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2021年 第54卷 第9期    刊出日期：2021-09-05

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电网

基于改进蜂群算法的独立二次一体化中心优化选址策略

熊小萍, 郝邵磊, 孙帝, 林光阳, 李航

2021, 54(9):  1-8.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202007047

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针对城市变电站土地建设成本高及配电网供电可靠性要求不断提高的情况，提出一种实现变电站紧凑化和提升配电网保护控制性能的独立二次一体化中心的概念。为解决保护形态变迁后该中心与站间能够正常实现保护功能等问题，独立二次一体化中心的选址尤其重要，须综合考虑多种因素。结合传统变电站选址方案和独立二次一体化中心的特定需求搭建适用于该中心的优化选址模型，该模型主要考虑信息时延、居民影响及负荷分布3种因素，以某市区内变电站拓扑作为仿真实例，通过改进蜂群算法快速计算出最优解的可能区间，然后经精确计算得出最适合该中心的选址节点，最后通过分析最优节点的各项指标，充分说明所提模型的实际工程意义及方法的优越性。

基于改进纵横交叉算法的电网最优潮流计算

曾琮, 黄强, 陈德, 郑晓莹, 孟安波

2021, 54(9):  9-16.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202006081

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纵横交叉算法（crisscross optimization algorithm, CSO）已应用于解决电网中的多种复杂问题并取得了较好的效果。在CSO算法基础上，提出了一种快速收敛的改进纵横交叉算法（faster crisscross optimization algorithm, FCSO）求解最优潮流问题。该改进算法在原有的双交叉算子的基础上提出了一个全新的算子——中心交叉算子，此算子与横向交叉算子以一定的规律交替进行，种群中每个个体依次与当前最优个体执行交叉操作后再执行竞争算子，有选择地向当前全局最优个体靠拢，以提高单次搜索的质量，加速收敛。在IEEE118节点系统上的仿真结果表明，CSO较同类的群智能优化算法有着收敛精度高、稳定性强的特点，而FCSO能在不损失收敛精度的条件下显著加快收敛速度，大幅缩短寻优时间，为纵横交叉算法应用于实际电网实时调控领域提供了更多的可能。

基于CNN-BiGRU-NN模型的短期负荷预测方法

曾囿钧, 肖先勇, 徐方维, 郑林

2021, 54(9):  17-23.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202003035

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为充分挖掘蕴含在大量采集数据中的有效信息，提高短期负荷预测精度，提出一种基于卷积神经网络（CNN）和双向门控循环单元（BiGRU）、全连接神经网络（NN）的混合模型的短期负荷预测方法，将海量的历史负荷数据、气象信息、日期信息按时间滑动窗口构造特征图作为输入，先利用CNN提取特征图中的有效信息，构造特征向量，再将特征向量作为BiGRU-NN网络的输入，采用BiGRU-NN网络进行短期负荷预测。以2016年举办的全国第九届电工数学建模竞赛试题A题中的负荷数据作为实际算例，实验结果表明：该方法与DNN神经网络、GRU神经网络、CNN-LSTM神经网络短期负荷预测法相比，有更高的预测精度。

抑制量测噪声的大功率异步电动机自抗扰矢量控制

周雪松, 王成龙, 马幼捷, 吴博宁

2021, 54(9):  24-33.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202004104

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异步电机矢量控制过程中通过测速装置获取电机转速信息，而检测元件由于受到干扰、量化误差以及电机运行状况等因素影响，导致转速信息中混有噪声需要经过滤波处理，但传统的转速滤波方法不能兼顾实时性和精度要求。线性扩张状态观测器具有系统输出信号滤波的功能，在传统线性扩张状态观测器通道增加滤波环节提高噪声抑制能力，对观测器升阶处理以提高观测能力，进而解决系统响应速度与控制器噪声抑制方面的矛盾。在频域中通过伯德图对线性自抗扰控制器的稳定、跟踪、抗扰性能进行了分析，理论分析表明改进后的自抗扰控制器能够削弱控制器输入与系统反馈处噪声带来的影响，仿真结果也验证了控制器噪声抑制的有效性。

