Abstract:

为进一步提高综合能源系统（integrated energy system, IES）的运行灵活性与低碳排放能力，文中提出一种耦合储液式碳捕集系统（carbon capture system, CCS）和有机朗肯循环（organic Rankine cycle, ORC）余热发电装置的IES低碳优化调度模型。首先，通过余热利用构建燃气轮机（gas turbine, GT）热电联产（combined heat and power, CHP）模型，引入ORC余热发电装置，以实现机组的热电解耦并提高系统运行灵活性。然后，通过CCS约束系统的碳排放，并验证储液式CCS的减碳能力与灵活控碳优势。最后，建立以系统购能成本、碳排放成本和可再生能源弃电成本之和最小为目标的日前优化调度模型。结果表明，所提模型通过ORC余热发电装置实现了机组的热电解耦并提高了系统的运行灵活性，同时减少了1.06%的总成本和1.03%的碳排放量。储液式CCS通过能量时移特性使系统的碳排放量和总成本分别减少了77.91%和11.84%，并使可再生能源利用率达到了75.48%。仿真结果表明，所提模型能够有效降低系统的运行成本、减少碳排放量，并增加可再生能源的消纳。

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“双碳”背景下，为促进能源绿色低碳转型，提出一种考虑绿证-碳交易联合机制与混合博弈的综合能源系统（integrated energy system, IES）低碳经济调度模型。首先，构建混合博弈双层模型，上层模型将系统运营商作为领导者，以最大化自身收益为目标制定购售能价格策略，下层模型将氢能多元利用的综合能源系统（hydrogen multi-energy integrated energy system, HMIES）联盟作为跟随者，以联盟整体经济性最优为目标优化自身出力；然后，在HMIES联盟的合作博弈模型中引入绿证-碳联合交易机制，提高整体低碳经济性，同时结合合作博弈理论分析合作成立条件，并基于Shapley值法对合作剩余进行合理分配，实现联盟内部碳捕集电厂主体与新能源发电主体的协同互动；最后，采用遗传算法联合混合整数线性规划（genetic algorithm and the mixed integer linear programming, GA-MILP）进行求解。通过算例仿真验证了所提策略的有效性，结果表明所提模型可有效降低碳排放、提升系统经济性。

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太阳能综合能源系统正逐步成为住宅区域供能的重要解决方案，然而有限的建设面积给太阳能设备的部署带来挑战。文中提出一种集成太阳能全光谱利用与掺氢技术的综合能源系统，将太阳光中的高能谱用于光伏电池发电，低能谱用于太阳能集热器供热，以实现太阳能资源的多层次、精细化利用。同时，为扩展氢气利用场景，提出一种掺氢设备的运行策略，将混氢天然气作为混合能源提供给燃气设备使用。最后，通过蜜獾算法求解系统最优容量配置。仿真结果表明，太阳光谱分束技术可有效提高系统的太阳能利用率，从而降低太阳能设备的占地面积；掺氢技术和所提运行策略可以有效降低系统运行的碳排放量，避免氢能设备的过度配置，为构建高效、清洁、灵活的能源供应体系提供有力支撑。

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一类改进的最优转矩（optimal torque, OT）法通过扩大风力机最大功率点跟踪（maximum power point tracking, MPPT）过程中的不平衡转矩来提升转速跟踪能力，进而捕获更多风能。然而，此类方法在提高风能捕获效率的同时会造成电磁转矩的频繁波动，导致风力机传动链载荷显著提升。针对这一问题，文中研究发现在风速变化下补偿转矩引起的额外电磁转矩波动是产生上述现象的主要原因。为此，文中提出一种考虑载荷影响的风力机加速OT法，在风速变化时通过利用恒转矩过渡阶段抑制额外的电磁转矩波动，提升MPPT过程中的转速跟踪能力，从而实现在提升风力机风能捕获效率的同时尽可能避免载荷增大。最后，仿真结果验证表明，文中所提加速OT法不仅可以提升不同风况下的风能捕获效率，而且能够有效抑制传动链载荷的上升。

