为实现全球艰巨的脱碳目标，电力系统需大规模整合可再生能源发电，这大大降低了系统惯量。除了系统惯量的降低，英国的输电系统还有一些特有的难题：其容量相对较小，同时又与其他输电系统分离，并且可再生资源在整个系统中的分布很大程度上不均匀。本文聚焦英国的输电系统，就低惯量系统中频率控制的相关挑战以及可能的解决方案提出了见解和建议。本文重点讨论了在不同时间尺度上发挥作用的三种主要技术：同步调相机、惯量模拟和快速频率响应。文中借鉴了英国最近的研究和开发项目，评估了其相对优势和局限性及其在解决未来低惯量系统频率控制难题方面的作用。
近年来，混合多端直流输电系统快速发展。但是，在混合直流系统中应用的电压源换流器（voltage-source converter, VSC）出口不再需要直流滤波器。此外，考虑到其直流故障电流可被换流器自身有效抑制，直流线路两端也不再需要安装限流电抗器。这意味着线路两端边界缺失，导致应用于常规高压直流输电（line commutated converter based high-voltage direct current, LCC-HVDC）系统和柔性直流（VSC-HVDC）电网的单端量保护均无法适用于混合多端直流输电系统。为此，本文提出了一种适用于混合多端直流输电系统的单端量保护新原理，该方法主要基于暂态信息和主动注入思想实现故障辨识。与应用于LCCHVDC和VSC-HVDC系统的单端量保护相比，所提方法无需依赖线路两端的边界元件，因此更加适用于混合多端直流系统。大量的仿真算例充分验证了所提方法的可行性和优越性。
质量流量可调的热电联合系统可以提高能源系统的灵活性、经济性和可持续发展能力。但是，考虑质量流量可调的热电联合系统的优化运行问题是一个高度非凸非线性的问题，主要体现在热力网络模型中的双线性项，即质量流量和节点温度的乘积。现有的方法，如非线性优化、广义Benders分解方法和凸松弛技术等，在求解质量和计算性能上仍然存在不足。为了解决这一问题，本文首先建立了基于质量-流量调节的区域供热网络的基础模型，并通过等效变换和变量代换对基础模型进行了重构。该重构模型减少了非凸约束和双线性项，而且在不失去最优性的前提下，加快了求解过程。然后，文中分别建立了电力网络模型和能源模型，结合之前构造的供热网络模型，建立起热电联合系统优化调度模型。为了松弛联合调度模型中剩余的双线性项，文中采用McCormick包络的凸松弛方法，得到了联合调度模型的目标函数下界。为了提高McCormick松弛的质量，文中提出了一种紧缩McCormick的方法：首先 ，采用分段McCormick技术，将双线性项中一个变量的可行域划分为几个不相交的区域，通过求解此优化问题可以选出最优解所在的区域，从而缩小了被划分变量的可行域；然后，提出了一种启发式的边界收缩算法来进一步压缩分段McCormick技术得到的缩小版可行域，并恢复了此最优解附近的可行解。算例分析表明，与原对偶内点法和求得全局最优解的双线性求解器提供的方法相比，本文提出的紧缩McCormick方法能快速求解热电联合运行问题，得到令人满意的兼具最优性和可行性的调度结果。
现代微电网的重要特征是其核心的分布式能源和控制系统普遍依赖网络通信和软件系统。信息与物理系统的集成使得微电网获得了极佳的分布可控性、可扩展性和可观性；然而，恶意网络攻击者由此亦可以利用微电网信息物理系统中各种潜在的漏洞对微电网实施破坏。本文提出一种可编程自适应安全扫描（PASS）技术，用以保护电力电子化微电网系统免受各类电力机器人（power bot）的攻击。这一新技术尤其可以有效抵御三种危害性较大的攻击，即控制器操纵攻击、重放攻击和注入攻击。可编程自适应扫描融合软件定义网络与新的协同检测方法；这一新的安全措施可以使得微电网的互联具有超高的弹性和安全性、低成本与高度自动化等优点。协同检测结合了主动同步扫描和混沌检测两类新技术，可以有效识别电力机器人攻击的类型并对各类攻击快速定位，且不会中断或影响互联微电网的正常运行。可编程自适应安全扫描技术的有效性和实用性在大量实验中得到了确证。
