太阳能学报

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

特约主编寄语

李建林

2024, 45(7): 1-1.

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

考虑资源相关性的新能源场站群集中式共享储能优化配置

孙英聪, 陈来军, 李笑竹, 梅生伟

2024, 45(7): 2-9. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-2083

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针对区域内新能源场站群联合出力场景的集中式共享储能配置规划问题,提出考虑资源相关性,即风光出力互补特性、各新能源场站出力空间相关性的新能源场站群共享储能优化配置策略。该策略首先利用Copula方法进行典型场景生成,以剖析风光资源的相关性与互补性;在此基础上,建立新能源场站群集中式共享储能的优化配置模型,以实现多主体间储能的共享与互补利用,同时尽可能利用风光资源的相关性。最后通过仿真分析验证所提方法的正确性和有效性。

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

不同工况下光储氢微网系统协调控制策略

李建林, 赵文鼎, 梁忠豪, 袁晓冬, 曾飞

2024, 45(7): 10-19. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1347

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针对光储氢微网系统运行时系统内部功率协调分配、切换平滑度以及电压稳定性等问题,提出一种考虑系统不同需求指令的功率分层协调运行策略。以提升系统稳定性、光氢系统结合度以及平滑运行为目的,搭建光储氢微网系统仿真模型,一方面,通过分层控制实现系统指令层与被控层之间的协调运行,并以上网电价为判断指标,保障系统经济性运行;另一方面,基于系统运行模式将系统运行工况分为8种,并通过多功率协调控制策略使得光储氢微网系统能够稳定运行、工况切换平滑以及母线电压稳定。最后通过仿真验证所建模型与控制策略的正确性与有效性。

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

基于混合电解槽自适应控制的光伏制绿氢系统研究

王舜彦, 任永峰, 张小龙, 薛宇, 刘鹏, 温国伟

2024, 45(7): 20-28. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1936

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构建光伏阵列与混合电解槽耦合于交流母线的制氢系统。为提高光伏发电系统在环境变化下的能效,采用基于自适应步长扰动观测式的最大功率点追踪技术,光伏直流侧利用超级电容的快速响应和电荷平滑的特性稳定母线电压,网侧变流器采用虚拟同步机控制策略,实现快速响应电网变化需求,提供电网惯性和频率支撑,增强系统稳定性和可靠性;并针对传统单一电解槽制氢系统在固定工作模式下面临的能源浪费、适应性不足等问题,结合碱性电解槽和质子交换膜电解槽的优势,引入一种电解槽自适应控制系统,根据光伏输出功率和电解槽的状态实时调整工作模式,使系统在不同场景下保持较高的灵活性和稳定性。最后通过仿真验证所搭建模型与控制策略的正确性与有效性。

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

计及热负荷柔性的户用氢能系统运行优化研究

袁铁江, 曾婧, 张明扬

2024, 45(7): 29-40. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2024-0007

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针对风电/光伏出力的随机性和间歇性给户用氢能系统热电联供可靠性带来的挑战,提出基于热负荷柔性松弛运行约束的户用氢能系统热电联供优化策略。首先,搭建包含不同模块的户用氢能系统基础架构,并详细说明该系统的运行原理;其次,建立系统中关键环节的数学模型,确定电解槽平均氢/热比和燃料电池在不同温度下电/热比的范围;然后,为了兼顾用户的舒适度和热负荷的灵活性,根据热感觉平均标度预测指标对户用氢能系统的热负荷需求进行调整;最后,综合考虑储氢罐的容量限制、氢能设备的电/热功率和用户侧柔性热能需求等约束条件,以总投资成本最少和新能源弃电率最低为目标,建立户用氢能系统优化运行模型。仿真结果表明：引入柔性热负荷进行运行调节时,不仅增强了可再生能源的消纳能力,还显著降低了系统的运行成本。

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

基于灵活储氢和蓄电池联合储能的混合可再生能源系统规划运行协同优化

王嘉乐, 郭苏, 何意, 赵晓辉

2024, 45(7): 41-49. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1889

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提出一种包含灵活储氢和蓄电池联合储能的混合可再生能源系统,并提出一种考虑极端运行工况的规划运行多阶段协同优化方法,第1阶段以最小化净负荷为目标,优化混合系统中风电与光伏的容量;第2阶段在正常运行、极端全充电、极端全放电3种典型工况下对联合储能系统进行容量运行双层协同优化。上层规划模型以平准化储能度电成本最小为目标优化储能容量,下层调度模型以功率偏差最小为目标优化储能系统运行策略,并采用元启发式优化算法和混合整数线性规划进行求解。研究表明：1）考虑极端全充电和全放电运行工况时,储氢系统的容量配置灵活性可以使系统更经济地应对极端工况,体现了氢储能的优越性;2）基于联合储能的混合可再生能源系统比单一储能系统具有更高的经济效益,其平准化储能度电成本相较于氢储能降低了3.97%,相较于蓄电池储能降低了8.25%;3）相比于基于运行规则的容量优化方法,该文提出的规划运行多阶段协同优化方法使系统平准化储能度电成本降低了13.7%。

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

离网型风光氢储系统容量配置与控制优化

赵宇洋, 赵钰欢, 郭英军, 朱峥峥, 孙鹤旭

2024, 45(7): 50-59. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2024-0004

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为进一步提高离网型风光制氢系统的经济性以及运行稳定性,提出离网型风光氢储系统容量配置与控制优化方法。首先,结合风力机、光伏组件、碱性电解槽和锂电池的运行特性建立容量配置模型;以系统收益最大为优化目标,采用灰狼优化算法（GWO）进行求解。其次,提出基于区间最值的灰狼算法优化长短期记忆网络（GWO-LSTM）组合预测模型,并以此为基础开展系统运行控制策略研究。最后,针对张家口崇礼风电制氢示范工程项目数据进行算例分析,结果表明采用灰狼优化算法对风光氢储系统进行容量配置能增加系统收益,同时验证了提出的系统控制策略能保证系统平稳运行。

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

光-气-储互补的综合能源系统全生命周期优化研究

许小刚, 嵇晓鹏, 周楠楠, 王同, 孟祥朋, 王惠杰

2024, 45(7): 60-72. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1964

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针对北京某大型商场构建的光-气-储互补的综合能源系统展开研究,提出全生命周期优化方法,以全生命周期最小环境影响为目标函数,优化设备变工况运行下的容量配置。基于电跟随、热跟随两种运行策略,考虑多余的热、电产品是否计入环境收益构建4种场景;计算分析4种场景下的能耗和污染物排放,并研究全球变暖、酸雨和人体呼吸系统3种环境影响因素对全生命周期环境的影响程度。研究结果表明：电跟随运行策略在考虑剩余产品的环境收益方面优于热跟随策略,电跟随策略的效益案例对全生命周期环境的影响较小。

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

光伏-氢燃料电池热电联产系统运行特性研究

张伟康, 晏桂珍, 王燕辉, 徐辉, 徐洪涛

2024, 45(7): 73-81. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1918

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以拥有燃氢汽车家庭的光伏-氢燃料电池热电联产系统为研究对象,基于TRNSY软件建立系统动态仿真模型,以海口地区三口之家的电力、热水、氢需求为例,通过分析系统不同组件配置运行的可靠性及经济性对系统配置方案进行优化设计。基于该系统方案,分析系统典型周以及典型年运行特性。结果表明：光伏组件数量从90块增至150块,系统供电、供氢可靠性分别可提升2.33%、26.93%,用电成本最低为0.74 元/kWh,但能源利用率下降34.13%;配置105块光伏组件和8个储氢罐时,可满足电力和热水需求,供应氢气需求的86.42%,用电成本为0.77 元/kWh,能源利用率为95.75%;系统在冬季由于辐照度低导致约20.24%的氢气无法被供应;氢燃料电池夏季供热占比高于80%,其全年供电、供热占比分别为19.82%和57.65%。

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

面向沙戈荒区域新能源消纳的电力系统日前低碳调度策略

李帅虎, 欧阳中, 孙杰懿, 马瑞, 王炜宇

2024, 45(7): 82-91. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1861

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针对在沙漠、戈壁、荒漠区域的新能源机组面临消纳和经济性差等问题,提出一种面向沙戈荒区域新能源消纳的电力系统日前低碳调度策略。考虑系统结构的复杂性,采用模型分层的优化方案。上层模型以需求响应（DR）调用成本最小和优化负荷与风光预测总值协方差最大为目标,旨在优化用电负荷曲线,释放电网新能源消纳潜力;下层模型通过协调风电机组、光伏机组、储能电站、火电机组以及上层模型得到的优化负荷,同时将阶梯型的碳交易成本引入到目标函数中,建立多目标“源网储荷”协同低碳调度模型,旨在提高系统运行的经济性,降低系统的碳排放量,提高新能源的消纳能力。最后基于改进的IEEE 30节点系统进行仿真测试,结果验证了模型的有效性。

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

一种三通道三电平宽电压范围LLC谐振变换器

邓宇豪, 聂江霖, 张恒鹏, 马兰, 舒泽亮

2024, 45(7): 92-100. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1773

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为解决传统LLC谐振变换器在光储系统等宽电压范围应用中存在整体效率低和开关频率范围宽等问题，提出一种三通道三电平宽电压范围LLC谐振变换器。该变换器具有双通道和三通道两种工作模式，通过组合不同模式下的增益实现宽输出电压范围。变换器能在全电压范围内实现软开关，工作于固定开关频率，具有参数与磁性元件设计简单等优点。详细分析变换器各种工作模式的原理与增益特性，并明确变换器实现ZVS的条件。最终基于GaN开关器件设计并搭建一台输入电压200 V、输出电压5~20 V、最大功率200 W的实验样机，验证所提拓扑的可行性与理论分析的正确性。

