动力工程学报

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  • 特约主编寄语
    秦一, 马柯, 刘永前, 王军
    2025, 45(10): 0-0.
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    “双碳”目标正引领我国电力系统经历一场深刻变革。一方面，风电、光伏等可再生能源产业迅猛发展：截至2025年4月底，我国可再生能源累计装机容量已突破20亿kW，发电成本在过去十年内大幅下降至0.15~0.30元/(kW·h)，展现出显著的经济竞争力。在此背景下，可再生能源装机容量已历史性超越火电，成为我国电力供应的主力能源。另一方面，为支撑高比例新能源的规模化接入，新型储能装机规模呈现爆发式增长。截至2024年底，全国已投运新型储能累计装机达7 376万kW /1.68亿kW·h，约为“十三五”末的20倍，较2023年底增长超过130%。这些进展标志着我国电力系统已具备典型的“双高”特征——即高比例可再生能源接入与高比例电力电子设备。
    随着可再生能源大规模并网，电力系统惯量水平下降，电压与频率调节能力减弱，系统稳定运行面临低惯量、弱阻尼等新挑战。据国家能源局统计，近十年全球超过70%的大规模停电事故与高比例新能源接入密切相关。为保障电力系统安全稳定运行，必须依托灵活性资源优化配置、智能化调度技术革新以及构网型技术突破等创新路径。这既是当前面临的紧迫任务，也是构建新型电力系统的核心所在。
    为深入探讨新型电力系统建设与新能源发电领域的前沿问题，《动力工程学报》组织策划了“面向新型电力系统的新能源关键技术”专刊，得到本领域专家学者的广泛响应与支持。经过严格的同行评审，最终遴选出20篇论文集结成刊。研究成果涵盖新能源发电控制策略、高比例可再生能源系统稳定性分析、新能源与新型储能协同优化、智能运维管理等多个方面，集中体现了我国在相关技术领域的创新活力。
    在此，谨向所有为本专刊贡献智慧的作者、审稿专家以及编辑部同仁致以诚挚谢意。期望本期专刊能够为新能源领域的科研人员和技术工作者提供有益参考，共同推动我国新型电力系统建设迈向新台阶。
  • 具备主动支撑能力和灵活调节能力的光储集成同步发电机技术研究
    李晓峰, 刘玉宏, 王晓, 江建华, 王辉, 杨祺, 李宪, 马丽, 姜铭琨
    2025, 45(10): 1557-1572. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250366
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    随着新能源占比不断提高,新型电力系统建设进入新阶段,电力系统对安全稳定性的要求催生了对主动支撑能力及相关设备的强烈需求。本文全面介绍了光储集成同步发电机及相关系统性技术。首先,结合应用场景概述光储集成同步发电机原理及性能参数,对比当前3种光储耦合形式,提出相应的光储集成同步发电机电气拓扑结构。然后,基于暂稳态不同控制目的,厘清光储集成同步发电机构网型控制技术及光储协控策略,并梳理集群协控、黑启动等核心功能。最后,分析典型场景下光储集成同步发电机技术经济性,并对技术挑战及未来发展趋势进行了展望。
  • 基于VSG的构网型光伏逆变器阻抗建模与稳定性分析
    王伟岸, 张鹏凯, 吕敬, 王晗, 蔡旭, 陈思宇
    2025, 45(10): 1573-1585. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250207
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    随着光伏发电渗透率的持续提高,光伏发电系统需具备构网能力。为满足限流需求,现有方法通常采用功率外环级联电压环、电流环的控制架构,或在控制环路中引入虚拟导纳环节。针对含虚拟导纳和电流内环的虚拟同步机(virtual synchronous generator,VSG)构网型光伏逆变器,开展阻抗建模与并网稳定性研究。首先,建立并验证了VSG控制下光伏逆变器的阻抗模型;其次,分析了功率外环参数、虚拟导纳环节参数与结构、低通滤波器截止频率等因素对光伏逆变器阻抗特性的影响;然后,基于广义奈奎斯特稳定判据和系统回路阻抗法研究了控制参数和电网强度对VSG构网型光伏逆变器小信号稳定性的影响规律。最后,利用MATLAB/Simulink仿真验证了稳定性分析结论的正确性。结果表明:较小的虚拟电感值有利于系统在中低频段的稳定运行;适当增大虚拟导纳环节虚拟电阻和低通滤波器的截止频率可有效提升系统稳定裕度;在强电网条件下,构网型光伏逆变器系统可能面临低频振荡失稳风险。
