Sustainable Development of Energy Systems and Climate Systems:Key Issues and Perspectives

Climate change and energy security issues are prominent challenges in current energy system management,which should be governed synergistically due to the feedback relationships between them.The“Energy Systems Management and Climate Change”Special Collection Issue in the journal of Energy Engineering provide insights into the field of energy systems management and climate change.From an extended perspective,this study discusses the key issues,research methods and models for energy system management and climate change research.Comprehensive and accurate prediction of energy supply and demand,the evaluation on the energy system resilience to climate change and the coupling methodology application of both nature and social science field maybe the frontier topics around achieving sustainable development goals of energy systems.

基于能量管理策略的太阳能无人机航迹跟踪控制

协调高空长航时太阳能无人机的高空作业任务与长期能源利用效率之间的冲突,是无人机控制的核心问题之一。基于太阳能无人机的能量获取、储存与消耗存在紧密的耦合关系,提出了一种综合能量管理策略和航迹跟踪控制的方法。基于建立的太阳能无人机三维质点运动模型、储能电池模型以及太阳能获取模型,根据太阳能无人机的气动参数以及太阳能无人机典型的平飞、爬升、下降等运动过程,设计了太阳能无人机能量管理策略,确定了太阳能无人机在不同飞行阶段能量获取、存储与消耗的分配机制及最优飞行参数;利用重力势能储存多余太阳能,进而进行基于高度调整的能量管理,实现对太阳能无人机在不同光照和能量状态下的纵向跟踪控制。同时,结合太阳能无人机横侧向运动的任务要求,通过对太阳能无人机的质点动力学方程进行解耦,建立了基于反馈线性化方法航迹跟踪控制方法,实现太阳能无人机在横侧向的航迹跟踪控制。24 h时间闭合仿真表明,该方法可满足储能电池的最低能量剩余要求以及航迹跟踪控制要求。

城轨交通混合型再生制动能量利用系统及其控制策略

针对城轨交通再生制动能量利用问题,结合城轨交通供电系统负荷特性,提出一种含能馈系统与储能系统的混合型再生制动能量利用系统及其控制策略。结合城轨交通供电系统架构与负荷特性,提出混合型再生制动能量利用系统拓扑结构并分析其运行原理。以充分利用再生制动能量为目标制定系统能量管理策略,实现在多种运行模式和运行工况下的功率潮流管理。提出计及牵引网母线电压控制和系统动态功率分配的分层控制策略。通过仿真分析验证所提系统及其控制策略的正确性和有效性,并借助相关技术指标和经济性指标对不同再生制动能量利用方案进行对比。结果表明,所提分层控制策略能协调控制系统按需回馈、存储/释放再生制动能量,实现城轨交通再生制动能量高效利用,并有效抑制牵引网母线电压波动;同时,所提混合型再生制动能量利用方案能较好地兼顾技术效果和经济性,相比储能方案和能馈方案有一定优势,可作为城轨交通再生制动能量利用方案的选择之一。

车用柴油串联式混合动力系统经济性试验研究

为评估柴油串联式混合动力客车动力系统的性能,特别是燃油经济性,建立了串联式混合动力系统测试平台。在详细描述串联式混合动力系统能量管理策略和辅助动力单元(APU)控制的基础上,通过中国城区公交道路循环测试,对影响串联式混合动力系统燃油经济性的几个要素进行了分析。研究结果表明:在既定能量管理策略的基础上,制动能量回馈、电驱动子附件功率和发动机怠速是影响燃油经济性的三个显著因素。

建筑能耗管理与室内空间感知研究进展

我国建筑能耗总量逐年上升,在能源总消耗量中所占比例越来越大。由于存在既要满足众多使用者对舒适的需求,同时又要满足能耗最小化这一矛盾,使得建筑能耗管理问题变得愈发复杂。文章分析了建筑本体空间形态、维护结构的热工性能、设备能效和运行控制策略,以及建筑使用者的行为状态等影响建筑运行能耗的主要因素;阐述了能耗反馈、减少用电设备待机能耗、合理安排用电设备工作时间、对用电设备进行优化控制等降低建筑运行能耗的主动节能技术;综述了与建筑使用者相关的需求侧节能的关键技术,即通过室内空间感知获取能耗、环境和情境这三类室内空间状态信息,将能量踪迹和用户踪迹信息融合,恰当地描述特定室内环境下的用能特征,从需求侧评估建筑能耗的合理性,进而精确辨识能源浪费的原因。文章展望了我国未来建筑节能技术的发展方向。

