太阳能学报

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李沛昀, 孟金龙, 王文, 翁一武

2023, 44(2): 1-8. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1015

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基于中低温太阳能驱动的有机朗肯循环应用背景,分析三角转子机械作为膨胀机的运行特征,通过建立含泄漏影响的运行过程热力学模型对膨胀机性能进行计算,分析以R245fa为工质在单个膨胀周期内膨胀机内部的热力学性能,包括进气角度、形状因子、偏心距和轴距系数等型线设计参数对膨胀机性能的影响。结果显示,三角转子膨胀机可实现较大的膨胀压比,所讨论的因素会对质量流量、输出功率、膨胀压比和容积效率产生影响,适当选择结构参数可优化膨胀机的性能。

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球形单元储热装置蓄热特性的分析与优化

方桂花, 王峰, 刘颖杰, 孙鹏博, 谭心

2023, 44(2): 9-14. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1040

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为提高太阳能利用率,设计一套相变蓄热装置,研究球形相变单元蓄热影响因素,保持相变材料（PCM）总质量维持在较小浮动范围内,对比不同直径、孔隙率、层间距,探究整个装置的蓄热性能。实验与模拟结果表明：同等条件下,相变球直径越小,蓄热时间越短。而考虑到加工制造难度及成本,直径为46或50 mm的蓄热球是最优选择;孔隙率、入口温度和入口流量对整体蓄热时间影响较大;相反,改变蓄热球层间距对蓄热时间的影响较小。

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塔式太阳能腔体吸热器光热耦合模型与试验

许家鸣, 胡健, 陈冬, 肖刚

2023, 44(2): 15-21. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1058

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基于蒙特卡洛方法建立光线追踪模型,利用CCD相机和朗伯板展开聚光实验,实验结果表明测量光斑与模拟光斑在大小、形状和能量分布上吻合良好。针对腔体吸热器提出光热耦合模型,考虑腔内不同吸热管之间的辐射换热,模拟结果与实验结果最大相对误差为8.6%。

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不同温差发电循环流程系统的热经济分析

王博, 杨童赟, 张宇彤, 卞永宁, 有马博史

2023, 44(2): 22-29. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1069

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采用模拟的方法,对朗肯循环、卡琳娜循环和上原循环建模,在不同热源温度环境下,分析不同循环流程热效率η和平准化度电成本CLCOE的差异;同时,通过对循环蒸发温度和透平入口压力进行分析,探究其在不同循环流程中对热经济性能的影响。研究结果表明,卡琳娜循环在各热源温度下均有较高的热效率,但经济指标表现不佳;低温热源环境,纯氨工质朗肯循环在同等条件下CLCOE最低,在设计时,朗肯循环应选用饱和蒸汽状态,尽可能增加透平入口压力,减小蒸发过热度;高温热源环境,上原循环CLCOE最低,卡琳娜循环和上原循环CLCOE极小值与热效率极大值对应的透平入口压力存在偏差,按最小CLCOE标准可获得更高的发电量和更低的设备成本。因此,在流程设计时,需考虑不同循环在各热源环境中的热经济性能。

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太阳能和空气源复合热泵的最优模式切换分析

李祖强, 黄兴华, 刘茂玲

2023, 44(2): 30-36. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1077

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太阳能和空气源复合热泵在不同模式下具有不同性能,如何在实际应用中以最佳的工作模式运行,对提高系统综合性能至关重要,为此提出2种用于实现系统最优模式切换的判断方法：1）基于最优模式切换的太阳能辐射强度和环境温度的复合环境参数范围表;2）流经2个蒸发器（太阳能集热/蒸发器和风冷蒸发器）的制冷剂质量流量分配比。基于此,在工程方程求解器（EES）中建立太阳能/空气双源辅助热泵热水器的仿真模型。首先,基于上海松江地区的气候条件模拟比较不同模式下的系统性能,再分析和讨论将复合环境参数范围表和质量流量分配比作为系统最优模式切换的判断方法的可行性。结果表明,在相同环境温度下,随着太阳辐射强度的增加,系统最优运行模式将由太阳能-空气模式转变为太阳能模式。此外,将流经2个蒸发器的制冷剂质量流量分配比作为模式切换的准则是可行的,对于本系统其最优运行模式由太阳能-空气模式转变为太阳能模式时的质量流量分配比临界值约为2.02。

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高温集热管真空寿命预测研究

于庆河, 米菁, 郝雷, 杜淼, 朗宇帆, 郝雪龙

2023, 44(2): 37-40. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1108

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针对高温真空集热管真空老化性能展开真空度预测和寿命评价研究。模拟电站高温集热管运行环境,在400 ℃进行热循环模拟和热损测试,在450 ℃进行过热加速循环试验。结果表明：集热管封离后,室温条件下其内初始真空度达4.7×10^-4 Pa,在400和450 ℃经过400次循环后,管内真空度分别为5×10^-3 Pa和6×10^-2 Pa。室温状态下集热管在吸收涂层法向发射比为0.08,真空度为10^-3 Pa时,400 ℃下热损为216 W/m,显示出良好的热性能。拟合结果表明在400 ℃条件下集热管使用寿命满足25年要求。

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垂直轴风力机气动特性与涡脱落模态分析

李根, 缪维跑, 李春, 刘青松

2023, 44(2): 41-51. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0531

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垂直轴风力机运行过程中,叶片上下表面边界层与剪切层的相互作用使风力机下游尾迹形成周期性涡结构,这种尾迹涡结构对风力机空气动力学特性具有重要影响。基于此,该文采用计算流体力学方法对不同工况下垂直轴风力机尾迹涡结构展开研究,利用快速傅里叶变换与相空间轨迹分析不同尖速比下风力机叶片涡脱落现象和尾迹涡结构,并通过分形维数研究转矩与尾迹流场速度变化。结果表明：风力机尾迹涡结构随尖速比变化呈现不同特征,当尖速比为3.6时,风力机尾迹两侧呈规则性反向脱落涡模态;低尖速比垂直轴风力机尾迹具有明显的混沌特性,且随尖速比的增加混沌特性逐渐减弱;随着尖速比的增加,风力机转矩与下游速度分形维数不断降低,且当尖速比为3.6时,风力机下游速度分形维数仅为1.07。

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基于特征变权的超短期风电功率预测

王晓东, 栗杉杉, 刘颖明, 敬彤辉, 高兴

2023, 44(2): 52-58. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0591

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针对当前风电功率预测过程中历史信息利用不充分及多维输入权重值固定忽略了不同时间维度的特征重要性的问题,提出一种基于特征变权的风电功率预测模型。该方法利用随机森林（RF）分析不同高度处的风速、风向、温度等气象特征对风电输出功率的影响程度,并利用累积贡献率完成气象特征的提取。对提取的特征及历史功率信息利用奇异谱分析（SSA）去噪,以去噪后的数据作为输入建立级联式FA-CNN-LSTM多变量预测模型对超短期风电功率进行预测。通过在CNN-LSTM网络中增加特征注意力机制（FA）自适应挖掘不同时刻的特征关系,动态调整不同时间维度各输入特征的权重,加强预测时刻关键特征的注意力,从而提升预测性能。基于某风电场实测数据的算例分析表明,所提方法可有效提高超短期风电功率预测精度。

