太阳能学报

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何鸿圣, 李春, 王博, 李蜀军, 张立, 丁勤卫

2023, 44(4): 1-8. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0564

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为研究不同海上风力机漂浮式风电场平台风浪流联合作用下动态响应,分别建立基于OC3-Hywind Spar与ITI Energy Barge平台漂浮式风力机的2×2阵列漂浮式风电场,结合辐射/绕射理论与有限元方法,使用海洋工程软件AQWA及风力机仿真软件FAST分别进行水动力学与气动载荷计算,分析2种漂浮式风电场平台时频响应特性。结果表明：Spar与Barge平台频域响应均集中在2.00 rad/s以下低频区域,在2种风电场中,Spar风电场各平台在垂荡、纵摇、横摇、艏摇4自由度及机舱振动加速度上稳定性较好;风电场中平台横荡、纵荡及机舱振动加速度大小与其在风电场中所处位置有关。

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基于多目标遗传算法的垂直轴风力机专用翼型优化设计

张强, 缪维跑, 刘青松, 常林森, 李春, 张万福

2023, 44(4): 9-16. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0610

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为提升垂直轴风力机翼型综合气动性能,建立针对多运行工况的翼型优化设计方法。采用CST参数化方法表征翼型几何外形,通过优化的拉丁超立方抽样方法进行空间采样,利用CFD方法计算翼型气动力,并建立径向基函数神经网络代理模型,以翼型小攻角下升力和失速攻角下升阻比最优为设计目标,采用多目标遗传算法在代理模型上进行寻优,获得适用于垂直轴风力机的专用翼型以提高其在不同尖速比下的旋转力矩。对风力机常用翼型NACA0018进行优化,结果表明：以翼型失速攻角和最大升阻比攻角为优化目标,不仅提高了单翼型的升力系数与升阻比,而且将优化翼型应用于垂直轴风力机时还可提升使整机力矩系数。

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变速恒频无刷双馈发电机集成耦合参数辨识

王一丁, 苏建徽, 解宝, 施永, 于鸿儒

2023, 44(4): 17-22. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1019

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由于无刷双馈电机模型的复杂性,其绕组参数难以识别,该文基于无刷双馈电机结构特点,提出一种集成耦合参数的辨识方法。该方法基于控制模型推导绕组间电压、电流的关系,测量稳态时无刷双馈电机的电气量,计算获得控制绕组侧集成耦合参数。该方法绕开了对电机绕组参数直接辨识困难的问题,能直接用于控制器设计。最后在30 kW无刷双馈电机实验平台上进行实验验证,实验结果表明所提方法具备可行性和有效性。

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近海含气黏土力学特性试验研究——以嘉兴1号海上风电场为例

何奔, 熊根, 张宝峰, 潘华林, 王宽君

2023, 44(4): 23-28. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1329

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海洋细粒沉积物中含有相对较大的生物气气泡,初始水深影响气泡存在状态,进而影响含气土强度,导致土体的强度可能增大也可能减小。对嘉兴1号海上风电场现场取土进行重塑,开展一系列不排水三轴剪切试验,旨在比较具有相同固结压力但初始孔隙水压力（与水深有关）不同条件下的含气土的剪切特性。研究发现改变初始孔隙压力,含气土表现出不同的不排水抗剪强度,含气土试样中由剪切引起的超孔隙压力大小取决于初始水深,其可低于具有相同固结压力下的饱和试样（由于在低初始孔隙压力下部分孔隙水进入到相对较大的气泡）,或高于饱和试样（与高初始孔隙压力下相对较小的气泡破裂有关）。因此,在相对较低的初始孔隙压力条件下,气泡的存在有利于增加土体的不排水抗剪强度,反之则会降低土体的不排水抗剪强度。但重塑含气土的临界应力比不受初始孔隙水压力的影响。

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单筒多舱筒型基础临界吸力与需要吸力计算方法研究

马文冠, 刘润, 孟祥传, 练继建

2023, 44(4): 29-37. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1372

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针对单筒多舱筒型基础中舱压力小于边舱工况,研究其沉放过程渗流场特性;分析舱压比和中舱相对尺寸对临界吸力的影响,建立可考虑舱压比和中舱尺寸的临界吸力计算方法;分析舱压比对减小摩阻力与端阻力的影响规律,并基于有效应力原理建立可考虑舱压比的沉放需要吸力的计算方法。

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单桩式风电基础结构冰振控制设计研究

张大勇, 董睿, 王帅飞, 王刚, 王国军, 黄亚婷

2023, 44(4): 38-44. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1385

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针对冰区海上单桩风电基础冰激振动问题,提出适用于该类结构的冰振控制措施,设计适用于该类结构的阻尼隔振体系,简化该体系的力学模型,明确体系参数与阻尼比的关系。利用ANSYS数值模拟分析风电基础结构在典型冰况下的减振效果,优化该阻尼隔振控制装置的设计参数。结果表明：阻尼隔振层刚度系数至少为0.6倍的塔筒刚度系数时,阻尼隔振体系与原结构动力特性相似,满足设计要求。

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基于不同运行状态的风电机组齿轮箱故障率预测模型

陈庭记, 桂帆, 郭政, 唐自晶, 郑馨怡, 宋哲

2023, 44(4): 45-51. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1419

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以往基于威布尔故障分布曲线对风电机组齿轮箱故障率的研究主要考虑时间因素,在此基础上,该文进一步考虑齿轮箱实际运行状态,结合威布尔故障分布模型中的浴盆曲线,构建同时考虑时间（t）和运行状态（s）的齿轮箱故障率模型,并计算其在4种不同运行状况（整体故障率升高、整体寿命缩短故障时间提前、故障期故障速率加快、故障期寿命缩短）的组合下模型的可靠性函数、故障累计分布函数、故障概率密度函数和特定时间下特定数量设备发生故障的概率。

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风电机组叶片故障仿真与状态判别研究

高峰, 张鸿, 许琳, 刘俊承

2023, 44(4): 52-59. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1434

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该文利用Bladed软件模拟叶片覆冰和破损故障,通过对比和分析风电机组叶片故障与正常时的运行数据,发现叶片故障状态时的机组运行参数变化特征;然后利用叶片振动信号,基于叶片工作模态分析理论识别出叶片模态参数,根据模态参数的变化揭示了两种故障对叶片振动影响的区别;最后将所识别的叶片模态参数与风电机组的运行参数组成多源数据,采用LightGBM框架下的分类决策树算法实现了对叶片故障状态的有效判断和识别。

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5套再分析资料在阿勒泰地区风资源评估中的适用性研究

陈卓, 郭军红, 亢朋朋, 王金明, 刘文娇, 李薇

2023, 44(4): 60-66. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1460

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该文评估了5套再分析数据对阿勒泰地区风资源的模拟能力,并分析再分析资料在该区域长年代订正中的适用性问题。结果表明,不同再分析资料在阿勒泰地区的空间模拟存在差异,高分辨率的CFSv2、ERA5资料在空间模拟上更具优势,而JRA55、NCEP-DOE模式存在明显高估。季节上,除NCEP-DOE外,其余4套再分析数据均能模拟出阿勒泰地区风速的季节特性,且对冬季的模拟优于其他季节。在此基础上,以阿勒泰某风电场为例,分别以附近气象站和4套再分析数据作为长期测站,对测风塔数据进行代表年订正。订正结果表明,与参证气象站相比,ERA5和CFSv2数据与测风塔数据的相关性更好。在缺乏合适的气象站数据时,使用ERA5和CFSv2数据作为代表年订正的长期测站数据在阿勒泰地区具有可行性。

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基于IICEEMDAN-PCA-GRU的风电机组齿轮箱故障预警方法研究

