太阳能学报

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王飞, 李娜, 苏营, 孙勇, 杨恒, 甄钊

2024, 45(3): 1-9. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1827

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常规光伏电站仅能依赖局地地表气象观测信息进行辐照度预测,难以挖掘电站周边广域光伏资源的时空关联特性,限制了光伏电站辐照度以及发电功率的预测精度。针对上述问题,该文提出基于卫星遥感的光伏电站广域辐照度空间分布映射方法,并建立基于图卷积网络（GCN）的地表辐照度超短期时空关联预测模型,在充分利用多通道卫星数据的同时,考虑时空关联特性提高地表辐照度超短期预测精度。通过某光伏场站实例仿真分析,验证地表辐照度反演模型的可行性以及在此基础上所构建的辐照度时空关联预测模型的先进性。

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基于QROGI的永磁同步风力发电机定子电流谐波抑制方法

赖纪东, 郑伟炜, 苏建徽, 周晨光, 张军军, 李永强

2024, 45(3): 10-17. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0923

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针对永磁同步风力发电机驱动系统中定子电流谐波的问题,提出一种基于准降阶广义积分器（QROGI）的电流谐波抑制方法。将QROGI控制器引入电机控制电流环,利用QROGI控制器在设定交流频率处的高增益以抑制谐波电流;针对旋转坐标系下谐波电流分量在交直轴上表征为交流量,通过在电流内环叠加QROGI控制器实现对谐波电流的控制;对叠加QROGI的电流环控制器进行详细理论分析,对电流环控制器参数进行设计,给出详细的分析过程及控制器参数定量计算方法。最后通过搭建半实物实验平台验证了所提方法能够对永磁同步风力发电机定子谐波电流进行有效抑制。

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计及误差信息的自适应超短期风速预测模型

张金良, 刘子毅, 孙安黎

2024, 45(3): 18-28. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1692

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为提升超短期风速预测精度,提出一种计及误差信息的自适应混合预测模型。应用自适应噪声的完备集合经验模态分解模型与鲸鱼优化的变分模态分解模型分别对风速样本数据与预测误差进行分解,同时计算各子序列的模糊熵以判断序列复杂程度。在此基础上,应用鲸鱼优化的长短期网络预测复杂程度较高的序列,差分自回归移动平均模型预测复杂程度较低的序列。最后,将初始风速预测结果和风速误差预测值相加得到基于误差修正的超短期风速预测值。结果表明,修正预测误差与考虑分解策略可有效提升点预测的性能,与基准模型相比,所提模型在多场景下均具备优良的预测精度。

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基于故障物理的风力机叶片可靠性仿真分析方法

葛新宇, 毕俊喜, 李海滨, 聂晓波, 刘江

2024, 45(3): 29-40. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1716

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提出一种基于故障物理的风力机叶片可靠性仿真分析方法,通过绘制任务剖面和载荷剖面图,将叶片材料、结构、环境条件和使用方式等参数加载到数值计算模型中,进行瞬态热力学、振动应力和多应力耦合分析。结果表明,最大应力和热集中主要发生在叶片根部,变形主要发生在叶片中部到叶尖这段区间。从故障原因和机理出发研究叶片的故障规律,运用FMECA（故障模式、影响和危害性分析）处理收集到的故障信息。将定性评价指标予以定量化,以此建立叶片危害性矩阵和FMECA表格,在失效模式下对高危性故障数据进行可靠性评估,为工程实际提供必要的理论支持。该方法相较于传统基于手册的可靠性分析方法精度更高,与研制、生产、维修和管理并行,通过不断更新迭代,以保证产品可靠性要求的实现,为风力机叶片的可靠性分析提供了新的思路和实施方法。

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基于CLD模型的风电叶片延寿区间估计

曾世龙, 马强, 白学宗, 马辉东, 安宗文

2024, 45(3): 41-45. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1739

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为确定在役风电叶片到达设计寿命后能否延寿继续使用,提出一种基于恒幅寿命图模型的延寿区间计算方法。首先,分析叶片在运行工况下的载荷状况,采用应力-寿命（S-N）曲线分析弯矩作用下的疲劳寿命,进而定义弯矩-寿命（M-N）曲线。根据M-N曲线和CLD模型的映射关系建立延寿估计的CLD模型。基于延寿估计的CLD模型计算待退役叶片已累积的疲劳损伤,并从疲劳损伤估计可持续延寿的时间。最后,以某型叶片为例应用该方法进行延寿区间估计。

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停机时风力机塔筒与叶片的涡激机理

王丁丁, 赵振宙, 刘岩, 刘惠文, 马远卓, 罗乔

2024, 45(3): 46-53. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1756

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大型化风力机存在塔筒与叶片的脱落涡相互诱导的现象,极大影响机组的安全运行。为探究两者涡激互扰特性,该文以NREL 5 MW风力机为研究对象,分别选取距离地面65、70、75和80 m高度的塔筒与叶片共存的二维截面,开展6、8、10、12与14 m/s风况下数值模拟,并与单塔筒工况计算结果进行对比分析。研究结果表明,叶片与塔筒的尾涡存在严重相互诱导干涉;与单塔筒绕流工况相比,塔筒特定点压力值增长了1.5倍,升力系数出现多个响应幅值且其最大约为单塔筒的6倍;塔筒与叶片尾涡出现相互合并且脱落频率一致,涡激作用增强;塔筒-叶片工况下的涡脱频率较单塔筒降低,更易与风力机低阶固有频率出现交叉,风力机极可能出现共振。

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运行参数变化时双馈风电机组振荡机理及特性研究

曹娜, 苏亚妮, 于群

2024, 45(3): 54-64. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1777

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为研究风力机功率在风电机组中传播、变换时与风电机组各环节的耦合关系及机组输出功率振荡特性,以双馈风电机组为例,首先计及塔影效应和风剪切、风速大小,推导各子系统的能量函数;考虑机组阻尼及风速变化,分析各子系统能量变化及机组输出功率的振荡特性;最后,在PSCAD/EMTDC上建模仿真,通过能量变化深入分析风力机功率在机组内传播机理及功率振荡特性。仿真结果表明：含低频振荡分量的风力机功率通过负阻尼双馈风电机组时,与机组的次同步振荡耦合,风力机子系统、发电机及励磁子系统输出能量大幅增加,机组输出功率中既有低频振荡也有次同步振荡,它们随机组阻尼和风速变化而变化;风速变化时双馈风电机组消耗的能量主要由风力机子系统决定。

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海上风力机前端风电场瞬态重构研究

姜贞强, 王滨

2024, 45(3): 65-72. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1790

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针对海上风电单机位风速测点有限的关键问题,提出一种基于少数风速测点的海上风力机前端风电场瞬态扩展方法。基于本征正交分解（POD）将先验风电场数据分解为时间系数与空间模态特征信息,通过循环神经网络（RNN）建立有限风速测点到全局风电场的非线性映射关系,实时构建海上瞬态风电场。结果表明基于POD-RNN的重构模型可通过有限风速测点准确重构海上风力机前端风电场,全局风电场瞬态重构均方根误差（RMSE）可控制在1.8136 m/s内。

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基于二次分解和乌鸦搜索算法优化组合模型的超短期风速预测

邱文智, 张文煜, 郭振海, 赵晶, 马可可

2024, 45(3): 73-82. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1805

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针对风速的波动性和随机性等特点,提出一种基于二次分解和乌鸦搜索算法优化组合模型的超短期风速预测方法。该方法的基本思路是构造基于变分模态分解、样本熵和奇异谱分析的二次分解的方法,将原始风速序列分解为不同的子序列,并对这些子序列分别建立预测模型,最后重构。对变分模态分解的子序列建立基于长短时记忆网络的深度学习模型预测,而残差序列进行二次分解后的子序列建立乌鸦搜索算法优化的组合预测模型预测。最后,对子序列进行重构并得到最终的预测结果。使用实际的风速观测资料开展模拟实验,结果表明：在3个风电场中,所提模型与其他模型相比平均相对误差分别提升了30.07%、37.56%和37.40%,验证了混合模型在超短期风速预测中的有效性和稳定性,以及在不同数据集上的泛化性能。

