基于数字孪生与元宇宙技术的能源互联网态势感知系统论方法研究(一):概念、挑战与研究框架

态势感知是能源互联网的核心任务,为运管调控各项决策提供重要辅助信息。能源互联网的复杂定性对其态势感知任务提出严峻挑战——受其所辖单元日益增长的规模、种类、主动性、耦合性以及外界环境等不确定因素的影响,能源互联网其复杂性与日俱增。系统复杂性所衍生的一些问题超出经典简化论的讨论范畴,亟需一种新的认知手段。该文通过关联数据、数据科学、物理系统与具体应用,提出能源互联网数字孪生系统;进一步,延伸出一种新型数据驱动的态势感知方法论,即数字孪生态势感知(digitaltwinsituation awareness,DT-SA)。其核心思想是将真实世界的固有难题转化到虚拟空间,继而借助复杂系统理论和大数据分析等工具予以解决,具体涉及孪生体建模、分析和认知等核心环节。此外,该文也讨论元宇宙技术对孪生体互联的增强作用,以及相关的科学问题。该系列研究有益于推进能源系统领域和数据科学领域的交叉融合,对于企业数字化转型、数字城市建设等具备参考价值。

岛礁风光柴储多能源独立微电网建模分析

岛礁多能源独立微电网是解决远海岛礁供电难题,确保岛上军民用电稳定及提高岛礁自然资源利用率的关键技术。传统岛礁独立微电网建模电源种类不够完备,交流母线应用较少。为此,建立了风、光、柴、储4种电源数学模型,在电力电子变换器中使用了基于扰动观察法的Boost升压电路与基于电网电压定向的矢量控制方式。系统模型中风、光、柴、储4种电源汇入交流母线,整体功率、电压趋于稳态。仿真结果表明:所构建的岛礁多能源独立微电网模型较为科学合理,可为开展岛礁多能源微电网健康管理等研究打下坚实基础。

MW级大储能量飞轮轴系结构力学及动力学研究

当前,对于高功率大储能量飞轮储能系统的仿真和实验研究还不够充分,本工作主要针对MW/100 MJ级飞轮储能样机展开。比较分析了内置式和表贴式两种结构飞轮电机转子的结构力学,比较了不同动平衡块材质对应力及形变的影响,并开展了轴系的动力学特性分析。对飞轮样机开展了实验测试,验证了系统的稳定性。数值计算结果表明,表贴式结构形式可以使电机硅钢片应力显著降低,但是通常这种结构需要在硅钢片外缠绕碳纤维加强层,以确保运行时磁钢不会因为离心力与硅钢片发生分离。动平衡块材质为不锈钢时的应力值相较于动平衡块为铝合金时提高了45%以上。对轴系进行了动力学特性分析,在工作转速下存在着1300 r/min和4200 r/min两个刚性振型,分别为平动和锥动。测试运行中,飞轮轴系在1300 r/min出现振动峰值,证明了数值仿真计算的准确性。但是数值仿真中的4200 r/min临界转速(锥动)在实际运行中并未出现明显峰值,在本工作的轴系结构中,相较于锥动,平动振型更容易被激发。

基于数字孪生与元宇宙的能源互联网认知系统论(二):面向复杂系统涌现现象的虚拟仿真推演框架

复杂性是能源互联网的重要特征与演进趋势,复杂性及其所伴随的涌现现象往往使得基于机理模型(白箱子)的仿真、分析、推演方法不再适用于复杂系统。得益于数据科学、仿真技术、孪生技术的共同发展,虚拟孪生技术成为应对复杂系统的利器。面向复杂性,该文对虚拟孪生技术及其应用前景进行探究,并重点讨论虚拟孪生系统的基本特性、支撑理论、技术体系、建设流程及其案例分析等,进一步提出基于虚拟仿真推演技术的涌现现象认知框架。该工作一方面为在能源系统中开展虚拟孪生工作提供参考借鉴,另一方面也有益于虚拟孪生技术的推进。

自适应下垂系数的孤岛微电网无功均分策略

在孤岛微电网中,由于线路阻抗的不匹配,常常导致传统的下垂控制无法完成分布式电源(DG)之间无功功率的均分.为了消除DG之间的无功不均分,首先分析了传统下垂控制无法完成无功均分的原因,设计了可自适应调节的无功下垂系数,使无功下垂系数可以满足无功均分的条件,从而解决无功功率无法均分的问题.为了使无功均分控制器具有更高的灵活性和可靠性,设计了动态分布式观测器,并证明了其收敛性.动态分布式观测器可以使DG以分布式的方式更加灵活可靠地获取所需的信息.通过4个不同的算例对所提的控制策略进行验证,仿真结果验证了所提控制策略的优越性和有效性.

