太阳能学报

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郭凯, 程雨轩, 唐博文, 樊显涛, 谭蔚, 张红升

2023, 44(9): 1-8. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0714

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为研究不等直径双圆柱在风力振动发电领域的应用前景和能量俘获特征,该文在L/D=1.5条件下,对不等直径双圆柱流致振动响应和能量转换特性进行研究,其中上游圆柱固定,下游圆柱仅做横流向振动。研究结果表明：下游圆柱会呈现涡激振动与尾流驰振两种响应,且直径比对下游圆柱的振动响应、受力特性和锁定区范围都有影响。对于获能功率驰振响应为涡激振动的2倍,但对于能量转换效率在涡激振动区间可达约30%,但在驰振区间仅有10%。从分析结果来看,在低折合速度下,d/D=0.8时能量俘获优势较明显,但在高折合速度下,d/D=0.6时能量俘获优势更加显著。

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基于主从博弈和混合碳政策的园区综合能源系统低碳经济调度

张虹, 张瑞芳, 周建丞, 孙方亮, 姜德龙

2023, 44(9): 9-17. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0715

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为实现综合能源系统低碳运行,并同时兼顾运营商和用户两者的利益,该文提出一种考虑混合碳政策的运营商-用户主从博弈双层优化模型。在日前调度阶段,上层以运营商收益最大为目标,引入阶梯型碳交易和碳税成本,对系统碳排放量进行限制,并根据用户反馈的用能策略,决定运营商对用户的定价策略和各设备出力。下层用户以购能费用最小为目标,利用热惯性和电需求响应,决定所需的电热冷负荷。最后,将下层用户模型转化为上层约束,得到单层混合整数线性模型,并通过算例分析验证了所提方法的合理性,能够有效减少系统碳排放,降低用户用能成本。

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考虑RoCoF约束的新能源电力系统惯量分区配置方法

张君黎, 徐政

2023, 44(9): 18-28. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0723

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分析了大规模新能源电力系统按分区配置惯量的必要性,并对此给出电压源型换流器采用功率同步控制以配置虚拟惯量的建议。据此,提出一种考虑频率变化率约束的惯量分区配置方法。该方法先将待研究系统按频率响应特性的一致程度进行分区,然后结合分区内部扰动、分区间联络线上功率变化和负荷电压响应等因素计算扰动情况下各分区的最大不平衡功率,从而以分区为单位得到惯量需求并进行配置。最后,基于华东电网规划算例,说明了苏北沿海电网等分区的惯量配置需求,并验证所提惯量分区配置方法的有效性。

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计及柔性负荷参与的综合能源系统优化调度

朱霄珣, 刘占田, 薛劲飞, 胡明, 韩中合, 吴迪

2023, 44(9): 29-38. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0725

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为提高源荷匹配度,平抑负荷波动,该文提出计及需求响应负荷和地源热泵出力的综合能源系统优化调度模型,研究柔性负荷与地源热泵在调度顺序不同的情况下对系统的影响。首先,以系统的经济成本和环境成本最小为目标,建立综合能源系统优化调度模型优化各设备的出力。其次,在考虑新能源机组出力不确定性的基础上,利用地源热泵装置转换效率高的特点改善能源互补能力并使其作为一种可调度资源参与系统的调度。最后,在需求侧将柔性负荷分为可转移、可削减负荷作为可调度资源参与调度,平滑负荷曲线。通过算例分析可得：不考虑可调度资源出力顺序的情况下,能有效提高系统的经济和环境效益以及源荷匹配能力。

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基于ZVS的双向全桥DC-DC变换器最小回流功率双重移相分段控制

孙标广, 李静争, 张迁迁, 杨泽昆, 邓旭哲

2023, 44(9): 39-48. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0744

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双向全桥DC-DC（DAB）变换器在直流微电网作为可再生能源与储能设备的能量传输环节,通过实现零电压开关（ZVS）和最小回流功率,可显著地提升DAB变换器的性能,从而提高直流微电网的稳定性。但同时实现ZVS和最小回流功率控制在理论上是相互制约的。针对这一问题,该文提出一种基于ZVS的最小回流功率双重移相分段控制策略。通过对双重移相下的传输功率进行分段,前段将ZVS作为约束条件,得到基于ZVS条件下的最小回流功率控制策略,后段通过KKT条件法实现在给定传输功率下的最小回流功率控制策略。通过将所提控制策略和传统的双重移相控制对比分析,发现所提控制策略具有更小的回流功率和电流应力,提高了变换器的性能。最后,基于所提控制策略搭建实验样机,验证了控制策略的正确性和有效性。

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碳达峰约束下的省级电源规划方法

蒋海玮, 张明理, 侯依昕, 杨天蒙, 商文颖, 程孟增

2023, 44(9): 49-56. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0770

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电力行业作为最大的碳排放来源,在实现碳达峰目标中扮演举足轻重的角色,而电源规划是调控碳排放的关键路径。为此,该文考虑不同容量机组度电煤耗与利用小时数差异,提出一种煤电机组群CO₂年排放总量计算方法,并在此基础上建立碳达峰约束下的省级电源规划多目标优化模型。该模型以系统总投资费用最少和规划期内CO₂排放总量最低为双重目标,并将预期的碳达峰实现年份区间引入约束条件。随后,提出一种基于蒙特卡洛模拟和NSGA-Ⅱ算法的多目标优化模型求解方法,以生成电源规划方案的Pareto最优解。利用所提方法对中国某省级电力系统进行电源规划,结果验证了所提方法的合理性和有效性。

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基于随机优化的虚拟电厂热电联合经济优化调度

李嘉森, 王进, 杨蒙, 赵书豪, 张孝跃

2023, 44(9): 57-65. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0804

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针对三北地区现有能源结构调节能力不足而导致的弃风问题,将风电场、光热电站、火电机组和热电联产机组聚合为虚拟电厂。采用随机优化处理风光不确定性问题,通过拉丁超立方抽样生成大量随机风光场景,并在充分考虑风光相关性和分布随机特性的基础上,利用Kantorovich距离削减与K-均值聚类算法对随机场景进行降维优化,获得风电、太阳直接辐照度典型预测场景。结合光热电站的灵活性与供能惯性,构建含光热虚拟电厂热电联合优化调度模型,并建立系统总运行成本最小的目标函数。最后在算例部分验证所提随机优化方法在计算效率、预测精度和处理风光随机问题的优越性;对不同运行模式下的目标函数进行求解,验证所提出的优化调度策略能够在满足系统运行经济性的同时实现风电的最大消纳。

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以GeSe为光吸收层的薄膜太阳电池模拟优化研究

韩莹健, 吴海峰, 王丹丹, 邢美波, 李子睿, 王瑞祥

2023, 44(9): 66-71. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0690

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针对GeSe薄膜作为吸收层的薄膜太阳电池,利用Scaps-1D太阳电池模拟软件研究电池的吸收层参数对光电性能的影响,以最大光电转化效率（PCE）为优化目标,确定吸收层厚度、缺陷态密度、掺杂浓度以及电子亲和势等参数,获得0.77 V的开路电压,38.55 mA/cm²的短路电流,85.21%的填充因子以及25.3%的光电转化效率。

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光电性能可调的TiN薄膜及在TOPCon太阳电池的应用

白宇, 何佳龙, 李君君, 苏荣, 陈涛, 俞健

2023, 44(9): 72-77. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0757

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采用直流磁控溅射制备了光电性能可调的氮化钛（TiN）薄膜,TiN薄膜的透过率随沉积压强和氮气浓度升高而升高;电导率随溅射功率升高而升高、随沉积压强和氮气浓度升高而降低。TiN的可见光平均透过率为0%~60%,氮气浓度和沉积压强较低时制备的TiN薄膜具有优异的电导率（4000 S/cm）。将高电导率的TiN薄膜应用于隧穿氧化钝化接触太阳电池（TOPCon）,改善了多晶硅层（Poly-Si）与银电极界面接触,提高了填充因子,为实现高效TOPCon太阳电池提供了有效途径。

