(全文收藏)电能路由器设计自动化综述:设计流程架构和遗传算法

本文摘要:电能路由器在未来能源互联网、泛在电力物联网等领域具有广泛的应用前景,具有多级联、多端口、多流向和多形态的特征,这些特征给传统人工设计带来诸多灾题。电力电子设计自动化有望克服设计目的权衡难题、裕量设计浪费成本、硬件迭代耗时耗力、设计自动化水平低等挑战。在宽禁带器件蓬勃生长、盘算机性能快速迭代、变换器应用场景延伸细化的三重推进下,电力电子设计自动化有望实现设计集成化、精致化和快速化。

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电能路由器在未来能源互联网、泛在电力物联网等领域具有广泛的应用前景,具有多级联、多端口、多流向和多形态的特征,这些特征给传统人工设计带来诸多灾题。电力电子设计自动化有望克服设计目的权衡难题、裕量设计浪费成本、硬件迭代耗时耗力、设计自动化水平低等挑战。在宽禁带器件蓬勃生长、盘算机性能快速迭代、变换器应用场景延伸细化的三重推进下,电力电子设计自动化有望实现设计集成化、精致化和快速化。电能路由器设计问题可以抽象为多学科优化问题,该问题数学性质差、问题规模大,传统优化算法难以胜任,而遗传算法在解决此类优化问题上性能优异。

电力系统及发电设备宁静控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)的研究人员袁立强、陆子贤、孙建宁、段任之、赵争鸣,在2020年第18期《电工技术学报》上撰文,在系统总结当前主流的电力电子系统的设计流程和设计软件架构的基础上,分析了遗传算法解决电力电子设计自动化问题的适用性,总结了电能路由器设计自动化潜在的问题和挑战,并给出相应的建议。本文约1万3千字,建议读者收藏后品读。陪同着新能源渗透率逐年提高,能源互联网和泛在电力物联网生长方兴未艾,电气化交通、数据中心等新型负荷层出不穷,储能技术在能源优化设置中的重要性与日俱增,当前电力系统亟需综合生长“源—网—荷—储”协同优化,对电能转换与能量互联设备提出了更高要求。电力电子变压器以及由此生长出的电能路由器具有多端口、多级联、多流向和多形态等全新特征,在未来开放、互联、对等、分享的电网格式下具有准确、一连、快速、灵活的调控手段,但同时电力电子变压器和电能路由器的功效和运行纪律更为庞大,面临越发严格和精致化的性能要求。

传统人工设计在解决设计问题时遇到颇多难题。首先明确本文将讨论的电力电子设计的研究规模,在流程上介于电力电子变换器功效指标确定之后,硬件试制组配调试之前的原理分析、多物理场仿真以及性能分析阶段。

在电力电子拓扑、参数、控制层面处于笼罩参数设计和控制参数设计两个层面,可以明白为在确定了拓扑方案和控制方案以后的元件参数与控制参数寻优设计,固然电力电子设计自动化也在生长,未来可能在智能拓扑选择和控制方案选择上取得突破,现在也可以处置惩罚简朴的方案对比问题,只是需要使用多套优化模型举行多次优化比力效果。在传统人工的电力电子变换器设计流程中,每个步骤都需要工程师举行局部的优化设计和迭代寻优,并通过仿真或实验的方法举行分析验证,最终保证设计出的电力电子变换器满足要求,如图1所示。这样做的缺点在于:图1 传统人工设计流程(1)由于分步举行局部优化,散热、磁路、机械和滤波器设计位于辅助角色,无法与电路参数和控制参数实现综合分析,纵然有局部的联立耦合设计,获得的效果并非全局最优。

(2)设计要求之间存在矛盾,难以实现定量的权衡取舍。(3)电、热、磁、机械等多物理场相互耦合,电力电子开关瞬态历程非理想,各时间尺度特性相互影响,依赖人工难以同时满足所有限制条件。(4)依赖硬件实验的评估和迭代方法严重泯灭时间、人力和物力,设计历程效率低下,投资较大。

(5)变换器设计目的更改或增减时,需要重复整个历程,自动化水平低。电力电子设计自动化有望解决上述问题。

虽然该项技术仍处于起步阶段,学术界和工业界尚未对设计方法和设计工具形成广泛的共识。但在宽禁带器件高速生长和变换器应用场景延伸细化的双重推进下,在设计需求愈加庞大化、精致化、系统化的趋势下,电力电子设计自动化正在获得越来越多研究者和专家的关注。

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2018年,第一届电力电子设计自动化研讨会(Design Automation for Power Electronics workshop, DAPE)在美国波特兰召开,集会上全球各学术机构、设备制造商和盘算机辅助设计软件提供商举行了热烈的先容和交流,第二届DAPE将在意大利热那亚召开,电力电子设计自动化的重要性和研究热度不言自明。一般地,提升变换器设计效果、提高设计效率可以从四个方面入手:革新设计流程架构、革新正向模型与特性分析历程、革新寻优算法和高效设计工具的软件实现。在设计流程架构上,电力电子设计自动化将传统单步顺序优化革新为多学科设计优化。

多学科设计优化提供了一种解决庞大耦合问题的数学形貌框架和求解范式,可以处置惩罚电力电子设计历程中电、热、磁、机械等多学科的特性耦合问题。在正向模型与特性分析上,增加建模的庞大度和准确度,同时用盘算机取代人工以淘汰求解历程的耗时,在准确和快速之间钻营平衡。在寻优算法上,同样用盘算机取代人工,或寻找在收敛能力和搜索能力上到达性能较高的算法,提高全局寻优能力和自动化水平。

最后,软件实现提供了实用的设计软件工具,对外实现用户交互,对内完成设计流程自动化调理。在这四方面中,多学科设计优化架构研究成熟,研究结果可以相互借鉴,电力电子学科在正向模型和特性分析方面的研究也汗牛充栋,设计者可以借助设计软件自界说正向问题,但对优化算法的重视水平却不够,这严重局限了设计自动化的生长。早前,经典的寻优算法被应用在电力电子变换器优化设计领域,例如,顺序无约束最小化算法、增广拉格朗日算法。

上述算法的缺点是它们对问题的数学性质有较高的要求,如必须已知梯度或Hessian矩阵等信息。遗憾的是,电力电子变换器的设计问题本质上很是庞大,且不具有好的数学性质,以电能路由器为例来讲:(1)电能路由器的控制特性、高频高速开关特性、母排结构、磁路特性和散热特性存在极强的耦合关系,这代表问题具有极强的非线性,甚至。


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