马永光, 冯勇升

2023, 44(4): 67-73. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1465

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为充分挖掘数据采集与监控（SCADA）数据的隐藏信息,减少特征间的冗余性,提升模型预测和预警的精度,提出一种双重改进的完全噪声辅助聚合经验模态分解（IICEEMDAN）、主成分分析（PCA）、门控循环网络（GRU）融合的风电机组齿轮箱故障预警方法。使用皮尔逊相关系数法作特征提取,采用IICEEMDAN对特征进行分解,得到特征在不同时间尺度上的连续性信号;利用PCA提取分解特征的关键因素作为网络训练输入;GRU网络对输入时间序列特征进行建模训练,实现对齿轮箱油池温度的预测,使用统计学方法分析油池温度预测值与实际值的误差,根据实际情况设定预警阈值;使用滑动窗口理论实现齿轮箱故障预警。采用华北某风场实际数据进行验证,结果验证了所提方法对齿轮箱早期故障预警的有效性。

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计及海缆分布特性的海上风电柔直并网系统中高频谐振分析及抑制

李辉, 李青和, 姚然, 谭宏涛, 郑杰, 杨微

2023, 44(4): 74-84. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1508

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海上风电场交流海缆线路的分布电容特性易引发系统中高频谐振失稳,基于阻抗稳定性分析法,研究海上风电柔直并网系统的中高频谐振机理并提出相应的谐振抑制方法。首先,构建考虑海缆分布特性的并网系统小信号阻抗模型,并通过阻抗扫描进行验证。其次,基于阻抗稳定判据研究海缆分布特性及控制器参数等因素对并网系统中高频谐振特性的作用机理。最后,提出一种基于控制器参数优化的中高频谐振抑制方法,并通过仿真验证理论分析的正确性及抑制方法的可行性。结果表明,并网系统中高频振荡主要由交流海缆线路与交/直流装备之间的交互作用引起,长距离海缆分布特性会导致系统中高频呈现多谐振兼负阻尼特性,且柔直换流站的基频电流环比例系数过大时易降低系统中高频稳定性,可通过所提参数优化方法抑制系统中高频谐振。

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不同风况下半潜漂浮式风力机动力学响应分析

李昌, 王渊博, 蒋明真, 张磊安, 黄雪梅, 杨廷毅

2023, 44(4): 85-91. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1509

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针对现有漂浮式风力机在风浪作用下运动响应较大的问题,提出一种具有圆台形浮筒的新型半潜式平台。基于FAST耦合水动力、空气动力和系泊系统等物理场,同时结合水动力学软件AQWA计算的频域参数对不同风况下漂浮式风力机动力学响应进行分析,并在额定风况下与OC4-DeepCwind漂浮式风力机进行对比。分析结果表明：不同风速对漂浮式风力机的纵荡、纵摇及艏摇运动影响明显,对垂荡运动影响较小;与OC4漂浮式风力机相比,新型漂浮式风力机在各风况下纵摇、横摇响应得到明显降低,具有良好的稳定性。

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基于载荷测试的风电机组仿真模型优化与验证

王瑞良, 孙勇, 李涛, 徐伊丽, 傅凌焜

2023, 44(4): 92-98. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1515

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该文对某兆瓦级机组开展整机载荷测试,提出一种仿真模拟-载荷测试-模型优化及验证的闭环设计方法。基于测试数据,参数识别得到机组的频率、阻尼和变桨响应,用于优化风力机组仿真模型。验证结果表明,优化仿真模型得到的结果与实测载荷规律趋势基本一致,机组主要部件的频域特性吻合较好,满足规范要求。基于实测数据的仿真模型优化方法,能有效提高仿真模型的可靠性。

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风力机三维尾流模型研究与验证

凌子焱, 赵振宙, 刘惠文, 马远卓, 刘一格, 王丁丁

2023, 44(4): 99-105. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1517

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考虑风剪切效应,提出一种高斯形状的三维尾流模型（3DG-k）。该模型定义尾流半径r_w等于两倍的高斯特征参数σ,并与物理尾流边界的扩展系数k建立联系,来描述风轮后尾流边界的演变规律。通过GH风洞实验数据、Nibe风电场实测数据、Vestas V80-2 MW风力机大涡模拟数据,对3DG-k模型、Jensen模型、三维高斯模型（3DG）及三维椭圆高斯模型（3DEG）进行对比分析。研究结果显示,3DG-k模型在3种案例中均显示出最佳的预测精度,更适用于工程实际应用。

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广东海域风电施工窗口期及工效精细化对比研究

林逸凡, 杨梓豪, 刘玉飞, 王小合, 逯鹏, 董胜

2023, 44(4): 106-114. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1518

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为合理规划施工流程及船机资源,降低建设成本,适应平价上网时代海上风电开发要求,提出基于混合整数线性规划的施工窗口期及功效计算分析方法,基于25 a（1996—2020年）逐小时风浪数值后报数据对广东沿海海上风电基础施工及机组安装的工效时空特征进行评估,并结合“十四五”期间拟建设风电场进行具体分析。结果表明,海上风电基础施工及机组安装效率受施工方法影响,具有显著的时空变化特征,对于具体风电场,应综合考虑环境条件、施工工效以及船机资源等,缩短建设工期,从而降低施工成本。

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考虑噪声影响的风电场功率分配优化模型

金秋霞, 彭鹏, 孙萍玲, 徐劲松, 赵国群, 周民强

2023, 44(4): 115-124. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1525

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提出一种考虑噪声影响的场级功率分配算法,在满足电网调度指令的同时最小化风电机组运行产生的噪声。首先,根据采集的有功功率与对应的风电机组声功率级噪声值数据,采用多项式拟合,确定有功功率与风电机组声功率级噪声之间的函数关系。然后,根据GB/T 17247.2—1998提供的噪声传播计算方法,建立有功功率与接收点噪声之间的函数关系。其次,建立考虑功率控制、风电机组启停变化与接收点噪声限值约束的风电场功率分配多目标优化模型,采用遗传算法求解该模型。最后,通过3个不同噪声监测点分布的案例,验证该调度模型能有效满足电网限电要求的同时降低机组运行噪声,并且在实际应用上具有通用性。

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基于凹凸前缘方法的风力机翼型气动噪声研究

刘霞, 张一楠, 曹慧晶, 张明明, 王国付

2023, 44(4): 125-131. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1531

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该文采用实验测量和数值计算相结合的方法,以DU93-W-210翼型为研究对象,研究仿生凹凸前缘结构对其降噪效果的影响。运用远场麦克风阵列获得光滑前缘翼型和凹凸前缘翼型的气动噪声,并通过数值计算得到翼型表面流场结果。通过对实验和数值计算结果的分析发现：凹凸前缘方法能有效抑制边界层分离,控制翼型吸力面涡量的团状分布,减小翼型表面的压力脉动,分解大尺度高强度脱落涡为小尺度低强度周期性脱落涡,使得仿生凹凸前缘翼型有明显的降低气动噪声的作用;具有凹凸前缘的幅值为0.24c（c为平均弦长）、波长为0.11c的仿生翼型降噪效果更为突出。

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基于多方面特征提取和迁移学习的风速预测

梁涛, 陈春宇, 谭建鑫, 井延伟

2023, 44(4): 132-139. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1535

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为满足风电场远程集控中心高效、低成本预测不同地理位置风电场风速的要求,结合“离线训练,在线预测”的思想,提出一种基于多方面特征提取和迁移学习的多变量风速预测模型。离线模型融合双通道卷积神经网络和双向长短时记忆神经网络捕捉风速信息,学习各典型位置风电场的风速特性,然后迁移至任意风电场实现快速在线预测,通过改进的多目标蝗虫优化算法集成各典型风电场预测结果,进一步提高预测精度。最后通过河北一集控中心验证表明,该文所提模型的适应性与准确性均优于其他基线模型。

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考虑风向动态变化下风力机塔架应力特性分析

闫思佳, 汪建文, 张建伟

2023, 44(4): 140-146. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1539

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以课题组自行研制的风力机为研究对象,通过动态旋转平台模拟风向动态变化,研究在风向动态变化情况下塔顶和塔底的应力变化情况,同时分析风向动态变化对塔架应力的影响。对比发现：随着风向变化角速度的增大,最大主应力值呈先增大后减小的趋势,风向变化角速度为0.5（ °）/s时最大主应力值变化程度最小,风向变化角速度为1（ °）/s时,塔架稳定性最不利。随着风向变化角度的增大,最大主应力值先增大后减小,且最小主应力值随风向变化角度的增大而减小,风向变化角度为60°时最大主应力值最小,风向变化角度在30°以内应力波动较明显。