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海上单桩风力发电机组载荷-基础全工况一体化设计

杨思阳, 陈前, 王瑞良, 孙勇

2024, 45(3): 83-89. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1820

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海上风电机组受到的外力载荷较为复杂,如何考虑所有外载的相互耦合对于获得更为准确的结构内力和变形等动力响应起到了关键性作用,同时也是响应海上风力发电机组降本需求的重要手段。通过浙江某海上风电项目的单桩基础分析对比分离式设计和一体化设计的区别,结果表明：分离式设计相比于一体化设计在风力机载荷和波浪载荷上缺乏时间的一致性;因波浪作用产生的部分惯性效应被重复考虑以及载荷相关系数的规定上也更为保守;一体化设计无论是在极限还是疲劳分析上都更优于分离式设计,能较大节约海上风力机基础的成本。

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弯扭耦合长柔叶片颤振速度分析

罗涛, 巫发明, 黄剑锋, 钟杰, 华旭刚

2024, 45(3): 90-94. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1828

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针对弯扭耦合叶片的颤振速度进行研究,提出基于FAST_v8结合非线性几何精确梁理论评估叶片颤振速度的分析方法,基于典型截面失稳机理验证该分析方法的准确性。以某80.74 m叶片为研究对象,分析空气密度、叶片重心弦向位置、扭转频率、挥舞频率等参数变化对颤振速度的影响。结果表明,该80.47 m叶片颤振速度随空气密度增大而减小;质心前移可有效抑制经典颤振;提高扭转频率可提升叶片的稳定性;挥舞频率位于0.2~0.4 Hz之间时较合适。

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一种基于PSO-VMD和LSTM的复杂山地风电场观测风速数据质量控制算法

熊雄, 姚润进, 程帅兵, 李文龙, 钱栋

2024, 45(3): 95-104. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1854

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复杂山地风电场普遍存在观测风速数据质量差引起风资源评估误差大、风功率预测精度低的问题。而复杂山地风速呈现较强的间隙性、波动性和非平稳性,导致常规质量控制方法无法有效提高数据质量。针对此,提出一种基于粒子群改进变分模态分解和长短期记忆网络的集成学习算法（PVL）,并应用于复杂山地观测风速的质量控制以提高风速数据的质量。以广西某复杂山地风场内5基观测塔2015—2016年逐10 min风速数据为案例进行PVL应用效果检验,并与传统单站及空间回归法、反距离加权法进行对比。应用表明,PVL比传统方法具有更高的寻误率,且在异地形、多风况上具有更强的适应性。

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三种流动控制方法对H型垂直轴风力机性能影响的对比分析

刘永飞, 陈微圣, 孙晓晶

2024, 45(3): 105-115. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1855

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采用数值模拟的方法,分别以基于NACA0021和NACA0018翼型表面带吸气缝叶片的升力型垂直轴风力机为二维、三维研究对象,研究叶片表面施加吸气对提高升力型（H型）垂直轴风力机叶片做功性能的效果。通过开展二维模拟研究,探究多吸气缝在叶片吸力面上的位置对垂直轴风力机气动性能的影响,并对比研究吸气和吹气这两种常用的主动流动控制方法提升垂直轴风力机风能利用净效率的区别。在此基础上,对叶片表面采用吸气控制的垂直轴风力机进行三维数值模拟分析,并将其获能特性与采用波浪前缘叶片即被动流动控制后的垂直轴风力机的性能进行了比较。结果表明,当多吸气缝位置位于距离叶片前缘10%~15%弦长区域范围内时,能最好地抑制垂直轴风力机叶片表面的流动分离,改善叶片的气动性能。与吹气控制方法相比,叶片表面采用吸气控制后的风力机的风能利用净效率在全叶尖速比下的增幅更加明显;而与波浪前缘控制方法相比,采用吸气控制后风力机风能利用净效率在低尖速比下提升效果更为显著,最大提升幅度可达到140%。该文研究结果表明吸气方式可使垂直轴风力机的效率在较大的运行工况内都有明显提高,与吹气和波浪前缘的方法相比在提升风力机气动性能效果方面更为显著,因此也更具工程应用的潜力和优势。

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长期循环荷载作用对大直径单桩水平承载特性的影响分析

赖踊卿, 孙毅龙, 李炜, 戚海峰, 许成顺, 何奔

2024, 45(3): 116-121. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0163

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海上风力机结构体系长期经受波浪、风等水平循环荷载的作用,循环荷载的长期作用会引起桩周地基土体产生棘轮效应及形成密实沉陷区,研究长期循环荷载效应对风力机单桩承载特性的影响规律具有重要的工程意义。基于有限差分软件FLAC^3D计算平台,建立风力机单桩的数值计算模型,与既有桩基试验开展对比验证模型的有效性;随后引入长期循环荷载效应引起的桩周密实沉陷简化模型,开展海上风力机大直径单桩的承载性能对比研究,探讨考虑与未考虑密实沉陷区时桩基的变形、弯矩、p-y（土体抗力-桩基水平位移）曲线的差异,分析长期循环荷载效应对桩基承载特性的影响规律。结果表明,密实沉陷对单桩的刚性转动点位置基本无影响,但在桩基埋置的浅层区域,桩周密实沉陷区对桩基水平位移影响显著,且引起桩基弯矩发生突变。

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齿面粗糙度对风电齿轮箱行星轮系动力学特性影响

谭建军, 杨书益, 李浩, 孙先田, 朱才朝, 孙章栋

2024, 45(3): 122-132. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0489

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为研究齿面粗糙度对行星轮系动力学特性的影响,提出行星轮系齿轮副动态承载接触分析与系统振动位移耦合方法。以某型兆瓦级风电齿轮箱行星轮系为研究对象,基于分形理论对轮齿粗糙表面进行分形表征,通过齿轮副啮合变形协调条件,构建齿面动态承载接触状态与构件振动位移、粗糙齿面啮合误差以及摩擦力的关联关系,建立风电齿轮箱行星轮系动力学模型,分析粗糙齿面啮合误差与摩擦力对系统动态特性的影响。结果表明：随着粗糙度的增大,齿面载荷峰值与波动幅值增大,动态啮合刚度幅值出现明显波动,均载性能降低;增大粗糙度会降低行星轮系临界转速,在低转速区域内,其具有激励增振作用,而在临界转速区域附近,其具有阻尼减振作用;摩擦力主要影响行星轮系各构件振动位移,可改变动态啮合力在少齿啮合区的幅值。

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生物质双流化床气固流动特性研究与数值模拟

肖彬, 王鑫, 宋永一, 张彪, 吴斯侃

2024, 45(3): 133-138. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1768

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依靠双流化床冷态装置考察流化风和松动风的流量对流化床流化形式、返料器料封高度以及固体循环量的影响。当流化风流量为5 m³/h时,流化床气化器内颗粒呈鼓泡流化。返料器料位与返料器两侧压差有关,压差越大,返料器内料封高度越低。气体反窜时返料器两侧压差变小,料位逐渐升高。不改变其他条件,在下松动风流量为3 m³/h及以下时,增大松动风流量,颗粒循环量逐渐增加,一定条件下固体颗粒循环量达到最大为6.72 kg/h。对装置进行数值模拟,结果显示颗粒的流化形式与实验一致。

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生物统合加工嵌合纤维小体组装模块反应机制探究

徐奭, 万平, 李娟娟, 刘涵, 杜济良, 田沈

2024, 45(3): 139-144. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1782

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为探究生物统合加工嵌合纤维小体中重组蛋白粘连模块与对接模块的分子相互作用及其对嵌合纤维小体组装效率的影响,采用酿酒酵母细胞分泌表达支架蛋白和酶分子催化模块,在胞外通过非变性蛋白凝胶电泳和等温滴定量热法测定分析二级支架蛋白、纤维素酶分别与一级支架蛋白结合时的相互作用反应。结果显示,分别连接二级支架蛋白和纤维素酶蛋白的对接模块与粘连模块的亲和力常数增大,亲和力减小,组装反应为焓变驱动的放热反应并产生氢键,证明这些蛋白分子间亲和力减小是导致二级支架蛋白与一级支架蛋白组装效率较低的主要影响因素。

