上海交通大学学报

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1. 基于门控循环注意力网络的配电网故障识别方法

陈昊蓝, 靳冰莹, 刘亚东, 钱庆林, 王鹏, 陈艳霞, 于希娟, 严英杰

上海交通大学学报 2024, 58 (3): 295-303. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.091

摘要（177）

HTML （10）

PDF（pc）（2938KB）（2265）

为了提高小样本条件下配电网故障辨识准确率,提出一种门控循环注意力网络模型.首先,通过注意力机制赋予故障相中关键周期较高权重,通过加权运算使得模型更加关注上述关键信息.其次,利用门控循环网络处理波形序列,该网络利用门控信号控制记忆传递过程,并借由记忆传递建立序列中不同阶段输入波形和故障类别概率间的关系,从而提升识别准确率.基于仿真数据和实际数据的实验均表明:所提方法在小样本条件下的可靠性和准确率远优于同等条件下支持向量机、梯度提升决策树、卷积神经网络等常用分类模型,为配电网故障辨识技术提供了一种新思路.

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2. 基于改进无源性控制的三相LCL并网逆变器输出导纳重塑方法

王晗, 张建文, 施刚, 朱淼, 蔡旭

上海交通大学学报 2023, 57 (9): 1105-1113. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.120

摘要（322）

HTML （34）

PDF（pc）（3313KB）（865）

基于能量函数的无源性控制(PBC)被广泛研究并用于并网变换器以获得更好的控制性能.然而,传统的PBC方法依赖并网变换器的精确数学模型,且已有研究较少考虑数字控制的延迟效应以及电容性电网或复杂弱电网下电网阻抗的不确定性对系统稳定控制的影响.鉴于此,针对三相LCL并网逆变器提出一种改进PBC方法以实现导纳重塑,通过增加电容电流前馈将系统无源区域扩展到奈奎斯特频率,在电网阻抗宽范围变化下实现LCL谐振频率的有源阻尼控制,并提出改进PBC控制参数设计方法.在3 kW并网逆变器样机平台上开展仿真和实验研究,验证了理论分析的正确性.

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3. 面向高比例清洁能源消纳的含灵活性资源电力系统规划方案优选

郭咏涛, 向月, 刘俊勇

上海交通大学学报 2023, 57 (9): 1146-1155. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.269

摘要（203）

HTML （11）

PDF（pc）（2433KB）（816）

高比例清洁能源具有波动性及间歇性等特点,其大规模接入给电力系统灵活性带来巨大挑战.为提升系统可再生能源消纳能力,考虑火电灵活性改造、投建燃气机组和投建储能的多种灵活性资源,建立一种计及多类型灵活性资源功率特性的电力系统规划方案优选模型.通过改进的IEEE 24节点电力系统和12节点天然气互联系统进行仿真分析,验证所提模型的有效性,并从经济性、消纳能力、低碳性等角度对灵活性规划方案进行优选以满足不同的规划需求.

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4. 复杂环境下基于改进Informed RRT^*的无人机路径规划算法

刘文倩, 单梁, 张伟龙, 刘成林, 马强

上海交通大学学报 2024, 58 (4): 511-524. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.442

摘要（740）

HTML （18）

PDF（pc）（11075KB）（605）

针对无人机在复杂环境中进行路径规划时,快速搜索随机树(RRT)算法易出现规划时间长、路径冗余、狭窄空间中易陷入局部约束导致规划失败的问题,提出一种改进的Informed RRT^*算法.首先,引入人工势场法使采样点按照势场下降的方式向目标点移动,以提高RRT树扩展的目的性和方向性.然后,考虑随机树在扩展过程中全局环境的复杂度,引入自适应步长调整策略以增加随机树在无障碍环境下的扩展速度,并在随机树扩展的过程中加入相关约束条件以确保生成路径的可行性.在找到第一条可达路径后,采用变化的椭圆或椭球采样域限制采样点选取和自适应步长的扩展范围,加快算法收敛到渐进最优的速度.最后,在复杂二维和三维环境下进行传统算法和改进算法的对比实验,仿真分析表明:改进算法可以在很少的迭代次数下找到更优的初始路径,更快地锁定椭圆或椭球采样域,从而给路径优化留出更多时间,算法规划效果更好.

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5. 考虑不同充电策略的锂电池健康状态区间估计

张孝远, 张金浩, 杨立新

上海交通大学学报 2024, 58 (3): 273-284. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.347

摘要（224）

HTML （12）

PDF（pc）（3204KB）（487）

评估锂离子电池健康状态(SOH)对于电池使用、维护、管理和经济性评价都有十分重要的意义,但当前锂电池SOH估计方法多针对特定充电策略,采用确定性估计模型,无法反映电池退化过程中的随机性、模糊性等不确定性信息.为此,提出一种适用于不同充电策略的锂电池SOH区间估计方法.该方法针对不同充电策略的电池循环充放电数据提取多个特征参数,通过交叉验证自动选择针对特定充电策略的最优特征参数组合.另外,考虑到锂电池全生命期循环次数有限,属于小样本问题,提出集成支持向量回归与分位数回归优势的支持向量分位数回归模型(SVQR)进行锂电池SOH区间估计.选用放电程度较深的锂电池充放电循环数据作为训练集,对SVQR模型进行离线训练,训练好的模型用于不同充电策略下锂电池SOH在线估计.采用具有不同充电策略的数据集验证所提方法,实验结果表明:所提方法适用于不同充电策略,且估计结果优于分位数回归法、分位数回归神经网络法和高斯过程回归法.

