基于模型预测的直驱式波浪发电机机侧最优功率控制技术

直驱式波浪发电系统具有结构简单、成本低、效率高等优点,得到了国内外学者的广泛关注。该文以直驱式波浪发电系统为研究对象,分析并建立了直驱式波浪发电装置的水动力数学模型和永磁直线电机的动态数学模型。推导了基于模型预测的功率控制策略用于直驱式波浪发电系统。在功率控制策略中从功率捕获策略和功率跟踪控制策略展开研究以实现将波浪能转换为电能并汇入直流母线。重点围绕功率捕获策略开展基于模型预测控制技术研究,分别从控制策略、预测区间和成本函数三个角度分析了基于模型预测的最优功率捕获策略。建立了仿真模型并进行仿真分析,结果表明,采用基于模型预测的最优功率捕获策略可有效提高不规则波下发电机从波浪发电系统捕获能量。此外,采用以直流母线功率汇入最大为目标的成本函数可以有效地提高发电机输入直流侧能量,具有重要的实用价值。最后通过实验室模拟平台进行了实验测试。

基于超视距的外辐射源信号提取在被动探测中的应用分析

目前外辐射源雷达主要以接收辐射源的直达波信号为主,该方式提取的直达波信号信噪比高,利于后续目标信号检测和处理,但需要收发站通视,对直达波天线架高有要求,这极大地限制了该体制的应用。基于此,文中提出在沿海低海拔条件下,利用超视距侦察截获辐射源信号成为非合作探测的基准信号的思路,分析了其探测机理,和理论误差模型,并结合工程实际,提出了可实现的工程样机,分析了性能指标,给出了仿真结果。结果表明该思路可以应用在后续的工程实践上。

基于行波电流极性差异的交直流混联系统纵联方向保护方法

交直流混联系统中逆变站的换相失败使交流线路发生频率偏移,导致工频量纵联方向保护的可靠性受到影响。提出了一种基于行波电流极性差异的交直流混联系统纵联方向保护方法,利用线路区内、外故障时,传播到两端保护的电流故障初始行波波头之间极性差异构成纵联保护。该方法仅利用电流初始行波极性差异进行方向判别,消除了电容式电压互感器无法准确传输宽频带电压信息导致保护的低可靠性问题,且利用高频电流进行计算,避免了交直流混联系统频率偏移的影响。仿真结果显示,基于行波电流极性差异的纵联方向保护方法能够准确、快速地识别单相故障和多相故障,适用于交直流混联系统。

计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制策略

为提高波浪发电系统(wave energy converter,WEC)能量捕获效率,并保证其在运行过程中满足系统的各种约束条件,该文以平均捕获功率最优为目标,提出计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制(model predictive control,MPC)策略。针对波浪激励力过大导致的变流器输出电压过调制问题,将弱磁控制引入优化算法,在满足发电机弱磁极限的前提下增大发电系统的运行范围,提高WEC的能量捕获效率。此外,基于仿真分析,发现了规则波下MPC目标函数的正则系数与平均捕获功率的对应关系。在此基础上,引入快速傅里叶变换(fast Fourier transformation,FFT)与叠加定理,构建了适用于不规则波输入的直驱式WEC变系数MPC控制策略。仿真结果表明,在不规则波浪下,所提方案能在满足系统约束条件的同时,有效提高能量捕获效率。

基于暂态电流行波突变的LCC-MMC混合双极直流输电纵联方向保护

在直流线路中行波保护作为主保护应用广泛,但行波保护作为单端量的保护具有误动性较高且耐过渡电阻能力较差的缺点。在分析了行波在直流输电系统中传播特性的基础上,根据区内和区外故障时暂态电流行波变化方向的不同提出了一种基于暂态电流行波突变的LCC-MMC混合双极直流输电系统纵联方向保护。若故障时两侧暂态电流行波突变方向相同,则为区内故障,否则为区外故障。通过PSCAD和MATLAB的仿真结果表明,该保护能快速准确地识别故障,并且不受故障类型、过渡电阻以及故障发生位置距离的影响,因此具有一定的实用性。

基于压差法的波向测量方法初步研究

为解决波向测量误差大的问题,本文首次提出了一种基于压差法的波向测量新技术,根据海浪的运动变化规律,在这里巧妙地引进了压差技术,通过对放置在水下一个圆环上多个压力传感器同圆心点上的压差变化进行分析可以得出,圆环上不同方向上的压力传感器同圆心点上的压力传感器之间的差值及相位是随波浪方向变化而变化的,对圆环上不同方向上的压力传感器同圆心点上的压力传感器之间的差值进行分析,找出变化规律与波向的关系,以此得出真实的波向分布。本文通过波浪水池实验验证了该方法的可行性,并通过对实验数据的解析初步得出了压差变化规律与波向的变换关系。

