本發(fā)明涉及一種變壓器優(yōu)化方法，特別是涉及一種基于多目標(biāo)遺傳算法的中頻非晶合金變壓器優(yōu)化方法，屬于直流配電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：隨著城市規(guī)模的迅速增長和信息技術(shù)的高速發(fā)展，電網(wǎng)中的敏感負(fù)荷重要負(fù)荷及非線性負(fù)荷越來越多，交流配電網(wǎng)將面臨線路損耗大、供電走廊緊張等一系列電能質(zhì)量問題。基于直流的配電網(wǎng)在輸送容量、可控性及提高供電質(zhì)量等方面，具有比交流更好的性能，可以有效提高電能質(zhì)量、減少電力電子換流器的使用、降低電能損耗和運行成本、協(xié)調(diào)大電網(wǎng)與分布式電源之間的矛盾，充分發(fā)揮分布式能源的價值和效益，便于直流負(fù)荷接入。在直流配電網(wǎng)中，要實現(xiàn)低壓直流向高壓直流變換必須采用千赫茲級的中頻變壓器。在中頻率條件下，非晶合金相對于硅鋼片帶材更薄，具有比硅鋼片鐵芯損耗小的特點。因此,采用中頻非晶合金變壓器作為直流配電網(wǎng)中的變壓器是未來的一種發(fā)展趨勢。中頻非晶合金變壓器是整個直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中的核心部件，用于實現(xiàn)電能的變換。對于變壓器的設(shè)計，大多數(shù)情況下工作頻率和功率容量是預(yù)先確定好的，其中變壓器涉及的磁芯磁通密度和繞組電流密度的選擇，對變壓器的效率和損耗有著直接的影響；在直流配電電能變換環(huán)節(jié)，存在變壓器易于磁通飽和以及直流偏置等問題。因此，實現(xiàn)低損耗、高效率的變壓器就必須對現(xiàn)有變壓器設(shè)計技術(shù)進行改進和優(yōu)化。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于多目標(biāo)遺傳算法的中頻非晶合金變壓器優(yōu)化方法，利用多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法(MOGA)優(yōu)越的尋優(yōu)能力，可求解直接影響變壓器效率和損耗的相關(guān)變量最優(yōu)解，從而確保該變壓器效率最大化、損耗最小化，使變壓器運行更加穩(wěn)定，使用壽命更長。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于多目標(biāo)遺傳算法的中頻非晶合金變壓器優(yōu)化方法，包括以下步驟：1)從中頻非晶合金變壓器的參數(shù)中選擇優(yōu)化變量，建立變壓器優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，定義迭代次數(shù)和優(yōu)化變量的范圍，產(chǎn)生初始種群；2)將初始種群分割為若干個子群體，通過對每個子群體分配子目標(biāo)函數(shù)，建立適應(yīng)度函數(shù)并計算適應(yīng)度值；在每個子群體中進行并列選擇運算，選擇出適應(yīng)度較高的子群體中的個體組成新的子群體；3)將新的子群體合并為一個完整的新群體，通過重組和變異運算，生成下一代完整的新種群；4)不斷迭代，重復(fù)依次進行步驟2)和步驟3)，求出優(yōu)化變量最優(yōu)解。本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述步驟1)，具體為，1-1)以中頻非晶合金變壓器的磁芯磁通密度Bm和繞組電流密度j為優(yōu)化變量，將中頻非晶合金變壓器的AP值作為第一目標(biāo)函數(shù)f1(X)，鐵芯損耗作為第二目標(biāo)函數(shù)f2(X)，繞組損耗作為第三目標(biāo)函數(shù)f3(X)，建立變壓器優(yōu)化的三維模型，minF(X)=min[f1(X),f2(X),f3(X),]Tf1(X)=Pt4KmfBmjf2(X)=CmfαBmβVf3(X)=KrRdc(js)2]]>其中，Pt為變壓器計算功率，Km為窗口占空系數(shù)，f為工作頻率，Bm為磁芯磁通密度，j為繞組電流密度，V為磁芯體積，Cm、α和β均非晶合金鐵芯損耗曲線系數(shù)，Kr為交流電阻系數(shù)，Rdc為直流電阻，s為導(dǎo)線截面積；1-2)定義迭代次數(shù)N和優(yōu)化變量磁芯磁通密度Bm、繞組電流密度j的范圍，分別為，N≤Nmax，Bm-min≤Bm≤Bm-max，jmin≤j≤jmax；1-3)產(chǎn)生初始隨機父種群C(0)＝(C1,C2,C3…Cn)，n為自然數(shù)；1-4)對初始隨機父種群進行編碼。