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聚羟基脂肪酸酯生产菌种及发酵工艺研究进展

龙婷婷, 庄新姝, 周桂雄, 翁庆北, 方正, 吴庆珊

2024, 45(3): 145-154. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1808

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首先对聚羟基脂肪酸酯（PHAs）发酵菌种的选育情况及发酵特性进行比较全面的介绍,对已报道过的发酵工艺进行系统性综述、比较及分析。最后,归纳目前利用微生物发酵生产PHAs存在的问题,并对PHAs发酵菌种及工艺的未来发展趋势及重点研究方向进行展望。

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基于微型流化床的油页岩与棉秆共热解特性及其动力学

阿衣克力木·哈山, 张宸, 李林繁, 林立成, 艾热提·阿不都艾尼, 亚力昆江·吐尔逊

2024, 45(3): 155-162. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1814

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采用微型流化床反应分析仪分析油页岩与棉秆共热解特性,探讨不同热解温度和混合比例对H₂、CH₄、CO、CO₂释放特性的影响,并利用等转化率法求解动力学参数,研究共热解过程中的相互作用。结果表明,油页岩和棉秆的单独热解气体释放特性存在明显差异,而在等温共热解过程中,棉秆的添加能加快反应的转化率,提高气体生成速率。通过Friedman-Reich-Levi方法计算气体生成活化能,结果显示共热解活化能明显低于理论值,表明共热解能提高原料热解反应性,促进气体的生成。

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药渣木质素定向解聚制备高密度航油合成原料

简雅婷, 王帆, 陈小燕, 张宇, 余强, 袁振宏

2024, 45(3): 163-168. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1815

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以三叉苦药渣木质素为原料,在低共熔溶剂（ChCl-MeOH-AlCl₃·6H₂O）与催化剂（Cu（OAc）₂/邻菲罗啉）耦合作用下解聚生成高密度航油合成原料,考察不同反应温度、时间、固液比、催化剂添加量与氧气含量对木质素催化氧化解聚效果的影响。结果表明：在固液比1∶30 g/mL,木质素、Cu（OAc）₂、邻菲罗啉的质量比1∶1∶1,3 MPa氧压,60 ℃条件下反应3 h后,木质素选择性解聚生了芳香醛酮类高密度航油合成原料,木质素转化率达到80.84%,香草乙酮与香草醛收率分别为16.69％和34.39%。

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密封限氧法制备秸秆生物炭参数的优化研究

朱凤君, 张春燕, 乔印虎, 何春霞, 辛楠, 王宁

2024, 45(3): 169-177. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1836

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以小麦秸秆、水稻秸秆和油菜秸秆为原料,利用正交试验思路设计密封限氧处理下制备秸秆生物炭的方案,测定并分析其理化特性、官能团结构及形貌特征。结果表明：炭化温度是影响生物炭制备的优先考虑因素,秸秆生物炭的炭产率随热解温度的升高而减小,其pH值和灰分则相应增大;相较于小麦秸杆和油菜秸杆生物炭,水稻秸秆的炭产率、pH值和灰分含量最高。温度为550 ℃,保温时间在60 min时,秸秆生物炭的官能团吸收振动峰趋于平缓,表面出现蜂窝状孔隙结构,表明其孔隙丰富,结构稳定。

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国槐废弃物固体燃料热压成型优化分析

杨原青, 孙乾坤, 简鸿亮, 辛佩宸, 乔昕丹, 张静

2024, 45(3): 178-185. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1475

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采用响应面法研究国槐废弃物生物质固体燃料密度、耐久性及抗跌碎性3个物理性能与成型温度、含水率及压强的关系,并应用满意度函数法对工艺参数进行三响应优化分析。结果表明：国槐固体燃料在温度50~130 ℃,含水率5%~13%,压强60~130 MPa范围内燃料密度、耐久性和抗跌碎性分别达到0.994 g/cm³、96.31%和99.41%以上,最佳燃料成型参数为温度84.40 ℃,含水率5.08%,压强129.76 MPa,在此成型参数下燃料密度、耐久性及抗跌碎性分别为1.075 g/cm³、99.06%及99.95%。

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基于变分法减少损耗的直驱式波浪发电系统功率优化

林炳骏, 杨俊华, 林汇金, 梁惠溉, 吴凡曈, 邱达磊

2024, 45(3): 186-192. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1065

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为提高不规则激励力下直驱式波浪发电系统的输出功率,改善波能捕获能力并减少系统主要损耗,结合电机与水动力方程,建立直驱式波浪发电系统数学模型,基于变分法构造能量泛函,求解泛函极值后得出最优控制律;设计扩展卡尔曼滤波器（EKF）观测系统不易获取的相关状态变量,离线调整泛函惩罚项系数,在不增加整体计算量的情况下获得理想参考电流,并应用磁场定向控制策略进行跟踪,同时兼顾电磁力约束与功率捕获关系。仿真结果表明,所提方案响应速度快、状态观测精度高,可有效提升功率捕获能力、减少系统主要损耗、提高输出功率。

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基于EMD-LSTM多变量输入的极端海况预报模型

张茴栋, 陈丽贤, 张德康, 史宏达

2024, 45(3): 193-200. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1759

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极端海况是多种外界因素共同作用的结果,传统单变量波浪预报模型无法考虑多变量的影响,因此构建EMD-LSTM多变量输入模型来预报极端海况。以浮标数据作为分析数据集,利用改进的EMD算法消除变量端点效应和时序非平稳性的影响,运用多变量输入模型对其进行预测分析。结果表明：多变量复合模型可对极端海况实现有效提前预警,输入层引入波高、风速和阵风3个关键因子后模型预报性能最佳,比对均方根误差和纳什效率系数可知多变量输入的预报性能较单变量有显著提升。

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一种基于EGK-均值聚类和PCA的海流发电机叶片冲击故障检测方法

谢涛, 张卫东, 张义博

2024, 45(3): 201-209. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1793

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海流发电机受海流流速变化、随机湍流的影响呈现多变工况,想要准确检测出叶片冲击故障是一项巨大挑战。基于此,提出一种基于包络几何特征聚类（EGK-均值聚类）的方法用于划分变工况下产生的定子电流信号,在不同子工况下建立故障检测模型。首先,根据样本矩阵构建包络几何特征矩阵,利用几何特征矩阵确定初始聚类中心进行聚类;然后,基于各工况下的包络数据分别进行主元分析以降低数据维度;最后,T²和SPE统计量被计算用于实时冲击故障检测。一台海流发电机样机及配套循环水槽被搭建验证本文所提方法。实验结果表明本文所提方法在变工况下针对海流发电机叶片冲击故障有着显著的识别能力和检测精度。

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竖直单U型地埋管换热器埋管间负热阻现象的参数化研究与分析

李露茜, 廖全, 刘贤燕, 彭清元

2024, 45(3): 210-216. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1700

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基于Mutipole方法对竖直单U型地埋管换热器钻孔内外的耦合传热过程进行求解,在钻孔内三热阻和四热阻简化传热模型基础上,详细地分析钻孔内的复杂稳态传热过程,参数化研究埋管布置结构、回填料与岩土热物性等因素对钻孔内埋管间直接传热热阻的影响规律,揭示导致钻孔内埋管间负热阻现象的本质原因,对钻孔内热阻传热模型的工程实践应用给出参考意见。

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放射形相变蓄热器的释热特性实验与数值研究

武宾, 张嘉杰, 聂姣, 石颖, 马素霞

2024, 45(3): 217-224. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1719

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针对太阳能热利用的时空不匹配问题,设计并制备一种放射形相变蓄热器,通过实验与数值模拟研究了蓄热器释热功率及相变材料固相率在释热过程中的响应特性,探讨了冷却工质流量、进水方式、翅片型式对释热性能的影响规律。研究结果表明：蓄热器的释热过程可划分为液态显热区间、潜热区间、固态显热区间3个阶段,潜热区间相变材料的潜热作用使得释热功率下降相对缓慢;冷却工质流量越大,释热功率下降速率越快,完全凝固时间越短;不同进水方式对换热效果影响不明显,但可改善蓄热器的换热均匀性;与平板翅片相比,放射形翅片各翅片单元间相变材料的导热更均匀,凝固时间缩短31%,提高了换热速率。

