太阳能学报

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吴艳娟, 刘振朝, 王云亮

2024, 45(1): 1-10. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1416

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太阳电池模型参数的准确辨识对光伏组件功率预测和最大功率点追踪有较大影响,必须保证较高的辨识精度。传统的智能算法能做到一定程度上的参数辨识,但均存在精度不足、收敛速度慢、易陷入局部最优等问题。针对此类问题,提出基于改进鹈鹕优化算法（IPOA）的太阳电池模型参数辨识方法。该算法中种群个体联系紧密,通过随机性的互相学习进行位置更新,在工程应用领域有着较传统算法更好的效果。同时,针对该算法特点,引入基于Jaya算法的位置更新策略,使种群的候选解更趋向最优解;改进了递减因子,使模型在迭代中后期寻优效果更好。增加了莱维飞行策略,有效提高了算法精度。在不同的太阳辐照度条件下,IPOA都有较好效果,辨识结果与实际曲线拟合度高,表明IPOA能在不同环境中对太阳电池模型参数进行准确有效辨识。

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积灰性质对光伏组件输出性能影响研究

陈宇翔, 崔凝, 李斌, 李庆哲, 马凯

2024, 45(1): 11-19. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1569

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该文针对光伏电站现场的灰成分,进行不同粒径和不同成分积灰对光伏组件输出性能影响实验,基于实验数据建立积灰密度、太阳辐照度与光伏组件输出功率以及工作电流的拟合模型。实验结果表明,光伏组件开路电压和最佳工作电压受积灰性质波动较小,光伏组件最佳工作电流受积灰性质影响较大,光伏组件最大输出功率衰减主要是受到光伏组件最佳工作电流降低的影响,积灰粒径分布对光伏组件最大输出功率和最佳工作电流的影响远大于积灰成分的影响。

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应用于光伏并网的双模共地型逆变器

梁国壮, 韩沛松, 赵焕文, 王飞, 曹媛, 田涵雷

2024, 45(1): 20-24. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1460

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研究一种新型无变压器双模式电压源逆变器（VSI）;其中共地型结构短路寄生电容,理论上可完全消除漏电流。该逆变器由升降压开关（SBB）模块和LC滤波网络集成,且输出波形具有良好的对称性。所提拓扑具备宽输入电压范围内满足并网电压增益、结构紧凑、调制策略简单等特点。同时,SBB模块可实现软充电,电流应力控制在允许范围内。详细介绍了逆变器的结构特点、工作原理,并设计了闭环控制单元。最后研究结果表明所提VSI的可行性和良好性能。

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风向角和倾角对光伏阵列风荷载的影响

全勇, 吴建高, 陈艳, 王辛铭, 敬海泉

2024, 45(1): 25-31. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1147

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该文通过数值模拟方法,系统研究单竖排光伏阵列的风荷载特性以及风向角和倾角的影响。结果表明：光伏阵列在横风作用下,迎风侧光伏组件的风荷载系数最大;光伏组件阻力系数、升力系数以及扭矩系数均随倾角的增大而增大,且在倾角小于20°时变化速率较大,大于20°之后体型系数趋于平缓;光伏阵列中,组件风荷载系数的遮挡效应十分明显,迎风侧光伏组件降低了背风侧组件的来流风速,使得位于下游区域的光伏组件所受风荷载显著减小,且倾角越大遮挡效应越明显。

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全向移动光伏清扫机器人清扫特性分析与优化

梁艺, 王伟振, 汪步云, 全鹏, 孙凯, 汪玉冰

2024, 45(1): 32-38. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1439

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针对光伏组件灵活、安全清扫问题,设计一种全向移动式光伏清扫机器人构型,采用四轮差速建模法、轮组电磁制动分析,确定机器人构型的合理性。针对现有移动式清扫方式的局限性,研究新型滚刷除尘、管道吸尘同步清扫方法。通过CFD仿真方法,建立机器人吸尘管道、清扫机构流场仿真模型,完成结构模型的清扫特性分析与结构优化仿真,以及实际清扫效果对比评价试验。试验结果表明：设计的清扫机器人能实现86.5%清扫效率,同时改善了运动制动能力。

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基于EOF-DBSCAN-GRU 的分布式光伏集群出力预测方法研究

麻吕斌, 潘国兵, 蒋群, 郭鹏, 吴春华, 赵宇航

2024, 45(1): 39-46. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1461

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提出一种基于EOF-DBSCAN划分集群的改进统计升尺度的光伏集群出力预测建模方法。针对传统统计升尺度方法子集群中光伏电站出力特性不一致问题,通过皮尔逊相关系数和经验正交函数（EOF）优化特征空间,再根据密度聚类模型（DBSCAN）对区域内光伏电站划分集群,从而增强光伏电站聚类后集群出力特性的一致性。针对待预测日权重系数时间序列动态特性的提取、预测问题,提出一种基于动态时间规整（DTW）的相似日选取算法。最后利用循环神经网络（GRU）模型进行光伏电站出力预测。实验表明该集群预测方法的平均误差百分数（MAPE）约为6.33%,均方根误差（RMSE）约为13.93 kW,均方误差（MSE）为194.25 kW,通过实际光伏电站数据证明了所提方法的准确性和有效性。

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MOFs衍生多孔TiO₂/C、N掺杂Fe₂O₃复合材料的制备及其光催化性能

谢倩祎, 程爱华

2024, 45(1): 47-55. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1578

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将TiO₂加入NH₂-MIL-101（Fe）前驱体中,采用溶剂热法制备TiO₂/NH₂-MIL-101（Fe）,进一步经高温热处理得到TiO₂/C、N掺杂Fe₂O₃复合材料（TiO₂/C、N-Fe₂O₃）。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、光电子能谱（XPS）、紫外-可见分光漫反射（UV-Vis DRS）和荧光光谱（PL）等方法对所得样品的晶体结构、形貌特征、组成及光谱特性进行表征。在模拟太阳光照射下对罗丹明B（RhB）溶液进行降解,评价其光催化活性。结果表明,C、N均匀掺杂在Fe₂O₃中,TiO₂复合C、N掺杂Fe₂O₃后禁带宽度减小,模拟太阳光照射2.5 h后,在0.1 g/L TiO₂/C、N-Fe₂O₃复合材料的光催化作用下,10 mg/L罗丹明B的去除率达到95%,速率常速为0.0192 min^-1,效果较TiO₂和C、N-Fe₂O₃有明显提高。所得复合材料稳定性好、可重复利用。MOFs衍生多孔C、N掺杂Fe₂O₃与TiO₂的复合缩短了带隙,强化了空穴与电子的分离从而提高可见光催化活性。

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太阳能热化学转化技术研究进展

岳霞, 阿迪力·巴吐尔

2024, 45(1): 56-66. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1470

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利用热化学反应将太阳能转化为易存储的化学产品,是实现太阳能大规模连续利用的有效方式。聚光器和反应器是太阳能热化学转化系统的核心设备。该文首先基于热化学反应进行温度的不同,对典型的低、中、高温太阳能热化学转化系统进行介绍,并对不同温度段系统中常用的聚光器类型进行总结,同时简要评述不同太阳能热化学转化系统的优缺点和发展趋势;然后基于太阳能热化学转化过程中传热方式的差异,对直接辐射加热型和间接辐射加热型太阳能反应器的种类、结构、工作原理和研究进展进行阐述。

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一种墙体蓄热量的评价方法研究

朱新荣, 冯伟建, 梁嘉, 杨柳, 刘加平

2024, 45(1): 67-72. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0131

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针对目前围护结构蓄热性能评价方法和指标不能有效评价蓄热量的问题,该文基于“日间热容”概念和有限差分法,提出一种新的围护结构蓄热性能评价方法和相关指标。该方法可获得围护结构逐时动态蓄热量、不同构造层次的蓄热情况以及材料层和围护结构在一定时间段和一定面积内的累积蓄热量。以一个简化的建筑模型为例,运用该方法得出建筑不同朝向、不同部位围护结构各材料层的蓄热量情况。该文的方法可为建筑围护结构实际蓄热效果提供系统全面的定量评价,为太阳能建筑分朝向、分部位的蓄热设计提供方法和依据。