随着电网中间歇性可再生能源发电规模的增大，为了保证电能质量和频率的稳定性，电网对可控资源的需求也随之增加。需求响应（demand response, DR）资源的灵活性已成为解决这一问题的一个有价值的方法。然而，目前关于DR资源的灵活性预测问题尚未得到充分的研究。本研究应用一种深度学习技术，即结合时间卷积神经网络的Transformer模型（temporal convolution network-combined transformer）来预测电动汽车与家庭热水系统两种DR资源的聚合灵活性。所提出的灵活性预测方法使用了基于DR资源的历史用电数据以及为了辅助预测所提出的DR信号数据。所提方法不仅可以预测聚合灵活性的大小，还可以预测其维持时间。最后，本文通过算例仿真验证了灵活性预测结果的准确性。仿真结果表明，在不同的灵活性维持时间下，DR资源灵活性的大小会发生变化。文中所提出的DR资源灵活性预测方法展现了其在释放需求侧资源的灵活性以向电网提供备用容量方面的应用。
快速的工业化进程导致当今全球性的能源和环境危机，以推动科技进步、解决相关挑战为目标，发展新型功能材料的重要性与日俱增。近年来，金属-有机框架（MOF）以及MOF衍生物材料引起了广泛关注，促使我们继续进行其结构设计和应用性能方面的探索。MOF材料的制备、表征和加工成型是实现其工业应用的基础。研究人员已经围绕这些主题开展了大量的工作，以绿色化工应用为导向，充分发挥功能性优势，推动MOF材料大规模的工业应用也应当被提上日程。在解决实际问题的过程中，许多经典MOF表现出了相对传统材料的优越性。文中将从MOF化学中的基本概念出发，讨论了MOF材料的工业合成进展及其在多个领域中的应用现状，旨在提供一个系统的研究概述，引导研究者逐渐将研究思路从学术研究转向实际应用。在成本、规模化生产、加工成型和稳定性等挑战被逐一突破之后，MOF及其衍生物材料有望走进工厂，成为我们日常生活中的一部分，进而为人类创造一个基于绿色生产和生活方式的新时代。
设计和制备高性能木质素基分散剂是实现木质素工程化高值利用的关键。这一过程很大程度上取决于对木质素基分散剂分散机理的理解。本文通过原子力显微镜（AFM）量化研究了木质素磺酸盐/二氧化硅（LS/SiO2）体系在不同pH条件下的分散机理。结果表明，SiO2颗粒之间在LS溶液中比在水中有更强的排斥力，因此具有更好的分散稳定性。分别使用Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO)理论以及结合空间位阻排斥力的DLVO理论方程对水中和LS溶液中的SiO2探针与基材之间的AFM力/距离曲线（F/D）进行拟合。基于拟合结果，分别计算出静电排斥力和空间位阻排斥力，证明LS在SiO2粒子之间提供了较强的空间位阻排斥力。进一步研究证明，LS在SiO2上的吸附量（Q）、归一化作用常数（A）和特征长度（L）是影响LS/SiO2体系空间位阻排斥力的三个关键因素。基于上述研究，设计并制备了新型季铵化接枝磺化木质素基分散剂（QAGSL）。QAGSL对SiO2和真实水泥颗粒均具有良好的分散性能。相关研究既为LS/无机颗粒体系中的分散机理提供了基础和定量的理解，也为高性能木质素基分散剂的开发提供了重要的技术指导。
金黄色葡萄球菌（S. aureus）是一种常见的人类病原体，它可以引发严重的侵袭性感染，如菌血症、败血症和心内膜炎，具有较高的发病率和死亡率。然而由于细菌的抗生素耐药性增强，如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA），加剧了此类细菌的发病率和死亡率。金黄色葡萄球菌的发病机制是由毒素的分泌推动的，如膜损伤孔α毒素，它有不同的细胞靶点，包括上皮细胞、内皮细胞、白细胞和血小板。本文采用人体血小板膜包覆纳米颗粒（PNP）作为一种仿生诱饵策略，来中和金黄色葡萄球菌的毒素，并维持宿主细胞的防御功能。血小板膜包覆纳米颗粒保护血小板免受由金黄色葡萄球菌毒素带来的损伤，维持血小板活化和杀菌活性。血小板膜包覆纳米颗粒也同样保护巨噬细胞免受由金黄色葡萄球菌毒素带来的损伤，支持巨噬细胞进行氧化迸发、产生一氧化氮和维持其杀菌活性，并减少耐甲氧西林金黄色葡萄球菌诱导的中性粒细胞胞外杀菌网络。在感染系统性耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的小鼠模型中，血小板膜包覆纳米颗粒制剂减少了血液中的细菌数量并防止小鼠发生死亡。总之，目前的研究结果证明了血小板膜包覆纳米颗粒的治疗优点，如中和毒素、保护细胞和增加宿主对侵袭性金黄色葡萄球菌感染的抵抗力。