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存在初始静偏心的储能飞轮转子动力学特性

张昊随, 柳亦兵, 滕伟, 武鑫

2024, 45(3): 225-232. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1736

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以大功率储能飞轮转子系统为研究对象,探究电机转子存在初始静偏心时飞轮动力学特性的变化规律。首先使用能量法求出电机转子不平衡磁拉力（UMP）与转子偏心位移之间的关系,采用Timoshenko梁单元模型建立包含UMP的飞轮转子机电耦合动力学模型,计算分析电机转子初始偏心量和偏心方向对飞轮稳态和瞬态特性的影响,得出以下结论：随着偏心量的增大,上轴承处轴心轨迹出现嵌套圆环,频谱出现3种频率成分且幅值增大,升速响应曲线共振峰的峰值增大,对应转速减小;当偏心方向改变且旋转一周时,转频等成分的幅值、升速响应曲线共振峰值产生明显的周期规律变化。

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基于迁移学习与GRU神经网络结合的锂电池SOH估计

莫易敏, 余自豪, 叶鹏, 范文健, 林阳

2024, 45(3): 233-239. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1771

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为解决退役电池梯次利用过程中单体剩余使用寿命估计困难、测试流程复杂与能耗高等问题,提出迁移学习与GRU网络结合的锂离子电池健康状态估计方法;设计的基础模型结构为输入层+GRU层+全连接层+输出层;根据健康因子的得分,选择训练基础模型的数据集、划分电池相似度等级并制定对应的迁移学习策略。实验结果表明：与其他模型相比,分别使用数据集的前40%与前25%训练得到的基础模型与迁移学习模型,两者的精度分别最大提高42.48%与95.28%,而预测稳定性分别最大提高55.38%与93.55%。

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基于改进DDPG的变速抽蓄机组参与系统调频研究

劳文洁, 史林军, 王伟, 杨冬梅, 吴峰, 林克曼

2024, 45(3): 240-250. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1846

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在挖掘双馈型抽水蓄能（DFIM-PSH）机组调频能力的基础上,提出一种基于改进深度确定性策略梯度（DDPG）算法的系统频率控制方法。首先,基于所确定的DFIM-PSH机组在发电与抽水工况下的频率控制环节,构建考虑风电接入的含DFIM-PSH单区域系统频率控制模型。其次,在考虑机组运行约束的基础上以最小化系统频率偏差及调频出力为目标,引入DDPG算法对各机组的AGC控制指令进行优化。通过在预学习中同时引入随机外部扰动与模型参数变化,提高AGC控制器在具有强不确定性环境中的适应性。最后,在仿真验证DFIM-PSH调频优势的基础上,在不同风电接入及扰动等多场景进行仿真分析,结果表明,所提频率控制方法能有效改善新型电力系统的频率特性且具有强鲁棒性。

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基于CS-DBN的锂电池剩余寿命预测

梁佳佳, 何晓霞, 肖浩逸

2024, 45(3): 251-259. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1923

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为了更准确地对锂电池剩余使用寿命进行预测,提出一种基于布谷鸟算法（CS）和深度信念网络（DBN）的预测模型。首先,引进16个影响锂电池RUL的健康因子（HI）,通过随机森林（RF）选择出对于剩余寿命预测较为重要的9个HI。随后用CS去寻优深度信念网络模型中隐藏层的参数,通过寻优,建立最优的深度信念网络预测模型。最后,使用马里兰大学所收集的电池数据（CALCE）进行实验,结果表明：所提出的CS-DBN模型的拟合优度高达98%,且与其他模型的预测结果进行对比,具有更小的误差,验证了所提方法的有效性。

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基于实际工况的燃料电池水气传输及相变规律研究

王来华, 代世勋, 曹爱红

2024, 45(3): 260-268. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1727

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利用CFD软件建立二维多相质子交换膜燃料电池单电池模型,对不同工况下质子交换膜燃料电池内部水气传输及相变过程进行仿真。在试验验证及元无关性验证的基础上,分析起步工况、加速工况、急停工况下的质子交换膜燃料电池内部状态变化。研究结果表明：当电流密度为1500 mA/cm²时,质子交换膜燃料电池功率密度达到最大值654.9 mW/cm²;起步工况下,质子交换膜燃料电池内部反应会在达到额定功率10 s后逐渐达到平衡;加速工况下,三次方加速模式的最低液态水饱和度界面、水-气相界面的持续时间最长;急停工况下,质子交换膜燃料电池的突然停机会使得其仍保持与停机前相近的状态。

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阴极Mg²⁺污染物对PEMFC电化学性能及电化学阻抗影响

许丽凤, 谈金祝, 李易惠子, 朱京宇, 侯琼, 韦彦强

2024, 45(3): 269-276. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1728

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质子交换膜燃料电池经过长期运行后,其部件（弹性垫片、极板等）会发生损伤,并产生金属离子污染物（如Ca²⁺、 Mg²⁺）,这将影响燃料电池长期运行的稳定性和耐久性。通过向燃料电池阴极空气流中添加不同浓度（100、300和500 mg/L）的Mg²⁺溶液,研究了极化曲线以及电化学阻抗谱,分析了阴极Mg²⁺污染物对燃料电池电化学性能及电化学阻抗的影响。极化曲线实验结果表明3种浓度梯度的阴极Mg²⁺污染物均对燃料电池的电化学性能有明显负面影响,污染后的燃料电池的电流密度出现下降,且下降程度与阴极Mg²⁺污染物浓度和污染时间呈正相关。极化曲线理论分析结果表明：3种浓度梯度的阴极Mg²⁺污染物均显著影响质子交换膜的渗透性并增大质子交换膜对氢离子的阻抗,且污染时间越长,质子交换膜性能恶化越严重。电化学阻抗谱分析结果表明：3种浓度梯度的阴极Mg²⁺污染物均会增大质子交换膜对氢离子的阻抗以及阴极法拉第电阻,且质子交换膜对氢离子的阻抗随污染时间增加而增大;阴极双电层结构受这3种浓度梯度的阴极Mg²⁺污染物影响不明显。

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合成气/CO₂火焰传播过程中辐射再吸收的影响

安秀丽, 刘浩, 何育臻, 郑树, 陆强

2024, 45(3): 277-281. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1744

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针对生物质制取合成气燃料制备和应用过程中CO₂掺混的影响,对合成气/空气/CO₂预混火焰中开展数值模拟,通过不同的辐射模型研究辐射再吸收对火焰传播速度的影响。结果表明,辐射再吸收提高了火焰传播速度,最大提升幅度可达11.15%。随当量比增加,辐射再吸收对火焰传播速度的提升幅度从11.15%减小至3.12%,受预热导致的化学效应控制。H自由基在贫燃工况占据主导地位,辐射再吸收通过反应H+O₂==O+OH影响火焰传播速度;而富燃工况下,与OH自由基相关的反应H+OH+M==H₂O+M是辐射再吸收影响火焰传播速度的主导反应。

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基于HHO-FA的PEMFC电堆辨识建模

陈永辉, 苏建徽, 解宝, 吴琼, 黄赵军, 黄诚

2024, 45(3): 282-289. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1754

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为解决质子交换膜燃料电池（PEMFC）模型参数难以确定的问题,该文提出一种基于哈里斯鹰算法（HHO）和萤火虫算法（FA）联合的优化算法,即HHO-FA算法,用于PEMFC模型的参数辨识。为提高PEMFC建模精确度,HHO-FA保留HHO中搜索效率和精度较高的全局搜索过程,局部寻优过程结合具有群体寻优特征的FA算法,同时优化负责全局搜索和局部搜索切换的转换因子,加入惯性权重因子,优化算法结构。该文使用燃料电池的商业仿真工具箱Thermolib获取算例数据,并通过与粒子群算法（PSO）、HHO算法、蚁群算法（ACO）和FA算法对比分析,对HHO-FA的PEMFC参数辨识性能进行研究。仿真结果表明,相较于PSO、HHO、ACO和FA,HHO-FA的辨识精确度和收敛效率均最高,证实所提出HHO-FA算法在PEMFC模型参数辨识方面的突出性能。