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

中国太阳能富集区居住建筑光储系统设计方法研究

许馨尹, 冯珩力, 杨柳, 刘衍

2024, 45(7): 101-110. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1546

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以太阳能富集区居住建筑光储系统为研究对象,提出该能源系统的多目标优化设计方法。首先建立系统各设备动态模型,并以系统年化费用和建筑自持化率为优化目标,以全年逐小时供-储-需能流平衡、设备性能为约束,光伏安装倾角、方位角、容量以及储能电池容量为决策变量,并利用非支配排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）结合TOPSIS方法评估不同情景下的系统最优方案,最后以拉萨单层居住建筑为案例分析验证所提方法的可行性。结果表明：该方法可得到建筑自持化率和经济性双重目标下的光储系统关键参数,且余电是否上网交易会对能源系统设计产生重要影响。

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“新型电力系统中光储规划配置及优化运行技术”专题

基于分层控制的光伏与储能联合智能微电网协调优化策略研究

徐国华

2024, 45(7): 111-120. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1986

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针对智能微电网电压不稳定、功率输出不均问题,提出基于分层控制的光伏与储能联合智能微电网协调优化策略。分析不同运行模式下含光伏与储能设备的智能微电网系统负载功率边界,并提出基于分层控制的放电下垂控制策略和充电模糊控制策略,确定光伏与储能联合智能微电网的新负载功率边界。随后,设计基于分层控制的光伏与储能联合智能微电网协调优化策略,在实现储能模块间充电或放电功率自动调节分配,增强智能微电网负载功率承载能力的同时,可克服电压波动问题。最后,仿真模型和实验平台获得的仿真实验结果证实,所提协调优化策略具有可行性,有利于提高光伏与储能联合智能微电网电压稳定性、安全性及经济性。

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基于多变量DSD-LSTM模型的有效波高预测

庞军恒, 黄炜楠, 董胜

2024, 45(7): 121-127. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0421

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利用改进的完全集合经验模态分解（ICEEMDAN）和递归量化分析方法设计一种新的信号分解算法（DSD）,该算法将原始信号分解为确定性成分和随机性成分。考虑风速、风向对波高的影响前提下,将DSD算法与长短时记忆网络（LSTM）结合建立多变量混合模型DSD-LSTM-m进行有效波高的预测。该模型与单独的LSTM模型相比明显提高了预测精度,与单变量混合模型DSD-LSTM-u相比具有更好的预测效果。

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同轴双浮体波能装置参数研究

曹飞飞, 王翠, 韩蒙, 李彦平, 陈震, 史宏达

2024, 45(7): 128-134. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0259

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该文以同轴双浮体波能装置为研究对象,以山东省波浪场资源为背景进行条件,首先提出Matlab-APDL-AQWA联合仿真系统,实现波能-功率全过程模拟,并将模拟结果与文献中的物理模型试验数据进行对比验证。同时探究随机波浪作用下浮体半径、质量参数及PTO参数对装置获能平均功率的影响。研究表明,双浮体的半径参数和质量参数会显著影响装置的平均功率,装置获能随PTO阻尼系数的增大呈先增后减的趋势,而PTO刚度系数在一定范围内变化对装置获能影响不明显。

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基于系统误差辨识的波浪发电系统功率优化

林炳骏, 杨俊华, 黄逸, 邱达磊, 吴凡曈, 梁惠溉

2024, 45(7): 135-142. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0128

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针对复杂工况下运行的直驱式波浪发电系统,考虑模型不匹配,设计滑模观测器在线检测建模误差;应用系统辨识技术进行误差拟合,减少在线计算量;随后将传递函数转为状态空间,建立更精确的水动力方程以设计后续策略,降低模型失配影响;基于变分法构造能量泛函,求解泛函极值获得最优控制律,经滤波估计系统运动速度,采用空间矢量脉冲宽度调制技术跟踪控制理想电流,提高发电系统功率捕获能力。仿真结果表明,所提方案动态性能好、鲁棒性强、观测精度高,可有效提高系统存在建模误差时的波能捕获能力,输出能量增加,输出平均功率提升。

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基于全寿命周期内经济收益最大化的退役电池储能容量配置方法研究

刘秋华, 王明康, 杨圣城

2024, 45(7): 143-152. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0457

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为实现新型电力系统内退役电池梯次利用最大化,段对进行容量配置优化。首先提出基于雨流计数法和等效循环寿命法的退役电池寿命评估方法,然后基于削峰填谷的应用场景提出一种退役电池全寿命周期储能系统容量配置方法,其综合考虑到低储高放收益、碳减排收益、延缓电网升级收益、初始投资成本以及运行维护成本等因素,并采用粒子群算法求解。最后由算例结果得出结论,该容量配置方法既能有效提高退役电池储能系统的经济收益,又延长了储能系统寿命。

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聚合商模式下考虑调峰需求的分布式储能优化配置

聂立君, 邢海军, 江伟建, 王华昕, 沈杰, 师旭露

2024, 45(7): 153-162. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0443

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提出一种在聚合商模式下考虑系统调峰需求的分布式储能双层优化配置模型,兼顾聚合商收益与电力系统调峰运行成本。外层模型考虑储能套利收益、调峰补贴收益、投资成本等,以聚合商年收益最大为目标,以此提高储能聚合商的投资意愿;内层模型为储能辅助火电机组调峰的系统运行问题,以系统调峰总成本最小为目标。利用改进的IEEE 30节点和IEEE 33节点混合系统进行仿真验证,结果表明所提模型的可行性与有效性。

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飞轮储能辅助火电机组一次调频及其性能评价

韩旭, 刘仲稳, 王小东, 孙春启, 赵建红, 韩中合

2024, 45(7): 163-171. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0435

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为促进太阳能、风能等新能源消纳,进一步拓宽火电储能技术升级和灵活性改造渠道,助力双碳目标和新型电力系统建设,提出增设储能系统辅助火电机组调频以解决火电机组爬坡慢、机组振荡不稳定等问题。基于国内外研究现状,提出机组以及储能系统荷电状态出力控制策略模型,通过Matlab/Simulink搭建两区域电网进行模拟仿真。结果表明,在阶跃扰动下区域1机组耦合1 MW飞轮储能系统后,峰值降至1.93×10^-3pu,降低4×10^-4pu,占原频率波动率的9.39%,机组实际出力从2.45×10^-2pu降至1.61×10^-2pu,降低34%。结果表明,在外界相同扰动条件下,采用飞轮储能辅助火电机组调频可有效减小系统频率波动量,减少汽轮机输出功率波动,提升调频性能。

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计及健康状态差异的集中式共享储能分级调控策略

朱金龙, 王维庆, 李笑竹, 陈宇, 范海强

2024, 45(7): 172-180. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0433

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针对发电侧储能利用率低、经济性差的问题,提出包含新电池、退役电池（后文简称新旧电池）的发电侧集中式储能共享结构与分级调控策略。首先,设计计及健康状态差异的新能源场站群集中式储能资源共享结构,凭借聚合调控手段应对多方主体的调节需求;其次,通过分析新旧电池性能差异,以最大可用容量表征健康状态（SOH）、以荷电状态（SOC）计算实时可用裕量,兼顾两者制定储能单元出力排序规则,提出计及SOH和可用裕量的电池储能单元群分级调控策略。最后,结合算例分析表明：包含新旧电池的集中式共享储能可提升利用率和经济性;所提调控策略可使新旧电池单元动作次数分别降至等比例策略的53.68%和20.79%,充放电转换总次数降至等比例策略的14.29%,且能保持较好的储能调节能力。

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多角度基于CEEMDAN-CNN-BiLSTM模型的锂离子电池RUL预测

郭喜峰, 王凯泽, 单丹, 郑迪, 宁一

2024, 45(7): 181-189. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0403

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通过构建模型对锂离子电池剩余使用寿命进行预测,并探究温度及网络参数对所构建模型预测精准度的影响,进而提高模型的预测精准度。提出自适应噪声完全集合经验模态分解（CEEMDAN）和一维卷积神经网络（1D CNN）与双向长短期记忆（BiLSTM）神经网络相结合的锂离子电池剩余寿命预测方法。选取容量作为健康因子,然后利用CEEMDAN对复杂不平稳数据进行分解,得到稳定的分量。利用1D CNN对锂离子电池容量数据进行深度挖掘,最后利用双BiLSTM神经网络建模对锂离子电池剩余使用寿命（RUL）进行预测。采用NASA数据集和CALCE数据集进行测试,在不同温度与网络参数下进行预测效果对比,并与BiLSTM模型、SVR模型、CNN-BiLSTM模型进行预测对比。

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双层相变材料复合水箱蓄热特性研究

胡冰, 李勇, 王登甲, 刘慧, 吴家妍, 刘艳峰

2024, 45(7): 190-198. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0373

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以双层相变材料复合水箱为研究对象,通过数值模拟和实验研究的方法,对该水箱的蓄热特性进行模拟分析与实验验证,对比分析单、双层相变材料复合水箱的热特性,探究双层相变材料位置对复合水箱蓄热特性的影响规律。研究结果表明,与单层相变材料复合水箱相比,双层相变材料复合水箱的热分层更好,蓄热能力得到提升,双层相变材料复合水箱较普通水箱的蓄热量提高9.7%。双层相变材料距离进出水口位置较远时,相变材料完成熔化的时间更接近,更有利于蓄热水箱的热分层。