地面无人平台能量管理系统的研究

为提高地面无人平台的动力性能和续驶里程,对能量管理系统和整车控制策略进行研究。分析电池组状态检测、荷电状态估计、充放电管理、均衡管理、热管理等技术。提出能量利用顺序、工作模式切换和能量回馈的方法。研究结果表明,该方法可提高电池组的有效能量密度和降低整车的能耗。

一种基于直流微网技术的新型地铁能量回馈系统

针对地铁传统能馈系统中刹车回馈能量损失较大的问题,提出了一种新型地铁能量回馈系统及其控制与能量管理策略。首先,所提出的新型能馈系统相比传统方案,通过引入超级电容与UPS电池构建混合储能,实现了列车刹车回馈能量的全部吸收,减小了牵引网侧直流母线电压波动和牵引变电站的功率峰值要求,同时充分整合站内浮充UPS资源,降低储能设备成本。随后,分析了系统源荷储在理想状态下的功率分配,并基于直流母线电压信号的下垂控制,提出一种可实现电池SOC复位的改进下垂控制方案,有效控制了牵引直流母线电压并合理分配了功率。并通过对电池SOC的闭环控制,在保证UPS应急功能正常工作下,充分发挥了电池的功率平滑优势。仿真和实验验证了所提出新型地铁能馈系统的可行性与有效性。

枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统能量管理及控制策略

针对电气化铁路枢纽型牵引变电所再生制动频繁、再生能量大且利用率低等问题,结合枢纽型牵引变电所的负荷特性,研究能量回馈与储能结合的再生制动能量利用系统能量管理及控制策略。首先,研究枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统的拓扑结构,分析其运行原理,并基于系统各部分间的能量供需关系,以最大化利用再生制动能量为目标,制定再生制动能量的管理策略。在此基础上,将系统运行工况划分为四种运行模式,并分析典型工况的能量流动情况。然后,提出考虑动态功率分配的分层控制策略。最后,通过仿真分析证明了该文所提再生制动能量利用系统能量管理及控制策略的正确性和有效性。结果表明,提出的能量管理及控制策略能有效协调控制再生制动能量按需转移、回馈、存储和释放,可实现枢纽型牵引变电所再生制动能量的高效利用。

SCESS-DFIG发电系统宽时间尺度功率波动的平抑控制方法

针对高渗透率风电宽时间尺度功率波动平抑问题,提出了将变桨控制与超级电容储能功率控制相结合的功率波动抑制方法。利用超级电容对风电场有功功率波动进行双向快速、准确的调节,有效地控制了输出功率短时间尺度的波动;通过减载变桨控制留出功率裕度,当超级电容电压过低或过高时进行辅助功率调节,既优化了超级电容的能量管理,又实现了宽时间尺度的功率波动抑制。在通过建立含有双馈风力发电机(DFIG)、直流双向升/降压变换器、超级电容储能单元模型的基础上,对一个由3台具有超级电容储能的DFIG(SCESS-DFIG)组成的风电场进行仿真分析。通过在具有相同额定参数、不同风速曲线给定、不同的超级电容初始电压的运行状态下的模拟,验证所提控制策略的有效性。

基于地铁列车制动能量回馈装置的能量管理系统

地铁列车制动能量回馈装置虽然回馈电能可观,而且减少电阻消耗以改善地铁通道热环境,但是也带来了能量逆流至110 k V侧电网的隐患。而且,城市轨道交通供电系统还具有夜间停运期间负荷低时功率因数偏低的特点。针对上述特点提出基于地铁制动能量回馈装置的能量管理系统。充分利用地铁制动能量回馈装置的有功和无功独立可控的控制原理,通过能量管理系统对主变电所的检测、判断、计算,以及对地铁制动能量回馈装置下达命令,实现了对地铁制动能量回馈装置的有功和无功能量管理,不仅可实现对地铁供电系统的无功补偿,也可实现对地铁制动回馈能量装置回馈能量时能量逆流的控制。

基于反馈能量管理系统的PHEV实时控制设计

提出一种PHEV的实时控制系统。首先,以最小燃油消耗为性能指标,采用动态规划(DP)算法求解标准工况得到最优解,通过对最优解进行分析,将最优控制存储于Map;然后,以SoC为反馈变量建立反馈能量管理系统,为了充分利用电池存储的电能,结合电荷耗尽⁃电荷维持策略(CDCS)引入参考SoC;最后,在标准工况下进行仿真,并与使用DP算法的仿真结果进行对比。仿真结果表明,该实时控制器的油耗接近于使用DP算法的油耗,且在驾驶工况距离已知情况下能够令SoC很好地跟随参考SoC,以充分利用动力电池存储的电能,从而有效降低燃油消耗。

