一種mmc橋臂電抗器參數優化方法
2023-05-09 15:11:06 2
一種mmc橋臂電抗器參數優化方法
【專利摘要】本發明涉及一種MMC橋臂電抗器參數優化方法，在已有柔性直流輸電系統參數基礎之上，利用遺傳算法對MMC橋臂電抗器進行參數優化。根據橋臂電抗器在柔性直流輸電中的特殊性，針對運行條件進行邊界約束條件的設定，建立一系列邊界約束函數和目標函數方程。通過對橋臂電抗器參數進行優化設計，得到在邊界條件下橋臂電抗器電感量、重量和體積最優值。該方法根據橋臂電抗器在MMC系統的運行條件，對電感量、重量和體積三個目標函數進行加權平衡，可以達到橋臂電抗器總體效益更優；能夠在很短的時間內進行多次迭代，可以大大縮短設計橋臂電抗器的計算過程，提高經濟性和合理性，對於MMC系統橋臂電抗器的設計具有較高的工程應用價值。
【專利說明】一種MMC橋臂電抗器參數優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基於遺傳算法的MMC橋臂電抗器參數優化方法，用於橋臂電抗器 的參數選擇和設計。
【背景技術】
[0002] MMC系統拓撲結構在柔性直流輸電工程中已得到較為廣泛的應用。而且橋臂電抗 器串聯在換流器的每個橋臂上面，如圖1所示MMC系統單端拓撲結構圖。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生的高次諧波和換流器三相電流紋波、抑 制橋臂環流和短路故障產生的過電流的作用、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] -般橋臂電抗器在設計時要考慮雜散電容對換流器的影響，若雜散電容過大，由 於在大功率器件IGBT的每個開關過程會有過電壓產生，從而產生較大的電流脈衝。這對 換流閥電氣應力具有很大的考驗，此項對於橋臂電抗器的選型和結構設計起著決定性的作 用。
[0004] 目前柔性直流輸電系統橋臂電抗器設計過程中，電抗器電感值的選取計算求解值 並不是唯一值，而是根據系統運行狀況確定在一定的區間範圍內。再依靠一定的經驗值來 進行電感值的確定，從而來驗證是否滿足系統運行要求，設計結果有很大的提高和改善。
[0005] 同時在柔性直流系統方案確定過程中，由於電感值的設計存在一定的優化範圍， 對於橋臂電抗器的結構設計和產品製造必然也會存在較大優化的空間。
[0006] 隨著柔性直流輸電的發展，在換流站建設中對於橋臂電抗器的佔地面積和運輸等 方面也將有著較高的要求。因此在可滿足系統運行條件下，體積越小和重量越輕成為首選。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是提供一種MMC橋臂電抗器參數優化方法，用以解決現有技術橋臂 電抗器設計優化的問題。
[0008] 為實現上述目的，本發明的方案包括：
[0009] 一種MMC橋臂電抗器參數優化方法，根據可靠、安全運行所要求的條件計算確定 橋臂電抗器電感值函數L(X);根據實際情況確定橋臂電抗器重量函數W(X)和提交函數 V(X);利用添加加權係數的方法把多目標優化問題轉化為單目標優化問題：F(X)=min Ii1 (*L⑴+k2*W⑴+k3*V⑴），kl，k2,k3分別是電感量、重量和體積的權值係數；基於遺傳算 法確定上述權值係數，以優化橋臂電抗器電感值、重量和體積。
[0010] 適應度函數FIT(X)與目標函數求取最優值之間關係為FIT(X) = 1/ (l+F(X)+Fopt);設定所要求取的最優值限值為Fopt。
[0011] 對橋臂電抗器設計變量進行級差評定，設定基差係數為k，然後確定每個變量的編 碼長度n=ln[(Xmax-Xmin)/k+l]，根據編碼長度設定每一個變量的編碼位數，設計中編碼 採用二進位編碼，編碼總位數為31。
[0012] 設定每代種群的平均適應度值為fitavg，種群中最大的適應度值為fitmax，兩個 交叉個體中適應度較大值為fitl，變異個體的適應度值為fit2 ;當fitl，fit2> =fitavg 時，Pm= 0· 001，Pc= 0· 3 ;當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] 本發明根據橋臂電抗器在MMC系統中運行工況，從換流器系統運行參數和橋臂電 抗器本身設計兩個方面進行目標函數和約束條件的設定和數學問題的轉化，進一步把橋臂 電抗器參數問題，轉化為一個多變量、有約束條件的非線性最值求解問題，最終實現橋臂電 抗器參數最優配置。
[0015] 本發明建立橋臂電抗器參數數學優化模型，選擇合適的設計變量參數，並為每個 參數建立對應的原始種群，計算出目標函數，並轉化為適應度函數，作為個體優劣的評判標 準。對於本設計對象利用加權係數的轉化方法對橋臂電抗器的多目標求解數學優化函數轉 化成單目標優化問題。
[0016] 本發明選擇合適的編碼方式，確定每個設計變量的編碼位數。通過選擇運算把群 體中的個體按照適應度高低進行一定處理，利用交叉、變異算法（交叉概率設定為Pc、變異 概率設定為Pm)不斷產生新個體，保證算法的全局搜索能力和維持種群的多樣性。本發明 設置算法終止條件，若設定最大代數為T，採取最大進化代數和最優個體保持代數相結合的 原則。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1是MMC系統單端拓撲結構圖；
[0018] 圖2是最優適應度保存方案選擇列表；
[0019] 圖3是本發明的MMC橋臂電抗器參數優化算法流程。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
