海洋管线在海洋工程装备中应用广泛,在黑暗未知的海底极易受到船锚、深潜器等水下结构物的意外破坏,开展海洋管线平衡位形状态监测研究可有效保障管线的安全.本文基于逆有限元法开发了海洋管线在三维背景洋流作用下的位移场反演模型,包含输入参数模块、坐标转换模块和位移重构函数模块,考虑了悬链线型海洋管线曲率大、三向耦合大位移、局部翻转等特征,解决了三维背景洋流作用下悬链线型管线位移场低模态、不规则给位移场反演带来的技术难题,研究了监测点数量和监测点布置位置对位移场反演精度的影响.测点间距100 m、30° 布置的方式可满足工程精度要求,研究结果可为海洋管线健康监测系统设计提供一定的思路和方法.
多样化调频资源是保障新型电力系统频率安全的有效手段和必然趋势.基于风电、光伏、火电与储能协同的差异化调频策略, 提出一种多场景下耦合长时间尺度规划与短时间尺度机组组合的电源侧电池储能优化配置方法.分别构建火储、风储、光储联合调频策略, 细化配套电池储能的不同功能, 增强其在调频过程中的灵活性.优化模型以风光火储全系统投资与运行成本最小为目标, 将系统可释放的频率响应功率作为安全约束; 通过高阶多机系统频率响应的时域仿真进行校验, 并反馈频率安全割迭代求解. 改进IEEE 24节点系统的算例表明, 所提方法下电池储能可在平抑功率波动、减少新能源弃电与参与电力系统调频之间灵活选择,验证了方法的有效性.
采集海底矿石颗粒是开发深海矿产资源的核心技术.基于康达效应的附壁射流式集矿技术被认为是一种具有工程应用潜力的集矿方法.基于实验验证的计算流体力学-离散元(CFD-DEM)数值模拟方法,以提高矿粒采集率为优化目标,开展集矿装置几何参数优化研究.探究集矿装置凸曲壁曲率半径与矿粒直径之比(R/d)、射流切向弧度(θ)和射流厚度与矿粒直径之比(b/d)对临界无因次射流流量(q0)的影响规律,并对各参数影响的显著性进行了比较.同时,结合集矿流场流速分布特征阐释矿粒受力运动特性.研究结果表明,b/d对集矿效率的影响最大,R/d次之,θ的影响最小.对比工况中,当R/d = 9、θ = 1.05 rad、b/d = 0.26时,矿粒采集效果最佳.本研究可为设计研发高效低扰动集矿装置提供理论支撑.
并联式气电混合动力系统排放少、动力性好,在低碳船舶上的应用前景广阔.但是,受多个执行延迟不确定的影响,混合动力模式切换过程中传动轴系易发生转速异常波动甚至剧烈冲击.提出级联内模控制(IMC)思路,设计显式包含名义延迟信息的滤波器,提高转速跟踪性能,消除延迟的影响.首先建立动力传动系统动力学模型,然后根据切换过程以离合器为分界的传动机理,设计级联IMC,包括抗饱和补偿器、两级跟踪控制器和两级抗干扰控制器,推导满足不确定延迟上界的鲁棒稳定性条件.仿真与台架试验结果表明,级联IMC对不确定延迟具有良好的鲁棒性,显著降低模式切换过程轴系冲击度,实现平稳切换.
在推进能源转型和“双碳”目标背景下,新型电力系统中的主动配电网通过提高新能源渗透率和发挥需求侧管理作用可以实现规模化节能减排.为此提出一种基于动态碳熵的主动配电网两阶段低碳能量管理策略,以碳价为价格信号,引导柔性负荷参与低碳需求响应.首先,对碳熵模型进行分析,建立考虑储能的碳熵模型,细化需求侧碳排放特征.其次,提出节点碳势评估指标,评估系统碳排放的清洁程度.再次,构建基于动态碳熵的主动配电网两阶段低碳优化调度模型,同时利用分时电价以及节点碳价的引导作用,促进新能源消纳,降低系统碳排放的同时有一定的削峰填谷作用.最后,在IEEE 33节点系统设置多个场景来验证所提低碳能量管理模型的有效性和优越性,算例结果表明该策略可以实现主动配电网低碳能量管理.