基于小波变换和GA-BP神经网络的电力电缆故障定位

由于电力电缆敷设于地下,当发生故障时难以快速且准确定位,出现了故障定位问题。因此,提出一种基于小波变换和遗传算法反向传播(Genetic algorithm back propagation,GA-BP)神经网络的电力电缆故障定位方法,在分析对比各小波能量集中程度和波动次数的基础上,选择多贝西小波(Daubechies wavelet 6,Db6)作为小波基函数,对于各故障位置,采集正向故障行波的α模分量,并对其进行小波分解。选取在d1尺度下的模极大值点作为特征值,同时将故障距离作为标签值,从而构建了训练和测试样本数据集;利用遗传算法(Genetic algorithm,GA)的种群进化和全局最优搜寻能力来改善误差逆传播(Back propagation,BP)网络对初始权重敏感的缺点,并使用优化后的权值、阈值重新对BP神经网络进行训练和预测,最后通过与传统双端行波定位算法、BP算法、粒子群优化BP算法(Particle swarm optimization BP,PSO-BP)相比较,证明了所提方法在测距性能方面的优越性。

基于虚拟现实的虚拟仿真建模及渲染技术

虚拟现实技术能够创造出逼真的虚拟环境,为能够更加快速地建立模型,该文结合相关工具和Unity3D平台开发仿真建模及渲染技术。通过工具收集真实地形的数据,然后进行相关的数据处理并生成数据集合。通过使用Unity3D中地形工具进行数据读取和快速制作三维场景模型,为提高模型的渲染逼真度使用高清渲染管线对场景模型进行光照等渲染处理。通过对该技术的研究,该技术能够使三维场景的逼真度提高及渲染程度非常好,模型细节也能观察,同时该技术也能被运用到毁伤评估仿真、虚拟训练等方面。

基于注意力机制的CNN-LSTM-XGBoost台风暴雨电力气象混合预测模型

极端台风暴雨灾害具有非线性、极差大以及多峰值等特点。为使电网及时获取预警信息,提出一种基于注意力机制的CNN-LSTM-XGBoost台风暴雨电力气象混合预测模型。首先,利用基于注意力机制的卷积神经网络(CNN)辨识关键台风暴雨灾害特征;然后,利用长短期记忆网络(LSTM)训练时间序列预测模型以挖掘台风暴雨时序特征,使用极限梯度提升算法替换模型输出层以缓解过拟合问题;最后,以2023年台风泰利为例验证所提方法的有效性。算例分析表明,所提模型具有较高的准确性,对预测精度的提升可达40.84%以上。

基于自抗扰控制的H桥逆变器的混沌研究

为了解决新能源发电系统逆变器出现混沌的问题,提出了一种基于自抗扰控制的H桥逆变器的调节方案。针对处于混沌状态的逆变器的稳态和动态特性差的现象,构建了逆变器的离散模型,并通过建立跟踪微分器、扩张状态观测器以及状态误差反馈控制律进行混沌控制。通过分岔图、折叠图以及仿真分析,结果可知基于自抗扰控制的H桥逆变器比基于比例控制的H桥逆变器的稳定范围扩大了45%,有效地抑制了混沌现象的发生。通过分析可得出:该控制策略对系统的混沌行为能够进行抑制,拓宽了系统稳定工作范围。

区域新能源并网暂态功角稳定分析与紧急控制策略优化

随着新型电力系统发展和新能源机组不断投产,南方区域将形成多区域新能源与邻近常规电源联合集中接入系统的场景。新能源集中接入常与常规电源共用输电通道,将影响区域系统暂态稳定特性及输送通道的传输能力,使南方区域系统的安全稳定运行和风险防控面临了前所未有的挑战。为深入研究区域新能源送出的稳定特性建立了区域新能源交流集中送出的等值系统模型,分析了新能源并入对区域系统对暂态稳定特性影响的主要机理。基于等面积法则对区域送出系统暂态过程的加、减速面积进行了定量分析,提出了紧急控制切机策略的协调优化方法,实现区域送出传统机组与新能源机组紧急控制切机量及控制代价的最小化的切机策略配置。最终,基于广东区域海风火电打捆送出系统为例,对分析结果的正确性进行了验证。