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6. 融合MobileNetV3特征的结构化剪枝方法

刘宇, 雷雪梅

上海交通大学学报 2023, 57 (9): 1203-1213. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.077

摘要（460）

HTML （24）

PDF（pc）（11611KB）（466）

传统的深度神经网络由于计算量和内存占用庞大,难以部署到嵌入式平台中发挥实用价值,所以轻量级的深度神经网络得到快速发展.其中,谷歌提出的轻量级架构MobileNet具有广泛的应用.为了进一步提高性能,MobileNet的模型由MobileNetV1发展到MobileNetV3,但模型变得更为复杂,导致其规模不断扩大,难以发挥轻量级模型的优势.为了在能保持MobileNetV3性能的前提下,降低部署于嵌入式平台的难度,提出一种融合MobileNetV3特征的结构化剪枝方法,对MobileNetV3-Large模型进行裁剪,得到一个更加紧凑的模型.首先对模型进行稀疏正则化训练,得到一个较为稀疏的网络模型;然后使用卷积层的稀疏值和批量归一化层的缩放系数的乘积判别冗余滤波器对其进行结构化剪枝,并在CIFAR-10和CIFAR-100数据集上进行实验.实验结果表明:提出的压缩方法可以有效压缩模型参数,并且压缩后模型仍然能保证良好性能;在准确率不变的前提下,CIFAR-10上模型的参数量减少44.5%,且计算量减少40%.

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7. 基于极限学习机模型参数优化的光伏功率区间预测技术

何之倬, 张颖, 郑刚, 郑芳, 黄琬迪, 张沈习, 程浩忠

上海交通大学学报 2024, 58 (3): 285-294. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.338

摘要（289）

HTML （9）

PDF（pc）（1907KB）（449）

提出一种基于极限学习机(ELM)模型参数优化的光伏功率区间预测技术.首先,提出加权欧氏距离作为光伏功率预测区间评估指标,筛选历史样本单元并优化ELM训练集;然后,提出ELM参数混合寻优算法,利用精英保留策略遗传算法与分位数回归优化ELM模型隐层输入及输出权重与偏置参数,并采用训练后的模型预测光伏功率区间;最后,基于光伏电站与气象站历史数据构建实际算例,预测光伏功率区间,并与其他方法得到的结果进行对比.算例结果表明:所提方法在增加区间预测可信度的同时,能较大程度提高区间预测准确度.

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8. 机器学习在化学合成及表征中的应用

孙婕, 李子昊, 张书宇

上海交通大学学报 2023, 57 (10): 1231-1244. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.078

摘要（516）

HTML （52）

PDF（pc）（4421KB）（443）

自动化化学合成是化学领域长期追求的目标之一.近年来,机器学习的出现使得实现这一目标有了可能.以数据驱动为核心的机器学习借助计算机学习海量化学数据中的信息,寻找信息之间的客观联系和规律,根据已有规律和信息训练生成模型,借助模型预测分析需解决的实际问题.机器学习因其出色的计算预测能力,帮助化学工作者快速高效解决化学合成问题,加快研究进程.机器学习的出现和发展对化学合成及表征领域展示出强大的研究助力作用,但目前并不存在通用性极强的机器学习模型,化学工作者仍需根据实际情况选择不同模型进行训练学习.从监督学习、无监督学习、半监督学习、强化学习等机器学习的角度,向化学工作者展示常见学习方法在化学合成及表征中应用的最佳案例,帮助其利用机器学习知识进一步拓宽研究思路.

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9. 卫星对空中动态目标凝视成像姿态规划方法

杜宁, 吴树范, 陈占胜, 陈文晖, 王世耀, 徐家国, 秦栋栋

上海交通大学学报 2024, 58 (4): 411-418. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.425

摘要（348）

HTML （60）

PDF（pc）（1661KB）（433）

针对低轨卫星面阵相机对空中动态目标凝视成像需求,提出卫星平台根据像面脱靶量进行目标位置估计和凝视姿态规划方法.基于空中动态目标飞行高度的先验知识,以目标地理经纬度和经纬度变化率为状态量,以目标中心像素值为观测量,设计扩展卡尔曼滤波器,实现目标地理经纬度的精确估计和预报.在此基础上,规划卫星姿态和角速度,避免了目标像素噪声和延时对姿态稳定度的影响,并实现了单星对目标位置估计.通过数学仿真验证了所提方法的有效性.

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10. 基于WRF-LES模式的大气边界层近地风场精细化模拟研究

刘达琳, 陶韬, 曹勇, 周岱, 韩兆龙

上海交通大学学报 2024, 58 (2): 220-231. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.415

摘要（1740）

HTML （26）

PDF（pc）（9950KB）（427）

台风等极端气象灾害对工程结构安全造成严重威胁,研究近地面大气边界层精细化模拟对于土木工程具有重要应用价值.数值天气预报系统(WRF)中的大涡模拟(LES)模块具有参数方案多、精度高等优点,适用于近地面风场精细化模拟,但数值天气预报-大涡模拟(WRF-LES)精细化模拟效果与参数设置密切相关.寻求适用于精细化模拟近地面风场的参数设置,选用WRF-LES模式中的几种次网格模型和空间差分格式,采用较细密的网格分辨率,进行理想大气边界层模拟.对比平均风速剖面、湍流强度剖面和功率谱等风场特性,讨论关键参数对近地面风场模拟精度的影响,确定合适的参数设置.研究表明:对次网格模型,非线性回波散射和各向异性 (NBA1)模型可有效改善近地面风场模拟精度;对网格方案,在计算域底部不均匀加密垂直网格可更好地描述近地面风场空间分布特征,有效减小计算资源;对空间差分格式,偶数阶差分相较奇数阶差分格式可捕获更小尺度湍流结构.所提出的WRF-LES模式参数方案,可为精细化模拟近地面风场和台风边界层提供技术参考.