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风冰联合作用下大型单桩海上风电机组动力特性

张礼贤, 施伟, 李昕, 柴威, 甄春博

2023, 44(2): 59-66. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1001

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考虑风荷载与冰荷载联合作用对大型单桩海上风电机组的影响,基于IEA 15 MW超大型单桩海上风电机组,采用一体化分析软件Openfast建立风冰联合作用下大型单桩耦合数值模型,开展超大型单桩海上风电机组在风冰联合作用下的动力响应分析。探究不同加载时长、冰激振动模型以及疲劳损伤组合方法对大型单桩海上风电机组的动力响应规律。计算结果显示：不同冰载数值计算模型塔基与泥面线载荷的计算结果差别较大,泥面线受冰荷载影响较大,同时泥面线位置较塔基位置承受更大的疲劳损伤,应重点关注。采用不同的荷载组合方向进行泥面线与塔基位置的疲劳损伤估计时,计算结果较风冰联合作用下疲劳损伤相对误差较大。因此,宜采用风冰联合加载的方法进行大型单桩海上风电机组的动力响应模拟,进而开展超大型单桩海上风电机组的疲劳损伤估计。

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直接测力俯仰振荡翼型动态气动性能研究

焦予秦, 肖春生, 吴登科

2023, 44(2): 67-73. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1013

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在西北工业大学NF-3低速风洞二元实验段开展翼型俯仰振荡运动动态气动性能深入研究。实验模型为展向三段式测力模型,测力仅在模型中段进行以减小风洞侧壁干扰的影响。实验中采集模型的转动瞬态迎角、计算模型中段的惯性力和惯性力矩、并从天平采集数据中扣除以修正模型惯性对结果的影响。结果表明,迎角超过正向或负向静态失速迎角是升力系数和俯仰力矩系数产生大的迟滞环的必要条件。随着振荡缩减频率增大,动态失速会推迟,升力系数迟滞环增大,阻力系数增大,最大迎角附近的俯仰力矩系数减小。在迎角小于静态失速迎角或超过不大的迎角范围,随着缩减频率的增大,翼型振荡运动俯仰力矩系数上行时减小,下行时增大。随着振荡振幅的增大,翼型振荡运动动态升力系数和俯仰力矩系数的迟滞环增大。随着平均迎角的增大,翼型迎角更多地进入正向失速区,升力系数迟滞环增大,俯仰力矩系数最小值变小。雷诺数对升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数迟滞环无明显影响;但是,在翼型模型下行过程,随着雷诺数的增大,升力恢复提前,同时迟滞环随雷诺数增大而减小。

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基于扰动观测的漂浮式海上风力机主动滑模结构控制研究

胡银龙, 徐进, 石尚, 孙永辉, 李志华

2023, 44(2): 74-79. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1022

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针对漂浮式海上风力机主动结构控制问题,提出一种基于扰动观测的主动滑模控制方法,并应用风力机仿真工具FAST验证所提方法的有效性。在扰动二阶导数有界的前提下,理论证明观测器的稳定性和估计误差的有界性,从而有效估计匹配扰动和非匹配扰动。理论证明一类积分型滑模面的有限时间收敛性和闭环系统稳定性。基于FAST的仿真表明：所提出的主动调谐质量阻尼器（TMD）控制方法与最优被动TMD相比,主动TMD系统的漂浮平台俯仰角度和塔顶位移的均方根值可分别降低11.88%和13.56%,有效提升了风力机承受风浪载荷的能力。

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基于转矩极限的改进风电机组虚拟惯量控制策略

杨德健, 许益恩, 金朝阳, 高洪超, 金恩淑, 郑太英

2023, 44(2): 80-86. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1028

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为解决大规模风电并网带来的系统频率稳定性降低问题,风电机组通过虚拟惯量控制可为系统提供短期频率支撑,然而惯性响应期间风电机组转速收敛缓慢,导致一部分转子动能被无故浪费;转速恢复阶段的有功突变易造成频率二次跌落。为此,提出基于转矩极限的改进风电机组虚拟惯量控制策略,实现在释放较少动能的前提下提供与传统策略相同的频率响应服务;并在频率步入准稳态时,借助时变功率函数开始转速恢复,实现转速快速恢复的同时缓解二次频率跌落。基于EMTP-RV仿真软件搭建包含风电场的电力系统模型,验证了所提策略的有效性。

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计及变流器影响的直驱式永磁同步发电机二阶自抗扰控制

祝可可, 阮琳

2023, 44(2): 87-92. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1035

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研究基于新型自抗扰技术的直驱式永磁同步发电机电气控制系统。考虑变流器对控制系统输出电压的影响,建立发电机组的数学模型,以此为基础设计二阶自抗扰控制器,对设计的扩张状态观测器和控制器的收敛性进行分析并给出控制参数配置方法。通过仿真对所提控制系统的可行性及控制性能进行定量分析,结果表明,该控制系统能够快速稳定的控制发电机组的运行过程,且相比传统的矢量控制及一阶自抗扰控制具有更好的动态性能及鲁棒性能。

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大型风电场尾流效应的耦合求解方法

李大伟, 王鹏, 刘建平, 张欢, 杨昊泽, 葛铭纬

2023, 44(2): 93-98. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1044

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针对大型风电场尾流评估问题,考虑大气边界层垂向动量输运和风电场内流动不均匀性,提出一种基于传统尾流模型和风电场边界层模型的耦合求解方法。采用Horns Rev风电场和青海锡铁山矿区风电场群实测数据对所提出的耦合方法进行验证,结果显示该方法可较为准确的评估大型风电场的场内、场间尾流效应,对大型风电场和集群化风电场开发具有重要理论和工程应用价值。

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黄海海域风电工程软弱海床强度CPTU原位解译方法

王宽君, 沈侃敏, 汪明元, 杜文博, 洪义

2023, 44(2): 99-108. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1050

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孔压静力触探试验（CPTU）是目前中国海上风电场工程勘察中应用最多的原位测试方法之一,其缺点在于土体参数无法直接获取,需要通过解译获得,而不同地区的解译参数存在场地特异性。该文依托黄海海域江苏某海上风电工程,开展室内三轴UU、固结快剪、三轴CU试验和原位CPTU,得到江苏海域的黏性土强度随深度的关系,可用于江苏海域黏性土强度的快速评估。基于修正剑桥模型和三轴CU试验得到江苏海域黏性土强度的理论计算公式。基于固结快剪和三轴试验结果得到江苏海域不同黏性土层强度的CPTU解译参数Nkt值的范围分别为11.93~19.99和8.45~16.68,建议采用固结快剪标定得到的Nkt总平均值14.44作为黏性土最优强度（中值）的解译参数。最终建立CPTU孔压比Bq和Nkt的关系,采用建立的Nkt与Bq的关系可较好解译黄海海域黏性土的不排水抗剪强度su,通过标定建立Nkt-Bq关系的方法也可应用于其他海洋岩土工程项目中。

