太阳能学报

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刘玉洁, 赵巍, 孙孝峰, 王宝诚, 李昕

2023, 44(8): 1-9. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0492

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该文在少温度和少放电电流样本测试条件下,基于二阶RC等效电路模型提出一种模型改进的方法,构建反向传播（BP）神经网络来预测宽范围温度和电流倍率下的模型端电压误差,实现对模型的动态补偿。该方法可避免对锂离子电池重复进行充、放电实验而造成循环寿命折损。仿真和实验结果表明,所提小样本数据扩展的方法具有一定的可行性;附加受控电压源的电池模型在不同温度和电流倍率下的适应性更好,模型精度得到提升。该方法通过模型分析实现电池筛选组成梯次利用储能系统,并结合电池模型实现荷电状态（SOC）预测及发热预警,在新能源发电电池储能系统应用中具有一定的实际工程意义。

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MWCNTs-水合盐复合相变材料的蓄热性能研究

程家文, 曾丽萍, 生梦瑶, 苏欢, 李文菁, 李小华

2023, 44(8): 10-16. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0556

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研究CH₃COONa·3H₂O（SAT）/Na₂HPO₄·12H₂O（DSP）共晶盐的相变过程,分析亲水碳纳米管（HCNTs）对共晶盐热性能的优化效果。结果表明：SAT/DSP质量比为9∶1时共晶盐循环稳定性最好,且过冷度仅为2.5 ℃;随着HCNTs掺量提高,复合材料的热导率呈线性增长趋势,最高达到1.29 W/（m·K）,较未加HCNTs时提升了182.89%,蓄热密度呈线性下降趋势,最多降低了5.59%。最后对各组HCNTs/SAT/DSP复合相变材料（CPCM）进行200次固-液循环,结果表明各组材料的循环稳定性良好,具备实际应用价值。

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低成本无氟水系混合溶剂醋酸锂电解液研究

吴凡, 蒋文全, 罗熳, 武媛方, 张永强, 赫文秀

2023, 44(8): 17-22. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0560

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利用共溶剂1,5-戊二醇（PD）和聚乙二醇（PEG）改进13 m（m=[mol盐]/[kg溶剂]质量摩尔浓度）LiOAc作为水系锂离子电池电解液的电化学稳定窗口,研制低成本无氟水系混合溶剂醋酸锂电解液。通过红外吸收和拉曼散射光谱对电解液中水分子的活性进行表征,结果表明,在混合溶剂电解液中水分子的活性受到抑制。电化学测试表明电解液成分为2 m LiOAc-PD_0.5PEG_0.5时,具有最宽的电化学稳定窗口3.10 V,使Li₄Ti₅O₁₂负极可进行可逆充放电,最后Li₄Ti₅O₁₂//LiMn₂O₄全电池测试得到初始平台电压为2.3 V,能量密度为0.0616 kWh/kg,相较于13 m LiOAc电解液具有更高的比容量和循环稳定性。

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基于改进小波包分解的混合储能系统容量配置方法

武鑫, 李洋涛, 马志勇, 滕伟, 张爽, 罗海荣

2023, 44(8): 23-29. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0578

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随着中国风电装机容量的增加,风电输出功率的随机性和波动性令电网调频难度加大,为解决此问题,可采用由能量型（锂离子电池）和功率型（飞轮）储能阵列组成的混合储能系统进行风功率输出平抑,因此亟需研究混合储能系统的容量配置方法,增大其利用率并降低所需容量。首先建立250 kW/50 kWh飞轮储能以及250 kW/150 kWh的锂离子电池储能单元模型,引入相应控制策略;接着根据储能系统的自身特性以及风电场输出功率的幅频特性,提出一种改进小波包分解方法,对风电场输出功率数据进行分解,获得混合储能系统的充放电指令;然后根据不同类型储能阵列的响应时间以及改进小波包分解后各节点能量分布,获得不同种类储能阵列充放电指令分配方法;最后,根据上述充放电指令的概率分布特性,采用概率分布函数进行拟合,以一定置信水平下的置信区间进行限制,引入衡量因子进行修正,提出混合储能系统容量配置方法,进而确定各种类储能单元数量,增大储能系统的利用率并降低其所需容量。针对某额定装机容量15 MW的风电场实际输出功率数据,结合仿真实验,验证了所提出混合储能系统容量配置方法的有效性。

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基于分布式发电的储能系统能量管理策略

李继方, 冯硕, 石晓阳, 马立冬, 周一帆, 韩爱山

2023, 44(8): 30-38. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0591

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针对传统能量管理策略经济性差、调峰能力弱的问题,提出一种基于分布式发电的储能系统（ESS）能量管理策略。首先结合Pareto最优理论,建立以降低能源成本与平滑负荷峰谷效应为目标的需求侧优化调度模型。在首次优化过程中,采用具有自适应变异与动态更新惯性权重功能的改进粒子群算法（IPSO）求解最优经济指标。进而以该指标作为约束,对调度区间进行划分,实现目标的完全解耦,并引入惩罚函数获得增广目标函数。最终通过贪婪算法（GA）进行二次优化,可求得在最佳经济效益的前提下最大程度平滑负荷峰谷效应的非支配调度向量。仿真结果表明：IPSO具有较高的收敛速度与精度,所提策略在3种场景下分别降低用电成本18.6%、32.8%、17.3%,负荷峰均较首次优化降低21.2%、10.3%、20.1%,并通过多场景数据集下的仿真验证了结论的普适性。

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电制热高温相变储热装置的蓄放热性能研究

许佳孟, 毛凌波, 黄金, 刘良德, 陈观生, 谢鹏

2023, 44(8): 39-44. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0597

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为了能让电动汽车的动力电池更专注驱动续航,在冬季无需给车供热,设计并搭建一个基于Al-Si合金相变材料的紧凑型车载储热装置,用于寒冷天气控制电池的工作温度和车厢温度。采用Al-12%Si（Al的质量分数为88%,Si的质量分数为12%）作为相变储热材料,对储热装置的蓄放热特性和保温性能进行实验研究。结果表明：该蓄热装置最大的耗散功率为324 W,质量能量密度和体积能量密度分别可达189 Wh/kg或165 Wh/L,蓄热效率为90.6%;在取热实验过程中,当进口的流量为60、80和100 m³/h时,取热效率分别为84.9%、88.2%和93.2%;当流量60 m³/h,出风温度在70 ℃和50 ℃时,取热效率分别为76.0%和54%。该蓄热装置保温性能好,蓄热能量密度大,热效率高,可为电制热高温相变储热装置的小型化设计提供参考依据。

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考虑双向需求的混合储能容量多目标优化配置

孟贤, 郭启蒙, 李颖欢, 刘吉成

2023, 44(8): 45-53. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0602

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储能作为一种灵活性调节资源,合理的容量配置可有效平抑风电波动,提高利用率;需求响应作为发电侧和用户侧重要的互动资源,可在降低购电费用的同时促进风电消纳。基于此,提出考虑风电商消纳需求和用户用电需求的混合储能容量配置方法。首先,从用户侧柔性负荷响应特性出发,构建可平移负荷和可削减负荷模型;其次,建立由蓄电池和超级电容组成的混合储能系统,并提出充放电策略;再次,以混合储能系统成本最低、弃风率最小、用电满意度最高为目标函数构建混合储能容量优化模型,利用多目标粒子群算法求解;最后,通过算例分析验证该文模型的有效性。结果表明,所提混合储能容量配置模型不仅可满足多方需求,还能提升系统经济性。

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基于电池状态的储能电站集群调度策略

茆书睿, 李熹宁

2023, 44(8): 54-61. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1625

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电化学储能的规模化集群应用是落实“双碳”政策的保障。为实现储能电站集群的高效安全运行,提出一种基于电池状态的储能电站集群双层调度策略。首先,介绍储能电站集群物理结构和通讯架构。其次,建立以荷电状态（SOC）均衡为目标的优化模型,该模型同时考虑了储能单元的电池健康状态（SOH）。最后,通过江苏镇江储能电站集群的算例分析验证所提控制策略的有效性。