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11. 一种CNN-LSTM船舶运动极值预报模型

詹可, 朱仁传

上海交通大学学报 2023, 57 (8): 963-971. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.089

摘要（299）

HTML （16）

PDF（pc）（2516KB）（399）

针对船舶摇荡运动的短期极值预报,提出一种融合运动频谱信息的滑动窗口方法提取特征数据,在此基础上构建卷积神经网络(CNN)与长短时记忆(LSTM)网络的组合预报模型,其中CNN模块针对输入数据的局部相关特征,LSTM模块针对数据的时间维度特征.对S175船进行运动仿真测试,结果表明,该模型对未来1~2个周期内的运动极值信息预报效果良好,各项评价指标均明显优于LSTM和门控循环单元(GRU)模型,具有重要的应用价值.

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12. 基于LSTM-CAPF框架的岸桥起升减速箱轴承寿命预测方法

孙志伟, 胡雄, 董凯, 孙德建, 刘洋

上海交通大学学报 2024, 58 (3): 352-360. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.440

摘要（149）

HTML （5）

PDF（pc）（5678KB）（377）

岸桥起升减速箱轴承的健康状况对港口生产安全具有重要意义.针对岸桥变工况的工作条件,提出一种起升减速箱轴承的剩余使用寿命(RUL)预测框架.首先,对工作载荷进行离散化,并确定工况边界.然后,利用长短时记忆(LSTM)网络模型预测载荷和相应的运行工况.其次,以维纳过程为基础,建立了考虑不同工况下退化率和跳变系数的状态退化函数.最后,利用工况激活粒子滤波(CAPF)方法预测轴承退化状态和RUL.采用NetCMAS系统采集的上海某港口起升减速箱轴承全寿命数据验证了所提出的预测框架.与其他3种预测模式比较表明,所提出的框架能够在变工况条件下获得更准确的退化状态和RUL预测.

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13. 共享储能关键技术与应用

宋梦, 林固静, 蒙璟, 高赐威, 陈涛, 夏世威, 班明飞

上海交通大学学报 2024, 58 (5): 585-599. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.360

摘要（1333）

HTML （25）

PDF（pc）（4173KB）（376）

在“双碳”目标推动下,可再生能源渗透率不断提高,但其固有的波动性、间歇性和不确定性给电力系统安全稳定运行带来了极大挑战.共享储能作为共享经济在储能领域的典型应用,通过储能资源的“所有权”和“使用权”分离,实现储能资源的最大化使用,为可再生能源大规模并网引发的供需失衡问题提供了新的解决方案,展现出广阔的发展前景.从价值定位、成本模型、及盈利模式3个维度总结了共享储能的商业模式,并对其交易品种、运行架构、工程应用进行详细分析和总结,最终对共享储能的未来趋势进行讨论与前瞻.

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14. 新型仿生螺旋桨优化设计

吴春晓, 卢雨, 刘社文, 顾朱浩, 邵思雨, 邵武, 李闯

上海交通大学学报 2023, 57 (11): 1421-1431. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.174

摘要（1779）

HTML （27）

PDF（pc）（10709KB）（375）

对导边变形的仿生螺旋桨的水动力性能优化设计提出一种新颖的方法.基于仿生学原理与参数化建模的方法,将座头鲸前鳍的凹凸结构应用于螺旋桨导边,即在螺旋桨导边迎流区依据指数衰减曲线和正弦函数曲线将标准光滑导边进行类似座头鲸鳍突起结构状的凹凸变形,获得的导边凹凸的仿生螺旋桨.分别对指数衰减型仿生桨与正弦函数型仿生桨进行水动力性能、空泡性能以及噪声性能数值模拟.选出其中性能较优的螺旋桨,然后将基于仿真设计(SBD)技术引入新型仿生螺旋桨优化设计中,以控制导边变形的指数衰减曲线形状的参数为优化设计变量,以母型桨的转矩作为约束条件,选取敞水效率为目标函数,采用Sobol与T-Search优化算法,构建基于指数衰减曲线的仿生螺旋桨优化研究系统.研究结果表明:将座头鲸前鳍的凹凸结构应用于螺旋桨导边对螺旋桨的空泡性能与噪声性能有所提高,但对于螺旋桨敞水性能的提高不显著,验证了本研究所建立的仿生桨水动力性能优化设计方法是有效可靠的,为仿生螺旋桨的性能数值计算及构型优化设计提供了一定的理论依据和技术指导.

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15. 气动齿状软体驱动器的理论建模、仿真分析及实验研究

苏怡仪, 徐齐平, 刘锦阳

上海交通大学学报 2023, 57 (8): 1016-1027. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.039

摘要（259）

HTML （10）

PDF（pc）（17776KB）（359）

针对气动齿状软体驱动器,从腔室侧壁膨胀角和驱动器弯曲角度的非线性几何关系出发,基于虚功原理和Neo-Hookean超弹性不可压缩材料的非线性本构关系,建立了同时考虑底层、侧壁、前后壁应变能的准静态力学模型.该模型考虑了几何非线性和材料非线性,能够准确高效求解不同驱动气压和末端载荷作用下的软体驱动器构型.在此基础上利用Abaqus软件对固支-自由软体驱动器进行有限元仿真,并搭建了相应的实验装置,对不同气压作用下的驱动器进行了仿真分析和实验研究.结果表明:驱动气压与软体驱动器的弯曲角度呈线性相关,且理论模型的预测结果与有限元仿真和实验结果基本吻合.此外,分析了软体驱动器各部位的应变能分布情况.针对驱动器受末端载荷的变曲率情况,基于分段等曲率模型得到的构型与Abaqus基本一致.该准静态建模方法为同类软体驱动器的结构优化设计、性能改善和运动控制建立理论基础.