考虑特征瞬变的导线微风振动在线监测及预警技术

赵隆, 郭玉龙, 郑天堂, 曹雯

2021, 54(9):  34-44.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202103020

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针对现有导线振动监测以秒平均振幅和秒平均频率衡量导线微风振动程度带来的误差，提出了一种考虑振动特征瞬变的导线微风振动在线监测及预警技术。根据压电材料的正压电效应设计一种振动监测传感器，测量距悬垂线夹89 mm处的加速度时程曲线。以获得瞬时幅值和瞬时频率为目标，采用经验模态分解（empirical mode decomposition, EMD）结合相关性判断得到符合原始信号振动机制的特征模态函数（intrinsic mode function, IMF），经希尔伯特变换（hilbert transform, HT）提取瞬时参数，并利用瞬时幅值和瞬时频率计算导线对应动弯应力下各单元损伤参数，通过数值方法证明其有效性。经振动台试验对比分析，导线在有效损伤频段0~60 Hz内，该方法得出的各项疲劳损伤参数与计算值的吻合度均在86.77%以上，且主要疲劳损伤参数最大试验误差为8.02%，平均试验误差为0.92%，说明该方法可以作为振动导线疲劳寿命预警的有效依据。

基于护层电流构建新型判据的高压输电电缆在线监测

周欣, 夏向阳, 夏君山, 陈善求, 张育粱, 杨隆凯, 罗彦鹏, 王瑞琪, 刘雄

2021, 54(9):  45-54,118.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202103052

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为及时发现高压电缆交叉互联接地系统中的故障问题，基于电缆金属护层首末两端的接地电流，构造了一种新型判据来实现电缆故障的分类与定位。该方法通过测量电缆交叉互联主段首末两端直接接地箱中金属护层接地电流的幅值与相位，并以同一金属护层回路首末两端接地电流幅值与相位的比值、以不同金属护层回路首末两端接地电流相位差的绝对值构造新的特征量，根据多维特征融合建立故障判据对应的特征量矩阵，以此进行故障诊断。分析了电缆中间接头开路、交叉互联接地箱进水和中间接头短路等常见的电缆故障，并通过仿真验证了新型故障判据的可行性，为高压电缆线路故障的在线监测提供了新的方法。

混合多馈入直流作用下江苏受端电网安全稳定性评估及改善

黄志光, 曹路, 李建华, 张君黎, 王国腾, 徐政

2021, 54(9):  55-65.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202007229

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混合馈入直流系统一般指电网换相换流器（line commutated converter，LCC）和模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）混合馈入的直流系统。目前，含有多个直流落点的混合多馈入直流系统已在受端电网规划中得到采用，但其对系统安全稳定性的影响尚未明确。为了对混合多馈入直流作用下受端电网的安全稳定性进行量化评估，首先总结了7种评估指标，并形成了一套评估方法。然后，以江苏电网为例进行了分析，说明江苏受端电网的安全稳定性不足，直流系统换相失败是最严重的问题。针对现存问题，先后提出了将彬长直流逆变侧改用MMC的方案1，以及进一步构建受端以MMC为主的多端直流系统的方案2。最后，对2种方案应用效果进行了定量评估，结果说明采用MMC换流站并构建多端直流系统将提升受端电网安全稳定性，也验证了所提评估方法的有效性。

多馈入系统直流间耦合程度量化表征方法

雷霄, 孙栩, 王薇薇, 刘琳, 李新年, 庞广恒

2021, 54(9):  66-73.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202006134

