太阳能学报

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杨杰, 张静, 孙欣伊, 张颖男, 郑德聪

2023, 44(5): 1-9. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1401

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采用响应面法研究荞麦秸秆生物质育苗钵密度、跌落破损率和承压破损率3个物理性能与成型压力、粘结剂用量及保压时间的关系,并应用多目标粒子群优化（MOPSO）算法对工艺参数进行三响应优化分析。试验结果表明：当压力为8~12 MPa、粘结剂用量为60%~90%、保压时间为11~14 min 时,育苗钵密度可达1.041 g/cm³以上,跌落破损率和承压破损率分别在2.97%和2.65%以下。最优成型工艺参数为压力11.73 MPa,粘结剂用量60.5%,保压时间12.7 min,此条件下育苗钵密度达到1.168 g/cm³,跌落破损率和承压破损率分别为2.52%和2.58%。

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不同生物质原料的气化合成制航煤的环境影响评价

潘小天, 仲兆平, 汪维, 郑翔, 沈钊丞, 邓玥

2023, 44(5): 10-16. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1601

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采用生命周期评价方法对玉米秸秆、稻壳和杨木3种生物质的气化合成航空煤油工艺路线进行环境影响评价。选取全球变暖、酸化、富营养化、光化学污染、人体毒性和固体废弃物6种环境影响类型,对3种工艺路线的全生命周期进行环境影响潜值计算。计算结果表明：系统全生命周期中生产阶段排放最多的是CO₂,占比为69.13%~74.36%;运输阶段环境影响最小,在各环境影响潜值中占比不足7%;玉米秸秆是3种生物质中环境影响最小的原料,减少费托合成反应器的耗电量可降低玉米秸秆工艺的环境影响。

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筒基平台破舱拖航性态试验研究

王道广, 赵荥, 张浦阳

2023, 44(5): 17-22. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1513

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针对筒基平台在中舱破舱情况下的静水拖航过程进行试验研究,分析破舱下沉及打气上浮过程中结构的运动性态,并对比不同航速条件下结构的拖航稳性,得到了中舱破舱情况及不同航速对结构拖航过程的影响。试验结果表明,中舱破舱对筒基平台的拖航稳性影响较小,因此可对结构进行优化,即将基础中舱与大气连通,以获得更好的下沉效果。

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浙江近岸海域实测大浪特征分析

周阳, 陈佳超, 张俊彪, 宋泽坤, 潘昀, 闫东号

2023, 44(5): 23-29. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1590

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采用现场测量方法分析浙江近岸海域在极端天气条件下的大浪特征,比较分析台风浪和寒潮大浪的差异,对台风浪和寒潮大浪过程的波参数进行统计分析、回归分析,结合风资料探讨波参数与谱变化特性,1年内共观测到5次台风浪过程和1次寒潮大浪过程。研究表明：涌浪作用较大时,波高和风速几乎无相关性;当风浪作用达到一定程度时,波高和风速呈同步变化趋势;研究海域的台风浪为区域内风浪和外海涌浪组成的混合浪,单峰谱、双峰谱和多峰谱为其波浪谱型,双峰谱最多;寒潮大浪过程为典型的风浪过程,其谱型为单峰谱。

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基于LBM-MFLS耦合模型的含水层渗流-传热过程模拟

马玖辰, 吕林海, 杨杰, 崔阿凤, 魏璠

2023, 44(5): 30-39. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1450

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基于有限长移动线热源（MFLS）传热模型,根据时空叠加原理推导出含水层非稳态过余温度解析解ΔT_MFLS;在格子单松弛模型（LBGK）的演化方程中引入离散力源项,建立格子Boltzmann法（LBM）与ΔT_MFLS的耦合计算模型。通过热响应实验,验证耦合计算模型与求解方法的正确性。研究表明,在不同计算工况下含水层各区域的渗流速度均具有启动—下降—回升—稳定的4个连续阶段。随着含水层孔隙率的降低,虚拟流体粒子动能损失增大,渗流速度降幅增大,回升过程缓慢。然而随着进水流速的提高,孔隙率的变化对于含水层水动力场演化过程的影响程度减弱;含水层热量运移过程的方向性显著增强。

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基于无通讯的微电网储能系统主动SOH协同控制方案

吴青峰, 杨凯义, 于少娟, 刘立群, 陈昱同, 董佳

2023, 44(5): 40-47. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1413

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针对传统有功功率-频率（P-f）下垂控制无法实现交流微电网内分布式电池储能系统（DBESS）健康状态（SOH）均衡问题,提出一种基于无通讯的微电网DBESS主动SOH协同控制方案。该方案研究下垂控制调节SOH机理,将DBESS放电深度（DOD）信息加入传统下垂控制,使DBESS能根据SOH状态平移下垂曲线,调节DBESS逆变器输出有功功率,实现DBESS组间SOH 协同控制。建立小信号模型分析控制参数对系统稳定性的影响。该方案属于主动控制方案,具有无通讯和分流电阻、造价低的优点。通过仿真模型和实验平台对所提策略的可行性和有效性进行验证。

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Li₂CO₃/Na₂CO₃/K₂CO₃及其混合熔融盐储热材料热物性分子动力学研究

杨薛明, 陶嘉伟, 孟凡星, 李春博

2023, 44(5): 48-58. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0019

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对Li₂CO₃/Na₂CO₃/K₂CO₃及其二元和三元混合熔融盐的密度、比热容、黏度、热导率进行分子动力学模拟（MD）,对比得出模拟结果与现有的实验数据和模拟值相近。结果表明：随着温度的升高,密度逐渐减小,离子之间的距离增加,导致对剪切应力的抵抗力变小,这说明单组分、二元和三元熔融盐黏度的负温度依赖性。对于熔融盐的热导率,单组分和二元熔融盐也呈现出负温度依赖性,而三元熔融盐趋势是随温度的升高呈上升状态。

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模块化多电平复合变换器电池储能系统模型预测优化控制策略

程志江, 田峰, 杨涵棣, 杨天翔

2023, 44(5): 59-66. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0064

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基于MMHC-BESS,将MPC算法与占空比调制思想结合,提出一种可有效减小系统计算负担的模型预测优化控制策略。控制策略利用MPC算法实现功率控制,通过变换器的离散模型反推出最优输出电压,采用载波移相调制方法实现开关信号输出。同时考虑电网电压不平衡状况,利用MPC算法对负序电流及功率波动进行抑制,具备较好的冗余容错运行能力。最后通过仿真模型验证了所提控制方法的有效性和可行性。