研究串列布置水平轴双风力机动力响应对保障风力机结构安全至关重要.基于计算流体动力学(CFD)方法,分析处于上游风力机近尾流区的下游风力机尾流场特性,获取双风力机气动荷载时程曲线.进而结合结构动力学与有限元数值方法,分析上、下游风力机结构的风致动力响应特性.研究发现:近尾流区尾流速度亏损显著,导致下游风力机的推力和扭矩分别减少54.94%和91.89%;同时,尾流湍流加剧了下游风力机的气动荷载的周期性波动.气动荷载波动性对下游风力机动力响应影响较小,其整体动力响应较弱,表现为塔顶推力方向的位移减小50.79%.研究成果可为海洋风电场风力机群结构气动响应分析提供技术参考.
悬垂取水管作为温差能发电平台等生产设施的核心部件,日益受到关注.悬垂连接双管结构较之单管有着更高的输送效率与更低的制造工艺要求,但是其涡激振动特性尚不明确.为此,开展了一系列悬垂连接双管模型试验,提出了一种针对大位移、小变形问题的涡激载荷识别方法,并对比分析了双管与单管的涡激振动特性.研究结果表明:在相同流速和流向条件下,悬垂双管和悬垂单管的涡激振动位移幅值在低流速时相似,但在高流速下存在差异;悬垂双管更易表现出涡激振动不稳定性,包括行波和多频响应等;双管结构可以采用与单管相同的斯特劳哈尔数进行涡激振动预报;此外,悬垂双管与悬垂单管在横向流动方向上的附加质量系数存在显著差异,其主要起到调节固有湿频率的作用,以使得双管发生涡激振动共振.
为提高有限元模型仿真精度,提出了一种基于贝叶斯理论的模型更新框架,并利用改进马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)算法和代理模型提升了更新效率.以待更新参数为输入、有限元模型模态响应为输出构建径向基函数(RBF)代理模型,将鲸鱼优化算法(WOA)引入MCMC算法,更新有限元模型的不确定参数.最后,通过一例简支梁数值算例和三层钢框架的试验研究证明了该算法的准确性.结果表明,WOA可以明显改善MCMC算法的采样平稳性和收敛速度,更新效率最高可提升13.9%,基于鲸鱼优化的Metropolis-Hastings(WO-MH)算法更新的简支梁模型和三层钢框架模型最大频率误差分别为0.009%和2.41%.所提模型更新方法在二维输入和八维输入的情况下均能有效提升有限元模型的仿真精度,为建筑结构的精益化仿真和优化设计提供技术参照.
在低频交流输电系统中,海上风电场和陆上交流系统之间因频率解耦和信号传输延迟,导致海上风电场无法及时响应陆上电网频率变化.为此,结合系统惯量分析,提出一种提升海上风电场主动频率支撑能力的控制策略.在频率信号传递方面,基于模块化多电平矩阵变换器(M3C)低频侧构网V/f控制策略,结合系统惯量设计附加频率下垂控制器,建立M3C网侧与低频侧的频率耦合关系,从而实现两侧频率信息的实时传递.在频率支撑方面,当系统发生扰动产生频率偏差时,海上风电机组通过附加下垂控制可调整功率指令值,进而为系统提供频率支撑.最后,在MATLAB/Simulink平台中,通过负荷变化和三相交流短路故障的仿真,验证了所提协同控制策略的有效性.
随着配电网“单元制”规划方法的逐步推广,区域配电网被划分为多个相对独立的供电单元,然而,由于供电单元内部依然存在多条互相联络的线路,其结构的复杂性导致供电单元成图较为困难.现有基于规则或力导向等启发式的自动化成图方法效率较低,且依赖人工干预,难以适应复杂多变的配电网应用场景.为此,提出一种基于均方差条件生成对抗网络的中压配网供电单元自动成图方法.该方法通过布局生成器和遗传变异算法,细粒度地生成并优化配电网节点布局与连线,实现了多种节点规模下的自动成图.同时,设计了面向节点布局生成器的评估函数,以节点聚散程度、连线交叉与拐点数量等拓扑可视化效果作为关键评价指标,用于在循环迭代中优化布局生成器,从而提升成图效果.实验结果表明,所提方法在成图效果上优于其他启发式布局方法.