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目前多回超/特高压直流馈入华东电网，交直流系统之间交互作用及耦合复杂。为了量化表征多馈入直流间耦合程度，提出了多馈入直流系统的交流电压畸变耦合系数。通过计算一回直流内部故障引起其余直流逆变站换流母线交流电压的畸变程度，得到多直流间耦合系数。该耦合系数包含了直流输送容量对交流系统的影响、不同技术路线直流控制系统内部控制环节响应特性差异以及直流逆变站之间交流电网的阻抗特性等因素的综合评估。利用耦合系数提出耦合区域的概念，可用于评估多回直流同时换相失败的风险。以华东电网多馈入系统为例进行了仿真验证，结果表明所提出的耦合系数以及耦合区域表征形态与实际运行中的情况基本相符，该系数能为直流的规划和运行提供重要的技术参考。

调速侧电力系统稳定器优化设计方法

方日升, 林耀东, 江伟, 黄霆, 徐振华, 吴丹岳, 陈志, 苏毅, 林济铿

2021, 54(9):  74-82.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201909001

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针对由调速系统引起的弱阻尼低频振荡问题，提出调速侧电力系统稳定器（governor power system stabilizer, GPSS）优化设计方法，在抑制低频振荡的同时确保系统调节速度满足一次调频性能要求。首先，构建GPSS优化模型，该模型以阻尼比裕度与系统达到90%出力时间加权和最大为目标函数，以系统一次调频所要求的速度、稳定时间和稳定性为约束条件；进而，基于粒子群优化算法（particle swarm optimization，PSO）构建该优化模型的求解方法。算例验证了所提模型及算法的有效性及可行性。

基于DE-GWO-SVR的中长期电力需求预测

张运厚, 李婉莹, 董福贵

2021, 54(9):  83-88.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202105016

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电力需求预测是电力系统科学规划与运行的重要前提。根据相关性分析，从经济发展水平、城镇化水平、工业化水平、人口数量、产业结构、居民消费水平、电价和用电基数8个方面筛选出电力需求关键影响因素。利用差分进化（differential evolution，DE）和灰狼优化（grey wolf optimization，GWO）算法对支持向量回归模型（support vector regression，SVR）的参数进行优化，建立差分进化-灰狼优化-支持向量回归电力需求预测模型。选取北京市电力需求历史数据进行实证分析，比较不同模型的预测结果，验证组合优化模型的有效性及其预测的准确率，并对北京市2021—2025年电力需求进行预测。

基于结构化负荷模型的电力负荷概率区间预测

庞传军, 张波, 余建明, 刘艳

2021, 54(9):  89-95.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202007217

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为了考虑电力负荷的不确定性，概率和区间预测成为电力负荷预测的重要方式之一。针对传统的负荷概率及区间预测方法没有考虑不同负荷成分的不确定性对电力负荷影响的问题，在分析电力负荷成分的基础上，基于结构化电力负荷模型提出一种电力负荷概率及区间预测方法。首先，对电力负荷的成分进行分析，针对不同负荷成分分别进行建模，构成结构化电力负荷模型；然后，基于历史负荷数据采用变分贝叶斯估计算法训练模型参数的后验概率分布；最后，基于训练完成的模型对未来负荷的概率分布进行预测，从而实现电力负荷概率区间预测。采用实际电力负荷数据进行验证，并与其他方法进行对比。实验结果表明，所提方法取得了较高的预测区间覆盖率和较窄的预测区间宽度。

基于数据拟合的继保设备失效率调整因子模型

杨胡萍, 黄煌, 何志勤, 张扬, 杨文思, 周睿

2021, 54(9):  96-101.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202103123

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分析继保设备检修行为对其失效率的影响，有助于继保设备检修计划制定和实现电网长期稳定可靠运行。基于某地区继电保护设备故障数据，采用Matlab工具箱对分段数据进行失效率函数拟合，然后利用遗传算法对失效率调整因子进行计算，建立基于数据拟合的失效率调整因子模型，并使用多地区的设备故障数据对该模型和德尔菲法的模型进行评估。研究结果表明：基于德尔菲法的失效率调整因子模型低估了检修行为对设备失效率的下调能力，文中模型较基于德尔菲法模型累计残差更小，能够更为准确地反映检修行为对继保设备失效率的影响。

