胡金明，陶大軍，孫玉田，李桂芬，胡 剛，張春莉，韓繼超

基于粒子群優(yōu)化算法的可變速抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡金明1,2，陶大軍1,2，孫玉田2，李桂芬2，胡 剛2，張春莉2，韓繼超1,2

（1. 大型電機(jī)電氣與傳熱技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心(哈爾濱理工大學(xué))，哈爾濱 150080；2. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱大電機(jī)研究所)，哈爾濱 150040）

本文結(jié)合可變速抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)的指標(biāo)與運(yùn)行特點(diǎn)，在研究其設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以一臺(tái)10MW交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)為例，基于粒子群優(yōu)化算法，以電機(jī)的效率、成本為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。在保證熱負(fù)荷滿足通風(fēng)要求的情況下，對(duì)定子每極每相槽數(shù)、定子槽寬、轉(zhuǎn)子槽寬進(jìn)行了尋優(yōu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了材料成本降低、效率提高的設(shè)計(jì)目標(biāo)，形成了交流勵(lì)磁發(fā)電電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)該電機(jī)電磁方案的空載特性分析，提出了對(duì)空載線電壓波形畸變率過高問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，建立了基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)和曲線擬合以定、轉(zhuǎn)子槽口寬度和單邊氣隙長(zhǎng)度為優(yōu)化變量的線電壓基波幅值和波形畸變率的擬合公式，在其基礎(chǔ)上通過三維粒子群優(yōu)化，獲得了進(jìn)一步優(yōu)化的發(fā)電電動(dòng)機(jī)電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

抽水蓄能；發(fā)電電動(dòng)機(jī)；電磁設(shè)計(jì)；粒子群算法

0 前言

隨著國家清潔能源戰(zhàn)略的發(fā)展，大力發(fā)展可再生能源，實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，是未來可持續(xù)發(fā)展的重要途徑，2030~2050年，將是可再生能源的重要發(fā)展時(shí)期[1-2]。由于許多清潔能源發(fā)電具有間歇性和隨機(jī)性特點(diǎn)，故平抑電源與負(fù)荷的不對(duì)稱峰谷差是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)要求，而抽水蓄能是當(dāng)前能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模削峰填谷，增加電網(wǎng)對(duì)可再生能源發(fā)電消納的最為重要、有效的方式[3]?？勺兯俪樗钅馨l(fā)電電動(dòng)機(jī)相較于常規(guī)定速抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)，具有更寬的水頭適應(yīng)性和更高效的水泵/水輪機(jī)運(yùn)行特性[4]，是未來抽水蓄能電站重點(diǎn)發(fā)展的發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)型。

可變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為繞線型交流勵(lì)磁電機(jī)，由變流器提供轉(zhuǎn)差頻率的三相交流電壓，可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)功率因數(shù)[5]。其優(yōu)勢(shì)在于：可以通過對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)有功、無功的快速調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)峰、調(diào)相，能進(jìn)行負(fù)荷跟蹤，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；還可以使水泵水輪機(jī)運(yùn)行于最佳水頭，有效減小振動(dòng)、腐蝕和泥沙磨損，延長(zhǎng)水泵水輪機(jī)壽命，可以使水泵水輪機(jī)和發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于最優(yōu)效率[6-7]。

通過分析國內(nèi)外研究文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，粒子群優(yōu)化算法在多領(lǐng)域均有成功應(yīng)用，文獻(xiàn)[8]采用基于群體的標(biāo)準(zhǔn)粒子群優(yōu)化技術(shù)獲得了最優(yōu)的無功規(guī)劃解。文獻(xiàn)[9]提出了柯西突變瘋狂粒子群算法和高斯突變瘋狂粒子群算法，并分別引入了柯西突變和高斯突變的概念。文獻(xiàn)[10]提出在粒子群算法中引入一種新的約束因子，稱為指數(shù)約束因子的改進(jìn)粒子群算法。文獻(xiàn)[11]提出了基于斜坡速率壓縮因子的粒子群算法和基于電磁的粒子群算法，并將其應(yīng)用于求解電磁場(chǎng)問題。文獻(xiàn)[12]提出了采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法來改進(jìn)NOMA系統(tǒng)。文獻(xiàn)[13]利用差分進(jìn)化法對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了PI控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以改善雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)在干擾下的性能。文獻(xiàn)[14]利用智能優(yōu)化粒子群算法來搜索最優(yōu)的磁懸浮電機(jī)尺寸參數(shù)。文獻(xiàn)[15]基于有限元法優(yōu)化了復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)[16]基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化分析，采用了響應(yīng)面法和單參掃描法等多種優(yōu)化方法相結(jié)合的方式來對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

