太阳能学报

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曾冠维, 刘承锡, 廖敏芳, 董旭柱

2024, 45(10): 1-10. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0861

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针对调频资源不足导致的电网频率稳定性下降问题,以电解水制氢系统为研究对象,通过精细化建模并提出针对性控制策略,使电解水制氢系统提供快速频率响应,充分发挥电解水制氢系统内电、氢、热能的调频潜力,并对电解水制氢系统提供快速频率响应的机理及效果进行仿真验证。结果表明：所建立的模型可揭示电解水制氢系统的电-氢-热耦合机理,表征电解水制氢系统的频率响应特性;在多类扰动场景下,电解水制氢系统提供快速频率响应均可增强电网的频率稳定性。

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计及微网余电制氢的加氢站设备容量优化配置

屈柏林, 张雪霞, 陈维荣, 李健华, 刘文涛

2024, 45(10): 11-21. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0862

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针对微网“弃风”、“弃光”、“弃水”现象和日益增长的氢负荷需求,考虑在异地加氢站配置一定容量的制/储氢设备集中消纳微网余电。通过研究含风电、光伏、小水电及电解槽、储氢罐、重整器的微网-加氢站系统（MHSS）的拓扑结构和数学模型,建立以加氢站全生命周期总净现值成本最低为目标的制/储氢设备容量优化配置模型,并提出余电制氢-绿氢先行（RETH-GHF）的电氢联合运营模式。算例中,结合实际场景,运用自适应模拟退火粒子群优化（ASAPSO）算法进行仿真。通过对比微网余电异地集中/就地分散制氢方案的配置结果和成本收益明细,说明算例场景下异地集中制氢方案经济性更好,并考虑工业电价、氢气及天然气价格波动对加氢站全生命周期总净现值成本的影响,比较两种制氢方案的经济性,最后以四季典型日系统运行情况验证了加氢站制/储氢设备容量优化配置模型的合理性。

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PEM水电解池渐变型流场结构的传质和性能研究

孙聪, 时焕岗, 渠吉发, 于洋, 熊永恒, 谭文轶

2024, 45(10): 22-29. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0891

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传统质子交换膜（PEM）水电解池的平行、蛇形等流场由于传质不佳导致电性能下降。针对于此,该研究提出一种渐变型流场,通过数值模拟的方法,比较正、反向进水（分别记作渐变Ⅰ型、渐变Ⅱ型）两个条件下,流场内流速、压力、气体分布以及电流密度分布变化,并与平行、蛇形流场对比。结果表明,渐变Ⅰ型流场的压降仅次于平行流场,具有较高的流速且也能够有效快速排出气体,平均电流密度高于蛇形流场8%,高于平行流场4%。采用渐变Ⅰ型流场的质子交换膜水电解池具有更优的电性能。

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大容积70 MPa Ⅳ型储氢瓶快充温升控制策略研究

刘君豪, 李介普, 宋继田, 郭淑芬, 王恒, 李翔

2024, 45(10): 30-36. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0893

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以氢燃料电池重卡车载70 MPa Ⅳ型储氢瓶为对象,通过数值模拟方法,分析大容积70 MPa Ⅳ型储氢瓶快速充装过程的温升规律和温升控制策略。结果表明：较小的氢气充装速率可以降低气瓶温升,但会增加充装时间;较高的环境温度会导致气瓶充装结束时的满装状态无法达到90%~100%;降低氢气预冷温度可显著降低气瓶温升,但会增加加氢站的冷能消耗;线性升压模式和前30 s预冷温度-40 ℃后续不预冷的预冷模式是该结构Ⅳ型储氢瓶最合适的温升控制策略。

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碳交易机制下绿氢蓝氢协调优化对综合能源系统的影响评估

李志伟, 赵雨泽, 吴培

2024, 45(10): 37-47. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0936

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能源结构低碳转型下,针对绿氢蓝氢协同利用下综合效益不明确的问题,提出一种绿氢蓝氢对综合能源系统影响综合评估方法。首先基于电制绿氢、气制蓝氢、掺氢燃机和储氢罐等设备构建绿氢蓝氢综合能源系统结构,进而在碳交易机制下,建立以碳交易成本、风电运行及弃风惩罚成本、购能成本和蓝氢提纯成本之和最小为优化目标的低碳经济调度模型;其次基于调度结果,从经济性、设备寿命损耗和节能环保性3个方面充分挖掘评价指标,构建综合评估指标体系,并利用基于AHP-熵-独立性权法的综合赋权法计算指标权重以增强赋权结果的合理性,进而计算出综合评价值。算例结果验证了所提综合评价方法的合理性,同时也表明绿氢蓝氢协同使综合能源系统具有较高的综合效益。

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车库内不同车型燃料电池汽车氢泄漏仿真模拟

王桂芸, 胡辰树, 刘光辉, 毛洪凯

2024, 45(10): 48-53. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0951

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为研究不同车型燃料电池汽车的氢泄漏扩散,选取上汽大通FCV90和EUNIQ7两种燃料电池汽车车型,改变车辆停放位置,分析其在半封闭车库发生氢气泄漏后的扩散规律。通过数值模拟发现EUNIQ7发生泄漏后,氢气易在车辆底部聚集,而FCV90发生氢气泄漏后,氢气沿车辆底部向外扩散较快,形成氢气易燃区面积较小,说明燃料电池汽车底盘较高时,氢气泄漏扩散快,逃逸能力强。通过在车库墙壁设置监测点,发现靠近车尾监测到氢气所需时间远小于车库顶部,所以燃料电池汽车停车库内还需在侧墙下方合理布置探测器,进而缩短燃料电池汽车氢泄漏监测时间,有效避免氢泄漏事故。

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加氢站预算定额消耗量准确性的影响因素升策略研究

孙春玲, 郑晓茹, 柯洪, 张静

2024, 45(10): 54-60. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0976

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分别从定额编制、施工安装、外部环境3个层面识别加氢站预算定额消耗量准确性的影响因素,通过因子分析法对影响因素进行公因子提取和关键因素提炼。结果表明：5个公因子对加氢站预算定额准确性皆有显著影响,其影响程度为编制方法与依据>施工安装技术>施工组织管理>编制组织与成员>外部环境;安装技术更新速度、编制方法与测定对象的匹配性和施工工艺规范度是影响消耗量准确性的关键因素。据此探讨消耗量准确性的提升策略：缩短定额修订时间,建立长效管理机制;提高编制方法与测定对象的匹配度;明确加氢站现场施工规范,缩小施工偏差影响。

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质子交换膜燃料电池直流道内液滴传输研究

王翠表, 孙峰, 苏丹丹, 秦帅昌, 聂旭亮, 董小平

2024, 45(10): 61-67. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1012

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建立质子交换膜燃料电池（PEMFC）的二维直流道模型,分析液滴在流道内的产生、破裂及传输全过程,探究进气速度、气体扩散层表面亲疏水性以及挡板结构参数等关键性因素对液滴传输特性的影响。仿真结果表明,提高进气速度有助于强化液滴的去除效果,但过高的气体流速会将液滴推向气体扩散层表面,造成液滴累积;亲水性较强的气体扩散层表面导致液滴严重坍塌形变,堵塞气体扩散层孔隙;液滴在疏水性气体扩散层表面流动速度相对较快,壁面附着力小,利于流道排水;增大挡板堵塞率可提高挡板下方及后方区域气体流速,提高液滴吹扫能力;挡板表面亲疏水性对流道内液滴去除效果影响较弱。

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PEMFC热管理系统的改进偏差型自抗扰控制

孙明, 邹浓茂, 白阳振, 徐文鑫

2024, 45(10): 68-76. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1482

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该文建立带有循环水泵和散热器的电堆热管理系统动态数学模型,采用冷却水流量跟随电流、风扇控制电堆温度的前馈-反馈复合控制策略。通过提取部分确定性模型信息对一阶偏差型自抗扰控制算法进行改进,以提高热管理系统的温度控制品质。仿真实验结果表明：所提出的改进ADRC控制算法可有效解决PEMFC热管理系统中存在的强耦合、多扰动的控制难题,相较于传统的PI控制算法,闭环控制系统的主要单项性能指标,即超调量下降了43.7%,调节时间缩短了20.2%,总体体现了系统良好的抗干扰性能和鲁棒性能,能达到预期控制效果。

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弱电网下自同步电压源低电压穿越双模式切换控制方法

柳丹, 江克证, 康逸群, 曹侃, 刘芳, 徐韫钰

2024, 45(10): 77-85. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0277

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针对弱电网情况下自同步电压源在低电压穿越时的瞬态过电压和过电流问题,推导电网阻抗、角度跳变、电压跌落深度下的数学方程,并分析影响过电压和过电流的关键因素,进而提出一种自同步电压源低电压穿越（LVRT）双模式切换控制方法,当电网正常运行时采用自同步电压源均衡控制方法,该方法基于虚拟阻抗并通过模拟阻抗来实现平衡电压环和电流环的控制能力;当电网处于电压跌落状态时采用基于强电流控制的LVRT模式,可有效提升电压跌落瞬态、低电压穿越过程以及电压恢复阶段的平滑过渡能力。并提出一种电压恢复控制策略,该控制策略基于多状态反馈跟随器,可有效抑制过渡过程中电压与电流瞬时变化,通过相位突变补偿控制策略抑制瞬态过电流冲击,帮助电网电压恢复。最后,利用Matlab/Simulink建模仿真软件验证该控制方法的可行性和优势性。

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NWP辅助复合神经网络预测误差修正的风储系统日前上报策略

李翠萍, 张冰, 李军徽, 朱辉, 朱星旭, 何俐

2024, 45(10): 86-96. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0777

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新能源电站出力存在强波动性导致巨额偏差考核支出,因此基于数值天气预报（NWP）和复合深度学习算法,提出一种计及误差预测修正的风储系统日前上报策略。首先通过改进的组合数据预处理算法对数据进行清洗以降低后续预测难度,建立基于分段式收敛粒子群算法（PCPSO）参数寻优的长短期记忆网络（LSTM）对分量分别进行预测,重构预测结果获取原预测曲线。其次考虑预测误差及NWP信息导入多输入反向传播神经网络（MIBP）获取误差预测曲线,使用非参数核密度函数修订该预测误差曲线后,以储能跟踪误差最小和储能全局调控能力最高为目的模拟储能运行获取最佳储能动作曲线,且叠加原预测曲线和最佳储能动作曲线获取最终日前上报曲线。最后通过仿真分析验证了上报策略的正确性与可行性。