  • 退役光伏组件回收技术进展及环境影响分析
    杨若婷, 张嘉宸, 牛力同, 卢刚, 郑璐, 何凤琴, 陈杰, 韦艳红
    2025, 45(10): 1586-1599. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250311
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    在"双碳"目标下,光伏技术的应用迅速发展,全球的安装量呈指数级增长。光伏组件使用寿命通常为25~30 a,退役光伏组件如何处理逐渐成为新能源领域发展面临的挑战。为了实现大量退役光伏组件回收处理的经济高效和环境友好,借助CiteSpace软件对退役光伏组件的电池类型、回收技术、环境影响3个方面进行文献综述分析。结果表明:近10年退役光伏组件的回收利用依旧以晶体硅电池组件为主,其回收技术的转型升级以及环境友好性提升已成为发展关键;晶体硅电池组件处理技术主要包括机械分离法、热处理法、化学溶解法和多种工艺组合方法;未来技术发展需要在多技术组合协同创新、智能化升级、绿色低碳技术突破等方向持续深化推进。
  • 考虑多场景和差异化补偿策略的光功率预测方法
    付豪, 邹花蕾, 肖碧涛, 周岩, 刘宇
    2025, 45(10): 1600-1608. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250253
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    针对现有光功率预测模型在极端天气下预测精度低、天气场景特征解析方式粗糙以及动态补偿机制缺失等问题,提出了一种考虑多场景和差异化补偿策略的光功率预测方法。该方法提出混合天气类型概念,并通过构建具有优化评价功能的聚类(clustering with optimal evaluation function,COEF)算法,实现天气状态场景的自适应分类;基于极限学习机构建基础值预测模型,并阐明多场景的补偿机理,通过对不同天气场景设计针对性的误差补偿模型,实现对基础预测值的多尺度校正,提高算法的预测精度。最后,选择不同地域和气候特点的多场站实际数据进行仿真测试。仿真结果表明:与物理模型及传统机器学习算法相比,所提出的光功率预测方法在多时间尺度、多场景工况下均有更好的预测效果。
  • 不同储能方式的朗肯卡诺电池性能对比
    王靖坤, 蔡锟, 夏睿, 王军
    2025, 45(10): 1609-1614. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250184
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    为对比不同储能方式朗肯卡诺电池的性能差异,分别建立了储热朗肯卡诺电池与储冷朗肯卡诺电池的热力学模型,对比分析了相同参数条件下2种系统的能量效率与效率。能量分析结果表明:不同储能方式朗肯卡诺电池的电能往返效率均由充电循环效率与放电循环效率共同决定,储热朗肯卡诺电池的电能往返效率随着储热温度升高10 K而降低17.99%,随着环境温度升高10 K而降低12.06%;储冷朗肯卡诺电池的电能往返效率随着储冷温度升高10 K而提高15.82%,随着环境温度升高10 K而降低22.69%。分析结果表明:储热朗肯卡诺电池的效率随着储热温度升高10 K而降低2.62%,随着环境温度升高10 K而降低4.90%;储冷朗肯卡诺电池的效率随着储冷温度升高10 K而提高1.91%,随着环境温度升高10 K而降低7.82%。参数敏感性分析结果表明:在相同循环温差条件下,储热朗肯卡诺电池的能量评价指标与评价指标均高于储冷朗肯卡诺电池,且与放电循环相比,充电循环的性能参数对参数条件变化的敏感性更高。
  • 计及动态能效特性的混合储能并网波动平抑策略
    胡森, 施朝晖, 张磊, 陶安, 贾妍博, 张宇宁, 刘春明
