上海交通大学学报

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基于模型预测控制的分布式储能型风力发电场惯性控制策略

沈阳武, 宋兴荣, 罗紫韧, 沈非凡, 黄晟

2022,56 (10): 1285-1293.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.134

摘要 ( 1021 )

HTML ( 1100 )

PDF(1641KB) ( 848 )

分布式储能型(DES)风力发电机组是解决规模化风力发电接入引起系统频率稳定问题的有效手段.提出一种基于模型预测控制(MPC)的分布式储能型风力发电场惯性控制方法,首先建立分布式储能型风力发电场的线性化预测模型,在此基础上结合MPC控制框架,设计考虑储能损耗成本和风机转子转速均衡变化的MPC惯性控制优化模型和策略,以实现惯量控制期间风力发电机组转子转速的均衡变化.仿真结果表明:所提控制策略可以有效协调分布式储能型风力发电机组中风力发电单元和储能系统单元的有功功率输出,降低储能系统的充放电损耗成本,并保证风力发电场内所有风机转速在惯性控制期间趋于平均,避免由于风机转速下降过度而导致风力发电机组退出调频的问题.分布式储能型风力发电场惯性控制策略有利于提高电网频率稳定性,对保障电网的安全运行具有重要意义.

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基于孔雀优化算法的配电网储能系统双层多目标优化配置

杨博, 王俊婷, 俞磊, 曹璞璘, 束洪春, 余涛

2022,56 (10): 1294-1307.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.371

摘要 ( 996 )

HTML ( 212 )

PDF(2519KB) ( 591 )

考虑电池储能系统(BESSs)规划与运行之间的联系,建立兼顾经济性和技术性要求的BESSs多目标优化配置模型并进行双层架构,保证BESSs规划的有效性和运行的高效性.内层以BESSs运营收益最大为目标,提出孔雀优化算法求解BESSs充放电运行策略的最优解;外层以BESSs投资运维成本、配电网电压波动和负荷波动最小为目标,设计多目标孔雀优化算法求解选址定容规划方案的Pareto非支配解集.考虑配电网运行条件的不确定性,采用聚类算法获得典型场景集,并基于IEEE-33节点系统进行仿真.结果表明:所提算法实现了局部探索和全局搜索的平衡,有效获得高质量解;与传统多目标优化算法相比,其能够获得分布更广泛且均匀的Pareto前沿,实现BESSs投资效益最优,显著提升配电网电压质量和功率稳定性.

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考虑源荷功率不确定性的海上风力发电多微网两阶段优化调度

陆秋瑜, 于珍, 杨银国, 李力

2022,56 (10): 1308-1316.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.409

摘要 ( 772 )

HTML ( 233 )

PDF(1391KB) ( 477 )

针对海上风力发电多微网源荷功率不确定性大、经济效益低的问题,提出考虑源荷不确定性的海上风力发电多微网两阶段优化调度方法,以提升海上风力发电多微网的日运行收益.所提两阶段优化调度方法包括日前和时前两个阶段.在日前阶段,所提方法基于风力发电出力和负荷需求预测数据,考虑预测误差的分布特征,建立随机优化模型,制定燃油发电机组组合计划和电池储能荷电状态值,从而最大化日运行收益的期望值.在日前优化的基础上,依托时前风力发电出力和负荷需求的预测数据,建立确定性优化模型,通过调节燃油发电机组出力、风力发电出力和电池储能充放电功率,最大化每小时的运行收益.以实际工程中的海上风力发电多微网源荷预测数据为基础,建立仿真模型,对所提方法进行验证.仿真结果表明,与传统调度方法相比,所提两阶段优化调度方法可以提高运行收益和风力发电资源整体消纳率.