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考虑潮汐影响下浅水浮式风电结构动力响应研究

和庆冬, 王月, 张敏

2023, 44(2): 109-115. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1073

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以OC4-DeepCWind半潜式风电机组基础和NREL的5 MW风电机组为研究对象,考虑浅水环境条件和潮汐影响,进行浮体水动力分析和系泊布置方案设计,对风电机组-浮体-系泊耦合系统进行整体动力响应分析。研究结果表明,在浅水条件下,浮体水动力特性和系泊回复刚度受水深影响显著,且在水深与结构的吃水比过小时,结构物与海底之间相对流速增大也会对结构物的安全性能产生不利影响,在结构设计阶段需特别考虑。

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几何约束条件下海上风电场布局优化方法研究

张子良, 郭乃志, 易侃, 李健英, 牟金磊

2023, 44(2): 116-122. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1079

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考虑实际工程需求,开发一种几何约束条件下海上风电场智能布局优化方法。该方法使用Gaussian模型计算风力机尾流区的速度亏损,并以最大化风电场年发电量为目标采用差分进化算法进行优化,可满足海上风电场布局时的各类几何约束。利用该方法分别在3行、4行、7行几何约束下对中国某海上风电场的风力机排布方式进行优化。结果显示,相比于原始布局方案,在考虑海缆铺设成本增加的情况下布局优化方案可提升风电场年发电量2.13%~2.64%。进一步分析表明,布局优化过程中可行解数量的设置需综合考虑智能算法寻优难度的影响。

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风速分布差异对永磁风力发电机组故障特性的影响分析

绳晓玲, 韩旭超, 万书亭

2023, 44(2): 123-132. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1088

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为了更有效地辨识永磁风力发电机组的故障特征,从叶轮扫掠面内的实际风况出发,综合考虑风剪切、塔影效应产生的风速时空分布差异,并研究该差异对永磁风力发电机组故障特征的影响。首先介绍考虑风速时空分布差异后的风速模型（等效风速模型）,然后基于该模型对永磁风力发电机组常见的电气和机械故障特性进行理论分析,分别推导得出考虑风速时空分布后绕组不对称故障、叶轮不平衡故障以及这2种故障复合作用下的定子电流表达式;最后利用Matlab/Simulink平台进行仿真验证。研究结果表明,与现有的基于轮毂处平均风速的故障特征相比,考虑风速时空分布差异后,永磁风力发电机绕组不对称故障特征中含有3kP（k为整数,P为叶轮转频）为主的调制频率;叶轮不平衡故障特征频率除P和3kP外,还出现了P与3kP的耦合调制;复合故障下频率成分会更复杂。

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重叠比对三叶片Savonius风力机启动性能影响研究

王江南, 佟国强, 冯放, 李岩, 赵斌

2023, 44(2): 133-139. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1099

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为获得相对平稳且非负的启动力矩,针对三叶片Savonius风力机开展研究。首先对比研究两叶片和三叶片Savonius风力机的启动性能和输出功率特性。在此基础上,针对其主要的结构参数重叠比开展研究。针对三叶片的结构特点,提出重叠比和净重叠比的定义方式,设置9组不同净重叠比,范围在0~0.36（重叠比范围0.14~0.50）之间。利用数值模拟和风洞试验相结合的方法,研究在不同风速下重叠比对Savonius风力机启动力矩以及输出功率性能的影响。结果表明：净重叠比可消除反向启动力矩,并提升三叶片Savonius风力机的启动性能,平均启动力矩系数最高提升147.06%。净重叠比在0.06~0.11范围内时,对风力机的输出功率有提高作用。

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不同材质风力机叶片绕流流场特征变化PIV实验研究

姚慧龙, 张立茹, 张嘉奇, 高伟, 汪建文

2023, 44(2): 140-145. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1107

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考虑风力机叶片变形对绕流流场的影响,通过粒子图像测速（PIV）方法,采集两副翼型相同、材质分别玻璃聚酯（叶片Ⅰ）和玻璃聚醋内部填充泡沫（叶片Ⅱ）的水平轴风力机叶片绕流流场信息,对不同测试截面处流场数据进行分析。研究结果表明：相比于叶片Ⅰ,相同工况下,叶片Ⅱ的总体涡量、回流区的面积和时均速度更大,轴向雷诺应力更小;随着相对轴向距离的增加,时均速度在相对高度方向波动减小,材质对轴向雷诺应力影响逐渐减弱。实验工况下,叶片材质对绕流流场特征的影响大于叶尖速比对其的影响,并沿径向方向有增大的趋势。

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基于增强型卷积神经网络的风力发电机行星齿轮箱故障诊断方法

梁舒曼, 谷艳玲, 罗园庆, 陈长征

2023, 44(2): 146-152. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1109

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针对风力发电机行星齿轮箱的健康维护和状态检测难以诊断的问题,该文提出一种初始网与膨胀卷积相融合的初始膨胀卷积神经网络（IDCNN）的故障诊断研究方法。该方法首先构建初始膨胀卷积层以扩大感受野来使学习到的故障特征更加丰富。随后为了方便信号输入且确保信息丰富,将采用将一维原始信号序列转化为二维矩阵的预处理方法。最终将生成的二维信号输入到IDCNN中进行模型训练,并用测试数据对模型进行评估。实验结果表明,提出的IDCNN方法在风力发电机行星齿轮箱的故障诊断中精度高,在对比结果中该文提出方法的诊断精度要高于传统的深度学习方法。

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考虑黏性效应的半潜浮式风力机动力特性研究

曹淑刚, 程友良, 范晓旭

2023, 44(2): 153-159. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1134

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对半潜浮式风力机动力特性进行研究,推导考虑黏性阻尼的动力学方程及传递函数。对黏性效应的影响及其计算方法进行探讨,对比附加阻尼矩阵法、Morison单元法的优缺点,并提出考虑黏性阻尼效应水动力计算的混合法,在此基础上对半潜浮式风力机气动-水动-锚泊全耦合动力响应进行分析。结果表明：黏性效应主要影响共振周期附近的响应值,在数值分析时不可忽略;附加阻尼矩阵法在考虑水平面内运动黏性阻尼时有所不足,且无法考虑黏性效应对共振周期的影响,Morison单元法在考虑垂荡、转动黏性阻尼时有所不足,混合法是考虑黏性阻尼水动力计算的更有效方法;该半潜浮式风力机垂荡和纵摇响应主要受波浪控制,而水平面内运动受风、浪、流联合作用的影响;浮式风力机运动和加速度的最危险工况可发生在发电工况时,最大锚链张力发生在极端环境条件时。

