本發(fā)明涉及高頻變壓器設(shè)計(jì)，具體涉及一種適用于源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷高頻變壓器翅片散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化是一種可實(shí)現(xiàn)能源資源最大化利用的運(yùn)行模式和技術(shù)，通過源源互補(bǔ)、源網(wǎng)協(xié)調(diào)、網(wǎng)荷互動(dòng)、網(wǎng)儲(chǔ)互動(dòng)和源荷互動(dòng)等多種交互形式，從而更經(jīng)濟(jì)、高效和安全地提高電力系統(tǒng)功率動(dòng)態(tài)平衡能力，是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要發(fā)展路徑。源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)中電力電子變壓器(pet)是一種集功率電子變換器與高頻變壓器于一體的新型功率轉(zhuǎn)換器件，實(shí)現(xiàn)交直流電能變換與管控的核心設(shè)備。高頻變壓器隨著高壓直流輸電系統(tǒng)輸送電能能力的提高，其體積越來越小，容量越來越大。高頻變壓器的損耗會(huì)隨著頻率的提高而相應(yīng)增加，多數(shù)會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。體積變小會(huì)造成局部溫度升高，從而可能使絕緣受損，所以高頻變壓器的散熱表面積不斷減小。高頻變壓器的可靠性和壽命，如果在設(shè)計(jì)上不合理，可能會(huì)受到影響。

2、目前，電力變壓器普遍采用風(fēng)冷卻、水冷等冷卻方法進(jìn)行散熱。在散熱方面，主要有液體冷卻技術(shù)，增加散熱面積，優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)等。風(fēng)冷的原理是利用與主變室內(nèi)流動(dòng)空氣的熱量交換，將變壓器大量的損耗轉(zhuǎn)化成的熱量通過設(shè)置在變壓器上的片式散熱器進(jìn)行散失。片式散熱片能對(duì)變壓器工作溫度進(jìn)行有效控制，以確保變壓器工作運(yùn)行安全。因此，進(jìn)行合理的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)提升變壓器片式散熱片的熱交換能力，保證變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行是必不可少的。

3、變壓器用散熱器，以傳統(tǒng)片狀散熱片為主要結(jié)構(gòu)形式。如今大量應(yīng)用的翅片散熱器由于用電端負(fù)荷越來越大，不能有效地在高溫和大負(fù)荷下進(jìn)行散熱，不能很好地滿足變壓器的散熱需求。很多學(xué)者從不同的角度展開了大量的研究，主要圍繞結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱片，以提高加強(qiáng)變壓器用散熱片的散熱效率，包括改變角度，增加散熱片的數(shù)量，調(diào)整散熱片的穿孔直徑，對(duì)翅片的外形進(jìn)行優(yōu)化等幾個(gè)方面進(jìn)行了研究、散熱器面材提升外界散熱條件強(qiáng)化等方面。很多學(xué)者從不同的角度對(duì)強(qiáng)化變壓器用散熱片的散熱效能展開了廣泛的研究和深入的探討，從而有效實(shí)現(xiàn)散熱能力的加強(qiáng)。

4、(1)文獻(xiàn)[1]：梁義明,敖明,朱大銘,等.變壓器片式散熱器傳熱特性優(yōu)化分析[j].變壓器,2015,52(04):32-34.通過仿真模擬分析，研究了不同組別散熱片的整體結(jié)構(gòu)變化如何影響散熱片的性能，以及片式散熱片的數(shù)量等因素。但是該文獻(xiàn)是針對(duì)工頻變壓器的組片式散熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并不適用于高頻變壓器。

5、(2)文獻(xiàn)[2]：邵志偉,黃亞繼,張強(qiáng),等.片式散熱器散熱特性的數(shù)值研究[j].華東電力,2014,42(02):431-434.采用cfd方法對(duì)散熱片數(shù)量對(duì)散熱效率的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明，散熱片數(shù)從10片增加至20片時(shí)，散熱效率由42.85％增至62.17.％。但是該文獻(xiàn)是針對(duì)油浸式工頻變壓器的片式散熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱特性分析，從定量的角度研究了不同變壓器油流速、散熱器片數(shù)、散熱片間距及散熱片高度對(duì)散熱能力，沒有給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，且所得結(jié)論不適用于高頻變壓器。