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FAGAN：一种基于模型迁移与注意力机制的太阳电池缺陷图像对抗生成方法

孙玲俊, 毛经宇, 刘坤

2023, 44(9): 78-84. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0754

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缺陷微小微弱、数据样本规模不足等是制约太阳电池质量检测技术快速发展的瓶颈问题。因此,该文提出一种用于生成太阳电池缺陷图像的生成对抗网络模型FAGAN。该方法先在源域公开道路数据集上进行模型预训练提取跨域底层视觉特征,以提升FAGAN在目标域生成缺陷形式的多样性;然后设计了有效通道空间注意力ECSA,在空间与通道两个维度对缺陷特征进行增强,以提升微小微弱缺陷生成样本的质量。实验结果表明：该文提出的方法所生成的太阳电池缺陷图像的性能评价指标FID优于现有的梯度惩罚Wasserstein距离生成对抗网络（WGAN-GP）、深度卷积生成对抗网络（DCGAN）、循环生成对抗网络（CycleGAN）和样式生成对抗网络（StyleGAN）。

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融合元学习和双路径注意力的太阳电池缺陷生成

周颖, 袁梓桐, 陈海永, 王世杰

2023, 44(9): 85-93. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0806

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针对太阳电池缺陷图像数据少导致深度学习模型过拟合,从而造成小样本缺陷检测困难的问题,该文提出一种融合元学习和双路径注意力的生成对抗网络（MAGAN）作为数据增强策略。所设计的元学习调参模块（MTM）优化生成器中权重参数;所设计的双路径注意力模块（DPAT）在特征提取过程中更关注图像中微小微弱缺陷特征;在改进网络构架的同时提出一种聚类约束损失函数解决训练过程中梯度消失问题。实验和研究结果表明,所提方法能够针对小样本缺陷生成有效目标数据集并优于其他生成对抗网络,最后通过分类准确率验证了该网络的有效性。

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双面光伏组件建模及发电性能研究

韩硕, 胡坚柯, 韩一峰, 王军, 王乐, Lund Peter

2023, 44(9): 94-100. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0793

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针对双面光伏组件建立一种耦合模型,可用于模拟双面光伏组件在实际运行过程中的输出特性。采用视角系数法建立便于模拟背面辐照度的二维辐照度模型,提出一种简化计算方法来求解七参数电学模型,并根据能量守恒的非稳态热学模型来估计电池温度。之后通过输入参数的传递,对耦合模型进行求解,并通过实验数据验证模型的准确性。结果表明：辐照度模型可对不同天气条件下双面光伏组件辐照度进行模拟,晴天时更准确,均方根误差仅为6.9%;采用简化方法求解的七参数电学模型,求解结果与实测值较吻合,在最大功率处的功率偏差仅为0.4 W;所建立的耦合模型可对双面光伏组件单日输出功率及年度发电性能进行评估,模拟结果与实测数据吻合较好。

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基于YOLOv5 LiteX算法的光伏组件缺陷检测

王银, 高瑞泽, 李茂环, 孙前来, 李小松, 胡啸

2023, 44(9): 101-108. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1823

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利用无人机载热红外设备对光伏组件进行航拍和缺陷检测。针对无人机存储和算力的局限性,以及现有基于深度学习的缺陷检测模型在大型光伏电站复杂环境下模型参数量大和计算开销大的问题,设计使用YOLOv5 LiteX作为超轻量化的缺陷检测模型。首先,选择加权双向特征金字塔BiFPN替换原来的特征金字塔PANet,使特征有效的跨尺度连接和加权融合;其次,在特征融合的基础上增加更大的检测尺度,以提高模型检测较小缺陷目标的性能;引入focal-EIoU Loss对原有的边界框坐标预测损失加以改善,使网络专注于困难样本的运算。此外,通过数据增强方法来克服数据量过少的问题。改进后网络的平均精确率（mAP）相较于基准网络（Lite-YOLOv5）提高了7.32个百分点,困难样本（异物遮挡）的mAP大幅度提升。

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基于特征金字塔融合高分辨率网络的光伏热斑识别

孙海蓉, 李莉, 周映杰, 周黎辉

2023, 44(9): 109-116. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0684

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针对光伏热斑识别算法中存在的深层网络参数运算复杂、梯度信息易消失和模型退化准确率下降等问题,提出一种基于特征金字塔融合高分辨率网络的光伏热斑识别检测算法。首先,该算法搭建一种多分辨率子网并行连接的网络模型,解决深层网络热斑细节信息丢失、特征冗余的难题。其次,引入特征金字塔的多尺度融合模块,跨层连接深浅层不同尺度特征图,解决特征语义的鸿沟、提高模型识别精度。实验结果表明：所提出的算法在光伏红外热斑图像数据集上的分类效果优于经典的深度卷积神经网络算法,准确率可达97.2%,可实现高精度高分辨率的热斑检测识别。

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基于灰度聚类的光伏红外热斑图像分割方法

谢七月, 孙武彪, 申忠利, 周育才

2023, 44(9): 117-124. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1809

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针对光伏红外热斑检测问题,提出一种曲线拟合结合图像聚类的热斑红外图像处理方法。首先,将图像灰度变换处理后,采用高斯最小二乘拟合确定聚类中心点;然后,针对传统模糊C均值噪声鲁棒性较差的特点,加入邻域空间影响以及用核距离代替欧式距离的模糊C均值算法对热斑图像进行聚类;最后,根据拟合图进行灰度多阈值分割。实验结果表明：该方法能将光伏组件损坏程度进行量化,区域进行分层,抑制红外图像噪声,提高检测热斑效率的同时,分割准确率可达86%以上。

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基于时间序列波形特征的光伏组串热斑故障诊断方法

顾鑫磊, 顾志伟, 卫东, 周光乐, 郭倩

2023, 44(9): 125-133. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0789

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利用FusionSolar平台的光伏发电系统直流侧电气数据资源,通过研究热斑故障对光伏组串输出特性的影响作用,提出一种基于时间序列波形特征的热斑故障诊断方法。通过分析热斑产生和演变机理,以及与其他类型故障在I-V曲线和时间序列中的特征差异,获得热斑在电流和电压时间序列中的波形变化规律;构造适应于时序图波形特征的热斑故障的函数形式,提取故障诊断特征向量;结合现场运维经验,建立模糊推理故障诊断系统,实现热斑故障的原因判定和程度估算。实验结果表明：热斑故障在组串输出的电流/电压时序图波形中,具有独特、对应的变化关系,所构造的函数形式能够明确表征波形变化规律,所建立的模糊推理系统可实现热斑故障的有效、可靠诊断。

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不同支架结构遮挡对双面光伏阵列年发电量的影响分析

解月阳, 白建波, 黄悦婷, 王士涛, 王跃, 胡家宇

2023, 44(9): 134-140. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0671

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针对在实际安装中,固定支架的主轴会对双面组件背面产生一定比例遮挡的问题,建立基于光交检测算法的视角系数模型对双面组件背面辐照度进行更细致化、定量化的模拟。不均匀辐照度主要体现在每块电池片的背面辐照度不同,将热电耦合模型细化到电池片,解决双面组件在背面遮挡条件下的失配损失计算,完成双面组件在复杂工况下的建模工作。结合调研案例,以15年为投资周期,对比固定支架的3种主梁结构（常规支架、双主梁支架、单主梁支架）下双面光伏阵列的发电量及经济性,最终得出采用单主梁结构支架的双面光伏阵列年发电量净增益最大且经济效益最优的结论。