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对一种动态失速模型的改进及精度研究

李原, 陈嘉佳, 沈昕, 吴智泉, 杜朝辉, 欧阳华

2023, 44(2): 160-166. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1146

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基于现有的Hopf分岔法动态失速模型（Hopf bifurcation model）,引入Wagner函数计算其附着流下等效攻角,对原模型的边界层再附着项进行一定修改,使新模型可表示为状态空间的形式,并为原模型补齐了对于阻力和力矩系数的建模。相比于常见的ONERA和Leishman-Beddoes动态失速模型,新模型在附着流下拥有与解析理论最一致的幅值及相位特性;分离流下,新模型在大部分情况下的计算精度优于常见模型,且能更好地捕捉初级失速涡和深度失速下出现的多级失速涡现象。其中对轻度失速的分析表明,各动态失速模型在轻度失速下的环量项建模仍具有一定的提升空间。

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平坦地形风剪切特性的研究

朱金阳, 丁伟

2023, 44(2): 167-171. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1156

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研究了山东、江苏、河南等区域平坦地形风剪切的特性,包括风切变指数随高度的变化、日内变化以及月变化特性。通过分析150 m高度测风塔完整年的数据,发现不同区域风切变指数随高度呈现不同的变化特性,即：最高层风切变指数最小,100~150 m高度风切变指数变化平缓,次高层约130 m风切变指数减小、风切变指数随高度呈现波动的特性。风切变指数的日内变化呈中午前后较小、夜间及凌晨较大的特点,且该规律在100 m高度以下尤其显著。风切变指数的月变化在100 m高度以上无规律性,在100 m高度以下呈平缓增加和波动的特性。

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基于静力触探的黏土中桩基p-y曲线研究

刘金昊, 张帆, 戴国亮

2023, 44(2): 172-180. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1166

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将华能灌云海上风电场试桩试验实测数据与4种基于CPT测试的黏土p-y曲线方法的理论计算结果进行对比。对比显示：传统的p-y曲线因其原始试验的局限性会显著低估桩侧土体的极限土反力,使桩基设计偏于保守;而双曲线型的p-y曲线虽然高估桩侧土反力,但是对桩侧土体初始刚度预测较准。根据以上对比分析结果,采用Matlab回归函数进行模型集成,将传统型p-y曲线模型与双曲线型p-y曲线模型结合,提出一种基于CPT测试的适用于黏土的复合p-y曲线模型。最后通过与已有工程实例实测数据进行对比,验证了新提出方法的可靠性。该方法可为黏土中水平受荷桩基计算提供新途径。

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叶片非均匀磨蚀特征对风力机气动性能的影响

李丹岚, 陈松利, 万大千, 张勃

2023, 44(2): 181-187. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0399

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结合中国西北地区风沙活动频繁的特点,以1.5 MW叶片的缩比模型作为试验用风力机叶片,设计风沙流冲蚀磨损装置,对叶片压力面沿弦向和展向分区域冲蚀。将加装冲蚀后叶片的风电机组进行车载试验,研究叶片分区域非均匀磨蚀特征对气动性能的影响。结果表明：前缘磨蚀叶片在小安装角下总体导致风电机组输出功率减小,气动性能下降,风能利用系数在31.7°安装角下降更明显;展向半冲蚀叶片小安装角时使风力机输出功率和风能利用系数均下降,而安装角增大后出现气动性能提高的积极效应;展向全冲蚀叶片小安装角时体现出积极效应,安装角增大后引起气动性能劣化。

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生物炭基材料在生物柴油制备中的研究进展

王亚琢, 李丹妮, 陈虹媛, 单锐, 袁浩然

2023, 44(2): 188-197. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1049

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不同种类的生物质原料可通过热转化的方式制备生物炭,由于其独特的特性被广泛应用于不同的研究领域。近期,随着生物炭合成方法的大规模涌现,生物炭及生物炭基材料相关的研究广受关注。总结了生物炭基催化剂在生物柴油制备（酯交换/酯化反应）过程中的研究现状,简要描述了生物炭催化剂的设计和合成方法,并总结了生物炭催化剂在制备生物柴油中的应用,最后归纳了生物炭基催化剂在生物柴油制备中存在的问题,对今后的研究重点及前景做出展望,以期为将来低成本生物炭基催化剂的制备以及生物柴油合成的研究和发展提供指导建议。

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FeCl₃对稻壳水热炭基本元素及燃烧特性影响

刘耀鑫, 王恩宇, 阚泽, 张小辉

2023, 44(2): 198-204. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1125

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以稻壳为原料,FeCl₃为催化剂,利用元素分析仪和热重法研究稻壳水热炭元素结构和燃烧特性,考察水热温度、催化剂浓度对于水热炭元素结构和燃烧特性的影响。结果表明：1）随着水热温度升高,水热炭固定碳含量和热值增大,O/C和H/C原子比逐渐降低。FeCl₃的加入进一步加深了水热炭的碳化程度,但对于碳化程度影响效果,水热温度大于FeCl₃浓度;2）未添加FeCl₃时,水热炭燃烧呈双峰,且挥发分燃烧段峰值明显高于固定碳燃烧段。水热温度上升,挥发分燃烧峰值下降,固定碳燃烧峰值增加。加入FeCl₃后,固定碳燃烧范围扩大,双峰逐渐融为单峰,整体向高温区转移;3）水热温度一定时,随着催化剂浓度增大,水热炭燃烧DTG曲线由双峰变为单峰,整体向低温区转移;4）升温速率加快,导致样品着火温度、燃尽温度提高,水热炭燃烧整体向高温区转移;5）水热温度一定时,FeCl₃加入后,着火温度和燃尽温度均小幅度提前,综合燃烧特性指数S_N呈先增大后减小的趋势。FeCl₃提升了水热炭的能量品质及燃烧性能,为今后FeCl₃在生物质热转化应用上提供理论基础。

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豆制品废水同荷叶水热碳化对水热焦特性的影响

郭淑青, 李硕, 程陈, 吴宇阳, 陈政权, 董向元

2023, 44(2): 205-209. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1148

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为研究豆制品废水协同荷叶水热碳化对水热焦特性的影响,将豆制品废水与荷叶按两者不同干基固体质量比均匀混合,在200 ℃、10 h、液体与总干基固体质量比为10的条件下进行水热碳化,分析所获水热焦的理化特性。结果表明,同荷叶单独在纯水中水热碳化所得水热焦相比,豆制品废水同荷叶水热制得的水热焦产率有所下降,C和N质量分数有所增加,O质量分数有所减少。豆制品废水中干物质与荷叶干基质量比从1增至5时,水热焦产率从34.05%下降至31.00%,C质量分数从58.78%增至66.74%,O质量分数从26.15%降至16.23%,而N质量分数均约为3.60%,为其作为电极材料应用提供了有利条件,但豆制品废水中干物质占比增加时,并未明显增加水热焦中N元素质量分数,同时降低了石墨化程度,豆制品废水中干物质与荷叶干基质量比以不超过3为宜。