近期研究表明，相比常压条件下，采用真空或低压环境的激光选区熔化（SLM）工艺可获得缺陷更少、表面质量更优的打印件。虽然通过高速摄像实验已经对SLM工艺在真空环境下的介观物理过程进行了部分研究，但该工艺下影响熔池传热和流动方面的深层机理仍不十分清楚。为此，基于最近的激光焊接模型工作，我们首次建立了变环境压力下SLM工艺的介观尺度数学模型。我们模拟了大气压和100 Pa低压环境下SLM工艺中316L粉末的输运现象。研究发现，在典型工艺参数（激光功率：200 W；扫描速度：2 ms-1；粉末直径：27 µm）下，大气环境中熔池表面凹坑的平均温度将近2800 K，而在100 Pa环境压力时，平均温度仅为2300 K。由于在100 Pa低压条件下，蒸发引起的表面压力和环境压力之间的压差相对于大气环境下的压差更大，更易驱动高温流体流动，因此熔池表面流动速度更加剧烈（平均速度约为4 m·s-1）。研究表明，熔池表面周期性的波浪流动（周期：14 µs）直接影响堆积体的表面粗糙度。此外，由于雷诺数小于400且远低于湍流临界值，熔融金属液流动模式为层流，因此，黏性耗散的影响至关重要。在真空或低环境压力条件下，波纹的流动轨迹更长，使得波动更容易由于黏性效应被耗散，从而改善了打印件的表面粗造度。总之，我们的数学模型阐明了变环境压力下SLM工艺实验研究中观察到的有趣输运现象的物理机制，它有望成为优化SLM工艺过程的有力工具。
高效的快速充电技术对电动汽车行驶里程的拓展十分重要。然而，锂离子电池在大电流充电倍率下会大量产热。为解决这一问题，急需一种高效的快速充电-冷却规划方法。此次研究针对锂离子电池组的快速充电过程，设计了一种配有微流道的基于液冷的热管理系统。基于81组实验数据，提出了一种基于神经网络的回归模型，由三个考虑以下输出的子模型构成：最高温度、温度标准差及功耗。训练后的子模型均呈现出较高的测试准确性（99.353%、97.332%和98.381%）。此回归模型用于预测一个设计方案全集的三个输出参数，此全集由不同充电阶段的充电电流倍率[0.5C、1C、1.5C、2C和2.5C（1C = 5 A）]，以及不同的冷却液流量（0.0006 kg·s-1、0.0012 kg·s-1和0.0018 kg·s-1）组成。最终从预测得到的设计方案全集中筛选出一组最优过程方案，并经实验得到了验证。结果表明在功耗低于0.02 J的情况下电池组荷电状态（SOC）值经15 min充电后增长了0.5。同时最高温度和温度标准差可分别控制在33.35 ℃和0.8 ℃以内。本文所提出的方法可供电动汽车行业在实际快速充电工况下使用。此外，可以基于实验数据预测最佳快速充电-冷却计划，从而显著提高充电过程设计的效率，并控制冷却过程中的能耗。
新鲜果实风味鲜美、营养丰富、有益健康，受到全世界消费者的青睐，成为健康膳食结构的重要组成部分。果实采后品质与安全涉及果实自身发育、环境因子和采后病原菌侵染之间的相互作用。解析果实成熟、衰老及抗性应答，以及采后病原真菌的分子致病机制，对认知果实品质和安全的分子调控网络至关重要。本文综述了近年来果实采后品质保持的分子机制、主要采后病原真菌（Botrytis cinerea和Penicillium expansum）致病产毒的分子基础等方面的研究进展及防控策略。相关研究结果将为促进果实产业的可持续发展提供科学依据。
本文利用20世纪气候检测归因计划的CAM5.1-1degree模式，综合考虑人类活动和自然强迫（All-Hist）以及单独考虑自然强迫（Nat-Hist）的两种数值模拟试验结果，对1961—2016年期间人类活动影响京津冀地区冬季霾事件相关气象条件的物理过程进行了分析和讨论。结果表明，考虑人类活动影响后，与京津冀冬季霾事件相关的动力和热力气象条件的变化均不利于污染物的扩散，进而有利于霾的形成和累积，其中动力条件主要包括东亚冬季风显著减弱、低层异常南风增强，热力条件包括地面气温明显升高、水汽输送增强和近地面地表逆温增强等。同时，也利用统计方法进一步分析了两种试验中动力和热力气象条件对京津冀霾日数变化的相对贡献，结果表明：人类活动对京津冀冬季霾日增多的贡献大于自然强迫，其中动力气象因子对霾日产生的贡献更大，热力因子的贡献在两种情景下基本相同。