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一种单相非隔离可抑制漏电流的升降压型逆变器

王立乔, 邢晓珊, 管成功

2023, 44(9): 141-150. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0704

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该文提出一种单相单级式非隔离型逆变器,主要通过对Sepic电路进行对称设计后再与H桥电路级联,其不但可抑制漏电流,且可实现升降压逆变。该逆变器的电感、电容参数均较小,拓扑中非电解电容,且其调制方式简单易实现,适用于中小功率的光伏逆变系统。该文首先介绍新型逆变器的拓扑结构和工作原理,其中详细分析系统共模回路抑制漏电流的原理;其次,根据中间电感电流流动方式不同,采用不同调制方法,通过公式对其升降压能力进行分析,并对拓扑中电感、电容参数进行设计;最后,完成仿真和实验验证,其结果与理论分析一致。

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一族具有直流链电压尖峰抑制的T源逆变器

刘鸿鹏, 黄照阳, 周冰, 王卫

2023, 44(9): 151-159. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0768

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针对于T源逆变器因漏感导致的直流链电压尖峰问题,通过对T源阻抗网络进行优化并调整各元件的位置,提出低直流链电压尖峰T源逆变器拓扑族。该文对新提出拓扑的工作模态进行详细分析,进而推导出各元件的电压、电流应力。此外,通过与传统T源逆变器在升压比方面进行对比,证明出在相同的直通占空比和耦合电感匝数比情况下,低直流链电压尖峰T源逆变器拥有更好的升压能力。最后,研制一套180 W的低直流链电压尖峰T源逆变器实验装置,实验结果验证了理论分析的正确性及所提拓扑结构在拥有高电压增益的同时能够提高输入电源利用率、抑制直流链电压尖峰的有效性。

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一种新型超高升压DC-DC变换器的设计

宋立业, 田国胜, 袁成功, 侯丽慧, 李朋泉

2023, 44(9): 160-168. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0679

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为使光伏系统可稳定输出高直流电压,提出一种新型超高升压DC-DC变换器的设计。变换器采用耦合电路升压结构增加了新的增益调节单元。新型开关单元降低了开关器件的电压应力和电压尖峰。耦合电感与开关电容结合,降低了器件的电压、电流尖峰,吸收了耦合电感的漏感能量。对变换器进行闭环控制,稳定变换器的输出。分析电路的工作模态,与近几年典型高升压变换器做性能对比,测试变换器的抗扰动性能。根据仿真和实验,验证变换器在闭环控制下的稳定性和鲁棒性。

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光伏直流升压系统中级联DC/DC变流器的均流/均压控制策略

陈波, 蔡礼, 谢凡, 王晓晨, 邱日强, 涂睿

2023, 44(9): 169-179. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0755

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输入并联输出串联级联DC/DC变流器可减小开关器件承受的电流/电压应力,适用于低电压输入高电压输出的光伏直流升压系统。为了保证级联变流器的稳定工作,必须确保各模块的输出电压均衡。分析统一占空比控制策略的缺点,提出采用均流型MPPT控制策略实现输出均压和光伏模块的最大功率跟踪,针对均流型MPPT控制策略在光照强度发生变化时的暂态特性的不足提出在均流环的基础上叠加输出电压环的均流均压型MPPT控制策略,以改善系统的动态均压能力。并提出光伏直流升压系统中输入并联输出串联级联DC/DC变流器的模块化设计结构。仿真结果验证了该方法的有效性。

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基于Spearman系数和TCN的光伏出力超短期多步预测

吴珺玥, 赵二刚, 郭增良, 张亚萍, 张建军

2023, 44(9): 180-186. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0654

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研究一种基于Spearman相关系数和改进时间卷积网络（TCN）的超短期多步光伏功率预测方法。首先,采用Spearman相关系数方法对输入的天气特征量进行筛选;然后,构建合适的时间卷积网络使其适配光伏功率预测问题。经过实际的光伏电站数据测试,单步预测模型拟合度为99.41%,预测平均绝对误差为61.04,均优于传统的长短期记忆神经网络（LSTM）。

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结合用户画像的DTW-MANN-FM分布式光伏短期出力预测模型

周家亿, 赵双双, 王忠东, 高凡, 王贺, 徐孝琳

2023, 44(9): 187-193. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0709

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为解决分布式光伏短期预测中发电户特性差异、地理位置偏移导致气象数据偏差的问题,并进一步提升算法预测性能,提出结合用户画像的动态时间规整（dynamic time warping,DTW）-多头自注意力神经网络（multi-head attention neural network,MANN）-因子分解机（factorization machine,FM）预测模型。首先分析发电户档案数据和历史发电数据,统计出用户画像;再结合基于DTW标准气象特征修正偏移算法,形成合理、完善的“用户+气象”特征组合样本;最后使用加权的数据样本对模型进行训练。仿真阶段使用江苏省真实光伏、气象数据,将所提模型与当前业界先进的若干光伏预测模型进行对比实验,结果表明该模型具有更高的准确度和鲁棒性,表现出更佳的预测性能。

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光伏产业与环境支撑体系的耦合协调研究

何兴, 王旭, 许野, 李薇, 张慧斌

2023, 44(9): 194-203. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0724

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以光伏产业发展与环境支撑体系之间的协同关系评估为主要研究目标,在确定评价指标和利用层次分析法对其进行赋权的基础上,构建二者的耦合协调度模型,计算得到2014—2020年全国总协调度和各个地区的协调度。结果表明：在2014—2020年,全国光伏产业与环境支撑体系的总协调度呈逐年递增趋势;其中,海南与重庆的耦合协调度最低;甘肃、青海与西藏等地高度耦合。为了更好地评估全球气候变暖导致的辐照变化可能给光伏产业发展带来的影响,在运用区域气候模式PRECIS预测得到未来气候变化条件下（RCP4.5与RCP8.5两个情景）辐照量的基础上,计算了气候变化条件下2030—2060年全国总协调度和各个地区的协调度。相较于现状评估结果,未来辐照量的增加、光伏发电技术的不断发展和配套基础设施的逐渐完善,全国的总协调度和各个地区的协调度均高于现状值,在合理的政策支持和技术创新条件下,有望进一步达到高度耦合协调甚至是优质耦合协调状态。

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基于多元宇宙优化算法的光伏发电MPPT控制算法

吴玲, 张秀锦, 刘秋华, 樊陈

2023, 44(9): 204-211. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0737

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针对局部阴影引起的光伏阵列多峰值的输出特性,传统的单峰值MPPT算法已无法适用,为寻得全局最优解,将参数设置简单、易于理解的多元宇宙优化算法原理应用于光伏发电的多峰值MPPT模块中。通过仿真分析,证明了基于多元宇宙优化算法的MPPT控制模型能较快地实现全局最大功率点的跟踪,具有更好的收敛速度和精度。该算法能有效解决光伏电站中多峰值功率点的问题,减少寻优过程的功率损耗,从而提高光电转换率,为实际工程带来重要的经济效益。

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基于GA-GRU神经网络的光伏MPPT算法

王冉冉, 高慧敏, 张昕宇

2023, 44(9): 212-219. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1254

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针对外界环境因素快速变化时,光伏发电系统难以保持在最大功率点输出的问题,提出遗传算法与GRU神经网络相结合的最大功率跟踪算法（GA-GRU-MPPT）。该算法在构建的最大功率点预测模型基础上,采用遗传算法对GRU神经网络的参数进行优化。考虑到数据的关联性,将前一时刻的太阳电池温度、太阳辐照度、最大功率点电压及当前时刻的太阳电池温度和太阳辐照度作为预测模型的输入变量,输出为当前时刻的最大功率点电压。针对3种不同气候情形的仿真结果表明,该算法跟踪精度可达99%,能显著提高光伏系统的能量转换效率。

