抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第3期目次及摘要 / 开普饭

摘要：有效利用氢能是目前解决能源短缺及污染严重问题的有效手段,可再生能源制氢技术是氢能得到应用和发展的基石。首先,对制氢技术的基本原理及可再生能源互补系统制氢技术优势进行了简要概括。然后,基于可再生能源的氢能在国内外的研究发展历程,将目前已解决或达成共识的问题进行归纳,对目前的氢能发展水平进行总结。在此基础上,对基于可再生能源互补系统的氢能发展进行详细阐述,对存在的歧义及疑难问题进行了深入的探讨。最后从制氢、储氢、运氢三个方面对氢能未来发展趋势进行了全面的综述,对氢能应用的发展方向进行预测。通过对制氢技术发展历史、研究水平、发展趋势以及氢能储运、应用的深入分析,为可再生能源互补系统制氢技术的发展提供了借鉴和参考。

计及电热特性的离网型风电制氢碱性电解槽阵列优化控制策略

作者：沈小军；聂聪颖；吕洪

摘要：可再生能源制氢对平抑可再生能源的波动性,实现氢能源绿色获取具有重要的价值。该文梳理了碱性电解槽电热特性,总结出电解槽功率调节特性、起停特性等约束条件,据此提出碱性电解槽阵列轮值协调控制策略。案例仿真结果表明,提出的阵列轮值优化控制策略是有效的,在保障消纳效果的同时,可有效提升电解槽阵列寿命和运行安全性并降低投资。研究成果可为基于碱性电解槽的波动性电源消纳工程应用提供参考。

基于Surrogate优化建模方法的预装式氢储能电站结构布局优化

作者：杨南；袁铁江；张昱；张龙

摘要：为探索预装式氢储能电站的散热布局问题,提出一种基于Surrogate算法的设计方法。以功率密度最大为目标,结合COMSOL Multiphysical有限元仿真软件与Surrogate算法对质子交换膜燃料电池（PEMFC）进行结构优化,明晰了PEMFC功率密度范围及其热负荷。基于此,在预装式氢储能电站箱体可行通风散热方案中筛选出最佳方案,以氢储能电站功率最大为目标,以通风散热效果为限制条件,以出风口几何尺寸与PEMFC功率密度为变量,结合Ansys CFX软件与Surrogate算法求解氢储能电站在最佳散热方案下的布局问题,并通过某公司氢储能电站进行了算例验证。验证结果表明：该设计方法解决了有限元模拟搜索法的算力高消耗与结果低通用性的问题,为工业界在多物理量变尺度设计问题上提供了一种有效的解决方案。

考虑电氢耦合的混合储能微电网容量配置优化

作者：李奇；赵淑丹；蒲雨辰；陈维荣；于瑾

摘要：在当前电氢联系日益紧密以及微电网技术发展日益成熟的条件下,以单位电量成本、负载失电率和能量过剩率为目标函数,提出考虑电氢耦合的混合储能微电网容量优化配置方法。其中,氢储能系统主要包括电解槽、燃料电池及储氢罐等元件。该储能系统清洁无污染,能够提高光伏发电利用率,平抑直流母线电压波动。采用粒子群优化算法求解具体算例,得到综合经济性与供电可靠性最优的容量配置结果。通过对比分析不同优化算法与权重系数对配置结果的影响,验证了所提方法的有效性。采用RT-LAB半实物仿真平台将配置结果运用在实际情况下,保证了系统在实际工作中的经济性与稳定性。

计及功率密度约束含氢储能的预装式多元储能电站容量优化配置研究

作者：袁铁江；张昱；栗磊；曹新慧；杨南

摘要：为解决海岛、边防哨所等偏远地区电力供应困难的问题,计及体积功率密度约束,提出一种紧凑、可移动、含氢储能单元的预装式多元储能电站方案。针对预装式储能电站中氢储能、锂电池和超级电容器容量协调优化配置问题,分析微电网平衡功率频谱,基于不同类型储能单元响应特性,确定多元储能单元功率分配策略;通过储能系统成本结构分析,以年综合成本最小为目标,考虑集装箱功率密度、剩余电量、能量溢出率与负荷缺电率等约束,采用遗传算法求解模型,得到多元储能单元容量优化配置方案。最后,实例验证了所提方法的适用性与经济可行性。

