快速全局优化算法及其在高温超导储能磁体中的应用

论文摘要

随着高温超导材料技术的进步,以及电力系统发展的新需求,高温超导储能系统(HTS—SMES)已日臻成熟并步入实用化。现阶段这一高新技术成果的研发,其前沿性的关键技术之一聚焦于高温超导磁体的优化设计。 本文对归属随机类优化算法的粒子群算法(PSO)进行了有工程实用价值的改进研究。所构造的改进算法汲取了模拟退火算法的“上山性”,并融合了交叉和变异算子,从而为快速全局优化提供了一种性能更趋完善的新方法。在严格论证的基础上,本文首次成功应用该快速全局优化新算法解决了高温超导储能磁体的优化设计问题。 其次,为了解决现有全局优化算法不能同时兼顾设计精度和计算效率的矛盾,本文提出了两种各具特色的表面响应模型(RSM):所提出的基于MQ函数的张量基构造高维径向基函数(RBF)的新方法,有效地提高了所构造RSM模型的精度;所提出的基于移动最小二乘法(MLS)的RSM,计算实例验证了本文的新见解具有灵活、可靠,可根据采样点分布自动调节支撑区间的能力。 本文进一步提出了基于表面响应模型(RSM)与随机类优化算法相结合的一类新的快速全局混合优化算法。实例证明,这类混合算法既能有效地减少优化计算中有限元分析的解算次数,又能保证所搜索到的解为全局最优解。 基于理论分析研究,本文建立了单螺线管型、轴线平行式组合螺线管系统和环状螺线管系统三类磁体的电磁场、储能和电感参数的计算模型及其数值解,以及力场的数值计算方法。其中,对环状螺线管系统的磁场所建立的高精度的数值计算模型和方法,突出体现了作者的新见解。 本文以已投入运行的35KJ/7KW高温超导储能磁体为样本,进行了系统的对比性研究,确证了本文在高温超导磁体优化设计领域中独立完成的理论分析的方法及其相关的计算公式,并以本文提出的PSOC快速全局优化算法的工程应用,成功地对35KJ/7KW高温超导储能磁体进行了优化设计,并完成了300MJ/100MW高温超导磁体概念设计的探索性研究。 最后,本文还对减小超导磁体端部径向分量B_ρ专题进行了初步的研究,以便最大限度地提高超导磁体运行的工作电流,进而提高装置的储能能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超导磁储能系统（SMES）
• 1.2.1 超导现象和超导体的基本特性
• 1.2.2 超导材料
• 1.2.3 SMES的构成
• 1.2.4 SMES的发展现状
• 1.3 优化算法
• 1.3.1 最优化问题及其求解方法
• 1.3.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 随机类全局优化算法研究
• 2.1 模拟退火算法
• 2.1.1 算法的基本原理
• 2.1.2 算法的实现
• 2.1.3 模拟退火算法的优、缺点
• 2.2 禁忌搜索算法
• 2.2.1 算法的基本原理
• 2.2.2 算法的实现
• 2.2.3 禁忌搜索算法的优、缺点
• 2.3 粒子群优化算法
• 2.3.1 算法的基本原理
• 2.3.2 改进的PSO算法
• 2.3.3 数学函数验证
• 2.3.4 应用实例—Team Workshop 问题22
• 2.4 本章小结
• 第三章 表面响应模型
• 3.1 表面响应模型
• 3.1.1 基本原理
• 3.1.2 常用的基函数及其优、缺点
• 3.1.3 形状参数h的自适应调节
• 3.2 改进的径向基函数
• 3.2.1 改进的径向基函数
• 3.2.2 决策变量空间的处理
• 3.2.3 应用算例及分析
• 3.3 基于移动最小二乘法的表面响应模型
• 3.3.1 移动最小二乘法
• 3.3.2 权函数的选取
• 3.3.3 基准函数验证及分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于表面响应模型和随机类优化算法的快速全局优化算法研究
• 4.1 基于改进径向基函数的表面响应模型和禁忌算法的快速全局优化算法
• 4.1.1 算法描述
• 4.1.2 采样点的选取
• 4.1.3 函数验证
• 4.1.4 应用实例—空心螺线管的结构优化
• 4.2 基于MLS的表面响应模型和粒子群算法的快速全局优化算法
• 4.2.1 算法描述
• 4.2.2 基准函数验证
• 4.2.3 应用实例—Team Workshop 问题22
• 4.3 本章小结
• 第五章 高温超导储能磁体的分析和计算
• 5.1 单螺线管型超导磁体
• 5.1.1 单螺线管的磁场分布
• 5.1.2 空心圆柱线圈能量及电感的计算
• 5.2 轴线平行式的组合螺线管型超导磁体
• 5.2.1 轴线平行式的组合四螺线管系统的磁场
• 5.2.2 轴线平行式组合四螺线管系统的能量及电感计算
• 5.3 环状螺线管型超导磁体
• 5.3.1 理想的环状螺线管型系统的磁场分布及能量计算
• 5.3.2 非理想的环状螺线管型系统的磁场分布及能量计算
• 5.4 超导储能磁体的磁场力计算
• 5.5 超导储能磁体的应力校验
• 5.6 本章小结
• 第六章 高温超导储能磁体的优化设计
• 6.1 引言
• 6.2 35KJ/7KW高温超导储能磁体的优化设计
• 6.2.1 35KJ磁体分析
• 6.2.2 35KJ磁体的优化设计
• 6.3 300MJ/100MW储能磁体的优化设计
• 6.3.1 轴线平行式的四个组合型螺线管系统
• 6.3.2 300MJ/100MW环状螺线管型储能磁体的优化设计
• ρ专题的初步研究'>6.4 减小超导磁体端部径向分量B_ρ专题的初步研究
• 6.4.1 端部双饼并联结构的螺线管场分布及能量的计算
• 6.4.2 端部呈外台阶状的螺线管场分布及能量的计算
• 6.4.3 两种端部结构下单螺线管线圈的优化设计
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表和录用的论文
• 致谢