一種直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)多工況全局效率最優(yōu)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)，具體涉及一種直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī) 多工況全局效率最優(yōu)設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一般設(shè)計(jì)方法是在傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ) 上結(jié)合永磁電機(jī)特有的磁路設(shè)計(jì)方法，針對(duì)單一額定狀態(tài)，以電壓恒定和恒速恒頻運(yùn)行的 前提條件設(shè)計(jì)而成的，因此存在不能滿足直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速變頻運(yùn)行、定子電壓隨 負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化而變化、運(yùn)行特性受變流器和控制策略影響等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)直驅(qū)永 磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)在變速變頻、定子電壓隨負(fù)載和轉(zhuǎn)速變化而變化、運(yùn)行特性受變流器和控制 策略影響的情況下多工況高效運(yùn)行的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)多工況全局效率最優(yōu)設(shè)計(jì)方法。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0005] -種直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)多工況全局效率最優(yōu)設(shè)計(jì)方法，步驟包括：
[0006] 1)確定直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)；
[0007] 2)以變流器的電流電壓約束與控制算法約束為約束條件、以多個(gè)工況點(diǎn)的加權(quán)平 均效率最高或加權(quán)平均功率損失最小為目標(biāo)函數(shù)，基于所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)建立設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模 型；
[0008] 3)基于額定點(diǎn)設(shè)計(jì)得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的一組初始工況值，基于所述初始工況值， 采用模擬退火算法對(duì)所述設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多工況迭代求解，得到多組求解結(jié)果；
[0009] 4)從所有求解結(jié)果中選擇一組最優(yōu)結(jié)果作為設(shè)計(jì)得到的最優(yōu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)輸出。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟1)中確定的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)包括定子鐵 心內(nèi)徑Du、定子鐵心長(zhǎng)度Ls、定子輒磁密幅值Bysm、定子槽高h(yuǎn)s、定子槽寬bs、永磁體高度hm、 永磁體寬度b"、對(duì)極距tp、每極每相槽數(shù)q。
[0011] 優(yōu)選地，所述步驟2)中的電流電壓約束如式（1)所示；
[0012]
⑴
[0013] 式⑴中，u為變流器電壓、i為變流器電流，1]11|0為電壓約束值，Ilini為電流約束 值。
[0014] 優(yōu)選地，所述步驟2)中的控制算法約束如式（2)所示三條約束中的任意一條；
[0015]
⑵
[0016] 式（2)中，i為變流器電流，一min表示最優(yōu)電流控制，u為變流器電壓、u。為恒定 電壓約束值，Qs為單位功率因數(shù)。
[0017] 優(yōu)選地，所述步驟2)中的目標(biāo)函數(shù)如式（3)或式（4)所示；
[0018]
(3)
[0019] 式（3)中，5為所有工況點(diǎn)的加權(quán)平均效率，ni(x)為第i個(gè)工況點(diǎn)的平均效率， i大于等于3,W,.為第i個(gè)工況點(diǎn)的權(quán)重因子，一max表示加權(quán)平均效率最高的約束條件；
[0020]
(.4)
[0021] 式（4)中，i為所有工況點(diǎn)的加權(quán)平均功率損失，Pl (x)為第i個(gè)工況點(diǎn)的功率損 失，i大于等于3,Wi為第i個(gè)工況點(diǎn)的權(quán)重因子，一min表示加權(quán)平均功率損失最小的約 束條件。
[0022] 優(yōu)選地，所述步驟2)建立的設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型如式（5)所示；
[0023]
C5)
[0024] 式（5)中，D為待求系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的總數(shù)量，nJX)為第i個(gè)工況點(diǎn)的平均效率， Pi⑴為第i個(gè)工況點(diǎn)的功率損失，i大于等于3, 為第i個(gè)工況點(diǎn)的平 均效率最大或者第i個(gè)工況點(diǎn)的功率損失最小，gi(X)為約束條件，m為約束條件的數(shù)量，X為待求系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)構(gòu)成的矩陣，Du為定子鐵心內(nèi)徑、Ls為定子鐵心長(zhǎng)度、Bysni為定子輒磁 密幅值、hs為定子槽高、bs為定子槽寬、hn為永磁體高度、bn為永磁體寬度、tp為對(duì)極距、q 為每極每相槽數(shù)。
[0025] 優(yōu)選地，所述步驟3)中詳細(xì)步驟如下：
[0026] 3. 1)基于額定點(diǎn)設(shè)計(jì)得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的一組初始工況值；
[0027] 3. 2)基于所述初始工況值，采用模擬退火算法對(duì)所述設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè) 初始解x。，計(jì)算初始解X。的目標(biāo)函數(shù)值，初始化迭代次數(shù)Lk，初始化模擬退火算法的 初始溫度T。、溫度變化次數(shù)k和回火前接受解次數(shù)m;跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟3. 3)進(jìn)行迭代；
[0028] 3. 3)對(duì)當(dāng)前最優(yōu)解作隨機(jī)擾動(dòng)，通過(guò)式（6)所示函數(shù)表達(dá)式生成本次迭代的新 解；