[0021] 電流紋波由電平階躍值決定，而電平階躍值由系統控制頻率決定；電流跟蹤速 度，以電流過零點處的跟蹤設計利用有功電流和電壓同相，並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；根據電壓源型換流器的穩態運行相量圖，在交流電動 勢、直流電壓、傳輸功率和最大調製度限制的條件下，可得有功傳輸時的電感約束方程為： C '__)2;採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L(X)。 1^arm
[0022]對於橋臂電抗器重量函數W(X)，考慮橋臂電抗器的重量主要由繞制的鋁導線決 定，因此在設計橋臂電抗器重量目標函數時，可以由鋁導線重量函數決定。則橋臂電抗器的 體積和鋁導線重量（分層計算每根導線的重量）的優化模型數學方程可以表示為：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為每層中並繞線圈根數、P為鋁導線的質量密度、w為每層線圈匝數、Dav為每層內徑和外 徑的平均值、〇_為鋁導線的線徑。設計變量還包括橋臂電抗器包封數Nm、層數N。、溫升T、 損耗P、包封外徑和內徑為Dtjut、Din。
[0023] 利用添加加權係數的方法把多目標優化問題轉化為單目標優化問題：F(X) =min kihUXHkdWGKkdVft))，kl，k2,k3分別是電感量、重量和體積的權值係數。設定所要 求取的最優值限值為Fopt。
[0024] 根據所產生的31位二進位編碼隨機產生初始種群，迭代次數選取200。
[0025] 個體適應度是個體生存機會的唯一確定指標，決定著種群的進化優劣。遺傳算法 會對對於每次迭代過程中所產生的最優個體適應度值進行比較，保存適應度值比較高的個 體，用以遺傳到下一代。設計過程中需要根據目標函數構造合適的適應度函數，本設計適應 度函數FIT(X)與目標函數求取最優值之間關係為FIT(X) =ΙΛΙ+F(X)+Fopt)。
[0026] 根據不同類型變量，映射個數不一樣，編碼位數也不相同。設計中對橋臂電 抗器設計變量進行級差評定，設定基差係數為k，然後確定每個變量的編碼長度η= ln[(Xmax-Xmin)/k+l]，根據編碼長度設定每一個變量的編碼位數，設計中編碼採用二進位 編碼，編碼總位數為31。
[0027] 首先設定交叉、變異概率的大致範圍，並根據一定數學關係在每次迭代過程中對 交叉、變異概率進行一次修訂，以達到提高優良個體的遺傳效率的目的。設定每代種群的平 均適應度值為fitavg，種群中最大的適應度值為fitmax，兩個交叉個體中適應度較大值為 fitl，變異個體的適應度值為fit2。當fitl，fit2> =fitavg時，Pm= 0· 001，Pc= 0· 3 ; 當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所示最優適應度保存方案選擇列表，首先判斷當前最優個體適應值與本代 最有個體適應值是否處於可行解區域。如若則這有且僅有其一處於可行解區域時，選擇處 於可行解區域的適應值作為最優個體保存下來；如若二者同時處於可行解區域或同時處於 非可行解區域，則對二者進行比較，選擇較大者作為最優個體保存下來作為下次迭代比較 標準。
[0032] 根據現有橋臂電抗器參數設計，原有參數為重量W= 33kg、電感值L= 21. 5mH、體 積V= 7611. 65359cm3。經該方法優化後參數情況：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 %;電感值也最優情況下，參數為 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] 本領域技術人員可以理解：如圖2所示一種遺傳算法的MMC橋臂電抗器參數優 化算法流程，只是對柔性直流輸電系統MMC橋臂電抗器參數進行優化設計過程進行簡化說 明，並不代表橋臂電抗器參數優化的全部過程。
[0034] 以上給出了具體的實施方式，但本發明不局限於所描述的實施方式。本發明的基 本思路在於上述基本方案，對本領域普通技術人員而言，根據本發明的教導，設計出各種變 形的模型、公式、參數並不需要花費創造性勞動。在不脫離本發明的原理和精神的情況下對 實施方式進行的變化、修改、替換和變型仍落入本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1. 一種MMC橋臂電抗器參數優化方法，其特徵在於，根據可靠、安全運行所要求的條件 計算確定橋臂電抗器電感值函數L(X);根據實際情況確定橋臂電抗器重量函數W(X)和提 交函數V(X);利用添加加權係數的方法把多目標優化問題轉化為單目標優化問題：F(X)= min & (*L⑴+k2*W⑴+k3*V⑴），kl，k2, k3分別是電感量、重量和體積的權值係數；基於遺 傳算法確定上述權值係數，以優化橋臂電抗器電感值、重量和體積。
2. 根據權利要求1所述的一種MMC橋臂電抗器參數優化方法，其特徵在於，適應度函數 FIT(X)與目標函數求取最優值之間關係為FIT(X) =lAl+F(X)+Fopt);設定所要求取的最 優值限值為Fopt。
3. 根據權利要求1所述的一種MMC橋臂電抗器參數優化方法，其特徵在於，對橋臂 電抗器設計變量進行級差評定，設定基差係數為k，然後確定每個變量的編碼長度n = ln[(Xmax-Xmin)/k+l]，根據編碼長度設定每一個變量的編碼位數，設計中編碼採用二進位 編碼，編碼總位數為31。
4. 根據權利要求1所述的一種MMC橋臂電抗器參數優化方法，其特徵在於，設定每代 種群的平均適應度值為fitavg，種群中最大的適應度值為fitmax，兩個交叉個體中適應度 較大值為fitl，變異個體的適應度值為fit2 ;當fitl，fit2> = fitavg時，Pm = 0? 001，Pc =0? 3 ;當 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 優先權日:2014年12月3日
【發明者】張建, 範彩雲, 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