供给可靠性。依托内蒙古某工业园区实际数据,验证多场景、多能源配置下的调度可行性。结果显示,考虑可控负荷的调度模型可有效降低工业园区运行成本,减少CO₂排放,实现综合能源系统的协同调度。

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故障下新能源场站间主动电压支撑协调控制策略

汪业正午, 季亮, 常潇, 樊瑞, 李慧蓬, 洪启腾

2023, 44(12): 560-567. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1400

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针对逆变型新能源场站在电网发生不对称故障时可能出现的电压暂降、电流越限等运行风险,提出一种适用于电压跌落场景的站间协调控制策略,该策略可有效实现故障下多个新能源场站对并网点电压的主动支撑。首先,基于逆变器控制系统的输出特性,分析不对称故障下的电压支撑原理;其次,为了解决输出电流在各新能源场站间的配置问题,引入白鲸优化算法对场站的功率进行优化,并在此基础上推导出相应的参考电流;最后,对电压跌落场景进行区分,在各自场景下通过逆变器注入不同的参考电流以实现并网点电压支撑、电流限幅、改善不平衡度等多个控制目标。在Matlab/Simulink仿真平台上搭建含逆变型新能源场站的并网运行系统,通过仿真模拟验证所提控制策略的有效性。

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基于气象特征量选取与SVM模型参数优化的新能源超短期功率预测

陈元峰, 马溪原, 程凯, 包涛, 陈炎森, 周长城

2023, 44(12): 568-576. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1401

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提出基于海量气象特征量选取与支持向量机（SVM）模型参数优化的新能源发电超短期功率预测方法,以提高新能源发电预测精度。首先研究基于皮尔逊相关系数的气象特征量提取方法,并利用粒子群算法（PSO）对支持向量机（SVM）新能源发电预测模型参数进行优化,进一步提出联合气象特征选取与模型参数优化的新能源发电功率超短期预测模型以得到全局最优解。然后结合历史发电功率数据,研究新能源发电功率超短期滚动预测模型。最后利用国内某风电场数据进行对比验证,证明所提预测模型可有效提高新能源发电预测精度。

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