6、(3)文獻(xiàn)[3]：mahdi,valeartsв,et?al.two?dimensional?analysis?of?the?edgeeffect?field?and?losses?in?high?frequency?transformer?foils[j].ieeetransactions?on?magnetics,2005,41(8):2377-2383.研究了5種不同結(jié)構(gòu)的翅片對(duì)散熱器流體流動(dòng)和內(nèi)部溫度的影響，顯示出上寬下窄的梯形翅片表現(xiàn)出最佳的熱交換性能，熱交換性能優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的矩形翅片。該文獻(xiàn)重點(diǎn)分析不同翅片結(jié)構(gòu)各個(gè)參數(shù)對(duì)熱交換性能的影響規(guī)律，并未提出散熱器的設(shè)計(jì)方法。

7、(4)文獻(xiàn)[4]：楊景珊,電子器件分冷散熱器傳熱強(qiáng)化的數(shù)值模擬[d].華中科技大學(xué)，2020.利用fluent軟件對(duì)變壓器流體溫度和速度的影響進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比了散熱器散熱中心的不同高度,增加翅片的散熱中心高度，能有效提高變壓器油的散熱效率，從而起到減少變壓器升溫的作用。該文獻(xiàn)重點(diǎn)分析散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱效率的影響規(guī)律，并未提出散熱器的設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)中的高頻變壓器，本發(fā)明提供一種適用于源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷高頻變壓器翅片散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，根據(jù)靈敏度分析法和響應(yīng)面法，得到關(guān)于高頻變壓器散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)論。該方法不僅可以分析不同變量對(duì)最高溫度的影響大小，還可以直接得到最優(yōu)解，降低計(jì)算量和試驗(yàn)次數(shù)。本發(fā)明可以降低高頻變壓器的最高溫度，降低高頻變壓器的最高溫度達(dá)到工程要求，為源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)中高可靠、高功率密度高頻變壓器的設(shè)計(jì)提供支撐。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、適用于源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷高頻變壓器翅片散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

4、步驟1：建立能夠反映散熱器熱節(jié)溫度的多項(xiàng)式響應(yīng)面模型；

5、步驟2：建立不同組合設(shè)計(jì)下翅片散熱器三維模型，確定不同組合設(shè)計(jì)下的最高溫度；

6、步驟3：以翅片散熱器的最高溫度為優(yōu)化目標(biāo)，以篩選出的決定性影響因子為自變量，采用響應(yīng)面法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過響應(yīng)面法的殘差分析，得到響應(yīng)面模型和各變量對(duì)結(jié)果的影響程度，得到最終響應(yīng)面函數(shù)；

7、步驟4：根據(jù)響應(yīng)面模型，采用遺傳算法得到各變量的最優(yōu)值。

8、所述步驟1中，針對(duì)散熱片在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合下的散熱性能，進(jìn)行box-behnken曲面響應(yīng)法優(yōu)化設(shè)計(jì)。在box-behnken設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)設(shè)計(jì)表包括一組中心點(diǎn)和若干個(gè)星點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，以及各個(gè)因素在不同水平下的組合。二階box-behnken響應(yīng)面模型實(shí)際上為多元二次方程，用于擬合設(shè)計(jì)參數(shù)和效應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系。二階響應(yīng)面模型的階數(shù)為2，基于選定的二階box-behnken響應(yīng)面模型，對(duì)指定的翅片厚度a、翅片高度b、翅片間距c設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)采樣并獲取樣本值，最后通過最小二乘法確定待定系數(shù)，最終得到實(shí)際模型的顯式函數(shù)。

9、二階box-behnken響應(yīng)面模型包含交叉項(xiàng)，如下：

10、

11、式中：表示的響應(yīng)變量；β0、βj、βjj、βij為待定系數(shù)，分別為常數(shù)項(xiàng)、一階項(xiàng)、二階非交叉項(xiàng)、二階交叉項(xiàng)的系數(shù)；xi、xj為設(shè)計(jì)變量；n為設(shè)計(jì)變量的數(shù)量。

12、所述步驟2中，中心組合設(shè)計(jì)因素水平表是一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，用于探索和驗(yàn)證翅片厚度a、翅片高度b、翅片間距c三個(gè)因素對(duì)最高溫度的影響。在這種設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)被分為多個(gè)組合，每個(gè)組合都控制一個(gè)因素，并仿真其對(duì)結(jié)果的影響。確定中心組合設(shè)計(jì)因素水平表，采用電磁-溫度-流體多物理場(chǎng)有限元方法，計(jì)算翅片恒溫時(shí)不同組合設(shè)計(jì)下的最高溫度。

