一種mmc橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種MMC橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化方法，在已有柔性直流輸電系統(tǒng)參數(shù)基礎(chǔ)之上，利用遺傳算法對MMC橋臂電抗器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)橋臂電抗器在柔性直流輸電中的特殊性，針對運行條件進(jìn)行邊界約束條件的設(shè)定，建立一系列邊界約束函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)方程。通過對橋臂電抗器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到在邊界條件下橋臂電抗器電感量、重量和體積最優(yōu)值。該方法根據(jù)橋臂電抗器在MMC系統(tǒng)的運行條件，對電感量、重量和體積三個目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行加權(quán)平衡，可以達(dá)到橋臂電抗器總體效益更優(yōu)；能夠在很短的時間內(nèi)進(jìn)行多次迭代，可以大大縮短設(shè)計橋臂電抗器的計算過程，提高經(jīng)濟性和合理性，對于MMC系統(tǒng)橋臂電抗器的設(shè)計具有較高的工程應(yīng)用價值。
【專利說明】一種MMC橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于遺傳算法的MMC橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化方法，用于橋臂電抗器 的參數(shù)選擇和設(shè)計。

【背景技術(shù)】
[0002] MMC系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在柔性直流輸電工程中已得到較為廣泛的應(yīng)用。而且橋臂電抗 器串聯(lián)在換流器的每個橋臂上面，如圖1所示MMC系統(tǒng)單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。在實際運行過程 中，橋臂電抗器具有抑制大功率電力電子器件產(chǎn)生的高次諧波和換流器三相電流紋波、抑 制橋臂環(huán)流和短路故障產(chǎn)生的過電流的作用、同時較大程度影響了電流跟蹤速度、有功功 率和無功功率的控制能力。
[0003] -般橋臂電抗器在設(shè)計時要考慮雜散電容對換流器的影響，若雜散電容過大，由 于在大功率器件IGBT的每個開關(guān)過程會有過電壓產(chǎn)生，從而產(chǎn)生較大的電流脈沖。這對 換流閥電氣應(yīng)力具有很大的考驗，此項對于橋臂電抗器的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計起著決定性的作 用。
[0004] 目前柔性直流輸電系統(tǒng)橋臂電抗器設(shè)計過程中，電抗器電感值的選取計算求解值 并不是唯一值，而是根據(jù)系統(tǒng)運行狀況確定在一定的區(qū)間范圍內(nèi)。再依靠一定的經(jīng)驗值來 進(jìn)行電感值的確定，從而來驗證是否滿足系統(tǒng)運行要求，設(shè)計結(jié)果有很大的提高和改善。
[0005] 同時在柔性直流系統(tǒng)方案確定過程中，由于電感值的設(shè)計存在一定的優(yōu)化范圍， 對于橋臂電抗器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品制造必然也會存在較大優(yōu)化的空間。
[0006] 隨著柔性直流輸電的發(fā)展，在換流站建設(shè)中對于橋臂電抗器的占地面積和運輸?shù)?方面也將有著較高的要求。因此在可滿足系統(tǒng)運行條件下，體積越小和重量越輕成為首選。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種MMC橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)橋臂 電抗器設(shè)計優(yōu)化的問題。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括：