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永磁悬浮支撑的刚性圆柱振子流致振动幅频特性分析

白旭, 邵禄宇, 牛建杰, 韩传煜

2023, 44(2): 210-217. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1025

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将永磁悬浮支撑与流致振动潮流能转换装置相结合,探索永磁悬浮支撑结构作为弹簧在流致振动潮流能发电领域的应用可行性。为了对比永磁弹簧与金属弹簧所提供恢复力对刚性圆柱振子流致振动的影响,通过ANSYS Maxwell软件计算得到永磁弹簧的磁力,拟合出永磁弹簧的弹性恢复力曲线方程,将弹性恢复力曲线方程代入Star-CCM+计算出刚性圆柱振子在不同流速下的幅频特性,然后将计算结果与金属弹簧系统进行比较。结果显示永磁弹簧支撑振子流致振动幅频特性与金属弹簧的相似,在上端分支能达到最大振幅比,频率随着流速增加总体呈增加趋势。但在计算流速区间内,永磁弹簧支撑振子的振幅比与频率都比金属弹簧支撑振子大,振动性能更优。

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一种多浮体铰接式波浪能装置的运动分析与俘获特性研究

王文胜, 姜家强, 盛松伟

2023, 44(2): 218-223. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1062

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基于线性势流理论,利用总模态法对多浮体铰接波浪能装置“海星号”在波浪中的运动开展水动力学系数计算;然后基于矢量力学建立多浮体刚体运动学方程,并结合几何约束条件开展动态响应计算,获得最优俘获效率和最优负载阻尼;最后比较并分析“海星”波浪能装置的多浮体俘获效率,获得“海星”多浮体做功的俘获特性。研究表明：“海星”波浪能装置的多浮体四向迎波设计可拓宽装置最优俘获频带宽度,提高装置整体俘获效率;正向迎波与背向迎波俘获波浪能方式相比,小周期情况下,正向吸波浮体俘获效率较高,随着周期增大,正向吸波浮体俘获效率开始降低,背向吸波浮体俘获效率开始增大,极大周期情况下,正向吸波浮体和背向吸波浮体俘获效率趋于一致且趋近于零。

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基于逆变器直流电压模式波能装置并网接入方法

王坤林, 盛松伟, 叶寅, 王振鹏, 王文胜, 吝红军

2023, 44(2): 224-228. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1175

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针对采用蓄电池提供直流母线电压难于满足波能装置装机容量不断增长需求的问题,提出基于逆变器直流电压模式的多液压发电机组并网接入方法。逆变器为液压发电机组直接提供直流母线电压,组建成波能装置无蓄电池组支撑的直流纳电网。建立了逆变器直流电压模式电路拓扑和直流电压外环控制回路。通过多液压发电机组波能装置基于逆变器直流电压模式仿真试验,验证了无蓄电池组波能装置并网接入方法的可行性。该研究成果已应用到500 kW“长山号”波能装置中,为大功率波能装置并网系统研究奠定了基础。

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储能系统双向Buck-Boost变换器控制策略研究

龚春阳, 林嘉伟, 黄冬梅, 李辉, 王志新, 时帅, 胡安铎

2023, 44(2): 229-238. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1045

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为应对可再生能源出力波动引起储能系统功率流动方向的频繁变化,提出一种基于自抗扰控制和模型预测控制（ADRC+MPC）的储能系统双向Buck-Boost变换器控制策略。其中模型预测控制方法应用于电流内环,无需进行参数整定的同时,也提高了系统的响应速度;采用自抗扰控制策略的电压外环,通过在高频段降阶简化控制对象,达到降低自抗扰控制器复杂度的目的。仿真和样机实验显示当电感电流与输出电压参考值突变时,系统可分别在0.2与30 ms 内迅速调整到给定值;当负载与电源电压突变时,系统能在20 ms内恢复稳定。实验结果证明该文提出的控制方法优于PI+MPC策略,具有响应速度快、超调量和波动幅度小的特点。

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基于集合经验模态分解的微电网混合储能优化配置

贾东卫, 任永峰, 李莉美, 云平平, 薛宇, 米玥

2023, 44(2): 239-246. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1070

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为了平抑微电网联络线功率,该文采用磷酸铁锂电池与超级电容组合的方式进行微电网混合储能优化配置。首先,根据电网调度安排,将微电网净负荷分解为联络线功率与混合储能系统总功率。其次,通过集合经验模态分解将混合储能总功率分解为锂电池平抑的低频分量与超级电容平抑的高频分量,并建立混合储能的等年值成本、平抑联络线功率、能量供需平衡目标函数,采用自适应粒子群算法求解混合储能容量。根据储能的荷电状态,采用模糊控制算法对锂电池、超级电容的充放电功率进行二次修正,保证储能系统的长期运行。基于某并网型微电网进行算例分析,仿真验证该方法的经济性与有效性。

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基于最优滚动控制域的储能控制策略

赵团团, 邬昌军, 巩晓赟

2023, 44(2): 247-253. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1093

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针对风电场预测功率与实际功率不匹配以及风力发电不确定性问题,提出一种以补偿风电预测误差和平抑风电波动为目标的储能控制策略。该策略以先进控制理论为基础,结合储能补偿预测区间和储能平抑风电波动区间,提取考虑储能运行成本的储能最优滚动控制域。首先,针对储能补偿预测误差目标,制定储能控制策略,提取允许误差内的储能补偿区间;其次,考虑风电功率波动要求及荷电状态（SOC）约束,采用模型预测控制求解出储能滚动控制序列,确定储能平抑区间。最后,考虑储能运行成本,将补偿区间和平抑区间相结合,制定储能最优滚动控制区间,以此为基础确定储能容量。以中国新疆某风电场为例,对该文提出的储能控制策略与传统控制策略进行对比验证,验证所提策略的可行性和有效性。

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考虑预测误差分析的混合储能补偿优化策略

高伟, 谢丽蓉, 卢浩鹏, 马伟

2023, 44(2): 254-259. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1174

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为提高风电场预测功率精度,对于风电场和混合储能构成的风储混合系统,提出基于预测信息搭建的混合储能补偿方案。首先,依据风电预测误差进行概率统计分析,提出风电功率预测误差的分层补偿策略,制定针对补偿预测误差的允许误差域及置信区间补偿域。其次,利用储能对不同误差层的预测误差给出相应的储能补偿方案,基于小波包分解将超出区域外待补偿预测误差分解,通过不平衡功率DFT分频法确定临界点作为功率型储能和能量型储能的目标分配值,对于荷电状态越限问题通过自适应模糊控制进行二次修正。最后,以新疆某风电场为例进行仿真分析,结果表明所提策略可有效减少风电功率预测误差。

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车用PEMFC氢气系统建模及其排放特性研究

刘阳, 陈奔

2023, 44(2): 260-268. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1095

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建立基于尾氢再循环的车用PEMFC氢气系统的集总参数模型和质子交换膜燃料电池堆的二维CFD模型,瞬态模拟研究额定功率工况下尾氢排放对系统及电堆工作特性的影响。结果表明：排放过程中,阳极进气压力和进气流量等参数出现显著的波动现象,且波动幅度和波动时间与排放持续时间存在直接关系;电堆性能在排放过程中有所下降,排放结束后能迅速恢复到排放前的水平;阳极内部的水气分布在排放过程中得到明显改善。