市场化环境下优先发电实施方案

胡娱欧, 高志远, 张晶, 张涛

2021, 54(9):  102-108.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202009102

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优先发电是落实国家战略的重要保障，但是在电改背景下还存在着如何具体实施以及与电力市场协调运行等诸多挑战。从优先发电的相关政策梳理入手，分析市场化环境下优先发电所面临的主要问题，探讨优先发电的市场化落实机制，提出市场化环境下的优先发电实施方案。根据当前相关政策，优先发电主要包括5大类电力电量，在实际运行中主要面临发用电电量和电力不平衡、收支不平衡、挤占市场交易电量空间等问题，其市场化落实需要通过多种市场类型、交易品种、偏差和结算机制组合的系统化市场机制；在当前既有政策和市场环境下，设计了一个由差别电量计划确定和市场化落实电量实施等6个主要步骤组成的优先发电基本实施方案，并给出了一个差别电量具体分配模型。所提方案对于电力市场发展具有良好的适应性，并已在京津唐电网等地得到应用。

短路工况下柔直换流站直流场内瞬态电场预测分析

吴思航, 沈弘, 齐磊, 裘鹏, 蒯朝霞

2021, 54(9):  109-118.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.201912137

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柔性直流换流站在发生短路故障时会产生瞬态强电磁场，对换流站内的二次设备产生潜在影响。针对定海换流站短路试验时二次设备处的电场骚扰问题进行了系统研究，分析了短路故障时直流场内关键节点的电位，建立了直流场内设备的三维模型。考虑直流断路器分断时的时变拓扑结构，将获得的直流场内各节点电位函数作为电准静态场求解区域的第1类边界条件，分别计算了3种短路工况下直流断路器周围二次设备处的电场分布。研究结果表明，二次设备处电场强度最高可达33 kV/m，上升下降沿最快为40 μs；电场强度的大小由空间布局和电压幅值共同决定，电场强度波形与电压波形上升下降沿一致。

分布式储能电池运行工况及性能检测分析

杜旭浩, 李秉宇, 苗俊杰, 郭小凡

2021, 54(9):  119-124.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202104065

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储能系统运行工况及电池性能是储能技术研究的重点。基于风电场跟踪计划出力模式下储能电池的实际运行曲线，提出一种基于因子分析法和聚类分析法的储能电池工况重构方法。深入研究储能电池的荷电状态（state of charge，SOC），提出将扩展卡尔曼粒子滤波（extended kalman particle filter，EKPF）算法用于电池性能检测。实验结果表明：采用因子分析法和聚类分析法可有效辨识出特征参数向量并构建储能电池工况，提出的EKPF算法能正确估算储能电池SOC，为储能电池运行工况的构建和储能电池的性能测试提供参考依据。

基于地理探测器的广州市分行业月度用电特点及优化管理

张云涛, 蔡国田, 柯尚军, 王文秀

2021, 54(9):  125-134.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202004118

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为将广州市电力需求侧管理落实到具体行业，使用地理探测器、用电互补性模型分析2013—2017年共60个月各行业用电特点，在此基础上，通过情景分析方法，从行业、时间角度探索行业用电优化管理路径。基于广州市分行业月度用电特点，抓住行业用电量风向标子行业，利用存在可相互抵消用电波动的用电组合，研究发现：在2017年广州市用电量水平下优化行业用电结构和优化用电时间管理总计可减小约2.25亿kW·h的全社会用电月度峰谷差。未来可通过分行业月度用电预测、结合用电互补性分析测算行业用电调度潜力，为电力需求侧管理水平提高提供数据支撑。