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光热催化百叶型Trombe墙性能的实验探究

顾涛, 车磊, 李念思, 余本东

2024, 45(1): 73-79. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1507

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针对Trombe墙存在夏季过热、冬季室内污染物易积累等问题,提出光热催化百叶型Trombe墙新系统,在冬季实现采暖和甲醛净化、夏季实现净化的同时,能将太阳辐射反射到室外,缓解室内过热。光热催化百叶能同时利用光能和热能驱动催化净化反应,还可产生协同效应来增强反应效率。首先探究不同比例的光热催化剂对甲醛降解性能的影响,并测试不同甲醛浓度、紫外辐照度和催化温度条件下的甲醛降解性能,揭示太阳辐射作用下的光热协同净化效应;然后搭建光热催化百叶型Trombe墙实验测试系统,探究不同太阳辐照度和百叶翻转角度下光热催化百叶型Trombe墙的热性能和甲醛降解性能。研究结果表明：光热催化剂比例为10%的光热复合催化剂的除醛效率最佳;太阳辐射使得光热复合催化剂的活化能降低了14.46%~31.25%,产生了光热协同效应;光热催化百叶型Trombe墙的采暖效率可达到46.21%,每小时产生的干净空气量（CADR）最大为81.47 m³/h,且墙体的采暖效率和甲醛净化效率均随太阳辐照度和百叶翻转角度的增大而增大。

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流态模型对小型太阳能烟囱流场特性影响分析

聂晶, 苏昊, 贾靖, 高虹, 闫素英, 许金晨

2024, 45(1): 80-86. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1493

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在小型太阳能烟囱（SC）的数值模拟计算中,选取不同流态模型（层流、湍流或转捩）计算结果不同。该文使用光线追踪和环境侧风模拟,对不同流态模型进行数值模拟计算,对比分析计算结果与试验数据。结果表明：不同时刻转捩模型下流体湍流强度、受环境侧风扰动程度与层流模型、湍流模型相比更小,在计算中使用转捩模型更准确,为小型SC流场模拟计算的模型选择提供参考。

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基于TRNSYS模拟的多能源时序互补供暖系统研究

杨蕾, 杜永恒, 王国华, 孙旭灿, 朱俊超, 赵忠涛

2024, 45(1): 87-94. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1510

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针对典型气候区（郑州和哈尔滨）不同建筑类型的负荷特点,提出多能源时序互补集中式供暖系统,并对蓄热场的蓄取规律进行模拟分析。通过TRNSYS模拟,对多能源时序互补集中式供暖系统在不同建筑中运行时的蓄热场土壤平均温度、系统运行策略、能效提升率进行分析。结果表明：土壤平均温度处于动态平衡,公建系统土壤平均温度最高可达65 ℃;公建及寒冷地区居建系统运行策略均以太阳能直供和蓄热场直供为主要供热方式,地源热泵为辅,严寒地区居建系统运行策略是以地源热泵为主要供热方式,太阳能直供和蓄热场直供为辅;多能源时序互补集中式供暖系统与地源热泵系统相比能效提升明显,公建系统能效可提升90%以上,严寒地区居建系统能效提升59.12%。

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太阳能-地源热泵系统控制策略及运行特性研究

孙畅, 张磊, 张广宇, 鞠晓磊, 鲁永飞

2024, 45(1): 95-101. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1548

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为解决西北村镇地源热泵系统应用中土壤温度逐年降低的问题,设置太阳能-地源热泵系统（SGSHP）,分析SGSHP的适用区域。以某小学为测算对象,使用文献调研、数字化模拟等方法,仿真模拟运行策略。结果表明,农业设施和学校适合采用SGSHP,非供暖季太阳能为土壤补热,供暖季优先太阳能供暖为最佳控制策略,太阳能集热器面积86 m²,水箱容积3.9 m³,换热器截面积0.4 m²,循环泵流量6.6 m³/h,换热管长度120 m,可在1个自然年恢复土壤温度。

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严寒干热地区集热冷却联用系统试验研究

齐典伟, 饶博闻, 徐凤, 谢丽蓉, 张佳琦

2024, 45(1): 102-108. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1565

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该文结合新疆地区昼夜大温差气候特性,在乌鲁木齐市搭建一套小型太阳能集热——天空辐射冷却两用系统,通过对比PE防风膜层数和测试不同流速工况下的系统运行结果来探究两用装置的集热/冷却潜力。试验结果表明：系统在日间集热模式下的最大进出口温升为6.40 ℃,最大瞬时集热功率为721.88 W/m²;夜间冷却模式下最大进出口温降为0.94 ℃,出口温度相对环境温降可达1.43 ℃,最大瞬时冷却功率为50.89 W/m²,这为其在实际中的工业集热应用和本地区的温湿度独立控制空调系统高温冷冻水制备提供可能。

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基于随机森林算法的FY-4A地表入射太阳辐射空间订正

徐丽娜, 申彦波, 胡玥明, 邢旭煌

2024, 45(1): 109-115. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1503

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筛选时次、天顶角、FY-4A AGRI全圆盘地表入射太阳辐射（SSI）、云覆盖率（CFR）、云检测（CLM）以及云类型（CLT）产品构建特征向量,采用随机森林方法开展FY-4A SSI逐时产品的空间订正研究。结果表明、随机森林算法对于提升FY-4A SSI产品的空间分布精度具有明显作用,订正后相关系数、平均偏差、平均绝对误差均有不同程度的改善,且能很好地解决FY-4A SSI产品的过高估计及FY-4A SSI产品在太阳天顶角大于70°时无观测问题,有效提高FY-4A SSI产品在高纬度地区的可用性。

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基于自适应VSG控制策略永磁直驱风电系统研究

朱作滨, 孙树敏, 丁月明, 黄绍平

2024, 45(1): 116-124. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1348

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高比例风力发电使用大量的电力电子装置接入电网,本身不能像传统的同步发电机一样具备内在的惯性响应特性,在受到外界扰动时很难支撑风电系统自身频率的稳定性。常规的虚拟同步机（VSG）控制在惯量主动支撑方面很难满足实际运行需求,因此提出一种灵活自适应旋转惯量、阻尼综合VSG永磁直驱风电系统控制策略。首先,建立虚拟同步机永磁直驱风电系统机侧、网侧控制单元模型以及网侧和机侧之间的电流前馈控制单元。对风电VSG系统进行稳定性分析及参数整定。其次,设计自适应旋转惯量、阻尼综合控制规律,并对控制规律相关参数进行分析。最后,基于自适应灵活旋转惯量、阻尼综合控制规律建立风电系统仿真模型。通过仿真验证了该方法的可行性,仿真结果表明：该方法应用于风电系统相比于VSG/自适应旋转惯量VSG具有更好的调频特性以及具备直流母线抗扰动调压的特性。

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风电场柔直送出系统联接变故障特性分析及差动保护方案

冯海洋, 束洪春, 杨兴雄, 黄柯昊, 岳清, 周子超

2024, 45(1): 125-133. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1414

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联接变是衔接交直流系统的桥梁,对其故障特性的分析是构建保护方案的重要基础。然而,双馈风电经柔直送出系统中整流侧联接变发生故障时,机侧短路电流呈现出频偏和弱馈故障特性,而阀侧短路电流不仅含有大量谐波,在不同的控制策略下还存在幅值差异、相角差异,甚至会出现断流的情况。如此复杂的故障特性给联接变的差动保护正确动作带来十分严峻的挑战。为此,该文以联接变阀侧发生最为常见的单相接地故障为例,分析双馈风电场柔直送出系统联接变风电场侧及阀侧短路电流故障特性及致使差动保护性能降低的原因。在此基础上,提出分别利用形态学滤波分解及同步挤压小波变换对换变流两侧电流进行处理,并以处理后的两侧电流轨迹图斜率为判据,对区内外故障和涌流进行识别的保护方案。最后,基于PSCAD/EMTDC的仿真结果表明：所提出的方案能很好地对风电联接变区内外故障和涌流进行识别,在不同影响因素条件下该方案也具有良好的适用性。