本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述步驟2)，具體為，2-1)將初始隨機父種群中的全部個體按子目標(biāo)函數(shù)的數(shù)目均等地分割為三個子群體；2-2)對每個子群體分配一個子目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)子目標(biāo)函數(shù)建立適應(yīng)度函數(shù)為(f1(x),f2(x),f3(x))；2-3)計算每個子群體中每個個體的適應(yīng)度值F1(xi1),F2(xi2),F3(xi3)；對每個子群體中的所有個體按個體的目標(biāo)值進行降序排序，選擇壓差為2計算適應(yīng)度，每個子種群中的每個個體的適應(yīng)度值由以下計算公式計算，F(xiàn)1(xi1)=2×xi1-1Nind1-1,]]>F2(xi2)=2×xi2-1Nind2-1,]]>F3(xi3)=2×xi3-1Nind3-1;]]>其中，xi1,xi2,xi3分別是每個子種群中的個體i在各自有序子種群中的位置，Nind1、Nind2、Nind3分別是每個子種群中個體的數(shù)量；2-4)評估適應(yīng)度，對每個子群體中的每個個體采用評估公式評估個體適應(yīng)度；2-5)在每個子群體中進行并列選擇運算，在每個子群體中按個體的適應(yīng)度值各自選擇出該子群體中適應(yīng)度較高的個體組成新的子群體C(t1),C(t2),C(t3)。本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述步驟3)，具體為，3-1)將新的子群體合并為一個完整的新群體C(t)＝[C(t1),C(t2),C(t3)]；3-2)對新群體C(t)進行重組運算和變異運算，產(chǎn)生下一代完整的新種群C′(t)。本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述步驟4)，具體為，4-1)判斷是否滿足終止條件，判斷條件為N＞Nmax；若滿足，則優(yōu)化結(jié)束，保存結(jié)果；若不滿足，則返回到步驟2)，繼續(xù)迭代，直到達到最大迭代次數(shù)；4-2)輸出適應(yīng)度最優(yōu)的個體，即優(yōu)化變量最優(yōu)解，分別為磁芯磁通密度最優(yōu)解Bm-best和繞組電流密度最優(yōu)解jbest。本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述中頻非晶合金變壓器采用千赫茲級的中頻變壓器。本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述中頻非晶合金變壓器的非晶合金鐵芯損耗曲線系數(shù)分別為，Cm取值范圍為30～50、α取值范圍為1.4～1.6、β取值范圍為1.6～1.9。本發(fā)明進一步設(shè)置為：所述初始隨機父種群C(0)＝(C1,C2,C3…Cn)中的n取值范圍為100～200。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是：本發(fā)明針對直流配電電能變換環(huán)節(jié)，變壓器易于磁通飽和以及直流偏置等問題，以中頻非晶合金變壓器的AP值、鐵芯損耗和繞組損耗為目標(biāo)函數(shù)，選擇磁芯磁通密度和繞組電流密度為優(yōu)化變量，采用多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法(MOGA)對變壓器進行優(yōu)化，使得變壓器效率最大化、損耗最小化，進而使變壓器運行更加穩(wěn)定，使用壽命更長。上述內(nèi)容僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了更清楚的了解本發(fā)明的技術(shù)手段，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。附圖說明圖1為本發(fā)明一種基于多目標(biāo)遺傳算法的中頻非晶合金變壓器優(yōu)化方法所要優(yōu)化的中頻非晶合金變壓器在直流配電網(wǎng)中的連接示意圖；圖2為本發(fā)明一種基于多目標(biāo)遺傳算法的中頻非晶合金變壓器優(yōu)化方法的流程圖。具體實施方式下面結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明提供一種基于多目標(biāo)遺傳算法的中頻非晶合金變壓器優(yōu)化方法，其所要優(yōu)化的中頻非晶合金變壓器在直流配電網(wǎng)中的連接示意圖，如圖1所示，該中頻非晶合金變壓器為千赫茲級，實現(xiàn)低壓直流向高壓直流的變換，為了使得該變壓器效率最大化、損耗最小化，采用多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法(MOGA)對該變壓器進行優(yōu)化?；谏a(chǎn)廠家經(jīng)驗取值和考慮趨膚效應(yīng)及鄰近效應(yīng)，已知該中頻非晶合金變壓器的基本參數(shù)分別為：變壓器計算功率Pt＝30KW，窗口占空系數(shù)Km＝0.4，工作頻率f＝1kHz，磁芯磁通密度Bm＝0.9T，繞組電流密度j＝2.2A/mm2，輸出功率為15kW，非晶合金材料損耗系數(shù)為Cm＝45.89、α＝1.51和β＝1.74，磁芯體積V＝1.112dm3，初級側(cè)交流電阻系數(shù)Kr1＝1.6，初級側(cè)直流電阻Rdc1＝0.0023Ω，初級側(cè)導(dǎo)線截面積s1＝40mm2，次級側(cè)交流電阻系數(shù)Kr2＝2.2，次級側(cè)直流電阻Rdc1＝0.022Ω，次級側(cè)導(dǎo)線截面積s2＝6.375mm2。