船舶分段装配过程中,大型曲面薄板(如外板)放置在胎架上时,会受重力作用发生形变,将影响装配精度进而影响分段建造质量.为预测给定胎架布局下大型曲面薄板的形变,建立了一种基于两阶段拉丁超立方采样和Transformer神经网络结构的代理模型(TSM-TLHS).首先,设计了两阶段拉丁超立方采样,相较传统方法,能直接适用于形状不规则薄板的采样.同时,建立了包含多头注意力模块和位置编码的Transformer代理模型,综合考虑了胎架位置与胎架布置点位移对薄板形变的影响.实际案例结果显示,提出的TSM-TLHS方法的预测误差仅为61 μm,且满足现场装配对薄板形变的预测精度需求,便于船厂及时对分段进行反变形补偿,从而确保装配质量.
LCL型并网逆变器的参数不确定性严重影响新能源发电的电能质量,因此需要对参数摄动情况下逆变器的稳定情况进行分析.针对上述问题,首先建立LCL型单相并网逆变器状态空间模型,提出基于参数模型的神经网络建模方法.通过参数特征分析,得到基于参数分布的训练数据集,在神经网络中对数据集进行训练,输出稳定性判别结果.最后,通过MATLAB/Simulink仿真与实验平台验证所提基于神经网络分析逆变器稳定性方法的有效性.
“沙戈荒”大型新能源基地是我国未来新型电力系统的重要组成部分.综合考虑建设成本和碳排放等因素,大基地中火电和储能容量有限,灵活性受限,这使得大基地的调度运行面临极大挑战.为此,提出一种风-火-储大基地日前-实时协同调度方法.在日前阶段,根据风电粗略预测确定火电机组的启停计划及出力可调范围;基于火电出力可调范围和储能运行约束,构建风电可消纳区间.在实时阶段,根据当前风光出力,按照分位数规则生成调度策略,无需高精度预测,进一步证明了分位数规则生成的调度决策自然满足系统运行约束.算例验证了所提风-火-储系统日前-实时协同调度方法的有效性.结果表明:所提不依赖点预测的调度方法优于3步情况下预测误差在10%以上的滚动优化方法,且运行调度的表现可以通过提高日前预测的精度或者日内短期预测的精度获得改善.所提方法可为新能源大基地运行提供重要参考.
脐带缆是油气开采水下生产系统中的关键组成部分,其截面由光缆、电缆、钢管及填充材料等构成.由于构件的性能存在一定差异,所以其排布形式会使得脐带缆性能存在较大差距.综合考虑到截面紧凑性、平衡性和热源分散性,建立了多目标优化模型.基于该模型构建物理模型,并采用拟物算法对包含等径构件的脐带缆截面进行布局设计.前期研究表明,功能构件之间的相互约束会在优化后截面中产生空缺区域,为满足脐带缆设计规范中对截面布局密实的要求,提出基于图像识别的截面构件自动填充策略,并将其融入布局优化流程.最后,以一根脐带缆为例,通过拟物算法得到最优布局后,利用填充策略完成截面填充设计.通过与初始截面对比,验证了所提出的自动填充设计算法的有效性,为脐带缆截面填充设计提供有效参考.
为解决复杂地形下风电场微观选址优化难度大、耗时长的问题,提出一种基于代理模型辅助的复杂地形风电场微观选址多目标优化方法.首先,考虑复杂地形起伏大的地理特征,计算崎岖度指数,将地面平整度进行数值量化,并对崎岖度过大的点进行约束处理;其次,建立三维多风向下尾流叠加计算发电量的数学模型,构建三维地形集电线路拓扑优化代理模型,检验代理模型的预测精度,表明可替代集电线路拓扑优化的大量计算,有效提高计算效率,然后采用多目标离散状态转移算法,获得复杂地形微观选址多目标优化设计的Pareto前沿;最后,以中国新疆某实际复杂地形风电场为例,实现复杂地形风电场多目标微观选址,并将该算法与单目标优化结果进行比较.仿真结果表明,在考虑复杂地形因素特点的情况下,代理模型辅助的多目标离散状态转移算法能在优化年发电量的前提下减少总电缆铺设长度,降低工程建设投资,为工程实际提供更多布局方案.