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面向太阳能飞行器的二重化斩波器软开关研究

代壮志, 刘计龙, 李科峰, 陈鹏, 麦志勤

2023, 44(9): 220-228. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0798

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提出一种新型软开关策略,在不添加任何元件且不改变输入电流纹波的情况下,通过减小滤波电感产生足够大的相电流脉动,使得相电流在下开关管导通前流经下管的体二极管,从而实现下管的零电压开通。该策略不仅可减小开关损耗,提高运行效率,还能减轻电感和散热器的重量,提升装置的功率密度。最后通过一台2 kW实验样机验证所提软开关策略的正确性。

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基于熵权-TOPSIS的光电光热制冷系统评价与分析

王天东, 何子睿, 单晓芳, 刘广东, 邓勤犁, 任志刚

2023, 44(9): 229-235. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0676

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以三亚市某办公建筑为例,基于TRNSYS建立传统制冷系统、太阳能光电制冷系统和太阳能光热制冷系统,并对系统进行能耗模拟。然后以能源、经济和环境效益作为评价指标,使用熵权-TOPSIS法对传统制冷系统、光电制冷系统的两种不同方案、光热制冷系统进行综合评价,并对各方案进行比较。结果表明：太阳能光电制冷系统的两种不同方案的综合效益显著优于传统制冷系统;按耗电量匹配的光电制冷系统方案优于按最大安装面积匹配的系统方案;并且太阳能光电制冷系统比太阳能光热制冷系统具有更好的综合效益。

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太阳能有机朗肯循环发电系统模拟优化研究

张洁雄, 张杰, 穆永超, 郭俊兴, 罗景辉

2023, 44(9): 236-240. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0657

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针对低温太阳能集热器出水温度为65~90 ℃的特点,根据有机朗肯循环发电原理,选取R134a、R152a、R600a、RC318、R600、R245fa共6种工质,利用EES平台进行仿真模拟和比较分析。分析结果表明：在此温度范围内,蒸发压力、蒸发温度、系统净发电功率、热电效率及系统吸热量与热源温度变化呈正比关系,且当热源温度为90 ℃时,RC318系统净发电功率与热电效率最高,分别为12.27 kW、15.42%。当热源温度为85 ℃时,RC318系统效率达到最高值82.52%。

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热回收型太阳能分级溶液集热/再生系统能量与分析

彭冬根, 詹镇通

2023, 44(9): 241-248. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0662

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基于热力学第一、第二定律,建立热回收型太阳能分级溶液集热/再生系统的能量与㶲分析数学模型。通过对比分析系统的㶲效率和再生效率,揭示各种因素对系统热力学性能的影响,结果发现系统的㶲效率高于再生效率,说明系统对能量“质”的利用程度高于对能量“量”的利用程度。通过系统各部件㶲损系数分析得到这些参数的最佳范围,优化后的系统再生效率和㶲效率分别为27.3%、29.4%。通过系统㶲损率分析可知,系统中的薄弱环节在一级太阳能集热/再生器、二级太阳能集热/再生器以及填料式除湿器。

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太阳能热发电中超临界压力CO₂在渐扩变截面圆管内冷却传热强化机理

何吉祥, 朱兵国, 彭斌, 党兴武

2023, 44(9): 249-256. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0672

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采用SST k-ω湍流模型对冷却条件下超临界压力CO₂（S-CO₂）在等截面圆管、水平渐扩管以及不同倾斜角的渐扩管内的传热特性进行数值模拟。模拟结果表明,在相同换热面积下,相比较于等截面圆管,水平渐扩管的总传热系数提高了32.33%,30°倾斜渐扩管提高了33.12%;水平渐扩管的压降降低了53.87%,30°渐扩管降低了9.86%。采用综合性能评价准则PEC,得到水平渐扩管的综合性能最优。基于S-CO₂在拟临界温度Tpc处发生“类相变”的假设,获得了类液膜厚度沿管长方向的分布规律,在同一截面处,30°渐扩管的类液膜厚度最小,等截面圆管的类液膜厚度最大,从超临界态类两相的角度解释了强化传热。

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基于CO₂混合工质动力循环的塔式太阳能热发电系统四季性能分析

梁娅冉, 蔺新星, 苏文, 欧少端, 邢令利

2023, 44(9): 257-263. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0688

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为高效转换塔式太阳能系统的聚光热量,将混合工质（CO₂/R290、CO₂/R600a和CO₂/R601a）应用于再压缩动力循环,建立塔式太阳能热发电系统的热力模型,并基于典型日（春分、夏至、秋分、冬至）的辐照条件对系统热力性能进行分析比较。结果表明：在混合工质不可燃的质量分数范围内,随着CO₂质量分数的增加,3种混合工质的系统热效率、效率和发电量均先升高后降低,最优质量分数分别为0.7/0.3、0.8/0.2和0.8/0.2。在3种混合工质中,CO₂/R290（0.7/0.3）的系统性能最佳,春分的系统热效率为18.99%,发电量为17.1 MWh。在不同典型日下,夏至系统热效率和效率略低于冬至,但其发电量最高。基于3种混合工质探究透平进口温度、循环最低温度、高温熔盐温度和分流比对系统性能的影响,结果表明,系统存在最佳分流比使热效率和发电量最高,相应分流比的范围为0.70~0.75。

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适用于苏北地区日光温室的相变材料筛选与测试

吴照学, 汤俊超, 梁伟, 宋家帅, 龚维政, 鲍恩财

2023, 44(9): 264-272. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0692

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为解决日光温室存在的问题,以苏北地区为例,根据苏北地区气候特点,筛选硬脂酸正丁酯（PCM1）、石蜡（PCM2）、石蜡与硬脂酸正丁酯按质量比5∶5配合的复合相变材料（PCM3）、90% Na₂SO₄·10H₂O+2%硼砂+8%膨胀石墨（PCM4）共4组材料,通过差示扫描量热试验、热物理参数测定试验、蓄放热性能试验以及经济性分析,并采用熵权法进行多指标评价,结果PCM3以0.320的相对优属度位列第一。将所筛选出的PCM3应用于无后墙日光温室中,并以普通无后墙日光温室作为对照。试验结果表明,PCM3对温室内空气温度、土壤温度均有所优化,可有效缩小日光温室的昼夜温差,提高日光温室夜间温度,优化温室内热工性能。

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槽式太阳能集热管弯曲测量及溢出损失分析

魏秀东, 付饶, 汤建方, 车晟, 许英朝

2023, 44(9): 273-279. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0702

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槽式太阳能集热管的弯曲变形会造成聚光能量的溢出损失,需要进行测量和分析。提出基于无人机摄影的槽式太阳能集热管弯曲测量方法：采用无人机搭载高分辨可见光相机,实现对槽式太阳能集热管的图像采集;基于边缘检测算法对集热管图像进行处理,最终获得集热管的弯曲变形量。基于光线追迹理论建立槽式聚光器聚光过程数学模型,推导弯曲集热管的溢出损失计算公式。选取3种不同弯曲量的集热管进行测量实验,测得的最大弯曲量分别为1.23、7.75、18.79 mm,平均测量误差为±0.75 mm,计算对应的溢出损失分别为0.02%、0.57%、3.72%,结果表明：集热管弯曲量较大时,会造成较大的溢出损失。

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亚热带地区垂直绿化冠层太阳辐射特性研究

赵城, 张磊, 杨媛琴, 张玉, 刘明欣, 赵立华

2023, 44(9): 280-285. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0689

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选取亚热带地区常见植物搭建垂直绿化冠层太阳辐射特性观测平台。修正基于Lambert-Beer定律的冠层太阳辐射透过率模型。使用误差分析指标检验模型的计算精度。对模型的输入参数进行敏感性分析,发现叶面积指数是影响冠层太阳辐射透过率的重要参数。因此,对冠层全年的叶面积指数进行观测,计算全年不同朝向垂直绿化冠层的太阳辐射透过率,结果表明,垂直绿化冠层可拦截超过80%入射到建筑表面的太阳辐射,具有良好的遮阳效果。

