信息學(xué)院智慧電力與能源系統(tǒng)中心在清潔能源研究領(lǐng)域取得多項(xiàng)重要成果

電力與能源是助力實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重要領(lǐng)域之一。未來(lái)電力系統(tǒng)將以新能源為主體，進(jìn)一步提升能源消費(fèi)電氣化比例，這也給電力與能源領(lǐng)域帶來(lái)了挑戰(zhàn)與機(jī)遇。近期，信息學(xué)院智慧電力與能源系統(tǒng)中心（CiPES）在2021年度電力電子應(yīng)用展會(huì)（IEEE Applied Power Electronics Conference，APEC）和電力與能源學(xué)會(huì)年會(huì)（IEEE Power and Energy Society General Meeting，PESGM）上以上科大為第一完成單位發(fā)布了9項(xiàng)科研成果，獲最佳報(bào)告獎(jiǎng)1項(xiàng)。在清潔電能的生產(chǎn)、傳輸、變換等領(lǐng)域提出了新方法與新思路，以提升綠色能源利用的高效性、安全性與可靠性。

智慧電力與能源系統(tǒng)中心在2021 APEC發(fā)表的5篇論文，內(nèi)容涵蓋無(wú)線充電系統(tǒng)、光伏電力電子系統(tǒng)、振動(dòng)能量收集系統(tǒng)等研究方向。

無(wú)線充電系統(tǒng)具有安全性、便捷性、通用性等特點(diǎn)，能夠?yàn)楣�業(yè)制造、能源網(wǎng)絡(luò)、交通電氣化等新興領(lǐng)域中的終端除去“最不智能”的最后一根線。傅旻帆教授課題組2020級(jí)博士研究生趙鵬的一作論文“Heat Distribution of IPT Receiver with Low-Voltage and High-Current Output”，針對(duì)低壓大電流輸出的單級(jí)無(wú)線充電系統(tǒng)接收側(cè)存在的熱問(wèn)題，分析了諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)功率損耗與熱分布的影響，并證明了高階補(bǔ)償給予更多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)自由，同時(shí)具有改善接收器熱分布的潛力。同時(shí)，趙鵬獲得了APEC最佳報(bào)告獎(jiǎng)。

圖 | 兩種不同補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的接收器功率損耗與熱分布情況

圖 | 論文獎(jiǎng)狀

針對(duì)現(xiàn)有的電感功率傳輸（IPT）小信號(hào)模型階數(shù)高，降階方法復(fù)雜且不通用等問(wèn)題，傅旻帆教授課題組2021級(jí)博士研究生鄭廣策的一作論文“Reduced-Order Model for Inductive Power Transfer Systems”，提出了一種針對(duì)現(xiàn)有IPT系統(tǒng)的通用降階方法。相比現(xiàn)有的降階方法，本方法具有很直觀的物理含義，且適用于任意IPT系統(tǒng)。論文以LCC-C補(bǔ)償?shù)腎PT系統(tǒng)為例，使用了這種降階方法，使原本的13階系統(tǒng)降為7階系統(tǒng)，同時(shí)也保證了較高的精度，對(duì)于后續(xù)反饋回路的設(shè)計(jì)具有重要作用。

圖 | 降階小信號(hào)模型與仿真對(duì)比

精確的耦合系數(shù)與負(fù)載估計(jì)對(duì)于無(wú)線功率傳輸（WPT）系統(tǒng)的優(yōu)化控制具有重要意義。劉宇教授課題組2020級(jí)博士研究生岳康的一作論文“Coupling Coefficient and Load Estimation for Wireless Power Transfer Systems with Transmitter Side Input Current”，針對(duì)WPT系統(tǒng)提出了一種充分利用電流高次諧波信息同時(shí)估計(jì)耦合系數(shù)與負(fù)載的方法。與現(xiàn)有方法相比，該方法僅需發(fā)射線圈輸入電流，無(wú)需接收線圈信息，可以同時(shí)準(zhǔn)確估計(jì)耦合系數(shù)與負(fù)載，并且可適用于較復(fù)雜的WPT拓?fù)洹?/p>

圖 | 無(wú)線充電系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果。實(shí)驗(yàn)無(wú)線充電系統(tǒng) (左)，電流諧波和耦合系數(shù)以及負(fù)載的關(guān)系(右)

王浩宇教授課題組2021級(jí)博士研究生王良的一作論文“A Fully ZVS Dual-Active-Bridge Based Three-Port Converter with High Integration”，針對(duì)太陽(yáng)能光伏面板的儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出了一種三端口變換器，不僅能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能面板最大功率點(diǎn)追蹤，也通過(guò)雙向直流變換器連接的電池達(dá)到功率削峰填谷的功能。此外，三個(gè)端口可以實(shí)現(xiàn)靈活的功率傳輸。在優(yōu)化控制下，所有的MOSFET都可以實(shí)現(xiàn)ZVS軟開關(guān)，因此變換器具有較高的效率表現(xiàn)。