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基于数字孪生与多模型融合的多元负荷短期预测

冯佳威, 王海鑫, 杨子豪, 陈哲, 李云路, 杨俊友

2024, 45(10): 97-106. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0864

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针对多元负荷呈波动性和非线性特性导致预测模型稳定性差和精确度低等问题,提出一种基于数字孪生与多模型融合的多元负荷短期预测方法。首先,根据数字孪生体中气象和负荷信息,利用最大信息系数（MIC）分析多源数据信息间的耦合特性,基于数据时序性和周期性构建筛选信息特征。其次,采用自适应局部迭代滤波（ALIF）将历史多元负荷数据进行分解,得到不同频率下固有模态函数（IMF）分量。然后,采用核极限学习机（KELM）和双向长短期记忆网络（BiLSTM）预测高频和低频负荷分量,融合重构得到初始负荷短期预测结果。最后,利用数字孪生体补偿初始预测结果,得到最终负荷预测结果。仿真结果表明,与单预测模型及未基于数字孪生预测模型相比,所提方法具有更好的稳定性,能有效应对负荷波动变化和非线性,提升模型预测精度。

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考虑源-荷协调响应和动态定价的虚拟电厂双层优化

李波, 程静

2024, 45(10): 107-120. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0879

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为引导从体积极参与主体运行,结合系统碳排放量、负荷中断量等评价指标,提出一种综合动态定价机制,该机制可根据碳排放量、负荷中断量等信息动态调整向下层负荷的售电价格合理引导下层负荷参与上层优化,实现上下层多利益主体互利共赢。同时,结合电氢热电系统和电热负荷需求响应特性,提出一种源-荷灵活协调响应机制,以动态定价机制为纽带,实现上层电-氢热电系统和下层电热负荷需求响应特性深度融合,提升能源侧能源利用效率,共同实现上下层协同经济运行。此外,基于电、热负荷不满意度系数,构建负荷用能不满意度模型,并将其计入系统运行成本。其次,为应对风光发电和负荷的不确定性问题,引入考虑不确定性参数的鲁棒优化方法处理源-荷不确定性,实现虚拟电厂在经济性和鲁棒性之间灵活协调。同时,深入分析不确定性参数对虚拟电厂运行的影响。最后,采用CPLEX- C&CG对双层模型迭代求解,并根据联合最优判别机制选取系统联合最优解,算例结果验证了模型及方法的有效性。

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基于非对称议价的多综合能源服务商分布鲁棒热电交易优化

郑杰凯, 何山, 王维庆, 袁至, 程志江, 樊小朝

2024, 45(10): 121-133. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0881

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在含高比例可再生能源电力系统中,存在源侧不确定性及各服务商收益分配公平问题。针对上述问题,首先建立包含电转气、碳捕集和电制氢耦合的电热气多能协同的多综合能源系统模型,考虑含有多区域需求响应以及碳交易优化运行机制。其次,以风光出力场景的历史数据为基础,提出基于数据驱动的多综合能源系统两阶段分布鲁棒（DRO）优化调度模型,并利用列与约束生成（C&CG）算法求解。最后,基于海萨尼博弈建立多综合能源服务商热电共享交易模型,采用交替方向乘子法（ADMM）求解基于非对称议价的支付效益最大化问题。算例表明,含联合需求响应的多服务商分布鲁棒热电交易能有效促进新能源消纳,提高整体经济效益;含多谈判因子的非对称议价方法实现了利益公平分配。

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基于需求响应的用户侧柔性用能分级调度策略研究

于水, 黄小玲, 韩府宏, 张悦

2024, 45(10): 134-143. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0883

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通过需求响应计划和建筑用能的灵活调度增强电网稳定性和供需平衡。基于一栋小型办公建筑的光伏发电、储能设备及地源热泵系统进行用能调度策略的设计,引入两个参数量化建筑柔性用能潜力,根据最大化光伏利用率、优先满足用户刚需、电价低谷时段储能这3个优先级原则开发一个建筑用能管理模块。在TRNSYS中应用该模块建立有用能调度策略的案例3,并与两个参考案例进行对比分析。结果表明,在一个供暖季节内,系统运行成本分别减少了65.4%、56.7%;地源热泵机组运行COP平均值从3.97提高到4.22;建筑日平均负荷转移率高达51.38%。在峰谷电价的市场机制下,对挖掘建筑柔性用能潜力、激励用户采用需求响应计划和提高电网稳定性具有重大意义。

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逆向云灰色关联相似日的EEMD-RL-GWO-LSTM区域风光功率短期预测

张宇华, 时鑫洋, 颜楠楠, 王育飞, 薛花

2024, 45(10): 144-152. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0887

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针对现有方法在风光预测时气象因素考虑不全面且未考虑风光功率关联性的问题,提出一种风光功率短期预测方法。首先,以云模型表征风光出力不确定性,逆向云结合灰色关联度分析不同气象特征对输出功率的影响程度,并设立选取标准及综合评分指标;其次,采用集合经验模态分解（EEMD）将选取相似日的功率数据分解为子序列;最后,将子序列和气象数据作为基于折射学习策略（RL）的灰狼算法（GWO）优化的改进长短期记忆网络（LSTM）模型的预测输入进行训练,对待预测日的子序列分别预测,并叠加得到短期区域风光发电功率的预测。以中国西北某风光联合电场数据为例,对该模型进行验证,结果表明,相比于现有预测模型,该文所提方法考虑了天气因素,具有较高的预测精度,能够较好地为区域风光联合电场的功率预测提供参考。

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考虑新能源-火电双边调峰交易分时竞价博弈的电力现货市场运行优化

赵书强, 宋金历, 王傲儿, 李志伟

2024, 45(10): 153-161. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0905

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针对电力现货市场中新能源消纳和调峰机组经济效益难以兼顾的问题,提出新能源-火电双边调峰交易分时博弈竞价模型。首先,对现有电力现货市场出清机制进行改进,建立新能源和火电机组共同参与市场竞价的预出清模型;其次,在预出清出现弃风弃光的背景下,考虑新能源的市场化消纳,提出新能源和火电运营商双边分时调峰交易机制,结合调峰交易主体双方决策的趋利属性,构建基于主从博弈的双边调峰交易分时竞价模型,上层以新能源运营商新增收益最大化为目标,决定分时调峰补偿报价策略,下层火电运营商响应补偿价格激励,权衡新增收益和调峰成本,实现下调峰出力的出清;最后,对3种调度场景进行仿真计算,对比结果表明,所提模型能够有效体现新能源运营商和火电运营商各时段的调峰交易意愿,在电力现货市场中实现调峰资源供需平衡,促进新能源市场化消纳的同时补偿火电机组调峰费用,保证调峰交易的健康发展。

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基于抽蓄协调的新能源纳入电力系统备用方法

孟高军, 钱聪聪, 于琳琳, 程昱明, 贾鹏

2024, 45(10): 162-170. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0911

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大规模新能源并网后,传统的备用体系制约含高比例新能源电力系统的新能源消纳能力。为此,该文提出基于抽蓄协调的新能源纳入电力系统备用方法。首先,采用改进K-均值聚类算法生成各时段新能源出力预测典型场景;然后,基于广义新能源预测偏差及弃用风险约束,确定各时段各典型场景的最佳新能源纳入备用比例系数;最后,根据各时段的新能源预测数据和抽水蓄能机组的发电支撑状态,进一步调节所对应时段新能源纳入系统备用的最佳比例系数,将新能源合理地纳入系统备用。算例结果验证所提方法能够有效提升含高比例新能源电力系统新能源消纳能力,减少新能源弃用。

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基于PV/T的双源热泵热水系统的实验研究

向宇玥, 褚磊驰, 方元, 黄世芳, 刘剑, 张小松

2024, 45(10): 171-178. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0918

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为提高热泵热水循环的效率,构建基于光伏/光热一体化（PV/T）的双源热泵热水系统,选取全年中4个典型日,测试系统的可靠性、热泵运行性能以及PV/T运行特性。结果表明：系统的电源和热源可稳定使用;4个典型工况中,环境温度为27.3 ℃、太阳辐照度为975.6 W/m²时热泵运行性能最优,制热系数（COP_h）达到6.2,PV/T性能最优,平均光电转换效率相对于传统光伏组件高6.6%,总发电量比传统光伏组件高0.11 kWh。

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高比例电力电子设备电网分区网架规划优化方法

申雅茹, 马俊先, 胡帅, 韩一鸣, 徐鹏飞, 冯雪

2024, 45(10): 179-185. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0924

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首先研究电网中不同节点所接入分布式能源设备的距离特征以及电力电子设备的并网运行特性,提出含高比例电力电子设备电网的分区方法;然后针对电网分区后各区域间的协调能力,建立含高比例电力电子设备电网的最优规划模型;最后通过仿真算例验证该文所提方法和模型的准确性与有效性。

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基于热电解耦CCHP和综合需求响应协同优化的配电网韧性提升策略

刘艳, 陈国华, 顾雪平

2024, 45(10): 186-198. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0932

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针对灾后紧急恢复阶段,提出一种基于热电解耦燃气冷热电三联供（CCHP）和综合需求响应协同优化的配电网韧性提升策略。该策略在提升韧性的同时计及资源利用效能,通过刻画计及不确定性的冷热用户响应意愿曲线,得到其可用调温范围,并基于此提出衡量用户舒适度的温度偏离度指标,最终以停电周期内电负荷恢复价值量最大和冷热负荷温度偏离度最小为目标构建多目标优化模型,利用ε-约束模型将其转换为单目标模型进行求解。以IEEE-69电力系统与比利时20节点天然气网络耦合系统进行仿真模拟,验证策略的有效性。