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基于优劣解距离算法的光储配电网自适应虚拟惯性控制策略

余威, 杨欢红, 焦伟, 周泽

2022,56 (10): 1317-1324.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.106

摘要 ( 658 )

HTML ( 155 )

PDF(1435KB) ( 546 )

针对多光储单元共同运行时因指标不同存在的惯性功率分配问题,以自适应虚拟惯性控制作为提升电能质量水平的手段,提出一种多光储单元协同控制策略.根据蓄电池的充放电特性,对系统提供惯性大小进行调整.当系统内出现高频扰动时,首先选择超级电容来提供惯性支撑,容量不足时,蓄电池将配合起到惯性支撑作用.当系统内部出现低频扰动时,由蓄电池提供惯性功率支撑,引入优劣解距离算法,在进行协同控制时,选取换流器允许功率波动范围、储能装置允许功率波动范围等指标作为评价参考,实现多指标综合评价下多虚拟同步发电机(VSG)单元之间的协同配合.最后通过实验平台搭建含多VSG单元的交流系统,验证所提控制策略的有效性.

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基于石墨烯和氮化硼的高性能电容器

吴靖, 谭海云, 史宇超, 侯伟宏, 汤明

2022,56 (10): 1325-1333.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.188

摘要 ( 799 )

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柔性全固态超级电容器(FASS)是可穿戴电子设备以及电力设备的能源供应,石墨烯纳米片具有独特的二维结构,较强的机械性能和优异的导电性,在纸片状柔性电极中应用广泛.基于简单石墨烯纳米片的FASS的双层电容性能的基本特征限制了其性能的提高和实际应用.研究了一种基于超大型石墨烯纳米片和超薄氮化硼(BN)纳米片的FASS,通过真空辅助过滤组装独立式超大型石墨烯纳米片/BN纳米片复合纸电极.新型超大型石墨烯纳米片/ BN纳米片纸的特有结构可以有效整合假电容BN纳米片和导电石墨烯的优点,从而在FASS中表现出出色的电化学性能.5000 次充放电后,FASS的最高面积比电容达到325.4 mF/cm²,并具有约86.2%的高容量保持率,且在85.7 W/kg的功率密度下具有22.8 W·h/kg (1 W·h=3.6 kJ)的高能量密度.

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基于失真信号滤波算法的送丝速度检测方法

乐健, 刘一春, 张华, 陈小奇

2022,56 (10): 1334-1340.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.270

摘要 ( 640 )

HTML ( 86 )

PDF(20772KB) ( 428 )

送丝速度对焊接质量具有重要影响,为了实现机器人智能焊接,需要研究送丝速度的精确检测方法.首先,研究了送丝速度检测的工作原理,实现送丝速度在线检测.然后,设计出了一种送丝速度检测系统硬件,将送丝速度传感信号无线传输给焊接机器人.最后,研究了基于失真传感信号滤波算法的送丝速度检测方法,主要包括相邻送丝速度传感信号不会发生突变原理、多个传感信号丢失且相邻检测量未发生突变的干扰信号消除算法以及送丝速度检测方法.实验结果表明,利用设计的送丝速度检测算法及系统,可以消除原始送丝速度传感信号中的主要噪声,提高送丝速度检测的精度,并可使机器人焊接后焊道的宽度不受焊接电流变化的影响.

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反向传播神经网络联合遗传算法对复合材料模量的预测

王卓鑫, 赵海涛, 谢月涵, 任翰韬, 袁明清, 张博明, 陈吉安

2022,56 (10): 1341-1348.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.126

摘要 ( 864 )

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PDF(2532KB) ( 589 )

为减少测试成本和缩短设计周期,基于机器学习方法对树脂基复合材料模量的预报方法进行了研究.采用一种全新预测方法——神经网络联合遗传算法(GA-ANN),将T800/环氧复合材料的强度、泊松比和失效应变作为反向传播(BP)神经网络的3个输入变量,在遗传算法(GA)中得出最优阈值和权重,并将所得数值赋给对应的网络参数,更新BP神经网络以更高的准确率预测树脂基复合材料的模量;同等条件下,用Adam算法进行预测.对比这两种方法,结果充分证明了GA-ANN的可行性.