基于主从博弈的工业园区综合能源系统氢储能优化配置

作者：熊宇峰；司杨；郑天文；陈来军；梅生伟

摘要：在源、网分离模式下中小规模的工业园区综合能源系统中,薄弱的外部供能网络和较高的用热负荷需求引起了系统能量失衡和运营商盈利模式单一等问题。为改善能量平衡,提高能源系统运营商收益水平,结合氢储能多能联供联储的优点,设计由运营商配置氢储能的工业园区综合能源系统基本架构;参考现有价格-能量博弈模式,构建含氢储能的综合能源系统及各参与主体的博弈模型,提出含氢储能的综合能源系统三阶段主从博弈框架。根据博弈的阶段性特点,提出基于遗传算法和混合整数优化的三阶段主从博弈求解方法。算例分析表明,通过优化配置氢储能可有效改善工业园区综合能源系统的能量平衡并提高能源系统运营商的收益。

电工理论

基于磁场方向变化的同步感应线圈发射器效率提升分析

作者：张涛；国伟；苏子舟；刘勇；范薇

摘要：提升同步感应线圈发射器的能量转换效率是电磁发射研究的热点之一。电枢在运动过程中,磁场沿轴向剧烈变化,使得电枢产生了感生电流和动生电流,电枢受力不均匀。在磁场同向的条件下,电枢加速主要集中在驱动线圈电流的上升沿,电枢截面电流分布不均匀。由于驱动线圈电流的减小和电枢的运动,导致磁场迅速减小,影响了系统的发射效率。身管内的磁场变化对于电枢加速具有重要影响,通过改变线圈的电流方向,电枢初速显著提高。电枢加速主要集中在驱动线圈电流的下降沿,电枢截面电流显著增加,有利于增加电磁推力和提高发射效率。实验结果表明,磁场反向后电枢初速和效率得到了显著的提高,该方法为多级线圈发射装置的设计提供了参考。

电磁发射弹丸膛口磁场分布特性分析

作者：李湘平；鲁军勇；张晓；冯军红；蔡喜元

摘要：电磁发射弹丸出膛瞬间导轨电流从电枢转移到引弧器或消弧器,导致膛口磁场发生快速变化。该文针对电磁发射弹丸出膛时存在的特殊电弧现象,首先采用柯西电弧模型分析膛口电流转移过程,获得转移过程中引弧器上的电流。其次通过建立导轨回路和引弧回路三维瞬态磁场仿真模型,得到电流转移过程中的磁场仿真模型。最后再通过双目视觉原理测量弧根运动速度,并将弧根速度转换成膛口磁场速度修正项,从而得到考虑引弧运动情况下的膛口磁场仿真模型。在此基础上,仿真分析弹丸出膛过程中弹体内部的磁场分布情况,仿真结果表明,弹丸膛口磁场幅值低于膛内磁场幅值,但磁场变化率远大于膛内磁场变化率,峰值达到8 518T/s,研究结果可为电磁发射制导弹弹载器件的布局和设计提供依据。

电力电子

具有随机黏性阻尼的分数维线性振荡器中的随机多共振

作者：郭筱瑛；周英姿；王利华；王诗心

摘要：分数阶微积分具有对历史状态的动态记忆特性和路径依赖性等优良特性,因此实际中许多系统,特别是那些具有记忆的动力学过程,用分数阶模型比通常使用的整数阶模型更加合适。在分数阶系统的研究中,采用Gamma函数的记忆核函数是采用Mittag-Leffler函数的记忆核函数的一个特例,而后者更具一般性,特别是其中包含系统特征记忆时间,可以在复杂无序的非均匀环境中描述介质分子对系统运动产生的记忆效应。因此采用Mittag-Leffler函数的分数维导数可以从特征记忆时间和分数维数两个维度更好地刻画系统的性能。该文研究了具有随机黏性阻尼的分数维线性振荡器中的随机多共振现象,分数维振荡器的系统记忆核采用Mittag-Leffler函数。基于线性系统理论,利用Mittag-Leffler函数和分数维导数的性质,推导出系统输出幅度（SPA）的解析表达式。在SPA与分数振荡器记忆时间的关系曲线上发现了随机多共振现象。在SPA与噪声扁平率和黏性阻尼系数的关系曲线上,出现了随机共振效应。SPA随着系统特征频率、驱动信号频率以及噪声相关时间的变化而非单调变化。