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不同流场结构对PEMFC性能影响的模拟研究

张拴羊, 杨其国, 徐洪涛, 毛逸君, 王珂, 刘舜

2023, 44(8): 62-67. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0542

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该文模拟常规矩形平行流场、正六边形平行流场和正六边形蜂窝状仿生学流场对质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能的影响。通过对极化曲线、氧气和水分布、膜电流密度以及压降和寄生功率密度进行分析,结果表明：正六边形流场表现出良好的输出性能,且正六边形蜂窝状流场的电流密度比常规矩形平行流场和正六边形平行流场分别提升11.28%和4.95%。此外,常规矩形平行流场、正六边形平行流场和正六边形蜂窝状流场的氧气不均匀度分别为0.64、0.53和0.41,正六边形蜂窝状流场展现出更好的水和膜电流密度分布能力,进一步说明正六边形流场缓解了氧气、水和膜电流密度分布不均匀的问题。正六边形蜂窝状流场压降虽比常规矩形平行流场和正六边形平行流场分别增加40.0%和27.7%,有较高的寄生功率密度,但仍获得了最大的净输出功率密度。

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燃料电池混合动力机车参数匹配与等效氢耗优化能量管理方法

江大发, 黄海, 李旺, 李玉梅

2023, 44(8): 68-76. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0603

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为提升燃料电池机车混合动力系统综合经济性,基于机车动力性能分析提出一种基于配置成本优化的燃料电池混合动力系统参数匹配方法。在此基础上,将锂电池能耗等效为燃料电池的氢气消耗,并提出一种基于等效氢耗实时优化的燃料电池混合动力系统能量管理方法,以降低系统整体能耗水平。基于某机车实际参数对所提方法进行可行性验证。结果表明,机车配置10套150 kW的燃料电池和549串16并的锂电池,可在机车安全稳定运行的基础上,实现系统总购置成本最优,并且,基于所提出的能量管理方法,系统等效氢气消耗降低8.44%,混合动力系统的综合经济性得到明显改善。

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基于博弈论的含氢能配电网系统优化重构研究

郝文斌, 曾鹏, 谢波, 孟志高, 薛静, 李欢欢

2023, 44(8): 77-84. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0621

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针对含氢能配电网系统提出一种基于博弈论的优化重构模型,该模型从网络安全和负荷均衡度2个角度对含氢能配电网系统进行优化重构研究。同时,提出改进粒子群优化算法（MPSO）求解含氢能配电网系统的优化重构模型。为验证所提模型和求解方法的有效性以及氢能单元对优化重构结果的影响,对修改后的IEEE 33节点系统进行仿真分析。仿真结果表明,利用该文所提基于博弈论的优化重构模型及其求解算法可有效实现含氢能配电网系统的优化重构;同时,相较于未含氢单元的配电网系统,氢能单元的加入可有效降低配电网的优化重构压力,系统的网络安全及负荷均衡度指标均有所改善。

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基于MFDFA的PEMFC水淹和膜干故障诊断

刘川毓, 张雪霞, 蒋宇, 裴文慧, 陈维荣

2023, 44(8): 85-91. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0635

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为延长质子交换膜燃料电池（PEMFC）的使用寿命并提升其可靠性,采用基于信号处理的多重分形去趋势波动分析（MFDFA）方法对PEMFC的水管理故障进行诊断。基于MFDFA方法分别对正常、水淹和膜干3种状态下的电压信号进行分析。结果表明：故障时Gr(t)波动函数对数图相对分散、标度指数α在0~2之间、分形维数约为1.6与1.9,正常状态下Gr(t)波动函数对数图收敛、标度指数α在20~40之间、分形维数约为2.15。该方法通过以上3种指标结合,实现了PEMFC水淹和膜干故障诊断。

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计及碳捕集的虚拟电厂-电制氢多主体协调优化

张贵鹏, 程静

2023, 44(8): 92-101. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0942

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针对考虑碳捕集的虚拟电厂-电制氢多主体能源系统的协调优化问题,建立基于纳什谈判理论的虚拟电厂-电制氢多主体合作运行模型。首先将难以求解的原纳什模型等效为合作运行收益最大化和电能交易支付两个子问题模型;然后采用改进的交替方向乘子法（ADMM）对子问题模型进行优化求解,加快算法收敛速度,保护各谈判主体隐私。算例仿真结果表明：聚合的碳捕集单元促进可再生能源消纳,减少碳排放;通过虚拟电厂-电制氢多主体的合作运行,可较大幅度提高各主体的运行收益以及联合合作的整体收益,验证了所建模型以及改进算法的有效性和优越性。

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基于自适应控制的风光制储氢协调运行策略研究

高超, 姚秀萍, 刘日新, 孙浩, 杨萌

2023, 44(8): 102-109. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0489

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针对清洁能源制氢系统规模大、结构复杂及多能源多时间耦合的特点,充分考虑光伏、风电等可再生能源随机性和间歇性所导致的功率波动问题,以及电解槽和储能动态响应特性所导致的系统各环节响应时间差异问题,设计一套风光制储氢综合系统。结合绿电-绿氢经济运行手段,利用自适应控制算法,形成适用于“风光制储氢”的经济安全运行模式,通过仿真分析可知,该模式下风光制储氢综合系统可以安全运行,并具备较为良好的运行效果。

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关中农村不同类型家庭夏季柔性用能负荷多目标优化调度研究

刘艳峰, 杨燕子, 罗西

2023, 44(8): 110-118. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0491

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发展农村可再生能源,解决供给随机波动所导致的供需匹配问题至关重要。在经济可行的范围内,现有供需匹配提升作用基本已被发挥至上限,柔性用能负荷调节是从需求侧解决问题的革命性新方法。该文基于关中农村实地调研数据,分析不同类型家庭夏季用能特征,在充分考虑柔性用能负荷的前提下,建立求解以经济性与舒适性为目标的农村家庭柔性用能负荷多目标优化调度模型。结果表明：1）关中农村家庭根据用能特征可分为独居老年家庭（第一类）、三代同堂家庭（第二类）、居家青年家庭（第三类）以及务工青年家庭（第四类）。2）峰谷电价下,第二类家庭负荷调节潜力最大,用电成本削减比例最高为19.5%,不舒适指数增加比例最高为46.3%;第四类家庭负荷调节潜力最小,用电成本削减比例最高为12.3%,不舒适指数增加比例最高为17.8%。3）对于可平移类柔性负荷,第一、二、三类家庭可调节潜力均较大;对于可中断类柔性负荷,第一类家庭可调节潜力最大;对于可削减类柔性负荷,第二类家庭可调节潜力最大。

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虚拟同步发电机对系统低频振荡的影响及抑制方法综述

程珊珊, 王海鑫, 杨子豪, 杨俊友, 卢盛阳

2023, 44(8): 119-129. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0497

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为梳理虚拟同步发电机接入后对系统低频振荡的影响,进一步发掘其在提供阻尼和惯量方面的潜力和应用,开展相关梳理和研究工作。首先,归纳和总结电力系统低频振荡的研究现状;然后,对非同步发电机电源并网后对系统低频振荡的影响进行概括和分析;最后,综述伴随非同步发电机电源接入的虚拟同步发电机对系统低频振荡的影响和抑制方法,并针对虚拟同步发电机在新型电力系统应用过程中亟需解决的关键问题提出进一步的思考和展望。

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基于VMD和双模EMPC的含不确定源荷虚拟电厂优化调度

余洋, 温波, 王紫阳, 米增强, 袁玉宝, 常生强

2023, 44(8): 130-138. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0516

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提出基于变分模态分解和双模经济模型预测控制的虚拟电厂（VPP）优化调度方法。首先,对于风电、光伏、负荷等原始功率曲线,分别通过经鲸鱼算法参数优化的变分模态分解算法进行处理,并利用互信息熵重构形成新的高、低频分量;然后,考虑高、低频分量频率特征以及可控设备不同运行特性分别设计VPP高低频优化调度模型。在此基础上,提出基于双模经济模型预测控制的VPP优化运行控制策略,模态1通过经济模型预测控制改善运行经济性,模态2借助设计的辅助控制器维持跟踪性能。最后,算例分析表明,经参数优化后的变分模态分解信号重构效果更好,提出的双模经济模型预测控制策略可协调各设备出力,在确保VPP跟踪稳态最优点的基础上可提升经济性。