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16. 绿色工质HP-1高温热泵系统中膨胀阀开度与流量匹配特性

王约翰, 南晓红, 欧阳洪生, 郭智恺, 胡斌, 王如竹

上海交通大学学报 2023, 57 (10): 1367-1377. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.155

摘要（241）

HTML （8）

PDF（pc）（1421KB）（347）

节流过程作为热泵系统中的重要环节,对系统运行有着重要影响.以新型环保工质HP-1准二级压缩高温热泵为对象,考虑电子膨胀阀的阀体开度和制冷剂性质等参数影响,利用MATLAB建立系统循环和电子膨胀阀的数学模型,对系统在变工况下的电子膨胀阀开度与流量匹配特性进行模拟,并利用实验数据通过幂律拟合的方法得到了HP-1的流量系数关联式.研究结果表明:椭圆锥形阀体结构的电子膨胀阀可用于HP-1高温热泵系统,能够适应系统在变工况下的节流特性,蒸发温度在50~90 ℃、冷凝温度在60~120 ℃范围变化时,该种类型阀体用于主节流阀的开度调节范围为49.8%~69.8%,用于补气路节流阀的开度调节范围为41.5%~56.0%,且经过实验验证具有良好适用性;获得的拟合关联式与实际数据的相对偏差在 -7.8%~+7.5%之间,能够准确地预测电子膨胀阀的流量特性.根据制冷剂性质选择与之匹配的电子膨胀阀, 并对其控制系统进行优化改进,这对于实际机组的运行性能至关重要.本研究为高温热泵用电子膨胀阀的选型与控制系统的优化提供了良好的研究基础.

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17. 基于用户分类的综合能源系统低碳运行策略

张春雁, 窦真兰, 白冰青, 王玲玲, 蒋传文, 熊展

上海交通大学学报 2024, 58 (1): 1-10. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.321

摘要（2251）

HTML （32）

PDF（pc）（1783KB）（338）

综合能源系统 (IES) 是实现“双碳”目标的重要手段,然而系统内部不同类型用户用能行为各异,使得IES协调优化与低碳运行难度增加.为了充分发挥用户的主观能动性,基于用户行为分析对IES的用户行为进行建模,并通过卷积神经网络将用户分为激进型和保守型.构建IES运营商决策模型,确定电热能源的供应方式,针对不用类型用户设计相应的能源套餐.基于实际数据分析上述模型和方法的有效性,验证了用户分类在IES低碳运行中的价值.

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18. 不同参数对带粗糙冰翼型绕流流场结构影响的实验研究

郑诚毅, 杜旭之, 东乔天, 杨志刚, 熊兵, 徐毅, 吴凌昊, 金哲岩

上海交通大学学报 2023, 57 (9): 1221-1230. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.149

摘要（135）

HTML （13）

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粗糙冰会改变翼型前缘轮廓从而影响翼型整体的气动特性.研究过冷大水滴结冰条件下产生的粗糙冰对翼型绕流流场结构的影响可以为飞机的防/除冰设计提供参考.利用粒子图像测速技术在低速直流风洞内对表面覆盖粗糙冰的翼型模型的绕流流场结构开展了详细的实验测量研究,主要探究了粗糙冰对涡量和标准化雷诺应力分布的影响.研究参数包括雷诺数、粗糙冰的粗糙度和翼型的攻角.结果表明:随着雷诺数增大,带冰翼型尾流处的涡量范围和数值增大,标准化雷诺应力值略微减小;粗糙冰的存在降低了翼型近壁面处气流速度,增加了尾流的涡量并严重影响切应力分布;与光滑翼型相比,粗糙冰会使气流提前分离,且分离泡内的气流速度波动更剧烈.

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19. 基于BESO算法的高桩承台式水平轴风力机支撑结构优化

占玲玉, 何文君, 周岱, 韩兆龙, 朱宏博, 张凯, 涂佳黄

上海交通大学学报 2023, 57 (8): 939-947. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.182

摘要（264）

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研究大型水平轴风力机塔筒的合理支撑结构形式对风力发电结构系统安全至关重要.针对高桩承台式水平轴风力机,基于反比例型删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,拓扑优化风力机塔筒结构,根据计算流体动力学方法和桩土相互作用原理,建立考虑桩土作用的风力机结构风致动力响应数值模型,比较分析优化前后风力机结构动力响应特性,验证结构优化方法的可靠性.经拓扑优化得到新的高桩承台水平轴风力机支撑结构,相较于初始结构,优化后的支撑结构风致动力响应显著降低,成果可为高桩承台式水平轴风力机支撑结构设计优化提供技术参考.

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20. 基于反应状态原位测试的空冷型燃料电池运行参数分析

陈敏学, 邱殿凯, 彭林法

上海交通大学学报 2024, 58 (3): 253-262. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.318

摘要（333）

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PDF（pc）（25048KB）（308）

空冷型质子交换膜燃料电池内部反应状态是影响电池输出性能和稳定性的关键因素.通过研制空冷燃料电池反应状态的原位测试装置,实现电池温度和电流密度的实时测量,揭示氢气出口脉排间隔、氢气入口气压和阴极风速对电池性能的影响机制.研究表明:空冷电池中温度和电流密度分布不均,平均电流密度为500 mA/cm²时,电池内温度极差达到20 ℃,电流密度极差达到400 mA/cm².氢气出口脉排间隔越短、入口气压越大,氢气出口区域性能越好,分布均匀性越好,电流密度波动也越小,输出稳定性提高.如果阴极风速过低,电池局部温度高,温度分布均匀性降低;风速过高则导致生成水被吹走,质子膜含水量下降,电流密度分布均匀性变差.