新能源

虚拟阻抗对不同电压等级逆变器并联系统的稳定性影响分析

马文涛, 王金梅, 王永奇

2021, 54(9):  135-142,175.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202004204

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利用虚拟阻抗技术对双闭环控制结构进行优化，可将逆变器的等效输出阻抗改善为强感性，提高传统感性下垂控制策略在低压微电网中的功率分配精度，有效抑制环流，但往往忽略了虚拟阻抗对系统稳定性的影响。鉴于此，推导包含虚拟阻抗、线路阻抗及公共点电压的三环控制传递函数，建立考虑虚拟复阻抗的不同电压等级逆变器并联模型，并利用戴维宁等效原理对模型进行简化，在多种工况下根据Nyquist稳定判据分析虚拟阻抗对系统稳定性的影响。结果表明：不同电压等级的逆变器并联系统在添加虚拟阻抗后仍可保持稳定运行。

兼顾区域自律和消纳品质的配电网新能源消纳能力分析方法

陈岩, 靳伟, 王文宾, 李会彬, 韩胜峰, 贾凯

2021, 54(9):  143-155.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202004213

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为降低新能源发电随机不确定性导致配电网对主电网的强烈功率扰动，提高电力系统新能源多层次有序消纳能力，提出新能源配电网利用可控资源实施区内自律管控的输配协调消纳策略，研究在配电网资源给定条件下满足区域自律特性和消纳品质的新能源合理消纳能力分析方法。首先，阐述配电网自律运行实施策略，提出描述自律运行能力的性能指标；构建配电网新能源消纳容量优化配置模型，建立基于储能、柔性负荷和网络重构手段的配电网满足自律约束的运行行为模型，并采用遗传算法进行求解；提出考虑法纳品质的新能源消纳能力评估指标，并采用年时序仿真手段分析配置方案综合性能。最后，以某城市经济技术开发区为算例进行分析，验证了该方法的有效性及合理性。

考虑可再生能源消纳责任的售电公司购电决策分析

戴尚文, 张利, 刘宁宁, 杨明, 刘畅, 曹胜楠

2021, 54(9):  156-164.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202005112

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作为电力交易的主要参与者之一，售电公司须积极承担消纳可再生能源的责任。为分析可再生能源消纳责任考核对售电公司的影响，建立购电组合投资模型。模型采用场景法描述现货电价、可再生能源出力等因素的不确定性，以考虑条件风险价值的交易成本最小化为目标制定售电公司最优购电策略，并引入消纳责任考核的惩罚机制，实现对考核力度作用的评估。模型采用MATLAB中YALMIP工具箱进行线性规划的求解。采用算例仿真分析风险偏好程度、消纳责任指标、可再生能源预测准确度、监管部门惩罚力度等因素对售电公司最优购电策略的影响，验证了模型的有效性。

静态安全域约束的多区域大规模新能源接纳能力研究与应用

苏宜强, 刘盛松

2021, 54(9):  165-175.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202006038

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随着中国风电、太阳能等新能源并网容量的迅速发展，大规模新能源接纳受到关注。提出一种多区域大规模新能源接纳能力评估方法，将电力系统静态安全域（steady-state security region，SSSR）定义在新能源多区域功率注入空间上，根据大规模新能源场站接入的地域性与资源特性，对每个区域定义一组新能源功率增长方向，在一维空间建立新能源接纳能力最优化数学模型，经最优潮流遍历不同区域组合而成的全系统新能源功率增长方向来搜索SSSR临界点，通过这些临界点构建超平面，以近似新能源多区域功率注入空间的SSSR边界，从而在多维空间评估多区域大规模新能源接纳能力。通过对某省级1975节点实际电网进行计算，结果表明：提出的多区域大规模新能源接纳能力的计算方法是实用有效的。

考虑分期规划与设备替换的园区型综合能源系统最优配置方法

邹磊, 唐一铭, 刘祝平, 吴正勇, 方超, 汪超群, 文福拴

2021, 54(9):  176-186.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202007091