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基于自抗扰控制的风电并网变流器锁相环设计

杨天翔, 程志江, 杨涵棣, 田峰

2023, 44(4): 147-155. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1542

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在高比例可再生能源渗透环境下,电力系统呈现低惯性阻尼特性,传统基于PI控制器的同步参考坐标系锁相环更易受到新能源波动性的影响,造成锁相输出结果较差,从而引发跟网型风电变流器的一系列振荡问题。提出基于一阶线性自抗扰控制器的锁相环,通过对比分析一阶线性自抗扰锁相环和传统锁相环的频域特性,说明其抗扰性能的优势。提出一种简易的参数设计方法,简化锁相环参数设计。在相同带宽尺度比较下说明高阶自抗扰控制器应用于并网变流器锁相环的局限性。通过锁相环仿真和基于混合多电平并网变流器的实验结果表明,所提自抗扰锁相环在受扰动环境下具有更准确的锁相结果,更加适用于高比例可再生能源参与的新型电力系统。

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阵风入流下翼型凹变对风力机气动噪声影响研究

邢建峰, 马剑龙, 苏宏杰, 张立茹, 张鹏宇, 余浩

2023, 44(4): 156-162. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1552

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基于自然风非稳定性的特点,依据风力机各项参数拟合出阵风函数,对某S翼型水平轴风力机进行三维非稳态数值计算和试验,研究阵风入流和稳定入流下翼型凹变对尾迹辐射声频谱、声辐射传播和尾迹涡量耗散的影响。结果表明：翼型凹变可有效降低尾迹气动噪声,其基频及倍频声压级明显低于原始叶片;随着轴向距离增加,翼型凹变叶片降噪效果逐渐增大,在轴向500 mm处声压级最大降低3.6 dB,且阵风入流下翼型凹变降噪效果大于稳定入流。同时,翼型凹变叶片尾迹涡量明显降低,验证了翼型凹变降噪的有效性。

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基于滑模控制的直驱风电场次同步振荡抑制策略

王刚, 高本锋, 王晓, 张利伟, 丁雨晴

2023, 44(4): 163-172. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1557

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当直驱风电场（DDWF）并入弱交流系统中发生次同步振荡（SSO）时,网侧变流器（GSC）电流内环的PI控制器会放大DDWF并网电流中所含的次同步电流分量,进而形成由交流系统、GSC及其控制系统构成的次同步电流助增正反馈回路,最终导致系统SSO失稳。针对这一问题,该文提出一种基于GSC电流内环滑模控制（SMC）的直驱风电场SSO抑制策略。首先,建立DDWF并入弱交流系统的动态模型,推导由PI控制器主导的DDWF并入弱交流系统SSO的形成机理。然后,为了切断系统的次同步电流助增正反馈回路,设计基于指数趋近律的SMC控制器,并以SMC控制器替换原GSC电流内环中的PI控制器,通过理论推导证明GSC电流内环SMC控制器能有效抑制系统SSO。最后,在PSCAD/EMTDC中,以DDWF并入弱交流系统作为算例,验证所提SSO抑制策略的有效性。

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基于可变增益的双馈风电机组频率波动平抑方法

杨德健, 许益恩, 郑太英, 张新松, 华亮, 金朝阳

2023, 44(4): 173-179. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1572

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随着风电大规模并网,电网频率稳定成为不可忽略的关键问题之一,双馈风电机组可通过释放、存储旋转动能参与平抑系统频率波动,改善系统频率稳定性。不同运行工况下,双馈风电机组释放、存储旋转动能的能力存在差异,基于此,该文量化分析释放、存储旋转动能的能力,提出一种可变增益的系统频率波动平抑策略,即低频偏移时,控制增益设定为风电机组旋转动能释放能力的一次函数;高频偏移时,控制增益设定为风电机组旋转动能存储能力的一次函数,该策略在避免频率波动平抑能力不足和过度调节的同时,实现对频率波动平抑的自主控制,基于EMTP-RV软件平台的仿真实验验证了该文所提频率波动平抑控制策略的有效性。

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基于SAM-WGAN-GP的短期风电功率预测

黄玲, 李林霞, 程瑜, 许子健

2023, 44(4): 180-188. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0265

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针对风电功率预测精度低且模型不稳定的问题,提出基于双阶段注意力机制生成对抗网络（SAM-WGAN-GP）的短期风电功率预测模型。首先,在生成对抗网络的生成模型中引入自注意力机制和时间注意力机制,通过自注意力机制自适应的选择输入特征,并通过时间注意力机制捕获风电数据时间序列的长时间依赖性;判别模型采用卷积神经网络,提高模型的预测精度。其次,将SAM-WGAN-GP网络的生成器损失函数和均方根误差结合作为目标函数,以提高模型的稳定性,同时为解决判别器缓慢学习的问题,引入双时间尺度更新规则（TTUR）以平衡网络的训练过程。最后,以甘肃省酒泉市某风电场的实际运行数据为例,验证SAM-WGAN-GP模型不仅能自适应选择输入特征,而且可捕捉风电数据的长时间依赖性,并提高预测精度。

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土质对三筒吸力桩导管架基础水平承载特性的影响

张浦阳, 冯嘉成, 李响亮, 张金福, 乐丛欢, 丁红岩

2023, 44(4): 189-194. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0270

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针对三筒吸力式导管架基础在粉砂质土、淤泥质土中的承载特性进行一系列的数值研究。选取不同厚度的粉砂质土和淤泥质土组合,利用ABAQUS有限元软件对不同土质组合下基础单向的水平承载能力、破坏特性和吸力筒的临侧土压力进行分析。研究发现：三筒吸力式导管架基础在不同土质组合下的水平承载能力呈规律性的变化,且随粉砂质土厚度的增加而增大。结构承载力在吸力筒侧壁的粉砂质土厚度为3~6 m时表现出最大的增长能力,研究结果可为实际工程中三筒导管架基础设计提供建议和参考。

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风电齿轮箱浮动构件支撑刚度的分析与优化设计

田德, 胡玥, 陶立壮

2023, 44(4): 195-202. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0418

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以9 MW海上风电机组两级行星一级平行轴齿轮箱为研究对象,采用集中参数法建立其多体动力学模型,研究各级浮动太阳轮和内齿圈的支撑刚度对两级行星轮系均载特性和浮动构件振动特性的影响,基于正交试验法得到支撑刚度对传动轴振动的影响规律并对其进行优化设计。研究结果表明：综合考虑浮动构件的影响,在两级均载系数对支撑刚度敏感的区间内,浮动构件支撑刚度显著影响齿轮箱的振动特性;与仅考虑齿轮箱均载特性相比,优化后齿轮箱整体振动指标降低8.9%。

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水平轴风力机三维全尾流模型推导及验证

高晓霞, 张绍海, 徐施耐

2023, 44(4): 203-208. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0426

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为进一步了解整个尾流区域的速度衰减空间分布特征,提出一种三维全尾流模型。首先,采用高阶高斯函数预测尾流剖面,其在近尾流区由顶帽形演变为远尾流区的高斯形;其次,考虑风切变效应,引入风切变入流与均匀入流的风速差;此外,考虑到尾流膨胀的各向异性,在垂直方向和水平方向采用不同的尾流膨胀系数;最后,通过风场实验验证所提三维全尾流模型的准确性,结果表明所提出的全尾流模型预测的相对误差基本在5%以内,能够较好地预测整个尾流区域的三维分布。