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精确的分布式光伏功率预测有助于电力系统平稳运行。为了进一步提高分布式光伏预测模型对历史数据中时间信息和空间信息的精准匹配和辨识能力，文中提出一种基于相似时间段匹配和图建模理论的分布式光伏混合预测模型。首先，考虑分布式光伏功率数据的时间相关性，利用相似时间段匹配方法识别对预测最重要的功率时段，并提出一种改进的Transformer模型提取光伏功率时间特征；其次，针对分布式光伏出力的空间相关性，基于子区域划分结果构建分布式光伏图结构模型，并建立基于图注意力机制的多层双向长短期记忆（multi-layer bidirectional long short-term memory, MBLSTM）网络模型，提取光伏功率空间特征；最后，提出一种分布式光伏功率时空特征融合机制，增强模型对时空信息的理解与利用，并建立分布式光伏超短期功率预测组合模型。实验结果表明，所提组合模型可以有效提取分布式光伏功率的时间信息和空间信息，相比于其他模型有更高的预测精度。

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针对高比例新能源并网引起的地区电网有功网损与电压波动偏大、无功成本与环保成本偏高等问题，文中提出一种基于新能源出力时序性分段策略的地区电网无功电压优化模型。首先，依据新能源出力时序特性建立新能源出力分段策略，即以各时段间平均值离散性最大而各时段内离散性最小为目标，利用自上而下（top-down）算法进行分段处理。其次，引入无功计价模型，并以标准化系统在每个时段的有功网损、节点电压偏差、无功源无功成本和火电机组环保成本之和最小为优化目标，建立含风、光、火、储等多种能源的地区电网无功电压优化模型，采用改进萤火虫算法（improved firefly algorithm, IFA）对模型进行求解。最后，利用IEEE 30节点系统进行仿真验证。结果表明，文中所提优化模型能够有效降低系统的有功网损、无功源出力成本和环保成本，合理分配电网无功功率，提高系统电压质量。

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能量转换效率是充电设施运行的重要参数，也是充电设施远程计量过程中的重点研究对象。然而，目前充电模块能效的主要评估方法仍为直接法，这是因为其电路结构复杂、元件特性多样，导致间接测量十分困难。为此，文中提出一种基于灰箱理论的充电模块转换效率间接测量方法，首先以元器件损耗为基础建立精确计算模型，然后通过参数融合方法处理复杂模型的参数，构建以充电模块输出电压和电流为变量的转换效率间接测量模型，最后利用Levenberg-Marquardt（L-M）算法求解模型参数。对典型15 kW和20 kW充电模块进行实验验证，结果表明，该方法在低负荷运行状态下与直接测量法的误差不超过1.3%，高负荷运行状态下误差基本不超过0.5%。文中提出的间接测量方法不仅测量精度较高，还可直接应用于多数典型充电模块，具有较好的通用性，能够满足充电模块转换效率的间接测量需求。

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直流配电网发生极间短路故障时，故障电流数毫秒内迅速上升至额定电流的数倍甚至数十倍，导致变流器瞬时闭锁，严重时甚至导致系统停运。为保障直流配电网的持续运行，文中提出基于差动电流相关性的直流配电网极间短路故障保护方法。该方法揭示了极间短路故障的暂态电流持性，区内故障时，差动电流主要由模块化多电平换流器（modular multilevel converter, MMC）与直流变压器电容放电电流组成；区外故障时，差动电流仅包含线路分布电容的放电电流。基于此，文中引入Pearson相关性系数，利用线路差动电流与其差分电流积聚量的相关性识别故障线路，进而构成保护判据。仿真结果表明，所提保护方法可以快速、可靠识别故障线路，在发生区外故障时分布电容暂态电流不会造成保护误动。此外，该方法具有一定的抗噪声（30 dB）和同步误差（0.3 ms）的能力，且在高阻（100 Ω）故障下仍能准确识别故障线路。