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基于跳跃连接多尺度CNN的锂离子电池剩余寿命预测

吴诗淼, 王文波, 朱婷, 喻敏

2024, 45(7): 199-208. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0364

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为更好地利用卷积神经网络（CNN）中所有卷积层获取的特征信息,提出一种基于跳跃连接多尺度CNN的锂离子电池剩余寿命预测模型。该模型以电池的健康因子作为输入,利用基于跳跃连接的多尺度CNN模型,同时提取锂离子电池健康因子不同尺度的局部特征信息和全局特征信息,并通过信息融合模块融合所有的局部特征信息和全局特征信息,最后输出剩余寿命的预测值。实验结果表明,所提方法可更准确地预测锂离子电池剩余寿命,与经典的CNN方法、Bi-LSTM方法、EMD-LSTM方法和VMD-GRU方法相比,其均方根误差（ERMSE）分别降低75.7%、78.3%、83.8%、77.8%,平均绝对误差（EMAE）分别降低80.7%、80.9%、86.8%、82.3%,平均绝对百分误差（EMAPE）分别降低81.0%、82.2%、87.0%、83.1%,模型判定系数（R²）分别增加17.4%、23.2%、44.5%、25.8%。

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与锂离子电池热管理系统耦合的防漏高导热复合相变材料研究

王义天, 何伟, 杨文, 徐昭, 李静远

2024, 45(7): 209-217. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0333

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提出一种具有优异导热性能和防漏性能的新型复合相变材料（CPCM）,采用膨胀石墨（EG）与硅藻土的联合互交网格,可显著提高相变材料的吸附能力和导热性能。测试结果表明,含10%硅藻土和6% EG的样品14在50 ℃下加热5 h,表面仍无渗漏现象,同时PEG含量达到90%,且在热循环测试中也呈现出优良的稳定性;将电池与样品14耦合后,测试电池在8种工作模式下的温度变化,在2C（C为电池充放电能力倍率）模式下,当电池在较高初始温度（30 ℃）下工作时,其最高工作温度仍可控制在40 ℃以下,每个电池之间的温差可限制在约2 ℃;同时样品14在低温下可为电池系统提供优异的保温性能,电池的放电效率提高约16.07%,当T0=30 ℃时,在1C模式下,电池放电效率达到91.67%。

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PEMFC空气系统流量和压力协同控制策略设计

王志红, 王向光, 颜伏伍

2024, 45(7): 218-223. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0479

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为提高质子交换膜燃料电池（PEMFC）空气系统的动态响应性能,避免局部缺气而导致其输出性能降低等问题的出现,针对空气系统存在流量和压力耦合的问题,分别采用PID、前馈解耦控制和模型预测控制（MPC）对空气系统进行控制,通过仿真和台架测试,验证控制算法的有效性。结果表明,两种控制算法相比较PID均具有较好的控制效果,空气流量和空气压力均能快速跟随设定值,PEMFC发动机的输出性能平稳。

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大规模可再生能源直接电解碱液制氢关键科学问题

夏杨红, 韦巍, 程浩然, 周永智, 赵波, 章雷其

2024, 45(7): 224-231. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0444

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从效率与一致性、功率调节灵活性、气体纯度等方面阐述大规模可再生能源直接电解碱液制氢的相关科学问题,进行相应的机理分析,并给出可能的技术路径,以期提升可再生能源与碱液电解槽之间的匹配性,从而推动可再生能源电解制氢规模化应用。

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基于极端梯度提升的PEMFC长短期老化趋势预测

王艳琴, 谢卓峰, 韩国鹏, 张杲, 郭爱

2024, 45(7): 232-239. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0409

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为了同时实现准确的燃料电池长短期老化趋势预测,提出基于极端梯度提升（XGBoost）的PEMFC老化趋势预测模型。首先,对燃料电池老化实验数据进行降噪预处理,利用双指数对电压恢复特性进行建模;然后,基于XGBoost算法,构建4种提前多步短期老化预测模型以及考虑恢复性的长期预测策略,并利用粒子群算法优化模型的参数;最后,比较4种短期预测模型的预测结果,并将最优的预测模型应用于长期老化预测策略。典型数据实验表明：采用多输入多输出策略（MIMO）的XGBoost预测模型具有最好的预测性能,其提前3步预测的均方根误差为0.00465、平均相对误差为0.00219平均运算时间为3.48 s;基于MIMO-XGBoost且考虑恢复性的长期预测策略剩余使用寿命（RUL）的平均相对误差为7.74%,显著优于自回归差分移动平均方法。

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基于PEM电解槽的风氢耦合系统能量管理研究

刘国永, 任永峰, 薛宇, 杨朋威, 任正, 郑博文

2024, 45(7): 240-248. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0182

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构建包含永磁同步直驱风电机组、质子交换膜电解槽、高压储氢罐、氢燃料电池耦合于交流母线的风氢耦合一体化系统。依照各单元自身物理约束条件及典型运行场景模式,提出一种包含9种运行工况的风氢耦合能量管理策略,使分散式风电与负荷需求之间的功率差值能完全被PEM电解槽与燃料电池消纳或补偿,保证分散式风电系统功率动态平衡。仿真结果表明,所提能量管理策略能有效协调分散式风电与制氢电解槽和负荷间功率流动,保证风氢耦合一体化系统多时间尺度下协同稳定运行。

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基于多能流耦合规律的综合能源系统潮流及㶲流分析

李鹏, 苏航, 周畅, 刘世通, 赵文升, 韩中合

2024, 45(7): 249-258. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0276

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从能量流和㶲流两个角度分析综合能源系统的多能流耦合规律,建立系统能流稳态潮流模型和㶲流模型,根据模型特点研究系统潮流和㶲流分布计算方法,以算例验证计算方法的可行性并分析计算数据,验证㶲流机理模型相比于黑箱模型在局部分析方面的优越性。以算例数据为例,分析其潮流及㶲流分布特点,结果表明：算例系统中能源转换环节的地方㶲损最大,为系统薄弱环节,值得着重改进;同时电、热网络也有部分管段㶲损较大,优化局部网络时也应纳入考虑。

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基于虚拟同步机参数自适应调节的并网逆变器控制策略研究

何鑫, 左芸裴, 杨映海, 刘翠, 周鑫, 王德林

2024, 45(7): 259-266. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0496

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具有“小惯量,弱阻尼”典型特性的新能源并网后,当系统受到扰动时交流母线的频率会出现剧烈波动现象,存在恶化电网的频率稳定运行的潜在威胁。为此,提出一种改进的虚拟同步机（VSG）参数自适应控制策略。首先,控制逆变器按VSG方式运行并使虚拟惯量和阻尼参数在运行过程中同时关联VSG输出角频率的偏差量和变化率,以达到平抑频率波动的目的;然后进一步对逆变器进行自适应优化控制,用功率偏差量代替原控制环节中的角频率导数项,避免自适应控制中的求导运算对系统造成不必要的噪声干扰,简化控制环节的同时也改善了频率的动态调节波形;最后,通过仿真算例证明了该文所提自适应控制策略的正确性,并验证了该文策略对扰动下系统有功功率及频率波动抑制的有效性。

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考虑需求侧灵活性资源配置的配电网分布鲁棒优化规划方法研究

艾欣, 王昊洋, 潘玺安, 李雪晴

2024, 45(7): 267-277. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0488

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考虑需求侧灵活性资源（简称“资源”）配置,开展网-荷-储联合规划是提升配电网灵活性以适应新能源出力波动的关键途径。为此提出一种灵活性缺失场景筛选与不确定性分析方法改进相结合的配电网规划研究模型：首先,立足资源视角进行配电网灵活性供需关系建模;其次,基于影子价格理论提出配电网灵活性缺失场景筛选策略,建立筛选指标以描述规划资源、运行约束、场景筛选间闭环关系;然后,将该策略嵌入配电网-多资源两阶段联合规划模型,一阶段考虑投资成本最优,二阶段协调运行及灵活性综合成本期望;将规划模型重构并于改进场景概率驱动型分布鲁棒优化（ISPD-DRO）框架下求解,其优势在于实现了概率优化求解与场景动态更新的有机统一;最后经算例分析验证所提模型在提升决策经济性及配电网灵活性层面的优势。

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“双碳”目标下西部农村生活能源消费特征及碳排放分析

袁合涛, 安彬

2024, 45(7): 278-285. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0461

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运用能源环境理论、多元线性回归分析和主成分分析方法探究西部地区10个省区（市）农户主要生活能源消费特征及碳排放。结果表明：①西部农村生活能源存在明显区域异质性,四川和甘肃生活能源分布特征极明显,贵州、广西和云南生活能源分布特征明显,陕西、青海、重庆、宁夏和新疆生活能源分布特征不明显。②西部农村主要生活能源平均占比排序依次为：太阳能0.29%、沼气0.79%、液化石油气19.95%、煤40.47%、柴草49.16%、电53.24%,使用绿色能源农户占比仅有18.1%,通过发展绿色能源促进“双碳”目标实现任务艰巨。③若西部农村1789万煤用户、4225万柴草用户和1770万煤气、天然气、液化石油气用户转型升级使用绿色能源,每年能节约标准煤约3700万t,减少CO₂排放约1亿t。由此可见,生活能源蕴含着巨大碳减排潜力,是不可忽视的“双碳”载体,应进一步加大居民生活能源消费转型升级以此促进“双碳”目标的实现。

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基于残差生成器的并联逆变器暂稳态补偿策略

胡长斌, 王高伟, 罗珊娜, 陆珩, 李学成

2024, 45(7): 286-293. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0456

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针对孤岛微电网中所存在的因负载投切、不平衡负载等扰动造成的电能质量问题以及因线路阻抗不匹配造成的无功不均分问题,提出一种基于残差生成器的暂稳态性能补偿控制策略。基于逆变器并联系统中各逆变器的状态空间模型设计残差生成器,产生残差r(s),并通过低通和高通滤波器生成基波残差和非基波残差;然后,从扰动和线路压降对消的角度设计暂态补偿控制器Q1(s)和稳态补偿控制器Q2(s),并根据本地信息推导两个控制器的具体表达式,实现扰动抑制和逆变器并联系统的无功均分,抑制环流,并补偿线路压降;最后实验验证所提策略的有效性。