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基于电流故障分量变化特征的三端柔性直流配电网线路保护方法

高淑萍, 左俊杰, 宋国兵, 沈渠旺, 李元泽

2023, 44(8): 139-148. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0538

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通过利用模块化多电平换流器（MMC）和输入串联输出并联-双有源桥DC/DC变换器（ISOP-DAB）所构成的等效电路在发生不同故障时电流回路的差异分析故障特征,并结合理论数据分析进行验证,提出利用双端线路电流故障分量绝对值变化特征来判断区内外故障以及故障选极的保护方法。最后在PSCAD/EMTDC上建立含有分布式能源的三端柔性直流配电网模型用以输出故障数据,利用Matlab实现保护算法,验证所提保护方案的可行性。

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计及风光互补特性的风光容量优化配置模型

赵振宇, 解冰清

2023, 44(8): 149-156. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0546

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建立风光互补优化配置从可实现性评价至优化配置决策全过程的优化配置模型。模型基于源-荷匹配思想,建立风光联合出力的负荷匹配度指标;考虑并网导致的新增调峰需求、新能源发电的降碳收益、弃电惩罚成本,构建风光联合出力的平均度电成本模型。以负荷匹配度最大和平均度电成本最小为优化目标,采用NSGA-Ⅱ算法对风光装机容量配置进行优化,引入COWA算子,采用博弈论方法确定指标权重对优化解集进行进一步优选以辅助决策。以某地区为算例,求解验证模型的有效性,所建模型适用于区域电网和微网的规划建设,通过优化的风光装机容量配置,能够提高新能源出力对负荷的匹配程度,降低平均度电成本。

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基于改进麻雀搜索算法的直流微电网容量优化配置

赖钧杰, 文小玲, 张淇, 王佳

2023, 44(8): 157-163. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0554

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为了提高风-光-储直流微电网的经济性和稳定性,进行系统容量优化配置的研究。首先,基于提出的风-光-储-网运行调度策略,以年平均综合成本和功率偏差率为目标函数,考虑系统安全稳定运行作为约束条件,构建风-光-储直流微电网的容量优化配置模型。然后,针对麻雀搜索算法求解具有非零解的优化配置模型容易陷入局部最优及收敛精度不足的问题,提出融合Tent混沌、螺旋搜索、Levy飞行策略和变异扰动的改进麻雀搜索算法,并利用4种标准测试函数将提出的改进算法与普通的麻雀搜索算法、粒子群算法和鲸鱼优化算法进行对比分析。最后,以潜江大数据中心为应用对象进行算例分析,验证模型和算法的可行性和有效性。

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基于PV/T的质子交换膜电解制氢系统动态性能研究

施正荣, 翁楚, 蔡靖雍, 张涛

2023, 44(8): 164-170. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0561

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将太阳能光伏光热综合利用技术（PV/T）与质子交换膜电解水制氢技术（PEMWE）结合,提出基于PV/T的质子交换膜电解制氢系统（PV/T-PEMWE）。系统由PV/T模块与PEM电解槽通过耦合而集成,建立数学模型分析其在白天的动态光电光热性能及制氢性能,并在相同条件下将其性能与光伏电解制氢系统（PV-PEMWE）进行对比。结果表明：PV/T系统全天总发电量为0.5 kWh,电效率维持在13%~15%之间,总发热量为9.4 MJ,热效率维持在30%~40%之间;PV/T-PEMWE系统制氢效率高于PV-PEMWE系统,PV/T-PEMWE系统全天的制氢量为153 L,平均制氢速率约为19 L/h。

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含光伏和储氢的电-氢集成化能源站容量配置

刘尚奇, 胡健, 张晓杰, 齐晓妹, 汪磊, 冀瑞强

2023, 44(8): 171-179. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0609

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为适应车辆低碳清洁化的发展趋势,提出一种含光伏和储氢的电-氢集成化能源站架构。考虑光伏出力及负荷需求的不确定性,以年化成本最小为目标,采用模糊机会约束规划建立电-氢汽车集成化能源站容量配置模型。算例分析表明：能源站能充分利用光伏出力,通过电氢耦合满足电、氢负荷充能需求;置信水平越高,所需设备容量越大,年化成本越高;随着制氢效率的提高和氢储能设备价格的降低,可降低购电成本,提高能源站的经济性。

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基于多元Copula函数的光-火-氢多晶硅园区优化配置

杨建宾, 谢丽蓉, 宋新甫, 叶浩劼, 章攀钊, 卞一帆

2023, 44(8): 180-188. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0616

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针对多晶硅园区的供能特点和低碳需求,引入光伏制氢,优化传统多晶硅园区能源系统。利用多元Copula函数表征“光-电-氢”源荷相关性,结合系统各耦合环节及生产流程,构建光-火-氢多晶硅园区双层优化配置模型。上层是以园区设备投运成本最优为目标的规划模型,下层是以系统综合运行成本最低为目标的低碳调度模型,通过迭代,确定设备最优容量。以新疆某多晶硅园区为算例,验证了配置结果的有效性,可为多晶硅园区的低碳改造及经济运行提供理论支撑。

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中温闭式热泵干燥消防水带系统的分析

李永振, 刘龙, 于昊, 刘翠浴, 胡张鹏, 马鹏真

2023, 44(8): 189-194. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0514

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通过分析的方法分析以R134a为制冷剂的中温闭式热泵干燥消防水带系统的性能,对比研究不同干燥温度下系统COP、单位能耗除湿量、损失以及效率的变化情况,确定系统最佳干燥工况。结果表明：随着干燥温度的提高,干燥时间逐渐变短,系统COP逐渐降低,总损失降低,效率随之增加。在干燥温度为65 ℃时系统总耗电量达到最小值,为3.01 kWh。此时单位能耗除湿量（SMER）达到最大,为0.537 kg/kWh。系统效率在干燥温度为60 ℃时达到最大,为44.2%,比干燥温度为40 ℃的最低效率提高87.3%。

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光伏-土壤源热泵制热工况综合性能

王海涛, 张季, 胡宁, 成祖德

2023, 44(8): 195-202. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0533

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PV/T-GCHPs是实现地热能与太阳能互补利用的一种系统。设计和搭建了系统的实验平台,通过实验和模拟分析PV/T-GCHPs制热工况时埋管出水温度对光伏组件发电性能的影响,比较了PV/T-GCHPs与GCHPs制热性能系数。结果表明：当热泵负荷为75%、循环水流量为0.28 kg/s、地埋管出口水温度为8 ℃时,光伏组件最高发电效率提高6.4%,PV/T-GCHPs平均制热性能系数比GCHPs提高2.2%,最大制热性能系数提高2.4%。

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晶硅异质结太阳电池nc-Si:H/nc-SiO_x:H叠层窗口层研究

杨煜豪, 刘文柱, 张丽平, 孟凡英, 高彦峰, 刘正新

2023, 44(8): 203-207. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1600

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该研究制备高电导、高透明的磷掺杂氢化纳米晶硅氧（nc-SiO_x:H）薄膜,应用于晶硅异质结（SHJ）太阳电池的窗口层以替代传统的氢化非晶硅（a-Si:H）薄膜。与以a-Si:H薄膜为窗口层的电池相比,短路电流密度提高0.5 mA/cm²,达到38.5 mA/cm²,填充因子为82.7%,光电转换效率为23.5%。实验发现,在nc-SiO_x:H薄膜沉积前对本征非晶硅层表面进行处理,沉积1 nm纳米晶硅（nc-Si:H）种子层,可改善nc-SiO_x:H薄膜的晶化率,降低薄膜中的非晶相含量。与单层nc-SiO_x:H窗口层的电池相比,nc-Si:H/nc-SiO_x:H叠层结构提高电池填充因子,达到83.4%,光电转换效率增加了0.3%,达到23.8%。