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大功率质子交换膜燃料电池建模及仿真

陈家城, 周苏

2024, 45(3): 290-297. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1982

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针对70 kW大功率燃料电池系统进行建模,基于Simulink平台搭建质子交换膜燃料电池电堆系统模型。基于该模型在稳态下研究温度、膜含水量、压力对电池输出性能的影响,分析水气跨膜运输情况。仿真结果表明电流密度在0.4~1.0 A/cm范围内时,电堆输出电压保持稳定。然后在新欧洲驾驶循环（NEDC）动态工况下,分析电池系统输出性能和水气跨膜传输情况,结果表明所建模型可用于大功率车用PEMFC研究。

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氢动力船加注过程高压氢气泄漏数值模拟

孔祥宇, 胡始弘, 康济川, 闫发锁, 刘大辉, 董岩

2024, 45(3): 298-304. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1774

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该文针对氢动力船加注过程中可能发生的高压氢气泄漏问题进行了数值模拟研究。首先,通过与已有实验结果对比,验证了CFD虚喷嘴模型和分层流动模型的有效性。其次,结合氢动力船实际加注场景,着重分析风速、障碍物对高压氢气扩散行为的影响。最后,利用半球扩散模型划分疏散区域,提高氢动力船加注过程的安全性。结果表明：分层流动模型与实验结果拟合性更好;高速的风可阻止氢气上浮,增加氢气泄漏距离,降低氢气浓度;泄漏源下游设置障碍物一定程度上缩短了易燃云在水平方向上的扩散距离。

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等离子体处理的V掺杂镍铁基电催化剂用于高效析氢

靳葆杰, 王婧, 朱小宁, 黄林泉

2024, 45(3): 305-309. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1810

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该文采用一步水热法在泡沫镍表面原位生长V掺杂的镍铁层状双氢氧化物（NiFe LDH）,结合H₂等离子体还原法,构建Ni纳米粒子锚定在大量氧空位和镍空位上的异质结构,增加活性位点数量,提升NiFe LDH的HER活性。结果表明,在1 mol/L的KOH电解液中电流密度为10 mA/cm²下催化剂的过电势仅为37.5 mV,Tafel斜率为49 mV/dec,经过100 h的恒电流测试其析氢活性无明显衰减。此外,全解水测试中其同样具有良好的析氢活性和稳定性,10 mA/cm²电流密度下全解水电压仅为1.57 V,经过1000 h的恒电流测试其析氢活性无明显下降。

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计及碳交易与需求响应的微能源网双层优化模型

段新会, 黄嵘, 齐传杰, 陈博文

2024, 45(3): 310-318. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1711

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该文在微能源网的基础架构上,以全年总成本最低为目标函数,结合碳交易与需求响应构建微能源网双层优化配置模型。结合区域环境数据与年度典型日案例分析,优化模型得到最优规划配置以及在该配置下的各设备最优日运行出力调度情况,相比基础模型提高了可再生能源装机容量并获得了更高的碳排放权收益,通过需求响应调整用户侧灵活可控负荷,在保证可再生能源的消纳能力的前提下,有效节省了总成本。算例结果表明,该模型能够使微能源网在保证系统经济性的同时促进实现减碳目标,对MEG的前期规划设计有重要意义。

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基于RBF-LADRC的虚拟同步发电机控制策略

杨旭红, 杨一矜, 潘宇, 顾伟伟, 杨慧, 贾巍

2024, 45(3): 319-325. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1734

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随着大规模分布式发电技术的出现,为支持微电网的稳定运行,提出虚拟同步发电机（VSG）技术。由于VSG常用的电压电流双闭环控制存在动态响应时间久、抗扰动能力弱的缺点,考虑LADRC对扰动具有更优异的动态响应速度,该文提出一种用于VSG电压外环控制的线性自抗扰控制方案,并采用RBF对LADRC中的关键参数进行在线整定,以实现控制器的实时优化。在Matlab/Simulink平台下搭建仿真模型,并对所提出的改进策略与传统控制策略进行仿真对照,结果显示该策略可有效提高并网环境下虚拟同步发电机功率和频率稳定性。

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基于改进差动电流函数的柔直配电线路保护原理

戴志辉, 李毅然, 焦彦军, 刘珊珊, 史琛, 周鑫泽

2024, 45(3): 326-336. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1745

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针对纵差保护辨识高阻故障困难,且易受噪声、区外短路和异常数据等因素干扰的问题,提出基于改进差动电流函数的柔直配电线路保护原理。改进差动电流函数放大了区内外短路暂态特征差异,有利于高阻故障识别,同时也避免了区外故障对保护可靠性的影响;基于Same卷积的Hausdorff距离算法可有效抑制异常数据干扰,最终通过两者配合实现故障区域和故障类型辨识。PSCAD/EMTDC仿真验证表明,所提保护能有效识别直流线路短路,不受过渡电阻、噪声和异常数据等因素影响,适用于含多类型换流器和分布式可再生能源电源的柔直配电网。

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考虑动态定价和碳交易的多园区综合能源服务商低碳合作优化策略

栗然, 吕慧敏, 彭湘泽, 王炳乾, 祝晋尧

2024, 45(3): 337-346. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1751

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为解决多园区综合能源服务商参与综合能源市场和碳交易市场带来的利益分配和动态定价问题,该文提出一种新的多园区服务商合作交易框架。首先,设计阶梯式碳交易下多园区综合能源服务商合作运行交易机制,针对区域零售市场制定动态价格,以指导各园区服务商购能行为;其次,在新型电力系统的逐步构建下,根据新能源占比变化,完善碳配额与碳排放模型,并通过市场下阶梯式碳交易机制约束各园区的碳排放;最后,建立多园区服务商纳什议价模型,将所建模型分解为联盟成本最小化与电热交易支付谈判子问题,通过算例验证所提模型和方法能提高各园区参与联盟主动性,并有效降低各园区碳排放和总运行成本。

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园区综合能源系统低碳经济优化调度模型研究

袁世琦, 潘鹏程, 魏业文, 徐恒山, 霍明雷

2024, 45(3): 347-356. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1784

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现有的园区综合能源系统调度方案,存在成本高、污染环境且能源利用率低等问题。因此,提出一种计及电转气和碳交易机制的园区综合能源系统低碳经济优化调度模型。首先,重点分析电转气过程甲烷化环节强放热特性,研究其对系统优化调度的影响;其次,构建含补偿系数的综合园区能源系统阶梯式碳交易机制,以约束园区碳排放;最后,建立以运行成本、弃能功率、碳排放量最小为目标的园区综合能源系统优化调度模型,并进行多目标优化计算。结果表明：所提优化模型的总成本、弃能功率和碳排放量分别下降了15.4%、98.3%和19.7%。因此,该文所提园区综合能源系统优化调度模型提高了对能源的利用效率和经济性,并有效降低了园区的碳排放。

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考虑多类型主体的日前能量-调峰联合市场优化

张新松, 高希, 朱建峰, 陈沛, 郭云翔, 卢成

2024, 45(3): 357-366. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1788

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新型电力系统中,风电渗透率持续攀升,调峰需求随之增加,有必要通过日前能量-调峰联合出清调动市场主体调峰意愿,支撑大规模风电消纳。在对燃煤机组、风电场与储能等多类型市场主体调峰能力与报价规则进行分析的基础上,建立综合考虑燃煤机组深度调峰、启停调峰,风电场主动“弃风”调峰与储能充电调峰的日前能量-调峰联合市场优化模型。模型以能量与调峰辅助服务总采购成本最小为优化目标,同时考虑各市场主体技术约束、投标约束与电网潮流约束,是大规模混合整数规划问题,可采用CPLEX求解器求解。基于改进IEEE 14节点系统的仿真实验验证该文所提日前能量-调峰联合市场优化模型与求解方法的有效性。此外,结合仿真实验对各市场主体参与调峰辅助服务的收益进行详细分析。

