基于改进遗传算法的零损耗限流电抗器优化设计与应用

基于改进遗传算法的零损耗限流电抗器优化设计与应用

刘新宇 1，徐正江 1，吴伟丽 2，刘俊 2

【摘 要】【摘 要】提出了基于改进的遗传算法对零损耗深度限流电抗器的优化设计方法，分析了电抗器的设计与应用需求，构建了改进遗传算法的优化模型，提出了设计方案和流程，以某实际电力系统的限流需求对零损耗电抗器进行优化设计，结果表明算法优化效果明显，适用于限流电抗器的设计。 【期刊名称】工程建设与设计 【年(卷),期】2018(000)024 【总页数】3

【关键词】【关键词】改进遗传算法；零损耗电抗器；优化设计

1 引言

电力系统发生短路故障时，短路电流一般为额定电流的十几倍，会给变压器、发电机、断路器、输电线路等电气设备造成很大的危害。随着电力系统规模的增大和发展，短路电流水平也不断攀升，此时，需要更换或加装短路电流限流器，但因其产生的大量损耗往往限制了限流电抗器在现代电力系统中的工程应用，因此，低损耗、高经济性和高可靠性的短路电流限制电抗器的设计尤为重要。

限流电抗器的优化设计是指以限流器特性参数的需求为目标，以可靠性和经济性为约束，利用优化算法，求解最优的设计方案[1]。目前，许多优化算法已经应用于各种领域的优化设计，如文献[2]提出了一种分裂电抗型超导限流器拓扑，进行了限流原理理论分析和建模方法的研究，并针对220kV输电网提出了限流器参数优化方法研，文献[3]提出基于自适应遗传算法来优化设计网侧LCL滤波

器参数的优化设计方法；文献[4]针对高压高频大功率变压器进行优化设计，考虑高频情况下的趋肤效应和邻近效应，给出了绕组的高频损耗模型,从减小变压器体积、提高变压器效率的角度出发，寻求高压高频大功率变压器的优化设计方法，进而采用改进遗传多目标优化算法，使Pareto解空间更加均匀；文献[5]提出了一种基于改进遗传算法解决拉丝机压缩比的优化设计中存在的复杂度过大且不易找到最优解的方法，且经验证，该算法具有较好的最优解搜索能力，搜索速度快并且收敛性好，能够提升产品性能并节约能耗；文献[6]在研究遗传算法的基础上，采用适应度值标定的遗传算法改进策略，提出了电力变压器优化设计方法，结果表明，改进后的遗传算法收敛速度快，并以S9-315/10型电力变压器为算例，优化方案的性能指标符合相关国标，总损耗降低0.8%，材料成本降低8.3%等。但是，限于产品的特殊性，上述文献方法仅可作为参考，零损耗限流电抗器的设计优化，还需要对优化算法进行改进。

为此，本文提出了采用零损耗深度限流技术提高变压器抗短路能力的方法，首先，分析了零损耗深度限流装置的基本工作原理，探讨了变压器故障类型；其次，分析了变压器抗短路冲击能力下降的原因，得出了采用零损耗深度限流技术可以变向提高变压器抗短路能力的结论；最后，在上述研究的基础上，提出基于零损耗深度限流技术提高变压器抗短路能力的基本应用原则，并通过算例验证该方法的可行性。

2 零损耗深度限流装置

2.1 工作原理

一个典型的待测试功能的零损耗深度限流装置如图1所示。其工作原理是：测试电流通过测控单元发出，当发出短路电流指令时，短路电流通过电流互感器

给罗克线圈发出信号，当短路电流大于设定的幅值，通过专用算法，快速精确的预测出三相电流过零点的精确时间，分别在每相电流过零之前发出信号。高速开关在电流接近过零点的三相分别准确分闸开断，短路电流通过电抗器并受到限制，短路电流幅值大大降低。 2.2 组成部分与关键参数分析

零损耗深度限流装置主要由以下部分组成：（1）限流电抗器。主要用来限制发生短路故障时的短路电流。（2）快速断路器。主要由灭弧室和电磁快速操动机构组成，利用电磁涡流可以实现断路器动静触头快速分离和闭合。（3）电流互感器。用来测量故障电流，以实现快速断路器的分合闸操作的控制，其准确性影响到限流器的动作的可靠性。（4）保护及控制装置。将采集到的电流经过一系列运算，控制快速断路器的动作过程，是整个装置的核心部件。

其中，限流电抗器和快速断路器是零损耗限流器的主要参数：电抗器参数的大小代表限流水平，若限流电抗的阻抗选大了，则降低了变压器的输送功率；电抗选小了，则限流深度不够，很难起到保护变压器的作用，这也是很多场合变压器未装限流电抗的原因；从经济环保的角度，限流电抗器长期运行将产生巨大的损耗。

断路器出头的分离、闭合和弹跳时间表征限流器的快速性，采用快速大容量断路器可提高速动性，同时采用快速涡流驱动机构，会减少磨损但也会提高装置的成本。

3 基于改进遗传算法的优化设计

3.1 优化模型

以限流器的损耗和有效材料成本为最小优化目标，有