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单晶硅太阳电池两步制绒工艺的研究

彭平, 夏中高, 景彦姣, 高继龙, 王文静, 周春兰

2023, 44(8): 208-214. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0531

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为了减少单晶硅太阳电池的光学损失,需在硅片表面制备大小合适且分布均匀致密的金字塔结构。基于此目的,在一步制绒基础上开发出两步制绒工艺,即原硅片依次经过两个化学溶液配比不同、反应时间不同的制绒槽。第1个槽药液浓度较高,化学反应速率较快,金字塔能够快速成核生长;第2个槽药液浓度较低,化学反应速率较慢,从而获得结构独立且均匀性较好的金字塔。实验表明：第1个槽的最佳反应时间在250~300 s,第2个槽的最佳反应时间在100~130 s。相对于一步制绒工艺,两步制绒工艺形成的硅片表面反射率降低0.5%,增加了表面对光的吸收,可使太阳电池获得更高的光电转换效率。

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新型高升压耦合电感DC-DC变换器

薛鹏飞, 张民, 赵振伟, 叶睿明, 袁成功, 赵昌

2023, 44(8): 215-223. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0368

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在光伏发电系统中,为实现高增益直流母线电压并网需求,提出一种新型高升压耦合电感DC-DC变换器。通过耦合电感匝比和开关占空比双重调节,提升变换器的高升压能力。利用无源钳位回路对开关器件实现电压钳制,通过耦合电感的漏感吸收开关器件开关瞬间的电流脉冲,有效减小开关器件开关损耗和脉冲冲击,提高了变换器使用寿命。开关管电压应力低、本征占空比小,开关损耗小,有利于提升变换器效率。对变换器工作原理和具体模态进行分析,推演了各器件应力和选型依据。结合仿真和实验对比,验证了新型高升压耦合电感DC-DC变换器的理论正确性。

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基于拟合反演滑模方法的光伏系统MPPT控制

王仁明, 张铭锐, 鲍刚, 刘闻仲, 杨婕

2023, 44(8): 224-231. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0487

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该文提出一种基于拟合优化的反演滑模控制的混合MPPT方案。该方案首先根据光伏发电系统的P-V特征曲线,使用3次插值函数来拟合最大功率点处的参考电压,然后基于参考电压以及反演滑模控制原理,设计相应的控制器并通过PWM调制控制占空比,使之在不同的环境条件下能迅速有效跟踪最大功率点。最后,通过Matlab/Simulink仿真验证所提出优化方案的有效性,并与其他经典方法进行对比分析。结果显示,该方法跟踪速度快、稳态功率波动小,跟踪性能优异。

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一种无重叠时间无变压器电流型光伏并网逆变器研究

代云中, 唐浩, 祁月文, 杨昕, 陈明明

2023, 44(8): 232-237. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0510

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电流型并网逆变器（CSGCI）具有允许桥臂直通,升压性能好等优点,但现有CSGCI不仅需设置重叠时间,且存在高频共模漏电流较大的问题。针对该缺陷,该文首先提出一种无需设置重叠时间的无变压器型CSGCI拓扑及其单极性SPWM调制策略;其次对CSGCI的工作模态和共模漏电流进行分析;然后详细分析模态转换时的换流过程,研究表明：新型CSGCI不仅高频共模漏电流得到了有效抑制,且在无需设置重叠时间的情况下,能顺利完成换流;最后,通过硬件电路实验验证了该逆变器设计和理论分析的正确性。

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基于红外图像和改进MobileNet-V3的光伏组件故障诊断方法

任惠, 夏静, 卢锦玲, 王允哲, 辛国雨

2023, 44(8): 238-245. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0519

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为了提高光伏系统的可靠性和性能,提出一种基于红外图像和改进MobileNet-V3的光伏组件故障诊断方法。首先,分析开源光伏组件缺陷图像及其存在的问题;然后,基于存在的问题,对光伏组件红外缺陷图像进行图像增强、数据增强处理,使红外图像满足图片可用性及样本数量丰富性的要求;最后,对基本MobileNet-V3网络进行改进,实现光伏组件故障分类。实验结果显示：与传统CNN、基础MobileNet-V3相比,所提故障分类方法不仅准确率高、诊断速度快,且对各种故障类别的识别率高,具有较好的实用性和应用价值。

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光伏电站直流输电线路早期绝缘故障识别与定位

王晓东, 张昊, 郭海宇, 高兴

2023, 44(8): 246-252. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0527

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直流输电线路发生早期绝缘故障时电流波动小、故障现象不明显,难以快速识别以采取保护措施,光伏电站线路拓扑结构复杂,不易准确定位故障发生位置。该文提出一种连续小波变换和混合神经网络模型结合的方法,可在尽可能短的时间完成故障识别与定位。该方法首先利用连续小波变换对暂态零模电流信号提取二维时频矩阵特征,压缩为彩色图像;然后,将图像送入神经网络模型中进行训练。该混合神经网络模型通过结合卷积神经网络和门控循环单元,提高识别精度并减少训练时间。最后,为验证本方法的优势,在高噪声环境下选取4条直流输电线路分别进行4种时频分析方法、3种神经网络模型仿真对比后,又对早期绝缘故障单独进行识别仿真试验,结果表明该方法可有效识别出早期绝缘故障并定位至发生线路,且具有较强的抗噪能力。

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大规模光伏开发对局地气候生态影响研究

郑隽卿, 罗勇, 常蕊, 高晓清

2023, 44(8): 253-265. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0530

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光伏组件的大范围铺设改变了局地下垫面结构和性质,干扰了局地生物群落的演替,对局地气候和生态的影响受到广泛关注。这一科学问题为气候生态友好型光伏电站设计规划和可再生能源绿色可持续发展提供重要支撑。该文对已有的野外观测和数值模拟研究方法进行归纳总结,发现大规模集中式光伏开发对局地辐射、温度、湿度和风速产生了明显影响,通过增加光伏电站内生物多样性,改变植被生长状况和土壤理化性质等,总体上有利于生态脆弱地区防风固沙和水土保持,但研究成果具有明显的局地特征差异。辐射平衡和能量-水循环过程的改变可给出部分机理解释,但还需加强不同生态系统下的集中式光伏电站和城市分布式光伏的观测,深入研究光伏组件的光电转化效率等关键物理参数和局地蒸散发等关键过程的重要作用。光伏电站的建设运行,应充分考虑太阳能资源开发利用的“附加”生态效益,发挥其对荒漠化治理、脆弱生态修复和土壤污染物控制等的综合作用。

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一种可抑制共模电流的三相Sepic电流源逆变器

张迪, 王鹏磊, 王立乔, 朱文通

2023, 44(8): 266-274. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0547

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该文将Sepic电路和传统电流源逆变器结合,提出一种新型可升降压的三相电流源逆变器,并通过构建直流旁路,实现对共模电流的抑制。所提出的新型逆变器拓扑具有能实现升降压、调制方式简单且易于实现等优点,可适用于直流电压范围变化较大的光伏发电等场合。该文首先介绍了三相Sepic电流源逆变器电路拓扑的构造方法和工作原理;其次,推导了逆变器在任意开关时刻的共模电压表达式,并对其共模电流抑制效果进行分析;然后,建立逆变器的等效电路图和数学模型,详细分析逆变器的升降压能力;最后,通过仿真和实验证明所提出的三相Sepic电流源逆变器及其控制方案的有效性和可行性。

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无人机翼型曲面上太阳电池发电性能分析

彭磊, 贾子熙, 孙国瑞, 钟豪, 宋建青, 刘文平

2023, 44(8): 275-281. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0569

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针对临近空间太阳能无人机太阳电池发电高效利用问题,建立翼型曲面上太阳电池发电模型,并进行数值分析。结果表明：日期、航向、翼面位置影响电池的电流、电压、功率、效率和日发电量。受太阳方位和直射情况变化影响,同一时刻不同位置电池最大电流差异达0.068 A,最大电压差异达2.28 V。除夏至外靠近前、后缘的电池日发电量受航向影响明显。由于单体电池的弦长与弧长之比接近于1,曲面使电池总辐照度减少引起的电流和功率损失可忽略。电池划分模型对日发电量的影响可忽略,因而可将单体电池作为整体进行分析。结果可为无人机太阳电池布局和连接设计提供参考。