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多源多负荷直流微电网的稳定裕度分析及控制参数优化设计方法

陈璟华, 黄泽杭, 杨苓, 陈一谦, 刘嘉昕, 叶美婷

2024, 45(7): 294-302. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0453

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为研究多源多负荷参数间的耦合交互对系统稳定运行的影响,该文建立多源多负荷直流微电网的小信号模型,基于系统振荡模态以及参与因子进行电压稳定性分析。在考虑同类参数耦合的系统稳定裕度分析中,发现全新规律为三台电源供电时,源侧线路长度采用“两长一短”比“两短一长”时系统稳定裕度更大。在考虑异类参数交互的系统稳定裕度分析中,详细解释了多源中下垂系数和虚拟惯性系数的交互作用。基于多控制参数的耦合交互影响,提出控制参数优化设计方法,实现系统稳定裕度最大,并使多源具有提供较大惯性的能力。最后,实验结果验证了上述分析的正确性。

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考虑风电不确定性和储能灵活性的有源配电网有功无功协同鲁棒优化

李鹏, 李林媛, 王加浩, 吴福保, 杨波, 陶以彬

2024, 45(7): 303-311. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0445

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提出考虑风电不确定性和储能灵活性的有源配电网有功无功协同鲁棒优化方法。首先建立计及储能四象限功率可调特性的有源配电网有功无功协同优化模型;其次给出储能约束条件和交流潮流方程的线性化表征方式;然后利用盒式集描述风电出力的不确定性,建立有源配电网有功无功协同鲁棒优化模型,并通过对偶变换得到混合整数线性规划形式的两阶段鲁棒主、子问题,采用列约束生成算法交互迭代求解;最后以IEEE 33节点系统为例进行仿真验证。仿真结果表明,所提方法能够克服模型高度非凸非线性对其收敛精度和求解效率的影响,充分利用储能的无功调节能力,实现有源配电网有功无功协同鲁棒优化运行。

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考虑绿证-碳交易机制的综合能源系统双层优化调度

梁宁, 缪猛, 徐慧慧, 郑峰, 方茜

2024, 45(7): 312-322. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0426

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针对综合能源系统低碳经济调度问题,构建含多微能网综合能源系统低碳经济运行框架,提出一种考虑绿证-碳交易机制的综合能源系统双层优化调度方法。首先,利用碳排放流模型计算能源网络中各负荷节点的碳排放因子,实现碳排放量的科学核算;其次,通过分析碳交易和绿证交易市场的运行机制,建立微能网碳交易模型和绿色证书交易模型,并设计绿证-碳交易衔接机制以减轻微能网的碳交易履约成本;然后,建立绿证-碳交易机制下的综合能源系统双层优化调度模型,上层为电网和气网经济调度模型,下层以运行成本最小为目标建立计及需求响应的多微能网低碳经济调度模型。最后,算例仿真表明,该方法可有效降低碳排放量、减少新能源弃电量,实现综合能源系统的低碳经济运行。

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含模型协同补偿的微电网变换器自抗扰稳压控制

周雪松, 景亚楠, 赵浛宇, 赵明, 王博, 杨清

2024, 45(7): 323-332. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0408

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针对直流微电网中双向DC-DC变换器输出端口电压受扰不稳定的问题,提出一种含已知扰动模型描述和未知扰动二阶描述协同补偿的线性自抗扰控制策略,以减小线性扩张状态观测的观测负担、提高其观测精度,并进一步改善自抗扰控制系统的抗扰性能。通过对系统性能的理论分析,说明了该控制策略能改善电压受扰波动的原因。最后,通过仿真和实验对比说明改进型自抗扰控制系统在抗扰性、鲁棒性上均优于电压外环电流内环的PI控制以及传统自抗扰控制。

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基于主从博弈的燃气-太阳能-地热能耦合系统运行优化

李昌杰, 陈玉柱, 秦方, 李贤培, 王军, LundPeter

2024, 45(7): 333-339. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0407

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为提高能源利用率与经济性,提出一种基于博弈论中主从博弈的燃气-太阳能-地热能集成综合能源系统优化运行策略。首先建立综合能源系统模型,将其嵌套入博弈理论的框架下,建立主从博弈的运行优化模型,将能源聚合商作为领导者,综合能源系统和负荷终端用户作为跟随者,在各方追逐目标最优时实现经济性、环保性和节约性。最后通过算例验证了所提方法的有效性,聚合商、供能系统和终端用户均能实现最优的综合性能。

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基于分组控制策略的风电场储能容量优化配置

史林军, 端木陈睿, 杨冬梅, 吴峰

2024, 45(7): 340-349. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0404

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为解决风电出力的波动性和不确定性问题,提出一种基于电池储能分组控制策略并计及其运行不平衡性的风电场电池储能容量优化配置方法。首先,在比较分析不同电池储能分组策略基础上,提出风储联合系统三电池组分组控制策略及充放电运行模式,并构建计及经济成本、衰减指标和寿命期限的多目标电池储能容量配置优化模型;然后,采用变分模态分解法处理风电数据,并通过非支配排序遗传算法与CRITIC-TOPSIS综合决策法联合求解获取最佳的电池储能容量配置方案;最后,通过与现有分组控制策略对比,验证该文所提出的三电池分组策略在改善电池储能充放电不平衡性以及减缓损耗方面的有效性,并对比不同目标和不同决策方法下的电池储能配置方案,结果表明该文提出的多目标优化模型与综合决策方法在延长电池使用寿命的同时保证经济性方面具有明显优势。

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基于单神经元PID的高增益DC-DC变换器

周晓燕, 贾海涛, 卢庆轩, 王鹤霖, 袁成功, 张民

2024, 45(7): 350-360. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0391

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为使光伏系统和燃料电池的输出电压适应于并网发电系统所需的电压等级,提出一种基于单神经元PID的高增益DC-DC变换器。基于耦合电感的升压单元,使变换器在原有的开关占空比D上,增加一个新的自由度来调节输出电压。钳位单元的引入,削弱了耦合电感漏感与半导体器件的电压尖峰,提升了变换器的效率。通过单神经元PID,增强变换器抗扰动能力。该文先分析所提变换器的工作模态,推出其性能特点,并与经典变换器做出比较。通过仿真模拟电路运行和搭建实验模型研究,验证理论分析的正确性和实验过程的准确性。

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基于级联结构Thiran滤波器的分数阶双模重复控制

刘普, 王聪, 崔艺博, 常忠廷, 方洁

2024, 45(7): 361-368. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0388

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针对双模重复控制器在电网频率波动时稳态误差大的问题,提出一种基于级联结构Thiran算法的无限脉冲响应滤波器（infinite impulse response filter,IIR）来逼近分数延迟环节,提高系统的稳态跟踪精度。该文采用一种由连分式推导得来的级联结构替代以往实现Thiran算法的直接结构,所设计的级联结构Thiran算法用于IIR滤波器中能在线调整滤波器参数,且相较于以往的直接结构,级联结构每个“积木块”的功能仅用两个乘法器就可实现,简化了参数设计,便于应用推广。基于分数阶双模重复控制器,并采用比例-双模重复控制复合的电流控制策略,控制逆变器输出高质量的并网电流。最后,通过仿真与实验结果验证所提策略的准确性及有效性。

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面向乡村建筑分时分区用能需求的零碳综合能源系统设计优化

赵安军, 焦阳, 于军琪, 陈一仁

2024, 45(7): 369-378. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0378

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基于传统最大负荷原则设计的综合能源系统容量通常远大于建筑的实际用能需求,导致以户为单位的乡村综合能源系统设计缺乏针对性和适用性。该文通过现场调查和数值模拟的方法精细化乡村建筑的实际用能需求,基于农户用能行为制定4种用能策略。并构建考虑农户经济水平和零碳约束的综合能源系统设计优化模型,采用两阶段带精英策略的快速非支配排序遗传算法（Top-NSGA-II）进行多目标优化问题的求解,获得不同策略下的最佳设计方案。结果表明,与基于建筑全空间连续动态负荷的设计优化方案相比,基于分时分区用能需求的设计方案年总成本降低13.58%,系统购电比例降低7.89个百分点,实现全年净零碳排放。

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考虑多重特征与不确定性度量的综合能源系统负荷预测研究

薛东, 段立强, 高统彤, 张伟骏, 蔡强, 刘路尧

2024, 45(7): 379-388. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0371

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精准可靠的冷、热、电负荷预测对综合能源系统的优化运行具有重要意义,为有效提取负荷序列间存在的线性、非线性、耦合性以及不确定性等特征,该文提出一种由多元线性回归（MLR）、改进型自适应白噪声完备集成经验模态分解（ICEEMDAN）、长短时记忆（LSTM）神经网络、蒙特卡罗（MC）法相结合的多元负荷预测方法。首先,针对冷、热、电负荷分别构建MLR模型以挖掘线性特征。然后,将残差部分利用ICEEMDAN方法分解,再对重构后同一频段的各负荷残差分量建立LSTM模型,实现对非线性及耦合性的学习。最后,将MLR与LSTM结果叠加得到点预测值。与参照模型中的最优结果相比,该方法下冷、热、电负荷的R2分别提升了0.09%、0.21%、0.40%。此外,为实现对负荷不确定性的有效量化,进一步采用非参数核密度估计与MC抽样结合的方法得到预测区间结果。经算例分析,各负荷的预测区间覆盖率均大于相应的置信水平（95%、90%、85%）,所提方法具有较高的预测精度及可靠性。

