[發明專利]一種綜合節能與減噪的電力變壓器多目標優化設計方法

有效

• 申請號: 201210184775.X
• 申請日: 2012-06-07
• 公開（公告）號: CN102708262A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 蔣雪峰;李潔
• 申請（專利權）人: 蔣雪峰
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;H01F27/26;H01F27/245;H01F27/33;H01F41/02
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1.一種綜合節能與減噪的電力變壓器多目標優化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：建立電力變壓器節能、減噪的初步優化模型，得到初步優化設計方案；

對于鐵軛和鐵心柱截面相同的三相心式鐵心，其鐵軛和鐵心柱截面皆采用多級階梯形結構，截面在其外接圓內上下左右都軸對稱，階梯形的每級都是由許多同種寬度的硅鋼片迭成，其中最中間部分為第1級，依次向上為第2、3、4......級的上半部分，依次向下為第2、3、4......級的下半部分；

對于電力變壓器鐵心柱的最大有效截面積為：

maxS=kΣi=1nxiyi,i=1,2......n,]]>

其中，S表示多級階梯形結構構成的電力變壓器鐵心柱的有效截面積，x_i表示第i級硅鋼片的寬度，y_i表示第i級硅鋼片的厚度，k表示疊片系數，n表示級數；

建立電力變壓器節能、減噪的初步優化模型，即電力變壓器鐵心柱有效截面積最大時的非線性混合整數規劃模型：

maxS=kΣi=1nxiyi]]>

對電力變壓器節能、減噪的初步優化模型進行求解，利用Lingo優化軟件和Mathematica數學軟件結合鄰域搜索法編程求解，得出電力變壓器節能、減噪的初步優化設計方案，即得到優化后的電力變壓器鐵心柱有效截面積的最大值、鐵心填充系數、鐵心柱截面的級數、各級的寬度和厚度，以及優化后鐵心填充系數提高的百分比、優化后鐵心柱有效截面積提高的百分比；

步驟2：建立電力變壓器損耗與噪聲的計算模型，得到初步優化后的節能、減噪效益；

建立電力變壓器空載損耗的兩種計算模型，并取其期望值，其中，電力變壓器空載損耗的第一種計算模型為：

P0=Ph+Pe+PfPh=ηfB1.6VFePe=ϵf2B2VFeVFe=3SH0+4SM0+2SHΔ]]>

其中，P₀表示空載損耗，P_h表示磁滯損耗，P_e表示渦流損耗，P_f表示附加損耗，B表示磁密的幅值，f表示磁化頻率，V_Fe表示鐵心的體積，η和ε為實驗常數，H₀為三相心式鐵心的窗高，M₀為鐵心柱中間距，H_Δ為鐵軛寬，S為鐵心柱有效截面積；

電力變壓器空載損耗的第二種計算模型為：

P0=KcB2GFeGFe=3SH0γ+4SM0γ+2SHΔγ]]>

其中，K_c為與硅鋼片材質相關的系數，G_Fe為硅鋼片質量，γ＝7.65×10^-4為冷軋硅鋼片的比重；

建立電力變壓器負載損耗的計算模型，其模型為：

Pk=Pj+PfPj=Kmδ2mcu]]>

其中，P_k為負載損耗，P_j為負載損耗的基本損耗，P_f為附加損耗，m_cu為銅導線質量，δ為電流密度，K_m為與電導率有關的系數；

建立電力變壓器噪聲的計算模型，其模型為：

ΔLPA=10·lg[(B′B)8×(GFe′GFe)1.6]dB]]>

其中，ΔL_PA表示噪聲變化量，B、B′表示經過某種措施改進前后的鐵心工作磁通密度，G_Fe、G′_Fe表示經過某種措施改進前后的鐵心硅鋼片質量；

結合步驟1得到電力變壓器節能、減噪的初步優化設計方案，通過求解電力變壓器損耗與噪聲的計算模型，得出初步優化后的節能、減噪效益，即得到當繞組匝數不變時，磁通密度減少的百分比、空載損耗減少的百分比、鐵心重量增加的百分比、鐵心噪聲的降低量，和當鐵心磁密不變時，繞組匝數減少的百分比、負載損耗減少的百分比、銅導線質量減少的百分比；

步驟3：建立綜合電力變壓器節能與減噪的多目標優化設計模型；

若步驟1得到的優化后鐵心柱有效截面積提高的百分比為r％，步驟2得到的當繞組匝數不變時，磁通密度減少的百分比為m₁％、空載損耗減少的百分比為c₁％、鐵心重量增加的百分比為d₁％、鐵心噪聲的降低量為e，和當鐵心磁密不變時，繞組匝數減少的百分比為m₂％、負載損耗減少的百分比為c₂％、銅導線質量減少的百分比為d₂％；

多目標優化設計模型的目標函數為：

噪聲減小最大的目標函數為：

maxZ=α%m1%·e;]]>

考慮能量損耗下經濟總成本節省最多的目標函數為：

maxY=W1·P0·c1%m1%·α%+W2·PK·c2%m2%·β%+W3·mCu·d2%m2%·β%-W4·mFed1%m1%·α%]]>

綜合電力變壓器節能與減噪的多目標優化設計模型為：

maxZ=α%m1%·e]]>

maxY=W1·P0·c1%m1%·α%+W2·PK·c2%m2%·β%+W3·mCu·d2%m2%·β%-W4·mFed1%m1%·α%]]>

s.t.4.44fNBS=4.44fN′B′S′S′=(1+r%)SB′=(1-α%)BN′=(1-β%)N0≤α%≤m1%0≤β%≤m2%]]>

其中，Z表示經綜合多目標優化后噪聲減少量，單位為dB；Y表示經綜合多目標優化后節省的經濟總成本，單位為元；α％表示經綜合多目標優化后鐵心磁通密度減少的百分比；β％表示經綜合多目標優化后繞組匝數減少的百分比，P₀表示變壓器原來的空載損耗，單位為kW；P_K表示變壓器原來的負載損耗，單位為kW；m_Cu表示變壓器原來的銅線質量，單位為t；m_Fe表示變壓器原來的鐵心質量，單位為t；W₁表示1kW空載損耗的成本值，單位為元/kW；W₂表示1kW負載損耗的成本值，單位為元/kW；W₃表示銅導線的價格，單位為元/t；W₄表示硅鋼片價格，單位為元/t；

步驟4：采用非線性加權綜合法求解，得出綜合多目標優化設計的最終方案；

對步驟3建立的綜合電力變壓器節能與減噪的多目標優化設計模型，利用非線性加權綜合法結合Lingo優化軟件進行求解，得出綜合多目標優化設計的最終方案，即電力變壓器鐵心截面的具體設計方案和繞組匝數的具體設計。