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计及新型柔性限流器的直流系统故障暂态特性分析研究

郑峰, 王威东, 林燕贞, 孙玉波, 涂承谦, 梁宁

2024, 45(10): 199-210. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0935

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为解决传统柔性限流装置在直流电网中存在经济性、实用性不足的问题,提出一种新型直流柔性限流装置,采用模块化限流电感结构,并提出模块化限流电感投入方案,基于该结构提出与其相适应的控制设计方案。该结构提升柔性限流装置的经济性,增强限流装置的容错率,并快速、有效抑制故障电流,实现直流线路永久性故障快速隔离,瞬时性故障无断路器动作行为的自行恢复。为进一步验证所提新型柔性限流装置的有效性,在软件平台搭建多端柔性直流仿真系统,并进行直流线路永久性与瞬时性故障仿真分析。

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基于ICOA算法的配电网分布式电源选址定容方法

庞广明, 王鹏飞, 田超, 杨博

2024, 45(10): 211-219. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0952

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针对分布式电源（DG）在配电网中的优化配置问题,考虑DG接入数量和不同功率因数对配电网有功损耗和母线电压分布的影响,提出一种基于改进黑猩猩优化（ICOA）算法的DG选址定容策略。首先,以系统运行有功损耗最小、电压稳定性指数最高、平均损耗最小为目标建立DG选址定容优化模型;然后,考虑DG接入数量对配电网优化运行指标的影响,利用CPLEX求解器确定DG最优接入数量;在此基础上,计及DG以整功率因数接入和变功率因数接入两种应用场景,利用ICOA对DG选址定容模型进行求解;最后,利用IEEE-33节点配电系统进行仿真验证分析。结果表明,相比于接入整功率因数的DG,接入变功率因数的DG可进一步降低系统运行有功损耗、改善母线电压分布;与传统算法相比,改进算法具有更高的收敛精度,可有效求解DG选址定容多目标优化问题。

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基于贝叶斯网络时序模拟的综合能源系统可靠性评估

岳宗阳, 魏征, 王凯庆, 温鹏, 贾宇琛, 高立艾

2024, 45(10): 220-230. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0958

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针对现有可靠性评估方法存在的计算量大以及系统薄弱环节难以识别的问题,提出一种基于贝叶斯网络时序模拟的综合能源系统可靠性评估方法。针对热力子系统网络热能流传输延时及负荷侧热惯性,建立“动态-延时”逻辑关系模型,分析该逻辑下贝叶斯网络时序模拟过程,通过算例验证所建热力子系统贝叶斯网络的正确性。根据电-气-热多能耦合的综合能源系统各元件的逻辑关系,运用改进的贝叶斯网络时序模拟推理算法对综合能源系统的可靠性指标进行评估,并分析多能互补及储能装置对系统可靠性的影响。结果表明：相较于单一运行子系统,在多能流子系统耦合形成的综合能源系统中,各子系统经耦合元件互相进行能量转化,其整体运行可靠性更高。同时可借助贝叶斯网络模型能实现反向诊断的特点,判断出综合能源系统结构弱点所在。

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青海西宁地区太阳能耦合多热源热泵干燥系统性能模拟与优化研究

侯峰, 何汀, 冀瑞浩, 孙红闯, 李亚威, 袁培

2024, 45(10): 231-241. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0965

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为进一步提高太阳能利用率,基于太阳能耦合空气源热泵（SASHP）干燥系统,提出太阳能耦合多热源热泵（SMSHP）干燥系统,利用TRSNYS仿真软件搭建SMSHP干燥系统的仿真模型,并对比分析空气源热泵（ASHP）干燥系统、SASHP干燥系统、SMSHP干燥系统在青海西宁地区秋季干燥75 kg枸杞的系统性能以及SASHP干燥系统与SMSHP干燥系统水箱供热保证率,同时对SMSHP干燥系统的部件参数的交互影响进行分析,并利用粒子群优化算法对SMSHP干燥系统生命周期成本进行优化。研究表明：秋季典型日SMSHP干燥系统相较于ASHP、SASHP干燥系统的性能分别提升67.19%、21.35%,能耗分别降低32.02%、10%;部件参数对SMSHP系统影响的先后顺序为太阳能集热器面积-水箱体积-热泵功率-集热器倾角,优化过程中要考虑集热器面积与水箱体积、集热器面积与热泵功率的匹配度;优化后系统集热器面积为26.7 m²、水箱体积为1.97 m³、集热器倾角为43.2°、热泵功率为8.75 kW,集热器面积与水箱体积的最佳比值为73 L/m²,集热器面积与热泵功率的最佳比值为0.33 kW/m²,优化后系统的安装与单次干燥运行成本分别降低了约16.09%、6.56%;与SASHP干燥系统相比,优化后系统的安装与单次干燥运行成本分别降低了约13.31%、12.91%。

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考虑动态电压稳定性的新能源受端电网规划模型

潘艳, 赵伟, 徐鹏, 李智, 董雪情

2024, 45(10): 242-248. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0969

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为解决受端电网内新能源和区外直流受电比例逐渐增加影响下的电压失稳问题,进一步实现受端电网规划的合理性,提出考虑动态电压稳定性的新能源受端电网规划模型。首先,基于改进的小干扰分析法,建立新能源受端电网动态电压稳定性模型;然后,充分考虑风电、光伏和负荷的不确定性,以总规划成本最小为目标,建立考虑动态电压稳定性的新能源受端电网规划模型,并进行求解;最后,通过算例仿真验证所提出的新能源受端电网规划模型能够提升受端电网对未来新能源和负荷不确定性的接纳能力,有效降低受端电网动态电压失稳的风险。

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计及源荷不确定性的电力系统静态电压稳限预警方法研究

任惠, 王希, 田磊, 赵明君, 常喜强, 甄钊

2024, 45(10): 249-258. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0974

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针对源荷双侧不确定性问题,对电力系统静态电压稳定极限进行预警研究。首先通过数学推导与理论分析证明快慢系统在分叉及噪声双重诱导发生临界转变的过程中,系统变量的方差系数趋势变化显著。由于存在噪声诱导失稳,电压变化趋势观测难度增大,固定阈值趋势检测方法会失效。其次,对新能源电力系统节点电压的临界转变特点和扰动情况进行分析,提出基于临界转变电压崩溃预警方法。针对噪声导致的趋势预测困难问题,基于量测数据,利用贝叶斯变点检测,对节点电压的方差进行实时监测,并根据贝叶斯变点检测得到的概率在趋势发生显著变化之初预警节点电压崩溃,并通过仿真计算验证该方法的有效性。

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考虑应急电源车的综合能源系统融冰与抢修调度策略

曾华荣, 翟勇, 杨旗, 马覃峰, 古庭赟, 董雪情

2024, 45(10): 259-265. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0990

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针对含高比例可再生能源的综合能源系统遇到冰灾等灾害时由于除冰抢修导致失负荷量较大的问题,提出考虑应急电源车的综合能源系统融冰与抢修调度策略。首先,根据气象数据分析输电线路覆冰增长过程物理特性,从雨凇、雾凇覆冰角度建立覆冰增长计算表达式。其次,上层优化利用抢修小队在电网冰灾时为电网快速恢复供电,下层优化模型利用综合能源系统与应急电源车进行优化,采用抹香鲸算法对模型进行求解。采用IEEE 33节点系统进行仿真,算例结果表明基于该文方法可提高综合能源系统优化调度的效率,并保证电网的安全稳定运行。

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集中供热系统中可再生能源站的布局同步优化模型研究与应用

王晋达, 孔凡思, 靳宇飞, 张碧珊

2024, 45(10): 266-275. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1022

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为实现高比例可再生能源的“非电利用”,对集中供热系统引入可再生能源站（由电锅炉和电动空气源热泵构成）,提高系统对波动性可再生能源的利用率及经济性。在集中供热系统中针对新增可再生能源站配置数量、接入位置及装机容量分配方案建立同步优化模型,该模型分为内、外两个优化模块,内部优化一级网循环泵的总功耗成本以及供热系统对波动性可再生能源的利用率,外部优化全生命周期的经济收益净现值,在项目全生命周期内以内、外两个模块的综合最优为目标,利用遗传算法实现高效全局优化。通过案例分析表明,在供热系统中新增能源站之后,通过该同步优化模型,整个集中供热系统的水力工况得到优化,管网全部热力站用户的平均资用压差减小,消耗在输配管网和热力站调节阀上的功耗显著降低,并带来可观的节能经济收益。

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基于LGPSO_P&O混合算法的光伏多峰MPPT研究

陈晓艳, 张龙刚, 钟建波, 郝瑞亭, 高鑫, 蔺传玉

2024, 45(10): 276-283. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0869

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针对复杂遮阴环境下光伏阵列P-U曲线呈现多个峰值而导致传统最大功率点跟踪（MPPT）算法易陷入局部最优解的问题,提出一种新的控制算法模型——LGPSO_P&O模型。该模型结合Levy飞行、高斯变异策略和粒子群算法,并对粒子群算法惯性权重进行改进,构建LGPSO算法搜索全局最大功率点（MPP）。同时,改进扰动观察法（P&O）对MPP进行局部跟踪,进一步提高跟踪精度。在Matlab/Simulink中进行仿真实验,并与改进PSO、BPSHO和GA_ACO算法作对比,仿真结果表明该模型具有较高的鲁棒性,收敛速度快,跟踪精度高,最高可达99.8%。

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基于多级特征提取的BiLSTM短期光伏出力预测

林文婷, 李培强, 荆志宇, 钟吴君

2024, 45(10): 284-297. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0894

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传统光伏预测模型易受气象数据波动的影响,且对气象特征不敏感。由此,提出基于多级特征提取的BiLSTM短期光伏出力预测方法,用于预测不同天气类型下的光伏出力。首先,选取与光伏出力相关性较高的气象因素作为输入特征;使用模糊C均值（FCM）聚类方法,对样本进行灵活划分,通过计算Xie-Beni指标以确定最佳聚类数,将历史数据集聚类为晴天、少云天、晴转多云、阴雨天和恶劣天气;其次,构建CNN-CBAM-TCN多级特征提取器（MFE）：利用卷积神经网络（CNN）进行初步的特征提取,结合卷积注意力块（CBAM）抑制非重要特征,之后,利用时间卷积网络（TCN）进一步捕捉日内光伏出力的时序特征;最后,借助双向长短期记忆网络（BiLSTM）进行光伏出力预测。在实例分析中,验证了使用Xie-Beni指标确定最佳聚类数的有效性,证明了该模型较其他预测模型在复杂天气类型下具有更高预测精度。