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双馈虚拟同步机快速励磁控制和功角补偿策略

胡志帅, 任永峰, 孟庆天, 韩俊飞, 陈建, 贺彬

2024, 45(1): 134-142. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1417

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针对以激磁电势为目标控制电压的双馈虚拟同步发电机策略下运行功角大而带来的功率耦合问题,提出采用快速励磁控制消除功角扰动对无功控制的影响,采用功角补偿消除激磁电势扰动对功角有功控制的影响的功率解耦方案。在分析双馈电机数学模型及双馈虚拟同步机整体控制策略的基础上,构建计及无功控制环节的双馈虚拟同步机小信号模型。通过分析无功环节PI控制器参数对功角稳定性的影响,设计快速励磁控制策略。通过分析无功扰动与功角变化的关系,确定功角补偿传递函数。设定风速扰动、电网频率扰动和电网电压扰动3种不同工况进行验证。结果表明：所提控制策略可有效避免双馈虚拟同步机大功角运行时有功功率控制和无功功率控制间的相互影响,实现功率解耦。

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基于IWOA-SA-Elman神经网络的短期风电功率预测

刘吉成, 朱玺瑞, 于晶

2024, 45(1): 143-150. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1423

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由于风力发电的随机性和不确定性使其短期功率的预测工作十分困难,而神经网络模型依靠其强大的自学习能力在风电功率预测领域有着广泛的应用。但神经网络预测精度受初始权重影响较大,且易出现过拟合的问题。为此构建一种基于改进鲸鱼算法和模拟退火组合优化的Elman神经网络短期风电功率预测模型,模型首先利用改进鲸鱼算法结合模拟退火策略获得高质量神经网络初始权值,接着引入正则化损失函数防止其过拟合,最后以西班牙瓦伦西亚某风电场陆上短期风电功率为研究对象,将该算法与BP、LSTM、Elman、WOA-Elman、IWOA-Elman 5种神经网络算法进行算法性能测试对比,结果表明IWOA-SA-Elman神经网络模型预测误差最小,验证了该算法的合理性和有效性。

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基于CEEMDAN-AsyHyperBand-MultiTCN的短期风电功率预测

刘凡, 李捍东, 覃涛

2024, 45(1): 151-158. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1427

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为减少风电功率短期预测误差,提高风电利用效率,提出一种基于经验模态分解和异步超参数优化的多层时间卷积网络（CEEMDAN-AsyHyperBand-MultiTCN）的短期风电功率预测方法。首先,确定序列分量的数量,并使用自适应噪声完备集合经验模态分解（CEEMDAN）对原始风电功率进行分解,构成训练数据集。其次,使用深度残差级联（DRnet）构建多层的时间卷积网络（TCN）,并使用AsyHyperband算法对序列分量模型进行超参数寻优。最后,对序列分量分别进行预测,重构预测结果得到预测值。实验表明,该文提出的方法相比于其他方法能有效降低风电功率预测误差。

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基于混合分解和PCG-BiLSTM的风速短期预测

毕贵红, 黄泽, 赵四洪, 谢旭, 陈仕龙, 骆钊

2024, 45(1): 159-170. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1432

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为降低风速的随机性对风力发电的影响,提高风速短期预测的精准度,提出一种基于混合分解、双通道输入、多分支PCG-BiLSTM深度学习模型的短期风速预测方法。首先,将全年风速数据分为春、夏、秋、冬4个季度,选取春季作为主要实验对象;其次,利用奇异谱分解（SSD）和变分模态分解（VMD）以降低原始春季风速数据复杂度,生成具有不同模态且复杂度低的子分量,两种不同模式子分量组合为混合分量,实现不同模式分解算法的优势互补;最后,将混合分量以双通道的形式输入到多分支PCG-BiLSTM深度学习模型中,其模型的每个分支由卷积神经网络（CNN）与门控循环单元（GRU）并联组成时空特征提取模块,用于提取两种分解分量组合的混合分量的时空特征,各分支提取对应混合分量的时空特征经聚合后再由双向长短期记忆网络（BiLSTM）进一步提取风速信号的正向和反向双向波动规律,进而得到最终的风速预测结果。多组实验结果表明：提出的组合预测方法在短期风速预测中具有较高的精度和泛化能力,优于其他传统预测方法。

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基于VIENNA永磁风电系统的自适应反推控制研究

王君瑞, 王丽宝, 乔煊景, 吴新举

2024, 45(1): 171-178. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1447

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针对永磁同步电机存在非线性项的不确定性以及系统参数摄动产生的不利影响,提出一种基于VIENNA永磁风电系统的自适应反推控制策略。采用VIENNA整流拓扑实现整机功率密度的最大化,降低谐波干扰,提升系统的可靠性。通过自适应反推控制得到系统控制律和参数自适应律,解决了系统的非线性,实现了对定子电阻和负载转矩的参数自适应,从而提高了系统的抗干扰能力。仿真结果表明,该控制系统具有较强的鲁棒性。

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基于CEM-FEM耦合方法的海上风力机抗冰和振动控制研究

柳英洲, 施伟, 李颖, 周利, 王滨, 李昕

2024, 45(1): 179-187. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1448

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冰荷载是影响海上风力机安全运行的重要决定性因素,严重时会致使海上风力机结构发生冰激振动破坏和冰激疲劳失效。该研究基于粘聚单元（cohesive element method,CEM）-有限元（finite element method,FEM）耦合方法,通过非线性分布弹簧考虑桩-土相互作用,建立海冰-寒区单桩海上风力机结构在风-冰联合作用下的整体耦合冰激振动非线性有限元模型。进而,基于非线性数值仿真工具LS-DYNA,分别模拟冰与直立结构和带有抗冰锥的基础结构相互作用过程,并与现有的挤压和弯曲冰力模型进行对比,验证该研究模拟动冰荷载的准确性,讨论两种冰破坏模式下动冰荷载的变化规律。最后,为解决海上风力机发生的强烈冰激振动问题,分别采用振动控制方法和施加抗冰锥的方式,开展风、冰联合作用下海上风力机动冰力和动力响应研究,对比分析以上两种减振方式的减振机理和减振效果差异。结果表明,虽然抗冰锥可明显降低冰-海上风力机相互作用的动冰荷载幅值,然而采用振动控制策略的海上风力机减振效果明显优于抗冰锥。因此,在海上风力机的冰激结构损伤研究和抗冰设计中必须分别考虑以上两种减振方式对结构的影响。

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基于模糊LQR的Spar型海上浮式风力机载荷抑制

韩耀振, 刘爽, 杨文祥, 侯明冬

2024, 45(1): 188-196. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1462

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针对复杂环境变化易引起海上浮式风力机不稳定的问题,提出一种基于模糊LQR、模糊PI相结合且易于工程应用的桨距控制新方案,实现维持浮式风力发电机组输出功率稳定、抑制浮台运动、减少叶根及塔基疲劳载荷的目的。模糊PI根据发电机转子转速误差变化动态选择期望的PI增益,模糊LQR基于模糊规则自适应调整闭环反馈增益,在保证风力机输出功率和浮台稳定的基础上,进一步减小叶根和塔基疲劳载荷。基于FAST与Matlab/Simulink在不同环境条件下进行联合仿真,验证所提方案的有效性和优越性;通过时域、频域分析表明,与PI控制相比,所提方案在减少叶根处平面外载荷和塔基横向载荷方面有明显改善效果。

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风电机组高塔一阶涡激振动特性研究

李学平, 罗勇水, 张军华, 林勇刚, 赵海燕, 杨世锡

2024, 45(1): 197-204. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1464

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针对风力发电机组钢制高塔的涡激振动问题,采用固体-流体相结合的仿真方法对停机状态的塔架一阶涡激振动特性进行研究。首先以某2.5 MW、140 m高塔机组为研究对象,建立塔架-叶片耦合结构仿真模型,利用模态和CFD仿真分析塔架一阶涡激振动的共振频率和共振风速范围,表明该风电机组塔架存在发生一阶涡激振动的风险;然后提出一种基于固体-流体迭代快速仿真一阶涡激振动最大位移计算方法,考虑叶片对塔架涡激振动的耦合作用,得到最大振动位移。现场测试表明实测最大一阶涡激振动位移与仿真结果基本相符,验证了该仿真方法的准确性。