上述論文的研究對(duì)象多為籠型感應(yīng)電機(jī)和永磁同步電機(jī)，對(duì)于其他類型電機(jī)的性能優(yōu)化鮮有涉及。本文提出交流勵(lì)磁電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)要求，以電機(jī)的效率、成本為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)降低材料成本，提高電機(jī)效率的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并在優(yōu)化電磁方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了空載線電壓波形畸變率的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 交流勵(lì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)原理

1.1 設(shè)計(jì)流程

交流勵(lì)磁電機(jī)電磁設(shè)計(jì)主要包括選型和結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算，磁路計(jì)算，電磁參數(shù)計(jì)算，損耗計(jì)算，效率計(jì)算和溫升計(jì)算等部分。選型和結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算主要包括額定數(shù)據(jù)（定子額定功率、定子額定電壓、定子額定頻率、定子額定功率因數(shù)、額定轉(zhuǎn)差率、極數(shù)、定轉(zhuǎn)子相數(shù)及繞組連接方式等）、定子和轉(zhuǎn)子基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（定、轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑及其槽數(shù)、槽形及槽尺寸等）、定子和轉(zhuǎn)子繞組數(shù)據(jù)（線規(guī)、絕緣、節(jié)距、并聯(lián)支路數(shù)等）。其中定、轉(zhuǎn)子槽配合對(duì)電機(jī)附加損耗、附加轉(zhuǎn)矩、振動(dòng)和噪聲等影響很大，因此在選擇時(shí)必須慎重。

交流勵(lì)磁電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算基本與普通繞線式異步電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)不同于籠型異步電機(jī)，磁路計(jì)算部分稍有不同，其空載磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子勵(lì)磁建立。整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的過程，既要考慮材料的節(jié)省，又要滿足各項(xiàng)電磁性能，但兩者又相互矛盾，故需要通過合理的設(shè)計(jì)和適當(dāng)?shù)膬?yōu)化來獲得電磁性能和成本均良好的設(shè)計(jì)方案。為了方便了解交流勵(lì)磁電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)過程，下面給出了此電機(jī)的設(shè)計(jì)分析流程，如圖1所示。

圖1 交流勵(lì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)流程

1.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

極數(shù)和相數(shù)在電機(jī)選型時(shí)便已確定，定子的槽數(shù)由其每極每相槽數(shù)1決定，1的大小對(duì)電機(jī)的參數(shù)、附加損耗、溫升及絕緣等都有很大影響。當(dāng)增大1時(shí)：

（1）使定子諧波磁場(chǎng)減小，附加損耗降低，致使諧波漏抗減??；

（2）槽數(shù)增加，使每槽導(dǎo)體數(shù)減小，槽漏抗減小，但槽高和槽寬的比例增大，使槽漏抗增大；

（3）槽中總散熱面積增大，有利于散熱；

（4）槽絕緣增加，槽利用率降低。

因此，在選擇槽數(shù)時(shí)應(yīng)對(duì)各方面影響綜合分析，一般來說，1可在2~6之間選取。分?jǐn)?shù)槽繞組可以改善電動(dòng)勢(shì)波形，在水輪發(fā)電機(jī)中廣泛應(yīng)用，同樣適用于交流勵(lì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)，但是分?jǐn)?shù)槽繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)中含有一系列分?jǐn)?shù)次諧波，在某些情況下會(huì)和主極磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生一系列電磁干擾力。當(dāng)干擾力頻率和機(jī)座固有振動(dòng)頻率相同時(shí)會(huì)引起共振，導(dǎo)致較大的振動(dòng)和噪聲甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)件損壞。

在不同容量和定子額定電壓下，定轉(zhuǎn)子的槽形選擇不同，可分為梨形槽、梯形槽、半開口槽和開口槽。本文設(shè)計(jì)的交流勵(lì)磁電機(jī)目標(biāo)容量為10MW、定子電壓為10.5kV，定子采用開口槽較為合理，其槽口大，槽口對(duì)氣隙磁場(chǎng)影響較大，空載雜散損耗高，槽形為平行槽，齒根處磁密較高，但嵌線方便，絕緣可靠性高。對(duì)于開口槽寬，選擇寬槽時(shí)槽漏抗較小，但齒的利用率會(huì)下降，若氣隙較小，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)勢(shì)波形畸變加??；選擇窄而深的槽可以有效縮短鐵芯長(zhǎng)度，節(jié)省材料。在選擇槽寬和槽深時(shí)，要注意使鐵芯齒部和軛部的磁密保持在合理的數(shù)值范圍內(nèi)。交流勵(lì)磁電機(jī)的氣隙磁密、定轉(zhuǎn)子齒部和額定磁密選取范圍見表1。