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基于BAS改进PSO算法对PEMFC温度的控制

陈际, 袁守利, 刘志恩

2023, 44(5): 67-73. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1426

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有效的质子交换膜燃料电池（PEMFC）热管理是提升其可靠性和耐久性的关键因素之一,该文通过控制PWM占空比来控制散热强度进而控制电池温度。在控制策略上,选用经改进的粒子群算法优化的模糊PID作为控制器,最后经Matlab/Simulink搭建的电堆温度模型仿真表明：该方法能有效解决PEMFC温度控制时变量多、强耦合的难题,使相对于传统的PID控制超调量下降57%,响应时间缩短27.8%,取得了响应速度快、超调小和鲁棒性强的控制效果。

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新型拓展流道PEMFC传质模拟与性能研究

武生威, 付丽荣, 刘维峰, 张筱松, 刘进一, 宫鹏华

2023, 44(5): 74-79. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1608

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该文提出一种带有拓展区域的新型PEMFC流道,拓展区域长度分别设计为1、2和4 mm。采用COMSOL软件建立三维等温稳态模型并进行数值计算。结果表明：新型拓展流道PEMFC性能均优于传统直流道PEMFC,其最佳拓展长度为2 mm。在高电流密度下,拓展流道使氧气分布更加均匀,提升水的去除能力。当取最佳拓展长度时,增加拓展区域数量能进一步提升燃料电池性能,与传统直流道相比,双拓展区域的流道使PEMFC峰值功率密度提高了18.44%。

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太阳能“冷-热-电”联供系统集成建模与运行优化

匡慧子, 李薇, 王旭, 许野, 刘铠诚, 谭钧元

2023, 44(5): 80-87. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1541

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遵循“负荷预测-机理仿真-软件模拟-协同优化”的技术路线,在运用DeST软件预测上海某酒店全年逐时冷、热负荷、PVsyst软件计算光伏发电量和构建燃气轮机仿真模型计算能源输出的基础上,将上述计算结果输入预先构建的太阳能“冷-热-电”联供系统运行优化模型中,得到合理、可行的系统供能方案。相较于传统优化模型,运用集成方法得到的调度方案更有利于实现能源供需平衡,可为其他类似系统的运行和管理提供很好的示范。

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智慧建筑直流系统故障限流器拓扑及参数设计研究

侯杰, 龚春阳, 包俊, 王志新

2023, 44(5): 88-96. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1564

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含光充储用的智慧建筑直流系统具有更好的经济效益和环境效益。为避免短路过电流对智慧建筑直流系统造成危害,该文提出一种双向直流故障限流器拓扑,其特点为电流通过全桥换向阀组、单向流经全控开关管和各并联支路,故障后通过关断单向载流的开关管增大阻抗实现双向限流。分析该限流器的电阻、电感参数对电压应力和电流抑制能力的影响。其中,限流器参数在动作前对抑制效果影响较小;二极管和开关管的电压应力峰值与电阻取值几乎呈线性关系;动作后的电流抑制效果在电感增加时趋于饱和,而在电阻增加时抑制效果提升明显但受电压应力约束。采用Matlab/Simulink对限流器在375 V直流系统中的应用进行仿真验证,结果表明该限流器能满足智慧建筑直流系统故障电流抑制要求。

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基于需求侧用户响应分析的电-气-热综合能源系碳经济调度

李虹, 林兰心, 赵小军

2023, 44(5): 97-105. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1585

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在低碳经济的背景下,为充分发挥供需双侧的互动潜力,提出一种考虑综合需求响应（IDR）和碳交易的电-气-热综合能源系统（EGH-IES）双层低碳经济调度模型。首先,提出考虑多能负荷自身特性、耦合特性和反弹效应的IDR模型和用户权衡经济效益、响应方式和用能偏好的综合效益模型。基于此,建立上层模型为引入奖惩阶梯型碳交易机制的EGH-IES低碳经济调度,下层模型为IDR策略的双层优化调度模型。然后,通过Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件、对偶定理和线性化方法将双层模型转换为混合整数线性规划问题进行求解。最后,算例分析表明,综合考虑碳交易和多元负荷特性能促进供需双侧的联合优化,充分发挥EGH-IES的经济低碳性。

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考虑碳交易机制的源-荷-储协整优化模型

王利猛, 刘永宁, 许成哲

2023, 44(5): 106-112. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1613

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为了增加新能源的利用率,减小碳排放,提出一种考虑碳交易机制的源-荷-储协整优化方法。首先建立阶梯式碳交易成本模型,分析碳交易机制提高新能源消纳的原理;然后在优化阶段建立考虑源-荷-储时序相关特性的协整约束,搭建含碳交易机制以系统运行成本最小为目标的源-荷-储优化协整模型。最后通过仿真算例分析表明：考虑碳交易机制的源-荷-储协整优化能得到常规机组出力平稳、新能源利用率最高、系统运行成本最低的运行方式,验证了所提优化方法的有效性。

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基于注入电流调控的含分布式电源配电网消弧与选线方法

杨理斌, 喻锟, 曾祥君, 李理, 王福恒

2023, 44(5): 113-120. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0028

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为解决分布式电源（DG）接入中压配电网,导致消弧线圈难以抑制接地故障残流,从而无法实现可靠消弧的问题,分析DG接入对接地故障电流的影响,提出基于注入电流调控的含DG配电网消弧方法。通过有源消弧装置向中性点注入测定电流得到正序网络等效电压源的大小,计算并注入消弧电流,实现接地故障可靠消弧。进一步提出基于零序导纳测量的接地故障选线方法,通过对有源消弧装置和馈线零序导纳的测量,实现接地故障准确选线。PSCAD/EMTDC仿真结果表明,该方法可有效抑制含DG配电网接地故障残流,从而熄灭接地故障电弧,并实现永久性接地故障馈线的准确判别。

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两种运行模式下光煤互补发电系统热性能对比分析

肖艳红, 郭田, 余廷芳

2023, 44(5): 121-127. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0031

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以某空冷600 MW光煤互补发电机组为研究对象,对机组在两种典型运行模式下太阳能发电量、光电转换效率、标准节煤量等热性能进行分析比较。针对已建成光煤互补机组,提出太阳能利用效益最大化新热循环效率评价指标,并以新热循环效率最大为目标的光煤互补机组背压优化新方法,获得不同负荷下背压优化后机组热性能的提升效果,最后定量分析环境温度对机组热性能优化的影响。结果表明：机组在“功率增大型”模式下的热性能更优;背压优化后机组在两种运行模式下的热性能提升效果受太阳直接辐照度和机组负荷影响。光电转换效率、热循环效率和节煤量的提升效果随环境温度的降低而增强。