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集成三绕组耦合电感、倍压单元的准Z源变换器

丁新平, 俞寅昊, 严智强, 张鹏程, 张胜蓝

2024, 45(7): 389-397. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0368

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高增益、高效率的DC-DC变换器是直流微电网系统中最为关键的一环。本文提出一种基于准Z源（quasi-Z-source）的直流变换器,并结合三绕组耦合电感、倍压单元结构。该变换器不仅继承了准Z源结构、耦合电感、开关电容/电感的优势,具有高升压能力、输入电流连续、电路箝位、元器件低电压电流应力、电流纹波小等优势,而且通过对有源器件软开关的实现,减小了电路损耗,获得了较高的工作效率。该文针对所提变换器的工作原理、特性、稳态以及参数选型进行详细说明,并在实验室搭建一台200 W的实验样机验证了所提变换器的可行性。

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考虑分布式电源电压支撑的新型配电网精准负荷双层供电恢复策略

沈煜, 杨志淳, 闵怀东, 杨帆, 雷杨, 胡伟

2024, 45(7): 398-406. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1977

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针对有源配电网故障后借助含分布式电源（DG）微网的恢复控制问题,提出一种考虑微网电压支撑的配电网精准负荷双层供电恢复策略。首先,为充分量化故障时段内重构后孤岛运行风险,从电压稳定和功率平衡的角度定义重构后孤岛运行风险指标,最大程度的利用故障时段内微网DG资源建立重构模型;然后,针对供电恢复重构模型求解难度高的问题,使用灰狼优化算法（GWO）与二阶锥松弛技术分别求解双层重构模型,其中,为解决GWO算法以优质解引导种群进化导致效率受限制的问题,采用粒子群算法（PSO）思想来改善GWO算法的个体位置更新过程,通过融合每个灰狼个体的历史信息以构筑更高效的种群进化方法。最后,采用修正的IEEE 33节点系统,在2种不同类型故障下均能够提供供电恢复方案,验证方法的可行性。

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补气增焓准二级压缩空气源热泵理论最佳除霜量研究

刘向龙, 杨浩, 罗宸, 胡广, 刘泽澎, 周茂军

2024, 45(7): 407-414. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1915

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为解决能源浪费的问题,通过引入相关结霜模型进行理论分析,结合实验数据得出“理论最佳除霜量”的半经验公式。为验证该公式有效性,针对某厂家的补气增焓准二级压缩空气源热泵进行不同工况下：空气相对湿度65%、70%、80%,对应的空气干球温度-4~4 ℃的温度区间的实验测试。通过测试不同状态下的实际除霜量与“理论最佳除霜量”的半经验公式计算的理论除霜量进行比较,发现两者相对误差较小,保持在±10%以内,该公式对霜层后期的预测值较为准确,可作为设计补气增焓准二级压缩能够空气源热泵融霜时间控制的基准。

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水源热泵回灌中大肠杆菌阻塞迁移沉积特性参数试验研究

赵军, 汪瑶

2024, 45(7): 415-419. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0983

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以地下水源热泵回灌过程中大肠杆菌堵塞作为研究对象,通过自主研发的砂层颗粒迁移-沉积试验系统观察大肠杆菌在多孔介质孔隙孔道内的运移、沉积。以3种不同长度的试验箱体开展大肠杆菌在多孔介质里的运移沉积规律,通过试验得出：1）石英石颗粒内部的内摩擦力有利于大肠杆菌的沉积,流动速度对大肠杆菌引起的微生物堵塞起到关键作用：2）3种（60、80、100 cm）不同长度的试验箱体在流速作用下以100和80 cm为对象,其沉积率提高了57.1%;以80和60 cm为对比对象,其沉积率提高了27.3%;3）大肠杆菌的恢复率与流体速度也成正相关作用,其堵塞原理类似沉积率特性。

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高综合性能电卡复合材料及大功率制冷器件

李强, 杜飞宏, 冯嘉旺, 施骏业, 陈江平, 钱小石

2024, 45(7): 420-426. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0384

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通过制备BaZr_0.2Ti_0.8O₃-P（VDF-TrFE-CFE）复合材料来改善聚合物基电卡材料的综合性能,设计基于流固耦合传热的大功率制冷器件并通过有限元仿真来评估以不同电卡材料为制冷核心元件的器件制冷能力和效率。结果表明：相较于基础聚合物,BZT质量分数为10%的复合材料T-BZT-10%具有显著优异的电卡制冷性能和导热性能。在10 K的温度跨度下,以T-BZT-10%为制冷核心元件的电卡器件可实现31.0 W/cm³的制冷功率密度和1060.4 W的总制冷功率为基础电卡制冷器件的10倍）,且COP达到5.2。

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基于红外热成像的围护结构热工性能定量检测方法研究进展

李环宇, 冯国会, 刘馨, 蒲毅, 王涵

2024, 45(7): 427-437. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0487

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综述红外热成像技术在建筑围护结构热工性能定量检测领域的研究成果,介绍国内外定量红外热成像法的理论基础、发展历程以及在量化热工缺陷能量损失中的应用,从构建稳态热流环境、对流辐射换热计算、测试操作选择3个方面总结现场检测的影响因素,归纳图像处理技术在排除光学干扰、辨识热工缺陷、热工信息可视化等方面对红外检测领域的贡献,分析未来红外热成像的应用前景与发展方向。研究表明,红外热成像技术可成为围护结构热工性能定量检测与热工缺陷量化识别的优秀方法。

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基于GWO-GRU的光伏发电功率预测

陈庆明, 廖鸿飞, 孙颖楷, 曾亚森

2024, 45(7): 438-444. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1248

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针对长短期记忆网络（LSTM）应用于光伏发电功率预测时存在的耗时长或精准度低的问题,提出基于灰狼算法（GWO）优化门控循环单元（GRU）的光伏发电功率预测模型。通过GWO算法优化GRU模型的超参数,以近似最优参数建立光伏发电功率预测模型。结果表明,长时功率预测时,GWO-GRU模型的均方根误差更低、拟合系数更高、耗时更少,比传统LSTM模型的平均绝对误差降低10.20%;短时功率预测时,GWO-GRU模型在3种典型天气条件下不仅预测的平均误差最低、稳定性最强,而且比GWO-LSTM模型的平均用时节省17.24%。不同时长的功率预测表明,GWO-GRU相对于LSTM光伏功率预测效果更佳。

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基于惯性环节的光伏组件实时热模型

汪航宇, 徐梓彭, 田怡博, 张衡, 高丹, 陈海平

2024, 45(7): 445-452. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0788

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提出一种基于一阶惯性环节的光伏组件温度的实时计算方法,首先,对光伏组件进行传热特性分析,基于一维非稳态导热分析解,推导基于一阶惯性环节的光伏组件温度简化计算模型;然后,使用遗传算法与拟牛顿法串行优化方法,通过数据驱动方式快速确定模型中的参数;最后,使用该文提出的模型,基于BP、LSTM的温度预测模型和传统经验公式对某光伏场站的组件温度进行分析和预测。对比结果表明：该方法表现出良好的预测精度,均方根误差<2 ℃,且部署模型所需的计算规模更小,运算速度可达神经网络的10倍以上,方便应用于实际控制系统中,且与神经网络方法相比更具可解释性,可作为一种实时计算光伏组件温度的有效方法。

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基于相似日选取和PCA-LSTM的光伏出力组合预测模型研究

孟亦康, 许野, 王鑫鹏, 王涛, 李薇

2024, 45(7): 453-461. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0498

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构建一套融合主成分分析方法（PCA）、改进的K-均值聚类方法、动态时间规整算法（DTW）和长短期记忆神经网络（LSTM）的光伏出力组合预测模型。在运用PCA法提取气象要素的主成分因子的基础上,创新性地联合使用改进的K-均值聚类方法和DTW算法生成内部关联程度高且与待预测日的天气特征相近的历史日样本集;然后,结合LSTM神经网络,构建基于相似日选取的光伏发电功率预测模型,最终实现了云南某光伏电站发电功率的精准预测。与其他预测模型的对比结果显示,该文构建的组合预测模型具备更好的预测性能和广阔的应用前景。

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基于VMD-FE-CNN-BiLSTM的短期光伏发电功率预测

姜建国, 杨效岩, 毕洪波

2024, 45(7): 462-473. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0497

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为提高光伏功率的预测精度,提出一种变分模态分解（VMD）、模糊熵（FE）、卷积神经网络（CNN）和双向长短期记忆神经网络（BiLSTM）的光伏功率组合预测模型。该方法首先采用VMD将原始光伏序列数据分解成多个子序列,从而减少随机波动分量和噪声干扰对预测模型的影响,通过FE对每个子序列进行重组,使用一维CNN的局部连接及权值共享提取不同分量的特征,将CNN输出的特征融合并输入到BiLSTM模型中;利用BiLSTM模型建立历史数据之间的时间特征关系,得到光伏发电功率预测结果。与BiLSTM、CNN-BiLSTM、EEMD-CNN-BiLSTM、VMD-CNN-BiLSTM这4种模型进行比较,该文提出的VMD-FE-CNN-BiLSTM模型在光伏发电功率预测中具有较高的精确度和稳定性,满足光伏发电短期预测的要求。

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一种单级式高频隔离光伏并网逆变器及其调制方法

朱文杰, 曹晓雅, 李学武, 李云飞, 周克亮, 周翔

2024, 45(7): 474-485. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0490

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针对光伏并网系统中可实现双向功率流的单级式高频隔离逆变器,提出一种调制方法,结合电压钳位技术,解决了传统高频隔离光伏并网逆变器变压器二次侧的电压尖峰和振荡问题。该逆变器为两级功率变换,对其工作过程及原理进行详细分析,建立等效电路模型,并推导出该逆变器的数学模型。为弥补传统多谐振控制器的不足,研究一种针对单级式高频隔离光伏并网逆变器的相位补偿的多谐振控制器,在单级式结构中完成最大功率点跟踪（MPPT）和对并网电流的精确控制。最后对所提高频隔离光伏并网逆变器的调制方法及其控制策略进行实验验证。