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基于机器视觉的风力机叶片故障检测技术研究

朱恩龙, 冯聪聪, 申振腾, 史天宇, 亓豪, 孙波文

2023, 44(4): 209-215. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0787

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针对运行中的风力机叶片,提出一种基于机器视觉特征分类的故障诊断方法。通过对叶片叶尖进行圆形标记,利用工业相机周期性获取叶片尖端的图像,并在Halcon软件上对图像进行预处理,对大雾天气下采集的图像利用暗通道除雾算法进行清晰化处理。利用叶尖标记检测算法提取标记、计算区域圆度和区域中心等区域特征。对相邻叶片上标记计算位移差,并与系统预警阈值比较,判断叶片在扭转或偏摆方向的变形程度和故障趋势,从而实现风力机叶片变工况运行状态在线检测和自适应预警。

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基于渴求函数法的玉米秸秆炭与油松混合燃料工艺参数优化

钱晓亮, 张静, 郑德聪, 张秀全

2023, 44(4): 216-224. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1373

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针对玉米秸秆燃烧时结渣严重的缺点,将玉米秸秆炭化后与油松废弃物制成环境友好型生物炭混合燃料,采用响应面法研究物料含水率、成型温度、压强、玉米秸秆炭与油松混合物料比对燃料密度、耐久性及抗跌碎性的影响,并应用渴求函数法和多种群遗传算法对成型工艺参数进行三响应优化。结果表明：生物炭混合燃料的密度、耐久性和抗跌碎性在含水率为6%~12%时与温度和压强成正比,与玉米秸秆炭含量呈反比;在含水率6%~12%、温度70~130 ℃、玉米秸秆炭含量10%~20%、压强90~150 MPa条件下,燃料密度、耐久性和抗跌碎性分别达到1.02 g/cm³、94%和97%以上。最佳工艺参数组合为：含水率8.986%、温度124.272 ℃、玉米秸秆炭与油松混合物料比1:9、压强120 MPa,此组合下燃料密度为1.153 g/cm³、耐久性98.823%、抗跌碎性99.573%,与预测误差仅有5.81%、0.04%、0.73%。

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有机酸溶木质素氢解制备单酚化合物的研究

迂文兵, 沈德魁

2023, 44(4): 225-230. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1391

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首先利用木本类（硬木和软木）和禾本类不同生物质原料制备有机酸溶木质素,发现木本木质素的碳、氢元素含量和高位热值高于禾本木质素,软木木质素中β-O-4、β-β和β-5键含量高于硬木和禾本木质素。然后,通过不同种类木质素在乙醇/异丙醇中氢解实验发现,木本木质素氢解得到产物产率高于禾本木质素,其中杉木木质素的单酚产率最高,约为8.07%（质量分数）。此外,木本木质素解聚产生的单酚化合物以无侧链和三元碳侧链为主,而禾本木质素以二元碳侧链化合物为主。

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基于供需协调特性的养殖场沼气热电联供系统优化研究

费凡, 高立艾, 张瑞强, 周加栋, 温鹏, 霍利民

2023, 44(4): 231-237. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1493

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针对双碳目标下养殖场粪污资源化处理、能源供需间协调优化的问题,提出一种考虑粪污处理设施供能特性与动态热需求协同的优化运行模型。首先,根据数据拟合得到沼气产量与进料量的关系,构建以内燃机为动力系统的沼气热电联供系统的数学模型。其次,考虑进料量、发酵温度以及外界环境温度对热负荷需求的影响,建立厌氧罐动态热负荷热平衡模型。在此基础上,考虑进料量、外界环境温度等因素的不确定性,以系统投资收益率最大为目标函数,构建热电联供系统优化运行模型。通过合理调配进料量,该模型可实现能源供给侧设备的最佳运行参数和能源需求侧的能量需求。算例结果表明,所提优化运行模型可实现沼气热电联供系统经济性的提升,同时能促进余热的有效利用。

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改性HZSM-5催化玉米秸秆与HDPE共热解制轻质芳烃

李延吉, 赵明, 李明泽, 宋瑞雯

2023, 44(4): 238-246. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1534

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为提高生物质与聚乙烯共热解中苯、甲苯、乙苯、二甲苯和萘（简称）BTEXN和轻烯烃的产量,同时抑制C₂₁⁺蜡的形成,通过TG-MS/FTIR和Py-GC/MS探究催化共热解中HZSM-5和改性HZSM-5对玉米秸秆和HDPE相互作用的影响,并对BTEXN进行定量分析。结果表明,在HZSM-5的催化共热解中,HZSM-5可促进玉米秸秆与HDPE之间的相互反应,芳烃和轻烃产率增加。相比HZSM-5,在改性HZSM-5的催化共热解中,改性HZSM-5可促进轻烯烃、C₅-C₁₁脂肪烃和芳烃的析出,并抑制$C^{+}_{21}$蜡的形成。Cu、Fe和Ce改性可促进单环芳烃的形成,同时提高BTEXN产量,相比HZSM-5分别提高20.99、25.43和20.89 mg/g,而P改性会抑制BTEXN形成。对于形成芳烃的Diels-Alder反应,Fe和Ce改性表现出较强的催化效果,而Cu改性对烃池反应催化效果较强。此外积碳分析表明,Fe和P改性具有较强的抗积碳能力。

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矿堆区菊芋块茎乙醇转化性能及重金属归趋

樊战辉, 曾丽娟, 戚明辉, 肖文雄, 沈飞

2023, 44(4): 247-252. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1554

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以重金属污染土壤种植的菊芋块茎为原料经过磷酸水解后发酵产生乙醇,对水解条件、转化性能及重金属在乙醇生产各环节的归趋进行研究。结果显示：水解磷酸浓度4%、温度90 ℃、时间180 min,固液比1:6时,还原糖产率高达92.40%。水解糖液发酵48 h后乙醇产量达53.04 g/L,转化率高达理论转化率的94.00%。乙醇生产中,40%~90%的重金属物质进入废渣废液系统,进入乙醇的部分小于2%,表明重金属污染土壤种植菊芋对后续乙醇转化无影响,在实际生产中应加强废渣的重金属管控。

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航速及吃水对六筒复合型基础静水拖航过程影响的试验研究

王道广, 赵荥, 贾楠, 张浦阳

2023, 44(4): 253-258. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1482

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针对深远海能源开发所处环境复杂恶劣的问题,提出一种可自浮拖航的六筒型综合平台基础结构。针对结构的自浮拖航过程,采用模型试验的方法对航速和吃水对其拖航过程中的各舱舱压、横纵摇倾角度以及拖航阻力的影响进行研究。结果表明：随着航速的增加,筒型基础的舱压变化增大,在实际拖航过程中应注意对舱压变化较大的舱室进行补气调平,保证足够的拖航稳定性;不同航速和吃水下的筒型基础浮运过程的横纵摇角均在-3°~1°范围内波动;拖航阻力受航速和吃水的影响较为明显,在相同吃水下,航速从0.3 m/s增加到0.4 m/s时,对应的拖航阻力平均值约增大1倍。

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基于三维DTRT传热模型的地源热泵土壤热导率测试方法研究

邓臻鹏, 年永乐, 程文龙

2023, 44(4): 259-265. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1471

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为进一步提升土壤热导率测试精度和效率,基于建立的三维分布式热响应测试（DTRT）理论模型,结合粒子群算法提出一种新型土壤热导率的DTRT测试方法,并基于该方法对土壤热导率的时空变化规律进行研究。首先针对U型埋管换热器建立DTRT三维传热分析模型,然后通过建立DTRT实验平台获得流体温度数据并验证建立的传热模型,同时利用建立的模型计算分析土壤热导率、管间距和加热功率对流体温度的影响,最后基于不同时间和深度的温度数据并采用粒子群算法对土壤热导率随时间变化和空间分布规律进行研究。研究结果表明,建立的DTRT理论模型具有较高精度,流体进出口温度的平均分析误差约为0.5 ℃;利用不同深度的温度数据预测出的土壤热导率稳定性较好,最大偏差仅为1.49%;不同时间土壤热导率的预测结果收敛性也较好,在5和20 h下的测试结果偏差仅为4.67%。此外,土壤热导率预测结果与参考值吻合度较高,说明该文提出的方法可在短时间内对不同深度的土壤热导率进行有效预测。