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光伏高占比系统中储能辅助调频控制策略研究

李铁成, 闫鹏, 胡雪凯, 梁白雪, 曾四鸣, 杨少波

2023, 44(8): 282-291. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0580

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该文采用超级电容储能辅助光伏机组进行调频,提出一种适用于功率波动、故障扰动引起频率变化场景的储能调频控制策略。该策略在频率处于调频死区或光伏机组处于故障阶段下,光伏机组不参与系统调频;频率偏移量超过调频死区或故障清除后的恢复阶段,储能系统辅助光伏机组向电网提供一次调频功率或惯量支撑功率。经验证,该策略全面增强高占比光伏系统频率稳定性。

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基于改进VMD和SNS-Attention-GRU的短期光伏发电功率预测

李宏扬, 高丙朋

2023, 44(8): 292-300. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0581

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针对光伏发电系统预测精度不高等问题,建立以门控循环单元（GRU）为基础的预测模型。使用社交网络搜索算法（social network search）和注意力机制（attention）相结合对构建的门控循环单元进行参数优化,采用K-均值对天气类型进行划分,提出材料生成算法（material generation）对变分模态分解中的模态分解数量和惩罚因子进行寻优来确定最佳组合,实现对初始数据的分解操作。利用社交网络搜索算法超参数优化后的门控循环单元对时序特征进行提取,引入注意力机制对时序输入中重要信息的关注进行加强。选用新疆某光伏电站2021年运行数据进行分析,仿真结果表明：所提出的MGA-VMD-SNS-Attention-GRU预测模型能有效提升光伏输出功率预测精度。与SVR、Elman模型相比,平均MAPE分别降低8.14%和8.59%。

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考虑连接件刚度影响的多浮体漂浮光伏方阵运动响应分析

施兴华, 孙哲, 张婧

2023, 44(8): 301-306. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0610

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基于多浮体运动响应计算方法,采用OrcaFlex软件,针对光伏电站漂浮方阵模型多浮体连接件刚度与其运动响应进行数值分析研究。首先,通过与有关浮体连接件试验进行对比,验证数值模拟的合理性;然后,开展对漂浮式光伏方阵在不同刚度连接件下多浮体六自由度运动的数值计算,对横纵浮体六自由度运动进行评估;最后,分析浮体间相对运动对连接件载荷之间的影响。研究结果表明：该研究模型随连接件刚度的增加,横向浮体整体运动响应大于纵向浮体,应更关注横向浮体的连接加强问题。连接件刚度较小时,浮体间的运动约束能力较差;刚度较大时,不利于抵抗浮体间的相互冲击,造成不必要的实际工程成本。

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多孔蛭石含湿蒸发降温对光伏组件发电性能的影响

刘小钰, 冉茂宇

2023, 44(8): 307-315. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0627

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为进一步提高光伏组件的冷却发电性能,该文选择多孔蛭石作为氯化钙盐和水的载体,研究多孔蛭石含盐吸放湿、蓄水蒸发、间歇喷淋3种降温方式对光伏组件上、下表面温度和发电性能的影响。研究结果表明：多孔蛭石载盐CaCl₂可增加光伏发电量,但由于蒸发含水率较低、光伏组件背板散热热阻较大,其降温效果有限;多孔蛭石的储水蒸发可有效降低光伏组件温度,每天一次蓄水可满足每日蒸发需水量,与未降温的光伏组件相比,其发电效率可提高2.5%;相比于多孔蛭石储水蒸发冷却,间歇式喷淋与多孔蛭石储水相结合方式的发电效率提高了8.2%。

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计及相似日的LSTM光伏出力预测模型研究

王涛, 王旭, 许野, 李薇

2023, 44(8): 316-323. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0632

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为了提高光伏电站输出功率的预测精度,该文构建基于灰色关联度分析法（GRA）和长短期记忆神经网络（LSTM）的光伏发电组合预测模型。在运用GRA方法确定影响光伏出力的主要气象因素和选定待预测日的相似日的基础上,利用相似日的气象参数和实际发电量分别训练BP神经网络和LSTM神经网络,构建基于GRA的光伏出力智能预测模型,并在云南某光伏电站得到很好的应用。对比传统的单一预测模型和BP神经网络与GRA的组合模型,考虑相似日的LSTM预测模型的精度明显提升,可很好地满足相关要求,具有广阔的应用前景。

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基于TSO-MSMA算法在光伏系统MPPT中的研究

李艳波, 李林宜, 刘维宇, 姚博彬, 陈俊硕

2023, 44(8): 324-330. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1367

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传统MPPT算法存在易陷入局部最优的问题,且目前采用的智能优化算法解决该类问题也有追踪精度不足、追踪速度慢等问题。为解决上述问题,该文提出一种基于金枪鱼算法（TSO）与改进黏菌觅食算法（MSMA）的混合优化算法。该方法通过早期金枪鱼算法的抛物线觅食策略来加快搜索速度,对黏菌觅食算法采用基于混沌映射的反向学习策略进行改进,达到扩大算法探索范围的目的,使之不易于陷入局部最优,并提高算法运算速度。将改进后的算法应用于光伏系统MPPT中,仿真实验结果表明：改进后算法相较于单独TSO与MSMA算法,在不同遮光条件下追踪速率有较大提升,精确度高于单独的TSO与MSMA算法,拥有更好的追踪速度与追踪精度。

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双流道PV/T集热器冬季运行工况分析及优化

张赫男, 刘宗江, 李忠, 焦青太, 李筛, 程远达

2023, 44(8): 331-337. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0608

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该文建立PV/T集热器非稳态传热数学模型,通过现有实验平台实测数据验证模型可靠性后,对水冷型PV/T集热器以及空气/水双流道PV/T集热器性能进行模拟研究;在此基础上,从运行参数角度对双流道PV/T集热器性能进行运行优化。研究结果表明：在太原地区冬季工况下,当水流量为0.01 kg/s时,增设空气流道后双流道PV/T集热器性能优于水冷型PV/T集热器,集热器综合性能效率提高约0.84%。当空气流量一定时,随着水流量从0.01 kg/s增至0.09 kg/s,双流道PV/T集热器综合性能效率增加约9.22%;当水流量大于0.03 kg/s时,增大空气流量会削弱双流道PV/T集热器综合性能。该文经综合考虑建议太原市在冬季工况下双流道PV/T集热器推荐水流量上限值为0.03 kg/s。

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磁场作用下Fe₃O₄包覆碳纳米管磁流体光热转换性能

邢美波, 丁宪喆, 贾朝富, 张洪发, 景栋梁

2023, 44(8): 338-344. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0544

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该文实验研究了磁场作用下水基磁性碳纳米管（MWCNT-Fe₃O₄）流体光热转换特性。采用改进化学共沉淀法合成MWCNT-Fe₃O₄复合纳米磁性材料,制备了浓度为0.001%~0.200%（质量分数）的磁流体。此外,研究了磁场强度及方向对磁性流体光热转换特性的影响。结果表明：在低浓度范围内光热转换效率随浓度增加而增加,并在0.01%时获得比纯水提高了30%的光热转换效率。高浓度时由于透光率降低使得光热转换效率有所下降。磁性MWCNT材料在外加磁场作用下将会呈现与磁场方向一致的定向排列现象。垂直磁场作用下,MWCNT排列方向与温度梯度方向一致,充分利用其轴向超高导热系数使流体中的温度分布更均匀,光热转换效率提高。水平磁场作用下,MWCNT排列方向与温度梯度方向垂直,抑制了流体中的热量传递,光热转换效率下降。

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抗菌型太阳能蒸发器的研究进展

杨晓琴, 唐杰斌, 李伟, 卢茜, 宋兆萍

2023, 44(8): 345-354. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0586

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太阳能蒸发器是太阳能界面蒸发系统的关键部件,抗菌性能对蒸发器在海水淡化中稳定应用具有重要作用。该文首先对抗菌材料及其抗菌机制进行介绍,然后对已研发报道的抗菌型太阳能蒸发器及其应用分别进行概述,并进行总结和展望,以期为抗菌型太阳能蒸发器的后续研发及其在太阳能海水淡化中的应用研究提供借鉴。