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基于合作-非合作博弈的光储荷网协同运行策略

王秀丽, 闫璐, 刘豹, 赵凤江, 高本锋

2023, 44(5): 128-138. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0574

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针对光伏发电主体与电力用户进行电力直接交易的问题,利用合作-非合作两阶段博弈理论,对光储荷组成的微网系统与电网协同运行的过程展开优化调度和协商议价两阶段的研究。第一阶段通过优化调度提高联盟收益,针对微电网运行特性搭建数学模型,采用交替方向乘子法以避免在交易过程中出现电量由于叠加作用而相互抵消的情况,利用合作博弈得到调度结果;第二阶段首先分析电价对交易模式的影响,搭建光伏发电主体与用户协商议价模型,在天牛须搜索算法的基础上进行改进,采用与自适应矩估计相结合的讨价还价模型,利用非合作博弈分配收益得到最优交易电价。最后通过算例验证模型的可行性,结果表明所搭模型在提高微网收益的同时,通过市场的引导作用提升光伏消纳水平。

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集成倍压电路的准Z源软开关变换器稳态研究

王凤莲, 周明珠, 曹益畅, 韦正怡, 丁新平

2023, 44(5): 139-145. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1423

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提出一种集成倍压电路的准Z源软开关DC-DC变换器（qZS-SCSS）。通过同步整流技术,将阻抗网络中的二极管替换为辅助开关管S_a,不仅可降低了被替换二极管的导通损耗,而且可提供主开关S的ZVS开关特性;二极管在ZVZCS环境下运行,能极大降低开关损耗和反向恢复损耗;同时通过钳位回路吸收耦合元件的漏感能量。变换器qZS-SCSS具有输入电流连续、能满足光伏发电系统电压增益要求、输入输出共地、电压增益高、效率高等优点。分析和推导变换器的工作模态、电压电流应力、效率损耗和与其他变换器的对比,最后搭建输出功率100 W样机验证理论分析的正确性。

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100 keV质子辐照InGaAs单结太阳电池性能退化机理研究

玛丽娅·黑尼, 陈馨芸, 雷琪琪, 艾尔肯·阿不都瓦衣提, 李豫东, 郭旗

2023, 44(5): 146-151. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1458

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为研究太阳电池光电参数由低能质子辐照产生的辐射损伤机制,对In_0.53Ga_0.47As单结太阳电池开展100 keV 质子辐照及退火试验研究,分析太阳电池电参数和光谱响应在辐照及退火前后的变化规律,结合SRIM仿真计算结果对辐照引起的位移损伤进行讨论。结果表明,当质子辐照累积注量为5×10¹² p/cm²时,In_0.53Ga_0.47As单结太阳电池的短路电流、开路电压和最大输出功率分别衰减到其初始值的88.8%、88.3%、72.3%;太阳电池光谱响应在短波区的衰减比长波区更严重。SRIM仿真结果表明,上述结果是由于100 keV的质子能量沉积在In_0.53Ga_0.47As单结太阳电池发射区和基区顶部而产生位移损伤缺陷导致的。对辐照后的太阳电池样品进行150 ℃退火处理,太阳电池电学参数因辐射感生缺陷的湮灭而产生了不同程度的恢复。

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基于PI控制器有源阻尼的并网逆变器自适应改进策略

赵铁英, 高宁, 杨杰, 杨明, 李俊然

2023, 44(5): 152-161. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1574

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弱电网条件下,随着电网阻抗的增大,网压比例前馈与锁相环会导致系统鲁棒性大幅降低。为此,建立包含锁相环以及网压比例前馈的LCL型并网逆变器阻抗模型,并使用阻抗分析法进行稳定性分析。提出采用PI控制器有源阻尼的改进策略对逆变器等效输出阻抗相位进行补偿,从而扩大系统对弱电网的适应范围。然而,改进策略具有一定的局限性,因此在改进策略的基础上加入自适应环节,通过粒子群优化算法结合电网阻抗测量技术对所加控制器参数进行自适应优化,从而进一步提升系统在电网阻抗宽范围变化时的鲁棒性。最终通过仿真与实验验证自适应改进策略的正确性和有效性。

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弱电网下LCL型单相并网逆变器的鲁棒延时补偿策略

丁欣, 施睿清, 薛睿南, 郑天志, 孔繁镍, 陈延明

2023, 44(5): 162-170. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1595

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考虑到控制延时,LCL型光伏并网逆变器传统电容电流反馈有源阻尼（CCFAD）仅能保证采样频率f_s的1/6以内系统稳定。弱电网中,电网阻抗的变化会导致实际谐振频率f_r偏移,若f_r大于f_s/6,系统鲁棒性将会变差。为解决传统CCFAD有效阻尼区间不足的问题,提出一种基于延时补偿的改进CCFAD控制策略,通过在电容电流反馈通道串入级联超前相位补偿器,补偿控制延时引起的相位滞后,将有效正阻尼区扩展至（0,f_s/3）频段,扩大系统稳定域。此外,电流控制环采用比例复数积分（PCI）控制策略,提高了并网电流跟踪性能,仿真和实验验证了所提策略的可行性。与传统CCFAD方法相比,所提延时补偿策略扩大了有效阻尼区,增强了系统鲁棒性。

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积尘形态及密度对太阳能PV/T系统的性能影响研究

张东, 俞凯, 景金龙, 刘畅, 安周建, 李秉阳

2023, 44(5): 171-177. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1596

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在室外搭建太阳能光伏/热（PV/T）系统实验测试平台,研究积尘形态及密度对系统性能的影响。研究结果表明：积尘形态主要影响太阳能PV/T系统的光热效率,积尘密度主要影响系统的光电效率。与松散积尘相比,粘结积尘对系统光热效率及综合效率的影响更大。当松散积尘密度从0变化至33.79 g/m²时,系统的光热效率下降率仅为2.32%,而系统的光电效率下降率高达48.65%。在该文实验中,随着积尘密度的增大,太阳电池的工作温度依次为53.99、52.92、50.73和55.58 ℃,呈先降后增的变化趋势。故少量积尘不会使太阳能PV/T系统中太阳电池的工作温度升高而影响其正常工作。

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新颖的小容量光伏/燃料电池供电逆变器

秦舒然, 江加辉, 陈道炼, 陈伟强

2023, 44(5): 178-187. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1602

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针对多种新能源联合供电场合,提出一种新颖的小容量光伏/燃料电池供电逆变器,并对其电路拓扑、能量管理控制策略、高频开关过程、双输入源占空比、输出电压复合控制器设计、双输入源共模抑制等关键技术进行深入研究。该电路拓扑是由双输入源选择开关、工作半个输出周期的2个双向Flyback直流斩波器、交流滤波电容级联构成。该文所提主从功率分配能量管理SPWM复合控制策略通过控制输出电压瞬时值和多输入源输出功率比来实现对输入源的能量管理和2种工作模式无缝切换。设计并研制的1 kVA光伏/燃料电池双输入逆变器样机的实验结果表明,该逆变器具有单级功率变换、变换效率高、占空比调节范围宽、输出波形质量高、不同供电模式间无缝切换等优良性能。