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基于改进型P-E下垂控制的低压交流微电网不同容量储能单元SOC均衡策略

吴青峰, 褚晓林, 于少娟, 刘立群, 陈昱同

2023, 44(4): 266-275. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1244

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针对现有基于有功-电压（P-E）下垂控制的荷电状态（SOC）均衡方案未考虑容量差异对分布式储能单元（DESU）SOC均衡影响且SOC均衡过程伴随着电压质量下降的问题,提出适用于不同容量DESU的SOC均衡策略。分析传统P-E下垂控制工作特性,得到SOC、电压和频率调节机理。在P-E下垂控制中引入SOC、电压和频率调节项,并引入多代理技术计算SOC调节项中的SOC平均值。改进后的P-E下垂控制在无需中央控制器/本地脉冲控制器和不影响电压质量的前提下,消除不同容量DESU组间SOC不均衡差,并克服负荷波动引起的电压下降和频率上升问题。建立所提方案小信号模型,通过分析根轨迹确保设置的控制参数保持系统稳定。仿真模型和实验平台获得的仿真和实验结果证实提出策略的可行性。

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计及弃风消纳的储电-蓄热协同优化控制研究

刘豫亳, 谢丽蓉, 彭维, 徐询, 马兰, 包洪印

2023, 44(4): 276-282. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1407

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针对新疆地区全年供暖期长、供暖期间弃风情况严重的问题,考虑采用蓄热式电锅炉将风能进行转换以促进弃风就地消纳能力。首先考虑风电的快速波动及随机性等不确定性,引入具有灵活调节、双向流动功能的电化学储能协同蓄热式电锅炉消纳弃风。然后建立蓄热-储电系统的供暖模型,根据所提出优化控制策略进行仿真调度。最后以新疆某风电场的真实数据为例,通过仿真分析对比不同供暖方案下弃风消纳率和供暖效益,验证所提方案的经济性及有效性。

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AA-CAES系统释能过程安全减出力控制仿真分析

杨大慧, 文贤馗, 钟晶亮, 冯庭勇, 邓彤天, 蔡永翔

2023, 44(4): 283-289. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1529

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针对先进压缩空气储能（advanced adiabatic compressed air energy storage, AA-CAES）系统释能发电阶段储热或储气能量不足时,膨胀发电机组将被迫突发停机,负荷突降会对电网稳定性造成冲击的问题,提出AA-CAES系统释能发电阶段安全减出力控制的控制策略,同时基于10 MW AA-CAES系统建立安全减出力控制仿真回路,探讨降负荷速率、蓄热罐水位限定值等关键参数对AA-CAES系统发电过程的影响。仿真结果表明,投入安全减出力控制回路能够有效延长AA-CAES系统释能发电时间,为电网提供应急安全时间,能有效缓解突减负荷对电网的冲击,具有广阔的推广应用空间。

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改性正十八烷相变纳米胶囊制备表征及在太阳能建筑中的应用

张馨文, 翟鑫钰, 董辈辈, 王荆航, 彭浩

2023, 44(4): 290-298. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1561

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将相变纳米胶囊与传统建筑围护结构材料进行结合,通过非机械化储能方式提高传统被动式太阳能建筑的集热和控温性能,从而实现室内节能。通过微乳液聚合法制备分别含有3种成核剂（纳米Al₂O₃/C₂₈/C₁₄H₃₀O）改性的C₁₈/SiO₂相变纳米胶囊,并采用浇铸法制备含有最佳相变纳米胶囊的石膏板。通过傅里叶变换红外光谱、X射线衍射和扫描电子显微镜测定相变纳米胶囊的化学结构和外貌,差示扫描量热法、热量分析及激光导热仪探究其储热性能,并对相变纳米胶囊石膏板进行一系列综合热性能测试。结果表明：相变纳米胶囊呈球状,粒径范围为100~300 nm。与不含成核剂的相变纳米胶囊相比,含15% C₁₄H₃₀O成核剂的过冷度降低49.00%,导热系数提高13.76%,并具有优异的热耐久性和可靠性。因此,将15% C₁₄H₃₀O改性的相变纳米胶囊应用于石膏板,通过引入温差评价发现,添加10%相变纳米胶囊的石膏板更有利于充分吸收外界热量,减小温度波动,从而实现被动式太阳能建筑室内节能。

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质子交换膜燃料电池整车辅助散热系统设计建模及分析

陶丽蓉, 刘煜, 孔红兵, 赵政顺

2023, 44(4): 299-305. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1396

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建立车载质子交换膜燃料电池（PEMFC）辅助散热系统数学模型,进行某客车PEMFC发动机辅助散热系统的管路连接方式设计,对管路流阻、冷却液流量及其温升进行分析并开展试验对数学模型进行验证。结果表明：数学模型准确可靠且可用于设计和优选PEMFC辅助散热系统的管路连接方案,相同总冷却液流量下（空压机控制器-空压机本体）||（降压DCDC-升压DCDC）||（氢泵控制器）的三路并联方案的总流阻较（氢泵控制器-空压机控制器-空压机本体）||（降压DCDC-升压DCDC）的两路并联方案降低40.7%,各分支管路的冷却液流量均满足部件散热要求,冷却液温升满足整车散热要求。

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需求侧资源参与分布式电源并网的协同调控

潘超, 范宫博, 包钰婷, 李润宇, 于凤娇, 鲍峰

2023, 44(4): 306-315. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0170

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风光电源渗透率的提高增大了电网消纳新能源的难度,针对该问题引入需求侧资源响应模型,采用阶段式优化方法对含分布式电源的电网协同调控进行研究。在第一阶段依据网损灵敏度确定分布式电源与抽蓄接入位置,第二阶段考虑经济成本确定受控资源容量,第三阶段按照各类资源响应容量划分不同场景,考虑主/被动资源协同作用,分析电网在经济运行、风光使用、电压稳定性及削峰填谷等方面的效果。为提高阶段优化的求解效率并保持解集多样性,采用改进粒子群算法进行计算。最后结合东北地区某实际电网进行仿真分析,验证了所提方法的合理性和有效性。

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结合数字延时补偿的并网逆变器阻抗重塑方法

李建文, 马小棠, 吴滨源, 李戎, 杨瑞卿

2023, 44(4): 316-323. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1388

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首先建立并网逆变器阻抗模型,探究数字延时导致系统稳定性降低的原因,然后提出一种结合数字延时补偿的并网逆变器阻抗重塑方法,包括牛顿插值预测的延时补偿策略和逆变器阻抗重塑策略。该方法可有效削弱数字延时对逆变器输出阻抗的不利影响,提高阻抗相交点频率处的相位裕度,拓宽并网系统适应电网阻抗变化的范围。最后,基于半实物仿真平台RT-LAB,搭建并网逆变器模型进行实验,验证该方法的有效性。关键词：LCL型并网逆变器;弱电网;并网控制;稳定性;延时

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基于灰色综合关联度的柔性直流配电网故障定位

徐岩, 胡紫琪, 董浩然, 马天祥

2023, 44(4): 324-331. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1416

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为解决柔性直流配电网对故障定位的准确性和快速性要求高的问题,提出一种基于灰色综合关联度的柔性直流配电网故障定位方法。利用灰色综合关联度分析线路首末线模行波差动电流波形的相似性,通过求解最佳时移来实现故障定位。在Matlab/Simulink中搭建六端柔性直流配电网模型进行仿真验证,结果表明该方法可完成全线各类故障的迅速准确定位,并有一定的抗过渡电阻能力,适用于采样频率较低的情况,具有较高的可靠性。