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碳纤维增强热塑性复合材料与高强钢的电阻单元焊

王烨成, 李洋, 张迪, 杨越, 罗震

2022,56 (10): 1349-1358.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.271

摘要 ( 798 )

HTML ( 138 )

PDF(47715KB) ( 732 )

利用电阻单元焊(REW)实现了碳纤维增强尼龙6复合材料(CF/PA6)与TWIP980钢的高强度连接.使用304不锈钢铆钉作为辅助单元,研究了焊接电流与焊接时间对接头力学性能的影响.得到强度不同的4种失效模式,分析了接头的微观组织以及CF/PA6与铆钉和钢板界面微观形貌.CF/PA6具有远低于高强钢的熔点和热导率,使得CF/PA6在焊接中极易发生过热分解.在保证形成一定尺寸熔核的同时,避免或减少CF/PA6的分解是CF/PA6高强钢电阻单元焊能够成功实施的关键.通过采用大焊接电流、短焊接时间这种较“硬”的焊接工艺,可以在获得较高强度接头的同时,降低CF/PA6的分解.基于接头失效载荷,确定了本研究条件下的焊接工艺窗口.该工艺对焊接时间的变化敏感,许用的焊接时间窗口窄.在焊接工艺窗口内,仍无法完全避免CF/PA6的分解.有必要对焊接过程温度场和熔核形成机理等开展进一步研究.

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考虑双供应商的维护和备件订购联合决策优化

叶鸿庆, 苏华德, 郑美妹, 夏唐斌

2022,56 (10): 1359-1367.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.151

摘要 ( 633 )

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PDF(1030KB) ( 509 )

为优化双供应商情形下的设备维护和备件订购联合决策,以多零件并行制造系统为对象,采用泊松过程刻画零件的随机退化,基于马尔科夫决策过程对零件替换和备件订购联合决策进行建模,基于设备状态信息和库存状态信息建立系统状态的转移概率,以最小化系统平均总成本为目标,通过值迭代算法求取最优的设备维护和备件订购联合决策.在此基础上为提高计算效率,缩短求解时间,基于序列优化的方法设计启发式策略,通过双零件系统分析了最优策略和启发式策略的决策差异.敏感性分析结果显示,相比最优策略,启发式策略可以在成本增加率不超过5%时减少计算时间.

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变工况下基于自适应深度置信网络的轴承智能故障诊断

马航宇, 周笛, 卫宇杰, 吴伟, 潘尔顺

2022,56 (10): 1368-1377.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.161

摘要 ( 923 )

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PDF(7932KB) ( 601 )

机械设备服役过程中,工作环境和运转状态的动态变化直接影响设备故障诊断正确率,导致时间成本和经济效益的损失.优化深度置信网络结构,结合固定学习步长的信号分解技术,保留传感器数据原始特征,逐层反复提取信号的深层关键信息,并集成数据丢失技术优化网络结构,可以规避过拟合问题.进一步,结合迁移学习中的领域自适应方法,固化不同层级深度置信网络的记忆特征,形成考虑平移不变特征的自适应深度置信网络,识别变工况下同类故障信号特征信息,提升轴承智能故障诊断的准确性和泛化性.基于滚动轴承公开数据集,不同工况下该方法平均正确率高达95.65%,与其他5种方法相比较,证实了本文方法的有效性与准确性.

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基于全局特征描述子的激光SLAM回环检测方法

韩超, 陈敏, 黄宇昊, 赵明辉, 杜乾坤, 梁庆华

2022,56 (10): 1379-1387.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.202

摘要 ( 949 )

HTML ( 74 )

PDF(5130KB) ( 631 )

针对井下环境中设备巡检时定位误差随时间不断累积的问题,提出一种适用于激光同步定位和建图技术的基于点云全局特征描述子的回环检测方法.该方法利用曲率计算点云中特征点的特征向量,通过特征向量与中心点坐标系的角度分布和尺度分布关系构建点云全局特征描述子;使用部分特征点进行位姿变换的计算,提高计算效率.通过仿真实验和开源数据集实验对所提算法进行验证.实验结果表明,所提算法在定位精度和实时性上提升明显,可以有效解决定位算法在长时间运行过程中的累积误差和全局一致性差的问题.