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21. 大规模风电场高电压穿越控制方法研究综述

魏娟, 黎灿兵, 黄晟, 陈思捷, 葛睿, 沈非凡, 魏来

上海交通大学学报 2024, 58 (6): 783-797. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.416

摘要（377）

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大规模发展风电是新能源开发和利用的重大需求,是实现我国“碳达峰、碳中和”战略目标的关键支撑.由外部电网故障造成的风电场电压安全稳定运行问题成为制约风电大规模、集群化、智能化发展的关键瓶颈之一.主要针对电网电压骤升工况,首先从电磁关系和能量流动角度分析常见的双馈风电机组、永磁直驱风电机组以及风电场的高电压穿越(HVRT)暂态特性;然后,基于风电机组不同控制区域归纳总结风电机组HVRT控制策略和风电场HVRT及故障后电压恢复协调优化控制方法,梳理和比较现有各种控制策略的工作原理和优缺点,并从控制结构的角度归纳分析现有大规模风电场的HVRT控制方法的原理、优缺点和效果,总结风电机组和风电场在HVRT控制上的不同点;最后,探讨和预测未来风电场电压智能安全控制的发展趋势和潜在研究热点,为提升我国风电大规模应用和电网安全运行提供借鉴指导作用.

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22. 面向散热应用的碳化硅表面热丝化学气相沉积金刚石膜生长速率

李维汉, 乔煜, 疏达, 王新昶

上海交通大学学报 2023, 57 (8): 1078-1085. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.043

摘要（234）

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金刚石具有极高的导热系数,在热管理中具有广阔的应用前景.基于热丝化学气相沉积法,采用多次沉积工艺在碳化硅表面制备了金刚石厚膜.采用扫描电子显微镜和拉曼光谱仪对金刚石膜进行了表征,系统地研究了热丝功率、碳源浓度和反应压力等工艺参数对金刚石生长速率及质量的影响.研究结果表明,当热丝功率为1 600 W、碳源浓度在形核阶段为18/300和生长阶段为14/300、反应压力为4 kPa时制备的金刚石膜质量最佳,此时金刚石膜生长速率约为1.4 μm/h.

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23. 考虑地震攻击交通网影响的配电网韧性评估及提升策略

颜文婷, 杨隆, 李长城, 罗伟

上海交通大学学报 2023, 57 (9): 1165-1175. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.152

摘要（833）

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PDF（pc）（2248KB）（297）

严重的地震灾害不仅会造成配电网大面积停电,还会损坏交通网,阻碍配电网恢复资源的运输,进而减缓配电网恢复.考虑地震攻击交通网的影响,提出地震灾害下配电网的韧性评估方法及韧性提升策略.首先,基于地震动峰值加速度建立反映地震灾害与交通-配电网故障概率关系的地震攻击模型,量化地震灾害对交通-配电网的影响,并生成交通-配电网故障场景.其次,引入配电网抢修队等待道路修复疏通时间,提出配电网韧性评估指标.再次,构建考虑故障线路抢修、道路修复疏通以及应急资源调度的配电网恢复双层优化模型并求解,上层优化模型以最小失电负荷量为目标,下层优化模型以最短配电网抢修队等待道路修复疏通时间为目标.最后,采用12节点交通网与IEEE33节点配电网耦合算例,验证所提韧性指标的可行性以及恢复方法的有效性.结果表明:考虑地震攻击交通网影响的配电网韧性评估指标更准确,所提的恢复策略能有效提升地震灾害下配电网韧性.

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24. 考虑阶梯式碳交易机制的混氢天然气综合能源系统低碳经济运行

范宏, 杨忠权, 夏世威

上海交通大学学报 2024, 58 (5): 624-635. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.377

摘要（1150）

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氢能是实现“双碳”目标的重要能源载体,碳捕集技术是能源行业减排的重要技术手段.将氢气、天然气掺混形成混氢天然气,可以实现氢能的有效输运与利用,同时应用碳捕集技术对火电机组进行改造,有助于推动可再生能源的大规模消纳并降低碳排放水平.在此背景下,建立制氢设备和燃料电池的精细模型,针对系统碳排放问题,建立碳捕集火电机组的碳排放、出力模型以及掺氢热电联产的数学模型,并引入阶梯式碳交易机制控制碳排放.基于此,以购能成本、碳排放成本、弃风成本和碳封存成本之和最低为目标,计及管网掺氢比、碳捕集等约束,建立混氢天然气综合能源系统优化调度模型,采用粒子群算法结合CPLEX求解.通过不同场景对所构建的模型进行分析,验证调度模型在推进低碳经济发展方面的优势.

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25. 水滴在气流中变形破碎过程的数值模拟研究

桑旭, 金哲岩, 杨志刚, 余放

上海交通大学学报 2024, 58 (4): 419-427. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.414

摘要（294）

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PDF（pc）（2771KB）（293）

针对水滴在结冰风洞实验中加速过程内易发生破碎而导致试验段内水滴粒径分布难以符合结冰气象条件的问题,利用流体体积(VOF)方法,模拟了直径为100、200、400、600、800、1 000 μm 以及 1 200 μm 的水滴在不同气流速度作用下(20、50、80 m/s)的变形破碎情况.结果表明:在20 m/s气流作用下,直径为600 μm的水滴不发生破碎;当风速为50 m/s时,直径为100 μm的水滴不发生破碎;随着韦伯数增加,最大不稳定波波长也随之增大,水滴的破碎模式从袋状破碎变为包-蕊状破碎,随后转变为蕊-层状破碎,进一步转变为剪切破碎.水滴的破碎形式包括袋状破碎、包-蕊状破碎、蕊-层状破碎及剪切破碎,会对面积最大的液滴与初始液滴面积之比有较大影响.在初始水滴直径相同的条件下,入口速度越大,破碎后的面积比越大.

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26. 铝合金半球壳拉深-旋压复合成形工艺仿真

余小鹏, 王紫旻, 于忠奇, 罗益民, 郁立

上海交通大学学报 2023, 57 (10): 1329-1336. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.165

摘要（158）

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PDF（pc）（4480KB）（288）

针对航天铝合金半球壳传统拉深成形精度差的问题,引入旋压成形,提出铝合金半球壳拉深-旋压复合成形新思路,充分发挥拉深成形和旋压成形的技术优势,实现该构件厚度均匀性好和贴模精度高的成形加工.建立了铝合金半球壳复合成形过程有限元仿真模型,实现了铝合金半球壳复合成形过程仿真,分析了不同旋压占比复合成形件的壁厚分布和贴模度变化规律.结果表明,旋压占比为50%的复合成形铝合金半球壳壁厚均匀性改善明显;强力旋压可改变成形构件应力状态,显著提高复合成形构件尺寸精度.同时,进行了直径1 m级铝合金半球壳复合成形工艺试验验证,实现了构件厚度均匀性和贴模精度的提高.