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综合能源系统作为能源互联网的重要物理载体，对于提高区域综合能效、保障用能安全以及实现节能减排具有重要意义。建立一种基于全生命周期的园区型综合能源系统分期协同规划模型。首先，根据综合能源设备的安装容量是否连续，将设备分为离散和连续设备，分别对其配置和运行约束进行提炼和统一化表示；然后，以整个项目周期为优化时间尺度，通过引入设备选型和运行决策变量，对设备安装年份与当前剩余寿命之间的关系进行数学建模；最后，考虑名义利率与通货膨胀率等因素的影响，构建以经济性最优为目标，计及投资成本、运行成本与设备残值收入的目标函数。采用混合整数线性规划技术对模型进行求解。4种场景的测试结果表明：相比传统的单阶段规划，考虑设备替换的分期协同规划可以减少14.76%的设备投资。在引入储热装置和弃热约束后，热电耦合系统运行成本可以进一步减少11.78%。

基于风险-收益分析的用户侧储能容量经济配置研究

周立立, 向月, 陈凌天

2021, 54(9):  187-197.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202007136

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针对用户侧储能经济容量优化配置问题，充分考虑用户侧储能可参与并获利的市场以及可能面临的风险，构建了基于投资组合理论的储能两阶段经济优化配置模型。第一阶段以储能应用的效益和风险值最优为目标，利用投资组合理论决定储能各时段在不同市场中的容量优化分配。第二阶段以储能净效益最大为目标确定储能最优经济配置容量，由计及储能实际运行寿命测算的全寿命周期成本及运行效益决定。通过对多种情景进行对比分析，结果表明，所提模型在保证储能配置效益的同时有效减小了储能应用可能面临的风险，为用户侧储能经济容量优化配置及运行提供了一定的参考。

发电

单工质低温余热发电循环性能分析

耿直, 刘恩帅, 许曦普, 顾煜炯, 文振华, 李仁凤

2021, 54(9):  198-207.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202007105

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为了提高能源利用的高效性和经济性，推进有机朗肯循环系统在低温余热发电领域的应用。通过建立热力学模型，并用Matlab软件进行编程，调用NIST Refprop数据库，选取六氟丙烷作为循环工质，模拟分析有机朗肯循环系统各方面性能。在采用循环输出功率、㶲效率和热效率等热力学指标研究系统热力性能的基础上，分别采用换热面积和CO₂年减排量作为评价系统经济性能和环保性能的指标。研究结果表明：单变量时，在冷凝压力为150 kPa时能保证系统性能达到最佳。多变量时，热源温度提高会使经济性能大幅度降低，而系统的热力性能和环保性能有所提高，综合考虑可取热源温度为155 ℃~185 ℃；当系统各性能分别保证最佳时，蒸发压力随热源温度呈现不同形式的变化，但始终不超过3350 kPa。

2 MW永磁直驱风机主控系统的设计与应用

王奔, 牛洪海, 徐卫峰, 陈俊

2021, 54(9):  208-220.  DOI: 10.11930/j.issn.1004-9649.202006082

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风机主控系统是大型风力发电机组的核心与关键系统，为实现某2 MW永磁直驱风力发电机组在无人值守下的安全稳定运行，设计一种基于PLC的风机主控系统。研究基于状态机的机组自启停控制策略与基于状态码的参数分级报警方法，设计基于环形缓冲区滑动窗口滚动更新的事件快照与故障录波方法，基于GH Bladed仿真建模验证转矩变桨联合控制策略。阐述系统的软、硬件体系架构，并基于Bachmann M-PLC软件完成控制器逻辑组态整体开发，该主控系统已成功应用到山东某风电场，实现无人值守。工程现场应用表明：该主控系统安全稳定，效果良好，为同类机组主控系统设计提供了参考。