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不同海域水文环境与风力机疲劳载荷差异性研究

葛君, 陈前, 王瑞良, 孙勇

2024, 45(1): 205-209. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1465

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在整机基础支撑结构的设计开发过程中,了解波浪载荷对海上风力发电机组疲劳载荷的影响至关重要。该文选取中国沿海地区部分典型海上风电场址,通过波浪凝聚及JONSWAP谱,对所选典型场址的波浪水文条件进行分析处理,并以此为变量,仿真研究不同波浪对于海上风力发电机组关键部件的疲劳载荷影响。最后,引入风浪异向,更贴合实际地评估波浪对疲劳载荷的影响。

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复合加载下海上风电四筒基础地基承载力特性研究

曹政, 李智, 江琦, 董霄峰, 王海军, 练继建

2024, 45(1): 210-217. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1482

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以福建某海上风电场四筒导管架基础为研究对象,通过数值模拟方法建立四筒基础-地基整体模型,研究四筒基础在V-H（竖向-水平荷载）、V-M（竖向-弯矩荷载）、H-M（水平-弯矩荷载）和V-H-M（竖向-水平-弯矩荷载）作用下的地基失效模式。结果表明：在V-H和V-M加载模式下,四筒基础竖向极限承载力和弯矩极限承载力均随着水平力的增大而减小,且弯矩极限承载力与水平力之间呈现出线性减小的趋势;在V-M加载模式下,随着竖向荷载的不断增大,四筒基础主要运动形式从转动转换为平动;V-H加载模式下的承载力包络线随着竖向荷载的增大向外扩张,且竖向荷载的作用明显提高了地基水平和弯矩极限承载力。

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适用于双馈风电场送出线的纵联方向保护研究

高淑萍, 蔚坤, 宋国兵, 郭芳宾

2024, 45(1): 218-225. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1484

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考虑风电场接入电网时,传统方向元件在短路故障发生时易受到风电场内部电力电子器件动态特性的干扰影响,导致频率特性偏移,系统参数不稳定和弱馈性等问题,使继电保护装置不能及时或正确判断故障发生区域。针对上述问题,首先对含有风电场的故障附加网络进行分析,寻找故障发生后纵联保护安装处各测量点电气量之间的关联性,确定其故障逻辑关系。其次通过对常用的相模变换解耦方式进行分析,选择一个合理的方法代入相关性表达式,根据相关系数值完成故障区域判定。最后利用PSCAD/EMTDC搭建双馈风电场并网模型,设置各种不同的故障类型和场景,并利用Matlab进行保护算法验证,检验故障区域判断结果,验证所提保护方法的正确性与合理性,并且仿真结果表明该方法具有较高的可靠性。

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基于VMD-BOA-LSSVM-AdaBoost的短期风电功率预测

史彭珍, 魏霞, 张春梅, 谢丽蓉, 叶家豪, 杨家梁

2024, 45(1): 226-233. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1485

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针对风电信号具有间歇性、非线性、波动性、非平稳性和不确定性等特征,建立一种基于变分模态分解（VMD）和蝴蝶优化算法(BOA)优化最小二乘支持向量机（LSSVM）的风电功率短期预测模型,为提高预测精度,引入自适应校正算法（AdaBoost）。首先,利用变分模态分解将原始功率信号数据分解多个子序列。其次,利用蝴蝶优化算法优化最小二乘支持向量机组合预测模型对每个子序列进行预测。最后通过自适应校正算法将多个分量预测值重构得到最终的预测值,结合西北某一风电场提供的风电功率数据为例验证模型的有效性。结果验证了建立的组合预测模型能够较好地对短期风电功率进行预测,并具有较好的预测精度。

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考虑数据不足和基于合作博弈模型融合的风电机组轴承故障诊断方法

李俊卿, 胡晓东, 王罗, 马亚鹏, 何玉灵

2024, 45(1): 234-241. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1489

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针对风电机组轴承疲劳实验成本高导致故障数据不足的问题,提出基于粒子群算法（PSO）优化的辅助分类器生成对抗网络（ACGAN）,利用PSO对ACGAN的参数进行寻优,进而利用ACGAN生成与原始样本高度相似的新样本;针对单一模型对风电机组轴承故障诊断的准确率较低的缺点,引进合作博弈理论对多个子模型的诊断结果进行融合,将各个子模型的诊断概率矩阵由合作博弈理论进行融合并输出最终的诊断结果。实验证明,优化后的ACGAN模型和基于合作博弈的模型融合能有效提高轴承故障诊断的准确率。

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海上风电桩基础打桩过程中桩周土强度弱化模型试验研究

刘润, 苏春阳, 李成凤, 贾沼霖, 袁新勇, 刘玉飞

2024, 45(1): 242-250. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1491

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在海上风电桩基础的打桩过程中,桩周土体强度会产生明显的弱化现象,为明确桩周土体强度弱化影响因素以及弱化规律,开展模型试验模拟打桩过程,研究在不同锤击能量下,不同桩体尺寸情况下,桩身侧摩阻力随着贯入深度的变化规律,建立描述土体强度弱化规律的弱化公式,并通过打桩软件对多个海上风电桩基础工程中大直径及超大直径钢管桩的打桩实测数据进行打桩分析。研究结果表明：在打桩过程中,桩周土体强度的弱化同时受到桩体质量以及锤击能量的影响,桩基质量和锤击能量越大,土体强度弱化程度越高。在打桩的可打入分析中,采用该文所建立的弱化公式可模拟出不同尺寸桩体沉桩时土体强度的折减规律。

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海上风电单柱复合筒型基础拖航浮运特性分析

黄绍幸, 许新鑫, 校建东, 张浦阳, 高扬

2024, 45(1): 251-257. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1492

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为保证单柱复合筒型基础拖航安全性,针对实际工程中单柱复合筒型基础制作比尺模型,采用模型试验的方法,对单柱复合筒型基础浮运特性展开研究,分析不同拖航方式对结构的拖航特性的影响,旨在为实际工程提供指导性建议。研究结果表明：在实际拖航中,要合理的选择拖揽点的位置和吃水深度,避免结构出现艏倾现象,在保证安全拖航的前提下可适当增吃水深度增加结构的拖航稳性。

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考虑大气稳定度的风电场等效粗糙度模型研究

李宝良, 张子良, 葛铭纬, 王罗, 刘永前

2024, 45(1): 258-264. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1494

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目前模型未充分考虑大气稳定度的影响,针对该问题,在不同大气稳定度下,通过建立风电场边界层的动量平衡关系和揭示风电场的流动不均匀性,提出一种适用于不同大气稳定度的风电场等效粗糙度模型。采用大涡模拟方法对所提模型进行验证,结果显示该方法能有效评估大气稳定度对风电场流动不均匀性以及等效粗糙度的影响,所得等效粗糙度平均误差约10%。

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基于图注意力网络的风力发电机齿轮箱故障诊断

谭启瑜, 马萍, 张宏立, 王妮妮

2024, 45(1): 265-274. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1501

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针对风力发电机齿轮箱故障振动信号的非平稳性、特征混叠和诊断正确率低等问题,提出一种基于图注意力网络（GAT）的风力发电机齿轮箱故障诊断方法。首先利用原始振动信号的频谱定义节点和边,将故障信号构造为可视图;然后将可视图数据作为输入,在GAT中嵌入邻居自注意力机制使其自适应提取可视图信号的节点特征和结构特征;最后使用分类器对提取的节点特征进行分类识别。通过行星齿轮箱数据集和风力发电机齿轮箱数据集的实验,结果表明与机器学习、深度学习以及其他图神经网络相比,所提方法准确率更高,鲁棒性和抗噪性更好,可有效实现端到端的智能故障诊断。