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27. 基于安全深度强化学习的电网有功频率协同优化控制

周毅, 周良才, 史迪, 赵小英, 闪鑫

上海交通大学学报 2024, 58 (5): 682-692. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.358

摘要（1211）

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PDF（pc）（2823KB）（283）

可再生能源占比不断增加给互联电网频率控制带来严峻考验.由于常规的自动发电控制(AGC)策略没有考虑电网潮流安全约束,所以传统方法根据专家知识和经验进行尝试性发电机功率调整,需耗费较多时间;基于最优电力潮流的互联电网AGC优化模型由于非凸性和大规模性,求解时间较长且存在收敛性问题.鉴于常规深度强化学习具有“离线训练、在线端对端形成策略”的优点,但在动作探索过程中无法保证系统安全性,提出一种基于安全深度强化学习的电网有功频率协同优化控制方法.首先,将电网频率控制建模为约束马尔可夫决策过程,对决策过程添加相关安全约束进行智能体设计;然后,基于华东电网实际系统算例对智能体进行训练和性能提升;最后,对比智能体决策与常规AGC策略效果.结果表明:所提方法在多种运行方式下可快速生成有功频率控制策略,且保证系统频率恢复过程中电网的安全性,可辅助调度员在线决策.

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28. 基于核函数-Wiener过程的轧辊非线性退化建模与剩余寿命预测

王汉禹, 陈震, 周笛, 陈兆祥, 潘尔顺

上海交通大学学报 2023, 57 (8): 1037-1045. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.004

摘要（239）

HTML （6）

PDF（pc）（1553KB）（282）

在轧钢生产过程中,由于磨损等原因,长时间复杂工况运行下的轧辊工作性能会呈现逐步衰退的特征.考虑轧辊工作环境具有工况复杂、随机干扰强等特点,提出基于核函数-Wiener过程(KWP)退化模型,使用Wiener过程刻画轧辊退化趋势的强随机性特征,引入核函数捕捉轧辊的非线性退化路径,推导贝叶斯框架下参数估计的解析表达式,并构造轧辊可工作转动量的健康指标,进一步预测轧辊剩余寿命(RUL).结合某钢铁公司1580热轧生产线现场数据,所构建模型拟合优度达到0.989,剩余寿命预测误差低于4.7%,相较常见机器学习算法取得了更好效果,有助于提高设备运转效率与安全性并实现视情维护.

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29. 城市电力行业碳排放测算方法及减碳路径

胡壮丽, 罗毅初, 蔡航

上海交通大学学报 2024, 58 (1): 82-90. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.222

摘要（1986）

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为测算城市电力行业碳排放水平和降低电力行业碳排放,提出一种城市电力行业碳排放测算方法和减碳路径.首先,基于城市本地电源发电和净调入电力数据建立城市电力行业碳排放测算模型;其次,从发电侧、电网侧、负荷侧和储能侧提出城市电力行业减碳措施;然后,建立减碳措施的效果评估模型;最后,以珠三角典型城市F市为例,利用所提碳排放测算模型测算该市电力行业碳排放,并依据减碳措施评估该市2030年碳达峰情景电力行业减碳效果.结果表明:所提模型能准确测算城市电力行业碳排放;通过减碳措施,F市在2030年至少可减少碳排放1.06×10⁷ t.

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30. 基于浸入边界法的高解析度CFD-DEM流固耦合方法

毛佳, 肖景文, 赵兰浩, 底瑛棠

上海交通大学学报 2023, 57 (8): 988-995. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.095

摘要（333）

HTML （8）

PDF（pc）（11088KB）（276）

根据流固耦合问题的普遍性,提出了基于浸入边界法的高解析度计算流体力学-离散元法(CFD-DEM)流固耦合方法.新方法采用基于欧拉框架的计算流体力学方法描述流体的运动,采用基于拉格朗日框架的离散元法描述固体的运动及碰撞,在离散单元的表面布置浸入边界点,解决固体运动过程中与流体间的移动且未知的边界问题.为验证方法的准确性,模拟了圆柱绕流涡激振动、方块驰振两个经典算例,计算结果与数值解吻合度高,说明新方法能够准确描述流固耦合作用.最终,将该方法应用于多块体沉降的模拟,结果表明新方法能够反映流场的复杂变化,有效处理包含大量任意形状离散块体碰撞的流固耦合问题.

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31. 基于联邦强化学习的电热综合能源系统能量管理策略

王金锋, 王琪, 任正某, 孙晓晨, 孙毅, 赵一伊

上海交通大学学报 2024, 58 (6): 904-915. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.418

摘要（252）

HTML （4）

PDF（pc）（4615KB）（275）

电热综合能源系统(IES)的能量管理关系到园区的经济效益与多能互补能力,但面临新能源出力随机性和用户负荷不确定性的挑战.首先,构建电热IES能量管理问题的数学模型,将各供能子系统赋能为智能体,基于深度确定性策略梯度(DDPG)算法建立综合考虑子系统实时用能负荷、分时电价及各设备出力的系统能量管理模型.然后,采用联邦学习技术,在训练过程中交互3个子系统的能量管理模型梯度参数对模型的训练效果进行协同优化,打破数据壁垒的同时保护各子系统数据隐私.最后,通过算例分析验证了所构建基于联邦学习框架的DDPG能量管理模型能有效提升园区IES经济效益.