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光伏直驱PV/T双源热泵热水系统性能研究

褚磊驰, 赵善国, 高远志, 刘畅, 张小松

2023, 44(5): 188-194. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1606

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针对传统太阳能光伏光热PV/T双源热泵存在的热力性能差、能量损耗大等问题,提出一种光伏直驱PV/T双源热泵制热水系统（太阳能+空气源）,并对系统进行实验研究。结果表明,在室外平均环境温度27.9 ℃、平均太阳辐射强度691.1 W/m²的夏天户外实验工况下,系统运行约4 h,将250 L 26.5 ℃的水加热到目标温度55 ℃,热泵平均COP为8.83。实验期间,PV/T光伏组件的平均温度比同样工况下的纯参比光伏组件温度降低9.8 ℃,光电性能相对提高17.53%。

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屋顶光伏电站的智能给水清洗方案研究

王荣祥, 陈娟, 纪克鹏, 赵富强

2023, 44(5): 195-202. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0034

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针对目前屋顶光伏电站的清洗难题,设计开发智能清洗系统——iClean清洁系统,研究屋顶光伏板积灰及定期清洗对发电量的影响;通过水路控制系统和水路管网系统设计,解决屋顶人工清洗的高危险、高成本、低效率等难题,可极大地提高屋顶光伏发电站的发电量,相较于常规的清洗方案,该智能清洗方案累计净提高发电量7%~14%,且可实现设计安装的标准化、数据检测的智能化等。

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基于IP&O-ICS算法的光伏系统MPPT控制研究

李昂, 刘文锋, 李音柯, 高春阳

2023, 44(5): 203-209. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0044

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传统的光伏系统MPPT算法易陷入局部最优,而基于智能优化算法的MPPT方法追踪速度慢,皆不能同时兼顾准确性和快速性。对此,该文设计一种变步长扰动观察法（IP&O）结合自适应布谷鸟搜索（ICS）算法的复合算法,先利用IP&O迅速到达对应电压最大的功率极大值点,再根据复杂光照环境下光伏阵列的输出特性,利用该点的功率值调整ICS算法的搜索范围,使其快速准确地追踪到最大功率点。通过仿真对比,验证了此算法在追踪速度和精度上的优越性。

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光伏阵列I-V特性曲线测量误差分析与修正方法

杨振宇, 苏建徽, 汪海宁, 张健

2023, 44(5): 210-216. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0059

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光伏电站内光伏阵列的现场I-V测量可以评估当前系统发电性能和阵列状态,但现场的传输线路阻抗会使I-V测量产生误差,影响了评估的准确性,不利于光伏电站运维决策。该文分析测量线路阻抗和环境参数对常规动态电容I-V测量方法的影响机理,并进行仿真验证。根据误差影响机理和测量回路等效模型,提出一种双电容组合I-V特性测量方法,并研制样机进行实验验证。实验结果表明,该测量方法可有效消除线路分布参数对光伏阵列I-V测量的影响,提高测量精度。

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江苏县域农村屋顶分布式光伏发电系统建设自然社会影响因素实证分析

朱涛, 常向阳, 朱方林, 邓艾东, 朱林

2023, 44(5): 217-225. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1158

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农村屋顶分布式光伏正在快速发展中,但其发展的影响因素及影响程度并无系统性的梳理分析。针对此问题,通过收集江苏省64个县级区域共39期月度农村屋顶分布式光伏新增装机量、自然资源和社会生活等多方面的数据,建立基于县级面板数据的农村屋顶分布式光伏新增装机量的实证模型,在全省总体层面和苏南、苏中、苏北分地区对比的多维度上进行评估。研究结果表明,新增装机量与太阳能资源等自然禀赋相关性不大,发展处于自发性、无序性状态,缺乏指导和政策规划;新增装机量与居民收入等社会因素关系密切,安装农村屋顶分布式光伏的居民主要是低收入群体,覆盖面还不够广。清洁能源使用与绿色低碳参与意识还未深入人心,缺乏相应宣传。

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两种聚光器联合驱动的鼓泡加湿除湿型太阳能海水淡化系统实验研究

赵静莲, 肖建伟, 郑宏飞, 王革

2023, 44(5): 226-232. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1443

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设计一个由太阳能空气集热器和曲面菲涅尔透镜联合驱动的鼓泡加湿除湿型太阳能海水淡化系统,介绍该系统的结构和运行原理,对多曲面聚光器的聚光特性进行光学仿真分析,对装置各部件的能量进行平衡计算,测试系统在实际天气条件下的产水性能,给出太阳辐照度、装置运行温度和产水效率随时间的变化关系。当太阳辐照度平均为795 W/m²时,该装置集热管出口温度最高为64.8 ℃,产水量约为9.48 kg/d,整体系统热效率为43.5%。

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基于AuMgO@TiO₂球壳的光热协同反应耦合集热研究

金俊宇, 朱炫, 黄文辉, 高远, 张彦威

2023, 44(5): 233-238. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1573

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实验室前期搭建太阳能有序转化系统,利用太阳辐射高频波段合成碳氢燃料,低频波段转化为高品质热能。基于该系统,制备Au和MgO负载的TiO₂球壳材料,进行光热协同反应转化CO₂和H₂O,同时结合集热层利用导热油集热,结果表明,H₂、CH₄、CO产量分别为30.1、3.2、30.9 μmol/g,系统集热效率可达39.85%。实验结合表征显示,球壳结构、Au和MgO共负载可提高材料光吸收,增强光热性能,降低电子空穴对复合率,产生氧空位,促进光热协同反应还原CO₂。

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量子尺度下Ag纳米颗粒吸收散射特性建模及分析

于晓晨, 李佳玉, 杨振宇

2023, 44(5): 239-245. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0003

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以量子尺度下球形和棒形Ag纳米颗粒为研究对象,通过数值模拟的方法对其吸收散射特性进行建模分析。结果表明：修正模型的计算结果相对于经典模型而言,吸收峰的位置发生明显移动,且峰值明显减小。棒形结构Ag纳米颗粒的吸收峰可有效优化至可见光波段,且有较高的吸收因子值。