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考虑新能源与储能参与调频的联合市场出清模型

王傲儿, 赵书强, 宋金历, 李志伟

2024, 45(3): 367-376. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1795

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新能源渗透率的不断增加以及越来越多的储能装置并入电网,使得现行的调频市场机制已不能再适应电力系统的实际情况,基于此现状构建风、光以及独立储能装置与常规火电机组共同参与的调频辅助服务市场与电能量市场联合出清模型,模型中利用层次分析法（AHP）进行调频性能指标的权重优化,使得新能源与独立储能装置参与电网调频后的电力系统的调频压力减小,同时进一步提高对新能源的消纳力度。通过算例分析表明,引入高渗透率的新能源机组与独立储能装置参与调频市场不仅能减少调频性能较差的火电机组中标,减少弃风、弃光现象,也能减少运营商购买调频服务的费用支出。

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面向光伏平抑考虑SOH与SOC的电池储能系统功率分配方法

余洋, 王卜潇, 吴玉威, 陈东阳, 李梦璐, 蔡新雷

2024, 45(3): 377-388. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1797

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针对电池储能系统（BESS）参与光伏平抑时寿命损耗较高的问题,提出面向光伏平抑考虑健康状态（SOH）与荷电状态（SOC）的BESS功率分配方法。首先,将光伏并网标准、BESS容量和最大充放电功率作为约束条件,建立以并网波动率、BESS寿命损耗和SOC恢复为目标的光伏并网指令优化模型,并利用改进天鹰优化的改进雨流计数法进行求解;然后,设计BESS两级功率分配策略,在传统容量二分法的基础上引入离群组,并动态调整电池组容量,提出兼顾SOH和SOC的BESS动态分组方法,实现功率指令从BESS向电池组的初级分配,并进一步结合电池单元SOH与SOC的标准差与极差动态估计各电池单元响应能力,设计基于SOH/SOC均衡原则的电池单元功率分配方法,实现功率指令从电池组向电池单元的次级分配;最后,电池单元响应功率指令完成调节。采用某配备BESS的光伏电站的冬季典型日出力进行仿真验证,并与其他多种方案进行对比,结果表明,所提方法在满足光伏并网波动率的要求下,降低了电池SOH差异,增强了电池单元SOC一致性,减少了BESS寿命损耗。

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模型信息联合校正型自抗扰控制策略

马幼捷, 袁业沧, 周雪松, 徐晓宁, 丰美丽, 问虎龙

2024, 45(3): 389-398. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1799

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为解决微电网受到不确定扰动时,会对直-直变换器输出的电能质量产生严重影响的问题,该文提出一种模型信息联合校正型自抗扰控制技术（ADRC-MIR）。在该控制策略中,首先借助串联超前校正的思想,以比例微分校正环节对线性扩张状态观测器的扰动观测传递函数进行修正,使其可实现对总和扰动更精确的跟踪;然后,根据状态空间平均法从被控系统中提取部分模型信息,将其写入修正后的线性扩张状态观测器的系数矩阵并最终构建出ADRC-MIR;随后基于理论推导,给出改进控制器的参数整定公式及其物理意义,并从噪声抑制、扰动抑制及其频域特性等方面指出改进后的控制器可提升控制品质的原因。最后通过对比不同工况下的数值仿真验证所提控制策略的可行性与正确性。

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含风电并网的源荷双层机组优化组合模型

李英量, 董志伟, 白博旭, 郭飞燕, 刘梦溪, 李飞

2024, 45(3): 399-407. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1821

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针对系统调峰能力不足,严重限制新能源的消纳问题,提出计及源荷两侧可调节资源的综合市场服务机制与需求响应的双层机组组合模型。上层对荷侧建立计及响应不确定性的以净负荷波动最小为目标函数的价格型需求响应模型;下层对源侧建立包含电力市场深度调峰辅助服务与碳市场奖惩阶梯式碳交易机制的综合市场交易机制,构建以综合运行成本最小为目标函数的机组组合模型;最后,将原问题转化为混合整数线性规划问题,通过设置不同场景验证该模型的有效性。

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基于新型CD单元的两相交错并联高增益Boost变换器

杨向真, 刘灿, 杜燕, 张涛, 陶燕, 王锦秀

2024, 45(3): 408-418. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1824

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为减少基于电容-二极管（CD）升压单元的两相交错并联高增益Boost变换器的CD单元数量,提升变换器电压增益,提出一种最后两级CD单元电容并联充电、串联供电的新型两相交错Boost变换器拓扑结构,进一步发挥CD单元的升压能力。分析新型3CD、4CD两相交错并联Boost变换器的拓扑演化过程,提出新型NCD两相交错并联Boost变换器的拓扑演化规律。以新型4CD两相交错并联Boost变换器为例,分析变换器工作原理,以及电感、电容寄生电阻对变换器电压增益的影响。最后在StarSim硬件在环实验平台搭建1 kW的新型4CD单元交错并联Boost变换器,验证该文所提拓扑的正确性。

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计及碳捕集的综合能源系统低碳经济优化调度

胡福年, 周小博, 张彭成, 陈军

2024, 45(3): 419-427. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1832

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针对碳捕集与封存（CCS）技术和电转气（P2G）设备,提出一种计及碳捕集、P2G和储能设备联合运行模式,通过细化P2G两阶段运行过程,提高氢能的利用效率;利用储能设备解决CO₂在捕集和利用上的时间不匹配问题,并考虑阶梯式碳交易机制进一步降低综合能源系统（IES）中CO₂排放量。据此构建含碳捕集的IES低碳经济优化调度模型,并根据不同时刻碳排放量大小分成两种调度模式,利用Matlab软件中的求解器GUROBI软件对模型进行求解。仿真结果表明,所提调度方法可进一步降低系统运行成本、提高可再生能源消纳和减少碳排放量。

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基于多尺度分解的风火储协同调频控制策略

陈鹏, 王玮, 杨建青, 房方, 郭金龙

2024, 45(3): 428-435. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1843

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为提升风火两大主力电源对电网频率的主动支撑能力,提出一种基于多尺度分解的风火储协同调频控制策略。首先,考虑风火及储能参与电网调频时的不同响应时间尺度,提出基于小波包分解的频差指令多尺度分解方法及风火储分别响应中低高频差分量的互补匹配方案;提出适应火电调频响应特性的频差指令低频分量获取方法,发展考虑风电有功裕度和储能容量约束的风储出力自趋优调配方法,实现风火储与中低高频分量的精准对应;针对不同运行工况,提出基于调频裕度的风电场聚类分区方法及风力机有功功率智能调控方法,提升风电场对电网频率的主动支撑能力。仿真结果表明,所提策略能有效实现风火储联合参与一次调频,在满足约束的前提下,充分利用风储调频容量,有效改善系统频率特性。

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高量测丢包率下基于共享模糊等价关系的配电网状态感知

黄蔓云, 马一达, 孙国强, 卫志农

2024, 45(3): 436-445. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0799

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配电网分布式新能源渗透率的不断增加,对实时监测的要求不断提高,大量量测数据在集中传输过程中常常出现延迟、丢包等现象导致配电网状态感知精度降低甚至不可观测。针对上述问题,提出基于共享模糊等价关系的状态感知方法。首先,将采集得到的多时间断面历史量测数据集作为源数据集,实时采集得到的高量测丢包率下的数据作为目标数据集。利用三角形隶属度函数分别将两组数据集写成模糊集的形式。然后采用一种向量间距离度量方法,分别计算得到两组模糊集的模糊等价关系矩阵。在此基础上,采用共享模糊等价关系的聚类方法,将知识从源数据集转移到目标数据集,减小两组数据集特征分布之间的差异。最后,利用深度神经网络对知识迁移后低维特征空间中高量测丢包率对应的数据进行标记,得到配电网实时状态。通过对IEEE标准算例和某实际地市公司配电网算例进行仿真测试,结果表明所提出的基于共享模糊等价关系的配电网状态估计方法能在高量测丢包率下获得准确的配电网实时运行状态,实现不同量测数据缺失程度下的配电网实时监测。