    2025, 45(10): 1615-1627. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250217
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    在新型电力系统高比例风电并网波动平抑过程中,源侧配套混合储能设备的工作协同及能效问题凸显,据此提出了一种考虑动态能效特性的混合储能风电波动平抑策略。首先,为解决恒定效率模型无法描述储能实际非线性动态效率特性的缺陷,提出储能效率阶梯模型及其构建方法,以表征多类储能差异化效率特性曲线,实时描述储能运行的动态能效水平。其次,建立混合储能双层滚动优化控制模型,上层模型采用集合经验模态分解(EEMD)-快速傅里叶变换(FFT)算法,依据并网波动限值与储能响应能力求解预调度方案;下层模型基于帕累托前沿-逼近理想解排序法(Pareto-TOPSIS),构建实时动态决策机制,该机制依据能效水平与并网波动对预调度计划进行二次优化,从而实现波动平抑与自身能量降损目标的动态平衡。算例结果表明:相较于逐级优化模型,所提模型在保持良好波动平抑水平的同时,将储能能量损耗与运维成本分别降低46.7%、34.4%,将液流电池高能效状态运行时段占比降至14.6%;该模型有效提升了混合储能控制协调配合的经济性,并且考虑了混合储能动态效率特性。
  • 基于直流侧附加储能的构网型风储一体机的虚拟同步控制及工程示范验证
    冯振江, 杨建林, 韩峰, 刘传亮, 刘航, 张成义
    2025, 45(10): 1628-1636. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250299
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    为了使风电机组具备同步发电机的电压支撑、一次调频等功能,以某2 MW直驱风电机组为研究对象,提出了直流侧配置储能方式构建构网型风储一体机方案,给出了机侧、网侧及储能变流器协同作用的虚拟同步控制结构和主动支撑策略。通过半实物仿真验证了其在多种场景下的良好效果,并且现场实施一次调频、无功调压工程示范验证。对在风功率波动与风电场内部电网强度变化的交互影响下出现的振荡问题进行了说明。结果表明:当风力机检测到电网频率和电压发生变化时,该策略通过类比同步发电机转子运动方程来提供频率和电压支撑,风力机能够自同步地进行有功和无功响应,更适用于在弱电网下运行。基于虚拟同步控制的构网型风储一体机具备一次调频和无功支撑能力,有效提升了风力机的惯量支撑响应速率和对弱电网的支撑能力。
  • 基于梯级水电调节的水-光-储多能互补系统优化调度研究
    桂前进, 王洋, 张二龙, 李晓阳, 徐文法
    2025, 45(10): 1637-1647. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250244
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    为充分发挥流域梯级水电的天然调节能力,构建梯级水-光-储多能互补系统成为了提升清洁能源消纳经济性和可靠性的重要手段。以系统总运行成本最低为目标,综合考虑光伏输出功率和储能充放电特性,建立了梯级水-光-储联合优化调度模型。该模型精细化考虑了4个梯级水电站(共有15台机组)、2个光伏发电群和2个储能系统的运行约束,通过优化储能容量配置和实时调度策略,充分发挥水电的灵活调节能力与储能的快速响应特性,实现多能互补协同优化。在建模方法上,采用混合整数线性规划(MILP)框架,对水电机组启停等非线性约束进行线性化处理,并且基于MATLAB软件平台调用CPLEX求解器实现了高效求解。仿真结果表明:所提出的模型能够有效降低系统运行成本,提高可再生能源消纳比例;水-光-储系统总成本由603.3万元降低至573.6万元,并且在环境效益方面,相比于传统火力发电量化指标节约1 345万元。该方法揭示了水-光-储互补特性对系统经济性和环境排放的影响规律,可以为多能互补系统的优化设计和低碳运行提供理论支撑。
  • 海上风电机组联合仿真接口数据交互优化技术研究
    程成, 郭子腾, 张琛, 张宇, 宗皓翔
    2025, 45(10): 1648-1655. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250291