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基于周期注意力机制的中长期光伏发电功率预测

张研, 景超, 王慧民, 张佳, 张兴忠

2024, 45(10): 298-308. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0899

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针对自注意力机制难以捕获光伏发电功率序列中潜在的周期信息的问题,提出一种基于周期注意力机制的光伏发电功率预测模型Periodformer。首先利用周期切片与嵌入模块对原始序列进行频域变换得到其潜在周期,并按照潜在周期对序列切片、堆叠、得到一系列3D序列块;其次在编码阶段提出周期增强模块捕获序列子周期间和周期内的特征;最后在解码阶段提出周期交叉注意力模块对每个3D序列块分别进行预测,将各3D序列块的预测结果卷积融合得到预测结果。实验分析证明,所提模型能够很好地捕捉到周期内和周期间的潜在特征,具有较高的预测性能;在中长期光伏发电功率预测任务上相较基准模型仍能保持较好的效果。

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住宅区光伏并网两阶段能源交易模式与投产分析

闫秀英, 刘盼, 常娟, 闫秀联

2024, 45(10): 309-316. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0901

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针对如何实现居民侧与电网侧的友好互动问题,建立并网两阶段优化模型。第一阶段以住宅区用户用电成本最低为优化目标,第二阶段以加入光伏-储能并网运行下平均回本年限最短为优化目标。首先利用概率统计思想简化多用户调度模型,将其等效为4类特征用户调度之和,采用PSO算法进行求解,其次提出一种住宅区家庭能源管理系统以及能源交易模式,并对该交易模式进行投产分析。算例分析结果表明,住宅区并网两阶段优化模型调度系统可有效降峰调谷,节约用电成本。

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光伏组件柔性拖曳结构与传统刚性结构风振响应对比

郭涛, 杨渊茗, 孙震, 赵建光

2024, 45(10): 317-325. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0920

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为准确探究柔性支撑体系下光伏组件振动特性,以某光伏工程为研究对象,考虑稳定结构及承重结构对整体的影响,分别建立传统刚性支撑体系与柔性支撑下的“系泊-光伏组件阵列结构”有限元模型,基于Davenport风谱采用AR自回归技术模拟脉动风荷载进行风振响应分析,对比两种支撑方式的经济性、风振特性及稳定结构对柔性支撑体系的振动影响。结果表明：1）刚性支撑主要以横向摆动为主,平均振幅约为0.5 cm,其风振系数分布均匀,建议取值2.0;2）柔性支撑体系以竖向振动为主,平均振幅约为12.3 cm,比刚性体系振幅大,风振系数建议取值1.7~1.8;3）柔性支撑体系建造成本比传统刚性支撑高出约40%,但占地面积减少约32%。说明柔性支撑在抗风性能、经济性方面都不及传统刚性支撑,但其优势主要在于对地形的高适应性,具有跨度大、净空高、有效提高地面利用率等优点,可在劣势地貌下作为刚性支撑的替代;4）地锚拖曳结构对光伏组件振动有明显约束作用,因此在设计时,地锚拖曳结构的数量、分布调整可作为柔性支撑下光伏阵列的结构优化首选条件,以提高整体稳定性。

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基于SFLA和MSISSA-ANFIS的超短期光伏功率动态预测方法

李练兵, 高国强, 陶鹏, 张超, 赵莎莎, 陈伟光

2024, 45(10): 326-335. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0957

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为进一步提高光伏功率预测的精度,提出一种基于SFLA、MSISSA和ANFIS的超短期光伏功率日内动态预测模型。首先针对ANFIS模型受成员函数影响较大的缺点采用MSISSA对其进行优化,并结合SFLA选取相似日的方法,构建基于SFLA和MSISSA-ANFIS的功率预测模型。然后根据相关性较高的功率、气象特征与相似日集合构建特征向量对未来4 h的光伏功率进行预测。最后将从小型气象站获得的实时更新的未来气象数据存入数据库,每隔15 min预测一次,实现光伏功率的日内动态预测。结果表明所提方法提高了超短期光伏预测的精度。

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基于改进GAF-SE-ResNet的光伏逆变器开路故障诊断

韩素敏, 余悦伟, 郭宇

2024, 45(10): 336-344. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0987

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针对光伏逆变器一维时序信号输入卷积神经网络时无法充分捕获时间和局部特征的问题,提出一种基于格拉姆角场（GAF）与改进的深度残差网络（ResNet）结合的光伏逆变器开路故障诊断模型。采用双通道GAF编码方法将一维电流信号映射为不同像素分布的二维故障特征图像,将特征图像作为ResNet的输入,保留了数据在时间维度的相关性。ResNet在卷积神经网络中引入残差模块来解决过拟合的问题,加入压缩和激励（SE）注意力机制改进残差模块后进行图像压缩、特征重用,增强了重要特征信息,使ResNet能更深入挖掘图像信息,充分捕获局部特征,结合Swish函数和Ranger优化器优化ResNet,大幅降低模型训练难度。实验结果表明,该方法对光伏逆变器开路故障诊断准确率达99.41%,与其他模型相比,具有更好的特征提取效果和诊断速度。

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平单轴光伏跟踪支架-基础受荷特性与优化设计

王龙威, 李如, 豆红强, 谢森华

2024, 45(10): 345-353. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1015

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以高寒高海拔区某大型光伏电站中平单轴光伏支架系统为背景,依托ABAQUS有限元模拟软件,构建大跨度平单轴光伏支架-基础-面板一体化三维有限元模型,探讨极端环境下平单轴光伏跟踪系统关键构件的受荷特性与失稳变形机制,并藉此提供针对性的优化设计建议。结果表明,受极端风荷载作用,该大跨度平单轴光伏系统在最大跟踪角度下,其檩条最大应力达544.4 MPa,立柱最大位移达76.3 mm,致使局部檩条、H型钢桩存在潜在屈服破坏风险;上部结构各构件的变形与其所处位置有关,整体表现为沿主梁长轴方向呈波浪线型分布,两立柱的跨中位置同样多发生较大位移,且在光伏组件悬臂端部最为明显,其在风荷载作用下的最大变形甚至达153.2 mm。针对大跨度平单轴跟踪光伏系统中的薄弱部位,提出可增强局部构件的强度或改变局部结构特征等优化建议以增强其整体稳定性。

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考虑光伏波动性的配电网线损率阈值评估

周群, 陈灿玉, 青倚帆, 佃钰林, 冷敏瑞, 刘雪山

2024, 45(10): 354-362. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1019

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针对分布式光伏接入后,异常线损率的判定阈值不合理导致漏检率较高的问题,提出考虑光伏波动性的10 kV配电网线损率波动阈值评估方法。首先,分析分布式光伏电量的并网形式以及可能存在的电量异常情况;其次,采用长短时记忆网络（LSTM）拟合输入特征与线损率之间的非线性关系预测线损率的方法,取代基于量测数据的潮流计算线损率的方法;然后,基于天气类型SCF指数,采用Monte Carol模拟体现光伏发电量的波动性,求得考虑光伏发电随机性的配电网线损率概率密度函数,并以此划定线损率的异常判定阈值。最后以IEEE 37节点配电系统为例,实际评估光伏接入后在考虑气象因素条件下配电线路日线损率的概率密度分布,并与电网的传统判定阈值进行对比分析。

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计及源-荷不确定性的屋顶集成光储系统容量配置

黄大为, 殷航, 曹旭东, 杨茂

2024, 45(10): 363-372. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1161

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利用建筑屋顶光伏发电是提高终端能源消费结构中可再生能源占比和降低用户能源成本的有效措施。针对建筑楼宇的屋顶集成光储（RIPVS）系统容量配置问题,提出计及源-荷不确定性的容量优化配置决策方法。在对光伏出力和负荷进行源-荷不确定性建模的基础上,以气象因素构建源-荷耦合气象特征集,运用K-均值聚类方法实现源-荷场景集削减,以刻画源-荷不确定性;建立以RIPVS系统全寿命周期成本最小化为目标的多场景容量优化配置模型,通过求解该模型获得反映备选方案技术经济的多维度指标,利用改进熵权法最终确定最优方案。以某商业楼宇的RIPVS系统容量配置为例,验证了所提决策方法的有效性。

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基于权重因子改进型tanh函数的光伏MPPT算法

李平, 毛阗, 徐鉴其

2024, 45(10): 373-380. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2024-0995

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根据光伏功率-电压曲线的特点,对最大功率点两侧采用不同的自适应步长扰动观察最大功率点跟踪算法：对右侧采用基于tanh函数的自适应步长算法,对左侧采用基于权重因子改进型tanh函数的自适应步长算法。通过仿真分析及硬件试验,验证所提出的基于权重因子改进型tanh函数的自适应步长扰动观察最大功率点跟踪算法的可行性和优越性。仿真分析和硬件试验结果表明：基于权重因子改进型tanh函数的自适应步长扰动观察最大功率点跟踪算法在辐照度和温度变化场景下均具有较好的跟踪速度和精度,能为光伏系统高效稳定的输出功率提供保障。

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太阳能驱动有机朗肯循环热经济性优化

马丕胤, 柴俊霖, 杨富斌, 张红光

2024, 45(10): 381-390. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0858

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根据槽式太阳能集热特性,选择R600和R245fa两种循环工质,以系统火用效率和单位能量产出成本为目标构建简单有机朗肯循环（BORC）和回热式有机朗肯循环（IHE-ORC）系统热经济性模型。利用非支配排序遗传算法进行双目标优化,采用熵权-TOPSIS法决策工质的两系统最佳热经济性,分析工质的两系统热经济性随运行参数蒸发压力、过热度和冷凝温度的变化。结果表明：在优化决策下,采用工质R245fa的IHE-ORC系统最佳火用效率和单位能量产出成本分别为54.11%、0.1548美元/kWh,热力性优势明显,采用工质R600的BORC系统最佳火用效率和单位能量产出成本分别为49.89%、0.1318美元/kWh,经济性表现较优;在运行参数变化范围内,IHE-ORC系统火用效率和单位能量产出成本均高于BORC系统,工质R245fa的系统火用效率显著较高,工质R600的系统单位能量产出成本相对较低。