[0029] C6)
[0030] 式（6)中，x\+1為本次迭代的新解，x\為上一次迭代的新解，y為第j個(gè)待求系統(tǒng) 設(shè)計(jì)參數(shù)的擾動(dòng)，1 <j<D，D為待求系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的總數(shù)量，為第j個(gè)待求系統(tǒng)設(shè)計(jì)參 數(shù)可能取的最大值，A]為第j個(gè)待求系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)可能取的最小值，u]為介于0和1之間 的隨機(jī)值，Tk為本次迭代的退火溫度，T。為模擬退火算法的初始溫度，c為模擬退火算法的 溫度控制系數(shù)，k為當(dāng)前的溫度變化次數(shù)值；
[0031]3. 4)計(jì)算本次迭代的新解xjk+1對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值》U，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值; 相對(duì)上一次的目標(biāo)函數(shù)值而％〕之間的目標(biāo)函數(shù)值增量A/L
[0032] 3. 5)判斷目標(biāo)函數(shù)值增量蠢f小于0是否成立，如果成立，則接受新產(chǎn)生的最優(yōu)解 為當(dāng)前最優(yōu)解；如果不成立，則以指定的概率P來(lái)判斷是否接受新產(chǎn)生的最優(yōu)解為當(dāng)前最 優(yōu)解；如果接受新產(chǎn)生的最優(yōu)解為當(dāng)前最優(yōu)解，則更新回火前接受解次數(shù)m;
[0033] 3. 6)判斷更新回火前接受解次數(shù)m是否達(dá)到預(yù)設(shè)閾值，如果達(dá)到預(yù)設(shè)閾值，則進(jìn) 行模擬退火算法的回火處理，并在回火處理完畢后重置回火前接受解次數(shù)m;
[0034] 3. 7)更新迭代次數(shù)Lk的值，判斷新的迭代次數(shù)Lk是否達(dá)到預(yù)設(shè)閾值，如果尚未達(dá) 到預(yù)設(shè)閾值則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟3. 3)，否則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟3. 8);
[0035] 3. 8)如果連續(xù)指定數(shù)量N個(gè)新解都沒(méi)有被接受或模擬退火算法的代價(jià)函數(shù)值小 于一個(gè)0至1之間的給定值，則判斷定達(dá)到模擬退火算法的終止條件，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟4);否 貝1J，重置迭代次數(shù)Lk，如果退火過(guò)程緩慢則進(jìn)行模擬退火算法的淬火處理，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟 3. 3)〇
[0036] 優(yōu)選地，所述步驟3. 4)中以指定的概率P來(lái)判斷是否接受新產(chǎn)生的最優(yōu)解為當(dāng)前 最優(yōu)解具體是指：首先隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)在[0，1]區(qū)間上均勻分布的隨機(jī)數(shù)G，然后總以式（7) 所示Metropolis準(zhǔn)則來(lái)計(jì)算概率P，如果概率P大于隨機(jī)數(shù)G，則接受新產(chǎn)生的最優(yōu)解為 當(dāng)前最優(yōu)解，否則放棄接受新產(chǎn)生的最優(yōu)解為當(dāng)前最優(yōu)解；
[0037]
(7)
[0038] 式（7)中，P為待計(jì)算的概率，為目標(biāo)函數(shù)值增量，Tk為本次迭代的退火溫度。
[0039] 優(yōu)選地，所述步驟3. 6)中進(jìn)行模擬退火算法的回火處理的詳細(xì)步驟包括：
[0040] 3. 6. 1)根據(jù)式（8)所示有限差分法計(jì)算向量x中每個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的梯度；
[0041 ]
(S)
[0042] 式⑶中，8]表示向量x中第j個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的梯度，石為所有工況點(diǎn)的加權(quán)平 均效率，1_為目前已找到的所有解中的最優(yōu)解，ej為一個(gè)維數(shù)為D的向量，D為系統(tǒng)設(shè)計(jì) 參數(shù)的數(shù)量，向量e]中第j個(gè)分量是1、其余分量為〇,S為步長(zhǎng)；
[0043] 3. 6. 2)針對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，如果該系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的梯度等于預(yù)設(shè)的梯度閾 值s_，則跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟3. 6. 3);否則退出回火處理；
[0044] 3. 6. 3)根據(jù)式（9)更新退火溫度TjP溫度變化次數(shù)k的值；
[0045]
(9)
[0046]式（9)中，$為更新后的退火溫度，s_預(yù)設(shè)的梯度閾值，s,表示向量x中第j個(gè) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的梯度，8]表示向量X中第j個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的梯度，Tk為更新前的退火溫 度；k'為更新后的溫度變化次數(shù)，T。為模擬退火算法的初始溫度，c為模擬退火算法的溫度 控制系數(shù)，D為系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)量。
[0047] 優(yōu)選地，所述步驟3. 8)中的淬火處理具體是指根據(jù)式（10)更新退火溫度1；的 值；
[0048]
(10：)
[0049] 式（10)中，1為更新后的退火溫度，T。為模擬退火算法的初始溫度，c為模擬退火 算法的溫度控制系數(shù)，k為溫度變化次數(shù)，（^為模擬退火算法的淬火因子，D為系統(tǒng)設(shè)計(jì)參 數(shù)的數(shù)量。
[0050] 本發(fā)明直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)多工況全局效率最優(yōu)設(shè)計(jì)方法具有下述優(yōu)點(diǎn)：本發(fā) 明直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)多工況全局效率最優(yōu)設(shè)計(jì)方法以額定點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果為初始條件、以變 流器電壓電流與控制算法為約束條件、以多個(gè)工況點(diǎn)的加權(quán)平均效率最高（