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三相脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM）整流器是交流微电网中十分重要的功率转换装置。然而，微电网中的直流负载扰动是未知的，滤波电容参数也是非精确的，这会直接影响整流器的控制性能。为此，文中提出一种三相PWM整流器离散模型参考自适应控制（model reference adaptive control, MRAC）方法，在直流负载扰动和滤波电容参数未知的情况下实现三相PWM整流器的高性能运行。首先，建立三相PWM整流器离散模型，并基于MRAC理论设计电压环离散自适应控制器、负载和滤波电容参数自适应律。通过所设计的自适应律实时调整自适应控制器中的负载和滤波电容参数，不仅可以有效提高三相PWM整流器输出电压的跟踪精度，还能够显著增强整流器对负载扰动和滤波电容参数的鲁棒性。然后，结合离散Lyapunov稳定性理论证明控制器的稳定性和收敛性。最后，仿真验证所提方法的有效性。实验结果表明，所设计的自适应律可以精确估计负载、滤波电容参数。与双环比例积分（proportion integral, PI）控制相比，所提控制具有更短的负载调节时间、更小的电压跌落量和网侧电流总谐波失真（total harmonic distortion, THD），对负载扰动自适应能力强，同时对滤波电容参数也具有强鲁棒性。

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交联聚乙烯（cross-linked polyethylene, XLPE）电缆在制造过程中产生的交联副产物，如苯乙酮、枯基醇和α-甲基苯乙烯，会在电场作用下解离形成空间电荷，导致电树枝的引发和生长，进而降低电缆的绝缘性能。脱气处理是减少交联副产物的有效方法之一，然而脱气时间的选择目前主要依赖经验，缺乏统一标准。文中采用气相色谱-质谱法定量分析交联副产物的体积分数变化与脱气时间的关系，并结合电树枝引发和生长实验，研究交联副产物在直流电树枝生长过程中的作用机理。实验结果表明，脱气处理对降低3种交联副产物的体积分数有明显效果，其中α-甲基苯乙烯脱出效果最明显。在不同脱气阶段，交联副产物的体积分数下降速率各不相同，并且交联副产物体积分数的下降使得电树枝的引发与生长更加困难，在实际工业生产中，脱气应保证交联副产物的体积分数下降至初始体积分数的20%以下。文中研究为优化XLPE电缆的脱气工艺提供了理论依据，在实际生产中采用合理的脱气时间，可以最大限度地减少交联副产物，提升电缆的绝缘性能和使用寿命。

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强降雨天气会导致输电线路、变电站和换流站绝缘子伞裙间被雨柱桥接，引发电场畸变。同时，瓷绝缘子在长期运行过程中受自身重量、风力载荷作用，易引起陶瓷内绝缘劣化，形成零值绝缘子从而引发雨闪事故。为研究强降雨环境下含零值绝缘子的瓷绝缘子串的雷电冲击放电特性，针对输电线路XWP2-160瓷绝缘子串不同零值情况开展雷击放电特性测试。结果表明：瓷绝缘子串在含/不含零值绝缘子的情况下，其雷击雨闪电压均随降雨强度和雨水电导率的增加而下降，不含零值绝缘子串的雷击雨闪电压受降雨强度和雨水电导率影响更显著；随着零值绝缘子片数的增多，其雷击雨闪电压受降雨强度和雨水电导率的影响减小；绝缘子串中零值绝缘子在不同位置时，其雷击雨闪电压均随降雨强度和雨水电导率的增加而逐渐降低，且具有饱和趋势；零值绝缘子片布置在高压端时，雨闪电压明显大于位置在中间和接地端的情况，且其受降雨强度和雨水电导率的影响程度同样大于位置在中间和接地端的情况。研究成果可为设计和配置输电线路外绝缘系统以应对雷雨天气提供重要指导。