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寒冷地区户用大平板太阳能集热器-空气源热泵系统性能研究

李金平, 李彩军, 李天澍, 董玉慧, 代静波, Vojislav Novakovic

2023, 44(5): 246-256. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0004

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针对太阳能难以单独稳定供暖和空气源热泵供暖成本高的问题,提出空气源热泵辅助太阳能稳定供暖构想,在甘肃省兰州市七里河区魏岭乡绿化村研发搭建大平板太阳能集热器-空气源热泵系统,对比研究晴天、多云和阴天3种典型工况下大平板太阳能集热器的集热效率、太阳能热泵和空气源热泵COP、太阳能保证率、系统总供热量和系统能效比等性能参数。结果表明：晴天、多云和阴天系统集热效率分别为44.9%、38.7%和20.6%,3种工况下太阳能热泵COP均为4.0,空气源热泵COP分别为3.5、3.3和3.1,太阳能保证率分别为38.1%、32.3%和12.9%,系统全天供热量分别为142.52、135.22和120.96 kWh,系统能效比分别为3.5、3.4和2.7。研究结果证明大平板太阳能集热器-空气源热泵系统用于寒冷地区单体建筑供暖的可行性,可为寒冷地区农村单体建筑的供暖提供一种新途径。

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基于平板热管阵列的热激活主动保温墙体实验研究

杨洋, 陈萨如拉, 常甜馨, 宣晓东, 潘超, 郭安妮

2023, 44(5): 257-264. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0007

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针对太阳能等低温热源的被动传输与建筑利用问题,提出一种基于平板热管阵列的热激活主动保温墙体,测试热管倾角与热源温度对其能量传输性能影响,对比热激活主动保温墙体与普通节能墙体热工性能差异。结果表明：蒸发段施加低温模拟热源后,热管实测有效导热系数为4400~35400 W/（m·℃）;主动保温情景下可降低热管倾角以提升有效导热系数,辅助功能情景下可提升倾角以达类似目的;低温热源注入可显著提升墙体热工性能,热源温度为25、35 ℃时,墙体实测U值由基准值0.50 W/（m²·℃）分别降至0.19和-0.08W/（m²·℃）。

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基于混合神经网络的槽式太阳能集热场出口温度预测研究

闫露, 雷东强, 李晓, 徐立, 董军, 王志峰

2023, 44(5): 265-273. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1780

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为解决槽式太阳能集热场实际现场工况难以满足现有热性能测试标准的难题,提出一种基于混合神经网络（ALSTM）模型预测槽式太阳能集热场出口温度的方法。首先对中国科学院电工研究所延庆、常州龙腾乌拉特中旗、中广核德令哈、中船乌拉特中旗4处槽式太阳能集热场动态热性能实验数据和气象数据进行预处理与相关性分析,形成训练样本数据和验证样本数据;其次对该网络模型进行训练与优化,最后进行验证,得出上述4处集热场实际出口温度与预测出口温度的最大相对误差分别为3.00%、0.31%、1.45%、1.95%。证明了该模型的预测精度较高,为槽式太阳能集热场实际现场热性能预测与评价提供了一种新的方法。

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基于WRF-Solar模式和SCA订正的短期辐照度预报研究

商永朋, 郭军红, 宋煜, 刘文娇, 马文静, 李薇

2023, 44(5): 274-279. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1469

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基于WRF-Solar模式输出的逐时气象因子,针对不同天气类型,结合逐步聚类分析方法（SCA）对逐时辐照度进行模拟和预报。结果显示,结合SCA订正方法大幅减少WRF-Solar的误差,在晴天和晴转多云（多云转晴）天气类型下模拟结果较好。在阴雨天气类型下改进明显,相对误差和均方根误差从64.03%和78.02%降至24.71%和38.02%。结果表明,结合SCA订正方法能够降低WRF-Solar由于天气的随机性及突变性引起的误差,能很好地模拟出逐时辐照度的变化趋势。

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ERA5资料应用于中国地区太阳能资源评估研究

张双益, 李熙晨

2023, 44(5): 280-285. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1604

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利用中国40个地面台站观测资料对ERA5再分析资料太阳能资源要素进行误差评估,结果表明：ERA5资料与台站资料的地表月水平面总辐射回归方程可决系数为0.999。ERA5资料与各台站资料均方根误差最大值为8.7 MJ/m²,平均值为4.9 MJ/m²;相对均方根误差最大值为2.4%,平均值为1.0%。ERA5资料与各台站资料年际变化误差最大值为19 MJ/m²,平均值为3 MJ/m²;百分比年际变化误差最大值为0.5%,平均值为0.1%。ERA5资料与台站资料稳定度误差最大值为0.013,平均值为0.003;百分比误差最大值为2.9%,平均值为0.8%。ERA5资料与台站资料具有较好的一致性,应用于中国太阳能资源评估是可行的。

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垂直轴风力机新型变桨控制策略参数组合气动分析

张强, 缪维跑, 刘青松, 李春, 张万福

2023, 44(5): 286-293. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0813

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低尖速比下垂直轴风力机攻角一般较大,流动分离现象较严重,可通过变桨调整叶片攻角以减少叶片流动分离提高其气动效率。以H型Darrieus垂直轴风力机为研究对象,基于攻角随相位角变化规律,提出一种俯仰角控制策略,此控制方式特点是在不同相位角时攻角成比例地减小,在大攻角时大幅减小攻角,而在小攻角时变化幅度较小,之后通过数值计算验证其效果。结果表明：所提俯仰角控制策略可显著提升功率系数;相较单一参数控制策略,不同参数组合的控制策略方式虽然在0°~180°（迎风区）与180°~360°（背风区）的风能捕获效率会相互影响,但提升效果也更好。此外,不连续的俯仰角速度将导致扭矩波动,通过采用权函数对俯仰曲线进行拟合可消除该波动。

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基于正交试验凹槽-襟翼垂直轴风力机数值研究

李根, 刘青松, 李春, 缪维跑, 岳敏楠

2023, 44(5): 294-301. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0918

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为改善垂直轴风力机气动特性,对凹槽-襟翼开展研究。以NACA0021翼型为研究对象,采用正交试验设计对格尼襟翼高度、格尼襟翼位置及凹槽直径等参数进行组合,通过数值计算对垂直轴风力机气动性能与流场结构进行研究,分析凹槽-襟翼流动控制机理及对垂直轴风力机的作用效果。结果表明：格尼襟翼高度是影响垂直轴气动性能的主要因素,且襟翼高度为1.75%c、位置为1.50%c及凹槽直径为1.50%c时效果最佳;同时,凹槽-襟翼通过改变尾缘库塔条件以加速翼型吸力面流体流动,从而改善流动分离,增加翼型表面压差,提高垂直轴风力机气动性能;凹槽-襟翼在低尖速比时对垂直轴风力机作用效果较明显,当尖速比为2.33时,凹槽-襟翼垂直轴风力机平均风能利用系数较原始翼型最大可提高35.82%。