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基于改进鸡群优化算法的质子交换膜燃料电池模型参数辨识

杨宇伦, 凌铭

2023, 44(2): 269-278. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1138

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针对当前大部分智能算法在求解质子交换膜燃料电池模型参数辨识问题时易陷入局部最优,导致参数辨识精度低、模型泛化能力差等问题,提出一种基于改进鸡群优化算法的质子交换膜燃料电池模型参数辨识方法。首先,引入Tent映射策略初始化种群,提高种群的均匀性和遍历性;其次,设计基于个体进食速度的自适应惯性权重,改善母鸡个体寻优效率,平衡算法的开发与探索能力;然后,利用Levy飞行策略的长短跳跃特点对小鸡位置进行随机更新,增强算法的全局最优搜索能力。最后,通过4组测试函数验证了该算法的优越性,并将算法应用于H-12电堆的参数辨识问题中。结果表明：相比于鲸鱼优化算法、花卉授粉算法等算法,该算法具有更高的参数辨识精度,所辨识出的模型具有更强的泛化能力。

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有源电力滤波器神经终端滑模控制

侯世玺, 汪成, 付士利, 储云迪

2023, 44(2): 279-287. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1004

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以电力电子装备为接口的高渗透率可再生能源并网已成为未来配电网的显著特性。可再生能源具有随机性和间歇性,作为其并网接口的电力电子装备也会导致电能质量恶化等问题。为提高电能质量,该文提出一种有源电力滤波器神经终端滑模控制方法。首先,结合分数阶思想和滑模控制理论设计一种分数阶终端滑模控制器,以保证误差有限时间收敛,并引入边界层技术降低抖振。然后,利用自组织模糊神经网络构造一种无模型控制方案以更好地应对各种不确定因素。所设计的自组织模糊神经网络控制器用于学习分数阶终端滑模控制器,不仅从根源上解决抖振问题,而且可继承原控制器的有限时间收敛性能,并满足李雅普诺夫理论框架下的稳定控制性能。仿真与实验结果表明：所提出的控制方法能有效解决可再生能源发电系统中的谐波问题。

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临近空间太阳能无人机能量调度策略

李新芳, 曾国宏, 陈天牧

2023, 44(2): 288-297. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1032

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针对临近空间太阳能无人机因表面太阳辐射不均匀及负荷不确定性导致的能源系统容量无法充分利用的问题,提出一种实时能量优化调度策略,旨在最小化每个光储模块在24 h周期末电量差值、太阳落山时刻最大限度地储存能量,通过构建调度模型和能量前移修正策略达到充分利用发电、储能设备装机容量的目的。利用Python软件对该模型及调度策略进行仿真验证,证实了该能量调度策略的合理性和可行性。

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多时间尺度滚动优化在冷热电联供系统中的优化调度研究

王智, 陶鸿俊, 蔡文奎, 张玲, 孟金祥

2023, 44(2): 298-308. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1106

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为解决可再生能源和用户负荷波动所造成的能量供需不平衡问题,该文提出多时间尺度优化运行方法。该方法建立“日前-日内滚动-实时调整”的三阶段优化模型来逐级优化机组出力,日前阶段考虑环境成本,日前优化以日运行成本最低为目标,日内滚动优化以滚动控制时域内购能成本和机组出力变化惩罚成本最低为目标,实时调整优化以设备功率总调整率最小为目标,最终得到设备的实时平滑出力计划。日前阶段比较不同的系统结构对CCHP系统日运行成本的影响,并确定了最佳的系统结构。仿真结果验证了所提策略的准确性,优化结果显示：多元储能模式能降低CCHP系统的运行成本;多时间尺度滚动优化不但能提高CCHP系统的运行经济性,而且能减小设备的功率波动,减小设备运行损耗。

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高频Boost ZVS建模分析及其轻载效率优化

王议锋, 王忠杰, 陈博, 王浩, 陈梦颖

2023, 44(2): 309-316. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1164

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为提升同步整流型Boost拓扑在轻载条件下的效率,采用变频准方波模式（QSW-ZVS）代替恒频三角波模式（TCM）。借助氮化镓（GaN）器件,可进一步提高变换器的工作频率,提升功率密度。为确保高频工况下的软开关实现,对QSW-ZVS模式下的软开关过程进行精确数学建模。在此基础上,指出延长同步整流的时间可扩大软开关的实现范围,这有助于提高变换器在高频QSW-ZVS模式下的效率。最后,搭建一台额定功率为500 W的实验样机,通过实现其QSW-ZVS模式下的软开关,峰值效率达到98.2%,实现了高频高效的设计目标,验证了理论分析的准确性和正确性。

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促进可再生能源市场化的省内中长期运行策略研究

李竹, 宋莉, 于松泰, 张楠, 纪鹏, 杨乔尹

2023, 44(2): 317-325. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1183

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针对可再生能源市场化进程的加快,结合中国电力市场建设现状,对促进可再生能源市场化消纳的省级中长期交易机制以及与现货市场的衔接问题进行研究。利用资源分布特点,提出以可再生能源消纳及常规机组合约完成进度偏差为目标的电量分解模型,针对可再生能源的不确定性,提出基于多场景集的ANFIS预测技术进行可再生能源中长期电量预测,以此为基础进行电量分解,提升可再生能源利用率;建立计及中长期合约分解电量及可再生能源出力不确定性的日前市场出清策略,保证中长期合约电量的物理执行,实现与现货市场的有序衔接。最后通过算例分析验证所提模型的有效性和实用性。

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计及超短期预测误差的风储系统跟踪计划出力控制策略

郭凯杰, 耿光超, 江全元, 李熹宁, 王仁顺

2023, 44(2): 326-333. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0908

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在计划跟踪模式下,为最大化风储系统出力的经济效益,提出风储系统的协调控制方法。首先,基于超短期功率预测,以风电场总收益最大为目标,建立风储系统跟踪计划出力的控制模型;然后,利用超短期功率预测数据和历史实际功率数据,建立基于小波变换和序列到序列（sequence to sequence, seq2seq）的超短期预测功率修正模型,对超短期功率预测数据进行误差修正;最后,将基于超短期功率预测的计划跟踪模型与超短期预测误差修正模型结合,提出一种计及超短期预测误差的风储系统跟踪计划出力的控制策略。仿真结果表明：所提策略能显著提高风电计划跟踪精度和风储系统运行经济性、促进风电的消纳。

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变工况下热泵供热及膨胀机供热的热力性能对比分析

和学豪, 赵梓良, 郑磊, 余志文, 陆树银, 顾煜炯

2023, 44(2): 334-343. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0998

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通过对各设备进行建模,以某300 MW热电联产机组为例,对热泵供热及利用小型膨胀机发电后排汽供热两种方案进行变工况分析。结果表明,对于热泵供热方案,在不同的主蒸汽流量下,都存在一个最佳出口热网水温,使系统煤耗最低;采用热泵最佳参数与膨胀机方案进行变工况对比,发现在采暖抽汽参数较低时,热泵方案的煤耗高于膨胀机方案,随着采暖抽汽参数的增大,当热泵出口最佳热网水温超过70 ℃时,热泵方案的煤耗开始低于膨胀机方案;同样,在采暖抽汽参数较低时,热泵供热㶲率比膨胀机方案低,当热泵出口最佳热网水温超过64 ℃时,热泵方案供热㶲效率开始超过膨胀机方案;提出等效节能量指标,并通过计算表明该指标可用于对比两方案的节能效益。