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基于最大信息系数的短期太阳辐射协同估计

李津, 史加荣, 张琰妮, 云斯宁

2023, 44(9): 286-294. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0693

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提出一种短期太阳辐射估计的协同方法,即利用邻近站点数据来估计目标站点的太阳辐射。先利用最大信息系数对所有站点的相关数据进行特征选择。然后将特征选择后的数据作为输入,采用不同的机器学习模型进行估计。最后在实际数据上将协同估计的误差与仅采用目标站点的估计误差进行比较。实验结果表明协同估计对所有目标站点都有更高的精度和更低的误差。

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超大型风电机组叶片颤振分析及参数灵敏度研究

李贝, 田德, 唐世泽, 陶立壮, 吴晓璇, 刘枫

2023, 44(9): 295-301. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0669

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以IEA 15 MW参考风电机组为研究对象,基于修正的极坐标网格叶素动量理论与Timoshenko梁模型,建立叶片气弹耦合分析模型,综合时域和频域方法,分析超大型风电机组叶片失控状态下的气弹稳定性。结果表明,叶片发生颤振失稳,临界颤振速度为13.06 r/min,颤振频率为3.68 Hz,颤振模态主导振型为三阶向前挥舞模态伴随一阶向前扭转模态。此外,定量分析临界颤振速度对于空气密度、叶片质量、截面重心、挥舞刚度和扭转刚度变化的灵敏度。分析表明,扭转刚度是影响临界颤振速度的主导因素,通过减少叶片质量和前移截面重心,增大挥舞刚度和扭转刚度,可提高颤振裕度。采用高空气密度的设计条件,可获得更保守的设计额定转速。

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基于WRF模拟和注意力机制的短期风速预测

罗颖, 刘雨辰, 米立华, 韩艳, 王力东, 姜言

2023, 44(9): 302-310. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0686

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提出一种结合中尺度数值天气预报（WRF）模式和注意力机制（AM）的短期风速预测模型。首先,利用WRF模式模拟多维数据,包括风速、风向、温度和湿度,作为后续算法的输入变量。其次,利用变分模态分解将WRF风速误差及其他相关气象因素分解成不同频率的子模态分量,降低原始数据的复杂性和非平稳特征。随后,使用自适应网格搜索算法对添加注意力机制的双向门限循环单元进行模型结构参数优化。最后,基于所提模型预测误差修正WRF风速。通过算例分析,所提模型在单步和多步预测中精度均优于对比模型,证明了模型的优越性。

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基于相似准则的同功率海流机及风力机叶轮设计与试验

孙云峰, 田应元, 韩巧丽, 郭珊珊, 王一博

2023, 44(9): 311-316. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0701

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为降低海流机的测试成本并缩短测试周期,研究海流机与风力机设计与测试的关联性。依据相似准则,采用风力机叶片设计方法分别设计300 W海流机变弦长叶轮和等弦长叶轮。由雷诺数相等得出水流与空气的额定流速比为1∶10,由叶尖速比相同得出叶轮额定转速。分别采用车载试验与水槽试验对两种机组的功率输出进行测试。等弦长叶轮型机组达到额定功率时的风速8.31 m/s,水流速度0.90 m/s,流速比接近1∶10。在车载和水槽试验中,两种机组的雷诺数均在同一数量级,叶尖速比的比值均略大于1。结果表明两种机组都达到了设计要求,所以用此方法设计海流机是可行的。

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西北寒冷地区浅层地道风系统性能实验研究

张东, 刘春阳, 赵克鑫, 安周建, 彭建明, 赵周洋

2023, 44(9): 317-325. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0717

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为探究地道风技术在中国西北严寒地区的应用潜力,该文以兰州某浅层地道风项目为研究对象,对其典型工况性能进行实测,分析不同工况下的换热性能与节能效果。结果表明,兰州地区-2.0 m浅层土壤夏季6—9月份平均温度17.7 ℃,冬季12—3月份平均温度4.5 ℃,6、7、12、1月份具有较强的换热潜力。兰州地道风系统夏季不易出现冷凝水,出口新风温度皆处于室内舒适温度范围内,无需进行二次降温;冬季地道风系统的出口温度和湿度曲线变化更为平缓。12、1月份使用地道风预热,热泵COP可提升28.1%~30.3%,降低能耗22.0%~23.3%。模拟结果表明地道风系统换热效率受地域与季节变化影响较小。

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基于奇异摄动模型的风能转换系统H∞容错保性能控制

姜萍, 李梦瑶, 王培光, 付磊, 张照彦

2023, 44(9): 326-333. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0721

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在风能转换过程中,针对执行器故障、容错控制成本高等问题,设计了H∞最优容错保性能控制器,并基于PI观测器进行了故障诊断。首先,将风电系统中存在的时滞、参数不确定、执行器故障等问题用奇异摄动LPV模型表达;然后,设计PI观测器进行执行器故障重构,并在H∞性能指标和成本性能指标双重约束下,进行凸优化计算,得到最优容错保性能控制律。仿真表明,低风速时,控制器能有效跟踪最优风轮转速,实现最大风能捕获。

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基于空间金字塔模型的DCA特征融合地形分类

李翠明, 徐龙儿, 王龙, 王华, 申涛

2023, 44(9): 334-339. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0727

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针对空间金字塔视觉词袋模型对地形图像分类时忽略颜色信息、纹理表达不明显及特征维度高等问题,提出一种基于空间金字塔模型的DCA特征融合地形分类方法。该方法优化传统空间金字塔模型子区域划分方式,提取地形图像优化后的SPM-BOVW特征、HSV特征、LBP特征;通过DCA算法构建3组变换特征;采用串联将变换特征进行融合。实验结果表明,以融合特征作为支持向量机（SVM）分类器的输入,利用网格参数寻优,最终获得了较高的地形分类精度,说明所提方法在太阳能电站的地形图像分类上具有较好的鲁棒性。

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融合残差与VMD-ELM-LSTM的短期风速预测

张琰妮, 史加荣, 李津, 云斯宁

2023, 44(9): 340-347. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0738

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准确可靠的风速预测有利于维护电力系统的安全运行。为提高预测精度,本文提出一种融合残差与变分模态分解（VMD）、极限学习机（ELM）、长短时记忆（LSTM）的短期风速预测模型。首先,VMD算法将风速序列分解为若干个子序列以降低原始数据复杂度。接着将ELM作为初始预测引擎,用来提取各风速子序列特征。然后,对所有预测子序列进行重构,得到初步预测结果。为进一步挖掘原始风速序列中的不平稳特征,采用LSTM对初步预测结果的残差进行建模。最后,集成预测的残差与初步结果,得到最终的预测值。在真实风电场数据上开展实验,并将预测结果与其他模型对比。实验结果表明,所提模型能显著提升风速序列的预测性能。

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基于IBSO-SDT的风电爬坡事件检测方法

余洋, 陈东阳, 王卜潇, 李佳丽, 吴玉威, 余宗哲

2023, 44(9): 348-355. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0740

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为提升风电爬坡事件的检测效果,针对含电池储能的风电场,提出基于改进天牛群优化旋转门算法的爬坡事件检测方法。首先,对天牛群搜索算法进行改进,利用其搜索旋转门算法的最优门宽,并据此提取风电功率的特征数据点;然后,对特征数据点进行处理以消除“凸起”现象,进而连接相邻两个数据点形成一个风电特征时段,将风电特征时段进行分类,结合爬坡方向对其进行编码,并依据编码结果进行合并;接着,结合给出的含电池储能风电场爬坡事件定义,对合并后的风电特征时段进行爬坡事件检测;最后,利用某风电场实际运行数据对检测方法进行仿真,并与多种爬坡事件检测方法进行对比,验证了所提方法的有效性。