采用如圖2所示的優(yōu)化流程，對該中頻非晶合金變壓器進行優(yōu)化，包括以下步驟：1)從中頻非晶合金變壓器的參數(shù)中選擇優(yōu)化變量，建立變壓器優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，定義迭代次數(shù)和優(yōu)化變量的范圍，產(chǎn)生初始種群。1-1)以中頻非晶合金變壓器的磁芯磁通密度Bm和繞組電流密度j為優(yōu)化變量，將中頻非晶合金變壓器的AP值(磁芯面積乘積)作為第一目標(biāo)函數(shù)f1(X)，鐵芯損耗作為第二目標(biāo)函數(shù)f2(X)，繞組損耗作為第三目標(biāo)函數(shù)f3(X)，建立變壓器優(yōu)化的三維模型，minF(X)=min[f1(X),f2(X),f3(X),]Tf1(X)=Pt4KmfBmjf2(X)=CmfαBmβVf3(X)=KrRdc(js)2]]>其中，Pt為變壓器計算功率，Km為窗口占空系數(shù)，f為工作頻率，Bm為磁芯磁通密度，j為繞組電流密度，V為磁芯體積，Cm、α和β均非晶合金鐵芯損耗曲線系數(shù)，Kr為交流電阻系數(shù)，Rdc為直流電阻，s為導(dǎo)線截面積。對于第三目標(biāo)函數(shù)f3(X)，有f3(X)＝KrRdc(js)2＝Kr1Rdc1(js1)2+Kr2Rdc2(js2)2；將已知的變壓器基本參數(shù)帶入變壓器優(yōu)化的三維模型，得到三維模型為，minF(X)=min[f1(X),f2(X),f3(X),]Tf1(X)=1875Bmjf2(X)=51.03Bm1.74f3(X)=7.86j2]]>1-2)定義迭代次數(shù)N和優(yōu)化變量磁芯磁通密度Bm、繞組電流密度j的范圍，分別為，N＝200，0.4＜Bm＜1，2＜j＜2.5。1-3)產(chǎn)生初始隨機父種群C(0)＝(C1,C2,C3…Cn)，n為自然數(shù)。1-4)對初始隨機父種群進行編碼。2)將初始種群分割為若干個子群體，通過對每個子群體分配子目標(biāo)函數(shù)，建立適應(yīng)度函數(shù)并計算適應(yīng)度值；在每個子群體中進行并列選擇運算，選擇出適應(yīng)度較高的子群體中的個體組成新的子群體。2-1)將初始隨機父種群中的全部個體按子目標(biāo)函數(shù)的數(shù)目均等地分割為三個子群體。2-2)對每個子群體分配一個子目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)子目標(biāo)函數(shù)建立適應(yīng)度函數(shù)為(f1(x),f2(x),f3(x))。2-3)計算每個子群體中每個個體的適應(yīng)度值F1(xi1),F2(xi2),F3(xi3)；對每個子群體中的所有個體按個體的目標(biāo)值進行降序排序，選擇壓差為2計算適應(yīng)度，每個子種群中的每個個體的適應(yīng)度值由以下計算公式計算，F(xiàn)1(xi1)=2×xi1-1Nind1-1,]]>F2(xi2)=2×xi2-1Nind2-1,]]>F3(xi3)=2×xi3-1Nind3-1;]]>其中，xi1,xi2,xi3分別是每個子種群中的個體i在各自有序子種群中的位置，Nind1、Nind2、Nind3分別是每個子種群中個體的數(shù)量。2-4)評估適應(yīng)度，對每個子群體中的每個個體采用評估公式評估個體適應(yīng)度；個體在每個子群體中占的比重越大，適應(yīng)度越高。2-5)在每個子群體中進行并列選擇運算，在每個子群體中按個體的適應(yīng)度值各自選擇出該子群體中適應(yīng)度較高的個體組成新的子群體C(t1),C(t2),C(t3)。3)將新的子群體合并為一個完整的新群體，通過重組和變異運算，生成下一代完整的新種群。3-1)將新的子群體合并為一個完整的新群體C(t)＝[C(t1),C(t2),C(t3)]。3-2)對新群體C(t)進行重組運算和變異運算，產(chǎn)生下一代完整的新種群C′(t)。4)不斷迭代，重復(fù)依次進行步驟2)和步驟3)，求出優(yōu)化變量最優(yōu)解。4-1)判斷是否滿足終止條件，判斷條件為N＞Nmax；若滿足，則優(yōu)化結(jié)束，保存結(jié)果；若不滿足，則返回到步驟2)，繼續(xù)迭代，直到達到最大迭代次數(shù)。4-2)輸出適應(yīng)度最優(yōu)的個體，即優(yōu)化變量最優(yōu)解，分別為磁芯磁通密度最優(yōu)解Bm-best和繞組電流密度最優(yōu)解jbest。經(jīng)過迭代運算，本實施例輸出的優(yōu)化變量最優(yōu)解為，磁芯磁通密度最優(yōu)解Bm-best＝0.76和繞組電流密度最優(yōu)解jbest＝2，即得到變壓器優(yōu)化的Pareto最優(yōu)解。該中頻非晶合金變壓器采用優(yōu)化后的參數(shù)值進行運行，可變壓器效率最大化、損耗最小化，進而使變壓器運行更加穩(wěn)定，使用壽命更長。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。當(dāng)前第1頁1 2 3