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32. 基于双惯容调谐质量系统的半潜式海上风力机振动控制

曾伟杰, 张颖, 邓燕飞, 郭川睿, 任伟新

上海交通大学学报 2024, 58 (7): 983-994. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.019

摘要（173）

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与固定式海上风力机相比,漂浮式海上风力机的振动问题更为突出,进一步控制漂浮式海上风力机的振动成为了工程难题.针对此问题,探索了惯容调谐质量阻尼器(惯容-TMD,即IBA)系统对半潜式海上风力机的振动抑制效果,并提出一种基于结构阻抗的惯容-TMD综合优化设计方法,从整个设计空间出发保证惯容-TMD的最优性.为寻求最优的减振效果,基于达朗贝尔原理建立风力机-惯容-TMD动力学模型,采用双IBA的控制策略同时对半潜式海上风力机浮台和塔筒的振动响应进行抑制,并从增益效果角度,比较了双IBA与双TMD的减振性能.最后对OpenFAST软件进行二次开发,数值验证了风浪联合作用下双IBA相对于双TMD减振性能的提升.结果表明:双减振装置的减振性能相较于单个减振装置有明显提升,且双IBA振动控制效果要优于双TMD;此外,基于惯容器质量增益效果,在达到最优TMD相同减振效果的情况下,机舱惯容-TMD (NIBA)和浮台惯容-TMD (PIBA)分别可将结构减振器中质量元件的质量减少23.9%和32.2%,大幅降低装置成本.

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33. 电子束物理气相沉积热障涂层隔热性能的磷光寿命在线测量

刘郑红, 余亚丽, 程伟伦, 李牧之, 杨丽霞, 赵晓峰, 彭迪, 牟仁德, 刘德林

上海交通大学学报 2023, 57 (9): 1186-1195. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.252

摘要（165）

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PDF（pc）（10690KB）（270）

精确在线测量热障涂层(TBCs)在热梯度环境下的真实隔热效果对热障涂层的设计以及开发具有重要意义.采用电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备了含Eu掺杂的氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ:Eu)表层、YSZ中间层与Dy掺杂YSZ(YSZ:Dy)底层的磷光传感热障涂层.利用磷光信号的热淬灭特性对温度梯度环境下YSZ涂层表面以及黏结层/YSZ层界面温度进行在线测量,对EB-PVD YSZ热障涂层的真实隔热效果进行评估.结果表明:平均厚度为113 μm的YSZ涂层在高温温度梯度下能够实现的平均温降为66.5 ℃,在温度区间为400~700 ℃内的平均热导率为(0.87±0.15) W/(m·K),略小于传统激光脉冲法的测量值 (0.95±0.02) W/(m·K).上述结果证实了磷光在线测温技术用于热障涂层隔热效果测量的可靠性,为热障涂层隔热效果的实时监控提供了一种有效方法.

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34. 燃气轮机中心分级燃烧器天然气掺氢燃烧的受迫振荡特性

史挺, 金明, 葛冰, 臧述升

上海交通大学学报 2024, 58 (3): 304-311. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.454

摘要（211）

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PDF（pc）（12811KB）（268）

天然气掺氢燃烧是燃气轮机机组降低碳排放重要措施之一,但掺氢燃料的组分变化会导致燃烧室火焰结构及燃烧稳定性发生变化.为分析中心分级燃烧器掺氢燃烧条件下的燃烧不稳定性问题,通过试验研究了燃烧器入口速度扰动下,不同掺氢比对中心分级掺氢燃烧的瞬态火焰结构、压力以及热释放响应的影响,并利用本征正交分解(POD)法提取了火焰脉动的特征模态,发现其主要包含火焰干涉区强脉动和轴向扰动两种模态.试验结果表明,随着掺氢体积比从0%增大到30%,火焰前沿向上游移动,两级火焰间距缩短,火焰干涉对应的脉动模态的能量占比增大,加强了压力与热释放的耦合,导致燃烧室内的压力响应增大9%,热释放响应增大37%.

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35. 带月池驳船式浮式风力机水动力性能

陈易人, 姚靳羽, 李明轩, 张新曙

上海交通大学学报 2024, 58 (7): 965-982. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.521

摘要（143）

HTML （2）

PDF（pc）（11548KB）（259）

参考Ideol-Floatgen相关设计,对带月池驳船式浮式风力机进行频域水动力性能研究,考虑了月池黏性阻尼的修正.首先对月池的共振模态进行分析,计算风力机在规则波下的水动力系数与不规则波下运动响应谱,并结合 DNV 相关规范对风力机的安全性进行了评估.结果表明,在作业工况与生存工况下,浮式风力机的动态纵倾与机舱加速度均符合安全性要求.通过对驳船式浮式风力机运动与月池共振的耦合作用的研究,发现风力机的运动会引起月池活塞共振频率的偏移与活塞共振幅值的减小,晃荡共振的频率基本不受影响,但一阶晃荡共振的幅值会增大.与无月池驳船式浮式风力机相比,月池可以降低风力机整体的运动响应,提升风力机整体的水动力性能.对浮式风力机驳船式平台的边长、月池边长与平台吃水进行参数化分析,将风力机的纵荡、垂荡、纵摇响应均方根(RMS)值与机舱加速度响应RMS值作为对比的指标,发现平台边长的增加可以有效降低风力机在作业工况与生存工况下的4项响应RMS值;月池边长的增加可以大幅降低平台生存工况下的4项响应RMS值;平台吃水的增加可以显著降低风力机在作业工况下的4项响应RMS值,并提高生存工况下的垂荡与纵摇响应RMS值.