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双馈风电机组动态虚拟惯量和阻尼模糊自适应控制策略研究

王晓东, 曹国胜, 刘颖明, 王瀚博, 李睿康

2023, 44(9): 356-365. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0741

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针对传统双馈风电机组虚拟同步控制（VSG）中因负载突变导致电网频率、输出有功功率波动较大和暂态调节时间过长的问题,提出一种基于模糊自适应控制策略的变参数风电机组虚拟同步发电机控制策略。首先,在机组转子侧变流器中引入VSG算法使得风电对电网频率具有主动支撑能力,并建立DFIG-VSG有功功率小信号模型分析惯量和阻尼系数对系统稳定性的影响;然后,通过分析系统暂态过程中的功频变化原理并结合不受线性量化约束的模糊算法,将虚拟惯量和阻尼的范围作为模糊自适应环节的输出论域,进而实时调整惯量和阻尼系数以降低功率超调和频率偏移。最后,在Matlab/Simulink中基于DFIG-VSG机组的仿真结果验证了所提模糊自适应VSG控制策略的可行性、有效性及优势。

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考虑制氢效率提升的风电制氢系统优化控制策略

牛萌, 洪振鹏, 李蓓, 李相俊

2023, 44(9): 366-376. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0751

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通过分析电解制氢效率与制氢功率的关系,提出一种基于分段模糊控制电解槽阵列效率提升的策略,基于大规模风-氢耦合系统应用场景,建立考虑风电制氢效率的风电制氢系统优化调度模型,并采用人工蜂群算法求解最优制氢功率。仿真结果表明,所提出的控制策略不仅可保证电解槽的安全运行,同时能提高电解槽的制氢效率,为电解制氢系统在电力系统中的大规模应用提供理论依据。最后,在此基础上,加入电解槽阵列的模块化优化策略,使建立的分段模糊控制器能够统筹安全性、经济性、能效性,以期为氢能在电力系统中的大规模应用提供理论依据。

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风力机塔筒双盖板穿芯螺栓连接疲劳性能研究

郭宏超, 高翔, 张思嘉, 梁刚, 刘云贺

2023, 44(9): 377-383. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0756

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提出一种矩形钢管混凝土束风力机塔筒结构,并对该塔筒结构双盖板穿芯螺栓连接节点进行高周疲劳试验和有限元分析,得到节点的疲劳破坏模式和疲劳寿命。结果表明：矩形钢管混凝土束风力机塔筒双盖板穿芯螺栓连接节点疲劳破坏模式为高强螺栓受剪破坏,破坏集中在钢板连接处。螺栓在钢砼连接面和螺帽处产生疲劳裂纹,在剪切疲劳作用下,穿芯螺栓断裂为3段。有限元分析表明,螺栓规格对试件疲劳性能影响较大,增加螺栓直径,能提高节点的疲劳寿命,但疲劳极限值会减小;盖板厚度对疲劳性能影响不明显。

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复合筒型基础负压沉放调平允许压差研究

贾沼霖, 李新义, 练继建, 张凤武, 吴寒, 贺帅奇

2023, 44(9): 384-389. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0762

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针对复合筒型基础负压沉放调平工况中分舱间允许压差的研究较少,以某海上风电项目中复合筒型基础沉放安装为背景,采用极限应力控制方法开展复合筒型基础不同沉放深度处的调平允许压差Δp的定量分析,通过数值模拟方法计算有无土体模型的分舱板屈服的临界压差,提出复合筒型基础调平过程允许压差的选择方法。结果表明：复合筒型基础沉放过程中调平允许压差应采用分舱板极限应力与屈曲的最小值,分舱板设置加强肋可有效提高调平允许压差Δp,推荐使用带土体模型应力控制方法计算调平允许压差。

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台风过境风电场的CFD数值模拟方法研究

张晓东, 李明新, 汤胜茗, 朱蓉

2023, 44(9): 390-396. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0763

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以台风烟花过境沿海陆上风电场期间,风电场内特别是风电机组位置的风速、风向和湍流强度的微尺度分布及其随时间的变化为研究对象,基于中尺度WRF模式的模拟结果建立CFD计算域的边界条件,建立台风大气边界层风速、风向廓线参数化模型,以及考虑中尺度热带气旋和台风边界层内卷效应的风场CFD计算模型。算例结果表明,所建立的台风大气边界层风场CFD计算模型可反映台风大气涡旋在风电场微尺度范围的流动特性,风电机组轮毂点的计算风速和实测的机舱风速符合较好,表明所研究的方法可进一步应用于台风影响地区风电场内风电机组台风风险的精细化评估,开展考虑台风风险的微观选址优化等。

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基于动力学的风力机齿轮传动系统可靠性研究

路志成, 周建星, 崔权维, 温建民, 费翔

2023, 44(9): 397-404. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0767

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为正确评估齿轮传动系统齿面接触疲劳寿命,以2 MW风力发电机齿轮传动系统为研究对象,引入风场风速变化规律并选用weibull分布建立随机风速模型。考虑外部风载以及由齿轮、轴承刚度等引起的内部载荷激励,建立行星齿轮传动系统平移-扭转动力学模型,求得传动系统各齿轮副动态啮合力并计算相应的应力历程。针对齿轮传动强度及受载随机性的特点,以轮齿的强度退化表征疲劳效应,基于非线性疲劳损伤累积理论建立剩余强度模型,在传统应力-强度干涉理论的基础上,得到随机风载作用下齿轮传动系统动态可靠度功能函数,通过摄动法对零部件的动态可靠度变化曲线进行描述。结果表明：在强度退化和随机载荷联合作用下,风力机系统各齿轮疲劳可靠度随服役时间出现逐渐下降的趋势,且服役前期可靠度下降趋势较快,中后期下降趋势逐渐减缓,强度退化形式及载荷大小影响着可靠度的变化趋势。该模型反映了齿轮传动系统可靠度随服役时间的变化规律,为产品的可靠性设计及疲劳寿命预测提供了参考。

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尾缘变弯对翼型气弹特性的影响分析

李原, 陈嘉佳, 陈晓静, 许移庆, 沈昕, 杜朝辉

2023, 44(9): 405-410. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0774

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对于可进行尾缘变弯的二维翼型,研究其不同变弯形式对系统气弹特性的影响。研究基于数学建模方法,推导受控变弯翼型的气弹动力学方程,并建立相应的动态失速模型进行气动计算。对定常变弯、简谐变弯两种常见工况下系统的临界速度变化进行分析对比,发现定常变弯对气弹稳定性影响较小,简谐变弯的影响也可归纳为受迫振荡。在对结果的观察中发现反相的攻角–弯度角相位对振幅发散具有一定的抑制作用,据此进一步研究受控反相变弯下的气弹特性,发现一定的控制参数下确可抑制颤振出现,但也可能导致系统出现新的位移响应形式。

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基于互射式三阵元超声波传感器的风矢量测量

刘小松, 解晓冉, 单泽彪, 韩明轩

2023, 44(9): 411-417. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0797

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为解决现有的超声波测风仪存在的测量精度不高、受环境温湿度及阴影效应等因素影响较大等问题,提出基于互射式三阵元超声波传感器阵列结构的风矢量测量方法。设计的测风结构由3个收发一体式超声波传感器组成,根据三阵元系统结构特性结合时差法建立风矢量测量模型,消除温湿度及阴影效应对风矢量测量的影响,运用基于相关法的时延估计方法并结合快速傅里叶变换进行传播时间估计,减少算法的计算复杂度。最后,进行模拟仿真实验验证所提算法的有效性,并通过搭建的互射式三阵元超声波测风系统进行实测数据验证。在实测环境下风速测量的相对误差为2.75%、风向测量的误差为2.5°,基本达到测风领域的技术要求。