13、步驟2中，根據(jù)不同因素組合設(shè)計(jì)情況下的高頻變壓器溫度結(jié)果，確定影響變壓器最高溫度大小的參數(shù)，包括翅片厚度a、翅片高度b、翅片間距c、翅片數(shù)量n等參數(shù)。

14、判斷翅片散熱器中的待優(yōu)化變量對(duì)最高溫度是否有影響以及影響程度的大小，由此來確定影響最高溫度的主要因素。具體是：采用控制變量法的思想，逐個(gè)選擇翅片厚度a、翅片高度b、翅片間距c、翅片數(shù)量n等參數(shù)中的任意一個(gè)，選取合適的步長(zhǎng)并根據(jù)步長(zhǎng)改變這個(gè)參數(shù)，并保持其他變量不變，通過有限元仿真軟件comsol中建立高頻變壓器三維有限元模型及對(duì)應(yīng)的散熱器有限元模型，計(jì)算不同散熱器參數(shù)下的最高溫度。

15、所述步驟3中，假設(shè)待求響應(yīng)面函數(shù)需要進(jìn)行k次試驗(yàn)，則步驟1中二階box-behnken響應(yīng)面模型可變?yōu)榫仃囆问剑缦拢?/p>

16、

17、式中：y1表示第1個(gè)組合設(shè)計(jì)下最高溫度仿真值；y2表示第2個(gè)組合設(shè)計(jì)下最高溫度仿真值；yk表示第k個(gè)組合設(shè)計(jì)下最高溫度仿真值；

18、x11表示第1個(gè)組合設(shè)計(jì)下第1個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；x12表示第1個(gè)組合設(shè)計(jì)下第2個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；x1n-1表示第1個(gè)組合設(shè)計(jì)下第n-1個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；x1n表示第1個(gè)組合設(shè)計(jì)下第n個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；

19、x21表示第2個(gè)組合設(shè)計(jì)下第1個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；x22表示第2個(gè)組合設(shè)計(jì)下第2個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；x2n-1表示第2個(gè)組合設(shè)計(jì)下第n-1個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；x2n表示第2個(gè)組合設(shè)計(jì)下第n個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；

20、xk1表示第k個(gè)組合設(shè)計(jì)下第1個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；xk2表示第k個(gè)組合設(shè)計(jì)下第2個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；xkn-1表示第k個(gè)組合設(shè)計(jì)下第n-1個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；xkn表示第k個(gè)組合設(shè)計(jì)下第n個(gè)設(shè)計(jì)因素取值；

21、β0為常數(shù)項(xiàng)；β1......βn為對(duì)應(yīng)于第1......n因素的一階項(xiàng)系數(shù)；β11......βnn為對(duì)應(yīng)于第1......n因素的二階非交叉項(xiàng)系數(shù)；β12......βnn-1為對(duì)應(yīng)于第1和第2因素、.....、第n和第n-1個(gè)因素之間的二階交叉項(xiàng)系數(shù)；t表示矩陣轉(zhuǎn)置；

22、μ1表示第1個(gè)組合設(shè)計(jì)下擬合誤差；μ2表示第2個(gè)組合設(shè)計(jì)下擬合誤差；μk表示第k個(gè)組合設(shè)計(jì)下擬合誤差。

23、根據(jù)無偏估計(jì)的極值問題，利用上式使誤差的平方和最小，因此得到多項(xiàng)式系數(shù)：

24、β＝(xtx)-1xty

25、式中：β表示多項(xiàng)式待定系數(shù)組成的向量；xt表示設(shè)計(jì)變量矩陣的轉(zhuǎn)置；x表示表示設(shè)計(jì)變量矩陣；y表示相應(yīng)變量的comsol仿真結(jié)果。

26、將多項(xiàng)式待定系數(shù)向量代入步驟1，得到二階box-behnken響應(yīng)面模型。為了驗(yàn)證模型的適用性，根據(jù)design-expert對(duì)模型進(jìn)行殘差分析。殘差正態(tài)概率圖中，如果殘差呈正態(tài)分布，殘差點(diǎn)均勻分散于一條直線附近，表示模型擬合得很好。