基于MPC-PI的混合动力系统能量管理策略

为提高多电飞机直流母线稳定性及提高能量利用效率,基于模型预测控制(Model predictive control,MPC)理论引入反馈校正策略并结合PI控制方法,针对混合动力系统(Hybrid power syst-em,HPS)提出了一种能量管理策略。根据直流母线、蓄电池、超级电容及燃料电池的工作特性,建立了HPS的微分方程模型。在预测控制器设计中,以保证直流母线电压稳定及降低燃料电池消耗为目标,并考虑了对约束的处理。最后通过对该HPS施加随时间变化的负载,将所提的MPC-PI策略与传统的PI方法对比,通过仿真验证了所提方案的可行性和有效性。

基于能量管理的无人机无动力着陆引导策略

针对小型固定翼无人机在空中发生推进系统故障的紧急情况,研究基于能量管理的无动力着陆引导策略.在质点动力学分析的基础上,结合无人机的可飞包线及能量走廊定律,提出基于高度和待飞距离的动压在线规划方法.考虑到该在线规划方法对模型的依赖性,针对无人机气动参数存在不准确性的问题,将反馈控制的思想引入动压剖面的实时修正过程.在固定翼无人机飞行仿真平台上对上述方法进行半实物实验验证.仿真数据显示,当气动模型不准确时,采用有控制介入的在线规划方法可以快速地将期望动压规划至最优解,从而显著地提高着陆精度.结果表明,采用研究的着陆引导策略能够有效地实现无人机的无动力自主稳定着陆.

基于光伏充电的高效热电散热系统研究

针对大功率光学器件和设备的热严重影响其稳定性、性能和使用寿命的问题,提出了一种基于能量回馈的智能高效热电散热系统。利用基于改进的增量式比例积分微分(PID)算法快速实现高精度温度控制,通过能量回收机制实现热电制冷器(TEC)制冷效率的提升。采用光伏充电为主、电源充电为辅的电源管理策略,通过上位机监测与控制实现对两组蓄电池的高效充放电切换。同时,利用Python+PyQt5为散热系统搭建可视化图形操作界面。研究表明,设计的实验系统实现了对TEC器件的电路信息监测与温度高效控制,可为解决大功率光学器件和系统的散热问题提供参考。

地铁能馈变流器噪声特性及控制技术研究

针对地铁能馈变流器的噪声特性进行试验研究,分析其主要噪声源、噪声传播规律以及进/出口结构的声学性能,并针对性地进行出口阻性消声器设计及试验验证。研究结果表明,风机为主要噪声源,风机噪声由出口传播直接导致产品噪声超标;采用出口阻性消声器方案可有效降低出口噪声传播,风机出口测点降噪量达17.33 dB(A)。相关研究对改善能馈变流器及类似产品的声学性能,指导产品结构降噪设计具有参考价值。

反馈控制在新能源基地项目管理中的应用

新能源基地项目具有投资大、工程涉及空间范围大、作业密集、管控要素多等特点,常规管理模式已无法满足要求。借鉴反馈控制论的基本原理,从控制论的角度出发,重新梳理项目管理模式,明确项目监测要素及管控要求,对项目管理组织机构和流程再造,从而在有限管理资源下达成项目目标。

反馈系统发展规划的对策实施效应仿真评价

德邦规模养殖生态经济区是国家战略《鄱阳湖生态经济区规划》产业区,此生态经济系统是一个生态能源经济复杂反馈系统,系统发展问题具有普遍性,对其管理对策未来实施对规划目标实现的未来效应进行仿真评价.首先,基于反馈系统发展规划目标和对策,使用变量因果链倒推方法确定评价指标体系.接着,用评价指标体系用逐步缩小法建立流位流率系,对实际系统变量进行相关分析,建立流位流率系下因果关联关系的流率基本入树基本模型.再次,依据系统历史年数据及基本规划值,系统变量基本计算公式,应用系统动力学的表函数、选择函数、阶跃等函数,建立七棵流率基本入树的仿真方程,建立仿真模型.最后,进行对策实施调控仿真,分析对策实施对系统规划目标实现的定量促进效应,进行仿真评价,定量论证了所制定的管理对策的正确性,为系统发展提供决策依据.