直流微电网储能荷电状态协调控制

储能系统采用串并联结构(串联的储能单元为一组,多组并联)可以实现将小容量、低电压等级的储能单元接入直流微电网中,并且可以实现系统扩容和提高端电压。为避免串并联结构的储能单元因荷电状态(state of charge,SOC)和额定容量差别导致个别储能单元提前退运的短板效应,提出一种考虑储能SOC和额定容量的控制方法,实现串联模块间的电压和并联模块间的功率合理分配。考虑到功率分配后期因储能单元间SOC差别较小导致均衡速度较慢的问题,引入变异系数对下垂系数进行动态优化。考虑到升压或扩容导致各组总容量不同,引入容量权重因子,使储能单元达到均衡出力。通过搭建MATLAB/Simulink仿真模型,验证了策略的可行性。

计及恒定减载桨距角控制的风电高占比电力系统频率动态特性分析

在新型电力系统中,风电主动参与电网频率调节已成为必然,如何评估风电参与调频对频率动态特性的影响也成为了研究热点。围绕现有的风电调频措施,提出一种可以在额定风速前减少变桨动作次数的恒定减载桨距角的改进风电机组变桨控制,推导出该控制下风电机组参与一次调频的调差系数表达式。基于此构建了含恒定减载桨距角控制的电力系统频率响应模型。推导出频率动态特性指标的解析表达式,揭示了风速、初始桨距角等对风电机组调差系数及频率动态特性的影响机理。通过改进的IEEE三机九节点系统验证了所构建频率等值模型的准确性以及所提调频方法的有效性和可行性。

非线性谐振无线电能传输系统频率分裂特性

针对由于频率分裂现象导致无线电能传输系统传输效率降低的问题,采用非线性谐振拓扑替代传统线性谐振拓扑抑制频率分裂进行了研究。首先通过A参数矩阵法得出了求解高阶系统传输效率公式理论方法,并推导了非线性传输系统的效率公式;分析了非线性谐振传输系统抑制频率分裂现象的原理,在系统产生频率分裂现象的情况下将非线性电感并入次级线圈,可以改善系统的传输特性。并通过仿真测试频率分裂现象对于非线性传输系统的影响。结果表明:在相同频率条件下,非线性传输系统可以推迟传输系统临界耦合状态的出现,且对抑制频率分裂现象具有明显的效果。

计及新能源接入的孤网运行全过程动态仿真研究

针对孤网运行稳定控制的突出问题,结合南方某地区电网被动孤网运行失压的真实案例,构建与实际电网一致的全电磁暂态仿真模型,开展孤网运行全过程动态反演,完整再现现场事故各个阶段的动作特性;开展新能源接入对孤网稳定影响研究,分析风电场高电压穿越特性对孤网运行的影响,提出提高风电比例有利于降低区域电网被动进入孤网后频率峰值的运行策略,并开展仿真验证,在此基础上,提出计及新能源接入的孤网运行动态分析的一般方法。

钨钼烧结炉用氧化锆质顶盖结构的优化研究

结合当前钨钼烧结炉用氧化锆顶盖砖的使用情况,利用ANSYS软件,模拟分析了氧化锆顶盖砖异常损坏的原因,并通过对不同厚度、不同体积密度顶盖砖使用过程中应力场的模拟研究,对顶盖砖结构优化进行了探索。结果表明:顶盖砖在使用过程中的最大拉应力为27MPa,远远超过了材料的结合强度,从而造成“断裂”和“龟裂”,导致寿命降低;顶盖砖的体积密度和厚度对其使用过程中的热应力有着显著的影响,当氧化锆顶盖砖的体积密度在3.0~4.6g/cm^(3)时,降低体积密度可以减小顶盖砖使用过程中的热应力,综合体积密度对氧化锆空心球砖其他性能的影响,将当前用顶盖砖的体积密度提高至3.3g/cm^(3),厚度减薄至50mm时,顶盖砖使用过程中的最大热应力只有10.27MPa,而顶盖砖的抗折强度达到13.6MPa,从而有效改善其使用寿命。