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    针对海上风电机组多学科联合仿真中因通信接口延时与多速率采样引发的仿真精度下降问题,研究了优化接口数据交换技术,以提升气-机-电耦合特性的模拟准确性。提出基于Hermite插值算法的联合仿真接口优化方案,并建立误差数学模型,对比传统零阶保持器(ZOH)与优化接口的误差量级。通过搭建简化的机电联合仿真平台来验证接口性能,并进一步在构建的完整海上风电联合仿真系统中部署优化接口。结果表明:在简化二阶系统中,Hermite插值接口可显著降低仿真误差量级;在完整的机电联合仿真中,采用优化后的接口数据交互方案后,系统保真度显著提升,响应特征更贴近真实工况;Hermite插值外推技术通过优化多学科模型间的数据交互过程,有效解决了联合仿真中的接口失真问题。
  • 风况波动对风电场尾流偏转控制的影响规律研究
    王航宇, 何书凯, 阎洁, 韩爽, 刘永前
    2025, 45(10): 1656-1663. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250199
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    风电场尾流偏转控制效果受风况波动的影响显著。以我国北方某海上风电场为例,分析了在不同风况波动场景下,考虑风况均值与风况波动2种尾流偏转控制方法的效果。结果表明:风向波动对尾流控制的影响高于风速波动;对于考虑风况均值的尾流偏转控制方法,只有当风向标准差小于4°时才能有效提升全场发电量,而当风向标准差大于6°时,发电量降低;考虑风况波动的控制方法能够有效适应风向波动的影响,在所有风况波动条件下均能实现功率提升,证明了在尾流偏转控制中考虑风况波动的必要性。
  • 基于主-被动结合控制的垂直轴风力机气动性能研究
    欧华浩, 李春, 缪维跑, 岳敏楠, 俞洪静
    2025, 45(10): 1664-1672. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250121
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    为改善叶片表面流动分离导致的垂直轴风力机气动特性下降现象,基于主、被动流动控制技术,提出一种边界层吸气与格尼襟翼相结合的方案。利用计算流体力学方法分析该方案对垂直轴风力机能量捕获效率和整体气动性能的影响。结果表明:较之单格尼襟翼及单吸气控制方案,外侧格尼襟翼与吸气控制相结合的方案对风力机气动性能的提升效果更为显著,当叶尖速比为2.33时,其风能利用系数提升47.6%;该方案通过抑制叶片前缘涡的形成及发展,延缓表面流动分离,大幅提高不同叶尖速比下整机单叶片转矩、整机切向力及翼面压差,降低失速对叶片气动性能影响,使风力机保持稳定运行状态。
  • 超大型风力机叶片弯弯耦合颤振特性分析
    马璐, 王速, 郭昊, 杨定华, 沈昕, 杜朝辉
    2025, 45(10): 1673-1679. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250076
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    以IEA 15 MW风力机叶片为研究对象,建立叶片气弹系统动力学模型,对额定尖速比下颤振时气弹响应特征,尤其是多自由度耦合特性开展研究。结果表明:额定尖速比下该风力机叶片会发生挥舞-摆振耦合的弯-弯耦合颤振;颤振由挥舞和摆振自由度上的气动力做功维持,挥舞、摆振自由度上瞬时气动功率的发展存在明显的耦合现象;扭转方向基本对颤振没有能量贡献,全过程仅有极小的气动功率,主要是因为叶片结构的耦合特性,受挥舞和摆振激励而发生受迫振动。
  • 基于矩母函数的风电场群快速调频策略
    张建华, 王永岳
    2025, 45(10): 1680-1688. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250250
