基于多物理场仿真和VIKOR决策的干式铁心电抗器多目标优化

袁发庭; 曾继皓; 姜岚; 陈炜; 姬睿氢; 唐波

doi:10.15961/j.jsuese.202200933

工程科学与技术 ›› 2023, Vol. 55 ›› Issue (04) : 67 -78. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200933

基于多物理场仿真和VIKOR决策的干式铁心电抗器多目标优化

袁发庭, 曾继皓, 姜岚, 陈炜, 姬睿氢, 唐波

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摘要

金属导体用量和损耗是干式铁心电抗器优化设计过程中需要考虑的关键因素，为有效降低损耗和成本，本文提出基于多物理场仿真和VIKOR决策的干式铁心电抗器多目标优化方法。以干式铁心电抗器为研究对象，建立磁场–流场–温度场模型，将磁场计算获得的铁心和线圈损耗密度作为热源，经过流–热耦合计算得到电抗器温度分布；建立磁场–结构场模型，将基于磁场计算得到的电磁力作为应力项，从而获得铁心及线圈振动位移分布，通过有限元仿真与拉丁超立方试验设计相结合的方法，得到不同结构参数下铁心电抗器温升与振动位移结果。为进一步简化优化流程，采用灵敏度分析方法进行参数降维，建立设计参数与温升、振动之间的代理模型，并采用多目标遗传算法得到满足电抗器性能要求的Pareto前沿解集。考虑到电抗器金属导体用量与损耗之间相互冲突，引入VIKOR综合决策方法，在确定优化目标权重的基础上，计算Pareto解集的利益比率大小，以最小利益比率确定最优设计参数组合，通过仿真验证优化设计方法的正确性。优化后的铁心电抗器与优化前相比，在损耗仅增加4.4%的情况下，铁心和线圈金属导体用量分别减少了3.0%和16.6%，同时在满足设计要求的基础上温升和振动分别降低了7.4%和16.7%。所提方法可以有效提升电抗器性能，为电抗器优化设计提供指导。