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低开关频率下并网变换器的控制及稳定性分析

黄鹭鹭, 高波

2023, 44(4): 332-340. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1055

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分析LCL型并网变换器网侧电流反馈控制和变换器侧电流反馈控制阻尼系统的稳定性。从主导极点的角度分析低开关频率下2个共轭复根的位置决定了根轨迹的走向,进而影响系统的稳定。已有的有源阻尼方法都是各自独立提出的,缺乏系统的研究以便于提出新的有源阻尼控制方法,通过对并网变换器稳定控制的分析可得到阻尼控制方法的本质。数字延时本质上是一种串联校正,揭示了延时改变系统相位特性。数字延时的相位滞后在某些情况下有利于系统稳定,但这取决于测量反馈量的传感器位置和谐振频率。该文在离散域下对电流控制器参数进行设计,从工程实用的角度给出快速确定控制器参数的方法。最后通过仿真和试验验证理论分析的正确性。

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基于改进熵权层次法的分布式供能设备预防性维修策略优化

费斯奇, 袁铁江, 齐琛, 翟保豫

2023, 44(4): 341-348. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1510

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该文提出一种基于改进熵权层次法的分布式供能设备预防性维修策略。选取重要度和故障危害度评价指标,将熵权法与层次分析法结合计算各预防性维修评价指标的综合权重,并量化为设备及其部件的重要度与危害度指数;提出基于威布尔分布的预防性维修费用模型,建立考虑重要度、危害度、经济性三大预防性维修指标的优化体系;以基于改进熵权层次法维修决策指标最小为目标提出分布式供能设备预防性维修模型,计算分布式供能设备的最优维修时间间隔。以分布式供能系统各关键设备及风力发电机组部件为例对提出的策略进行数值模拟,结果显示提出的预防性维修策略能较好地反晨映维修对象的故障发生规律并确定出更加科学合理的维修时机和周期。

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计及激励型需求响应的热电互联虚拟电厂优化调度

师阳, 李宏伟, 陈继开, 刘鸿鹏

2023, 44(4): 349-358. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1524

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目前,对多能量虚拟电厂在多种不确定性条件下的优化调度问题研究存在不足。针对这些不确定性问题,提出计及激励型需求响应的热电互联虚拟电厂优化调度模型。首先,针对分布式能源发电的不确定性,根据不同时刻风速、光照强度相关性,利用Student-T Copula函数得到风光发电场景;其次,综合考虑电热相关约束,建立以虚拟电厂效益最大为目标函数的优化调度模型;然后,采用改进型多元宇宙算法对所提出的模型进行优化求解;最后,通过算例仿真,验证所提出的优化调度模型能够平缓负荷曲线,减少环境污染,提高虚拟电厂整体经济效益。

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基于导前微分控制的虚拟同步发电机功频特性控制策略

高长伟, 黄翀阳, 郭丹, 黄志东

2023, 44(4): 359-370. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1566

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该文对可再生能源发电并网逆变器虚拟同步发电机（VSG）控制策略进行研究,针对传统VSG不能兼顾动态调节特性与稳态性能这一缺陷,提出一种改进的虚拟同步发电机控制策略。在传统同步发电机本体控制算法数学模型分析基础上,建立虚拟同步发电机有功功率对于频率波动的闭环传递函数,研究动态过渡过程中转动惯量与阻尼对有功功率响应的影响机理。在传统VSG功频控制器中引入导前微分控制环节与惯性校正环节,提出基于导前微分控制的改进虚拟同步发电机功频控制策略,建立有功功率对于频率波动的闭环传递函数,分析离网与并网状态下的功频特性。通过对导前微分环节控制参数的调节,抑制过渡过程中的功率振荡,实现VSG动态特性与稳态性能的解耦控制。

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湖水源热泵系统传热分析及水体热平衡计算

向佳卉, 邹声华, 李文菁

2023, 44(4): 371-376. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1421

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该文以湖南科技大学应用水源热泵系统的水体——月湖为对象,通过调查分析湖水源热泵系统运行时对湖水水温造成的影响及景观水体构建对湖体得热与散热的影响,得出结论：基于麦凯尔方程计算水气之间对流换热叠加飞散水滴换热量,形成新的公式用于瀑布散热量计算的误差为4.3%,景观水体对湖水降温起到了有效作用;通过观测分析,确定湖水变温层的厚度,并用湖水净得热量在湖水变温层内计算的理论温差值与实际测量温差值的误差为2%。

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供暖水温对低温空气源热泵制热性能影响的实验研究

李露露, 尹应德, 刘世杰, 朱冬生, 谭连元

2023, 44(4): 377-383. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1501

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为研究在低环境温度（-25 ℃）下不同供暖水温对低温空气源热泵（ASHP）的制热性能的影响,研制一种新型全尺寸双系统空气源热泵样机,该样机可用作工业化的商业产品,并采用液体载冷剂（LSR）法计算制热量。实验结果表明：在-25 ℃环境温度下,供暖水温从41~55 ℃时,样机的制热量由29.57 kW降至19.71 kW,降低了33.33%,消耗功率从19.20 kW增至23.36 kW,增长了21.69%,制热性能系数从1.54降至0.84,降低了45.45%。该研究可为空气源热泵在低温环境下的应用提供参考。

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一种应用于航天器分布式供电系统的ZVS三端口DC-DC变换器

王杉杉, 高明, 石健将

2023, 44(4): 384-392. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1376

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提出一种应用于航天器分布式供电系统的零电压开关（ZVS）三端口DC-DC变换器（TPC）。对于集成双Buck/Boost双有源桥DC-DC变换器型TPC,一次侧开关管的ZVS范围与3个端口的电压及3个端口之间的传输功率有关。为了实现一次侧开关管ZVS范围的扩展,提出在电路拓扑结构中引入基于耦合电感的辅助电路,相较于传统ZVS实现方法,该拓扑可防止蓄电池端口电流波形上的陷波,进而有利于航天器分布式供电系统中蓄电池寿命的延长。此外,磁耦合电感可减少电感数量,不仅起到滤波作用,还为主开关管提供ZVS实现条件。最后,搭建TPC样机进行实验验证,结果验证该拓扑与控制方法的可行性。

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一个新的太阳电池显式模型以预测在任何太阳辐照度和温度时的I-V

张建新, 刘俊星, 傅文珍, 刘昶时

2023, 44(4): 393-397. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1381

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采用求解满足实验结果的微分方程,建立一个三参数的显函数模型。经过22条实验数据的验证肯定该模型的正确性。更好的结果是该工作成功地发展出次级模型即模型参数同太阳辐照度及温度的定量关系,从而实现用太阳辐照度和温度预测太阳电池的I-V。

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基于高频注入的主动式智慧建筑直流系统串联型电弧故障检测方法

王泽鲲, 龚春阳, 包俊, 朱国忠, 王志新

2023, 44(4): 398-406. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1383

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提出一种基于高频注入的主动式智慧建筑直流系统串联型电弧故障检测方法。通过线圈耦合的方式向直流母线注入一定特征的高频电流信号,提取电流输出响应信号特征,再经过小波变换分析电流输出与输入信号特征变化及其稳定性,制定识别电弧故障的判据。基于Matlab/Simulink仿真平台和Cassie电弧模型进行仿真分析,并设计相应的实验验证平台,结果表明所提出的检测方法能准确识别系统串联电弧故障,且能有效降低电力电子等开关器件噪声和不同运行工况等外部条件的影响,鲁棒性较强。

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一种高效双路径注意力太阳电池缺陷检测网络

周颖, 王如意, 袁梓桐, 刘坤, 陈海永

2023, 44(4): 407-413. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1400

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针对多晶硅太阳电池片缺陷尺度不一、跨度大、表面纹理背景复杂、缺陷微小微弱的特性,基于Yolov4提出一种新型检测框架EDANet,构建两个新型的模块：跨尺度空间增强模块（CGSE）和自校准压缩-激励模块（SCSE）。CGSE模块作为空间注意力以多尺度的形式将特征进行融合、抑制背景、突出前景、重加权特征图,引导网络学习正确的前景背景特征分布;SCSE模块以通道注意力的形式对高层特征的每个空间位置建立长距离依赖关系,通过显式合并信息帮助网络生成更多的辨识性表示,以区分微小微弱缺陷。实验结果表明：该网络的均值平均精度（mAP）值达到92.07%,在多晶硅太阳电池缺陷检测精度上有明显提升。