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    为应对高渗透风电接入电力系统引发的频率随机波动问题,提出了一种基于矩母函数的快速调频策略。通过采集风电场中每台风电机组接入点处的局部频率及监控调度中心频率得到全局频率数据,获得了当前时刻的频率偏差信号。利用核密度估计技术求取了频率偏差的概率密度函数(probability density function, PDF),进而构建了基于矩母函数的频率偏差随机分布模型及频率控制系统性能指标。通过优化求解获得了频率控制的解析解,并且分析了频率控制系统的稳定性。依托国内某1 100 MW风-火耦合电力系统进行仿真实验。结果表明:在负荷扰动和风速扰动2种场景下,提出的快速频率控制策略能将公共连接点及各风电机组准稳态频率偏差均控制在±0.02 Hz以内,频率偏差的PDF在零附近保持分布集中、峰值突出的特征,相比于传统下垂控制,准稳态频率偏差波动幅度降低超过80%,最低频率提升约0.05 Hz。研究结果验证了所提出的快速调频策略能够有效抑制风速和负荷不确定性带来的频率波动。
  • 基于强化学习的风电场自适应调频控制方法
    田盛, 刘永前, 田新首, 迟永宁
    2025, 45(10): 1689-1695. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250268
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    针对传统自适应调频方法难以根据系统动态变化实时调整控制参数,限制调频性能提升的问题,提出了一种基于双延迟深度确定性策略梯度(twin delayed deep deterministic policy gradient,TD3)深度强化学习算法的风电场自适应调频控制方法。根据电网频率及风电场运行状态,智能体在训练过程中对调频参数进行学习和优化,实现对调频参数的动态自适应调整。结果表明:与传统自适应比例积分(PI)调频控制方法相比,所提方法在不同工况及负载扰动下的最大频率偏差显著降低,频率响应性能得到提升,验证了所提方法的有效性。
  • 基于不变学习的超短期风电功率预测
    李玉浩, 阎洁, 王函, 韩爽, 刘永前
    2025, 45(10): 1696-1703. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250296
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    由于天气状况、机组控制策略等外部因素的复杂性,未来预测数据常常偏离训练数据分布,从而导致超短期风电功率预测模型精度显著下降。为解决该问题,提出了基于不变学习的超短期风电功率预测方法,该方法通过联合优化环境推理模块与不变特征学习模块,学习不变特征与功率间映射关系,实现鲁棒性建模。结果表明:与2个基准模型相比,所提方法的归一化均方根误差和归一化平均绝对误差分别降低1.19~1.30百分点和0.41~0.68百分点。
  • 海上测风塔塔影效应观测及校正算法研究
    王坤宁, 李莉, 李明朔, 经秋霞, 刘永前
    2025, 45(10): 1704-1713. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250305
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    提出了测风塔塔影效应观测方案,并在中国某海域设立测风塔,获得了为期一年的测风数据;分析了测风塔塔影效应对关键参数的影响规律,构造了塔影效应影响因子(TSIF)来量化不同风向扇区塔影效应的影响程度;基于时间卷积网络(TCN)提取风速时序信息以及多头自注意力机制(MHSA)捕捉塔影区域的关键影响特征,建立了测风塔塔影效应校正算法。以设立的测风塔为例进行验证。结果表明:TSIF可作为重要辅助特征,提高塔影效应校正精度;风速计的安装方位对风资源测量精度和塔影效应校正效果影响显著。所提出的校正算法适用于工程上绝大多数测风塔,它仅利用某一测风高度处的两套测风数据,实现安装单个风速计的任意高度处风速的塔影效应校正,显著提高了风资源评估精度。
  • 基于强吸附特征的风电塔筒爬壁机器人设计与验证
    韩峰, 刘传亮, 张成义