表1 Bd、Bts、Bcs、Btr、Bcr的可選值

2 交流勵(lì)磁電機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 粒子群優(yōu)化算法

在1995年，由Eberhart和Kennedy博士提出粒子群算法（particle swarm optimization, PSO），與其他智能優(yōu)化算法相比，其算法簡(jiǎn)單、效率高、搜索速度快。粒子群算法是通過觀察鳥群覓食訊息傳遞所得到的啟發(fā)。在算法中，每個(gè)個(gè)體為一個(gè)粒子，代表一個(gè)可行解。設(shè)定P為第個(gè)粒子的位置，根據(jù)所設(shè)定的適應(yīng)度函數(shù)來計(jì)算P的適應(yīng)值，來衡量此粒子位置的優(yōu)劣；V為粒子的飛行速度，即單位時(shí)間粒子的移動(dòng)距離；Pbestp為粒子找到的最優(yōu)位置；Pbestg為粒子群找到的最優(yōu)位置，即全局最優(yōu)位置。

在粒子每次迭代中，其更新公式為：

式中，為迭代次數(shù)；為慣性權(quán)重系數(shù)；1、2為學(xué)習(xí)因子；()為0~1的隨機(jī)數(shù)。

2.2 電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于交流勵(lì)磁電機(jī)的設(shè)計(jì)原理，利用Matlab編制交流勵(lì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)腳本，此腳本以效率和磁路飽和系數(shù)為循環(huán)迭代，從主尺寸確定到磁路計(jì)算再到參數(shù)計(jì)算，最后進(jìn)行損耗和效率計(jì)算，電機(jī)設(shè)計(jì)方案隨其中可變參數(shù)的變化而變化。利用Matlab將公式（1）編入腳本，并將其植入交流勵(lì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)腳本，選取其中可變的三個(gè)設(shè)計(jì)變量：每極每相槽數(shù)1、定子槽寬s、轉(zhuǎn)子槽寬r作為被優(yōu)化變量。由前文可知，此三個(gè)變量的選取對(duì)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的影響非常大，故以此為優(yōu)化變量，即為粒子群算法中的三維粒子。1變化范圍取3~6，s變化范圍取0.45~0.55倍定子槽距s，r變化范圍取0.45~0.55倍轉(zhuǎn)子槽距r。將粒子個(gè)數(shù)選定為100，迭代次數(shù)選定為100，共進(jìn)行了10000次方案設(shè)計(jì)，采用三維粒子群算法，將電機(jī)的效率和成本按式（2）建立關(guān)系，并將其作為電機(jī)的目標(biāo)函數(shù)。在該函數(shù)中，將效率設(shè)定為主影響因子，成本Cost設(shè)定為次要影響因子，以此來獲得高效率和低成本的電磁設(shè)計(jì)方案。

（1）效率

電機(jī)的效率指輸入功率和輸出功率的關(guān)系，也是電功率和機(jī)械功率的轉(zhuǎn)換關(guān)系，求解方程如下所示：

式中，out為輸出功率；St為電機(jī)的損耗功率之和，主要包含鐵芯損耗、繞組損耗、機(jī)械損耗、風(fēng)摩損耗以及雜散損耗。

（2）成本

本文考慮的電機(jī)主要成本包含定、轉(zhuǎn)子鐵芯和繞組成本，具體計(jì)算如下：

式中，F(xiàn)e為定、轉(zhuǎn)子鐵芯總重量；Fe為鐵芯單價(jià)；Cu為定、轉(zhuǎn)子繞組總重量；Cu為繞組單價(jià)。

通過同時(shí)對(duì)電機(jī)鐵芯和繞組成本進(jìn)行優(yōu)化可以達(dá)到合理分配鐵芯尺寸和繞組設(shè)計(jì)的效果，優(yōu)化結(jié)果如圖2所示。由圖可知，橫坐標(biāo)為三個(gè)變量的變化范圍，縱坐標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過迭代后，目標(biāo)函數(shù)值逐漸降低，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)取得最低值時(shí)，三個(gè)變量有1=4.44、10s/s=4.51、10r/r=4.51。但由于每極每相槽數(shù)在選取時(shí)要考慮繞組分布合理性和端部繞組的連接問題，故選1=4.5，此時(shí)定子槽寬s=17mm，轉(zhuǎn)子槽寬r=21.7mm，方案較優(yōu)。