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基于深度学习风力机齿轮箱的故障诊断

肖俊青, 金江涛, 李春, 许子非, 罗帅

2023, 44(5): 302-309. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0956

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风力机齿轮箱因长期处于多噪声、高转速工况下运行,振动信号呈现非线性特性,致故障信息难以准确有效提取。基于此,提出自适应白噪声平均集成经验模态分解（CEEMDAN）与卷积神经网络（CNN）联合故障辨别与诊断方法。利用CEEMDAN较强的非线性特征分解能力将振动信号分解,多重相关系数筛选有效故障特征分量组并剔除冗余分量,再将最佳分量组输入CNN实现故障诊断。结果表明：不同故障状态和信噪比下,较EMD-CNN与EEMD-CNN方法,均突显了所提方法良好的鲁棒性与泛化性。

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基于改进经验小波变换与分形特征集的风力机齿轮箱故障诊断

孙康, 金江涛, 李春, 叶柯华, 许子非

2023, 44(5): 310-319. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0980

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针对风力机齿轮箱振动响应信号具有强非线性及非平稳性的特点,考虑平均幅值对平均谱负熵时频域成分权重自适应调节,提出连续改进平均谱负熵方法（ICASN）以体现信号细节复杂度特征,并将ICASN引入经验小波变换（EWT）,替代傅里叶谱作为频带划分依据。采用ICASN-EWT分解振动信号,基于改进平均谱负熵筛选特征分量,剔除信号冗余与噪声影响。分析各敏感分量分形特征并构建高维特征集,采用流形学习进行维数约简,并结合分形高斯噪声改进灰狼算法优化支持向量机关键参数,将降维后的向量集输入优化支持向量机进行故障识别与诊断,准确率高达100%。

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分形结构橡胶、泡沫铝海上风力机防护装置性能研究

岳新智, 韩志伟, 缪维跑, 李春, 赵鑫磊, 岳敏楠

2023, 44(5): 320-327. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-0994

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为避免船舶-风力机碰撞造成巨大损失,提升海上风力机防护装置抗撞性能,将笛卡尔分形结构应用于橡胶及泡沫铝材料设计防护装置,基于非线性动力学理论,采用ANSYS/LS-DYNA模拟5000 t船舶碰撞安装分形结构橡胶、泡沫铝防护装置4 MW单立柱三桩海上风力机基础过程,对比分析研究不同材料防护装置采用分形结构后防护性能优劣。结果表明：较橡胶材料,泡沫铝防护装置吸能效果更好,显著提升防护装置能量耗散能力;分形结构作用于不同材料具有不同表现,应用于泡沫铝材料降低接触力效果更显著,而应用于橡胶在提升耗能、降低塔顶响应方面表现更佳。

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废弃风电叶片材料回收与再制造技术的研究进展

陈吉朋, 王计安, 张雨秋, 周宏平

2023, 44(5): 328-335. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1424

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首先,介绍国内外风电叶片的使用规模和退役风电叶片趋势,阐述国际上通用的退役风电叶片处置方式（堆放、掩埋、回收利用）及其优缺点;其次,系统介绍废弃叶片材料的典型回收利用方法,即机械回收、热回收和化学回收,比较3种典型回收利用方法的技术特点;然后,总结了利用退役风电叶片进行产品再制造的典型案例,包括制备再生复合材料板材、制造混凝土骨料、制备3D打印耗材等;最后,针对风电材料常见的玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料等的难切削性能,介绍风电叶片回收加工技术与装备,包括切割加工技术和装备、破碎及粉碎加工技术和设备等。

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计及源荷低碳性与CCGP的两阶段优化调度

章攀钊, 谢丽蓉, 杨建宾, 马瑞真, 马伟

2023, 44(5): 336-341. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1467

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在低碳经济背景下解决火电机组碳排放高和源荷预测误差导致的全局信息不匹配问题,提出计及源荷低碳性与机会约束目标规划（CCGP）的两阶段调度模型。首先,规划阶段兼顾源荷低碳经济性与安全性,建立需求响应后计及碳交易和源荷不确定的调度模型。其次,调整阶段计及预测信息不匹配影响和激励型负荷,以出力调整偏差最小优化实时出力。最后,通过确定性等价理论对模型转化,在改进IEEE 30节点系统中验证模型。结果表明：所提模型有效降低了系统碳排放量与运行成本,提高了风电消纳能力及评估备用容量缺额需求。

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海上风电三筒导管架基础地基土的抗液化性能研究

孙鹏, 赵业彬, 李婧宜, 潘辰, 张浦阳

2023, 44(5): 342-348. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1543

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针对海上风电三筒导管架基础开展振动台试验,主要研究地基土的超孔隙水压力和加速度,并利用有限元软件ADINA对海上风电三筒导管架基础地基土在地震作用下的动力响应进行数值模拟,将试验结果与数模结果进行对比,发现二者吻合较好。进一步选取3种不同烈度的地震进行有限元模拟,主要分析其超孔隙水压力和加速度的分布规律,结果表明三筒导管架基础筒内土体的抗液化性能高于筒外土体,筒壁底端附近为液化高风险区,三筒导管架基础的上部荷载作用及环箍效应对地基土的抗液化性能有提高作用。

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基于变风况阻抗优化重塑的双馈风电机组SSO抑制策略

刘其辉, 田若菡, 史淳, 宁文元

2023, 44(5): 349-359. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1579

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针对双馈风电机组经串补电容并网产生的SSO问题,提出一种基于变风况阻抗优化重塑的次同步振荡（SSO）抑制策略。建立abc坐标系下双馈风电机组频域阻抗模型,并基于聚合阻抗稳定判据,采用变风况下穿越灵敏度分析方法筛选出诱发及影响SSO的关键因素。考虑到风况和其他因素对机组稳定性特性的影响,提出基于阻抗重塑的SSO抑制策略。通过优化算法选择抑制策略中的参数值,形成“离线制表,实时调参”的参数优化拟合方案,使得在不同风况下均对SSO达到较好的抑制效果,并通过时域仿真验证了该文所提出的抑制策略的有效性。

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海上变电站结构承载能力控制工况分析及多工况集成优化

黄珊珊, 孙震洲, 王永发, 陈杰峰, 吕国儿, 於刚节

2023, 44(5): 360-367. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1580

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对于海上变电站的结构设计,在满足其安全性的同时,也要注重提高构件的材料利用率。针对如东海域的某海上变电站,采用SACS软件建立其整体有限元模型,结合Matlab自编程序,开展变电站结构各关键部位承载能力的控制工况研究,在此基础上对整体结构进行多工况下的集成优化,同时以变电站所有构件和导管架主节点为对象,提出海上变电站结构全工况综合定量评价指标——综合UC值（unity check ratio）。与传统方法相比,优化后变电站结构所有构件和导管架主节点强度的综合UC平均值均明显增大,表明构件的材料利用率显著提高。