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直膨式太阳能-空气双源热泵全年运行性能时工作模式优化

侯晓涵, 黄兴华, 周北雁

2024, 45(10): 391-399. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0910

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该文基于能量平衡与集热/蒸发器换热特性建立双源热泵的系统仿真模型,该热泵采用并联的翅片管风冷蒸发器和吹胀板双面太阳能集热/蒸发器,模型考虑吹胀板蒸发器的正面和背面的实时太阳辐射得热,基于全年气象参数,对热泵在上海地区的全年运行性能进行模拟,分析太阳能集热面积对热泵性能的影响;基于优化的集热/蒸发器面积,对比分析双源热泵3种工作模式的全年运行性能;以逐时热泵COP最高为目标,得到热泵逐时最佳工作模式。模拟结果表明：对于45°朝南安装的双面吹胀板蒸发器,背面太阳能辐射得热是正面得热的3%~15%;双源热泵并联运行模式下全年COP比单空气源热泵、单太阳能热泵分别高24.2%和2.5%;得到以水平总辐照度Ig和环境温度Ta表示的双源热泵逐时最佳工作模式判别规则：Ig25.05Ta-146.8时,系统的最佳工作模式为太阳能模式;Ig25.05Ta-146.8时,系统最佳工作模式为太阳能-空气源并联模式。在逐时最佳工作模式下,相对于固定的双源并联运行模式,热泵年COP提高4.7%,冬季COP提高11.0%。

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奥氏体钢在超临界CO₂发电系统中的腐蚀行为研究

邓忠悦, 杨普, 王跃社, 王柏崴, 邹琳

2024, 45(10): 400-406. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0954

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以超临界二氧化碳（SCO₂）作为工质的发电系统在太阳能热发电领域具有良好的发展前景。为探究SCO₂发电系统中典型材料的腐蚀行为,开展奥氏体钢316L和321样片在550 ℃、25 MPa SCO₂环境下的2000 h腐蚀实验研究。结果表明：两种奥氏体钢均发生了氧化腐蚀,且321耐腐蚀性能比316L更优异。腐蚀动力学近似符合抛物线规律。两种材料均形成双层氧化物,内侧为富铬垢和锰铬尖晶石,外侧形成富铁氧化物结节。此外,碳主要沉积于腐蚀产物表面,材料内部未发现渗碳现象。最后,建立了两种奥氏体钢的腐蚀机理模型。

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区域太阳能供暖集中式与分散式组合蓄热系统运行性能分析

柳砚铭, 刘艳峰, 陈耀文, 王登甲, 田志勇, 庄照犇

2024, 45(10): 407-414. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0956

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针对传统太阳能供暖仅集中蓄热系统运行温度高造成集热效率低以及热损失大等问题,提出区域太阳能供暖集中式与分散式组合蓄热系统,建立组合蓄热系统的数学物理模型,利用Matlab平台编写组合蓄热系统模拟仿真程序,并将系统与区域太阳能供暖集中式蓄热系统对比。结果表明：相较于集中式蓄热系统,组合蓄热系统在西宁地区的太阳能保证率提高约36%,且逐月太阳能供热量更稳定;组合蓄热系统总集热效率提高约10%;组合蓄热系统的运行温度降低,其中集中埋地蓄热水体平均温度相较于集中式蓄热系统全年平均降低约17 ℃,热力管网平均温度全年平均降低约27 ℃;组合蓄热系统总热损失减少2.23 TJ,其中热力管网热损失仅为集中式蓄热系统的39%。

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基于CNN和BiLSTM神经网络模型的太阳能供暖负荷预测研究

周泽楷, 侯宏娟, 孙莉, 靳涛

2024, 45(10): 415-422. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0962

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针对太阳能供暖系统中因热量供需不匹配而引起的能源浪费现象,提出一种基于卷积神经网络-双向长短期记忆神经网络的短期热负荷预测模型。首先对数据进行清洗,使数据准确完整;其次依据皮尔逊相关系数对输入特征进行筛选;最后依据其空间-时间特征建立卷积神经网络-双向长短期记忆神经网络模型。在与单一神经网络模型长短期记忆神经网络及双向长短期记忆神经网络进行详细比较和分析后,结果表明,该模型相较于传统神经网络模型在精确度上存在明显提升,验证了本模型在太阳能供暖负荷预测中的有效性。

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DTU 10 MW漂浮式风电机组两分叉系泊系统仿真分析

刘媛媛, 黄心伟, 李宗哲, 柳亦兵

2024, 45(10): 423-430. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0867

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以DTU 10 MW风电机组以及OO-Star半潜式平台为对象,提出一种两分叉系泊系统,基于OPENFAST软件在50年一遇极端工况下建模仿真,对比采用两分叉系泊系统平台运动响应及系泊张力的变化,并研究其分叉点位置的影响。结果表明,新型两分叉系泊系统使得平台的纵荡、纵摇、艏摇幅值分别减小32.9%、29.4%和39.1%,很大程度上提升了风电机组的稳定性。此外,平台的系泊张力均值降低为原来的23.4%,更能保证漂浮式平台在极端工况下的生存能力。

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基于改进双支耦合Cauer模型的逆变器中IGBT模块结温预测方法

严庆, 杜明星, 胡经纬, 尹金良, 董超

2024, 45(10): 431-439. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0871

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在严苛工况下,应用于光伏发电和风电系统逆变器中的IGBT模块极易老化,进而在焊料层中形成空洞,而芯片材料的热物性也会因高温而发生变化,两者结合将大幅影响耦合模型的预测精度。基于此,在热耦合效应下,对焊料层空洞和芯片热效应对芯片结温的影响进行分析,建立同时考虑IGBT芯片焊料层空洞损伤和芯片材料热效应的改进双支耦合Cauer模型。通过有限元方法研究不同空洞率对IGBT模块热特性的影响,并给出含有空洞时焊料层热阻的计算方法。在此基础上,进一步考虑IGBT模块芯片热参数对温度的依赖关系,建立芯片热阻-温度的函数模型。最终,通过实验验证所提改进模型的准确性和有效性,提高了IGBT模块的结温预测精度,增强了光伏发电和风电系统中逆变器的可靠性。

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单桩冲刷修复作业中流态固化土留存特性数值研究

王会丽, 毋晓妮, 李濡宇, 蒋海里, 汪潇

2024, 45(10): 440-445. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0874

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固化土防冲刷技术是一种新型的冲刷修复及防护技术。为深入探究流态固化土的泵浆流失影响因素及规律,合理选择泵浆位置,该文采用计算流体力学方法对单桩基础周围流态固化土泵浆过程进行模拟,分析评估不同流态固化土和不同泵浆点对留存率的影响。结果表明,对于单桩,固化土类型和泵浆点的选择主要考虑泵浆过程中流态固化土的终末时刻留存率;建议选用流动值小的流态固化土,以提高留存率;若固化土流动值小,则尽量选单桩上游近桩触底泵浆。

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海上风电四桩基础在软黏土中的水平承载特性

赵子豪, 张正飞, 杜威, 吴凤元

2024, 45(10): 446-452. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0875

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为评估应变软化和应变率效应对四桩基础水平承载特性的影响,通过ABAQUS有限元软件,建立四桩基础二维平面应变模型,并在vumat用户子程序中定义软黏土不排水抗剪强度su随累积塑性剪切应变和最大剪切应变速率的变化关系,进而分析应变软化参数δrem、ξ95和应变率参数μ对四桩基础水平承载特性的影响。分析结果表明：四桩基础水平承载力会随着应变软化参数δrem、ξ95的减小而逐渐降低,其中δrem对水平承载力的影响较为显著;应变率参数μ与四桩基础水平承载力呈现线性正相关。最终,基于上述数值分析结果建立考虑应变软化和应变率效应的四桩基础水平承载力统一预测模型。

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基于RBF神经网络和模型在线更新的风速估计方法

曹忠鹏, 陈文婷, 艾超, 王秦未, 张晨阳, 杜泽莉

2024, 45(10): 453-458. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0889

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基于NREL 5 MW风力发电机原模型和简化模型,进行流固耦合和计算流体力学仿真,研究结果表明风力发电机桨距角和叶尖速比影响风轮上游来流风速演化。结合来流风速演化和推力系数理论模型表明,通过推力更新诱导系数,进而在线更新风速演化模型,能提高风速估计精度。考虑推力时变性和非定常性,提出以桨距角和叶尖速比为输入,基于RBF神经网络的推力逼近方法,进而提出基于模型在线更新的风轮平面有效风速估计方法。最后通过激光雷达现场测风数据进行验证,结果表明,基于RBF神经网络和模型在线更新的风速估计方法较基于时间信息提取算法和来流风速演化模型的风速估计方法精度提高15.5%。

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合成射流对Spar型浮式风力机涡激运动特性的研究

李磊, 夏海山, 杜炳鑫, 白兴兰, 潘昀

2024, 45(10): 459-466. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0898

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涡激运动问题是影响漂浮式结构系泊系统、立管和电缆疲劳寿命的重要因素,该文利用主动控制技术研究合成射流对Spar型浮式风力机基础结构涡激响应特性的抑制规律。首先开展无射流工况下Spar型浮式风力机涡激运动试验和数值仿真研究,验证数值方法的准确性,而后重点探讨射速比和喷射角对结构的涡激响应、涡激力、泄涡频率和尾涡结构的影响规律。研究发现,涡激响应特征与射速比和喷射角度密切相关,合成射流能有效抑制结构的涡激运动,且射速比越大、喷射角越趋向尾涡分离点其抑制效果越好。同时发现,合成射流降低了涡泄频率、从而使振荡频率远离固有频率,但柱体涡激力基本不变。结果表明,合成射流能够有效抑制Spar型浮式风力机的涡激共振,其抑制机理为降低结构振荡频率,从而解锁涡激共振实现抑制作用,而非降低涡激力实现抑制效果。