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输入饱和的永磁同步风力发电机有限时间滑模控制

杜明远, 孙炜伟, 于得海

2024, 45(1): 275-284. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1509

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针对永磁同步风力发电机在传统控制方法下存在的控制精度低、抗干扰性能差以及在风能捕获过程由风速快速变化引起较大的控制输入量从而产生饱和约束等问题,基于输入输出反馈线性化（IOFL）方法,结合有限时间（FT）理论与滑模控制（SMC）为输入饱和的PMSG设计一种有限时间滑模控制器（FT-SMC）。首先,引入IOFL来提高系统控制精度,在其基础上设计FT-SMC来增强系统的鲁棒性能;然后,在FT-SMC中引入抗饱和补偿器（ATC）解决系统中输入饱和引起的控制稳定性问题;然后,利用Lyapunov稳定性理论分析闭环系统的稳定性,保证系统在有限时间内能够快速跟踪且稳定运行。最后,在Matlab/Simulink仿真实验和半实物仿真平台上进一步验证所设计控制器的有效性和对系统转速的跟踪性能,实验结果表明FT-SMC具有控制精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点。

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基于改进MFCC算法的风力机叶片故障诊断方法

张家安, 田家辉, 王铁成, 邓强, 梁涛

2024, 45(1): 285-290. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1523

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针对传统声信号特征处理方法无法有效提取叶片声音特征、导致叶片故障诊断准确率低的问题,提出一种基于改进梅尔频率倒谱系数（MFCC）算法的风力机叶片故障诊断方法。首先采用快速傅里叶变换（FFT）分析不同风速下叶片声音信号和风噪的频率特性,明确叶片声音信号的频率分布区域,将全频段分为三部分;然后采用粒子群优化算法（PSO）对梅尔（Mel）函数在不同频段上的敏感度进行优化,在迭代过程中将MFCC算法提取的叶片声音特征进行聚类,以轮廓系数作为适应度函数;最后基于支持向量机（SVM）构建分类器,实现风力机叶片故障的准确识别。以华北某风电场的叶片声音采集数据为算例,考察该算法在不同风速工况下的适应性,验证该方法的有效性。

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神经网络正逆预测结合的风力机叶片强度可靠性研究

鞠浩, 王旭东, 陆佳红

2024, 45(1): 291-298. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1540

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针对风力机叶片在各基本随机变量相互影响下强度极限状态难以界定的问题,提出广义回归神经网络正逆预测结合的风力机叶片强度可靠性分析方法。通过神经网络逆预测模型估算叶片失效时各随机变量状态,利用有限元分析法校核后作为强化样本用于神经网络正预测模型的训练。将该方法构建的神经网络模型与通过更多随机样本构建的模型进行比较。结果表明：前者的学习样本数量减少26%,测试集均方误差降低48.19%,平均绝对百分比误差降低58.24%,因此通过该方法构建的神经网络模型在叶片失效边界区域具有更好的预测性能。利用该模型计算叶片的强度可靠性,进一步验证了该方法的有效性。

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一种高速SRG功率变换器及其CCM风电控制

孙冠群, 宋春伟

2024, 45(1): 299-305. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1541

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提出一种无主开关管的新型开关磁阻发电机（SRG）功率变换器拓扑,在高速运行和连续导通模式（CCM）下分析其励磁和发电两阶段工作过程,并与通过开关角控制的经典不对称半桥功率变换器进行对比,发现两者的励磁和发电工作过程基本相同。进一步通过仿真和实验,获得新型功率变换器在高速CCM时的相电压、相电流等结果与理论分析相吻合,并获得转速、励磁电压、发电电压、功率四者的约束关系,从而优化输出功率时可采用调节励磁电压和发电电压的方式,相比于不对称半桥功率变换器,两者的发电输出能力相当。最后,以变速风电应用为例,给出控制策略,无需转子位置检测和风速检测,基速以上无桨距角调节,证实了所提新型功率变换器及其控制策略在高速CCM运行时的有效性。

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陆地风电空心锥形基础水平循环承载特性研究

梁昊, 吴宇旗, 李大勇

2024, 45(1): 306-314. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1547

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通过开展砂土中等幅值和变幅值循环加载模型试验,针对空心锥形基础累积位移、转角和水平刚度进行研究。等幅值加载过程中,空心锥形基础沿加载方向减速移动,最终达到稳定状态;基础尺寸和荷载幅值对累积水平位移和转角影响显著,当荷载幅值δ_b为0.2和0.5时,位移量和倾角随底板直径的增大而增大,而当δ_b为0.8时,位移量和倾角随底板直径的增大先减小后增大;当δ_b为0.2、0.5和0.8时,水平刚度随底板直径的增大分别降低39%、59.7%、43.9%。变幅值加载过程中,空心锥形基础在幅值逐级增加时沿加载方向加速移动,水平刚度随基础底板直径的增大先增大后减小,在幅值逐级递减时沿加载方向减速移动,水平刚度随基础底板直径的增大先减小后增大;位移量和倾角在幅值逐级递增时最大,逐级递减次之,等幅值加载最小。通过对无量纲化累积转角拟合,提出等幅值累积转角计算公式,经验证,计算公式与模型试验结果吻合较好。

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平衡大气边界层理论在复杂地形风场模拟中的应用

马国林, 田琳琳, 宋翌蕾, 赵宁

2024, 45(1): 315-325. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1550

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针对大气边界层数值模拟时入口湍动能及耗散率在下游持续衰减的问题,基于标准k-ε模型及其改进模型研究不同湍流黏性更新方法对平衡大气边界层自保持性的影响,然后采用平衡大气边界层自保持性方法结合建筑绕流影响区（BIA）问题解决方法对Askervein山绕流问题进行模拟研究,最后基于数值模拟结果,分析复杂地形绕流对风力机选址的影响。结果表明,选择合适的湍流黏性更新方法、粗糙度处理方法、湍动能和耗散率方程源项可使出口处的流动参数与入口处给定初值保持较高的一致性;BIA问题解决方法的引入可进一步提高复杂地形绕流模拟精度;风力机宜安装在山顶,避开湍流度较大的山体背风区,山后风力机的排布应结合山顶风力机尾流和山体影响区域综合考量。

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大雷诺数下对称翼型的转捩判断与规律研究

杨从新, 张根豪, 李寿图, 郭艳磊, 岳念西, 刘文杰

2024, 45(1): 326-333. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1552

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围绕翼型的转捩问题,以NACA0012、NACA0015、NACA0018 三种不同厚度的对称翼型为研究对象,基于TSST湍流模型的数值模拟方法,提出基于湍流强度的转捩判断方法并研究在5种大雷诺数条件下翼型表面流动的转捩规律,以期为风力机叶片设计提供新的参考思路。研究表明,基于湍流强度的转捩判断方法是有效、可行的,使用翼型表面湍流强度曲线的阶跃现象观测转捩,可有效避免转捩前流动扰动带来的影响。同时利用湍流强度的变化情况可为风力机叶片设计寻找最佳设计参数。研究发现,增大攻角和雷诺数使得翼型上翼面转捩位置前移、下翼面转捩位置后移。此外,随着攻角的减小、雷诺数的增大、翼型表面厚度的增加,在翼型转捩前的流动逐渐稳定。

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风电机组纯钢塔架和组合式塔架动力特性对比研究

陈俊岭, 高洁, 冯又全, 丛欧

2024, 45(1): 334-341. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1561

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对某风电场2.0 MW风电机组120 m高单管式风力发电钢塔和钢-混凝土组合式风力发电塔的振动进行长期监测,分别采用峰值拾取法（PP）和随机子空间法（SSI）对塔架的模态参数进行识别和分析,并与数值分析结果进行对比。结果表明：两座塔架的振动主要以前三阶模态为主,高阶模态的影响不可忽略。相较于钢-混凝土组合塔架,纯钢塔架受塔顶叶轮转动的影响更大,更易发生共振。模态阻尼中气动阻尼占比较大,其与环境风速和桨距角关系密切,与风速呈非线性关系,并且在桨叶变桨时变化明显。对比实测识别和数值分析结果发现,两座塔架的模态频率以及混塔的振型数值分析结果与实测结果比较吻合,钢塔的振型数值分析结果与实测结果存在差异,在运维养护时应重点关注。

