信息学院智慧能源中心在电力与能源领域主流国际期刊发表多项重要成果

ON2020-12-27CATEGORY科研进展

金沙娱城app官方下载信息学院智慧能源中心(CiPES)科研工作围绕电能产生、传输、存储、利用等多个环节,提供可靠、高效、低碳、智能的电能解决方案,助力我国的能源可持续发展。近期,中心多项研究成果在电力与能源领域主流国际期刊发表,内容涵盖物联网能量收集、电力系统、电力电子等多个领域。

梁俊睿课题组在物联网领域国际顶级学术期刊IEEE Internet of Things Journal发表题为“ViPSN: A Vibration-Powered IoT Platform”的技术论文,提出了一款名为ViPSN的振动供能物联网传感器开发原型。

近十余年间,很多来自不同学科背景的学者从机电换能器材料、动能收集器机械结构设计、力学分析、电力电子与功率管理电路、节能计算与通信等角度,针对大型建筑、海洋、车辆等应用场景展开动能收集技术的大量基础研究工作,然而能成功落地的应用仍然非常有限。要切实推进振动供能物联网技术的实质性发展与具体行业应用,难点在于实现交叉领域的协同设计与优化。

梁俊睿团队在ViPSN的设计中充分考虑了构成该类完整系统所必备的机械、电气、信息三个部分,并重点强调了三者的协同作用。ViPSN是现有最完备的面向振动供能物联网的科研开发平台之一。ViPSN系统较以往研究具有以下特色:1. 覆盖无源物联网的六大必要组件(包括能量产生、能量转换、能量增强、能量管理、能量使用和终端演示单元);2. 在商用能量管理集成电路的基础上,构建了具有储存电量感知能力的增强型能量管理单元;3. 实验证明该系统能兼容冲击、随机等复杂振动情况,适用压电、磁电、摩擦发电等多种动能收集器;4. 为了构建开放的学术研究与产业开发生态,团队对ViPSN平台在Github进行软硬件全面开源;5. 融入现代电子产品的设计理念,各硬件模块之间采用便捷的机械榫接和电气顶针连接,方便各个功能模块的重构设计、替换升级和扩展应用。

信息学院2019级博士生李鑫为第一作者,梁俊睿教授为通讯作者,金沙娱城手机版下载为第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、金沙娱城app官方下载以及上海市能源工程力学重点实验室的经费支持。梁俊睿团队围绕ViPSN及其后续设计申请了两项发明专利。根据相关工作所撰写的技术论文获得IEEE IES(国际电气电子工程师学会-工业电子学会)“2019年分会间论文比赛”亚军;在2020年9月15日举行的ASME SMASIS(美国机械工程师学会-智能材料、自适应结构和智能系统国际会议)中入围“最佳学生硬件比赛”候选名单。

论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9169698



图1. ViPSN振动供能物联网传感器开发原型。(a) 装配图。(b) 硬件组成部件。(c) 蓝牙接收演示终端。



图2. ViPSN项目获得国际电气电子工程师学会(IEEE)和美国机械工程师学会(ASME)论文奖

刘宇课题组在电力系统保护领域国际顶级学术期刊IEEE Trans. Power Delivery上发表论文“Transmission Line Fault Location in MMC-HVDC Grids Based on Dynamic State Estimation and Gradient Descent”。

随着传统能源资源短缺、环境恶化等问题的不断加剧,传统能源正逐步为绿色可再生能源所代替,柔性直流电网被认为是解决大规模可再生能源灵活消纳问题的有效技术有段之一。柔性直流电网线路在运行过程中时常发生故障,精确的故障定位能够有效地缩短故障点发现时间,进而保障柔性直流电网的稳定、可靠运行。柔性直流电网故障后要求迅速切除故障线路,故障期间时间窗短,且电气量在故障期间具有较为剧烈的暂态过程,给精确故障定位增加了难度。

针对这一问题,本文提出了一种基于输电线路模型的时域故障定位方法。首先建立了柔性直流输电线路的物理模型,以在时域中精确描述线路在故障期间所满足的物理规律。随后提出了线性动态状态估计与一致性指标梯度下降相结合的方法求解故障位置,解决了现有非线性动态状态估计方法存在的较大数值误差与计算复杂度高的问题。实验结果表明,该方法对于不同的故障位置、故障类型以及过渡电阻都能得到精确的故障定位结果(如图3),仅需要极短的数据时间窗(5ms)以及较低的采样率(20kHz)。

信息学院2020级博士研究生王冰林为第一作者,刘宇教授为通讯作者,金沙娱城手机版下载为第一完成单位。该项研究得到了国家自然科学基金、上海市等项目支持。

论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9154583


图3. 所提出方法在柔性直流电网线路中的故障定位结果 (a)一致性指标结果,0.01欧姆故障电阻、50公里处正极接地故障(曲面最低点对应真实故障位置)(b) 故障定位误差,不同故障电阻、不同故障位置的正极接地故障


王浩宇课题组在电力电子领域顶级学术期刊IEEE Trans. Industrial Electronics上发表论文“An Ultra-Wide Output Range LLC Resonant Converter Based on Adjustable Turns Ratio Transformer and Reconfigurable Bridge”。

在电动汽车车载充电领域,由于电池状态不同,电池的端电压可以在很宽的范围内变化。如何适配这种超宽输出电压,并为电池提供安全高效的充电方案,是电动汽车充电技术的一个研究重点。王浩宇课题组提出一种可变变压器变比和可重构桥的新型谐振变换拓扑,如图4所示。该拓扑引入一个可通过开关控制的变匝比变压器以及利用原边的可重构桥结构,通过合理设计变压器原副边匝数,可以有效的拓宽变换器的增益(60-450V)。与传统方案相比,该变换器可以在不同变压器变比下工作,最优变压器变比可以通过拉格朗日乘子法以及KKT条件获得,在输出电压极低的情况下,原边可工作在半桥模式,从而极大减小增益对励磁电感和开关频率范围的需求。可显著减小变换器的导通损耗和开关损耗,提高变换器的效率。同时,通过所提出的同步跳频技术,可以实现不同模态间的顺滑切换,如图5所示。

王浩宇课题组2020级博士生束冬冬为第一作者,王浩宇教授为通讯作者,金沙娱城手机版下载为第一完成单位,中科院上海微系统与信息技术研究所为合作单位。本项研究得到了国家自然科学基金、上海市等项目支持。

论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9145821/


图4. 提出基于可变变比变压器和可重构桥谐振变换器拓扑及不同模态和频率下的电压增益


图5. 不同工作模态之间的切换过程