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漂浮式海上风电机组无模型自适应容错控制策略

张艳峰, 杨锡运, 徐恩慧

2024, 45(10): 467-477. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0906

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漂浮平台运动和海上恶劣条件使得漂浮式海上风电机组（FOWT）建模难度大且故障率较高,为此,提出一种无需对FOWT进行数学建模的无模型自适应主动容错控制策略。该策略主要包括故障智能诊断和故障自适应补偿系统：故障智能诊断系统利用卷积神经网络模型对时序信号进行空间特征挖掘完成故障智能诊断;故障补偿系统采用无模型自适应控制策略实现,将动态补偿过程转化为非线性系统实时控制问题,通过实时求解补偿因子来应对和恢复多种故障,有效降低了控制器开发成本且避免了建模产生的误差。在多种故障场景下进行仿真实验,结果验证了提出控制策略的容错能力,不仅可使叶轮载荷保持平衡,且可降低塔筒载荷。

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海上风电柔直送出系统改进频率协同控制策略

张龙, 孙丹, 马志豪, 年珩

2024, 45(10): 478-486. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0908

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针对远海风场经柔直系统接入岸上电网后无法提供频率主动支撑的问题,该文提出一种远海风场与柔直系统改进频率协同控制方案。协同控制方案分为柔直系统层面和远海风场层面。针对柔直系统,将岸上电网的频率变化通过下垂控制转化为直流电压的变化,分析下垂控制系数与柔直系统虚拟惯量系数之间的关系,提出一种计及电网频率偏差的柔直系统自适应控制方法。针对远海风场,在频率故障前以最大化风电场转子动能为目标提出一种改进的功率备用方法,能有效减小风电场的风能损失并将该部分能量用于后续频率调节中,在频率故障后考虑风速差异根据转子转速实时调整风电机组频率控制系数,能在保证机组运行安全性的前提下提升风电场整体调频能力。仿真结果表明,所提控制方法在不同风速以及风电渗透率下均具有良好的调频性能。

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在线选择性集成即时学习风电功率自适应预测

李运龙, 金怀平, 范守元, 金怀康, 王彬

2024, 45(10): 487-496. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0913

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风电功率预测可为风电的并网和优化调度提供有效的指导信息,在风能的开发利用中扮演着举足轻重的角色。然而,由于风电固有的间歇性和随机性给准确的风电功率预测带来巨大挑战。同时,由于受季节性、气候性、设备老化等因素影响,随着时间的推移,风电功率数据特征难免发生改变,这将直接导致离线的风电功率模型性能发生退化。为此,提出一种在线选择性集成即时学习（OSEJIT）自适应风电功率预测方法。首先,为了有效处理风电的非线性和时变性特征,通过相似度、学习器扰动以构建多样性JIT基模型库。其次,为了保证集成有效性,定义基于Friedman检验的多样性指标和基于预测精度的准确性指标以实现模型的在线选择。随后,在线预测阶段,根据模型近期的预测性能通过自适应加权集成的方式获得最终预测值。为了保证基模型库的更新,同时规避模型频繁重建导致计算资源耗费的问题,采用一种基于KL散度的过程状态识别方法以减少模型重建频率。所提方法的有效性和优越性在一个实际风电功率数据应用中获得了验证。

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基于CBAM-DSC-UNet模型的时空风速预测算法

赵陆阳, 刘长良, 刘卫亮, 李洋, 王昕, 康佳垚

2024, 45(10): 497-505. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0914

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针对时空风速预测任务通常使用的卷积神经网络（CNN）和循环神经网络（RNN）联合建模方法中空间信息损失的问题,提出一种基于CBAM-DSC-UNet模型的时空风速预测算法,用于提升空间信息利用率与模型预测精度。该算法将时空风速预测问题视为视频预测问题,在提取时空相关性的同时保持空间信息,进而直接输出未来多步的空间风速矩阵。以美国怀俄明州某风电场实际数据为算例进行实验,结果表明,相比其他对比算法,基于CBAM-DSC-UNet模型的时空风速预测算法的平均绝对误差下降8.4%~15.9%,精度有较大提升。

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基于迁移学习的风电机组叶片损伤检测与分析

殷孝雎, 潘雪, 左雁斌, 关新

2024, 45(10): 506-511. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0925

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针对风电机组叶片损伤成因复杂、故障识别效率低、精度不足等问题,提出一种基于迁移学习改进的DenseNet网络（DenseNet-TL）的风电机组叶片损伤检测方法。建立DenseNet-TL数学模型,提升特征提取能力,在该模型下对风电机组叶片图像进行识别分析,以确定叶片的损伤状态。以某风场数据集进行离线训练和测试,结果表明：与AlexNet、ResNet模型进行对比,该模型可有效节省训练时间、提高模型的泛化能力,训练准确度平均值达到90%以上,验证了该方法的有效性和精确性。

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基于CEEMDAN和时间卷积网络的风向预测算法

张群, 侯玉强, 许剑冰, 赵巍, 李威, 刘福锁

2024, 45(10): 512-520. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0928

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为提高风向预测精度,提出一种基于随机森林算法（RF）、分类回归树（CART）、完备自适应噪声经验模态分解（CEEMDAN）与时间卷积网络（TCN）的组合预测算法。其中,基于分类回归树法的输入重要性评测用于评测风向预测模型的输入相关度并进行筛选;随机森林算法用于对风向数据进行自适应处理;完备自适应噪声集成经验模态分解用于对输入风向数据进行分解并进行输入信息特征提取;最后,利用时间卷积网络搭建风向预测模型。实验结果表明,相较于其他8种对比模型,所提模型在四季度数据集上预测误差均小于4.95°,均获得了最高的预测精度。

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考虑运行经济性与安全性的风电场功率模型预测优化控制

杨彦霞, 李少林, 王伟胜, 秦世耀, 苗风麟

2024, 45(10): 521-528. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0931

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首先介绍风电场功率控制构架及功率控制过程,基于风电场各控制对象动态特性分析,构建模型预测控制用风电场功率控制线性化模型。在此基础上,以风电机组传动链机械载荷、场站功率跟踪偏差和损耗最小为优化目标,提出一种风电场有功/无功模型预测协调优化控制方法,设计目标函数及约束条件。最后,在Matlab/Simulink中建立风电场仿真模型,仿真结果表明所提控制策略能够在准确跟随电网调度下发的发电任务和电压指令的同时,可减小风电场有功和无功损耗、降低各机组传动链疲劳载荷,可提升风电运行安全性与经济性。

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基于改进型Super-twisting的双馈感应发电机直接功率控制

李圣清, 文颜烯, 黄远鹏, 周志飞, 陈欣

2024, 45(10): 529-535. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0941

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为提高双馈感应发电机（DFIG）直接功率控制的鲁棒性和抗干扰能力,提出一种改进型超螺旋滑模（STSMC）的直接功率控制（DPC）。首先,建立参数摄动下的DFIG最大功率捕获模型和定子磁场定向的双馈感应发电机模型;然后,将非奇异快速终端滑模面（NFTSM）与一种改进型超螺旋（Super-twisting）优化算法结合,设计DFIG直接功率控制器（IST-NFTSMC）。其中所设计的非奇异滑模面能有效避免传统滑模控制（SMC）的奇异现象,且改进超螺旋控制律能有效削弱NFTSMC抖振,提高功率控制精度;最后,通过仿真和实验,与PI控制和传统SMC控制相比,该控制能削弱DFIG功率与电流抖振问题,加快其收敛速度,提高DFIG直接功率控制稳态精度。

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基于动态矩阵与特征相似度的AAKR风电机组状态监测

田雯雯, 吕丽霞, 刘长良, 刘帅

2024, 45(10): 536-543. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0942

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针对传统自组织核回归（AAKR）模型所选记忆矩阵冗余度较高、无法根据在线数据实时更新、计算相似度时未考虑特征参数权值不一的问题,提出一种基于动态矩阵与特征相似度的自组织核回归（DM-FS-AAKR）风电机组状态监测方法。首先基于样本间距离对原始数据集去冗余以降低运算复杂度,形成待选数据集;其次基于k-最近邻算法选取最符合当前运行条件的历史数据构建动态矩阵;为克服相似度计算时不良参数的偏差污染,提出一种特征相似度计算方法为不同参数分配相应权值进一步提高预测精度;最后以河北某风电场SCADA数据为例,对机组故障停机前工况进行验证实验。结果表明,相比于传统AAKR模型,所提算法平均绝对误差降低约15.6%,故障预警时能够提前35天实现预警,具有较高精度和实时性。

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基于CPTU的江浙海上风电工程土体压缩模量解译方法

王宽君, 贾志远, 沈侃敏, 李玉萍

2024, 45(10): 544-553. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0944

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针对浙江嘉兴和江苏盐城某海上风电工程,开展室内固结试验和孔压静力触探（CPTU）试验,采用线性、指数和对数3种模型建立考虑土体原位有效应力状态压缩模量Es与修正锥尖阻力qt的关系。研究结果显示,考虑原位有效应力的Es与修正锥尖阻力qt的相关性远高于100~200 kPa固结压力段对应的压缩模量Es1-2与qt的相关性,采用线性模型得到的黏性土压缩模量Es与qt之间的关系更加可靠,嘉兴与盐城海域黏性土经验系数α分别为1.820和3.315;两海域砂土的压缩模量Es与qt之间并无明显的相关性,结果显示两海域砂土的压缩模量Es均存在下限值10 MPa。

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改进CBBA算法的风电场无人机群巡检任务分配

焦嵩鸣, 陈雨溪

2024, 45(10): 554-565. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0947

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提出一种基于改进的共识捆绑算法（CBBA）的多无人机风电场巡检任务分配方法。首先,根据风电机组基础信息,采用K-均值算法确定无人机数量和安放位置,并构建风电机组巡检价值评估函数,更为合理地评估各风电机组的巡检收益;然后,针对无人机的归巢返程问题,提出一种基于CBBA算法的任务包双向构建策略;最后,为克服传统CBBA算法中存在的因个体“贪婪”导致的整体效益下降问题,设计一种基于类别的奖励制度,以提高任务分配的合理性。试验表明,所提方法可根据风速、风向的变化制定相应的巡检任务分配方案,可为无人机群自主巡检风电场的任务分配提供可参考的方案。