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基于高斯混合模型聚类的双馈风电场动态等值建模方法

邓俊, 张阳, 李怡然, 夏楠, 戚正浩, 高桐

2024, 45(1): 342-350. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1571

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针对风电场动态运行条件下等值建模精度偏低、聚类依据不足的难题,提出一种基于高斯混合模型聚类思想的风电场等值建模方法。首先,分析单台双馈感应式风力发电机在低电压穿越期间的动态响应特性,根据响应特性的集群特征构建聚类指标。然后,提出基于高斯混合模型动态初步聚类、优化聚类数目的两阶段等值建模方法,推导出赤池信息和贝叶斯信息准则下聚类数目的寻优算法。以典型中等规模风电场为例,在Matlab/Simulink平台进行不同故障穿越条件的仿真测试,结果表明所提风电场等值建模方法聚类有效、精度高。

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ZSM-5/Ni Foam催化剂对生物质气化焦油裂解行为及机制研究

刘蔚波, 许丹, 王佳兴, 张书平, 熊源泉

2024, 45(1): 351-357. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1584

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为了克服生物质气化过程中的焦油产生问题,以泡沫镍（Ni Foam）为镍源和载体、ZSM-5分子筛为活性添加物质,采用浸渍法制得ZSM-5/Ni Foam催化剂并在两段式固定床反应系统进行生物质焦油催化裂解实验。结果表明：三维骨架结构的Ni Foam上负载具有酸性活性位点的ZSM-5,不仅可增加焦油与催化剂活性位点的接触面积,还可减缓催化过程中积碳的形成,从而获得更高的催化性能,800 ℃下焦油转化率达到90.2%,使得ZSM-5/Ni Foam具有良好的催化活性及循环稳定性。同时,也揭示出ZSM-5/Ni Foam的催化机制。

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同源生物炭对蓝藻热解特性及气体产物的影响

宋卫军, 谢妤, 陈钱浩, 王祎楠

2024, 45(1): 358-365. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0896

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为探究蓝藻生物炭掺和对原料热解特性和释放气体产物的影响,以铜绿微囊藻（MA）为原料,基于热重红外联用技术（TG-FTIR）研究铜绿微囊藻生物炭（MAC）掺和前后混合样的热解特性与气体产物变化。结果表明,混合样品热解主要区间由322~434 ℃变为242~422 ℃,不仅温度区间发生偏移且温度范围由112 ℃拓宽至180 ℃,增加60.5%。热解过程中混合样的活化能表现为不同程度的升高,CH₄、CO₂和羰基类化合物等产物的红外吸光度有不同程度的变化。随着MAC制备温度的升高,混合样品的热解结束温度降低,最大失重速率基本不变,活化能由22.77 kJ/mol增至42.17 kJ/mol;掺和MAC400时芳香醛类、CH₄的释放量增加,羰基化合物释放量减少,CO₂含量在500 ℃以上出现明显的二次提升;掺和MAC600时芳香醛类、呋喃类、CH₄和CO₂的释放量减少。随着MAC掺和比例的增加,混合样品的热解结束温度升高,最大失重速率降低,活化能由22.77 kJ/mol增至36.93 kJ/mol。掺和比例为75%时热解释放气体中CO₂减少,掺和比例为25%时,含羰基化合物、酸类、呋喃产生量降低。

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白皮松固体燃料成型参数优化及燃烧特性研究

钱晓亮, 张静, 郑德聪, 黄志杰

2024, 45(1): 366-373. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1506

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以白皮松园林修剪废弃物为原料制成固体燃料,采用响应面法对其物理特性进行多因素试验研究,分析原料含水率、温度及成型压力三因素交互作用对固体燃料密度、耐久性、抗跌碎性的影响规律;应用马氏距离法对燃料的密度、耐久性和抗跌碎性进行响应优化,并采用同步热分析仪分析白皮松燃烧特性。结果表明：在含水率6.5%~10%、温度70~100 ℃、压力100~130 MPa范围内燃料密度、耐久性、抗跌碎性达到1.01 g/cm³、95%、98%以上,在含水率6.9%、温度84.5 ℃、压力130 MPa时为最佳成型参数组合;试验验证在此条件下成型的燃料密度、耐久性、抗跌碎性分别达到1.15 g/cm³、98.5%和99.7%。样品在10、20、30 K/min升温速率条件下综合燃烧特性指数分别为0.45、2.18、13.26×10^-8 K³/min²,即随升温速率的增大而增大。

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LDHs衍生阵列催化剂在吸收增强式甘油水蒸气重整制氢的应用前景展望

杨双霞, 李雨, 陈雷, 孙来芝, 伊晓路, 华栋梁

2024, 45(1): 374-381. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1575

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对吸收增强式甘油水蒸气重整（SESRG）制氢反应网络及热力学特性、Ni-Ca基催化-吸收双功能催化剂研究进展及面临的挑战进行归纳总结,系统分析Ni基催化位点、Ca基吸附位点失活机理及改性手段。结合层状双金属氢氧化物（LDHs）材料和阵列催化剂独特的结构优势和物化特性,提出设计研发LDHs衍生阵列催化剂是提高Ni-Ca双功能催化剂反应活性和稳定性的有效手段,并对其在甘油高效稳定制氢领域发展前景进行展望。

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水平偏心摆波能装置运动获能特性研究

曹飞飞, 赵致磊, 江小强, 史宏达

2024, 45(1): 382-388. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1603

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以水平偏心摆波能装置为对象,通过物理模型试验和数值模拟,对装置在单自由度和多自由度下的运动和获能规律进行研究。不同波周期下,摆体出现小幅振荡、旋转和振荡旋转三种运动状态。研究表明,装置在单自由度下出现对获能不利的“锁停”现象,而多自由度的获能相对较好,平均功率随波浪周期出现两次峰值。第一次峰值对应波周期与能量输出（PTO）阻尼和摆臂长度正相关,峰值与PTO阻尼正相关;第二次峰值及对应波周期与外浮体轴比正相关。

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考虑模型失配的波浪发电系统功率优化LQR控制

林炳骏, 杨俊华, 吴凡曈, 梁惠溉, 邱达磊

2024, 45(1): 389-394. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0998

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为降低复杂海况对波浪发电系统的影响,改良目标价值函数,设计线性二次型最优控制器,约束系统运动状态同时提升波能捕获能力。通过调整权重矩阵求取最优反馈增益,获得理想q轴电流并采用空间矢量控制策略跟踪控制之,平衡系统物理约束与功率捕获关系;模型失配时根据理想模型与实际装置位移差值,基于HJI理论设计RBF鲁棒控制器,补偿系统失配运动状态与功率。仿真结果表明：在不规则激励力下,所提控制策略动态性能好、鲁棒性强,在满足系统物理约束的同时可有效提高波能捕获能力,补偿系统因失配减少的功率。

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全潜液囊式波浪能俘获系统特性研究

韦建锋, 盛松伟, 陈敏, 张亚群, 王坤林, 王振鹏

2024, 45(1): 395-401. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1450

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针对海洋监测潜标系统的供电需求,研发设计一种元器件少、结构简单、适用于潜标的水下波浪能俘获系统。相对于使用液压系统的波浪能发电装置,此系统具有工质环保的特点。该系统由液囊、主体、基础和能量传输4部分组成,工质采用水。在实验室造波水槽中对该系统的特性进行模型试验研究,发现该系统适合在长周期和大波高的波浪下工作,试验中功率最大工况为波高0.20 m,周期3.4 s,功率可达5.2 W,效率最大工况为波高0.08 m,周期3.1 s,效率可达25%,且系统的功率和效率会随液囊在水下深度的增大而快速下降。

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可摆动前墙的OWC浮式平台波浪能转换性能研究

彭秋平, 邱守强, 梁富琳, 柏志辉

2024, 45(1): 402-409. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1560

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提出一种综合海上波浪能转换装置的新型浮式平台,通过将一阻尼池型浮式平台与OWC波浪能装置结合,OWC气室前墙采用固定式和摆式,前墙摆板与气室通过铰链连接。基于三维势流理论,研究平台在不同波浪周期、平台吃水和气室尺寸下气室的俘获宽度比,及不同铰链转动阻尼下摆板的俘获宽度比。结果表明：不同平台吃水和不同气室尺寸通过影响平台和气室的共振周期影响气室的俘获宽度比,在较大的平台吃水和较小的气室前墙吃水条件下,会出现波浪抨击气室顶部和前墙露出水面的问题;在一定波浪环境下,存在一个最优的铰链转动阻尼,使得摆板的俘获宽度比最高;在固定的铰链转动阻尼下,摆板的俘获宽度比随波浪周期增大而逐渐减小,在波浪周期较小及平台共振周期处,摆式前墙结构比固定式前墙的气室俘获宽度比更大。