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一种新型多电平逆变器拓扑及调制策略研究

胡文华, 文森林, 彭修纲, 陈卓凡, 刘珺

2024, 45(7): 486-493. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0485

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提出一种新型不对称的双向多电平逆变器,通过10个开关器件以及4个直流电压源在输出端产生17个电平,用较少的开关数量得到较多的电平,有利于提高电压波形质量,降低开关损耗。与其他同类型逆变器相比,在输出相同电平数下,该拓扑开关电压应力更低,更具有优势,降低了逆变器成本。最后用Matlab对系统进行仿真,搭建实验平台进行实验,所得结果验证了所提拓扑及调制策略在理论上的正确性。

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基于GRU-贝叶斯的分布式光伏功率异常检测方法

王耀龙, 吴裕宙, 刘韵艺, 李彬, 苏盛

2024, 45(7): 494-501. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0465

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为有效识别分布式光伏故障系统,提出一种基于GRU-贝叶斯神经网络的分布式光伏功率异常检测方法。首先,选取晴天为检测场景,降低天气因素的干扰;然后,引入灰色绝对关联度算法,利用同地区光伏系统出力的相似性,筛除不合格光伏出力数据,构建光伏用户正常的光伏出力数据集。使用GRU-贝叶斯神经网络训练得到用户正常的光伏功率区间再进行检测。最后,用实际数据进行算例分析,表明所提方法的可行性和有效性。

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基于优化分解与误差修正的光伏发电功率预测

周建国, 周路明, 王剑宇, 秦远, 王崇宇, 蔡晨昊

2024, 45(7): 502-509. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0463

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针对光伏发电功率预测精度不高的问题,提出一种基于优化分解降噪联合误差修正模型。该模型分为3个阶段,第一阶段,首先用基于全局搜索的鲸鱼优化算法（GSWOA）选取变分模态分解（VMD）的参数,之后运用优化后的VMD对原始数据进行分解;然后利用互相关分析重构高频分量,最后对高频分量进行小波软阈值降噪（WTSD）;第二阶段,运用门控循环单元（GRU）对每个分量进行预测,将所有分量预测结果叠加起来得到初步预测结果;第三阶段,对初始预测结果进行误差修正（EC）。为验证模型的有效性,利用宁夏太阳山光伏电站2021年1、4、7、10月份的光伏实测数据进行实验,实验结果表明,相比于LSTM、GRU、VMD-LSTM,该混合模型表现出更好的性能。

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改进的YOLOv5双影像光伏故障小目标检测

范钧玮, 饶全瑞, 赵薇, 宋美, 刘广臣

2024, 45(7): 510-516. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0462

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利用无人机对光伏组件进行故障巡检通常从可见光和红外光两种场景分别处理和检测。该文提出基于残差神经网络ResNet50和改进的YOLOv5故障检测方法,实现对两种影像图像高精度自动分类和故障检测。针对红外数据进行色度变换去除太阳反光而保留热斑,针对可见光数据采用锐化的方式凸显异物、裂痕等小目标,使用不同的YOLOv5目标检测算法实现可见光下小型异物故障和红外光下热斑故障的快速检测和定位。

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基于数据驱动的山地电站光伏组串融合模型

张锐, 马铭遥, 马文婷, 杨保, 方振宇, 陶亚杰

2024, 45(7): 517-524. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0447

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以历史发电数据和历史环境数据为基础,筛选晴朗天气样本,利用太阳辐照模型将平面辐照度转换为不同方位角和倾角组合下的斜面辐照度。然后,通过计算光伏组串的理想电流曲线,并结合不同角度下组串电流输出曲线峰值的差异性特征,进行光伏组串理想输出曲线与实际输出曲线的峰值匹配。根据多次匹配结果,综合判断光伏组串的倾角和方位角。在太阳电池双二极管模型的基础上,引入倾角和方位角特征数据作为输入,构建适用于山地电站的光伏组串融合模型。通过实验验证该模型可准确地在线模拟山地电站光伏组串的输出特征曲线,具有显著的实际应用价值。

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低温氟膜背板及光伏组件老化性能研究

石孟可, 范靖, 张军

2024, 45(7): 525-531. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0436

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首先对比研究4种国产低温PVDF氟膜和进口PVF氟膜的耐低温性能、耐高温高湿性能、耐高低温性能、耐湿冻性能和耐紫外性能,然后研究对应氟膜背板的耐高温高湿性能、耐高低温耐湿冻性能和耐紫外性能,最后深入研究不同氟膜背板组件的综合序列老化性能。结果表明,某些国产PVDF低温氟膜的耐老化水平已达到PVF氟膜水平,PVDF低温氟膜制成的KPC背板也具有优异的耐老化性能;某些国产PVDF低温氟膜背板组件的综合耐老化性能甚至优于进口PVF氟膜背板组件,可满足光伏组件户外25 a以上的发电使用寿命。

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光伏发电系统容配比与功率限值整定方法

张波, 高远, 王磊, 李铁成, 胡雪凯

2024, 45(7): 532-539. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0430

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为在保证系统可靠运行的前提下实现光伏发电系统发电量最大化,提出一种以光伏发电系统度电成本为目标的容配比与变功率限值整定方法,分析容配比和变功率限值对光伏逆变器可靠性以及系统发电量的影响规律,建立考虑功率器件寿命的光伏发电系统容配比与功率限值参数优化整定模型,并利用启发式算法进行模型求解。最后,不同纬度地区的算例分析结果验证所提整定方法的有效性。

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基于归一化控制器的光伏图像无监督域适应缺陷检测

陈海永, 史世杰

2024, 45(7): 540-547. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0418

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为解决在太阳电池数据集域偏移问题,提出一种针对动态开放场景下光伏缺陷检测的数据归一化控制器（DNC）,以提高网络的域适应能力。在测试阶段,该文的DNC方法通过修改模型参数,根据小批次样本数据（0.5%）来实现领域统计纠正。DNC可将目标域产生域偏移的数据映射到与源域数据相同的分布空间,而无需提前标注数据或访问目标域的全部数据。实验结果表明,DNC能显著提高目标检测模型对域偏移数据的适应能力。仅使用少量未标记的目标域数据（少于0.5%）就可在分布外数据上获得显著的性能提升,同时不会降低模型的预测速度（FPS）。

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水上光伏覆盖对明渠水质的影响规律研究

闫琳琳, 练继建, 姚烨, 宋芷萱

2024, 45(7): 548-557. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0417

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水上光伏带来的太阳短波辐照度变化对缓解输水明渠藻类增殖问题的效果亟需评估。以南水北调中线干渠为例,建立干渠安阳河节制闸至坟庄河节制闸渠段的水动力和水质模型,分析比较明渠水面悬浮式覆盖水上光伏带来的太阳短波辐照度变化和水上光伏不同覆盖位置对渠道水温和水质的影响规律。研究表明：在开展水上光伏项目时,渠道接收的太阳短波辐照度降低会使得水温、藻生物量和溶解氧含量下降,营养盐含量有所上升。太阳短波辐照度降低50%后,藻生物量开始逐渐降低。在覆盖率和透射率一定的情况下,不同覆盖位置情景下对藻生物量的削减峰值区别较小。当太阳短波辐照度由高到低逐渐变化时,流速变化对藻生物量的影响幅度呈先升高后下降趋势。

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一种新型准Z源高增益DC-DC升压变换器

张涛, 侯鹏鹏, 王尧彬, 李云飞, 韩庆林

2024, 45(7): 558-566. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0400

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针对传统准Z源阻抗网络DC-DC升压变换器存在电压增益低和元件电压应力高的问题,提出一种新型准Z源高增益DC-DC升压变换器（HSQZSC）。首先,分析HSQZSC变换器两种模态工作原理,并对其进行稳态分析和参数设计。其次,与现已提出的Z源变换器进行性能对比,表明HSQZSC变换器具有高电压增益和元件电压应力低的优势。然后,对其建立状态空间模型进行小信号分析、稳定性分析和控制器的设计。最后,搭建100 W实物样机,实验结果验证了HSQZSC变换器的可行性与有效性。

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基于多气象类型加权和改进高斯混合模型的光伏出力超短期概率预测

赵洪山, 孙承妍, 温开云

2024, 45(7): 567-576. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0328

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提出一种多气象类型加权和改进高斯混合模型,可实现对光伏出力提前15 min的超短期概率预测。首先,依据气象特征将历史数据划分为若干气象类型,然后,构建改进高斯混合模型获得每个气象类型出力数据的概率分布,其次,构建隶属度函数量化待预测时刻气象特征对于各气象类型的相似程度,最后,根据隶属度对各气象类型的概率分布加权。以实际光伏电站数据进行算例分析,结果表明相较于单一气象类型,多气象类型加权模型的MAPE平均减少16.87%,ACD平均提升10.45%,AW平均下降2.49%。

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基于典型气象数据的太阳能汽车年性能分析

林泽权, 赵斌, 裴刚

2024, 45(7): 577-583. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0267

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提出一种耦合环境参数、汽车形状和用电需求的太阳能汽车能耗计算方法,基于典型气象数据,进行太阳能汽车年性能模拟。结果表明：与常规电动汽车相比,当光伏组件效率为24.4%（2021年单晶硅组件最高效率）时,太阳能汽车在北京地区的年充电量减少78.8%,年充电次数减少81.2%;在昆明地区的年充电量减少96.2%,年充电次数减少96.6%。当光伏组件效率达到28.0%时,太阳能汽车在昆明地区将不再需要从电网充电就可满足一年的用电需求。此外,还分析不同参数对汽车光伏系统发电量的影响和汽车光伏系统的成本,其中太阳能汽车在昆明地区的最佳停车朝向为南偏西70°。