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极性相反杂质在硅锭中的抵偿效应研究

刘振东, 李志涛, 高倩倩, 刘瑞柱

2023, 44(4): 414-419. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1435

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采用Scheil方程和四探针法、霍尔效应技术、紫外-可见光吸收光谱以及XRD技术分别模拟和测试太阳能硅锭的杂质分布、电阻率、载流子浓度、带隙以及晶体结构,结果表明：若硅料中施主杂质原子浓度小于受主杂质的0.39倍,铸造的p型硅锭不会出现极性反转。由于极性相反杂质间的抵偿效应,在硅锭极性反转处形成p-n结区,少子寿命和体电阻率均达到最大值,且硅锭的晶体结构未发生改变,带隙比特征硅锭的带隙降低25.89%,对此段硅锭切片,可省略后续硅片的“磷扩散”过程。利用掺杂剂抵偿技术可制备高效率和低成本的晶硅太阳电池。

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改进SSD的光伏组件热斑缺陷检测方法

王道累, 李明山, 姚勇, 李超, 朱瑞, 李峰

2023, 44(4): 420-425. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1470

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光伏组件在运行过程中可能出现“热斑效应”,为及时检测热斑,提出一种基于SSD改进的热斑缺陷检测方法。将SSD骨干神经网络更换为ResNet 101,并提出一种新型注意力网络,该网络能学习同一通道特征图区域间关系。实验表明：改进后的SSD 300模型average precision 50（AP50）由96.3%提升至97.7%。针对热斑缺陷红外图像稀少的问题,提出一种新型图像增强方法,扩充热斑红外图像数据集,改进SSD 300模型AP50进一步提升至97.9%,且检测速率仍达到23.6 FPS,该方法基本满足实际应用需求。

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再生处理手段对p型多晶PERC太阳电池性能及热辅助光诱导衰减（LeTID）的影响

吁洵哲, 纪方旭, 周春兰

2023, 44(4): 426-431. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1476

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该文实验采用p型多晶PERC太阳电池,通过调整产线链式光注入（LS）设备中的风机功率和传送带速实现对光注入温度和时间的控制。结果表明,增加光注入的时间和温度能使太阳电池获得更好的效率稳定性。对比研究光注入以及先电注入后光注入两种再生处理手段对p型多晶硅PERC太阳电池抗热辅助光诱导衰减（LeTID）效应的影响。研究结果表明,光注入能使太阳电池中存在的非复合活性的缺陷前驱体在高强度光热的条件下解离或将其转化为稳定的缺陷。在75 ℃,1 sun的标准LeTID稳定性测试条件下,结合电注入与光注入再生处理手段的样品表现出更佳的LeTID稳定性。

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基于正交试验设计的双玻光伏组件仿真优化研究

关鹏, 张家瑞, 朱宸, 武谦, 姚玉东, 李彤

2023, 44(4): 432-438. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1481

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首先基于有限元方法,建立双玻光伏组件仿真模型,并对仿真结果进行实验验证;然后选取光伏组件边框的长度、宽度、高度和厚度为影响因素,以组件成本最小和强度最优为目标进行多次正交试验分析;最后,通过Pareto最优解方法获得光伏组件的最佳尺寸。结果表明：组件中心最大变形实验值与仿真值的最大误差仅为7.33%,证明仿真结果的准确性;最大应力随长度的增加而上升,随宽度的增加先上升后下降,随高度的增加而下降,随厚度的增加无明显变化;单位面积价格随长度的增加而下降,随宽度的增加略微下降,随高度的增加而大幅上升,随厚度的增加而上升;当组件长度为1200 mm,宽度为787.5 mm,高度为37.5 mm,厚度为1.5 mm时,满足应力要求且成本最低,与初始结构相比成本降低8.41%。

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基于电流极性分布的光伏直流送出线快速保护方法

马健, 刘源, 张鑫宇, 南东亮, 董雪涛, 赵启

2023, 44(4): 439-447. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1495

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为保障大型光伏电站通过直流升压汇集接入系统的方式安全稳定运行,保护装置需对直流送出线的极间短路故障准确判别。通过分析光伏直流送出线的故障特征,提出一种基于线路两端故障电流极性变化特点的快速保护方法。该方法利用二维映射原理,将线路两端换流器闭锁前的极性特征分布在二维坐标系中,并以概率描述的形式构造保护判据,从而避免极间短路故障存在极性穿越过程时依据瞬时值引起的误判。通过PSIM仿真平台搭建1 MW/±30 kV光伏直流升压外送仿真模型进行验证,结果表明,该方法可快速准确判别故障区段,且具有耐受较高过渡电阻、分布电容、噪声干扰及通信时延的能力。

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新型耦合电感高增益DC-DC变换器

袁成功, 张民, 薛鹏飞, 叶睿明

2023, 44(4): 448-455. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1526

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为满足新能源并网母线所需的高增益直流电压输出,设计一种新型耦合电感高增益DC-DC变换器。拓扑引入耦合电路倍压单元进行变换器的增益调节,通过钳位回路吸收耦合电感的漏感能量,削减开关器件工作时的电压尖峰,提升变换器效率。对工作原理及模态进行分析,通过数学公式对器件应力、增益进行推演。与其他3种典型变换器进行性能比较,结合理论及实验,验证新型耦合电感高增益DC-DC变换器的可行性及有效性。

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高增益耦合电感双倍压单元组合Cuk-Boost变换器

荣德生, 陈坤, 刘亚迪, 孙瑄瑨

2023, 44(4): 456-463. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1551

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为解决传统Cuk变换器升压能力不足、应力较大等问题,将Cuk变换器与Boost变换器进行叠加组合,并引入耦合电感双倍压单元,提出一种应用于高增益场合的组合式Cuk-Boost变换器。该变换器增加了以改变耦合电感匝比来调节电压增益的方式,并将拓扑中电容-二极管支路在作为倍压电路的同时还可作为钳位电路来吸收漏感能量,在使用较少元器件的情况下提高了变换器功率密度,降低了电压应力。对变换器工作原理和性能进行分析,给出各项设计参数,对比不同变换器的电气性能,最后通过搭建原型电路验证理论分析的正确性。

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太阳能驱动转轮空调在近零能耗建筑中的应用

褚于颉, 陈柳, 邓文杰, 赵玉娇

2023, 44(4): 464-471. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1390

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为实现近零能耗建筑能耗指标,提出一种热管型转轮除湿空调系统应用于湿热地区近零能耗建筑,并可通过三种太阳能系统驱动。在TRNSYS中进行建模,用搭建的实验平台进行实验验证。动态模拟太阳能驱动转轮空调系统全年运行情况。模拟结果表明：室外新风经太阳能驱动转轮空调系统处理后,可使室内温湿度满足人体热舒适性要求,其中采用光伏光热系统的热管型转轮除湿空调系统的耗电量最低,性能系数（COP）最高可达2.1,与传统空调系统相比,COP提高两倍,年平均能耗降低64.7%。

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带反射板的热管真空管集热器试验研究

王予, 王恩宇, 沈海笑, 张学友, 程永昌, 董淑锦

2023, 44(4): 472-478. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1394

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为研究反射板对太阳能集热器集热能力的影响,以带有12根Φ58 mm×1800 mm热管真空管的集热器为研究对象,在晴天和多云条件下对带波纹型、平面型、波纹平面型反射板和无反射板的集热器集热能力进行试验。结果表明：带波纹型反射板的集热器日集热量在晴天和多云条件下比无反射板时分别提高25.19%和26.50%,相比平面型反射板高1.15%和1.00%,相比波纹平面型反射板高10.32%和9.96%。在一天内,带波纹平面型反射板的集热器小时集热能力最小,带波纹型与平面型反射板的集热器集热能力在不同时刻相对大小存在差异。当集热器对环境无热损时,带波纹型、平面型和波纹平面型反射板的集热器集热效率比无反射板分别提高10.37%、8.94%和4.15%。