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液压式波浪能装置发电控制策略试验研究

李强, 郭毅, 王项南, 贾宁

2024, 45(1): 410-414. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1580

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以一套含有多个发电机组的波浪能发电装置液压系统样机为研究对象,介绍系统组成及运行原理,并通过研发的液压测试平台对两种发电控制策略开展试验研究。首先,对流量控制阀变开度发电控制策略开展试验,结果表明采用该策略可使输出电压在一段时间内趋于稳定,提高发电质量,同时提出两种基于液压测试平台获取比例流量控制阀有效输入电信号的方法。其次,通过在液压系统样机输出端接入多个发电机组实现梯度发电控制策略,数据结果证实可有效提高瞬时输出功率,提升波浪能发电装置在不同波况下的自适应性,同时对在实海况中实现该控制策略的条件进行初步讨论。

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黄土地基中能量桩群桩承载变形性状模型试验

曹卫平, 李庆, 赵敏, 李清源, 罗龙平

2024, 45(1): 415-422. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1444

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基于室内缩尺试验研究了含能量桩群桩在4次冷热循环过程中的桩身热力学特性及桩基承载变形特性变化规律,分析冷热循环对桩土温度、承台沉降、桩顶荷载及桩身摩阻力的影响。试验结果表明：冷热循环过程中能量桩较浅位置处桩身及桩侧土温度始终高于较深处,热循环过程中能量桩的传热效率高于冷循环过程。冷热循环会使承台顶面的工作荷载及群桩中各基桩的桩顶荷载发生往复变化,相应地引起承台发生往复倾斜,热循环引起的承台倾斜稍大于冷循环。热循环引起的能量桩桩身上部摩阻力为负,下部为正,冷循环时则相反。

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新能源接入下配电系统混合储能选址定容优化策略研究

孙东磊, 赵龙, 孙凯祺, 王艳, 孙毅, 王耀

2024, 45(1): 423-432. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1445

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为实现含分布式电源配电系统混合储能的选址定容,构建一种考虑混合储能特点的双层优化模型,从而提升配电网运行经济性和稳定性。首先,选取蓄电池和超级电容器构成混合储能系统接入配电系统,充分发挥混合储能的高效充放电和高能量吞吐;其次,提出考虑混合储能特点的混合储能选址定容双层优化模型。上层优化以混合储能全寿命周期成本最小为目标,以配置容量和接入位置为优化变量,其中运行维护成本需由下层计算;下层优化以网损最小为目标,建立混合整数二阶锥潮流优化模型,并将规划结果反馈上层。最后,以IEEE 33节点配电系统为例,结果表明相较于单一储能,所提的混合储能形式及其优化配置策略能在保证配电网运行经济性的同时,提高配电网在可再生能源高比例接入下的运行稳定性。

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模型差异性混合储能系统建模及功率分配

桑丙玉, 杨波, 李克成, 陶以彬

2024, 45(1): 433-441. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1495

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该文从锂电池和燃料电池的混合储能特性出发, 针对已有文献的拓扑结构, 对比选取适用于功率分配的混合储能拓扑模型和建模方法, 并在组合过程中通过分析选取最合适的变换方式组成混合储能模型, 最后通过仿真验证所提模型可在进行功率分配的前提下提高储能系统荷电状态偏移, 延长储能系统寿命。

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基于FCS-MPC的分布式HESS功率协调控制

殷展翔, 陆锋, 潘庭龙, 杨玮林, 胡官洋

2024, 45(1): 442-449. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1496

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针对孤岛直流微电网中分布式混合储能系统（HESS）协调运行问题,提出一种基于有限控制集模型预测控制（FCS-MPC）的功率协调控制策略。该策略采用小波包变换来分解分布式HESS的功率需求,由于分解后信号的特点和分布式HESS中蓄电池初始状态的不同,于是对分解后最低频信号基于蓄电池荷电状态（SOC）设计自适应因数来进一步再分解。由于DC/DC变换器开关状态组合数量较少,使得多步FCS-MPC的滚动优化计算量较少,于是采用FCS-MPC取代双闭环PI控制,提高系统动态响应。搭建含有分布式HESS的孤岛直流微电网模型,并做了3种方案的仿真对比,验证该策略有效平缓了直流母线波动并实现蓄电池SOC一致。该策略有利于提高电网运行的稳定性,并延长蓄电池使用寿命。

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基于主从博弈的工业园区运营商与分布式光储用户购售电优化决策

张青苗, 陈来军, 李笑竹, 梅生伟

2024, 45(1): 450-456. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1527

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随着分布式光伏大量接入园区用户侧,其随机性与波动性使得工业园区微电网下的能量管理愈发困难,储能为缓解上述问题提供了有效的手段。为实现园区用户侧新能源高效消纳及储能资源合理利用、兼顾多园区用户的利益诉求,提出一种基于主从博弈的工业园区运营商与分布式光储用户购售电优化模型。模型中利用工业园区用能运营商对多用户的能量进行统一管理,利用价格信息引导园区用户调整用电策略,利用分布式储能“低储高发”特性协调运营商与用户间的能量交互;并通过仿真算例验证所提方法的可行性和有效性。结果表明：基于主从博弈的工业园区运营商与分布式光储用户购售电优化决策,能够兼顾园区运营商和用户的经济性,促进新能源与储能的协同发展。

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可再生能源大规模制氢及储氢系统研究进展

张盛, 郑津洋, 戴剑锋, 王昕, 李浩然

2024, 45(1): 457-465. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1473

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可再生能源大规模制氢及储氢系统是在新型电力系统背景下实现氢能与可再生能源深度融合的重要途径。主要介绍可再生能源大规模制氢及储氢系统的类别、结构组成,分析了发电侧资源特性、制氢/储氢技术特性和用氢侧需求波动特性,重点分析国内外可再生能源综合利用系统仿真软件研发现状以及系统控制策略优化、制氢/储氢容量配置优化和技术经济性优化等模型研究热点问题。

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基于电-热特性的质子交换膜电解槽模型研究进展

闫涛, 房凯, 惠东

2024, 45(1): 466-474. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1425

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“电-氢”转换为能源领域低碳转型提供了一种新型、绿色、高效的解决方案,质子交换膜电解槽因具备产氢纯度高、制氢效率优、高度集成化以及与波动性电源耦合程度好等优点而备受关注,模型构建是对其机理研究、特性分析、系统运行控制模拟的重要手段。基于质子交换膜电解槽电化学特性和热传输特性,对国内外已有的质子交换膜电解槽电化学模型和热传输模型建模方法进行综述,并简要分析多物理场耦合模型研究进展,对未来质子交换膜电解槽建模研究发展方向进行展望。

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基于模糊C均值聚类和概率神经网络的PEMFC故障诊断方法研究

黄赵军, 苏建徽, 解宝, 施永, 黄诚, 瞿晓丽

2024, 45(1): 475-483. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1480

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为解决质子交换膜燃料电池电堆的故障分类问题,提出一种基于模糊C均值聚类和概率神经网络的故障诊断新方法。首先基于修正后的燃料电池电堆Fouquet等效电路模型,并结合电堆阻抗谱实验数据,得到电堆的正常、水淹、膜干和氧饥饿4种工作状态与电路模型参数的对应关系,进而提取合适的故障特征量作为聚类算法的特征输入。然后,利用模糊C均值聚类算法对故障样本进行聚类,形成标准聚类中心,并在此基础上,采用概率神经网络算法对故障样本实现多故障分类,有效剔除奇异数据并提高模型分类的正确率。最后,对200组实验数据进行实例分析,并与支持向量机和K最邻近方法进行对比,结果表明所提方法能对4种电堆工作状态进行快速识别,分类准确率达98.33%,验证了所提算法的有效性。