圖 | 三端口變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵波形

基于buck-boost型自感知同步電荷提�。⊿ECE）電路在強(qiáng)不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)下的電感電流特性，梁俊睿教授課題組2021級(jí)博士研究生高玲瓏的一作論文“A Self-Sensing Synchronous Electric Charge Extraction (SECE) Solution for Piezoelectric Energy Harvesting Enhancement”，提出了一種針對(duì)壓電能量收集的新型SECE解決方案。與傳統(tǒng)SECE解決方案不同，該設(shè)計(jì)可以在無(wú)外部傳感器的情況下采集振動(dòng)信息并檢測(cè)電壓峰值。該解決方案為同步開關(guān)控制的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了更大的自由度和適應(yīng)性。

圖 | 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)中自傳感功能的傳感結(jié)果

智慧電力與能源系統(tǒng)中心劉宇教授課題組在2021 PESGM發(fā)表4篇論文，內(nèi)容涉及輸電線路繼電保護(hù)、故障定位、基頻相量精確提取、電力網(wǎng)絡(luò)參數(shù)估計(jì)等研究方向。

輸電線路差動(dòng)保護(hù)原理不依賴電源特性，因此在未來(lái)大規(guī)模新能源接入的電力系統(tǒng)中具有較好的適應(yīng)性。2020級(jí)博士研究生王冰林的一作論文“An Improved Current Differential Protection Scheme on Non-Homogeneous Transmission Lines Considering Fully Distributed Parameter Model and Line Asymmetry”，提出了一種針對(duì)復(fù)雜混合輸電線路的差動(dòng)保護(hù)方案。其針對(duì)復(fù)雜混合輸電線路進(jìn)行相量域的精確建模，完全考慮了線路的分布參數(shù)特性以及非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，相比于傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)，該方法在區(qū)內(nèi)故障時(shí)能更快地切除故障，在區(qū)外故障時(shí)具有更好的安全性。

圖 | 新方法與現(xiàn)有方法在區(qū)內(nèi)低阻、高阻故障情況下的保護(hù)結(jié)果對(duì)比

針對(duì)未來(lái)電網(wǎng)中強(qiáng)暫態(tài)、短時(shí)間窗的故障定位問(wèn)題，時(shí)域故障定位方法具有更好的適用性。2019級(jí)博士研究生蘆大有的一作論文“Accurate Time-Domain Fault Location Method on Practically Transposed Transmission Lines”，提出了針對(duì)實(shí)際換位輸電線的精確時(shí)域故障定位方法。通過(guò)建立精確的時(shí)域?qū)嶋H換位輸電線模型，并采用貝瑞隆模型求解電壓分布實(shí)現(xiàn)精確故障定位。與基于理想換位假設(shè)的現(xiàn)有故障定位方法相比，該方法具有更高的模型精度與故障定位精度。

圖 | 針對(duì)實(shí)際換位輸電線的精確故障定位方法。實(shí)際換位輸電線模型（左），故障定位誤差對(duì)比（右）

基頻相量法是電力系統(tǒng)分析的重要手段之一，其有效性依賴于精確的基頻相量估計(jì)。以2021級(jí)博士研究生盧典為第一作者的論文，“Generalized Phasor Estimation Method Based on DFT with DC Offset Mitigation”中，提出了一種基于離散傅立葉變換（DFT）的廣義基頻相量估計(jì)方法，能有效地抑制系統(tǒng)強(qiáng)暫態(tài)過(guò)程中直流偏置對(duì)基頻相量估計(jì)精度的影響。該方法充分考慮相量估計(jì)的冗余度問(wèn)題，將時(shí)域信號(hào)DFT結(jié)果劃分為N組獨(dú)立集合，并通過(guò)狀態(tài)估計(jì)的方法系統(tǒng)性求解直流偏量和基頻相量。實(shí)驗(yàn)表明，該方法與現(xiàn)有方法相比具有更高的估計(jì)精度。

圖 | 新方法與現(xiàn)有基頻相量估計(jì)方法結(jié)果對(duì)比。較小的直流偏量（上），較大的直流偏量（下）

電力網(wǎng)絡(luò)的精確參數(shù)估計(jì)對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。同步相量測(cè)量裝置（PMU）能精確測(cè)量系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓幅值與相位，但真實(shí)電力系統(tǒng)中安裝PMU的節(jié)點(diǎn)數(shù)量往往非常有限。2019級(jí)碩士研究生賈亦雄的一作論文“Improved Admittance Matrix Estimation on Power Networks Based on Hybrid Measurements”，提出了一種基于混合測(cè)量值的電網(wǎng)精確參數(shù)估計(jì)方法。該方法僅要求在電源節(jié)點(diǎn)處安裝PMU，而在其它節(jié)點(diǎn)處安裝傳統(tǒng)的電壓幅值測(cè)量值。實(shí)驗(yàn)表明，該方法在準(zhǔn)確估計(jì)參數(shù)的同時(shí)，僅需安裝少量PMU，與電網(wǎng)實(shí)際情況更加匹配。

圖 | 新方法在IEEE 9-bus標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中的測(cè)量裝置配置與參數(shù)估計(jì)誤差

據(jù)悉，電力電子應(yīng)用展會(huì)是目前全球電力電子、電源領(lǐng)域級(jí)別最高、規(guī)模最大的學(xué)術(shù)會(huì)議，是電力電子領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議。電力與能源學(xué)會(huì)年會(huì)由IEEE電力與能源學(xué)會(huì)主辦，是電力系統(tǒng)領(lǐng)域級(jí)別最高、規(guī)模最大的國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)會(huì)議。

排 版 靖羽萌

編 輯 高正純

高 瑄

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