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太阳能热法海水淡化发展的关键路径

孔慧, 杨锦蕊, 陈靖, 马兴龙, 郑宏飞

2023, 44(4): 479-486. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1403

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针对传统太阳能海水淡化面临的成本高、效率低等问题,指出海水淡化系统中各部件严重分离、能量传输路径冗长、高温太阳能集热技术与海水淡化系统存在不匹配是其主要影响因素。通过探究太阳能热法海水淡化成本与聚光效率、产水率、热性能系数（η_GOR）等因素的关联关系,指出聚光直接加热、近零热容蒸发、能质梯级利用、能量多次利用、多目的系统以及与用户直接结合是实现太阳能海水淡化技术低成本大规模应用的关键路径。

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两种直膨式太阳能集热/蒸发器性能对比实验研究

郑思航, 姚剑, 赵耀, 陈道川, 代彦军

2023, 44(4): 487-491. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1411

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以直膨式太阳能热泵系统的集热/蒸发器为研究对象,设计一种新型优化集热/蒸发器,通过实验对比测试其在换热能力、温度均匀性、流动压力损失方面与原型集热/蒸发器的差异。研究结果表明：在环境温度为4.7 ℃,平均辐照度为454.8 W/m²的工况条件下,采用新型优化集热/蒸发器的系统COP可达到4.3,得热因子为1.752,无量纲压强损失系数为0.05,均优于原型集热/蒸发器,为集热/蒸发器的设计优化理论提供了实验验证。

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不同加热方式下热管接收器传热性能研究

张维蔚, 段林作, 袁东辉, 张子敬, 巴旭阳, 田瑞

2023, 44(4): 492-498. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1422

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为研究不同加热方式下热管的传热性能,该文设计并搭建一套具有非均匀加热功能的热管传热性能实验测试台架。实验测试加热方式（均匀加热、上表面加热、下表面加热）、加热功率和放置倾角对热管传热性能的影响。实验结果表明：加热功率和放置倾角一定,均匀加热时热管热效率最大,下表面加热时次之,上表面加热时最小;下表面加热时,热管总传热热阻最小,蒸发段传热系数最大,外壁面平均温度最低。无论采用哪种加热方式,随着放置倾角的增大,热管热效率均逐渐减小,总传热热阻逐渐增大,蒸发段传热系数逐渐减小;蒸发段液池区域外壁面温度均明显高于液膜区域;液膜区域,沿高度方向外壁面温度变化较小。

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太阳能烟囱集热棚入口增设挡板的热特性研究

王静文, 聂晶, 贾靖, 闫素英, 苏昊, 高虹

2023, 44(4): 499-505. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1514

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为提高太阳能烟囱集热系统（SCHCS）效率,提出在集热棚入口增设透明挡板优化设计方案。采用三维数值模拟结合离散纵坐标（DO）辐射模型、太阳光线追踪对集热棚入口无挡板、一层挡板、两层挡板3种模型对比研究。采用相同模型尺寸的SCHCS试验结果验证仿真结果正确性。对比分析3种模型对SCHCS温度、速度、压力、熵产、集热效率性能参数影响结果,选取更合适的集热棚优化设计。结果表明：与无挡板集热棚入口相比,改变集热棚入口设计可提高SCHCS温度场、压力场、速度场的均匀性。与一层挡板相比,两层挡板更好地改善了系统温度、压力、速度均匀性。太阳辐照度为200 W/m²时,两层挡板的集热效率比无挡板和一层挡板分别高8.49%、22.85%;太阳辐照度为1000 W/m²时,两层挡板的集热效率比无挡板和一层挡板分别高9.71%、13.05%。

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太阳能热泵系统配置形式及其研究进展

龚赞, 刘益才, 邓炎, 张玙, 刘诗岩, 武立康

2023, 44(4): 506-515. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1521

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采用不同用途及配置形式相结合的分类方法对太阳能热泵系统进行分类,指出不同形式太阳能热泵系统的特点、当前研究现状及未来发展趋势,分析环境及运行参数对系统热力性能的影响。通过文献综述发现,在一定运行工况下,直膨式太阳能热泵系统性能系数（COP）值可达9.40以上,非直膨式太阳能热泵系统COP值可达8.80以上。提出太阳能热泵系统的应用与研究应从能耗与效率、经济性、可靠性、运行与操控等方面着手,朝更加高效经济、节能可靠的方向发展。

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循环载荷作用下的高温熔盐储罐设计分析

蔡君, 刘长军, 郭洪辛, 谈建平, 曾鑫, 叶冬挺

2023, 44(4): 516-521. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1540

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以某大型光热电站高温熔盐储罐为研究对象,采用瞬态热-机械应力分析结果,依据ASME规范对储罐进行棘轮和蠕变-疲劳失效评估。结果显示：正常和异常工况下储罐均未发生棘轮失效,因异常工况下储罐壁面存在165 ℃的温差,其结构的棘轮应变较正常工况增加72%。异常工况下储罐会发生蠕变-疲劳失效,结构的蠕变损伤和疲劳损伤较不会失效的正常工况分别增加1.4倍和9.0倍。为避免入罐熔盐温度大幅波动给结构安全带来危害,故建议采用熔盐缓冲罐降低温度波动范围。

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冬季太阳能相变蓄热通风墙热工性能的数值模拟

陈佳慧, 康鑫

2023, 44(4): 522-530. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1545

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在建筑通风墙体中加入相变材料被认为是改善其冬季热工性能的有效方法。相变材料在墙体中可采用分块的方法进行宏观封装,此时材料在熔化过程中产生的自然对流现象十分显著,不能被忽略。该文使用开源计算流体力学框架OpenFOAM下开发的求解器针对被动式相变蓄热通风墙体的热工性能开展了数值研究,以准确模拟相关传热、流动、相变等物理过程。计算结果表明：相变材料蓄热墙能有效降低室内温度波动;相变材料内部的自然对流作用很大程度上影响着材料的熔化与凝固速度,因此材料封装时的长宽比以及分块方式应做出审慎选择。

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基于MLP-Garson模型的分钟尺度太阳辐照直、散射分离建模与验证研究

张起源, 王磊, 陈天鹏, 谢鹏, 张臻, 全鹏

2023, 44(4): 531-538. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0735

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为模拟分钟尺度的太阳辐射波动,根据江苏省常州市2018—2021年逐分钟辐射数据,采用Garson权重算法优化模型输入特征,并引入前10分钟的清晰度指数k_t时序数据作为附加特征,建立基于时序数据与MLP神经网络的分钟尺度新分离模型。在此基础上,对Engerer2模型、Starke模型和Yang模型3个最新提出的分钟尺度分离模型进行参数本地优化,并设计测试实验验证。验证结果表明：采用时序数据与MLP神经网络的新模型可有效提取短时间内的太阳辐射波动信息,新模型的归一化均方根误差（e_nRMSE）为10.690%,新模型精度较Yang模型提高了17.08%。

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黄土地基中能量桩热力学特性及承载变形性状模型试验研究

曹卫平, 李庆, 李清源

2023, 44(4): 539-546. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0812

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能量桩通过内置循环管与周围土体进行热交换来开采浅层地热能。通过室内模型试验,测试4个完整的冷热循环过程中能量桩仅受温度作用及热-力耦合两种工况下的桩身和桩侧土体温度、桩顶和桩侧土表面沉降、桩顶荷载及桩身内力,分析黄土地基中埋设单U形换热管的能量桩热力学及承载变形特性。试验结果表明,对于每个冷热循环过程,随循环时间增加能量桩热交换效率逐渐降低并趋于稳定状态,黄土地基中能量桩桩身温度随深度增加逐渐减小。冷热循环会使能量桩桩顶产生累积沉降,与仅受温度作用工况相比,在热-力耦合作用下能量桩桩顶累积沉降较大,桩侧土表面沉降较小,而桩侧土体受影响范围则较大。对于两种工况,冷热循环稳定后能量桩最大附加应力均出现在桩身中部,热循环时桩身上部摩阻力为负,下部摩阻力为正,冷循环时则相反。

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