基于最大功率的本安Buck变换器设计方法

作者：刘树林；郝雨蒙；李艳；游梦然

摘要：针对现有本质安全Buck变换器设计方法复杂繁琐的问题,该文对变换器本安特性及其与电感和负载的关系进行分析,指出同时满足电气性能指标及本安性能要求的电感取值范围随着负载电阻的降低而缩小,并定义电感的最大值与最小值相等时对应的负载电阻为最小负载电阻,推导出最小负载电阻解析表达式,并据此得出变换器的最大本安输出功率。分析得出最大功率与输入、输出电压及开关频率的四维关系图,据此提出了针对不同的电气性能指标要求及设计目标的三种便捷设计方法,同时也实现了在不同给定条件下得到最大输出功率。利用本安性能评价系统与火花实验平台对设计实例进行了仿真和实验验证,证明了理论分析和所提出设计方法的可行性。

电力系统及综合能源

基于负荷重要性和源-荷互补性的离网系统终端电/热/冷负荷投切策略

作者：刘小龙；李欣然；刘志谱；卢颖华；罗真

摘要：针对如何减少离网系统供需不平衡以及提高能源利用效率的问题,该文提出一种基于负荷重要性和源-荷互补性的离网系统终端电/热/冷负荷投切策略。首先,定义负荷重要性指标以及源-荷互补性指标,并利用熵权法确定综合指标。然后,在此基础上提出基于单时间尺度供能和综合指标的负荷投切策略以及基于多时间尺度供能和综合指标的负荷投切策略。考虑到预测偏差会导致储能荷电状态（SOC）偏离计划值,进而影响负荷投切方案,该文利用基于模型预测控制（MPC）的滚动优化调度方法减少不确定性因素,实时跟踪储能SOC计划值。最后,以某离网系统夏季典型日为算例,验证了所提策略的有效性。

电动汽车集群并网的分布式鲁棒优化调度模型

作者：许刚；张丙旭；张广超

摘要：电动汽车（EV）集群与分布式能源协同调控是保证电网经济运行的有力手段。考虑实际场景中EV用户的偏好性,建立计及用户需求偏好的EV控制模型;在时间、空间及功率区间三个维度,构造多面体不确定性集合表征风光的间歇性及EV集群的需求波动性。以最小化成本为目标建立确定性优化模型,并基于多面体不确定性集合,通过鲁棒对等转换将确定性优化转变为鲁棒优化。采用交替方向乘子（ADMM）算法解耦鲁棒优化模型,实现EV集群与其他分布式能源的协同分布式迭代求解。算例分析验证了所提鲁棒优化模型最小化系统成本的同时兼顾了EV用户的需求偏好。

计及风电消纳与发电集团利益的日前协调优化调度

作者：麻秀范；王戈；朱思嘉；余思雨

摘要：消纳大规模风电增加了系统调峰难度,统一调度调峰资源可能使有深度调峰能力的机组产生偏离成本的经济损失与环境污染,难以保障机组调峰的公平性与积极性。提出集中调度与发电集团自主调度相协调的日前调度模型,将日前优化调度分为两阶段进行：第1阶段沿用集中经济调度方式,以系统煤耗最低为目标形成发电计划,并由机组发电计划得到各集团总发电计划;第2阶段各集团保持总发电计划不变,以集团发电成本最低为目标进行内部优化,重新形成机组发电计划。各集团作为独立利益主体,仅在第2阶段目标中计入机组差异、深度调峰、负荷互动等因素。经IEEE 30母线算例验证,该模型可缓解机组调峰压力,降低弃风率,减少发电集团与系统的运行成本。

枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统能量管理及控制策略

作者：黄文龙；胡海涛；陈俊宇；葛银波；石章海

摘要：针对电气化铁路枢纽型牵引变电所再生制动频繁、再生能量大且利用率低等问题,结合枢纽型牵引变电所的负荷特性,研究能量回馈与储能结合的再生制动能量利用系统能量管理及控制策略。首先,研究枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统的拓扑结构,分析其运行原理,并基于系统各部分间的能量供需关系,以最大化利用再生制动能量为目标,制定再生制动能量的管理策略。在此基础上,将系统运行工况划分为四种运行模式,并分析典型工况的能量流动情况。然后,提出考虑动态功率分配的分层控制策略。最后,通过仿真分析证明了该文所提再生制动能量利用系统能量管理及控制策略的正确性和有效性。结果表明,提出的能量管理及控制策略能有效协调控制再生制动能量按需转移、回馈、存储和释放,可实现枢纽型牵引变电所再生制动能量的高效利用。

基于自适应变分模式分解的非稳态电压闪变包络参数检测

作者：张民谣；高云鹏；吴聪；黄瑞；曹一家

摘要：针对非稳态时变的电压闪变包络参数准确检测难题,提出一种基于自适应变分模态分解的电压闪变包络参数检测方法。首先通过Hilbert变换检波法快速提取电压闪变包络信号;再采用损失系数和能量差作为确定模态分解个数的判断依据,利用自适应变分模态分解闪变包络信号;最后通过Hilbert谱分析求取瞬时幅值和瞬时频率,确定电压闪变包络参数,并开发基于虚拟仪器的电压闪变参数检测实验平台。仿真与实测结果表明,该文方法能有效实现非稳态闪变包络参数的准确检测与分析,可有效克服电网工频波动、叠加谐波和噪声的干扰,相比现有的检测方法具有更高的准确度。

弱连接条件下锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰稳定性研究

作者：董文凯；杜文娟；王海风

摘要：该文对弱连接条件下锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰稳定性展开研究。为此,首先建立了由N台直驱风机所构成并网风电场的全阶线性化状态空间模型。为分析交流电网强度对风电场小干扰稳定性的影响,不考虑直驱风机动态特性的差异,基于对风电场状态空间矩阵的相似变换,将风电场全阶模型等效为N个由一台直驱风机并网构成、且相互独立的子系统。然后,仅保留锁相环和线路电流动态,建立等效子系统二阶特征方程,得到系统小干扰稳定的条件。基于此稳定条件,分析了弱连接条件下,锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰临界稳定条件以及失稳的成因与机理。结果表明,交流电网强度减弱、风电场网络结构改变以及锁相环积分控制系数Ki增大,均可导致锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰稳定性降低。最后,通过仿真算例,验证了所提方法的有效性和所得结论的正确性。

微电网多层级协同反时限保护方案

作者：黄文焘；邰能灵；刘剑青；马洲俊；王杰

摘要：微电网由大量分布式电源组成,且具有灵活、复杂的运行方式,传统配电网保护难以满足其对可靠性与稳定性的要求。基于微电网的拓扑结构和故障特性,该文设计并提出微电网多层级协同反时限保护方案。该方案将微电网保护区域按故障影响扩散分为中心层、区域层和系统层,提出基于正序电流相量的反时限差动电流保护,通过差动电流确定故障线路分段,并利用差动电流的反时限特性计算保护动作时间,按故障严重程度确定动作时间,以此为基础,研究微电网多层级协同保护算法。为降低非周期分量对保护相量的影响,提出反时限差动电流保护的相量计算改进算法。该文所提保护方案实现了多层级协同配合切除故障,提高了微电网保护的故障区域判别与快速动作能力,且在并网和孤岛两种运行方式具有自适应配置能力。利用PSCAD/EMTDC进行仿真分析,验证了保护方案的有效性和可靠性。