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城市下垫面辐射热作用过程差异分析

文莉娟, 刘大龙

2024, 45(3): 446-452. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1740

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为了研究城市不同下垫面辐射热作用过程的差异,选取4种下垫面（草地、混凝土、铺面砖、沥青）为研究对象,测量不同下垫面反射的短波辐照度、向上的长波辐照度、地表热流强度以及空气温度、风速等环境参量。分析对比不同下垫面辐射热传递过程中的差异。结果表明：大气逆辐照度占下垫面吸收辐射热的65%以上,4种下垫面以长波辐射的形式释放热量均在75%以上;下垫面与空气间的换热主要以辐射换热的方式进行;夏季草地热稳定性最好,混凝土下垫面的热稳定性最差;冬季混凝土的热稳定性最好,铺面砖的热稳定性最差。

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光电建筑的闪电附着特性及瞬态电磁效应研究

边晓燕, 庞振宇, 周歧斌, 张耀, 邓寅, 孟翰涛

2024, 45(3): 453-459. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1763

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安装在光电建筑顶部的BIPV组件遭受雷击的概率较大。为了保护光电建筑本身和内部敏感电子设备,有必要研究光电建筑的闪电附着特性及雷击电磁效应。首先,搭建光伏组件静电场模型,并通过试验验证了模型的准确性,进而通过仿真计算获得BIPV组件最易遭受雷击的位置。然后,基于光电建筑BIPV组件的闪电附着特性构建雷击瞬态电流和瞬态磁场方程,应用有限元法对光电建筑内部的磁场分布进行仿真计算。最后,将光电建筑内的雷击磁场分布与未安装BIPV组件的普通建筑内雷击磁场分布进行比较,结果表明：BIPV组件金属框架最外层的上边缘接闪率最高;与普通建筑相比,安装了BIPV组件的光电建筑金属框架的雷击瞬态电流分布更均匀,因此光电建筑内部雷击磁场强度安全的区域更大,雷击损害风险更低。

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计及光伏不确定性的多区域综合能源系统多场景分布鲁棒优化调度

郑诗程, 许浩, 郎佳红, 夏慧

2024, 45(3): 460-469. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1078

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为降低光伏出力不确定性对多区域综合能源系统（IES）经济性与安全性的影响以及提升多区域IES系统在多种极端场景下的稳定运行能力,提出一种计及光伏出力不确定性的多区域综合能源系统多场景优化调度策略。针对光伏发电的不确定性,采用拉丁超立方抽样和改进型人工蜂群K-均值聚类算法形成典型光伏场景集。根据供热管道热特性和热能传输动态特性建立热网络模型。融合光伏场景信息,分别将日前阶段的运行成本以及实时阶段最恶劣光伏场景下系统的调整成本作为优化目标,构建两阶段分布鲁棒优化调度模型。采用列与约束生成（C&CG）算法对两阶段模型进行求解。最后,通过算例验证了所提策略的正确性和可行性。

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相间短路故障条件下级联H桥光伏逆变器的有功功率回流抑制策略

林珊, 赵涛, 农兴中, 王春芳

2024, 45(3): 470-479. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1570

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针对现有零序电压补偿策略无法有效抑制级联H桥光伏并网逆变器在电网不对称故障期间存在有功功率回流的问题,定量分析现有零序电压补偿策略的局限性,提出一种正负序最大最小值谐波零序电压注入控制策略,该策略能有效缩小过调制区域,扩大级联H桥型光伏并网逆变器在相间短路故障条件下的运行范围。实验结果验证了所提出控制策略的有效性和可行性。

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基于双重注意力GRU与相似修正的光伏功率预测

何威, 苏中元, 史金林, 吴炎琳, 马昌流, 王军

2024, 45(3): 480-487. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1714

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提出一种基于双重注意力机制GRU网络（dual-attention-GRU）及相似序列修正的光伏功率预测模型。在Encoder-Decoder框架的基础上引入特征注意力以及时间注意力,能有效解决GRU网络对于输入特征及时间序列存在注意力分散的问题;采用相似功率序列的未来功率值对DA-GRU预测结果进行修正,能进一步改进预测结果。算例采用DKASC数据进行验证,对比模型在不同预测步长下的表现,结果表明：相比于其他传统模型,DA-GRU在不同评价指标下具有最佳的预测表现,且相似序列修正方法能进一步提高其预测精度。

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基于QD和因果注意力TCN的光伏功率区间预测

崔京港, 王芳, 叶泽甫, 朱竹军, 阎高伟

2024, 45(3): 488-495. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1730

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针对现有短期光伏功率区间预测问题,提出一种时间卷积神经网络与注意力机制结合的框架,对注意力机制中的时间因果顺序进行严格限制,应用残差机制增强模型挖掘的信息能力,并利用质量驱动区间损失优化模型参数,最终实现短期功率区间预测效果的提高。根据中国河北省某光伏电站的当地气象数据和历史光伏功率数据进行的仿真实验表明,相较于传统的序列预测方法或区间损失,在连续时刻和不同天气类型情况下,所提出的功率区间预测方法效果更有助于电网的科学调度与决策。

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基于层次聚类分场景的光伏汇聚趋势量化方法

杨锡运, 刘晗, 陈文进, 彭琰, 陈菁伟, 王晨旭

2024, 45(3): 496-505. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1731

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持续功率曲线能反映长时间波动特性规律,通过研究已建设光伏集群持续功率曲线,建立预测模型揭示不同规模集群的汇聚演化规律,最终得到待建光伏集群的持续功率曲线。首先,利用层次聚类算法确定光伏集群汇聚规模的分层顺序,得到装机容量逐层递增的光伏集群,并提出汇聚效应指标验证顺序的有效性;其次,为了更好地判断和预测光伏持续功率曲线的变化趋势,对持续功率曲线进行出力场景划分;最后,为避免单一模型预测偏差,在各出力场景下,通过改进的信息熵组合预测模型掌握汇聚过程中规模演变规律,完成规划待建设集群持续功率曲线的预测。利用河北某地区实测数据仿真结果表明：验证聚类方法得到的集群分层顺序更能体现汇聚效应,并有效提高预测精度;出力场景划分准确刻画集群持续功率曲线汇聚趋势;通过模型对比表明分场景下改进信息熵组合预测模型更能精确完成待建光伏集群持续功率特性的量化分析。

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基于改进ADMM的含分布式光伏的配电网电压无功优化方法

孙胜博, 饶尧, 郭威, 乐健, 张然, 孙志成

2024, 45(3): 506-516. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1741

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由于所建立含分布式光伏（PV）的有源配电网电压无功优化模型是一个典型的非凸混合整数非线性优化模型,提出一种改进交替方向乘子法（ADMM）来求解含分布式光伏的配电网电压无功优化问题。首先以有载调压变压器和投切电容器组为例,建立一种新的广义可分解有源配电网电压无功优化模型,然后根据ADMM算法将有源配电网电压无功优化模型分解为2个子问题求解,并设计惩罚参数的自适应调节机制以加速收敛。在3个不同规模有源配电网算例上进行仿真测试,结果表明,所提出改进ADMM方法具有较好的收敛性和最优解。

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一种Z源光伏并网逆变器及其共模漏电流抑制

代云中, 唐浩, 刘铭煊, 陈勇吏, 严才秀, 杨新茂

2024, 45(3): 517-522. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1776

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传统准Z源桥式并网逆变器（GCI）具有允许桥臂直通、直流电压利用率高等优点,但存在体积大、可靠性低和共模漏电流高的缺陷。针对传统准Z源桥式GCI的问题,首先提出一种具有更小体积的新型耦合电感线圈Z源光伏并网逆变器（ZPGCI）及其调制策略。然后,对ZPGCI的运行模态、共模漏电流与桥臂直通状态进行探究,理论研究表明新型ZPGCI不仅具有允许桥臂直通和可靠性高的优点,且可有效抑制传统准Z源桥式GCI的高频共模漏电流。最后,对传统准Z源桥式GCI和新型ZPGCI进行对比实验分析,验证ZPGCI电路设计及其理论推理的正确性。

