[发明专利]一种综合节能与减噪的电力变压器多目标优化设计方法

摘要

本发明提出了一种综合节能与减噪的电力变压器多目标优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立电力变压器节能、减噪的初步优化模型，得到初步优化设计方案；步骤2：建立电力变压器损耗与噪声的计算模型，得到初步优化后的节能、减噪效益；步骤3：建立综合电力变压器节能与减噪的多目标优化设计模型；步骤4：采用非线性加权综合法求解，得出综合多目标优化设计的最终方案。本发明具有能使电力变压器节能、减少噪声干扰、降低成本、减少空载损耗和负载损耗、提高电力变压器效率、生产制造简单便捷、实用性强等优点。

主权项

1.一种综合节能与减噪的电力变压器多目标优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立电力变压器节能、减噪的初步优化模型，得到初步优化设计方案；对于铁轭和铁心柱截面相同的三相心式铁心，其铁轭和铁心柱截面皆采用多级阶梯形结构，截面在其外接圆内上下左右都轴对称，阶梯形的每级都是由许多同种宽度的硅钢片迭成，其中最中间部分为第1级，依次向上为第2、3、4......级的上半部分，依次向下为第2、3、4......级的下半部分；对于电力变压器铁心柱的最大有效截面积为：maxS=kΣi=1nxiyi,i=1,2......n,]]>其中，S表示多级阶梯形结构构成的电力变压器铁心柱的有效截面积，x_i表示第i级硅钢片的宽度，y_i表示第i级硅钢片的厚度，k表示叠片系数，n表示级数；建立电力变压器节能、减噪的初步优化模型，即电力变压器铁心柱有效截面积最大时的非线性混合整数规划模型：maxS=kΣi=1nxiyi]]>对电力变压器节能、减噪的初步优化模型进行求解，利用Lingo优化软件和Mathematica数学软件结合邻域搜索法编程求解，得出电力变压器节能、减噪的初步优化设计方案，即得到优化后的电力变压器铁心柱有效截面积的最大值、铁心填充系数、铁心柱截面的级数、各级的宽度和厚度，以及优化后铁心填充系数提高的百分比、优化后铁心柱有效截面积提高的百分比；步骤2：建立电力变压器损耗与噪声的计算模型，得到初步优化后的节能、减噪效益；建立电力变压器空载损耗的两种计算模型，并取其期望值，其中，电力变压器空载损耗的第一种计算模型为：P0=Ph+Pe+PfPh=ηfB1.6VFePe=ϵf2B2VFeVFe=3SH0+4SM0+2SHΔ]]>其中，P₀表示空载损耗，P_h表示磁滞损耗，P_e表示涡流损耗，P_f表示附加损耗，B表示磁密的幅值，f表示磁化频率，V_Fe表示铁心的体积，η和ε为实验常数，H₀为三相心式铁心的窗高，M₀为铁心柱中间距，H_Δ为铁轭宽，S为铁心柱有效截面积；电力变压器空载损耗的第二种计算模型为：P0=KcB2GFeGFe=3SH0γ+4SM0γ+2SHΔγ]]>其中，K_c为与硅钢片材质相关的系数，G_Fe为硅钢片质量，γ＝7.65×10^-4为冷轧硅钢片的比重；建立电力变压器负载损耗的计算模型，其模型为：Pk=Pj+PfPj=Kmδ2mcu]]>其中，P_k为负载损耗，P_j为负载损耗的基本损耗，P_f为附加损耗，m_cu为铜导线质量，δ为电流密度，K_m为与电导率有关的系数；建立电力变压器噪声的计算模型，其模型为：ΔLPA=10·lg[(B′B)8×(GFe′GFe)1.6]dB]]>其中，ΔL_PA表示噪声变化量，B、B′表示经过某种措施改进前后的铁心工作磁通密度，G_Fe、G′_Fe表示经过某种措施改进前后的铁心硅钢片质量；结合步骤1得到电力变压器节能、减噪的初步优化设计方案，通过求解电力变压器损耗与噪声的计算模型，得出初步优化后的节能、减噪效益，即得到当绕组匝数不变时，磁通密度减少的百分比、空载损耗减少的百分比、铁心重量增加的百分比、铁心噪声的降低量，和当铁心磁密不变时，绕组匝数减少的百分比、负载损耗减少的百分比、铜导线质量减少的百分比；步骤3：建立综合电力变压器节能与减噪的多目标优化设计模型；若步骤1得到的优化后铁心柱有效截面积提高的百分比为r％，步骤2得到的当绕组匝数不变时，磁通密度减少的百分比为m₁％、空载损耗减少的百分比为c₁％、铁心重量增加的百分比为d₁％、铁心噪声的降低量为e，和当铁心磁密不变时，绕组匝数减少的百分比为m₂％、负载损耗减少的百分比为c₂％、铜导线质量减少的百分比为d₂％；多目标优化设计模型的目标函数为：噪声减小最大的目标函数为：maxZ=α%m1%·e;]]>考虑能量损耗下经济总成本节省最多的目标函数为：maxY=W1·P0·c1%m1%·α%+W2·PK·c2%m2%·β%+W3·mCu·d2%m2%·β%-W4·mFed1%m1%·α%]]>综合电力变压器节能与减噪的多目标优化设计模型为：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表示经综合多目标优化后噪声减少量，单位为dB；Y表示经综合多目标优化后节省的经济总成本，单位为元；α％表示经综合多目标优化后铁心磁通密度减少的百分比；β％表示经综合多目标优化后绕组匝数减少的百分比，P₀表示变压器原来的空载损耗，单位为kW；P_K表示变压器原来的负载损耗，单位为kW；m_Cu表示变压器原来的铜线质量，单位为t；m_Fe表示变压器原来的铁心质量，单位为t；W₁表示1kW空载损耗的成本值，单位为元/kW；W₂表示1kW负载损耗的成本值，单位为元/kW；W₃表示铜导线的价格，单位为元/t；W₄表示硅钢片价格，单位为元/t；步骤4：采用非线性加权综合法求解，得出综合多目标优化设计的最终方案；对步骤3建立的综合电力变压器节能与减噪的多目标优化设计模型，利用非线性加权综合法结合Lingo优化软件进行求解，得出综合多目标优化设计的最终方案，即电力变压器铁心截面的具体设计方案和绕组匝数的具体设计。