    2025, 45(10): 1714-1721. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250342
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    针对风电塔筒运维领域爬壁机器人载重设计方向的研究成果较少,无法满足风电塔筒运维场景需求的问题,通过静力学分析及磁体优化设计,研制了一款基于强吸附特征的风电塔筒机器人样机。开展了移动和驱动单元设计,选取了最优履带材质和驱动轮模块;开展了多工况受力分析,计算出机器人不发生静态滑落、纵向翻落的最低吸附力要求;通过控制变量法分析了永磁模块各结构参数对吸附力的影响,提出了采用连续非线性规划算法优化各结构参数,确定了永磁模块最优磁积比。最终通过样机开展Q235钢板壁面及模拟环境下本体载重和清洗工装载重的测试。研究结果表明:设计的机器人可以在风电塔筒倾斜角为89.4°的条件下不滑落、不倾覆,额定载重能力(以质量计)可以达到80 kg,满足风电场各项实际维护的工作要求。
  • 重心偏心效应下海上柔直换流站上部组块浮托安装动力响应研究
    郭保东, 郝为瀚, 许新鑫, 王建武, 向君, 曹浪恒, 殷闯, 罗晓龙, 罗晗, 吴浩南
    2025, 45(10): 1722-1729. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250236
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    在海上能源项目建设领域,海上柔直换流站的建设规模不断扩大。在其上部组块浮托安装过程中,重心偏心效应可能对安装过程的动力响应产生较大影响。重点研究了重心偏心情况下海上柔直换流站上部组块浮托安装过程中的动力响应,利用OrcaFlex软件,选取5种不同工况进行数值模拟,分析船体和上部组块的运动响应规律,以及浮托安装过程中缓冲装置的受力情况。结果表明:重心偏心程度不同,船体、上部组块的运动响应和缓冲装置受力差异明显。换流站上部组块存在重心偏移时,配平措施可有效减小船体运动响应,降低导管架桩腿对接单元受力不均和护舷冲击强度,为海上柔直换流站上部组块浮托安装工程提供了重要的参考依据,对推动海上能源建设的发展具有积极意义。
  • 基于分数阶比例积分阻尼调节的虚拟同步机有功功率控制方法
    王宇轩, 蒋俊, 郝宁, 赵峰, 但唐军, 尚恒
    2025, 45(10): 1730-1737. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250326
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    针对虚拟同步机(VSG)控制中阻尼系数引入引发的暂态振荡抑制与稳态偏差消除难以协同优化问题,提出了一种基于分数阶比例积分阻尼调节的VSG有功功率控制方法。首先,分析常规VSG控制策略中阻尼系数在动态响应与稳态精度间的固有矛盾机理;然后,在传统控制架构中嵌入分数阶比例积分阻尼调节环节,在暂态过程生成非零阻尼功率以抑制有功振荡,稳态过程自动消除阻尼功率以消除稳态偏差。通过Matlab/Simulink仿真软件验证所提策略在抑制暂态振荡与消除稳态偏差方面的有效性。结果表明:所提出的控制方法可以有效抑制功率及频率突变引发的振荡与超调,消除电网频率偏移下的稳态误差,解决了传统控制方法中动态响应与稳态精度难以兼顾的问题。
  • 分布式可再生能源系统建模与优化综述
    田广, 刘培
    2025, 45(10): 1738-1756. https://doi.org/10.19805/j.cnki.jcspe.2025.250252
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    基于可再生能源的分布式能源系统(DES)在提升能源利用效率、优化能源资源配置以及推动能源结构转型方面展现出的广阔前景,以分布式能源系统物理架构为基础,围绕物理层、预测层、建模层、优化层与评价层等关键环节进行了系统性研究,重点探讨了源荷预测方法、建模理论与方法、优化与控制策略等核心技术,对基于可再生能源的分布式能源系统的运行机理与内在规律进行了深入剖析,梳理了当前所面临的主要技术瓶颈与研究前沿,旨在为该领域的基础理论研究、工程实践应用及相关产业发展提供理论支撑与前瞻性建议。