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变压器在高温、过载情况下容易发生绝缘老化和故障，从而影响电力系统正常运行。变压器绕组热点温度是评估变压器负载能力的重要依据，但是其状态量难以直接测量。为了更加准确地计算变压器的热点温度，文中基于热电类比原理，考虑变压器外部环境因素、内部非线性热阻和油黏度的影响，构建新的变压器热路模型。该模型在传统机理分析的基础上结合数据驱动方法，使用基于先验知识的种群初始化和突变因子自适应机制的改进差分进化算法优化顶层油温模型参数。以南方地区某变电站180 MV·A/220 kV变压器为例，使用四阶龙格-库塔法求解热路模型微分方程，计算热点温度并与实测值进行对比。文中所提改进热路模型的决定系数达到0.84，相较IEEE和Susa模型分别提高了14.60%和5.53%。对比结果表明，文中所提机理-数据融合的热路模型具有明显优势，能够提高油浸式变压器绕组热点温度计算的准确性。

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针对配电网中传统潮流计算方法计算速度慢、依赖完整线路参数以及现有数据驱动方法难以应对配电网拓扑频繁变化的问题，提出一种基于贝叶斯优化图注意力网络（Bayesian optimized graph attention network, BO-GAT）的配电网潮流计算方法。该方法利用配电网的拓扑和节点特征信息构建图数据，基于图注意力机制计算注意力系数，挖掘节点间的关联特性，从而增强潮流回归模型对拓扑变化的适应性；引入贝叶斯优化（Bayesian optimization, BO）算法对超参数进行调优，进一步提升模型的性能。通过改进的IEEE 33节点系统，对所提方法的回归精度和计算效率进行测试，结果表明：所提方法不需要依赖具体线路参数即可实现配电网潮流的快速计算，在量测信息丢失、拓扑变化的情况下，表现出较强的鲁棒性和拓扑泛化能力；且当风光渗透率大幅提升时，该方法仍能保持较高的计算精度。最后，在IEEE 141节点系统中开展仿真验证，进一步验证了所提方法在较大规模配电网中的适用性。

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针对多能源微网联盟优化过程中面临的协同管理、新能源出力不确定性、电-碳-绿证多市场交易耦合及隐私保护等问题，文中提出一种考虑电-碳-绿证交易的微网联盟两阶段分布鲁棒优化策略。首先，为提升微网个体应对新能源出力波动的能力，构建微网联盟的两阶段分布鲁棒模型；其次，为加强微网低碳化水平，构建耦合电转气（power-to-gas, P2G）-碳捕集系统（carbon capture system, CCS）的新型热电联产机组，并计入阶梯式碳交易-绿证联合交易机制；再次，针对微网个体的利益诉求与微网联盟的利益分配问题，在点对点（peer-to-peer, P2P）分布式能量交易框架上，基于纳什谈判理论构建微网联盟非对称纳什议价策略；最后，采用自适应交替项乘子（adaptive alternating direction method of multiplier, AADMM）-列约束生成（column and constraint generation, C&CG）算法提高求解速率。仿真结果表明，相较于未参加合作博弈的分布鲁棒模型与普通的电-碳-绿证交易模型，文中所提模型总成本分别降低16.95%和31.50%，碳排放量减少42.83%和11.03%，在有效保护各微网隐私并实现利益合理分配的基础上，兼顾了系统的鲁棒性和经济性，助力能源结构向绿色低碳化转型。

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针对微网在孤岛模式运行下的频率安全问题，文中提出一种考虑源-储-荷异质调频资源协同优化的分布鲁棒频率约束调度方法。首先，考虑源-储-荷调频响应速率和死区差异，应用调频功率线性近似模型，推导异质调频资源协同调频下的频率约束。其次，将频率约束纳入微网调度模型，通过基于矩的椭球式不确定集描述风电不确定性，并制定联合机会约束限制风电出力与调频备用。然后，通过引入中间变量将联合机会约束转化为单一机会约束，在计及分布单峰性的基础上将非凸的单一机会约束转化，并利用McCormick包络凸化双线性项，将所提模型转化为混合整数二阶锥形式。最后，通过算例分析验证考虑频率安全约束可保证孤岛微网在遭受有功扰动后的频率不低于49.2 Hz，并且计及需求侧资源的频率支撑有利于提高运行经济性。