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基于储能的大型风电机组极限载荷研究

张林伟, 蔡安民, 林伟荣, 陈浩, 李力森

2023, 44(9): 418-423. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0800

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基于修正的叶素动量理论,考虑叶尖/叶根损失修正、动态失速、动态入流、叶片截面扭转等影响,通过叶片与塔筒耦合结构动力学响应分析,以某4 MW机组为例,对极端工况下的大型风电机组极限载荷进行研究。结果表明,在极端阵风耦合脱网故障时,通过增加旁路负载或储能系统调节负载转矩,有助于抑制机组由于负载消失产生的明显结构变形和降低极限载荷。

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厨余垃圾厌氧消化与微生物电解池耦合产甲烷全生命周期评价

郭美欣, 朱雨森, 郭萌, 李鸣晓, 亓雪娇, 贾璇

2023, 44(9): 424-431. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0660

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厌氧消化（AD）是厨余垃圾清洁能源化的主流工艺,通过构建AD与微生物电解池（MEC）耦合工艺（AD-MEC）,基于全生命周期评价（LCA）对比AD与AD-MEC耦合工艺处理厨余垃圾产甲烷的环境影响,解析各功能单元的环境影响贡献,并提出优化方案。结果表明,与传统AD工艺相比,新型AD-MEC耦合工艺在富营养化、气候变化、水资源消耗、酸化和初级能源消耗的环境影响潜值均低于AD工艺,削减比例分别为70.28%、39.53%、92.29%、49.68%和41.2%。贡献源解析发现,AD-MEC耦合工艺的预处理和污水处理单元为环境影响的主要贡献源,MEC和AD单元影响较小。基于此,对AD-MEC耦合工艺进行优化,将废水处理单元的出水回用至预处理单元,水资源消耗的环境影响潜值进一步削减61.48%。可见,采用AD-MEC耦合工艺进行厨余垃圾厌氧产沼,通过沼液的深度利用、沼气净化提质和废水回用,可有效减少厨余垃圾处理工艺对环境的影响和资源消耗,具有显著的经济效益和生态环境价值。

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新型纸浆污泥生物炭基催化剂的制备及其催化合成生物柴油研究

赵丹丹, 赵伟, 单锐, 陈德珍, 袁浩然, 陈勇

2023, 44(9): 432-439. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0722

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以纸浆污泥生物炭为载体制备固体碱催化剂,并将其应用于生物柴油的制备。催化剂的物理化学性质通过热重分析（TG）、扫描电子显微镜及X射线能谱分析（SEM-EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、N₂吸附/脱附和CO2-TPD进行表征。结果表明：由于30K/PPSB-600催化剂的总碱度最高,具有非常好的的催化性能（生物柴油最大产率为98.5％）。此外,对催化剂的稳定性和利用周期性进行多次实验。通过8次回收实验后,新催化剂仍具有较高的催化性能（生物柴油产率为80％）,其中少量失去催化活性的原因是K⁺的流失。

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抗生素菌渣热化学处置利用方式的研究现状及展望

魏潇, 黄胜, 吴幼青, 吴诗勇, 杨金会

2023, 44(9): 440-448. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0786

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结合中国抗生素菌渣（AMR）的现状,对AMR的类别、性质和危害进行简要介绍,综述焚烧、水热和热解等各类热化学处置利用技术,并对各项技术的研究进展进行分析讨论,重点对水热和热解技术的反应过程进行概述,对未来发展提供一些建议和展望。指出采用两种或多种技术联合的方式对实现AMR的减量化、无害化处置和资源化利用具有较好的应用前景。

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沙柳颗粒压缩成型过程宏细观模拟研究

闫文刚, 付九如, 李震, 闫莉

2023, 44(9): 449-454. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0790

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分别使用有限元和离散元数值方法模拟沙柳颗粒的压缩成型过程,并通过分析沙柳颗粒压制初期、中期、中后期、结束4个时刻的宏细观力学特性来揭示其成型机制。研究表明：宏观上,物料柱应力由零逐渐增大,且应力由开始集中在上表面,再到上半部分,最后整个物料柱应力均匀分布;细观上,颗粒分布由松散到密集,法向和切向接触力分布由初期的杂乱无章到形成菱形,再到大环状,最后到小三角形稳定结构,颗粒速度场经历竖直向下、形成分隔带,分隔带下移,直至消失。

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丝状生物质颗粒在矩形提升管内的分布特性

赵海超, 许冰洋, 张军, 顾丛汇, 杨俊杰, 袁竹林

2023, 44(9): 455-461. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0805

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采用欧拉-拉格朗日法对生物质颗粒群在提升管内流动与分布特性方面展开研究。根据生物质颗粒结构特征建立链状可弯曲三维颗粒模型,考察表观气速（5.71、6.89、7.58、9.10 m/s）、颗粒质量流量（0.018、0.0216、0.0259、0.0311 kg/s）对丝状颗粒在提升管内轴向和径向分布特性的影响。研究发现：丝状颗粒在提升管轴向呈下密上疏的分布规律,在径向上随高度的增加颗粒分布由不均匀的倒C形分布向ω形转变。随着表观气速的增加,颗粒体积分数沿提升管径向逐渐降低。当表观气速ug=9.10 m/s时,颗粒处于快速流化状态,气固间相互作用增强、混合良好,沿提升管轴向分布更均匀。当颗粒质量流量增加,丝状颗粒聚集区域向上延伸,颗粒体积分数沿径向升高,且各水平截面的分布特征沿轴向差别不大。

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湿热除油强化餐厨垃圾水解酸化产沼气潜力研究

毕桂灿, 陈国涛, 徐孙强, 陈丽琴, 谢君

2023, 44(9): 462-467. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0807

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以餐厨垃圾为原料,研究不同湿热预处理除油条件（温度和处理时间）,并将其作为厌氧消化底物进行产沼气潜力测试。研究表明,餐厨垃圾的最佳预处理条件为95 ℃,处理时间90 min,可浮油含量可提升至4.22 %;随着温度的升高,浮油去除率逐步提升至2.21%。餐厨垃圾经95 ℃湿热预处理后,厌氧消化沼气产率达413 mL/g VS。厌氧消化系统中pH值的稳定性较好,保持在6.5~7.5之间,挥发性脂肪酸转化率可达74.31%,处理效果优于其他两个预处理组;挥发性固体（VS）去除率与出料总固体（TS）受温度影响较大,95 ℃时VS去除率可达56.2%,与未处理组相比提高8.1%。

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潮流能水平轴水轮机流场分析

刘葳兴, 刘磊, 崔琳, 李宁宇, 张之阳

2023, 44(9): 468-475. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0677

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用OpenFOAM开源软件对水平轴水轮机进行数值模拟,以推力T作为体积力附加源项均匀加载到制动盘模型（AD）,进行求解计算。在尖端速度比（TSR）为5.5的条件下,对自由区、单台水轮机、水轮机阵列3种情况下的流场进行分析。结果显示：在来流上游时,三者流速曲线吻合,流速增长趋势一致。水流在AD前端时,AD会对其有阻力作用,导致流速大幅下降。在尾流处,在水轮机阵列上游中,并列两侧水轮机尾流与下游水轮机流场发生动能交换,使其尾流恢复速度大于单台水轮机尾流速度。然而,无论是单台水轮机还是水轮机阵列,它们轴线方向上的中部尾流恢复严重不足,这是由于尾流的干涉使得下游水轮机的来流速度不断减小,其可吸收转化的能量也减少,速度随之减小,尾流也无法恢复。