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改进的自适应小波包风电波动平滑控制策略

张晓东, 张怡, 刘向杰, 丁一

2024, 45(10): 566-573. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0964

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针对传统自适应小波包风电功率波动平滑技术存在过度平滑以及储能系统负担加重等问题,提出一种改进的自适应小波包风电功率平滑控制策略。首先,根据不同时间段风电功率波动特性,合理规划滤波时间尺度,并确定满足系统控制要求的最小滤波尺度。其次,利用自适应小波包分解滤波尺度内的风电功率,获得期望并网功率与波动功率。之后,采用由双储能电池与超级电容器组成的混合储能系统对波动功率进行平抑。最后,分析改进的平滑策略在降低储能系统负担方面的优势,并对储能系统的运行寿命进行评估。结果表明,在保证风电功率波动有效平滑的前提下,该策略既能降低储能系统的负担,又能延长其运行寿命。

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基于Fluent-OrcaFlex联合数值模型的海上风电场海底电缆冲刷及应力状态研究

李健华, 黄亚珏, 李争霖, 潘冬冬

2024, 45(10): 574-579. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0972

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利用Fluent流体力学CFD软件建立海底电缆冲刷的精细化水动力数值模型,以实测海流数据作为输入条件,模拟真实海况条件下的海缆冲刷过程,其次通过数据拟合获得海缆悬空长度和冲刷时长之间的定性定量关系,最后通过OrcaFlex水动力软件分析海缆裸露后的应力状态变化过程,判断海底电缆裸露后的运行安全状态。

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基于状态扩张输入输出动态模态分解的风力机尾流降阶模型

魏赏赏, 李智寒, 陈一凯, 许昌, 赵振宙, 许波峰

2024, 45(10): 580-587. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0975

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基于数据驱动范式,采用输入输出动态模态分解方法（IODMD）构建机组偏航动作下风力机尾流降阶模型,此外为应对传统输入输出动态模态分解方法（IODMD）在局部流场精度不足的问题,提出扩张风力机转速的输入输出动态模态分解方法（EIODMD）,从而使得降阶模型能充分利用机组运行特性。研究结果表明,所提EIODMD较传统IODMD方法在流场重构与预测精度方面均有所提高,证明了EIODMD尾流降阶模型的优越性。

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基于SGMD-SE与优化TCN-BiLSTM/BiGRU的超短期风功率预测

宋江涛, 崔双喜, 樊小朝, 孙玉峰

2024, 45(10): 588-596. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0982

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为提高超短期风功率预测精度,提出一种基于SGMD-SE与优化的TCN-BiLSTM/BiGRU组合预测模型。首先,采用最大互信息系数（MIC）选取出风功率强相关变量,作为预测模型的输入特征。其次,利用能抑制模态混叠、无须设置分解参数的辛几何模态分解（SGMD）,将原始风功率信号分解成若干个较平稳的初始辛几何分量（SGC）。然后,使用样本熵（SE）完成初始分量重构并将重构后分量划分为复杂度高、低两类,根据两类分量不同特点,分别搭建TCN-BiLSTM模型、TCN-BiGRU模型进行预测。为改善BiLSTM、BiGRU预测性能,采用时间卷积网络（TCN）提取两类分量特征,并提出一种基于Tent混沌映射和柯西变异的改进鱼鹰优化算法（IOOA）优化其关键参量。最后,叠加各分量预测值得到最终的预测结果。结果表明：所提出的组合预测模型可有效提升超短期风功率预测的准确率,具有较强的实用价值。

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联合载荷作用下三排滚子风电主轴承的摩擦力矩分析

李金成, 李云峰, 仲志丹

2024, 45(10): 597-606. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0986

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建立一种在联合载荷作用下三排圆柱滚子风电主轴承的摩擦力矩分析方法。首先,采用基于滚子切片处理的轴承载荷分布平衡方程组,分析计算在外部径向载荷、轴向载荷和倾覆力矩联合作用下的滚子切片载荷分布;然后,在轴承零件之间相对滑动运动分析的基础上,推导滚子-滚道滑动摩擦、滚子-滚道滚动摩擦、保持架-外圈滑动摩擦、密封圈-内圈滑动摩擦的计算公式,得到轴承总摩擦力矩的计算公式;最后,针对具体的风电主轴承,求解分析轴向游隙、滚子数量、滚子长径比、保持架质量和密封圈过盈量对摩擦力矩的影响。结果表明：三排圆柱滚子风电主轴承的摩擦力矩主要来自轴向滚子,合理的轴向游隙、滚子参数、保持架质量、密封圈过盈量对该轴承的减摩设计十分有利。

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基于直接转速控制的风电机组最大功率踪策略研究

李佳俊, 娄尧林, 应京良, 林志明

2024, 45(10): 607-615. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0994

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通过分析各风速下风轮气动转矩特性及发电机在各最大功率跟踪点转矩-转速运行轨迹,依据风电机组在最大功率点上风轮气动转矩与发电机转矩平衡的原理,提出基于发电机电磁转矩的动态最优转速的计算方法,然后以该最优转速为控制目标,设计基于转速偏差的反馈控制器,并做恒转速区与变转速区的控制效果分析。仿真与现场测试表明,该直接转速控制策略可实现最大功率点跟踪,在恒转速区与变转速区具有统一的控制方式,控制逻辑简单实用,有望在风电行业推广,有较好的应用前景。

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深远海全直流风电汇集网络故障控制与恢复方案

丁华星, 邹贵彬, 王凤莲, 丁宁

2024, 45(10): 616-624. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0997

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针对全直流海上风场汇集网络故障处理问题,首先研究直流风电机组的故障控制策略,通过机侧换流器故障控制与卸荷电路配合的方式提高机组的安全性;其次,设计一种改进风电机组网侧DC/DC变换器拓扑,通过控制DC/DC变换器网侧电容脉冲放电进行行波测距,从而定位故障区段;最后,提出基于直流断路器的汇集网故障控制与恢复方案。利用PSCAD搭建全直流海上风电场模型,多种故障场景下的仿真验证了所提故障控制与恢复方案的有效性。

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基于Kriging模型的风力机翼型优化设计动性能分析

王清, 张敏, 李德顺, 李国强, 唐隆琛

2024, 45(10): 625-634. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1014

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耦合高精度数值模拟方法、Kriging模型及遗传算法,建立高效、高精度数值模拟算法。以翼型的最大升阻比和最大切向力系数为目标函数,基于S809翼型开展多状态、多目标下的气动外形优化设计。结果表明,在Re=1×106、迎角为6˚和Re=5×105、迎角为8˚两种设计工况下,优化翼型的升阻比分别提升10.34%和10.75%。为验证优化翼型在风力机设计中的适用性,进一步基于优化翼型和S809翼型分别设计三叶片风轮,对比不同工况下风轮气动性能,发现在设计工况下,基于优化翼型设计的风轮叶片风能利用系数增大7.5%;偏航工况下基于优化翼型设计的风轮叶片风能利用系数增大7.54%,证明优化翼型能更好地适应非定常状态。

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基于SMOTETomek过采样方法与领域自适应迁移学习的风电机组故障诊断

张伊杰, 刘宝良, 王承民, 杨镜非, 谢宁

2024, 45(10): 635-644. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1018

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为在不平衡数据上得到准确分类的故障诊断模型,提出将SMOTETomek过采样方法与领域自适应迁移学习相结合的故障诊断算法框架。首先利用滑动窗口采样技术将数据采样成二维时空窗口数据,然后执行SMOTETomek过采样操作,可保留并丰富完整的时序故障特征。针对过采样算法引入噪声信息的问题,引入领域自适应迁移学习算法在原始数据与过采样后的数据之间提取不变特征,使得过采样算法的引入的噪声信息可被过滤掉。在中国某实际风电场的实验结果显示,所提方法可在高度不平衡的数据上完成模型训练,准确识别各类型故障并精确辨识故障过程对应的时间窗口,诊断性能显著优于基于先前用于应对数据不平衡所普遍使用的过采样方法得到的模型。

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生物质热化学转化制氢技术研究进展

李攀, 马腾杰, 林钰程, 陈志勇, 常春, 胡俊豪

2024, 45(10): 645-654. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0900

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对生物质热化学转化制氢技术进行综述,介绍热解及重整制氢、气化制氢和超临界水气化制氢的影响因素（原料、温度和催化剂等）和面临问题（焦油、催化剂失活和投入成本等）,提出由原料特性和制氢条件选择制氢方式,再通过预处理和调控反应条件等可提高制氢效率。将3种技术进行对比,得出气化制氢的效率相对较高,气化和热解更适合含水量低的生物质,超临界水气化制氢在处理有毒废水等方面有优势等结论,并提出焦油的处理、制备催化剂和研发设备等是未来的主要研究方向。

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纤丝状生物质颗粒在抄板滚筒内混合特性研究

顾丛汇, 刘源, 赵海超, 袁竹林

2024, 45(10): 655-662. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0981

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基于离散单元法对抄板滚筒内纤丝状生物质的运动与混合特性展开研究。针对纤丝状生物质颗粒的特殊结构构建颗粒几何模型和固-固碰撞模型,探究滚筒转速、抄板数量和抄板高度对纤丝状颗粒群混合质量的影响。研究发现,滚筒抄板对纤丝状颗粒群的抛撒作用是颗粒混合良好的关键。提高滚筒转速可促进颗粒混合,但转速的增大对混合的帮助存在上限,转速为10 r/min时混合质量最高;纤丝状生物质颗粒的混合质量与抄板高度密切相关,抄板高度h=25 mm时混合效果最佳。

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基于磺化碳基固体酸的纤维素水解糖化研究进展

陆佳, 苏小红, 刘泽, 刘伟

2024, 45(10): 663-672. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2024-0044