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36. 基于量子蚁群算法的配电网故障区段快速定位技术

毕忠勤, 余晓婉, 王宝楠, 黄文焘, 张丹, 董真

上海交通大学学报 2024, 58 (5): 693-708. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.004

摘要（1122）

HTML （9）

PDF（pc）（2880KB）（253）

分布式电源并入配电网已成为新型电力系统重要特征之一,分布式电源的接入与发电的不确定性使配电网潮流复杂多变,对配电网故障快速定位提出更高的技术要求.然而,现有智能优化算法在解决配电网故障区段定位问题时会出现收敛速度慢、易陷入局部最优等问题.针对这些挑战与问题,提出一种基于量子蚁群算法(QACA)的配电网故障区段快速定位技术.首先,根据状态逼近思想和最小故障集理论构建配电网故障定位的数学模型;其次,针对馈线终端单元上传信息缺失情况提出信息自修正方法,并提出分级定位模型来缩短定位时间;然后,提出3种改进技术对QACA进行针对性改进,改进量子旋转门更新机制,以函数控制形式动态调整旋转角大小,同时引入精英策略加快算法收敛速度.最后,在关键参数确定后验证了改进技术、信息自修正法、分级定位模型的有效性.将所提算法与7种不同算法进行对比,结果表明:改进的QACA可有效完成故障区段定位,具有良好的收敛速度、准确率以及容错性能.

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37. 基于泊松融合数据增强的焊缝金相组织缺陷分类研究

白雄飞, 龚水成, 李雪松, 许博, 杨晓力, 王明彦

上海交通大学学报 2023, 57 (10): 1316-1328. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.202

摘要（300）

HTML （11）

PDF（pc）（10332KB）（253）

基于焊缝金相组织图像对焊缝内部缺陷进行分类,是工业焊接质量检测的重要一环.为提高小样本(样本数不大于30)焊缝金相组织图像中缺陷的分类效果,采用泊松融合方法对缺陷图像进行数据增强,提出ResNet18_PRO分类网络模型,显著提升缺陷分类精度.数据增强方面,通过数字图像处理的方法提取出原缺陷样本中的缺陷区域,后利用泊松融合方法将缺陷区域与正常样本进行融合从而生成新的缺陷样本,以此扩充缺陷样本数据;网络模型方面,在ResNet18网络模型基础上,对其下采样结构进行改进,以减少原下采样结构带来的信息损失,同时在网络末端增加改进的空间金字塔池化(ISPP)结构,以整合多尺度的特征信息.通过多个分类模型对样本扩充前后的缺陷分类效果进行对比,验证了该数据增强方法对分类效果的提升具有较为显著的作用,同时对ResNet18_PRO网络模型进行消融实验,验证了网络各改进部分及训练策略改进的有效性.ResNet18_PRO模型对增强后的数据平均分类准确度达到98.83%,平均F₁分数达到98.76%,显著提高了金相组织缺陷的分类效果,将该模型运用于其他工业缺陷数据集取得了较好的分类效果.实验结果表明,该模型有良好的鲁棒性,具有较好的实用价值.

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38. 基于概率稀疏自注意力的IGBT模块剩余寿命跨工况预测

钟智伟, 王誉翔, 黄亦翔, 肖登宇, 夏鹏程, 刘成良

上海交通大学学报 2023, 57 (8): 1005-1015. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.538

摘要（378）

HTML （12）

PDF（pc）（5921KB）（252）

为提高绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块跨工况剩余寿命的预测精度以提升其可靠性,针对不同工况下IGBT模块的瞬态热阻特征提出一种基于概率稀疏自注意力机制和迁移学习的剩余使用寿命预测方法.搭建了IGBT模块加速老化试验台,在不同温度区间进行IGBT模块功率循环实验,采集不同工况下该模块全生命周期状态数据,计算获得IGBT模块衰退过程中的瞬态热阻变化数据,提取并筛选能准确反映IGBT模块老化状态的瞬态热阻特征,并使用所提方法开展跨工况剩余使用寿命预测.实验结果表明,提出的IGBT模块剩余寿命的跨工况预测方法精度明显优于其他对比方法,特别是IGBT模块早期衰退过程中的剩余寿命预测精度得到了显著提升.

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39. 波浪中的螺旋桨水动力性能数值分析

张耕, 姚建喜

上海交通大学学报 2024, 58 (2): 175-187. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.247

摘要（1105）

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传统的螺旋桨水动力性能研究主要针对静水条件,但船后工作的螺旋桨经常会受到波浪的影响.从文献情况来看,目前与波浪中螺旋桨水动力性能相关的研究工作相对较少.有鉴于此,采用基于OpenFOAM的雷诺平均NS(RANS)求解器,计算、分析波浪对螺旋桨推力及转矩的影响.研究结果表明:在波浪的作用下,螺旋桨推力及转矩的时间历程曲线发生振荡,且随着浸深与进速系数减小,水面扰动变大,时历曲线的振荡幅度增大;与静水条件相比,在浸深与进速系数相同的情况下,波浪中螺旋桨推力及转矩的平均值减小;计算结果与现有的试验数据吻合良好.

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40. 基于双级主动式拓扑的锂电池寿命优化

张诚, 琚长江, 熊灿, 杨根科

上海交通大学学报 2024, 58 (5): 719-729. DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.285

摘要（1091）

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随着储能充电站的应用需求逐渐上升,锂电池作为主要储能载体应用广泛.但在大功率且频繁充放电工况下,锂电池循环寿命会显著降低,导致储能成本升高.鉴于超级电容具有长寿命优势,构造由超级电容与锂电池组成的混合储能系统,通过优化控制策略提高锂电池寿命并降低储能充电站的投运成本.提出双级主动式拓扑的混合储能系统,由锂电池为两个超级电容模组交替充电,再通过超级电容模组高倍率放电.基于此,根据充电桩工况提出多阶段功率状态估计协同规划策略,通过优化功率分配方案来平缓锂电池功率波动,从而保护锂电池.仿真结果表明:相较于纯锂电池储能和传统全主动式拓扑储能,双级主动式拓扑储能方案显著提高了锂电池循环寿命.

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