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基于新能源消纳的高温电解制氢系统建模与控制方法研究

赫亚庆, 张新燕, 王维庆, 李佳蓉, 赵晨欢, 王海云

2024, 45(1): 484-491. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1483

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基于新能源随机波动以及低温电解制氢系统转化效率较低且无法切换到发电状态,提出一种高温电解制氢变负载情形下的高效最大产氢点多模型优化控制方法。首先构建计及辅助设备在内的高温固体氧化物电解系统整体协同运行的多能耦合优化模型,分析其影响系统电解的工作温度、电流强度、物料流速等诸多因素并导出高能安全产氢率;其次,在PID控制的基础上,给出一种既能实现变负荷同步准确跟踪产氢轨迹和优化电网调控需求,又能最大优化产氢效率的自适应时变线性变参数模型预测控制方法;最后,通过算例仿真验证所提方法较PID控制电解系统升温速率快,过渡时间短,电解电流、水蒸气流速、H₂流速、电炉功率都能平稳过渡至稳态点,具有一定的理论和实用价值。

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基于P-L双重特征提取的PEMFC系统故障诊断方法

贺飞, 张雪霞, 陈维荣

2024, 45(1): 492-499. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1488

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针对质子交换膜燃料电池系统故障诊断问题,提出基于P-L双重特征提取的故障诊断方法。使用P-L双重特征提取对预处理后的样本数据进行特征提取,通过冗余变量剔除与二次特征提取,最大程度保留分类特征并有效降低样本数据维度。利用二叉树多类支持向量机与极限学习机对二维故障特征向量进行分类实现故障诊断。通过实例验证,对比线性判别分析的特征提取效果,P-L双重特征提取可使相同分类器测试集诊断准确率提高21.19%,诊断准确率达99.27%,实现了PEMFC系统膜干、氢气供应故障的精准快速诊断。

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液氢储运技术发展现状与展望

王鑫, 陈叔平, 朱鸣

2024, 45(1): 500-514. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1559

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液氢具有储运密度大、能量密度高的特点,应用前景广阔,受限于液氢的物理特性,低温储运技术制约了液氢大规模应用。该文对当前国内外固定及移动式液氢储存设备进行调研,针对目前所面临的技术难点,从储氢材料、低温绝热、热力特性、配套设备、标准体系等方面总结液氢储运环节的关键技术,分析液氢储运现状与发展趋势,提出未来液氢储运技术重点发展方向,能有力促进中国高性能液氢储运设备研发,保障未来液氢规模化安全使用。

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固态变压器中隔离双向DC/DC变换器扩展移相下虚拟电流控制策略

郑征, 靳婷婷, 陶海军, 黄涛

2024, 45(1): 515-522. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1438

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该文以固态变压器后级隔离双向DC/DC变换器为重点研究对象,提出一种扩展移相下虚拟电流控制策略。通过分析后级变换器在扩展移相传输功率下相移量关系以获得最小电流应力最优解来提高变换器的传输效率,减少器件损耗。同时通过虚拟电流控制思想在线估算传输功率来提高系统动态响应性能,减少电流传感器使用。最后,对该文所提出的扩展移相下虚拟电流控制与扩展移相控制进行实验对比分析,验证了扩展移相下虚拟电流控制策略具有降低电流应力,显著提高变换器的动态响应的优点。

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含风光出力随机性的独立微电网二次频率控制

钟诚, 姜志富, 张翔宇, 陈继开, 李扬

2024, 45(1): 523-533. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1463

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针对风、光发电随机性的问题,提出一种考虑新能源减载参与二次调频的模型预测控制方法。建立包含随机功率扰动的扩展状态矩阵,采用卡尔曼滤波估算随机未知扰动;依据风、光最大可用功率,建立实时变约束,避免机组功率越限;设置合理的权重系数,优先风、光发电出力参与二次调频;通过求解变约束二次规划问题,获得各个机组的优化调频功率。最后,建立含多个光伏、风电的微电网模型,在不同场景下与常规二次调频方法进行对比仿真。仿真结果表明,所提方法能提高系统频率恢复速度,减小系统频率波动,尤其在风、光发电剧烈波动场景下。

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基于合作博弈的交直流配电网光储协调规划方法

刘顺成, 何禹清, 乔学博, 江卓翰, 刘鹏飞

2024, 45(1): 534-544. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1476

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为进行电力市场背景下的交直流配电网光伏与储能合理规划,该文以中、低压交直流配电网运营商为投资主体,提出基于合作博弈的交直流配电网光储协调规划方法。确定中、低压交直流配电网运营商的合作博弈关系;中压配电网以投资/运维成本、购电成本和双边市场交易成本最小为目标,低压配电网以投资/运维成本、双边市场交易成本最小为目标,基于纳什议价理论建立光储协调规划模型,同时优化规划策略和交易电价;引入线性化方法处理非线性项,将模型转化为两个易于求解的子问题,采用分布式优化算法进行顺次求解。通过算例对比分析验证了所提规划模型和算法的可行性和有效性。

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新能源汽车整流器的抗扰模型预测控制策略研究

张建伟, 曹乔森, 常海宸, 田桂珍, 刘广忱

2024, 45(1): 545-551. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1478

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针对新能源汽车充电（G2V）三相整流器为研究对象,研究基于模型预测控制（model predictive control, MPC）的充电控制策略。传统的MPC算法需要准确的系统模型参数,而当控制器中使用的模型参数与主电路实际参数不匹配时,控制性能可能发生恶化,影响整流器充电控制性能。针对此问题,该文将系统参数不匹配作为扩张状态观测器（extended state observer, ESO）扩张出来的扰动项而进行估计,并将扰动进行补偿,从而设计一种基于ESO的MPC充电控制策略。该方法仅使用了系统的输入和输出数据,而不需要精确的系统模型,因此即使模型参数不匹配时,ESO也能够将不匹配项作为扰动而对预测电流进行准确估计,从而提高MPC对参数变化及不匹配的鲁棒性。仿真与实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

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可抑制直流偏移的软启动式单相锁频环

罗韦华, 王琛琛

2024, 45(1): 552-562. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1481

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针对传统的锁频环无法抑制电网电压直流偏移问题,提出一种基于直流偏移抑制环路的锁频环结构;为提高锁频环在启动期间和相位跳变下的动态性能,对传统锁频环结构进行改进以降低锁频环的频率估计器环路增益,实现快速平滑的相角跳变跟踪;最终提出一种可抑制电网电压直流偏移的软启动式单相锁频环。仿真分析和实验结果表明,所提结构具有良好的稳态特性和动态特性。

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考虑新能源场站间相互作用的宽频振荡特性研究

马燕峰, 陈鑫, 刘新元, 赵书强, 江伟建

2024, 45(1): 563-573. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1568

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相对于单源并网系统,以风光为代表的多源并网系统由于场站间相互作用的存在,使得系统的宽频振荡分析变得更加复杂。针对新能源场站间相互作用参与的宽频振荡问题,该文首先采用图形化建模方法建立系统的小信号模型并进行仿真验证,接着通过特征值分析法进行宽频振荡模式分析,找出风电场与光伏电站共同参与的交互模式,进一步采用阻抗法研究新能源场站间相互作用并进行影响因素分析。研究结果表明,新能源场站间的相互作用取决于场站等值导纳的相对大小及相位,新能源场站的并网距离及出力比均会对场站间相互作用产生影响从而影响系统交互模式,通过分析新能源的不同位置和运行工况下的交互作用规律可对大规模新能源接入及运行提供一定指导。

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多代理技术下基于主从博弈的多微网系统经济优化调度

马越, 蔺红

2024, 45(1): 574-582. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1498

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为实现同一区域内多个不同利益主体微网之间的电能互济,提出一种多代理技术下基于主从博弈的多微网系统经济优化调度方法。首先,设计一种由多微网代理（MMGA）制定系统内部电价,各微网代理（MGA）对电价作出响应的多微网系统能量交互框架;其次,引入可信性理论的模糊机会约束处理可再生能源以及负荷不确定性对调度决策的影响,基于主从博弈建立含模糊机会约束的多微网系统经济优化调度模型;最后,采用遗传算法嵌套CPLEX求解器进行求解。仿真结果表明：所提方法在提高各方经济效益的同时可减小多微网系统与电网的交互电量,有利于分布式资源的就地消纳和电网安全稳定的运行。

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