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混合图神经网络和门控循环网络的短期光伏功率预测

殷豪, 李奕甸, 谢智锋, 于慧, 张展, 王懿华

2024, 45(3): 523-532. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1798

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为了能从大量历史光伏发电数据中提取出有效的时序特征以及在非欧几里得域中的关联,建立了基于混合图神经网络以及门控循环网络的短期光伏功率预测模型。该模型首先通过最邻近分类算法生成气象及出力数据的最邻近图,再将其结合图神经网络作为编码器对气象及出力数据进行编码形成时间序列,最后通过门控循环网络以及全连接层解码输出光伏功率预测结果。通过仿真分析验证,该模型具有更优的特征挖掘能力和分析性能,能更好地突出某时间节点的气象及出力数据特征,适应天气突变带来特征变化,从而提升光伏预测整体模型的表达能力。

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模块化三相光伏逆变器及其分布式自适应升压控制策略

葛晓露, 潘尚智, 党兴华, 宫金武, 查晓明

2024, 45(3): 533-541. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1804

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针对现阶段级联H桥二倍频电压纹波和功率失配所带来的一系列问题,提出一种基于四端口LLC的模块化三相光伏逆变器拓扑结构,可从根本上解决相间功率失配的问题,同时该拓扑能够抑制系统直流母线电压上的二倍频电压纹波。总结分析相内功率失配问题形成的本质原因,并提出一种分布式自适应升压控制策略,以提高系统应对相内功率失配的能力,扩展系统的稳定运行范围。分布式控制架构可减少各模块间的信息交互、降低控制系统的复杂性。仿真和实验验证了所提拓扑结构及控制策略的有效性。

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随机误差对光伏组件安装设备行星轮系影响机理研究

苏祺, 王海波, 钱华政

2024, 45(3): 542-548. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1812

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光伏组件安装设备作为新型特种设备,为减小系统振动、保证光伏组件稳定精确安装,针对动力传动系统中行星轮系双功率输入的微调工况,采用集中质量法,考虑时变啮合刚度、齿侧间隙等非线性因素,建立平移-扭转非线性动力学模型,在此基础上研究各轮齿的制造、安装误差对轮系的振动及均载特性影响。研究表明：当存在制造安装误差时,太阳轮浮动可自动定心适应误差影响,在行星架误差下太阳轮偏离理论原点最远;行星轮误差对系统响应影响最为显著,相较于其他部件误差产生的振动位移存在量级差异;所有行星轮均产生相同误差时系统的均载特性优于仅有单一行星轮误差。

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高散热铝背板光伏组件的设计及其工作温度的研究

孙爱祥, 魏青竹, 姬明良, 陈进

2024, 45(3): 549-554. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1825

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以铝板作为光伏组件的背板材料,从绝缘安全性角度进行组件设计,并对铝背板组件工作温度性能进行研究。结果表明,铝背板组件通过做整版隔离,组件绝缘性能满足IEC 61215-2021标准,且散热性优异,实验结果与理论模拟匹配。

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基于镜像虚拟电阻技术的三相光伏逆变器直流电压波动抑制策略

刘淇伟, 曾江, 冯健磊, 陈伟国

2024, 45(3): 555-564. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1842

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针对光伏逆变器直流侧电容电压波动的问题,根据光伏逆变器直流电压波动的机理和其主要输出有功功率的特点,提出一种镜像虚拟电阻技术用以解决光伏逆变器直流电压波动的问题。该策略只需在逆变器正常工作的基础上增加少量计算,具有较高实用性。对于谐波分量,光伏逆变器等效为一个与基波等效电阻大小相等、方向相反的镜像虚拟电阻吸收电网谐波功率,同时可显著减小直流侧电压波动的问题。仿真和实物实验结果均验证了该策略的有效性。

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盘刷式光伏清扫机器人结构与驱动设计研究

张经炜, 杨姣, 高瑞光, 熊铖铖, 王濠君, 丁坤

2024, 45(3): 565-570. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1129

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针对光伏电站中运维使用的清扫机器人轻量化设计问题,提出一种盘刷式光伏清扫机器人结构并设计驱动系统。首先,在现有轮式机器人基础上,将盘刷与机器人驱动轮集成为一体,设计紧凑型机器人结构,在机器人运动过程中同步实现组件表面清扫,并对电机支架进行优化设计。其次,采用四轮驱动方式,设计盘刷式光伏清扫机器人驱动系统软硬件。在屋顶光伏组件表面开展实验,实验结果表明所设计的盘刷式光伏清扫机器人结构与驱动系统满足清扫需求,在夏季晴天天气清扫一块面积为2.44 m²的光伏组件,对比清扫前后光伏组件标准化的电气特性,清扫后修正至标准测试条件（STC）下的最大功率提升约16.1%。

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级联型潜热储存耦合热泵系统性能研究

田磊, 王江江, 赵磊, 魏长祺

2024, 45(3): 571-578. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1733

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为提高太阳能利用率和热泵热力学性能,将真空管集热器、热泵和填充床等结合,提出一种级联型潜热储存耦合热泵系统用于建筑供热。针对太阳能集热及室外温度等条件,将太阳能蓄热和室外空气作为热泵的热源进行系统集成设计。在FLUENT和EES中分别建立填充床和热泵的热力学模型,并分析填充床的换热流体流量、放热温度和用户回水温度对系统热力性能的影响。结果表明,填充床流体流量从0.05 kg/s增至0.07 kg/s时,热泵系统整体平均性能指数下降0.16;填充床作为热源的放热温度升高20 ℃时,填充床供热增加74269 kJ,有效放热率下降21.9%;当用户回水温度升高10 ℃时,热泵系统整体平均性能指数下降0.19,有效放热率下降16.2%。

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计及需求响应的光热电站参与深度调峰的分层优化调度策略

陈伟, 刘文翰, 魏占宏, 张晓英, 李万伟, 冯智慧

2024, 45(3): 579-590. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1789

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从源、荷两侧挖掘系统调峰潜力,建立计及需求响应的光热电站参与深度调峰的分层优化调度模型。上层从负荷侧出发,提出一种基于负荷分类的价格需求响应模型,可有效缓解系统调峰压力;中层从电源侧出发,利用光热电站灵活的调节特性在深度调峰时段协调火电机组参与辅助调峰,构建以运行总成本最小为目标函数的日前调度模型;下层提出一种基于模型预测控制的日内动态调整模型,在滚动优化的同时,通过状态反馈环节实时调整光热电站储热装置充放热修正日前调度计划。仿真结果表明,所提调度策略在降低系统调峰成本的同时能有效抑制风光以及负荷的短时功率波动,在保证系统安全稳定运行的前提下提升风光消纳率。

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高效海水淡化的太阳能界面蒸发器研究进展

刘强, 肖维新, 罗渊, 廖斌, 严开祺, 张敬杰

2024, 45(3): 591-602. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1807

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综述基于光热转换原理的界面蒸发器（SDIE）的最新进展,从性能评估指标和材料设计思路的角度出发,分别介绍光热转换材料、基体和水输送通道及其应用于海水淡化的耐盐设计,并简单介绍SDIE的其他应用领域,最后展望其在海水淡化领域待解决的问题和未来研究方向。

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太阳能激励下土工膜结构缺陷的红外监测研究

马跃, 滕伟

2024, 45(3): 603-608. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1816

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以实验室中厌氧反应池土工膜结构为研究对象,通过实验研究的方法,使用基于太阳能热波激励的热成像技术进行高密度聚乙烯（HDPE）土工膜结构缺陷检测的探索性研究。所提方法利用太阳能辐射作为热波激励,验证了利用云层遮蔽导致的太阳能辐射短期波动进行红外结构监测的可行性。此外,基于结构的瞬态变温过程应用红外热图像序列降温过程温度变化累加对比的方法,以增强缺陷区域的温度对比度。研究结果表明,利用太阳能辐射波动观察到的结构瞬态温度响应可用于确定土工膜结构是否存在缺陷。

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