华北克拉通中西部及周边地区瑞利面波相速度方位各向异性

利用“中国科学台阵探测”项目的密集流动台站以及区域固定台站的地震面波记录,采用程函面波成像方法,得到了华北克拉通中西部及周边地区14~100 s周期高分辨率的瑞利面波相速度方位各向异性分布图像.结果显示,鄂尔多斯块体内部中长周期(20~100 s)为大范围高速和弱各向异性分布特征,但在块体西南部区域各向异性明显增强,向东可一直延伸至108°E附近.我们认为,受青藏高原影响,鄂尔多斯块体西南部岩石圈已发生明显变形,高原扩张对鄂尔多斯块体的影响超出了止于六盘山逆冲推覆带的传统认识.在鄂尔多斯块体内部,长周期(80~100 s)的相速度显示高速区向中部和东南部区域收缩,各向异性强度在高速区外围明显增强,揭示了块体边界带的岩石圈在后期构造活动过程中已遭受不同程度的变形改造,厚度发生了不同程度的减薄.山西断陷带北部大同火山区附近,在20 s以上周期为显著低速异常,不同周期段各向异性存在明显差异,我们推测该区不同深度的各向异性差异与鄂尔多斯块体东北部岩石圈不同深度的几何形态以及青藏高原远程挤压效应有关.山西断陷带中南部区域,在20~60 s周期显示高速和近EW向快波方向,与鄂尔多斯块体中东部高速区具有较好的连续性,认为该区岩石圈仍保留部分原有华北克拉通岩石圈的属性.青藏高原东北缘地区不同周期相速度表现为明显的低速异常,快波方向呈现较为一致的NWW-SEE向分布特征,揭示了在高原下方壳幔介质变形连续一致,符合岩石圈垂直连贯变形模式.

基于机网变流器协同的波浪发电系统控制策略

为实现波浪发电系统的高效平稳入网,以直驱式波浪发电装置为例,建立其数学模型和并网结构。将装置输出功率分解为平均分量和波动分量,从发电系统主动式控制的角度,进一步提出了阻尼控制和阻尼弹力控制下的最优策略,以使其高效运行。通过直流侧储能配置及机侧和网侧变流器的协同控制,实现电能的平稳入网。仿真结果表明,阻尼弹力控制较于阻尼控制,发电效率更高同时波动更大,直流侧储能及机网侧协同控制可有效平抑功率波动,为波浪发电系统的入网控制设计提供参考。

CFOSAT SWIM波谱仪中法产品差异性分析

中法海洋卫星(China-France Oceanography SATellite,CFOSAT)搭载了世界上第一颗专门探测二维海浪谱的雷达,即SWIM(Surface Waves Investigation and Monitoring)波谱仪。该雷达能通过旋转6个不同波束的方式扫描海面从而得到二维海浪谱信息,并通过控制天线旋转速度来控制沿轨向二维谱的分辨率。中法双方都会发布相同软件处理的波谱仪2级产品,但由于中法双方接收站位置不同、地面数据处理时输入的气象辅助数据源不完全一致,因此双方发布的2级产品有一定差异,这给波谱仪产品的应用带来不确定性。为了明晰不同数据下载源得到的相同版本波谱仪产品之间的差异,选取2024年3月中法相关单位发布的最新版本2级数据,采用5.0 s、3.0 s、1.0 s和0.1 s的时间匹配窗口,获取中法数据不同匹配时间下二维海浪谱3个波浪参数的一致性对比结果。结果表明:有效波高比较稳定,在半个地理单元的空间差别下仍然保持几乎不变的精度;随着匹配时间增大,主波波长和主波波向的差别越来越大,匹配时间为5.0 s时,二者分别达到约21.5 m和46.5°的差异,匹配时间为0.1 s时,其差异很小,表明中法不同地面处理系统输入的气象辅助数据源差异而引起的产品差别可以忽略。