[0009] 一種MMC橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化方法，根據(jù)可靠、安全運行所要求的條件計算確定 橋臂電抗器電感值函數(shù)L(X);根據(jù)實際情況確定橋臂電抗器重量函數(shù)W(X)和提交函數(shù) V(X);利用添加加權(quán)系數(shù)的方法把多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題：F(X)=min Ii1 (*L⑴+k2*W⑴+k3*V⑴），kl，k2,k3分別是電感量、重量和體積的權(quán)值系數(shù)；基于遺傳算 法確定上述權(quán)值系數(shù)，以優(yōu)化橋臂電抗器電感值、重量和體積。
[0010] 適應(yīng)度函數(shù)FIT(X)與目標(biāo)函數(shù)求取最優(yōu)值之間關(guān)系為FIT(X) = 1/ (l+F(X)+Fopt);設(shè)定所要求取的最優(yōu)值限值為Fopt。
[0011] 對橋臂電抗器設(shè)計變量進(jìn)行級差評定，設(shè)定基差系數(shù)為k，然后確定每個變量的編 碼長度n=ln[(Xmax-Xmin)/k+l]，根據(jù)編碼長度設(shè)定每一個變量的編碼位數(shù)，設(shè)計中編碼 采用二進(jìn)制編碼，編碼總位數(shù)為31。
[0012] 設(shè)定每代種群的平均適應(yīng)度值為fitavg，種群中最大的適應(yīng)度值為fitmax，兩個 交叉?zhèn)€體中適應(yīng)度較大值為fitl，變異個體的適應(yīng)度值為fit2 ;當(dāng)fitl，fit2> =fitavg 時，Pm= 0· 001，Pc= 0· 3 ;當(dāng)fitl，fit2〈fitavg時，Pm= 0· 2-0. 199*(fitmax_fit2)/ (fitmax-fitavg),
[0013] Pc= 0· 9-0. 6* (fitmax-fitl) / (fitmax-fitavg)，其中Pm為變異概率變量、Pc為 交叉概率變量。
[0014] 本發(fā)明根據(jù)橋臂電抗器在MMC系統(tǒng)中運行工況，從換流器系統(tǒng)運行參數(shù)和橋臂電 抗器本身設(shè)計兩個方面進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)和約束條件的設(shè)定和數(shù)學(xué)問題的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步把橋臂 電抗器參數(shù)問題，轉(zhuǎn)化為一個多變量、有約束條件的非線性最值求解問題，最終實現(xiàn)橋臂電 抗器參數(shù)最優(yōu)配置。
[0015] 本發(fā)明建立橋臂電抗器參數(shù)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，選擇合適的設(shè)計變量參數(shù)，并為每個 參數(shù)建立對應(yīng)的原始種群，計算出目標(biāo)函數(shù)，并轉(zhuǎn)化為適應(yīng)度函數(shù)，作為個體優(yōu)劣的評判標(biāo) 準(zhǔn)。對于本設(shè)計對象利用加權(quán)系數(shù)的轉(zhuǎn)化方法對橋臂電抗器的多目標(biāo)求解數(shù)學(xué)優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn) 化成單目標(biāo)優(yōu)化問題。
[0016] 本發(fā)明選擇合適的編碼方式，確定每個設(shè)計變量的編碼位數(shù)。通過選擇運算把群 體中的個體按照適應(yīng)度高低進(jìn)行一定處理，利用交叉、變異算法（交叉概率設(shè)定為Pc、變異 概率設(shè)定為Pm)不斷產(chǎn)生新個體，保證算法的全局搜索能力和維持種群的多樣性。本發(fā)明 設(shè)置算法終止條件，若設(shè)定最大代數(shù)為T，采取最大進(jìn)化代數(shù)和最優(yōu)個體保持代數(shù)相結(jié)合的 原則。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是MMC系統(tǒng)單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖2是最優(yōu)適應(yīng)度保存方案選擇列表；
[0019] 圖3是本發(fā)明的MMC橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化算法流程。

【具體實施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0021] 電流紋波由電平階躍值決定，而電平階躍值由系統(tǒng)控制頻率決定；電流跟蹤速 度，以電流過零點處的跟蹤設(shè)計利用有功電流和電壓同相，并假定過零點電壓突變僅為 直流電壓的一半的苛刻條件計算；根據(jù)電壓源型換流器的穩(wěn)態(tài)運行相量圖，在交流電動 勢、直流電壓、傳輸功率和最大調(diào)制度限制的條件下，可得有功傳輸時的電感約束方程為： C '__)2;采取橋臂電抗器抑制到〇. 〇1倍的額定電流值，約束方 9 ^Aj/ 程如下：()·() 1 % '綜合這些條件可以得到橋臂電抗器的電感值函數(shù)L(X)。 1^arm