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太阳能海水淡化动态仿真和生命周期成本分析

杨辰斌, 杨其国, 徐洪涛, 张剑飞, 张伟康

2023, 44(8): 355-361. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0601

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设计一种由槽式集热器和多级闪蒸装置构成的全天候太阳能海水淡化系统,日均淡水产量为3000 m³。应用上海市的气象数据,引入多级闪蒸简化算法,采用TRNSYS软件进行动态仿真,并利用生命周期成本分析法对设计系统和常规能源淡化系统进行经济性对比。结果表明：太阳能淡化系统的年平均太阳能保证率为41.11%;在整个生命周期中,位于上海市的太阳能淡化系统单位造水成本为18.48 元/m³;当通货膨胀率低于8.5%或天然气价格高于2.09 元/m³时,太阳能淡化系统相较于同等规模的常规能源淡化系统,具有更好的经济性。

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太阳能复叠喷射冷热双蓄系统性能优化潜力研究

米昶宁, 郑立星, 胡宏伟, 熊英莹

2023, 44(8): 362-366. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0611

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针对太阳能R290/CO₂复叠喷射冷热双蓄系统,通过先进㶲分析方法研究系统部件间的相互作用以及优化潜力,探讨喷射器效率以及中间换热器CO₂侧压力对系统㶲性能的影响规律。先进㶲分析结果发现R290喷射器的可避免内源㶲损最大,其具有最高的改进潜力,系统㶲损中88.90%为内源㶲损、41.68%为可避免㶲损。通过提高喷射器效率可有效改善整个系统的㶲效率。同时系统中存在最佳的中间换热器CO₂侧压力,可使系统㶲效率达到最高,从而使得R290喷射器的可避免内源㶲损最小。

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基于偏折法的碟式聚光器抛物镜面法向误差快速检测方法

刘繁茂, 张原愿, 廖灿灿, 莫寒

2023, 44(8): 367-378. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0831

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为实现碟式聚光器抛物镜面的法向误差快速检测,针对单目偏折法缺少深度信息的不足,拟构建一种迭代拟合算法,通过拟合计算得到二次曲面系数,修正镜面坐标系与相机坐标系之间的转换误差,实现对称碟式聚光器抛物镜面的快速定位与法向误差计算。搭建实验平台,进行5次不同位姿的抛物镜面测量实验,获得被测抛物镜面单元的实际法线方向数据,与镜面设计面形的标准法线方向相比,其平均误差为7.3591 mrad;5次测量的抛物镜面法向误差结果相近,其整体标准差为5.0278 mrad;与镜面面形基准数据相比较,验证了该方法测得的法向误差低于20 mrad。实验结果表明该方法可行,且具有快速性和稳定性。

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基于知识规则挖掘的风电机组故障识别与解释性分析

钱小毅, 孙天贺, 王宝石, 韩玥

2023, 44(8): 379-385. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0483

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针对传统风电机组故障识别方法精度难以保证且缺乏解释性的问题,提出一种以模糊规则分类系统为框架的风电机组故障识别与解释性分析方案。离线阶段通过启发式学习生成代表性故障规则,采用多种群量子进化算法实现故障规则寻优,提高对故障的识别精度;在线阶段定义近邻规则竞争策略,在此基础上提出基于故障规则后处理策略的故障解释性分析方案,实现潜在故障概率排序以及解释性的关键异常征兆表达。以兆瓦级风电机组常见的10种故障数据进行仿真分析。结果表明,所提方法可有效提高故障识别精度,同时提供可靠的故障解释性结果。

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台风过境全过程水平风速变化中海气交换作用机制与影响因子研究

员亦雯, 柯世堂, 赵永发, 王硕, 陈明珠, 任贺贺

2023, 44(8): 386-395. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0484

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为揭示海气交换作用对台风过境全过程水平风速的影响机理,基于MCT耦合平台二次开发,建立了大气WRF模式-海浪SWAN模式-海洋FVCOM模式的实时耦合模拟方法,同时和单一中尺度WRF模式预测结果比对,通过相关性分析确定了海气交换作用对台风水平风速影响的主要环境因素,进而揭示了海气交换作用机制,最终利用主成分分析法研究了台风不同阶段水平风速的海气交换作用综合环境因子影响系数。结果表明：海气交换作用对台风水平风速的影响中起主要作用的环境因子依次为：垂直切变、摩阻速度、海表温度、潜热通量与850 hPa垂直涡度;考虑海气交换作用时综合环境因子对水平风速的影响呈负反馈趋势,台风过境全过程下环境对风速的海气交换作用指标取值分别为：0.206（加速期）、-0.718（强风期）、-0.750（登陆期）。

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基于机组分类的风电场有功功率分配方法研究

刘军, 赵航, 刘安东

2023, 44(8): 396-403. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0490

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针对单一风速预测方法预测精度不高,以及按风速比例进行风电场机组功率分配时,跟踪功率调度指令误差较大的问题,提出一种组合风速预测方法,并基于机组预测风速、当前风速及输出功率的机组分类,提出一种风电场有功功率分配方法。采用模糊C均值分类方法对机组进行分类,根据分类结果确定功率调节优先级,将功率指令分配到不同类机组,再按某一类各机组输出功率的比例分配至每台机组,实现整个风电场有功功率分配。以某风电场实际风速数据进行风速预测和有功功率分配仿真研究,仿真结果表明,该文提出的组合风速预测方法和风电场有功功率分配方法具有风速预测精度高、风电场输出功率跟踪精度高,参与有功功率调节的机组数目少的优点。

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基于GWO-SVR的风电机组柔性塔架振动建模与仿真分析

殷孝雎, 都治良, 卲国策, 卢世昱, 牟其政, 赵婷婷

2023, 44(8): 404-411. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0502

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针对风电机组柔性塔架因机械疲劳、振动等引起的失稳问题,采用改进的回归方法建立塔架振动预测模型。在风电机组不同运行工况下,通过相关性分析对多源异构数据进行优化,求出影响柔性塔架振动的相关联变量。基于灰狼优化（GWO）算法得到支持向量回归（SVR）方法的最优参数,建立塔架振动预测模型。以某风场2 MW风电机组120 m柔性塔架数据进行仿真分析,结果表明,在额定风速以上工况下,GWO优化SVR模型相较于BP模型、SVR模型、粒子群算法（PSO）优化SVR模型、鲸鱼优化算法（WOA）优化SVR模型,均方根误差RMSE分别降低了11.143、8.925、8.263、3.651;平均绝对误差MAE分别降低了9.032、7.016、2.665、3.233。基于GWO优化的SVR模型提高了柔性塔架振动预测精度,可为柔性塔架的振动控制提供准确数据支持。

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虚拟同步控制下双馈风电机组传动链动态特性分析

蒋东荣, 莫若男, 杨超, 贾勇, 胡姚刚, 李辉

2023, 44(8): 412-419. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0513

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虚拟同步发电机针对（VSG）控制对风电机组机械结构影响缺乏认知问题,开展VSG控制下双馈风电机组（DFIG）传动链动态特性分析研究。建立计及传动链柔性的DFIG模型,并通过转子侧变流器实现DFIG的VSG控制。考虑电网频率冲击扰动与风速持续扰动两种情况,通过所建模型仿真对比VSG控制和传统矢量控制下DFIG传动链动态特性,并分别从时域和频域分析VSG关键控制参数对传动链动态特性的影响。结果表明,DFIG运行于VSG控制模式时,电网频率冲击扰动在其传动链激励出大幅度的冲击性自由扭振,风速持续扰动引发其传动链出现大幅度的持续性受迫扭振和幅度较小的持续性自由扭振,且VSG关键控制参数对自由扭振强度影响显著。

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基于时空注意力-Seq2Seq模型的多风电机组多步风速预测算法