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高温熔盐储罐基础中陶粒的材料性能试验研究

易自砚, 李红星, 何邵华, 赵晴

2024, 45(7): 584-589. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0470

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高温熔盐储罐中储热介质温度约600 ℃,要求每天温降不超过1 ℃,为满足保温要求,储罐基础常以陶粒作为保温材料。通过对不同级配下5种典型陶粒的化学成分、材料特性和高温热工参数等进行试验研究,得到了陶粒的物理力学性能、相变温度、热膨胀系数和不同温度（20~600 ℃）下的导热系数等关键参数,揭示了陶粒的导热特性和变形机理。

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聚光太阳能SCO₂热发电系统性能分析与优化设计

范刚, 宋健, 宫啸宇, 傅子隽, 张嘉耕, 戴义平

2024, 45(7): 590-598. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0468

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针对聚光太阳能超临界二氧化碳（SCO₂）热发电系统展开研究,构建系统热力学性能分析模型,分析集热侧、动力循环侧的性能,揭示系统集热-蓄热-热功转化之间的相互匹配特性规律,综合分析比较不同集热器、储热工质、动力循环组成的聚光太阳能SCO₂热发电系统的全年发电量和年均光-电转化效率,并对系统参数进行优化设计。结果表明：与线性菲涅尔式、槽形抛物面式聚光方式相比,塔式聚光方式的集热量受季节影响小,单位面积上全年集热量最高,全年集热效率约43%;增大高温储罐工质温度或降低低温储热罐工质温度能增大系统年发电量与年均光-电转化效率;采用塔式集热、NaCl-KCl-MgCl₂高温熔融盐、再压缩式超临界CO₂循环的聚光太阳能热发电系统具有最佳热力学性能。

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太阳能驱动甲烷重整泡沫反应器聚光特性研究及优化设计

刘锋章, 程博, 秦宁, 刘向雷

2024, 45(7): 599-606. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0401

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针对太阳能光热驱动CH₄/CO₂重整体系中自然聚光条件下高斯分布入射热流特性,采用有限容积法（FVM）建立二维CFD模型,耦合导热对流、非等温平衡、辐射传热与化学反应动力学等多物理模型,结合蒙特卡洛光线追迹进行光学模拟,系统研究聚光特性对前表面能流分布、温度场分布和组分分布的影响,以及前表面温差和太阳能-燃料转化效率之间的联系。在对孔隙尺度参数优化的基础上,将泡沫外形优化为抛物凹面的结构,可使前表面温差显著减小,温度不均匀性显著改善,泡沫反应器性能进一步提高。随着凹面深度h从5 mm增至12.5 mm时,前表面最大温差从481.2 K降至95.49 K。其中当h=12.5 mm时太阳能-燃料转化效率达到最优值50.5%,与平面泡沫反应器相比提升20.4%。

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太阳能界面蒸发驱动溶液再生的实验研究

吴东旭, 程明浩, 张小松

2024, 45(7): 607-611. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0360

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为进一步提高液体除湿空调溶液再生性能,提出一种基于太阳能界面蒸发的溶液再生方式。研究溶液种类、浓度对于再生速率和效率的影响,并与传统热再生及膜再生进行对比。结果表明,在一个太阳强度照射下,温度为26 ℃、质量浓度为40%的LiCl溶液达到0.39 kg/（m²·h）的再生速率,质量浓度为80%的KCOOH溶液达到0.37 kg/（m²·h）的再生速率。与传统的膜再生以及填料塔热再生相比,该方式展现了较高的再生速率,因此基于太阳能界面蒸发方式有望成为一种新型高效的溶液再生方法。

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漂浮式海上风力机三维尾流模型研究

张萍, 李成诚, 韩烨, 解鹏飞, 檀宇航, 刘鑫

2024, 45(7): 612-617. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-1307

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针对漂浮式海上风电机组接地系统所处的深海环境及特殊的系泊系统,综合考虑纵荡运动对入流风速和尾流区域膨胀的影响,基于二维BP工程尾流模型,提出一种三维尾流模型（3Dksg_BP）,将该模型用于全尾流区域横向和垂向风速剖面的预测。预测结果与风洞实验数据对比发现,下游1.7D、2.3D、5.0D和10.0D（D为风轮直径）等位置的预测精度均不低于97.6%。基于3Dksg_BP,研究不同频率和振幅下的纵荡运动对尾流造成的影响,结果表明：纵荡运动对尾迹的影响随频率和振幅的增大而增大,且随着下游距离的增加,纵荡运动对尾迹的影响逐渐减小。

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弱电网下考虑锁相环影响的双馈风电机组复合解耦控制策略

冯艳涛, 谢震, 李梦杰, 杨淑英, 张兴

2024, 45(7): 618-625. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0491

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在风力发电并网容量快速增长的同时,并网点的短路比同步降低,基于锁相环同步的双馈风电机组面临稳定裕度不足及功率耦合加剧的问题。该文通过构建双馈风电机组在弱电网下的小信号模型,探究锁相环对于电流控制的影响回路,降低系统稳定裕度的机理。进一步提出考虑锁相环影响的复合解耦控制策略,有效提升了双馈风电机组在弱电网下的稳定运行能力。该文通过仿真及实验验证了所提策略的有效性。

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基于振动信号最优特征提取算法的风力机齿轮箱SVM故障诊断

李俊逸, 尧远, 刘明浩

2024, 45(7): 626-633. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0484

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针对风力机齿轮箱故障诊断的特征提取过程,提出基于振动信号最优特征提取算法的风力机齿轮箱SVM故障诊断方法。首先,分析3种主要特征提取算法各自适应性高的信号类型;然后,根据不同类型信号所具有的信号特性,利用信号分析对传入的振动信号进行特性提取并分类,将不同类别信号与适应性高的特征提取算法进行匹配,实现振动信号的最优特征提取;最后,将匹配算法与支持向量机模型结合实现故障诊断。对实际采集的3种齿轮故障信号进行测试与验证,结果表明该方法可有效进行最优特征提取与算法匹配,相比未经过匹配算法具有更高的故障诊断准确率。

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基于自适应优化AP聚类与BP加权网络的多区域复合短期风电功率预测

赵飞, 张天祥

2024, 45(7): 634-640. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0482

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精准的风电集群区域功率预测对电源侧的竞价上网具有重要意义。由于同一地区多个风电场受气候影响波动程度相近,可看作具有时空相关性的风电场群,并以此进行集群的合理划分。为此,提出一种基于自适应优化近邻传播（AP）聚类与反向传播（BP）加权神经网络的多区域复合短期风电功率预测模型。首先,通过粒子群优化算法（PSO）优化AP聚类方法对风电场群的历史数据进行集群的聚类与划分;然后,根据得到的最优聚类结果构建风电场群子区域样本训练集;最后,利用基于相关系数权重的BP神经网络对各子区域进行功率预测。算例结果表明：所提方法在24 h日前预测相较传统叠加法与单一BP神经网络可提高1.35%和2.62%的精度,可表明该模型具有优越的预测性能。

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风电机组叶片的无人机除冰控制系统设计与优化

王一博, 韩巧丽, 刘海洋, 杨敏, 吴成龙

2024, 45(7): 641-647. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0477

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针对内蒙古等北方高寒地区风电机组叶片覆冰问题,提出风电机组叶片的无人机除冰喷射控制系统。基于STM32F103基础,设计无人机除冰控制系统,从除冰剂喷射控制、传感器采集数据实时监测、遥控操作及装置安全控制等功能需求出发,制定系统方案并完成除冰控制系统总体设计,针对试验中流量控制存在的问题对除冰控制系统的PWM驱动控制部分进行软硬件优化,采用离散式PID控制算法,负反馈闭环控制系统提高流量精度和除冰效率。完成除冰控制装置整合及系统调试,搭建实验平台,选择八旋翼无人机载具并进行参数设置及飞行测试,最终完成整个除冰无人机设备整合,实现精准局部除冰。

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基于修正参数k-l湍流模型的复杂地形流动研究

陈以勒, 陈锐俨, 潘航平, 姜婷婷

2024, 45(7): 648-655. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0476

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针对风资源精细化评估需求,提出采用实际测风数据修正k-l湍流模型的关键参数,以提高数值仿真对大尺度复杂地形流动的准确性和适用性。在此过程中,首先介绍k-l模型的求解过程并开展网格分辨率研究;其次利用实际测风数据修正模型参数并使用典型案例进行验证;最后以中国华南地区某实际风电场为对象,将其与k-ε模型进行对比分析以验证其有效性和优越性。结果表明,相比于k-ε模型,原始k-l模型由于高估了尾流影响,导致预测误差偏大;而修正参数后的k-l模型能有效提升精度,风加速因子和发电量等效小时数的平均相对误差分别降低5.1%和7%。因此,在k-l模型的实际应用过程中,需利用实际测风数据修正参数,或将参数B₁的量级调整为10²。

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基于哨兵函数和S变换的风力机叶片材料损伤特性研究

廖力达, 舒王咏, 张芝铭, 刘亮, 冯飞, 陈为强

2024, 45(7): 656-663. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0472

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利用声发射检测技术研究玻璃纤维增强环氧树脂复合材料的损伤特性,在此过程中,采用哨兵函数来表征该材料的损伤程度,并通过S变换和模糊C均值（FCM）聚类来分析声发射信号,从而获得材料的损伤特征。三点弯曲实验结束后对试件断口进行扫描电子显微镜（SEM）拍照来验证,可得：通过对SEM照片的分析得到基体开裂、纤维脱粘、分层破坏、纤维断裂4种损伤模式;对整个声发射事件进行哨兵函数分析,观察到试件在弯曲过程中哨兵函数曲线呈明显下降趋势;对依据哨兵函数划分的不同阶段的信号进行VMD降噪处理,然后采用S变换进行时频分析得到不同损伤的特征频率,最后采用FCM聚类进行验证。结果表明：哨兵函数值的突变可作为材料断裂的预警信号,材料损伤类型的识别可依据S变换的频率分布结果进行确定。