[0022]對于橋臂電抗器重量函數(shù)W(X)，考慮橋臂電抗器的重量主要由繞制的鋁導(dǎo)線決 定，因此在設(shè)計橋臂電抗器重量目標(biāo)函數(shù)時，可以由鋁導(dǎo)線重量函數(shù)決定。則橋臂電抗器的 體積和鋁導(dǎo)線重量（分層計算每根導(dǎo)線的重量）的優(yōu)化模型數(shù)學(xué)方程可以表示為：V(X)= JI*H*D2/4 ;;F(X)=;l ，其中H為橋臂電抗器高度、D為橋臂電抗器外徑、 N1為每層中并繞線圈根數(shù)、P為鋁導(dǎo)線的質(zhì)量密度、w為每層線圈匝數(shù)、Dav為每層內(nèi)徑和外 徑的平均值、〇_為鋁導(dǎo)線的線徑。設(shè)計變量還包括橋臂電抗器包封數(shù)Nm、層數(shù)N。、溫升T、 損耗P、包封外徑和內(nèi)徑為Dtjut、Din。
[0023] 利用添加加權(quán)系數(shù)的方法把多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題：F(X) =min kihUXHkdWGKkdVft))，kl，k2,k3分別是電感量、重量和體積的權(quán)值系數(shù)。設(shè)定所要 求取的最優(yōu)值限值為Fopt。
[0024] 根據(jù)所產(chǎn)生的31位二進(jìn)制編碼隨機產(chǎn)生初始種群，迭代次數(shù)選取200。
[0025] 個體適應(yīng)度是個體生存機會的唯一確定指標(biāo)，決定著種群的進(jìn)化優(yōu)劣。遺傳算法 會對對于每次迭代過程中所產(chǎn)生的最優(yōu)個體適應(yīng)度值進(jìn)行比較，保存適應(yīng)度值比較高的個 體，用以遺傳到下一代。設(shè)計過程中需要根據(jù)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造合適的適應(yīng)度函數(shù)，本設(shè)計適應(yīng) 度函數(shù)FIT(X)與目標(biāo)函數(shù)求取最優(yōu)值之間關(guān)系為FIT(X) =ΙΛΙ+F(X)+Fopt)。
[0026] 根據(jù)不同類型變量，映射個數(shù)不一樣，編碼位數(shù)也不相同。設(shè)計中對橋臂電 抗器設(shè)計變量進(jìn)行級差評定，設(shè)定基差系數(shù)為k，然后確定每個變量的編碼長度η= ln[(Xmax-Xmin)/k+l]，根據(jù)編碼長度設(shè)定每一個變量的編碼位數(shù)，設(shè)計中編碼采用二進(jìn)制 編碼，編碼總位數(shù)為31。
[0027] 首先設(shè)定交叉、變異概率的大致范圍，并根據(jù)一定數(shù)學(xué)關(guān)系在每次迭代過程中對 交叉、變異概率進(jìn)行一次修訂，以達(dá)到提高優(yōu)良個體的遺傳效率的目的。設(shè)定每代種群的平 均適應(yīng)度值為fitavg，種群中最大的適應(yīng)度值為fitmax，兩個交叉?zhèn)€體中適應(yīng)度較大值為 fitl，變異個體的適應(yīng)度值為fit2。當(dāng)fitl，fit2> =fitavg時，Pm= 0· 001，Pc= 0· 3 ; 當(dāng)fitl，fit2〈fitavg時，
[0028] Pm=0. 2-0.199*(fitmax-fit2)/(fitmax-fitavg),
[0029] Pc = 0.9-0. 6*(fitmax-fitI)/(fitmax-fitavg),
[0030] 其中Pm為變異概率變量、Pc為交叉概率變量。
[0031] 如圖2所示最優(yōu)適應(yīng)度保存方案選擇列表，首先判斷當(dāng)前最優(yōu)個體適應(yīng)值與本代 最有個體適應(yīng)值是否處于可行解區(qū)域。如若則這有且僅有其一處于可行解區(qū)域時，選擇處 于可行解區(qū)域的適應(yīng)值作為最優(yōu)個體保存下來；如若二者同時處于可行解區(qū)域或同時處于 非可行解區(qū)域，則對二者進(jìn)行比較，選擇較大者作為最優(yōu)個體保存下來作為下次迭代比較 標(biāo)準(zhǔn)。