基于分布式协同的双极直流微电网不平衡电压控制策略

作者：杨美辉；周念成；王强钢；廖建权；孟潇潇

摘要：双极直流微电网正、负极直流负荷的变化会导致直流母线电压偏离额定值,使正、负极电压出现不平衡,由此产生的不平衡电流还会增加网络损耗。为协调不同分布式电源参与直流微电网的不平衡电压控制,控制电压不平衡度在合理范围内或某一限定值,保证系统的稳定运行,该文以电压下垂控制作为一次控制,再基于一致性理论和电压不平衡度与正、负极电压之间的函数关系,建立不平衡电压观测器和不平衡度控制器,设计集成母线平均电压和不平衡度的一致性控制的二次控制,以形成双极直流微电网的不平衡电压分布式协同控制,实现极间电压不平衡度趋于一致和母线平均电压维持在额定值。该文分析了该控制策略下双极直流微电网的稳定性,在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型,并搭建实验平台,验证了该文控制策略的有效性。

基于样本协方差矩阵特征特性的电网多重扰动定位方法

作者：李洪乾；韩松；周忠强

摘要：为提升随机矩阵理论在电网扰动定位应用中的计算效率和适应性,基于样本协方差矩阵的最大特征值及最小特征向量（即特征特性）,提出一种适用于多重扰动场景的电网扰动定位方法。首先,针对考虑负荷随机波动及噪声干扰工况的电网数据源矩阵,通过构建其窗口矩阵和标准矩阵,进而形成其样本协方差矩阵。其次,获取当前时刻最大特征值并计算基于Spiked模型的最大特征值阈值。最后,当最大特征值越过其动态阈值时,说明电网中有扰动事件发生,通过最小特征向量中异常元素的位置与受扰节点编号之间的对应关系,依据特征向量的“相变”现象可实现电网多重扰动定位。借助DIgSILENT和Matlab R2014a软件,案例分析在IEEE 118节点标准系统中展开,涉及两处同时扰动事件、相继扰动事件和同时故障事件,计算结果表明了所提方法的有效性和高效性。

LCC-MMC型混合直流配电系统线路保护方案

作者：贾科；冯涛；陈淼；王聪博；毕天姝

摘要：换相型换流器-模块化多电平换流器（LCC-MMC）型混合直流配电系统发生双极短路故障时,有效故障暂态信息少,故障特征量单一,难以可靠地区分故障边界。基于此,该文提出一种适用于LCC-MMC型混合直流配电系统双极短路故障的保护方案。钳位双子模块的模块化多电平换流器（CDSM-MMC）和双有源全桥变换器（DAB）直流变压器故障闭锁后,结合电网换相换流器(LCC)提供稳态故障电流的典型特征,利用线路两端正极故障电流比值识别区内外故障,基于故障回路串联特性,演绎了线路两端正极稳态故障电流与LCC注入的正极稳态故障电流之间的关系,解析了故障距离,实现了故障精确定位,解决了故障边界模糊的问题。在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建LCC-MMC型混合直流配电系统模型。仿真分析表明,该方案能够可靠地区分故障边界,故障定位精确,较好地满足直流配电系统对保护可靠性和选择性的要求。

锂离子电池在不同区间下的衰退影响因素分析及任意区间的老化趋势预测

作者：孙丙香；任鹏博；陈育哲；崔正韬；姜久春

摘要：准确估计锂离子电池的健康状态（SOH）对于控制策略制定和运行维护至关重要。考虑到充放电区间和电压相变过程对电池老化的影响,该文针对2.75A·h 18650型号三元电池设计了11个荷电状态（SOC）区间的循环寿命测试与性能测试。根据实验结果,分别分析循环区间荷电状态（SOC）宽度、恒压充电时间、平均SOC和充电相变过程对电池老化快慢的作用机制。结合电池老化机理和实验结果,提取量化SOC区间对老化影响程度大小的特征参数。建立预测健康状态的循环神经网络（LSTM RNN）模型,用于学习电池老化对于循环次数及特征参数的长期依赖关系。分别采用误差最大值、平均绝对误差、方均根误差和方差对模型的准确性和可靠性进行分析。结果表明,该文提出的区间循环寿命模型能实现任意区间的老化趋势预测,节省测试时间和测试成本。

抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第3期目次及摘要

“可再生能源制氢与应用”专题特约主编寄语（特约主编：张存满教授）

可再生能源多能互补制-储-运氢关键技术综述