PDF《多电源并联运行的效率优化控制方法》

多电源并联运行的效率优化控制方法 张强1 ,王言畅1 ,王锐2 ( 1.

哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江省哈尔滨市

1 5

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0 1;

2. 中兴通讯股份有限公司,广东省深圳市

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0 1 ) 摘要:目前, 由多个电源并联运行所构成的大容量电源系统, 多采用的是均流控制策略来实现其内 部多个电源单体间的负荷分配.均流控制虽然可以提高电源系统运行的可靠性, 但是由于各个电 源单体效率特性的差异, 致使电源系统在运行过程中的总体效率无法达到最优, 造成了能源的浪 费.以效率优化为目标的复合式负荷分配控制策略, 在动态调节过程中, 利用均流技术确保安全运 行, 在稳态运行时, 通过对负荷分配方案的优化, 可以实现电源系统的总体效率最优控制, 进而提升 电源系统的运行性能. 关键词:并联运行;

效率优化;

负荷分配;

优化算法 收稿日期:

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0 1;

修回日期:

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0 2. 上网日期:

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0 3. 国家自然科学基金国际合作与交流项目(

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0 1 3) ;

高 技术船舶科研项目 高性能电动甲板吊机研制 .

0 引言 在电力系统中为了满足大容量的需求, 经常会 出现多个电源( 包括储能装置) 并联运行的情况.对 于这种由多个电源构成的电源系统, 目前大多采用 均流控制[

1 -

6 ] 来实现其内部多个电源单体间的负荷 分配, 进而确保电源系统的安全运行.但是电源单 体效率特性的差异( 例如不同厂 家、 不同 型号的电 源, 即使设计参数、 具体结构完全一样的电源, 由于 内部器件老化、 寄生参数不同等因素的存在, 其效率 特性也必然存在一定差异) 致使均流控制并不能使 电源系统的稳态运行效率达到最优, 对于大功率电 源系统来说, 微小的效率差异都意味着大量能量的 浪费.近几年来, 通过合理的负荷分配来优化并联 电源的效率问题已经开始引起了研究人员的重视, 并进行了相关研究[

7 -

1 3 ] . 文献[

7 ] 针对并联变换器系统, 基于单个变换器 的效率曲线, 采用穷举优化算法优化不同负载功率 时各并联变换器的最优功率分配值, 并通过离线优 化、 在线查找方式来提高优化速度.但离线优化的 处理方式限制住了该控制方法的灵活性. 文献[

8 ] 针对并联的电源, 利用物理关系建立一 系列数学模型, 并进行参数辨识, 根据一系列数学推 导完成对并联直流电源系统效率最优的负荷分配控 制.但是该控制方法存在以下几个问题: 一是建立 的数学模型过于理想化, 只能通过储能电感串联不 同电阻来改变电源的效率特性;

二是控制系统未加 控制器, 占空比依靠数学计算获取, 若对系统参数辨 识不准确, 必然会导致电源系统的输出产生误差. 文献[

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1 1 ] 也提出了利用不均流的负荷分配来 提升并联直流电源效率的控制策略, 其思想为: 若n 个电源并联, 以总的负载电流值以及每个电源模块 在效率最 优运行时的输出电流值为依据, 令其中m-1个电源模块工作在各自的效率最优运行点, 使第 m 个电源模块来承担剩下的负载电流, 而剩下 的n-m 个电源模块则不工作, 进而实现系统效率 最优.但是该方法所提出的电源效率数学表达式中 涉及到电源电路的寄生参数, 在实际情况下寄生参 数的获取相当困难, 因此相关研究仍只局限于理论 上的分析. 在国内的相关研究中, 以文献[

1 2] 的研究成果 具有代表性, 其利用联立方程求解的方法获得电源 的效率特性, 并将多电源间的效率优化归纳为最小 值求解的数学问题.但是研究中并没有涉及在采用 效率优化控制时, 如何解决电源系统动态调解过程 中的安全性等问题. 针对目前的研究现状及相关技术的不足, 结合 直流微网的具体科研项目, 本文以两个直流电源并 联所构成的电源系统为研究对象, 针对电源的效率 特性分析及其数学表达式、 寻优算法设计等具体问 题展开研究, 同时考虑到电源运行过程中存在有动 态和稳态等多种工况, 设计出复合控制策略, 既可以 确保动态过渡过程中每个电源单体的安全性, 又可 以实现稳态运行时的总体效率最优控制.

6 9 第4 2卷第1 7期2018年9月1 0日Vol.42N o .

1 7S e p t .

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1 h t t p : / / ww w. a e p s - i n f o . c o m

1 直流电源效率特性拟合 直流电源电路的形式多种多样, 本文以典型的 B u c k电路为例进行分析和研究.B u c k电路中的损 耗主要由电感损耗、 电容损耗、 功率开关器件和二极 管的导通损耗, 以及开关损耗等组成, 在直流电源输 入、 输出电压不变, 并且忽略环境温度对电路参数的 影响, 以及寄生参数的非线性特性的前提下, 可认为 直流电源的功率损耗只与电源的输出电流有关, 即 可以将直流电源的效率特性看作是效率关于其输出 电流的函数[

1 4 -

1 7] .由于大多数寄生参数的 不可测性, 因此无法利用公式直接绘制出电源的实际效率 特性曲线, 只能在实验的基础上, 通过数据点拟合的 方法获得近似效率特性曲线. 本文为了实现对电源系统总效率的分析, 采用 利用正交多项式最小二乘法对离散采样数据进行拟 合的技术方案来获取每一个电源单体的效率特性. 为了验证该方案的效果, 本文在仿真环境下搭建了 两个 B u c k电路型电源, 这两个电源的 B u c k电路基 本参数一致: 输入电压Ui n=2

5 0V;

输出电压Uo u t=

1 0 0V;

电感L=1 5mH;

电容C=2

5 0μ F, 但是电路 中的寄生参数数值不同.采用电压电流双闭环控制 策略, 仿真并记录了每个电源的7组稳态输出电流 和对应的效率数据, 如表

1 所示.分别采用

5 次、 4次、 3次正交多项式最小二乘法进行拟合, 得到两 个直流电源的拟合的效率特性曲线如图1所示. 表1 仿真环境下效率与输出电流 T a b l e1 E f f i c i e n c ya n do u t p u t c u r r e n t i ns i m u l a t i o n 负载电流/ A 电源1的效率/% 电源2的效率/% 2.

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8 8.

8 9 虽然在仿真模型中, 各个器件的寄生参数可作 为已知参数, 但是由于效率特性的函数表达式中包 含有占空比 D, 并且电感电流也不是恒定值, 因此 仿真中也无法利用函数表达式直接得到精准的效率 特性曲线, 故在图1中无法给出实际效率特性曲线 用于比较.由图1可以看出, 拟合多项式的次数越 多, 与实际数据的拟合精度就越高, 采用5次正交多 项式最小二乘拟合时, 拟合的效率特性曲线与实际 效率运行点具有很好的重合度.因此综合考虑计算 工作量和拟合精度等因素, 最终选择利用5次正交 多项式拟合曲线作为直流电源的效率特性, 进而分 别得到 并联系统中两个直流电源单体的效率η1(Io 1) 和η

2 ( Io 2) 如式(

1 ) 所示: η

1 ( Io 1) =m0+m1 Io 1+m2 I

2 o 1+…+m5 I

5 o

1 η

2 ( Io 2) = n0+ n1 Io 2+ n2 I

2 o 2+…+ n5 I

5 o

2 { (

1 ) 式中: mi 为电源1效率特性拟合的多项式系数;

n i 为电源2效率........