适应波达时刻不确定性及较低采样率的新能源送出线路就地暂态量主保护判据

不对称接地故障占所有线路故障的90%以上,接地距离保护在应对此类故障方面发挥了不可替代的作用。随着新能源高比例渗透,各种传统单端工频量保护性能显著下降已成为共识。基于故障分量线模和零模波速差的保护判据理论上仅需利用到故障初始行波到达时刻信息,是一种原理简单可靠的单端量快速保护判据,已经在直流电网中成功实践。但在尝试将这类保护应用于交流电网时发现,受波头前陡较缓而难以精确定位波到时刻、依赖高采样率等诸多不利因素影响,存在过大的模糊判别区,除了特长线路外,对绝大部分线路几乎没有应用可行性。波到时刻的精准辨识是一个复杂的非线性问题,利用人工智能的方法进行辨识是一条可行的解决思路,对此,该文提出一种新的单端暂态量主保护判据。首先,分析波达时刻与波形关系,并指出这种关系能够采用机器学习来映射;其次,引入高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR),在对初始行波数据进行预处理得到样本集后,输入GPR预测模型进行训练;然后,依据模型评估指标得到最优训练模型以输出高可信性的线-零模波达时差,据此实现了基于行波模量传输时间差的保护判据;最后,在利用PSCAD仿真验证所提保护判据有效性和普适性的基础上,进一步利用现场实测数据对判据进行测试,验证其实用性。该文工作为新能源交流系统下单端暂态量保护的性能提升提供新的解决思路。

一种适用于混合双极直流输电的纵联方向保护方法

直流输电线路通常是以大电感和直流滤波器作为边界,故障行波在边界发生折射和反射时,其行波能量也会因为电感和滤波器的存在而被吸收,导致区内、外高频行波能量产生差异.当故障发生为正方向故障时,其高频前行波能量小于高频反行波能量;当故障发生为反方向故障时,其高频前行波能量大于高频反行波能量.由此特征提出了一种基于前、反行波高频能量差异的纵联方向保护,该保护采用小波包变换提取行波的高频能量,利用前行波与反行波在区内故障和区外故障时的高频能量差异判别故障.仿真结果表明,该保护能快速准确地识别故障,并且不受故障类型、过渡电阻以及故障发生位置距离和噪声的影响,具有一定的实用性.

双浮体直驱波浪发电装置建模分析与基于模型预测控制的能量提取算法研究

基于振荡浮体结构的直驱波浪发电装置具有损耗低、控制灵活等优点,近年来,逐渐成为波浪发电领域的研究热点。双浮体直驱波浪发电装置不需要海上固定平台,能够通过锚系结构在海水中工作,是一种工程可行的直驱波浪发电方案,但其动力学模型更为复杂,相关控制算法缺少实际装置测试。该文通过等效电路的方法对双浮体装置进行建模分析,指出采用张力锚结构可将双浮体装置等效为单浮体装置进行分析,简化控制器的分析与设计,从而建立基于模型预测控制的高效波浪能提取问题。提出一种结合波浪激励力辨识、预测与快速模型预测求解的控制算法,并且设计了双浮体直驱波浪发电装置,在不同波浪条件下进行了相关实验测试。实验结果表明,所提控制算法能够在有效降低运算复杂度的前提下提高装置的波浪能提取效率。

多项时间分数阶混合扩散-波动方程ADI有限差分法

用交替方向隐式(ADI)有限差分法研究多项时间分数阶混合扩散-波动方程的数值解,在时间方向上,采用降阶的方法,将扩散项和波动项转化为RL积分项和扩散项,分别使用L2-1_(σ)和L1公式逼近;空间方向结合二阶中心差商离散,并通过数值算例验证差分格式的有效性.

青藏高原东北部上地壳剪切波分裂特征

由羌塘、巴颜喀拉、柴达木和祁连等几个二级块体组成的青藏高原东北部与华南块体及华北块体接触,产生强烈的构造变形。文中利用青藏高原东北部2010年1月—2021年9月的小地震波形事件,使用剪切波分裂分析方法计算得到快波偏振方向与慢波时间延迟2个各向异性参数,并对参数的空间分布进行分析。快波偏振方向以NEE为主导,与区域主压应力方向大致平行,祁连块体北部和东南部、羌塘块体北部存在NNW、NWW或近EW等多个相对较弱的第2快波偏振方向,与区域内广泛分布的NW走向断裂近平行。柴达木块体东北缘的快波偏振方向较离散,受到应力、断裂、岩石性质等因素的共同作用。祁连块体北部逆冲断裂系东部的时间延迟大于西部,体现了两者应力环境的差异。祁连块体东南部及柴达木块体东北缘大致相当的时间延迟分布可能与其具有类似的岩石类别物性及构造环境相关。柴达木盆地北缘存在NWW向快波优势偏振方向和相对一致的时间延迟,可能是断裂在深部高压变质作用的响应。羌塘块体北部的时间延迟小于拉脊山断裂周缘(祁连块体东南部与柴达木块体东北缘),可能与岩石类别物性与构造环境的差异有关。

被动雷达海上目标探测实验研究

针对海上目标的无源探测问题,利用无源双基地雷达(Passive Bistatic Radar,PBR)系统开展了海上无源目标探测的研究,进行了一系列实时海上目标探测的外场实验,实验成功采集了一些I/Q数据并画出系统显示图。文中首先介绍了PBR系统的工作原理,然后对信号处理流程进行详细说明,包括参考信号重构、脉冲压缩、直达波抑制、非相参积累和MTI、MTD动目标处理,最后介绍了外场实验结果并对所得实验数据进行分析。实验证明,该系统可以实现海上目标的无源相干检测。