刘长良, 赵陆阳, 王梓齐, 徐健

2023, 44(8): 420-429. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0540

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针对在多风电机组风速预测任务中,卷积运算不适用于提取排布不规则的多风电机组空间相关性的问题,提出一种基于时空注意力-Seq2Seq模型的多风电机组多步风速预测算法。首先使用空间注意力机制强化风速序列的空间相关性,并对常规空间注意力机制进行改进;之后使用Seq2Seq模型中的编码器进行编码;最后使用结合时间注意力机制的解码器计算多风电机组的多步预测结果。以河北市某风电场的实际数据为算例进行实验,结果表明相比其他对比算法,所提算法的平均绝对误差下降约4.3%~15.0%,精度有较大提高。

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复合运动下风力机翼型动态失速特性研究

冯俊鑫, 赵振宙, 陈明, 江瑞芳, 刘一格, 王丁丁

2023, 44(8): 430-436. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0551

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采用带γ-Reθ转捩修正的SST k-ω湍流模型和动网格技术,以S809翼型为研究对象,探讨复合（俯仰+前后横荡）运动下的动态失速特性。结果表明：横荡运动扩大了翼型升阻力系数迟滞环状;上仰阶段升力系数增加,阻力系数减小,增减幅度与横荡幅度成正比;降低了下俯阶段的升力系数。横荡运动通过改变翼型边界层流体动能,有效缩小翼型尾缘涡的拓扑结构,增强前缘涡的诱导效应,使得翼型上仰阶段失速程度减弱。

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风电齿轮箱高速轴轴承疲劳寿命及动态可靠性分析

宋礼睿, 崔权维, 周建星, 金鹏程, 祁乐, 温建民

2023, 44(8): 437-444. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0562

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为探究风电机组齿轮箱高速轴圆柱滚子轴承在服役过程中的疲劳寿命和可靠度变化规律,以新疆达坂城风场年度风载荷为外部激励,建立基于威布尔分布的随机风速模型及考虑内部齿轮时变啮合刚度、轴承时变刚度等激励因素的风电齿轮传动系统齿轮-轴承耦合动力学模型,通过Newmark积分法求解高速轴轴承动载荷。运用雨流计数法及Goodman平均应力修正法得到对称循环应力,结合线性损伤理论和非线性损伤理论的对比,获得轴承的接触疲劳寿命和动态可靠度。结果表明：额定功率下,在外部随机风载激励和内部齿轮-轴承耦合共同作用下,内激励仍然对系统高速轴轴承动载荷起主要作用。与线性损伤累计理论相比,非线性损伤累计理论考虑载荷加载的顺序效应,能更好地描述轴承在整个疲劳寿命过程中各阶段的疲劳损伤情况。轴承在服役过程中,前15年的损伤较小,可靠度衰减缓慢,而在后期可靠度呈现出非线性迅速下降趋势,应及时调整维护策略。

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永磁风力发电机产能效率优化策略研究

温彩凤, 谢婉冰, 苏文涛, 汪建文

2023, 44(8): 445-452. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0575

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永磁同步风力发电机存在产能效率不高的问题,而诠释产能效率的两个分解因素是效率和输出功率,因此该研究借助一种响应面法（RSM）和存档微遗传算法（AMGA）相结合的优化方法,以改善内部结构参数开展提高发电机产能效率的双目标优化研究。首先建立发电机平衡模型,确立优化双目标;其次,采用敏感性分析法确定定子内径、气隙长度、永磁体厚度及铁芯长度组合为设计变量,通过Box-Behnken试验设计（BBD）试验设计获得29组样本数据,根据RSM获得输出功率和效率的回归方程,并经方差分析验证模型可靠性;最后以效率和输出功率极大为优化双目标,借助RSM和AMGA相结合法进行寻优,得出最佳结构参数,从而提高发电机产能效率,并降低了功率脉动,提升电能品质。

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基于势能-滑模的双馈风电机组广域阻尼控制设计方法

刘铖, 刁硕, 郝文波, 李守超

2023, 44(8): 453-459. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0600

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通过构建模型的方式解决双馈感应发电机并入电力系统中存在的非线性功率振荡问题,提出一种具有非线性和鲁棒性的新型功率振荡阻尼控制器,以减小此类系统中的功率振荡。首先,结合双馈感应发电机特性,构造含风电电力系统的能量函数模型。其次,根据构建的稳定流形构建滑模面,对于建模和仿真过程中存在的一些误差和外部干扰,采用扩展状态观测器进行估计。最后,基于扩展状态观测器、滑模变结构控制理论、能量函数设计双馈感应发电机的功率振荡阻尼控制器,并在四机两区系统中验证该方法的有效性。

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基于多目标遗传算法的海上铰接式风力机塔架结构参数优化

章培, 唐友刚, 李焱, 王永洪, 黄竹, 刘汇海

2023, 44(8): 460-466. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0630

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针对海上铰接式基础风力机的塔架结构,通过分析其复杂环境下的力学性能及结构间耦合作用关系,构建塔架多目标优化数学模型,采用一种基于空间参考点的非支配排序多目标遗传算法对塔架结构参数进行优化设计研究,基于所得到的Pareto解建立模糊评价指标并开展优化参数的敏感性分析,得到满足不同优化指标下的最优解方案。计算结果表明：额定风速海况下,塔架结构最大等效应力、塔顶位移及屈曲安全系数均满足安全作业许可,同时相比于NREL 5 MW原型塔架结构,塔架质量减轻了13.41%,有效减小了建造成本;等效应力也大幅减小13.79%,塔顶位移增加了3.36%,但仍远小于安全偏移量,满足设计需求;塔架屈曲安全系数为0.05远小于1,满足屈曲稳定性要求;同时塔架弯曲振动的固有频率不在叶片风轮旋转的1P和3P范围内,避免与结构发生共振,基于多目标优化所设计的塔架结构无论是结构性能还是制作成本都得到显著改善。

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基于变量相关注意力机制的短期风速预测

王旭光, 张可, 李潇, 白康

2023, 44(8): 467-476. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0637

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针对多因素风速预测问题,提出一种基于变量相关注意力机制的短期风速预测模型。该模型通过序列对齐与变量选择模块筛选出与风速相关性强的因素序列并生成其他因素矩阵,采用变分模态分解算法将历史风速序列分解并进一步生成模态分量矩阵。将其他因素矩阵与模态分量矩阵拼接,得到因素矩阵。利用变量相关注意力机制表达因素矩阵与风速序列的相关关系,在此基础上实现风速预测。采用中国南方某风电场一年的实测数据验证了序列对齐与变量选择模块的作用、变分模态分解算法的分解效果以及变量相关注意力机制的特征提取能力。该模型在4个季节的平均绝对误差分别为0.17、0.17、0.13和0.14 m/s,明显优于其他对比模型,充分说明该模型在短期风速预测方面的优越性能。

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风电机组行星齿轮-滚动轴承耦合系统动态特性研究

许华超, 柏厚义, 秦大同, 王勇, 刘长钊

2023, 44(8): 477-484. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0638

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为满足行星齿轮与滚动轴承集成设计需求,基于多体动力学理论和弹性接触理论,提出一种考虑行星齿轮与滚动轴承动态相互影响且能计算各滚动体接触载荷的行星齿轮-滚动轴承耦合系统动力学建模方法。以风电机组行星齿轮滚动轴承系统为研究对象,构建其耦合系统动力学模型,研究行星齿轮与滚动轴承间的耦合作用机理。研究发现：行星齿轮对滚动轴承动态响应影响显著,受齿轮啮合力影响滚动体接触载荷与轴承偏心轨迹呈高频波动特征,设计时应充分评估行星齿轮对滚动轴承动态响应影响。

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考虑频率二次跌落的风电机组调频控制研究

盛四清, 占志刚, 吴林林, 王潇, 邓晓洋, 孙大卫

2023, 44(8): 485-491. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0644

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该文首先分析系统经典响应模型和传统火电机组内部的延时过程,并提出一种考虑协同火电机组的一次调频策略改善系统一次调频效果,其中风电机组配合同步发电机组内部惯性延时过程。为有效利用可用的转子动能储备找到最佳调频系数大小,使用粒子群优化算法（PSO）针对稳定风速情况下的风电机组输出进行优化,满足系统条件限制（例如频率最低点、频率变化率ROCOF等）,决定调频系数K_c值大小和具体退出时间。并利用分段能量降幅信号作用于变流器控制来提升转子转速恢复,从而减小频率二次跌落深度。最后在Matlab/Simulink仿真软件建立的四机两区电网模型中对所提方案进行验证,为新能源参与系统频率调节提供基础。