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具有多地形运动能力的双模块软体机器人

王宇轩, 刘朝雨, 王江北, 费燕琼

2022,56 (10): 1388-1396.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.290

摘要 ( 780 )

HTML ( 89 )

PDF(32108KB) ( 660 )

针对现有爬管机器人应用范围有限、运动场景单一和多地形运动机器人无法攀爬、空间运动受限等问题,提出一种新颖的具备多地形运动能力的双模块软体机器人,每个软体模块由四气室全向弯曲软体气动驱动器组成.通过建立全向弯曲软体驱动器的弯曲模型,分析了全向弯曲软体驱动器的变化规律;提出了一种新型的旋转运动模式,使该机器人能通过旋转运动模式在多种复杂环境中运动;提出基于脉冲宽度调制(PWM)的步态控制方法,使该机器人能够更加简单快速地实现多地形运动功能,并通过实验验证其可行性.实验结果表明,基于四气室全向弯曲软体驱动器的双模块软体机器人能够沿圆形管道、方形管道及不规则杆状物(人体小臂)进行垂直攀爬运动,爬行速度达到 11.7 mm/s,还能在平地、人造草皮、崎岖路面、斜坡等复杂地形进行快速移动,爬行速度达到 14.0 mm/s,弥补了现有爬管机器人和多地形运动机器人的不足.该模块化软体机器人能在多种地形下进行稳定快速运动,适应性强,在管道检测和复杂地形探测等方面具有潜在的应用价值.

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在线压缩核主元分析的自适应过程监控

郭金玉, 李文涛, 李元

2022,56 (10): 1397-1408.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.084

摘要 ( 624 )

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PDF(1945KB) ( 397 )

对于动态系统,传统的核主元分析(KPCA)方法处理的效果不理想.滑动窗口核主元分析方法能适应动态系统的正常参数漂移,但是该方法处理大量的样本时需要较长的运算时间.因此,提出一种在线压缩核主元分析的自适应过程监控方法.该方法在大量的样本中选定较小的训练集作为初始压缩集进行建模,对在线实时采集的数据进行分析,判断新的样本是否正常.若为正常样本,判断该样本是否加入压缩集中,在加入压缩集的同时自动更新在线KPCA模型.将该方法应用到数值例子和田纳西-伊斯曼(TE)过程,仿真结果验证了该方法的有效性.

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基于完整可达域分析的虚拟人作业姿态生成方法

朱文敏, 骆晓萌, 范秀敏, 张磊, 蔡俊祺

2022,56 (10): 1409-1419.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.304

摘要 ( 727 )

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PDF(15284KB) ( 491 )

由于人体结构的自由度较大,同时受作业环境的影响,仿真时虚拟人作业位姿的生成是一个非常复杂的过程,需要耗费较多的时间和精力.针对这一问题,本文以装配操作为对象,根据人体结构特点与运动特性,构建了虚拟人装配动作模板.然后,通过理论分析与计算,推导了不同动作模板操作可达域的计算公式,建立了虚拟人的完整可达域.在此基础上,通过可达域分析先筛选出可行的装配动作,再结合虚拟人作业姿态的多目标优化模型的求解,实现了虚拟人作业位姿的自动生成.最后,基于以上研究,结合实例对本方法进行了应用验证.

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子通道程序对PSBT空泡分布实验计算的不确定性量化分析

张俊涛, 刘晓晶, 张滕飞, 柴翔

2022,56 (10): 1420-1426.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.068

摘要 ( 679 )

HTML ( 66 )

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为了评估子通道程序的准确性与可靠性,需要定量给出计算结果的不确定性.采用统计学上基于输入参数不确定性传递的方法进行不确定性分析,可以定量得到程序计算结果的不确定范围.在假设模型参数不确定性服从正态分布的基础上,采用统计学方法确定模型参数不确定性的分布以取代传统的专家判断.通过对压水堆子通道和棒束实验(PSBT)基准题空泡分布实验进行计算,分析子通道程序COBRA-IV 对实验结果的预测能力,同时得到满足容忍限的计算结果不确定性上下限.计算结果表明:评估得到的不确定带能较好地包络实验值;同时利用统计均值对模型进行标定后,可以得到比原模型更接近实验值的计算结果.

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