采用改进特征子空间投影的SAR脉冲式直达波干扰抑制方法

射频干扰(RFI)会污染合成孔径雷达(SAR)回波信号,增加SAR图像解译难度。脉冲式直达波干扰(PDWI)作为典型的RFI,在原始回波域以明亮条纹状掩盖SAR回波信息,对SAR成像质量产生严重影响。现有的干扰抑制方法中,传统的特征子空间投影(ESP)方法对整条含干扰脉冲进行干扰抑制,造成了脉冲中非干扰位置有用信号损失。为了保护有用信号,该文提出一种改进ESP的SAR脉冲式直达波干扰抑制方法。首先,通过两次检测干扰,获取PDWI在时域中的具体位置。其次,仅对检测的干扰位置数据,采用ESP将有用信号和干扰信号分离。最后,从原始数据中减去ESP重构的干扰数据以实现干扰抑制。仿真和实测数据处理表明,与现有方法相比,该方法能够有效避免SAR原始数据中有用信号的损失,抑制了脉冲式直达波干扰。

一种双基声呐直达波干扰抑制算法

针对双基声呐中强直达波干扰下目标检测性能下降的问题,提出了基于分数阶傅里叶变换域滤波的直达波抑制方法。该方法首先对发射信号进行纳托尔(Nuttall)窗加权,在接收端采用分数阶域置零滤波抑制直达波干扰,再通过频域自适应匹配滤波提取目标时延信息,从而实现直达波干扰下的目标检测。仿真结果表明,在目标回波与直达波干扰功率比为-23 dB的情况下,该算法可有效抑制直达波干扰,准确估计出目标时延,成功检测到目标。在目标运动时,该算法通过在分数阶域搜索最佳阶数估计出多普勒频偏,并对其做频偏补偿后的频域自适应匹配滤波检测,可显著提高频域自适应匹配滤波器的检测性能。

声波法在直埋供热管道泄漏检测中的工程应用

利用声波法对城市内2段直埋供热管道的泄漏情况进行非开挖式工程实测,分析了不同工程条件下的泄漏声波信号特征,并采用傅里叶滤波进行声波振动信号的降噪处理。研究表明,傅里叶滤波可有效提升泄漏定位精度,实测漏点定位误差小于2%,基于傅里叶滤波降噪的声波法直埋供热管道泄漏检测技术具有较好的工程应用价值。

太赫兹折叠波导慢波电路及功率合成技术

针对太赫兹频段行波管输出功率较小的瓶颈以及对紧凑型设计的明确需求,提出一种管内功率合成的0.34 THz折叠波导行波管结构。首先,对太赫兹折叠波导慢波结构的高频特性进行了研究,通过仿真计算得到了其色散特性和耦合阻抗,0.34 THz处归一化相速度为0.248,耦合阻抗为0.46Ω;其次,提出了用于管内功率合成的3 dB定向耦合器结构设计,分析表明,其在0.31~0.368 THz范围内,幅度平衡度在±0.19 dB以内,隔离度优于24 dB;最后,完成了基于3 dB定向耦合器管内功率合成的折叠波导行波管基本结构设计并构建了仿真模型,仿真结果表明,最大输出功率为9.16 W,增益为26.6 dB,3 dB带宽达到21 GHz。作为对比,单个折叠波导行波管输出功率为6.18 W,故管内合成的折叠波导行波管的输出功率是单个行波管输出功率的1.48倍;此外,与采用常规外置功率合成结构的双行波管组件设计相比,管内功率合成折叠波导行波管的横向尺寸至少缩减了56.5%。

空时联合的声学测高测流阵列海浪方向谱估计

提出了一种空时联合的声学测高测流阵列海浪方向谱估计方法,使用五波束声学多普勒流速剖面仪(ADCP)构建声学海表跟踪测高、声学多普勒测流速分时采样的空间阵列进行海浪方向谱估计。依据线性波浪理论和时空等效性原理,提出适用于空时阵列的时间空间传递函数,在协方差矩阵中补偿时间延迟项,减小方向谱估计误差。仿真结果表明:在0 dB至5 dB低信噪比时,相比于同步四波束阵列法,此方法的方向谱谱峰估计值均方根误差更小。海试结果表明:五波束空时联合阵列法相比于同步四波束阵列法,估得方向谱峰度从2.31提升至2.80,小波浪组次谱峰波向结果与浮标结果的相关系数从0.80提升至0.83。同时,空时联合法能提升测波自由度、减小阵列最小孔径,提高了可估方向谱的上限截止频率。