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基于变分非线性调频模式分解的直驱式波浪发电系统控制

罗琦, 杨俊华, 王超凡, 黄逸, 梁昊晖

2023, 44(9): 476-482. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0769

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海浪的非平稳特性会影响直驱式波浪发电系统能量捕获,为此提出基于脊线检测与变分非线性调频模式分解的控制方案。采用短时傅里叶变换方法分析波浪激励力,结合脊线检测设定初始频率;应用变分非线性调频模式分解法分离波浪激励力,获得若干模式分量并提取其瞬时频率;通过计算各模式分量的能量含量确定主导分量,根据其瞬时频率动态调整动力输出装置阻尼,搭建直驱式波浪发电系统模型。仿真结果表明,所提方案能量吸收性能好、输出平均功率高,可有效改善直驱式波浪发电装置性能。

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严寒地区中深层地埋管换热影响因素及可持续性研究

王子红, 郭亮亮, 周雪雨, 梅振宙

2023, 44(9): 483-492. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0656

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利用OpenGeoSys（OGS）软件,采用双连续体介质方法并结合实际工程资料,建立中深层地埋管换热数值模型。在此基础上,研究中深层地埋管换热技术在中国北方严寒地区的换热性能及其适用性,同时对其换热影响因素及可持续性进行研究。研究结果表明：在中国北方严寒地区,中深层地埋管换热技术换热性能较好,具有良好的适用性及可持续性。通过将地埋管布置在优质地热区域,同时增大循环水流量、增加地埋管深度、选择较大内管导热系数及回填材料导热系数等方式可提高地埋管换热功率;较高的循环水进水温度、较大的内外管径比及内管导热系数则会减弱换热效果。

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地热井保温水泥导热系数影响因素研究

张丰琰, 李立鑫, 代晓光, 董子良, 韩丽丽, 王博

2023, 44(9): 493-502. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0666

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选择合适的测试方法探究不同因素对保温水泥导热系数的作用规律和方式。研究表明：随着保温材料加量和水灰比的增大,水泥石导热系数先迅速减小,随后下降速率降低并逐渐趋于稳定;随着养护温度的升高和时间的增长,导热系数逐渐减小,并在7 d后基本稳定;随着含水率的增大和测试温度的升高,导热系数显著增大;其中,含水率、测试温度、保温材料加量和水灰比等因素对导热系数的影响逐级递减。低密度和具有类蜂窝状结构的保温材料在降低导热系数和维持抗压强度等方面具有较大优势,且保温材料的推荐加量为15%~20%。

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地热源双级喷射有机闪蒸循环热力分析及优化

杨新乐, 王雨实, 卜淑娟, 李惟慷, 戴文智, 苏畅

2023, 44(9): 503-509. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0680

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为有效利用有机闪蒸循环（OFC）闪蒸后的饱和液态工质,提高中低温热源的回收效率,构建地热水驱动的双级喷射有机闪蒸循环（DEOFC）系统,探究关键参数对系统的影响,并对系统进行多目标优化。结果表明：DEOFC闪蒸压力和高压膨胀机出口压力最优时,热源温度升高,系统净输出功、热效率、效率增大;当温度升至工质的特征温度时,趋势发生变化。多目标优化时,R601a表现出最佳性能。与单级喷射有机闪蒸循环（SEOFC）相比,DEOFC净输出功和效率均存在较大优势。

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考虑能源地下车站负荷特征的地埋管换热量计算

胡帅军, 孔纲强, 钟国, 王忠涛, 戴国豪, 杨庆

2023, 44(9): 510-517. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0788

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为提高地下地铁车站的负荷计算精度,解决能源地下车站的地埋管换热量设计问题,以大连地铁4号线地下地铁车站为研究对象,采用3种负荷计算（DeST模拟、规范算法、逐时算法）方法计算地下车站全年负荷,并分析讨论地下车站设备管理用房区的全年负荷特征,进一步确定能源地下车站地埋管换热量。结果表明：地铁车站能源需求具有明显的逐时波动性和环境参数相关性,通过逐时负荷计算方法获得的全年总负荷较规范算法和DeST模拟结果的精确度可提高约1倍;不同功能用房负荷差异较大,办公用房的供热需求大于制冷需求,设备用房和变电所用房全年无需供热,且变电所用房的冷负荷远大于设备用房;逐时算法得到的换热量可准确反映全年换热需求,其地埋管换热量的不均衡率高达7.14。

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基于三绕组变压器的电池组新型均衡拓扑

郑征, 王肖帅, 李斌, 黄涛

2023, 44(9): 518-526. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0742

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储能电池组中单体电压不一致性问题严重影响储能系统的安全稳定运行,为此提出一种基于三绕组变压器的任意单体-单体类型主动均衡拓扑,该拓扑可实现均衡能量在电压最高电池单体与电压最低电池单体之间直接传输,具有均衡速度快、效率高、成本低等优点。搭建仿真模型与小型实验电路,仿真与实验结果表明了新型拓扑在均衡速度和效率方面的优势以及在实际应用中的可行性。

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杂化壳相变微胶囊的制备与热性能研究

王子青, 栾敬德

2023, 44(9): 527-531. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0743

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采用原位聚合法以石蜡为储热芯材、二氧化钛和壳聚糖的杂化壳体为壁材、石墨烯微片（GNP）作导热填料制备一种结构稳定的防泄漏相变微胶囊。采用电镜扫描（SEM）、傅里叶红外光谱（FTIR）、热重分析法（TGA）、差示扫描量热法（DSC）和导热系数测试仪研究不同芯壳比、GNP填充量对微胶囊的微观结构、表面官能团、热稳定性、相变性能和导热性能的影响。结果表明：制得微胶囊的结构致密防泄漏性能良好,微胶囊相变潜热最高达到134.78 J/g,对应包覆率为75.51%,GNP的加入使微胶囊的导热系数提高261.5%。

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中药渣基锌离子混合超级电容器电极材料制备及其性能研究

曾光华, 张智芃, 俞泽涛, 周雅彬, 谭鹏, 魏璐

2023, 44(9): 532-538. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0753

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以大血藤药渣为原料,通过水热和活化处理制得分级多孔结构的活性炭,并研究其作为锌离子混合超级电容器正极材料的电化学特性。活化温度为800 ℃时制得的活性炭比表面积为2516 m²/g,总孔容为1.335 cm³/g;以所制得的大血藤基活性炭为正极材料组装的锌离子混合超级电容器在0.1 A/g电流密度条件下的比容量高达177.1 mAh/g,显著优于传统超级电容器;在10 A/g电流密度下比容量仍可保持在74.6 mAh/g以上;在1.5 A/g电流密度下经过4000圈充放电循环,容量保持率可达85%,展现出良好的倍率性能和充放电循环稳定性。大血藤基活性炭丰富的微孔、介孔、大孔网络以及与电解液离子半径匹配的微孔尺寸是保证其实现高效离子存储的关键。

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电网侧储能多重应用价值及运营策略研究

修晓青, 李相俊, 李蓓, 李煜阳

2023, 44(9): 539-545. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0784

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首先,构建储能多重应用价值与运营成本评估模型;然后,建立储能间接价值相关服务类型的性能指标及综合性能指标模型,并提出储能系统多重应用运营策略;最后,基于典型案例进行仿真分析。结果表明所提方法可指导电网中不同并网节点储能的多重应用优化运营。

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基于SOC均衡的分布式电池储能系统协同控制策略

施锐, 张新燕, 刘莎莎, 黄利祥, 廖世强, 胡滋桢

2023, 44(9): 546-552. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0799

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研究分布式电池储能系统的优化控制方法以及电池荷电状态（SOC）均衡策略,提出基于SOC均衡的协同控制策略。利用多智能体系统（MAS）理论,实现电池储能系统的协同控制,并采用多智能体分布式算法,实现功率指令的自适应分配,进而实现SOC动态均衡。针对传统多智能体算法收敛速度较慢的问题,提出一种基于模型预测控制（MPC）的分布式算法,利用MPC对传统多智能体算法进行优化,提高收敛速度。最后利用实际储能功率数据进行仿真,验证了所提策略的有效性和算法在收敛速度上的优势。

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