[0032] 根據(jù)現(xiàn)有橋臂電抗器參數(shù)設(shè)計，原有參數(shù)為重量W= 33kg、電感值L= 21. 5mH、體 積V= 7611. 65359cm3。經(jīng)該方法優(yōu)化后參數(shù)情況：相同電感值情況下重量W= 31. 23kg、 體積V= 7119. 17961cm3,重量減小5. 37%，體積減小6. 41 %;電感值也最優(yōu)情況下，參數(shù)為 重量W= 28. 545kg、電感值L= 18mH、體積V= 6414. 34048cm3,重量減小13. 5 %，體積減 小 15. 73% 〇
[0033] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解：如圖2所示一種遺傳算法的MMC橋臂電抗器參數(shù)優(yōu) 化算法流程，只是對柔性直流輸電系統(tǒng)MMC橋臂電抗器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計過程進(jìn)行簡化說 明，并不代表橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化的全部過程。
[0034] 以上給出了具體的實施方式，但本發(fā)明不局限于所描述的實施方式。本發(fā)明的基 本思路在于上述基本方案，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，設(shè)計出各種變 形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費創(chuàng)造性勞動。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對 實施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種MMC橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，根據(jù)可靠、安全運行所要求的條件 計算確定橋臂電抗器電感值函數(shù)L(X);根據(jù)實際情況確定橋臂電抗器重量函數(shù)W(X)和提 交函數(shù)V(X);利用添加加權(quán)系數(shù)的方法把多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題：F(X)= min & (*L⑴+k2*W⑴+k3*V⑴），kl，k2, k3分別是電感量、重量和體積的權(quán)值系數(shù)；基于遺 傳算法確定上述權(quán)值系數(shù)，以優(yōu)化橋臂電抗器電感值、重量和體積。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MMC橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，適應(yīng)度函數(shù) FIT(X)與目標(biāo)函數(shù)求取最優(yōu)值之間關(guān)系為FIT(X) =lAl+F(X)+Fopt);設(shè)定所要求取的最 優(yōu)值限值為Fopt。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MMC橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，對橋臂 電抗器設(shè)計變量進(jìn)行級差評定，設(shè)定基差系數(shù)為k，然后確定每個變量的編碼長度n = ln[(Xmax-Xmin)/k+l]，根據(jù)編碼長度設(shè)定每一個變量的編碼位數(shù)，設(shè)計中編碼采用二進(jìn)制 編碼，編碼總位數(shù)為31。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MMC橋臂電抗器參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，設(shè)定每代 種群的平均適應(yīng)度值為fitavg，種群中最大的適應(yīng)度值為fitmax，兩個交叉?zhèn)€體中適應(yīng)度 較大值為fitl，變異個體的適應(yīng)度值為fit2 ;當(dāng)fitl，fit2> = fitavg時，Pm = 0? 001，Pc =0? 3 ;當(dāng) fitl，fit2〈fitavg 時， Pm = 0. 2-0. 199*(fitmax-fit2)/(fitmax-fitavg), Pc = 0? 9-0. 6* (fitmax-fitl) / (fitmax-fitavg)，其中 Pm 為變異概率變量、Pc 為交叉 概率變量。
【文檔編號】G06F17/50GK104484517SQ201410726875
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】張建, 范彩云, 劉路路, 韓坤, 甄帥, 司志磊, 閆鑫, 孫亞冰 申請人:許繼電氣股份有限公司