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基于深度学习和广义S变换协同的风速预测

朱哲萱, 马汝为, 曹黎媛, 李春祥

2024, 45(7): 664-671. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0416

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针对实测风速的非平稳性特点,提出一种基于深度学习和时频分析的风速混合预测方法。首先,采用经验模态分解（EMD）将风速分解为若干子层,由此得到趋势分量和脉动分量以降低风速的非线性。根据2个分量的时频特性,采用长短时记忆（LSTM）处理趋势分量,极限学习机（ELM）处理脉动分量。其次,引入广义S变换（GST）来获得预测过程中的时频特性。同时,采用改进的灰狼算法（IGWO）对GST、LSTM和ELM的参数进行优化。最后,以内蒙古某风场实测风速对所提模型进行验证,结果表明该模型具有较高的精度。

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基于多目标灰狼算法的漂浮式风电机组浮台内TMD参数优化

刘颖明, 徐雪峰, 王晓东, 张英豪, 王瀚博, 李彬彬

2024, 45(7): 672-680. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0413

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针对漂浮式风电机组浮台内调谐质量阻尼器（TMD）参数调优的问题,以5 MW Barge型漂浮式风电机组为研究对象,采用多目标灰狼算法（MOGWO）优化TMD参数配置。首先,基于欧拉-拉格朗日方程建立浮台内含TMD的漂浮式风电机组动力学模型,采用Levenberg-Marquardt（LM）法进行模型未知参数辨识;其次,同时考虑塔顶和塔基控制目标,采用MOGWO算法优化TMD的刚度和阻尼参数;最后,在不同工况下进行仿真分析。结果表明：相对于传统的单目标优化算法,使用MOGWO算法参数优化后的TMD对风电机组具有更好的振动抑制效果。

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基于稀疏增强动力学模态分解的风力机尾流模型研究

张虎, 许昌, 魏赏赏, 霍志红, 韩星星, 薛飞飞

2024, 45(7): 681-690. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0406

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基于稀疏增强动力学模态分解（SPDMD）方法对风力机尾流大涡模拟（LES）结果开展降阶模型研究,并将分解结果与标准DMD方法进行比较。结果表明,动力学模态分解方法能提取尾流动态特征,揭示风力机尾流演化规律。标准DMD方法倾向于选择具有小尺度和高频率的模态,而SPDMD方法选择具有低频率的大尺度流动特征。相比于标准DMD方法,SPDMD方法在低维子空间上建立风力机非定常尾流场的降阶模型,以较少的模态数目重构和预测风力机尾流场,可提高计算效率。

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校正函数修正的风电并网自抗扰控制系统

陶珑, 王萍, 马小勇, 王议锋, 李微, 葛建鹏

2024, 45(7): 691-698. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0405

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针对风电系统运行过程中受未知扰动影响而出现的直流母线电压波动问题,提出一种校正函数修正的自抗扰控制策略（LADRC-CF）。该方法在线性扩张状态观测器（LESO）的扰动观测通道中引入串联校正的思想,通过校正函数修正LESO对总和扰动的观测偏差,以实现更好的扰动补偿,进而达成对直流母线电压的良好控制。此外,还从理论上分析LADRC-CF的稳定性和扰动跟踪能力,在证明稳定性的同时给出部分参数的整定方法。最后,在半实物仿真平台上对LADRC-CF策略的控制性能进行测试,验证所提策略的有效性和优越性。

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海上风电机组三脚架支撑结构疲劳分析方法

陆飞宇, 李成功, 龙凯, DiaeldinYara, 张锦华, 陶涛

2024, 45(7): 699-703. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0395

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为实现海上风电机组支撑结构抗疲劳设计,提出基于整体-局部方式建模的疲劳分析方法。利用该方法对热点局部区域进行详细有限元建模,基于IIW规范采用高精度六面体实体单元离散,其余非重点区域采用梁单元离散,可克服以往运用应力影响矩阵研究中忽略整体结构位移、边界条件不易施加等缺点。基于IEC 61400规范进行整机动力学和载荷计算,对某海上风电机组三脚架支撑结构进行疲劳分析。对比分析不同载荷工况、波高和水深下的累积损伤值,结果验证了所提出的整体-局部建模方法在海上风电机组三脚架支撑结构疲劳分析中的可行性和优越性。

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砂土地基海上风电大直径单桩基础的p-y曲线研究

刘畅博, 胡中波, 李阔, 刘欣怡, 田德帅, 史楠

2024, 45(7): 704-711. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0367

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依托福建某海上风电项目现场试验,对大直径单桩有限元模型的有效性进行验证,进一步研究砂土地基中不同桩径大直径单桩的破坏模式、初始刚度、极限抗力随桩径与深度的变化规律,并分别考虑桩径的尺寸效应与埋深对双曲线模型进行修正。结果表明：不同桩径下大直径单桩的破坏模式主要为浅层土体的楔形破坏;API规范、双曲线模型计算得到的p-y（地基土水平抗力-桩水平位移）曲线与数模得到的p-y曲线误差较大,而修正双曲线模型与数模结果吻合较好,优于其他模型的计算结果。

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软弱地基中海上风电大直径缩径单桩基础结构设计研究

赵昊, 邱旭, 李会, 马文冠, 刘鑫

2024, 45(7): 712-717. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0366

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基于真实设计参数和环境荷载,通过PLAXIS Monopile Designer和SACS软件实现某风场机位的缩径单桩优化设计,并进行结构极限强度、结构变形、自振频率和疲劳分析计算。相比于相同上部尺寸的常规单桩基础,缩径单桩具有较大的泥面转角和水平位移,较低的竖向位移和自振频率,计算结果验证了缩径单桩基础方案的可行性,并可实现节省10.9%的用钢量。

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基于改进YOLOv4的风力机叶片损伤检测方法

邹龙洲, 王文韫, 郭迎福, 杨景云

2024, 45(7): 718-723. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0353

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针对深度卷积神经网络模型因复杂度高导致嵌入式设备难以实现在线检测的问题,提出改进的YOLOv4的风力机叶片损伤检测方法。首先使用MobileNetv3网络代替YOLOv4中的CSPdarknet53主干特征提取网络进行特征提取,并将相同shape的特征层进行加强特征提取;其次在加强特征提取网络上添加注意力机制ECA,并对YOLOv4的边界框损失函数与分类损失函数进行优化;最后,将改进前后的算法与其他检测算法进行比较。结果表明：改进的YOLOv4算法的检测速度可达单张检测时间为0.018 s,检测准确率达到95.7%,通过对YOLOv4网络进行改进,在保证检测准确的前提下,轻量化的模型可满足嵌入式设备检测风力机叶片损伤的需求。

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中国典型地形风能资源的湍流特征分析

贺园园, 方艳莹, 程雪玲, 朱蓉

2024, 45(7): 724-734. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0343

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选取4种风能开发利用的典型地形,对其大气边界层风场特别是湍流场的特征进行分析。通过分析不同下垫面无量纲方差与无量纲稳定度参数z/L的关系,表明均在风力机标准的湍流模型适用范围内。湍流动能随风速呈指数增长,不同稳定度下指数差异明显。湍流动能的垂直变化,除受稳定度影响外,还与下垫面有关。东海塘沿海局地平坦地形和锡林浩特平坦草原下垫面,湍流动能随高度变化较小;鄱阳湖湖陆交界复杂下垫面,近地面湍流动能明显增大,随着高度的增加,湍流动能迅速下降;河北尚义起伏的中山丘陵下垫面,地形使下层湍流动能随高度减小,上层湍流动能随高度增大。摩擦速度廓线与湍流动能廓线基本一致,但其最大值并不一定在地表附近。

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基于互补集成经验模态分解和Stacking融合的短期风速组合预测模型

唐非

2024, 45(7): 735-744. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0269

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针对风电场短期风速预测准确度不高的问题,提出一种基于互补集成经验模态分解和Stacking融合的短期风速组合预测模型。首先,为突出短期风速的局部特征并降低建模难度,通过互补集成经验模态分解算法将短期风速分解为若干个稳定分量。然后,利用信息熵和近似熵来判定各分量的复杂度,高复杂度分量选择最小二乘支持向量机、低复杂度分量选择随机配置网络作为对应的预测模型。利用Stacking算法对每个模型的预测值进行融合,使预测精度得到提升。最后,通过一组实际的短期风速数据作为研究对象,将提出的预测模型应用于其预测。对比结果表明,所提预测模型可提高短期风速的预测精度。

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温度对废弃生物质热解规律及产物分布的影响

刘鹏, 李学琴, 李艳玲, 孙堂磊, 杨延涛, 雷廷宙

2024, 45(7): 745-750. https://doi.org/10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0172

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为探究有机固体废弃物热解规律及产物分布,以不同原料（木屑、污泥、生活垃圾）为研究对象,利用一级固定床反应系统研究持续升温下不同生物质热解性能的变化规律。结果表明：高温有利于促进生物质热解、提高热解气产率、降低焦油产率,尤其木屑热解受温度变化作用显著;木屑、污泥、生活垃圾经高温热解后焦油所含有机物的分布差异明显,其中木屑热解油中未检测出酸类物质,酚类、醇类物质占比随温度变化明显增加,酮类化合物占比变化不大;进一步通过不同指标论证了生物质热解制备高值燃气的可行性,得出生物质高温热解气具有很好的协同作用和良好的应用前景,是生物质高值化利用的重要方向,也是绿氢产生的重要途径。

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