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非共沸工质双压冷凝热泵热水器性能研究

代宝民, 刘笑, 刘圣春, 冯一宁, 刘佳, 肖鹏

2023, 44(2): 344-352. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1027

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提出一种双压冷凝梯级加热热泵热水器（DPS）系统新构型,采用碳氢非共沸工质作为制冷剂,可实现热水的连续梯级低㶲加热,采用黄金分割法对系统热力性能进行优化。结果表明,非共沸工质的DPS系统的热力学性能优于纯质的DPS系统和单级热泵系统,双压冷凝系统在最优中间水温时取得最大COP。名义工况下,采用R600/R601a（40/60）的DPS系统COP高达5.17,相对采用纯质的DPS系统和单级系统分别提高9.45%和14.25%。采用温度滑移合理的非共沸工质可显著减少㶲损,改善冷凝器的热匹配特性,系统㶲效率最高提升11.70%,名义工况下推荐R600/R601a（40/60）作为工质对。

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弱电网下光伏并网逆变器的数字H_∞鲁棒控制器设计

解宝, 李萍宇, 苏建徽, 刘甜甜, 黄诚, 黄赵军

2023, 44(2): 353-360. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0338

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针对弱电网下光伏并网逆变器可能发生的失稳现象,提出一种光伏并网逆变器的数字H_∞鲁棒控制器设计方法。首先建立传统控制策略下光伏并网逆变器的控制模型,并分析其在弱电网条件下的稳定性。为了提高LCL型光伏并网逆变器对电网阻抗变化的鲁棒性,考虑数字控制延时的影响,通过建立离散域下光伏并网逆变器的标准H_∞控制模型,并设计加权函数,求得光伏并网逆变器的数字H_∞控制器。与传统的双闭环控制策略相比,理论分析与仿真和实验结果均表明,所设计的数字H_∞控制器可显著增强弱电网条件下光伏并网逆变器的稳定性。

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基于天空辐射冷却系统的光伏组件降温研究

黄珂, 张吉, 张卓奋, 凌继红, 吕石磊

2023, 44(2): 361-365. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0862

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在南北向相邻两排光伏组件之间,背阳设置天空辐射冷却模块,不仅可有效利用屋顶面积,还可提升辐射冷却性能。辐射冷却模块产生的冷量通过水系统作用于光伏组件背面的换热模块,对光伏组件进行降温,提升光伏发电效率,延长使用寿命。实验结果表明：该系统在夏季和秋季可分别使光伏组件日平均温度降低13.6 ℃和10.6 ℃,发电效率可分别提升1.21%和0.96%。

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光伏模拟器用死区消除PWM整流器运行方式

宋春伟, 陈子立, 孙冠群, 李刚, 何金龙

2023, 44(2): 366-372. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1014

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针对光伏模拟器用单相脉宽调制（PWM）整流器提出电压平方外环电流内环的控制策略,同时揭示直流侧存在2倍基波频率的纹波电压以及此纹波电压对网侧电流的影响。PWM整流器采用的基于H桥死区消除SPWM,在网侧电流非过零区域,各桥臂上下两开关管中,必定存在其中一个开关管驱动信号为低电平,而在电流过零处推导出存在的天然死区时间。由微控制器（MCU）与现场可编程门阵列（FPGA）相结合的控制系统可实现提出的运行方式。实验结果验证了理论推导的正确性以及提出运行方式的有效性。

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基于改进时间卷积网络的短期光伏出力概率预测方法

邢晨, 张照贝

2023, 44(2): 373-380. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1033

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为提高光伏出力的预测精度,提出基于改进时间卷积网络的短期光伏出力概率预测方法。首先,通过递归特征消除确定特征数量,采用分组整合方法进行特征选择;然后,采用变分模态分解处理光伏出力序列;最后,构建一种结合注意力机制的改进时间卷积网络预测模型,得到未来时刻不同分位数下的预测值,再利用核密度估计得到概率密度曲线。实验结果表明,提出方法具有更高的预测精度,可有效反映光伏出力的不确定性。

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基于信息熵变权区间组合和边界逼近的短期光伏功率区间预测

杨国清, 李建基, 王德意, 张凯, 刘菁

2023, 44(2): 381-390. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1042

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针对现有的区间预测在满足高覆盖率的同时区间宽度存在过宽的问题,提出一种基于信息熵变权区间组合和边界逼近的短期光伏功率区间预测方法。首先,对历史天气数据特征进行特征重组,并基于套索交叉的递归特征消除（LassoCV-RFE）算法对重组后的特征进行筛选。然后,采用动态贝叶斯网络模型和基于卷积长短期记忆网络的改进分位数回归模型（CNN-LSTM-QH）分别预测光伏出力的置信区间,根据信息熵进行区间变权组合。最后,结合区间覆盖率和区间宽度指标,构建边界逼近函数和惩罚边界,对两个预测结果加权组合后的区间进行边界逼近。仿真结果表明：相比于一般的单一模型方法,所提方法能在95%、90%和85%的置信水平下分别减小21.86%、16.67%和14.93%的平均区间宽度,同时区间覆盖率也能满足对应的置信度要求。

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基于图像处理的光伏局部阴影区域分割方法

刘志清, 兰奇逊, 徐林, 李亚杰, 王朝勇

2023, 44(2): 391-398. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1046

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为解决真实场景中光伏组件局部阴影区域分割受环境干扰的问题,该文提出基于图像处理的光伏局部阴影区域分割方法。根据光伏组件特征用改进的阈值分割方法提取组件边框,采用Hough变换检测组件边框线段,计算包围边框线段端点的最小凸包作为感兴趣区域。在感兴趣区域内再次使用改进的阈值分割方法提取局部阴影区域。用模拟仿真图像和真实场景图像验证该文所提方法的有效性,实验结果表明：所提方法可准确分割出光伏组件上的局部阴影区域且保持了遮挡区域的细节信息。与多阈值分割方法和基于Canny边缘检测的分割方法相比,该文所提方法的错误分类误差更小,类别像素准确率更高。

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LCL型并网逆变器新型电容电压有源阻尼策略

杨明, 宋明洋, 张国澎, 解宝

2023, 44(2): 399-408. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1052

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在弱电网条件下,数字控制延时会导致虚拟阻抗呈现负阻性,无法起到阻尼效果,因此并网逆变器在电网阻抗变化情况下不能稳定运行,鲁棒性受到严重威胁。针对上述问题,提出一种双线性正反馈有源阻尼策略,以扩大系统的有效阻尼区。为了节省传感器成本,将其优化为电容电压正反馈有源阻尼策略,在电容电压两端添加合适的正反馈阻尼环节,使得系统的有效阻尼区扩大为（0,0.477f₃）。分析结果表明该策略使得并网逆变器在弱电网条件下始终具有良好的鲁棒性,即使谐振频率等于1/6采样频率时,系统也具有较好的稳定性。最后,以三相LCL型并网逆变器为例进行实验验证,实验结果验证了该策略的正确性。