当弱电网发生不对称故障时,双馈风力发电机(DFIG)与电网阻抗之间会形成正序和负序间的耦合通路,导致交互作用复杂化.根据并网导则的要求,风力机组需向电网提供正、负序动态无功支撑,但若正、负序电流控制参数设置不合理,系统将面临失稳振荡风险.首先采用谐波线性化方法建立DFIG并网系统的序阻抗模型,分析了正序有功、正序无功、负序无功电流对系统稳定性的影响规律,并对序间耦合致稳机理进行了研究.其次,综合考虑稳定性约束、并网导则约束以及变换器容量限制,对DFIG的运行域进行量化表征.针对DFIG稳定运行域不足的问题,提出一种振荡自适应抑制的锁相环控制方法,实现了对锁相环输入振荡分量的自适应抑制,从而扩展了DFIG的稳定运行域.最后,仿真算例验证了理论分析的正确性以及所提控制方法的有效性.
随着数字经济的快速发展,数据中心(DC)的能耗及其碳排放显著增加.近些年,数据中心算力综合能源系统(DC-IES)的构建已经成为全球净零排放趋势下数据中心节能减排的重要趋势之一.为助力低碳DC-IES规划与构建,基于热力学第二定律㶲的“品质”分析法,综合考虑能源转化设备㶲效率随设备负载率变化的特性,构建计及设备动态㶲特性的低碳DC-IES容量配置及运行优化能量和经济的多目标规划优化模型,揭示了不同目标下DC-IES 的能流分布特性.结果表明,计及动态设备㶲效率的优化方案相较恒定设备㶲效率的优化方案, 㶲损失率、经济成本、碳排放量分别降低2.6%、1.9%、4.8%,存在明显优势.同时,相较于经济最优方案,多目标优化方案能够显著降低DC-IES的碳排放量及㶲损失率,降低幅度分别为22.72%和20.73%;相较于㶲损失率最小和碳排放量最低方案,多目标优化方案下DC-IES经济成本分别降低54.54%和60.78%;与仅使用电网供电的方案相比,将DC视为综合能源系统的多目标优化方案能够降低40.97%的碳排放量.
近年来,电磁波时间反演(EMTR)技术作为一种有效的定位方法在局部放电领域开始得到应用.相比传统的特高频(UHF)定位方法,EMTR技术仅需要单个传感器,具有巨大的优势和良好的应用前景,但目前常用的最大场强和最小熵准则很难精确得出复杂结构下时间反演的聚焦时刻和位置.根据信号源与非信号源处波形的不同特征,提出一种基于密度的带噪声应用空间聚类(DBSCAN)算法的EMTR定位方法,并采用CST Studio Suite仿真软件对气体绝缘封闭开关设备(GIS)中局部放电进行定位验证.为验证时间反演的现场可行性,搭建实验室模型并进行局部放电实验,结果表明EMTR方法的平均定位误差小于20 cm,能够实现GIS中局部放电源的准确定位,相较于传统方法减少了传感器数量,提高了抗干扰性能,具有一定的优越性.
针对风电出力的不确定性导致并网电能质量下降以及混合储能系统功率分配不佳的问题,提出一种基于变分模态分解与多模糊控制的风电混储系统功率分配策略.首先,考虑风电出力的不确定性,采用拉丁超立方抽样和欧氏距离法生成风电典型场景;其次,利用正余弦算法优化变分模态分解,对风电功率进行初次分配,得到低于并网波动上限的风电并网功率和混合储能系统平抑功率;最后,对混合储能系统的荷电状态进行分区划分,结合系统荷电状态与混合储能特性,提出一种多模糊控制下的功率再分配策略,以实现对混合储能系统功率的修正.仿真结果表明:所提策略不仅能够有效平抑风电波动、获得稳定的并网功率,还可缓解混合储能系统的过充和过放问题.
针对大规模线路传输约束在机组组合问题中引发的有效约束筛选难题,总结线路约束在暂态和稳态下的作用规律,提出了一种基于负荷相似性挖掘的有效约束筛选方法,去除无效的线路传输约束以简化问题规模.针对不同节点对线路潮流的影响程度,构造距离函数挖掘历史负荷数据相似性,基于负荷相似性聚类典型电力负荷场景,根据线路约束的作用情况筛选有效的线路约束.针对系统中状态长期不变的线路采用预筛选方法,在挖掘算法前判定状态以降低挖掘过程计算量.在IEEE 118和Case2746wop系统上进行仿真,验证了所提方法的有效性并与现有方法进行对比,结果表明该方法能够高效地去除99%的无效线路约束,缩减了80%以上的求解时间.