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基于空洞因果卷积网络的风电机组异常检测

江国乾, 周俊超, 武鑫, 徐向东, 何群, 谢平

2023, 44(5): 368-375. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1581

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准确可靠的异常检测对于保障风电机组安全高效运行尤为重要。然而,由于风电机组内部结构复杂,运行工况复杂多变,导致所获取的数据采集与监控（SCADA）系统数据往往呈现出复杂的非线性和关联耦合特性。为了更加有效地捕获不同传感器变量之间的空间相关性,提出基于空洞因果卷积网络的风电机组异常检测方法,并采用Focal Loss改进损失函数解决了数据不平衡问题对模型性能的影响。该方法可通过不同的感受野大小从多尺度角度提取丰富的空间相关特征,有效建模并挖掘不同传感器数据间存在的空间因果关系。同时,该模型提供了一种端到端的异常检测方案,可直接从原始SCADA数据中提取空间特征,建立数据与状态标签之间的非线性映射关系,从而输出异常检测结果。通过某风场的SCADA数据实例分析验证了所提出方法的可行性和有效性。

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伸缩式斜柱对垂直轴风力机气动性能影响研究

欧华浩, 叶舟, 刘青松, 李根, 罗帅, 李春

2023, 44(5): 376-383. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1616

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为改善垂直轴风力机动态失速特性,提出一种可随风力机方位角变化而自动伸缩的斜柱结构翼型。以NACA0021翼型为研究对象,采用数值模拟方法,分析其对垂直轴风力机动态气动性能的影响。结果表明：伸缩式斜柱在作用方位角内可显著抑制流动分离并提高垂直轴风力机转矩,最大风能利用系数较原始翼型提高13.6%;同时,伸缩式斜柱可使最佳工况点向低尖速比偏移,提高整机运行过程中的稳定性。

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漂浮式风电机组无模型自适应控制

漆良文, 石可重, 郭乃志, 李博, 张子良, 徐建中

2023, 44(5): 384-390. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1617

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针对漂浮式风电机组叶片载荷、功率及浮式基础振动耦合问题,以尾缘襟翼偏角为输入,以叶根挥舞弯矩,电功率,浮式基础纵摇、艏摇为输出,设计无模型自适应控制系统。同时,将无模型自适应控制与漂浮式风电机组的基准主控系统通过滤波进行频率解耦。在改进FAST的含尾缘襟翼的气弹-伺服仿真平台中进行验证,结果表明所设计的无模型自适应控制系统在不牺牲功率波动的条件下,能够降低叶片疲劳载荷和基础振动。此外,交叉小波分析结果表明,尾缘襟翼控制量的引入削弱了漂浮式风电系统固有的气弹同步相关性,减少了入流风作用在风轮上的能量。

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基于数字孪生技术的风电机组建模研究

尚海勇, 刘利强, 齐咏生, 李永亭

2023, 44(5): 391-400. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1618

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针对以往风电机组数字孪生建模受不同研究目的或单一软件的功能限制,难以建立风电机组整机模型的问题,提出一种新的风电机组孪生建模方法。该方法首先依托FAST风速性能模块,建立稳态风模型、随机湍流风模型以及风电场实时风速模型;接着采用空气动力学模块和结构动力学模块分别搭建风电机组叶片、塔架等关键部件的几何与动力学模型;最后在Simulink中搭建风电机组电气系统模型及控制策略,由此构建完整的风电机组孪生模型。将该孪生建模方法分别用于WindPACT 1.5 MW双馈风电机组与某风电场Fuhrländer 2.5 MW双馈风电机组并进行验证。结果表明：孪生模型在不同风速模型下,各重要生产参数相比设计标准及实际运行数据均具有较高的准确性。此外,通过对风电机组数字孪生系统实时仿真和现场不可测数据的孪生模拟,也进一步表明孪生模型具有可行性和有效性。

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基于CFSFDP与LightGBM的风电机组异常状态预警研究

马良玉, 袁乃正

2023, 44(5): 401-406. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0001

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提出一种基于快速密度峰值聚类（CFSFDP）和LightGBM模型结合的风电机组异常状态监测方法。首先采用CFSFDP算法对风电机组监控与数据采集（SCADA）数据中的异常工况数据与噪声数据进行清洗;之后利用贝叶斯优化算法搜索LightGBM的最优超参数并建立风电机组正常运行工况预测模型。针对风速随机性的特点,利用时移滑动窗口方法构建异常状态识别指标,并结合核密度估计法计算指标阈值以实现异常工况预警。应用某风场的真实历史故障数据进行实验,结果表明LightGBM预警模型能在故障发生前对风电机组的异常工况进行及时正确的预警,验证了方法的有效性。

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基于变系数滑模控制器的风电机组振动主动控制研究

张世界, 魏静, 汤宝平, 吉科峰

2023, 44(5): 407-415. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0022

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基于某公司新型8 MW半直驱式风电机组传动链实际参数建立传动链机电控耦合模型,设计机侧变流器速度环变系数滑模控制器,通过采用改变控制策略来增强风电传动链抗干扰能力并减小传动链零部件横向振动。结果表明：当风电机组受到外部突变激励时,在变系数滑模控制器控制下发电机转子对速度追踪效果更好、机械部件横向振动位移显著减小且发电机电流及电磁转矩中的机械频率得到有效抑制。

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基于分形特征的自适应EEMD及其在风功率预测中的应用

金吉, 王斌, 喻敏, 张羽晗, 张永

2023, 44(5): 416-424. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0039

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人为设定白噪声的幅值和加噪次数及白噪声自身的随机性会对集合经验模态分解（EEMD）方法的分解结果造成不确定性,导致EEMD应用于风功率预测时不能实现最佳的分解效果。该文研究了白噪声参数对EEMD分解效果的影响机理,并提出基于分形特征的自适应EEMD方法。在不同的白噪声及白噪声参数下, EEMD分解所得到的模态分量具有不同的分形维特征,采用粒子群算法寻优获得EEMD处理某一信号的最佳参数,实现对信号的准确分解。同时结合具有良好非线性建模能力的长短时记忆（LSTM）网络方法对自适应EEMD分解得到的模态分量进行预测,利用仿真信号及两个风电场实际风功率数据进行分析,自适应EEMD避免了白噪声的随机性及人为设定参数对EEMD分解结果带来的不确定性影响。与3种基准预测模型对比,自适应EEMD结合LSTM模型预测两组风功率的RMSE显著降低,验证了该文研究方法的有效性。

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风电叶片全尺寸静力加载试验钢丝绳空间角度精确测量研究

路浩磊, 黄雪梅, 张磊安, 宋汝君, 王景华, 于良峰

2023, 44(5): 425-431. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0047

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为减少加载过程中叶片挠度变形带来的测量误差,提出一种精准测量钢丝绳与风电叶片空间角度的数学模型。该模型构建的空间角度测量系统采用3个位移传感器,可实时测量钢丝绳与风电叶片所成三维角度,从而精确地对各加载点进行受力补偿,提高加载试验的协同性。以激光追踪仪的测量结果为基准对该系统的测量结果进行现场验证,结果表明该系统所测空间角度误差率仅为1.78%、1.96%和1.92%,同时经该空间角度测量系统补偿后的加载力曲线变化平稳,可较好地实现多节点力的协同加载。