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一种新型变桨风力机风洞实验研究

吴胜胜, 包道日娜, 张少华, 白志东, 刘东

2023, 44(8): 492-498. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0646

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介绍一种可应用于小型风力机的新型变桨调节装置,为验证其高风速运行的可行性,同时分析桨距角对小型风力机输出功率的影响特性,保持恒功率输出时的桨距角控制规律及变桨机构所受实际载荷大小,制造样机模型进行风洞实验。实验结果表明：在5~20 m/s的测试风速范围内新型变桨风力机运行安全可靠;6°桨距角时风力机输出性能最佳,无论桨距角增大或减小,输出性能均有所降低;风速一定时,风力机输出功率随桨距角的增大呈近似线性减小的趋势,且风速越大桨距角变化对输出功率的影响越显著;得出风力机输出功率控制在约1400 W时的桨距角、风速关系式;保持恒功率输出时,通过桨距角调节可使变桨距风力机推杆载荷较定桨距风力机明显降低。

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基于TOPSIS法的风速概率分布评价方法

蒋晨, 缪书唯

2023, 44(8): 499-508. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0651

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将风速概率分布评价视为多属性决策问题,基于逼近理想解排序法（TOPSIS）评价各类候选概率分布拟合风速概率分布的优度。首先,将候选概率分布和拟合优度指标分别类比为方案和属性;其次,根据相对贴近度量化候选概率分布与正理想解的差距,进而在计及指标冲突的情况下评价风速概率分布;最后,收集美国某两处观测站实测风速数据验证所述方法的适用性和准确性,结果表明：该方法能有效整合多种拟合优度指标,进而在不同风况下为特定观测站评价风速概率分布。

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考虑虚拟惯性时间常数和频率二次跌落的风电频率综合控制策略

彭海涛, 何山, 程静, 袁至, 闫学勤, 常喜强

2023, 44(8): 509-517. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0760

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首先,根据虚拟惯性时间常数对风电机组惯性支撑能力进行定量表征,进而分析转矩控制器参数对虚拟惯性时间常数的影响。在此基础上,提出一种自适应下垂控制与转矩控制器模糊自适应控制相结合的频率综合控制策略,实现对虚拟惯性时间常数的灵活调整,在抑制系统频率快速变化的同时,加快频率恢复,并可有效解决频率二次跌落问题。最后通过仿真验证所提控制策略的有效性以及对频率二次跌落的改善作用。

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风电机组主轴承座抗疲劳拓扑优化设计方法

陆飞宇, 张承婉, 龙凯, 陈卓, 陶涛, 刘杰

2023, 44(8): 518-523. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0853

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为实现风电机组主轴承座抗疲劳轻量化设计,提出基于增广拉格朗日函数的抗疲劳拓扑优化方法。采用准静态法快速获取时序应力值,经过雨流计数得到累积疲劳损伤值。基于变密度法建立抗疲劳拓扑优化列式,为解决单元损伤约束方程数庞大的困难,借助增广拉格朗日函数将原拓扑优化问题转换为一系列无约束优化问题实现优化求解。基于商品化有限元软件二次开发实现抗疲劳拓扑优化功能,并在风电机组主轴承座轻量化设计中得到工程应用,证明了提出方法的可行性和适用性。

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考虑RNA运行作用的近海风电结构TMD振动控制研究

白久林, 李晨辉, 王宇航

2023, 44(8): 524-534. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1365

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为探究风轮-机舱组件（RNA）运行作用对近海风电结构调谐质量阻尼器（TMD）振动控制的影响,以NREL 5 MW单桩风电塔为对象,基于风-浪-流-RNA运行耦合的近海风电结构分析模型,通过定点理论对风电塔架一阶频率设计TMD参数。结合RNA控制策略下风电机组的时变振动特性,分别研究TMD对近海风电结构塔顶前后向及侧向动力响应的控制机理。结果表明：由于前后向与侧向动力条件的不同,TMD无法有效控制塔顶前后向振动,但可显著抑制塔顶侧向振动响应。

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复合菌系预处理对玉米秸秆厌氧沼气发酵的影响

王丰园, 金海炎, 闫振丽, 赵子高, 鲁云风

2023, 44(8): 535-541. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0572

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以玉米秸秆为原料,利用本实验室通过基因组重排育种后能高效降解木质纤维素的菌株对玉米秸秆进行预处理,并对预处理后的秸秆进行厌氧沼气发酵。通过正交试验确定复合菌系处理秸秆的最佳条件为：初始pH值为6.00、玉米秸秆含量为2.0%、TR2-35孢子液接种量1.0%、PR2-24孢子液接种量0.5%。通过对秸秆预处理发酵料液的定时检测,确定最佳的预处理时间为8 d,此时发酵液的pH值为6.82,适合厌氧产甲烷菌的生长,发酵液中的COD含量达到最大,为10080 mg/L,秸秆及其成分也达到降解的高峰,适合厌氧沼气发酵。通过设计1 L的厌氧沼气发酵排水集气装置,有效反应体积800 mL,进行20 d沼气发酵,结果表明：预处理组总产气量为6083 mL,总甲烷量为4316 mL,分别较未预处理组提高61.14%和93.63%。

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基于厌氧发酵混合原料流变特性的CFD流场模拟分析

孙浩, 陈高攀, 刘双, 王超, 侯俊英, 王雅雅

2023, 44(8): 542-549. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0594

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为确定不同搅拌器下厌氧发酵体系原料的运动规律,以单一鸡粪、鸡粪与玉米秸秆干重比1∶4混合原料为研究对象,对不同含固率下鸡粪以及混合原料的流变特性进行测定。基于混合原料的流变特性,运用CFD对4种搅拌器进行数值模拟分析。结果表明：与鸡粪类似,混合原料为非牛顿假塑性流体,其流变特性可用幂律模型表征,二者黏度均随转速的增大而减小,但混合原料的稠度系数和流变指数均低于鸡粪;六弯叶搅拌器对其附近流场影响较大,六斜叶圆盘涡轮式搅拌器的死区范围最小,六弯叶搅拌器相较于六斜叶搅拌器具有更高的径向速度。

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直驱式波浪发电系统功率优化鲁棒控制

王超凡, 杨俊华, 罗琦, 梁昊晖, 黄逸

2023, 44(8): 550-555. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0548

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为应对海洋复杂波浪环境,改善不规则激励力下直驱式波浪发电系统的功率捕获效果,降低参数变化影响,建立水动力和直线电机模型,采用线性二次型调节器方法设计系统状态反馈,通过控制代价方程中的权重矩阵,权衡系统输出功率、运动部件位移和速度三者之间的关系;计算理想电磁力,得到q轴期望电流跟踪值。根据系统摄动数学模型,将控制器设计问题转化为H_∞鲁棒控制标准型问题,通过选取适当权函数求解控制器参数,增强系统抗干扰能力。仿真结果表明,在浮子位移和速度受限制情况下,当系统模型存在参数摄动时,所提控制策略系统输出功率更高、鲁棒性更强,可较好地应对复杂海况,提高波能转换效率。

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基于激励力预估的直驱式波浪发电系统功率优化

黄逸, 杨俊华, 罗琦, 林汇金, 王超凡, 梁昊晖

2023, 44(8): 556-562. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0596

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为提高不规则激励力工况下直驱式波浪发电系统的功率捕获能力,基于变分法给出最大功率提取条件,求解得到对应的理想电磁力。结合电机-水动力模型,设计滑模观测器,由Lyapunov函数证明系统稳定性,预估未知波浪不规则激励力输入。以理想电磁力为参考输入,采用空间矢量控制策略跟踪系统期望电流信号,实现最大功率输出。仿真结果表明,所提方案预估精度高,在模型失配时也有较好的鲁棒性,系统输出功率更高,可在线检测激励力,提高复杂海况下系统波能转换率。

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