圖2 優(yōu)化結(jié)果

2.3 電機(jī)設(shè)計(jì)方案

優(yōu)化后10MW交流勵(lì)磁電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案與原始方案對(duì)比見表2。從表中可以看到定、轉(zhuǎn)子的熱負(fù)荷均在合理的范圍內(nèi)，且效率和成本均明顯變優(yōu)。

表2 交流勵(lì)磁電機(jī)電磁設(shè)計(jì)方案

3 交流勵(lì)磁電機(jī)空載性能優(yōu)化

3.1 有限元建模

在此10MW可變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的電磁性能計(jì)算和分析。由于此臺(tái)電機(jī)定子繞組每極每相槽數(shù)為4.5，因此有限元計(jì)算中建立了一對(duì)極。定義10MW交流勵(lì)磁電機(jī)內(nèi)外表面弧ab和gh為一類齊次邊界條件，定義ac、bd、eg、fh為整周期邊界條件，如圖3所示。其瞬態(tài)磁場(chǎng)用矢量磁位描述，方程為：

圖3 有限元模型

將上述方程進(jìn)行空間和時(shí)間的數(shù)值離散，可得到描述瞬變電磁場(chǎng)問題的時(shí)域離散方程。按此方程用有限元仿真軟件Maxwell進(jìn)行瞬態(tài)過程的模擬，即可得到發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的電磁仿真結(jié)果。

3.2 空載性能分析

采用時(shí)變電磁場(chǎng)有限元法對(duì)此電機(jī)空載磁場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，由此獲得其空載磁場(chǎng)分布和磁密分布，如圖4所示，同時(shí)得到空載電壓波形，如圖5所示。

圖4 某一時(shí)刻電機(jī)磁場(chǎng)分布和磁密分布

圖5 空載三相線電壓波形

從圖4中可以看出，定子齒尖處磁密略微飽和，定子齒和軛部磁密不高。由于交流勵(lì)磁電機(jī)定子繞組直接與電網(wǎng)連接，且轉(zhuǎn)子側(cè)由變流器供電，導(dǎo)致定子側(cè)含有復(fù)雜的諧波，為保證電網(wǎng)的波形質(zhì)量，需確保交流勵(lì)磁電機(jī)定子端線電壓正弦性波形畸變率在有限的范圍內(nèi)，且越小越好。波形畸變率的計(jì)算公式如下：

式中，U為次諧波電壓的有效值；1為基波電壓有效值。

對(duì)圖5中的線電壓進(jìn)行傅里葉分解，可以獲得諧波電動(dòng)勢(shì)，如圖6所示。經(jīng)過計(jì)算，可得波形畸變率為1.8%。

圖6 諧波電動(dòng)勢(shì)幅值

3.3 空載性能優(yōu)化

由于前文的電磁計(jì)算程序無法實(shí)現(xiàn)空載線電壓波形畸變率的優(yōu)化，而對(duì)于轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁的可變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)而言，其機(jī)端開路電壓波形畸變尤為重要，直接影響并網(wǎng)的電能質(zhì)量。故本文除研究了純路算結(jié)合粒子群算法外，還創(chuàng)新性地提出采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)+多元多次曲線擬合+粒子群優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，使有限元結(jié)合粒子群優(yōu)化算法得以實(shí)現(xiàn)。

20世紀(jì)20年代開始，費(fèi)希爾(R.A.Fisher)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法逐漸得到廣泛的發(fā)展，統(tǒng)計(jì)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多非常有效的試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)。本文利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取交流勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)的三個(gè)變量：定子槽口寬度s、單邊氣隙長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)子槽口寬度r作為被優(yōu)化變量。原方案中，s取17mm，取7.1mm，r取21.7mm，現(xiàn)分別在其±10%范圍內(nèi)選取5個(gè)值進(jìn)行仿真，結(jié)果見表3。

表3 不同結(jié)構(gòu)方案下波形畸變率

利用Matlab編制多維變量擬合腳本，利用表3中13個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的仿真結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，輸入變量分別為定子槽口寬度1、單邊氣隙長(zhǎng)度2和轉(zhuǎn)子槽口寬度3，輸出變量為線電壓基波幅值1和波形畸變率2。自定義擬合二元二次方程為：

經(jīng)數(shù)據(jù)擬合計(jì)算，線電壓基波幅值1、波形畸變率2所對(duì)應(yīng)的擬合系數(shù)見表4。

表4 擬合系數(shù)