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永磁/笼障混合转子双定子风力发电机电磁设计与性能分析

刘豪, 牛姿懿, 宋亚凯

2023, 44(5): 432-441. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0048

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针对主流永磁同步发电机存在成本高和有刷双馈感应发电机存在可靠性低的问题,结合风电发展的要求,提出一种具有功率密度高和可靠性高的新型永磁/笼障混合转子双定子风力发电机应用于海上风力发电。功率密度与电机的功率分配、极槽配合和转子耦合能力有关。基于该发电机的工作原理和设计要求,设计一台300 kW永磁/笼障混合转子双定子风力发电机,并考虑功率分配、主要尺寸确定方法、极槽配合和转子耦合能力。在此基础上,采用数值法分析不同运行状态下该发电机性能,并与实验测试结果作比较;同时将所提出的发电机与常规电机在转矩密度和成本方面作比较,验证该发电机设计和分析方法的合理性和有效性及转矩密度高的特点。

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非均匀来流条件下风力机翼型结构非线性气弹稳定性研究

尹凡夫, 陈嘉佳, 陈晓静, 许移庆, 沈昕, 杜朝辉

2023, 44(5): 442-448. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0049

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大型化趋势下风力机叶片刚度降低,出现颤振的风险增加,且风力机在运行中不可避免受到非均匀来流的影响。为考虑这一问题,对垂直方向波动来流中具有结构非线性的翼型气弹稳定性进行研究。基于小攻角假设,采用线性气动力模型建立考虑三次硬化刚度与非均匀来流作用下的二自由度二维翼型气弹模型,并通过数值积分方法对翼型气弹系统的动力学方程进行求解,得到不同来流工况下翼型系统的稳态响应形式。从时域、相轨迹以及频域上对获得的翼型振动信号特征进行分析,结果表明翼型受到垂直方向来流的激振作用出现强迫振动,在低流速下和临界速度附近造成振动强度明显放大,模糊颤振边界并使诱发颤振条件下翼型振动更加剧烈;在波动来流作用下气弹失稳的俯仰振动能量在一个频率带上分布,且在高于颤振频率的位置存在另一峰值,标志颤振的诱发是由俯仰振动受到气动力影响耦合到沉浮频率上所导致。

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并行卷积神经网络的风电机组故障诊断方法

孟良, 苏元浩, 许同乐, 孔晓佳, 兰孝生, 李云凤

2023, 44(5): 449-456. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0052

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针对风电机组轴承微弱故障信号的特征提取困难和故障诊断模型性能差等问题,提出一种并行卷积神经网络的故障诊断方法。首先,利用连续小波变换将一维信号转换成二维时频特性图;其次,构造一种并行卷积神经网络结构,该结构由大卷积层和并行卷积层组成,大卷积层快速提取输入层所有特征,并行卷积层识别特征中的有效故障信息,且并行卷积层为双层小卷积并行结构;然后,采用特征融合层,融合并行卷积层2次特征提取后的故障特征,实现诊断模型内部的特征增强,降低模型复杂度;最后,经实验验证,该模型诊断轴承故障的准确率为98.25%。

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钝尾缘对扑翼获能特性的影响

张刚, 孙晓晶

2023, 44(5): 457-465. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0057

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扑翼获能器是一种通过升沉俯仰运动从海流中提取能量的装置。采用计算流体力学（CFD）方法对钝尾缘扑翼获能特性进行数值模拟计算,探究钝尾缘对称加厚初始位置、钝尾缘对称加厚厚度与翼型厚度对钝尾缘扑翼获能特性的影响规律。结果表明,钝尾缘对称加厚初始位置与翼型弦长之比p/c=0.90时,钝尾缘控制策略的获能效果较明显。钝尾缘对称加厚厚度对扑翼获能特性的影响主要体现在中高缩减频率,总体来看扑翼获能效率随钝尾缘对称加厚厚度增大呈现先增大后减小的趋势,当钝尾缘对称加厚厚度与翼型弦长之比l/c=0.02时,钝尾缘扑翼获能效率的提升效果达到阈值。随着翼型厚度逐渐增大,钝尾缘扑翼的获能效率先增大后减小,并且当翼型为NACA0030时,获能效率达到峰值。

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大型风电机组输出功率与塔架载荷自抗扰控制

田德, 黄明月, 唐世泽, 邓远卓, 周强, 邓英

2023, 44(5): 466-472. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0088

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风电机组运行在额定风速以上区域时,为保持输出功率稳定,降低塔架载荷,提出线性自抗扰变桨控制器。首先,基于自抗扰控制理论和风电机组动力学方程,建立离散线性状态误差反馈控制律及线性扩张状态观测器数学模型。其次,分别设计转速与塔架阻尼控制回路,并在Matlab中搭建变桨控制器模型;通过总扰动的整体辨识及补偿,改善机组控制性能。最后,利用高保真度风电机组模型在阶跃风、极端阵风、湍流风工况下仿真验证控制器性能。结果表明,该控制器在稳定功率输出的同时能进一步降低塔架载荷。

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基于混合参数化与粒子群算法的风力机翼型气动优化设计

鞠浩, 王旭东, 陆佳红

2023, 44(5): 473-479. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0332

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针对风力机翼型在进行高精度设计时变量维度高的问题,提出改进的集成泛函理论与型函数扰动相结合的混合参数化方法。通过串行设计,在不提高设计维度的前提下,实现翼型的全局优化与局部再优化。基于该方法并应用自适应设计空间的粒子群算法,获得最大相对厚度为15%的混合优化翼型。与风力机专用翼型Risø-A1-15以及集成优化翼型进行气动特性比较分析,新翼型在工作攻角范围内的升力系数平均提升了38.62%与6.48%,最大升阻比提升了6.02%与1.75%,气动特性明显改善。从而验证了该方法的有效性,为翼型的精细化设计提供了新思路。

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基于AO-ESN的海上风电机组接地电阻预测

张萍, 杨晓磊, 张国峰, 陈程, 尹军杰, 李练兵

2023, 44(5): 480-486. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1107

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针对目前2种主流求解海上风电机组接地电阻值精度不足的问题,该文提出基于天鹰算法改进的回声状态网络（AO-ESN）,对海上风电机组接地电阻进行预测分析。分别利用BP、ESN、AO-ESN这3种网络进行预测,结果表明：AO-ESN模型的预测精度相较于BP和ESN模型分别提高了18%和14.46%,误差低至0.54%,所搭建的模型可对海上风电机组接地电阻进行精准预测。

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