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高速铁路上空安装光伏系统的节能潜力研究

艾国乐, 郝小礼, 刘仙萍, 阎达仁

2023, 44(2): 409-417. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1054

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高速铁路的运营需要大量电力供给,为缓解铁路电网压力,减少能源消耗,提出一种在高速铁路上方架设光伏组件的发电系统;对上述系统进行相关计算,量化全国设计时速超过200 km/h高速铁路线路的光伏发电潜力。研究结果表明,在中国太阳年辐射量大于1200 kWh/m²的高速铁路线架设光伏系统,年发电量超过7×10⁴ GWh,接近三峡大坝的年发电量,能有效缓解铁路电网压力;时速350 km/h的列车全速运行时,其上方4.5 m处的光伏组件表面压强分布正/负极值为140 Pa/-225 Pa,风速极值为3.5 m/s,满足光伏组件最大风载荷极限值要求,高速铁路光伏系统节能减排效益显著,并具有投资的经济可行性。

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考虑合理弃光的配电网光伏最大接入容量研究

张嘉澍, 吕泉, 郭雪丽, 张忠, 周玮

2023, 44(2): 418-426. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1066

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考虑光伏可通过逆变器以弃光形式参与配电网调节,提出以合理弃光率为约束的配电网光伏多点接入最大容量评估模型,将传统评估模型中配电网接入光伏后运行状态指标不越限或越限概率不超标的约束转化为越限后果不超标的约束。针对海量场景,根据问题自身技术特性和电网运行规律,对模型本身和考虑的场景进行简化,最终使用遗传算法实现了求解。基于IEEE 33节点的算例验证了评估模型和求解算法的有效性,且表明,允许5%的弃光率可提升40%的光伏接入容量,提升效果显著。

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中频隔离型光伏±35 kV/500 kW直流变流器研究与工程应用

刘芳, 吴梓群, 周建建, 刘世权, 汪浩东

2023, 44(2): 427-435. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1076

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首先提出一种中频隔离型光伏±35 kV/500 kW直流变流器,该直流变流器由三相T型三电平并联中频逆变器模组、中频400 Hz/24脉波移相升压变压器、三相二极管整流桥以及高压滤波电路组成,该变流器具有升压比高、结构简单、成本低的优势;其次,为了实现逆变器并联模组有功、无功功率的实时均分,采用一种瞬时功率均分的功率主从控制方案;接着,提出一种基于中频变压器无功补偿的改进型LCL滤波器参数设计方法以提高变流器的效率。最后,通过Matlab/Simulink仿真以及张北国家大型风电并网系统研发（实验）中心建设的光伏发电中压直流汇集现场示范工程,对所提直流变流器的设计理念和控制方法进行验证,现场并网实测最大效率为96.33%,升压比高达88,输出电压±35 kV,仿真和实验结果证明了所提直流变流器的可行性。

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基于量子点太阳电池的高效光学利用策略

王龙祥, 邢美波, 王瑞祥

2023, 44(2): 436-444. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1115

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该文总结了可应用于量子点太阳电池的各种光捕获策略以及高能光子和低能光子的有效利用策略。表面织构纹理、周期性纳米结构以及等离子体纳米结构等光捕获技术可有效增强器件的光吸收。应用多激子效应、热激子提取以及下转换等手段是解决高能光子吸收后载流子热化损失问题的重要方法,而上转换以及中间带等结构则是实现亚带隙低能光子有效利用的重要途径。分析总结了不同策略的优劣势以及最近的应用进展,并对各种光学利用策略的发展提出了展望。

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计及热电耦合效应的SiC MOSFET阈值电压精确监测方法

杜明星, 信金蕾, 姚婉荣, 欧阳紫威

2023, 44(2): 445-452. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1124

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在研究SiC MOSFET的阈值电压、体二极管电压、漏-源极通态电阻温度依赖性的基础上,分析偏压温度不稳定性（BTI）引起的VTH的漂移规律,并探究其对温敏电参数（TSEPs）的影响规律。另外,在充分考虑温度和BTI对VTH共同作用的影响下,提出在小电流注入时使用体效应下的体二极管电压监测SiC MOSFET阈值电压的方法。该方法可在不同的结温（Tj）下监测阈值电压,为校正其他TSEPs测量结温的准确性提供帮助。理论和实验结果证明了该方法的可行性。

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基于注意力机制的光伏热斑识别

孙海蓉, 李帆

2023, 44(2): 453-459. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1141

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为解决光伏的红外热图像含有大量噪声且不同状态红外图像分布不均衡导致的热斑难以识别的问题,以Vision Transformer（ViT）模型为基础,利用卷积神经网络改进模型特征提取,利用紧凑多头自注意力机制改进模型结构,提出一种光伏红外图像热斑识别模型ConCViT,利用CIFAR-10数据集对注意力权值进行预训练,以低信噪比小样本光伏红外图像为数据集,训练出高准确率的热斑检测模型。实验结果表明,ConCViT模型比传统卷积神经网络的识别准确率高12.02%,比深度卷积自编码网络的识别准确率高4.14%,并具有更快的收敛速度。

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一种用于漏电流抑制的改进型H7逆变器

马海啸, 应雯

2023, 44(2): 460-467. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1153

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提出一种用于漏电流抑制的改进型H7逆变器拓扑来抑制无变压器光伏发电系统中的漏电流。该拓扑在H7型逆变器拓扑的基础上增加了一个钳位电路,该电路由3个容值相等的分压电容和3个钳位开关管构成,钳位电路可实现逆变器的共模电压在续流状态内保持稳定。同时提出一种共模电压高频控制方案,在保证钳位点的电压为U_PV/3或2U_PV/3的基础上增加了共模电压的频率,对应的增加了电路的共模回路阻抗,系统的共模特性得到了优化,漏电流的抑制效果更好。搭建一台每相输出200 W的原理样机,通过saber仿真和硬件实验验证了理论分析的正确性。

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基于改进蚁群动态规划的光储微网容量优化配置

李圣清, 邓娜, 颜石, 刘丽, 彭坤, 彭晓玮

2023, 44(2): 468-476. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1205

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为降低并网光储微网的综合发电成本,并提高优化容量配置性能,该文研究基于改进蚁群动态规划算法的光储微网容量优化配置方法。针对传统启发式算法容易陷入局部最优以及早熟收敛的问题,首先将蚁群算法与动态规划算法结合,简化计算过程;进而,将迭代次数有关的衰减参数引入调节因子中,提高其全局搜索能力;最后,将Boltzmann选择机制引进蚁群搜索过程,并在蚁群信息素更新过程中采用偏转角度因子与拐点参数进行修正,从而大幅提高算法的优化性能。通过对海宁某小区实际数据进行仿真分析,验证了该算法的实用性和优越性。

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