本文在優(yōu)化時(shí)，選取定子槽口寬度s的變化范圍為14~20mm，單邊氣隙長(zhǎng)度的變化范圍為4~10mm，轉(zhuǎn)子槽口寬度r的變化范圍為18~24mm，將粒子個(gè)數(shù)選定為400，迭代次數(shù)選定為400，采用三維粒子群算法，將電機(jī)的線電壓基波幅值1、波形畸變率2按式（8）建立關(guān)系，為電機(jī)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。在這個(gè)目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)中，將2設(shè)定為主影響因子，1設(shè)定為次要影響因子，以此獲得低波形畸變率和高線電壓基波幅值的方案。

優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。對(duì)于該圖的分析，采用與圖2一致的方法，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)取最低值時(shí)，三個(gè)變量取值分別為bs=14.51mm、g=10mm、br=18mm。

優(yōu)化前后電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖8所示，線電壓對(duì)比如圖9所示。優(yōu)化前后電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、線電壓基波幅值和波形畸變率對(duì)比見表5。從表中可以看出，定子槽寬縮小，氣隙增大，轉(zhuǎn)子槽寬變小，有利于減小波形畸變率，但是會(huì)導(dǎo)致線電壓基波幅值減小，可以通過增大勵(lì)磁電流來彌補(bǔ)，對(duì)于通過變流器勵(lì)磁并網(wǎng)的交流勵(lì)磁電機(jī)而言，減小線電壓波形畸變率有著重要意義。由前文可知，本節(jié)中進(jìn)一步優(yōu)化空載線電壓波形畸變率的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致一定的效率下降和成本提升，但電機(jī)電磁設(shè)計(jì)中以電磁性能為主，可以適當(dāng)犧牲部分效率和成本。新的可變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)方案見表6。

圖9 優(yōu)化前后線電壓對(duì)比

表5 電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比

表6 交流勵(lì)磁電機(jī)電磁設(shè)計(jì)方案

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)10MW交流勵(lì)磁電機(jī)，基于Matlab編制了交流勵(lì)磁電機(jī)設(shè)計(jì)腳本并植入粒子群優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)了降低材料成本，提高電機(jī)效率的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在基于路算程序設(shè)計(jì)的電磁方案基礎(chǔ)上創(chuàng)新性提出采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)+多元多次曲線擬合+粒子群優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，使有限元結(jié)合粒子群優(yōu)化算法得以實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化了空載線電壓波形畸變率，優(yōu)化結(jié)果表明，波形畸變率由1.80%降低到0.74%，形成了新的10MW可變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)方案。本文所用的電磁設(shè)計(jì)優(yōu)化方法既適用于電機(jī)設(shè)計(jì)路算程序優(yōu)化，又可推廣至其他有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)中，具有普適性，對(duì)于電機(jī)電磁設(shè)計(jì)和電機(jī)電磁性能分析具有重要意義。

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Optimized Electromagnetic Design of Variable Speed Pumped-storage Generator-motor based on Particle Swarm Optimization Algorithm

HU Jinming1,2, TAO Dajun1,2, SUN Yutian2, LI Guifen2, HU Gang2, ZHANG Chunli2, HAN Jichao1,2

(1. National and Local Joint Engineering Research Center of Large Electric Machines and Heat Transfer Technology(Harbin University of Science and Technology), Harbin 150080, China;2. State Key Laboratory of Hydropower Equipment(HILEM), Harbin 150040, China)

This article combines the index and operating characteristics of the variable speed pumped storage generator-motor, on the basis of studying its design process and design points, takes a 10MW AC excitation generator motor as an example, based on the particle swarm optimization algorithm, the efficiency and cost of the motor are optimized design goals. Under the condition of ensuring that the thermal load meets the ventilation requirements, the number of slots per pole per phase and the stator slot optimum design is carried out for the width and rotor slot width, which achieves the design goal of reducing material cost and improving efficiency, and forms the electromagnetic design scheme of AC excitation generator-motor. Through the analysis of the no-load characteristics of the electromagnetic scheme of the motor, an optimized design scheme for the problem of excessively high distortion rate of the no-load line voltage waveform is proposed. Based on the experimental design and curve fitting, the fitting formula of the linear voltage fundamental wave amplitude and the waveform distortion rate is established, which takes the width of the stator and rotor slots and the length of sided gap as variables. A further optimized electromagnetic optimization design scheme of the generator-motor is obtained through three-dimensional particle swarm optimization.

pumped storage; generator-motor; electromagnetic design; particle swarm algorithm

TM301.4

A

1000-3983(2021)01-0040-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51407050，51777048）

2020-07-01

胡金明（1992-），2015年本科畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)就讀于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士研究生，主要從事電機(jī)電磁場(chǎng)及電機(jī)動(dòng)態(tài)過渡過程的分析和研究工作，助理工程師。