27、響應(yīng)面模型預(yù)測(cè)的總效率由決定系數(shù)r2解釋，決定系數(shù)r2是回歸平方和與總平方和的比值，其值越接近1，說明精度越高，其計(jì)算公式為：

28、

29、式中：y為樣本值；為樣本均值；m表示通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)采樣獲取的樣本值個(gè)數(shù)；yi表示有限元仿真結(jié)果；表示的響應(yīng)變量計(jì)算結(jié)果。

30、所述步驟3中，響應(yīng)面法的計(jì)算流程為：

31、步驟(1):對(duì)由翅片厚度a、翅片高度b、翅片間距c等變量確定采樣空間，確定試驗(yàn)因素水平；翅片的厚度a、翅片高度b、翅片間距c都有三個(gè)水平：低水平(-1)、中心水平(0)和高水平(1)，代表該因素的下限值、中間值和上限值。

32、步驟(2):采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)(ccd)方法，根據(jù)試驗(yàn)因素水平對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行電磁-溫度-流體多物理場(chǎng)有限元分析計(jì)算；

33、步驟(3):以翅片散熱器最高溫度為優(yōu)化目標(biāo)，以篩選出的決定性影響因子為自變量，擬合響應(yīng)面函數(shù)，進(jìn)行方差分析；

34、步驟(4):基于殘差正態(tài)概率圖分析，剔除不顯著項(xiàng)，確定顯著影響因素；

35、步驟(5):判斷確定其是否滿足精度；

36、滿足，即可得到響應(yīng)面模型；不滿足則增加響應(yīng)面模型的項(xiàng)數(shù)或階數(shù)，重復(fù)步驟(1)。所述步驟4中，根據(jù)響應(yīng)面模型，采用遺傳算法得到散熱器各變量的最優(yōu)值。

37、以高頻變壓器最高溫度t最小化為目標(biāo)函數(shù)，考慮散熱器翅片的厚度a、翅片高度b、翅片間距c的取值范圍，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)模型：

38、目標(biāo)函數(shù)為：

39、

40、約束條件為：

41、a∈[amin,amax]；b∈[bmin,bmax]；c∈[cmin,cmax]

42、個(gè)體適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)為：

43、

44、遺傳算法以初始解為起點(diǎn)，經(jīng)過選擇、交叉、變異等遺傳操作產(chǎn)生下一代種群，通過個(gè)體適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)來考察種群中每個(gè)個(gè)體的優(yōu)劣，從中選擇優(yōu)質(zhì)個(gè)體進(jìn)入下一代，經(jīng)過多次迭代后，最終得到最優(yōu)解。

45、本發(fā)明一種適用于源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化系統(tǒng)的強(qiáng)迫風(fēng)冷高頻變壓器翅片散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，技術(shù)效果如下：

46、1)本發(fā)明提出采用增加翅片散熱器的方法對(duì)高頻變壓器的最高溫度進(jìn)行抑制，采用電磁-溫度-流體多物理場(chǎng)有限元分析方法計(jì)算高頻變壓器溫度分布；結(jié)合靈敏度分析方法研究翅片散熱器各個(gè)尺寸參數(shù)對(duì)高頻變壓器的最高溫度影響程度，確定最高溫度的決定性影響因素；利用響應(yīng)面法構(gòu)建與最高溫度相關(guān)的響應(yīng)面函數(shù)，對(duì)變壓器翅片散熱器進(jìn)行優(yōu)化。

47、2)本發(fā)明設(shè)計(jì)方法能應(yīng)用于雙繞組以及多繞組結(jié)構(gòu)的變壓器散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)響應(yīng)面函數(shù)計(jì)算出最高溫度的大小，減少了計(jì)算量，有利于工程應(yīng)用。

48、3)響應(yīng)面法(response?surface?method,rsm)作為一種用于優(yōu)化的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)方法，以其建立近似模型的獨(dú)立性和方便易行的優(yōu)勢(shì)得到了廣泛的應(yīng)用，它能在保證精度和效率的前提下，快速、方便地處理多種優(yōu)化問題。因此本發(fā)明將響應(yīng)面法應(yīng)用到高頻變壓器的翅片散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題上，可以擬合出一個(gè)顯式的響應(yīng)面函數(shù)，便于高頻變壓器翅片散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響進(jìn)行定量分析。