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对磺化碳基固体酸制备原料及制备方法进行系统介绍,分析磺化碳基固体酸物理化学结构与其催化纤维素水解的构效关系,讨论碳基固体酸失活原因及分离回收方法。针对磺化碳基固体酸与纤维素间的传质限制,总结归纳先“降结晶、再水解”的纤维素高效水解策略。最后对磺化碳基固体酸的未来研究重点和前景进行展望,以期为促进磺化碳基固体酸在木质纤维素糖平台构建中的创新发展提供科学参考。

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基于Non stationary-CNN-Transformer的海浪有效波高预测

魏双, 安毅, 余向军, 吴琳, 孙庆宇

2024, 45(10): 673-682. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0912

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针对海浪有效波高序列波动性、随机性较强,难以精确预测以及模型无法高效挖掘深层特征间关系的问题,提出一种基于Non stationary-CNN-Transformer模型的海浪有效波高预测方法。首先,使用平稳化模块减弱海浪时序数据的非平稳性;其次,利用一维卷积神经网络（CNN）提取相关数据间的深层特征并构建特征向量;最后,使用含有平稳性注意力的Transformer描述波高序列的时间依赖性捕捉到序列之间的全局关系,通过逆归一化处理后获得有效波高预测结果。该方法可消除海浪时序数据的非平稳性,提升数据的预测效果,并具有优异的特征提取能力且善于处理大规模时间序列数据。在实验中应用澳大利亚的浮标实测数据,通过7组对比实验分别预测0.5、3、6、12和24 h的有效波高,对所提模型进行全方位、多角度的验证。算例研究结果表明,该文所提模型在不同时间段精度有明显提升。

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基于微阵列波能装置的半潜式风浪联合系统运动与获能研究

曹飞飞, 曹春暖, 魏志文, 韩蒙, 史宏达

2024, 45(10): 683-690. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0961

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为实现海上风浪资源的高效利用,以Windfloat型风力机平台为基础,结合摇臂式波能装置,建立联合获能系统数值模型,并分析了波周期、PTO（power take-off）阻尼、浮子直径及摇臂长度等关键参数对联合系统运动与获能的影响。研究发现,随波周期的增大,平台运动幅度整体呈增大趋势,装置获能先增大后减小;随PTO阻尼的增大,平台纵荡、纵摇运动幅度逐渐减小,垂荡运动幅度及装置获能先增大后减小;随浮子直径、摇臂长度的增大,平台纵荡运动幅度逐渐减小、垂荡、纵摇运动幅度逐渐增大,装置获能随浮子直径的增大而增大,随摇臂长度的增大先增大后减小。

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中国南海海洋牧场的波浪能资源评估

万勇, 冯晓顺, 程秋薇, 张晓娜

2024, 45(10): 691-698. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1011

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利用欧洲中期天气预报中心（European Center for Medium-Range Weather Forecasts）近10年的ERA5再分析海浪场数据,为中国南海周边4个省（自治区）的国家级海洋牧场选取最适合开发波浪能资源的电站位置,重点研究各站点的波浪能开发潜力以及与波浪能装置布放方向有关的指标。研究表明：广东省惠州小星山以及福建省莆田市南日岛两个国家级海洋牧场所选站点的波浪能开发潜力最高,获得高经济收益的潜力也最强;此外,后者所选站点的波浪能传播方向最集中,最有利于装置吸收波浪能资源。

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振荡水柱波浪能发电装置机电转换及控制研究进展

刘艳娇, 黄铭冶, 彭爱武

2024, 45(10): 699-709. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1016

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在间歇、随机及波动的波浪作用下,振荡水柱波浪能发电装置的空气透平转速和扭矩长期随海况多级变化、短时随波浪波动,机电转换系统结合变工况控制策略是实现输出电能最大化和平稳化的关键之一。该文从振荡水柱式波能转换技术原理及特点出发,重点分析机电转换环节运行工况、运行要点及拓扑结构,归纳总结不同类型控制策略,探讨机电转换及控制技术现状、存在问题,并展望未来发展趋势。

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内置偏心摆式波浪能发电装置运动响应分析

王群峰, 薛钢, 秦健, 张振全, 黄淑亭, 刘延俊

2024, 45(10): 710-716. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1024

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波浪激励下内置式波浪能发电装置的能量转换机理尚不清晰,影响了能量输出效率和稳定性。基于势流理论、莫里森方程和拉格朗日-欧拉方程,建立内置偏心摆式波浪能发电装置的三自由度动力学模型,并通过对比理论计算数据与水池试验数据,验证了模型的有效性。基于所建立的动力学模型,分析波浪激励条件、阻尼系数、偏心摆质量及偏心摆安装高度对装置运动响应的影响,并进一步研究能量转换过程的混沌效应,明晰装置混沌状态与输出功率之间的关系,揭示能量转换机理。

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流动控制组合对潮流能水轮机翼型水动力学的特性影响研究

裴振, 刘永辉, 薛宇, 谭俊哲, 袁鹏, 司先才

2024, 45(10): 717-725. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1123

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为全面提升潮流能水轮机叶片的水动力学性能,将格尼襟翼(GF)和涡流发生器(VGs）的附加件组合引入到潮流能水轮机领域,研究附加件组合对改善水轮机叶片水动力性能的作用机理。以NACA4418翼型为研究对象,分别建立加装格尼襟翼、涡流发生器和二者流动控制组合的水轮机翼型三维模型,应用数值模拟方法研究流动控制组合对水轮机叶片水动力性能的影响机理。结果表明：安装GF可有效提高翼型段的升力系数,但会降低翼型的失速角;安装VGs可抑制翼型段吸力面的流动分离、增大翼型段的失速角,但攻角越小水动力学性能改善效果越不明显;GF和VGs的流动控制组合则可将二者优势充分结合,在全面提高翼型段升力系数的同时,还可抑制翼型表面的流动分离、增大翼型的失速角,从而获得最佳的流动控制效果。

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基于混合模型的储能用锂离子电池剩余寿命预测方法研究

夏向阳, 吕崇耿, 吴小忠, 曾小勇, 刘代飞

2024, 45(10): 726-735. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0902

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针对储能系统在调峰、调频等工况下存在电池老化等安全问题,提出一种储能用锂离子电池剩余使用寿命（RUL）预测方法。该方法通过研究锂离子电池充电曲线特点,从电池恒流、恒压充电过程中提取短时电压电流片段数据作为表征电池老化的特征,提出一种B样条曲线的方法对得到的片段数据进行降噪处理,得到与容量高度相关的新健康因子（HF）,然后运用蝴蝶优化策略改进的麻雀搜索算法对卷积神经网络-长短期记忆网络混合模型参数进行优化,最后以NASA数据集和实验平台实际运行数据对锂离子电池RUL进行预测并与其他方法对比验证,结果表明,NASA数据集预测结果均方根误差RMSE、平均绝对误差MAE范围控制在3.45%、2.42%之内,实验平台电池老化数据集预测结果RMSE、MAE范围控制在0.96%、0.83%之内,所提方法对锂离子电池RUL预测具有较高的准确性,能有效解决储能电池安全预警问题,可为电网稳定控制提供保障。

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面向风电平抑的双电池单元储能系统功率分层优化控制策略

王文, 黎隆基, 岳雨霏, 孟廷睿, 童宇轩, 唐欣

2024, 45(10): 736-744. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0966

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为减少风-储联合系统中,双电池单元储能系统的充放电循环次数,降低高充放电功率指令下电池单元充放电电流倍率,提出一种储能系统充放电功率分层优化控制策略。根据充放电功率指令高低,为两电池单元匹配同充同放和一充一放两种运行模式,同时优化设置两运行模式下电池荷电状态循环区间,平衡充放电电量。仿真验证表明,在风电平抑效果相同的情况下,所提策略可降低高充放电功率指令下电池单元充放电电流倍率,减少电池充放电循环次数,延长电池寿命,降低储能电池功率和容量的配置需求。

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不同长径比填充床蓄冷器储释冷特性研究

孙潇, 罗志斌, 蔡春荣, 朱光涛, 裴爱国

2024, 45(10): 745-751. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0971

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在相同操作条件下模拟分析16组具有相同总体积、不同长径比的蓄冷器（组）,比较准稳态的储冷量、释冷量、储释冷效率。结果表明：经过20次储释冷循环后达到准稳态。单体蓄冷器长径比从0.6增加到3时,储冷量/释冷量逐渐增加,但储释冷效率逐渐降低。并联数量从1增加到6时,蓄冷器组的储冷量、释冷量、储释冷效率均呈下降趋势。设计蓄冷器几何结构时,建议采用长径比为2的单体形式或串联形式。若必须并联,应尽量减小并联数量。

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区域电力系统复合储能发电系统容量优化

潘婷, 王俐英, 丁红坚, 曾鸣, 张晓春, 苏一博, 周旭艳

2024, 45(10): 752-763. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1002

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为提升区域发电系统风电、光伏等新能源占比,在阶梯碳价机制下,提出一种含复合储能的发电系统容量双层优化配置模型,利用电池储能配合抽水蓄能进行大规模充放电,实现系统效益最大化。上层以系统投资回收期最小为目标,下层以年运行效益最大为目标,并利用改进灰狼算法求解所构建的双层模型。结果表明,所提模型能在提升发电系统的售电收益和新能源的配置规模的同时,提升系统的环保性。

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考虑岩土分层的不同管材地埋管换热器换热性能研究

张远艳, 陶修, 陈谋, 夏承禹, 谢海燕, 陈飞舟

2024, 45(10): 764-770. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0973

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以竖直U型地源热泵地埋管换热器为研究对象,考虑岩土分层,设计一种复合管材,模拟分析传统PE管材、复合管材的换热性能,并根据区段能效系数设计复合管材、复合管材+PE管材布置形式,进一步探究两种布置形式的换热性能、经济性。结果表明：地埋管换热器使用复合管材能显著提高换热性能,特别是在进水管段及出水管段下部使用复合管材换热能力明显增强,在出水管段中、上部使用复合管材对提升换热性能不明显;复合管材+PE管材与复合管材布置形式换热性能相差甚小,但复合管材+PE管材布置形式管间热短路影响更小、更经济。

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