机电管理接口电路电力电子器件建模仿真

以试验验证为主的传统航空机电管理系统开发耗时长、成本高,为优化系统正向设计,实现仿真代替C型件(初型件)试验的目标,展开接口电路系统电力电子器件的Saber建模仿真。这里研究基于数理关系建模和基于等效电路建模两种方法,将两种建模方法所得模型、手册数据和行为描述模型进行仿真对比,得出基于等效电路建模具有较高的仿真精度;基于物理机理与数学关系建模具有较快的仿真速度,适用于国产元器件数据少,无法进行大量试验的情况。通过单线圈脉宽调制(PWM)驱动电路,进行了电路级的试验分析与仿真验证,其中MOSFET由导通至关断过程高频振荡周期相对误差为1.8%,振荡峰值相对误差为5.9%,稳态电流平均值相对误差为0.2%,验证了所提电力电子器件模型及其组成的接口电路模型仿真的准确性。

基于FPGA的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真研究

对新能源低压直流配电系统开展暂态实时仿真研究对优化其运行控制具有重要作用。由于现场可编程门阵列(FPGA)内部集成了大量具有不同功能的电路,FPGA正成为电力系统暂态实时仿真领域主要的计算载体之一。该文面向新能源低压直流配电系统的暂态实时仿真需求,开发了一种基于FPGA的包含小型分布式风力发电、光伏发电以及蓄电池储能单元的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真器。首先,研究构建了分布式发电单元和典型控制回路的计算模块,利用FPGA的并行计算特性并结合“算法-结构-有效匹配(AAA)”理念建立了底层模块串并联混合求解结构;然后,在节点分析法的框架下,建立了一种结合矩阵LDU分解和有向无环图(DAG)的电气系统节点电导矩阵并行求解方法;最后,在建立电气系统与控制系统并行求解架构的基础上,开发了一种基于FPGA的新能源低压直流配电系统暂态实时仿真器,通过将其仿真结果与PSCAD/EMTDC离线仿真平台的计算结果进行对比,验证了所开发暂态实时仿真器的有效性和准确性。

NFTSM控制的光伏并网系统低压穿越控制策略

针对现有PI与ISMC控制下光伏并网系统LVRT过程响应速度慢、不对称故障时控制效果较差或抖振效果明显等问题,提出一种NFTSM控制的LVRT控制策略。考虑光伏并网系统外部条件多变的特性,采用双指数滑模超平面与控制率,选取指数趋近律加速趋近速率,构造出具有调节有功、无功输出的非奇异快速滑模控制器,并验证其稳定与收敛性,简单且有效地实现了光伏并网LVRT。Matlab/Simulink仿真结果表明,NFTSM控制的光伏并网LVRT具有收敛速度快、谐波含量低、抗外界干扰与抖振抑制能力强等优点。

基于硬件在环仿真的DFIG并网系统开环模式谐振风险及验证

开环模式谐振理论是阐释风电并网引起的电力系统振荡机理的研究成果,其中基于平均模型的离线时域仿真结果可信度存疑。为提升开环模式谐振的工程指导可靠度,首先基于硬件在环仿真,组建了用于验证开环模式谐振的半实物实验平台;其次建立双馈风电场并网系统的小信号模型,提出开环模式分析通用方法评估系统振荡风险;最后以两个算例进行了开环模式谐振现象的分析与实验。得到结论:硬件在环仿真的结果符合开环模式分析的结果,在开环模式谐振条件下,系统稳定性下降。留数法可以较为准确地预测系统闭环模式,系统参数的合理整定可以减小开环模式谐振带来的影响。

飞行训练典型科目轨迹仿真实现

飞行训练科目是飞行学员学习飞行技能、掌握飞机性能、检验飞行技术能力的有效途径。针对科目训练过程中轨迹随意性大、评分标准不统一、事后讲评效果差的实际问题,构建基于捷联惯导微分方程离散化的轨迹仿真系统,对几种典型训练科目的、特点和标准等因素进行梳理,完成训练科目细分动作的时间序列化,实现标准起落航线、小速度飞行、懒八字等几种典型飞行训练科目的轨迹仿真。结果表明:论文构建的轨迹仿真系统,能准确反映训练科目的训练目标和飞行特征,为提升训练讲评质量及后续量化评估奠定基础。