发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处,提出了兼顾效率和均流性能的并联供电系统模糊控制方法。
本发明的技术方案是:一种兼顾效率和均流性能的并联供电系统模糊控制方法,其步骤如下:
(1)获取K个电源模块组成的并联供电系统负载电流Iout从按照间隔为等间距变化到时,每个电源模块在不同负载电流情况下采集V个输出电流Datacurr(m')(i)(j),输出电压Datavolt(m')(i)(j)和输入功率P(m)(i)(j);其中:m'为电源模块序号;i为负载电流值对应的序号值;j为输出电流采集数据序号;m',i,j满足m'={1,…K},i={1,…U},j={1,…V};IN为电源模块的额定电流;
(2)获取序号为m'的电源模块输出电流与均流期望电流相对偏差数学期望和标准偏差获取K个电源模块在均流期望电流为时的Sm'i平均值获取序号为m'的电源模块在均流期望电流为时效率和效率数学期望获取K个电源模块在均流期望电流为的工况下平均效率
(3)对U个数据点和拟合得出Γ与电源模块负载电流i之间的关系Γ=Ψ(i)及效率η与电源模块负载电流i之间的关系η=Φ(i);
(4)在允许输出电流范围内,获取满足最大的及满足最小的
(5)以周期Ts为间隔计算并联供电系统在线电源模块数量M,并对M个在线电源模块的输出电流进行采集,将第m个序号的在线电源模块的输出电流数据标记为Curr(m),m为当前在线电源模块序号;
(6)获取序号为m的在线电源模块的输出电流数据数组:Curr_store(m)(n)=Curr_store(m)(n+1),Curr_store(m)(T)=Curr(m);其中:n=1,…T-1;m=1,2,3,…M;T为大于2的正整数;
(7)获取序号为m的在线电源模块的输出电流平均值:其中:m=1,2,3,…M;
(8)获取M个在线电源模块组成的并联供电系统的负载电流和在线电源模块均流负载电流
(9)以Ishare为输入,分别获取Ishare与偏离程度隶属度函数的输出μΦ(Ishare)和Ishare与偏离程度隶属度函数的输出μΨ(Ishare);
(10)以μΦ(Ishare)和μΨ(Ishare)为输入,依据模糊控制规则表和模糊推理得出对应控制规则,并依据模糊控制重心法原理解模糊进行精确化计算,获取在线电源模块电流调节量隶属度函数μ(ΔI)的输出电流调节量ΔI的精确值:
(11)判断|ΔI|≤σ是否成立;
(12)步骤(11)中|ΔI|≤σ不成立,则获取并联供电系统在线电源模块预期均流负载电流:Ishare=Ishare+ΔI;
(13)获取在线电源模块的输出电流为参考电流Ishare时的电源模块数量N*,
(14)N*≤1则设置N*=2;反之则获取并联供电系统需调节在线电源模块数量ΔN*=N*-M,并根据ΔN*的正负,集中控制器增加或减少|ΔN*|个在线电源模块;
(15)步骤(11)中|ΔI|≤σ成立,则获取序号为m的在线电源模块的输出电流Curr_store(m)(n)与均流目标值Ishare的偏差θ(m)(n)=Curr_store(m)(n)-Ishare;其中:n=1,…T;m=1,2,3,…M;
(16)获取序号为m的在线电源模块偏差θ(m)(n)的数学期望和标准偏差其中:n=1,…T;m=1,2,3,…M;
(17)则继续下一个在线电源模块电流检测;反之,则标记序号为m的在线电源模块均流性能不符合要求;Cθ为标准偏差最大允许值
(18)将Num个均流性能不符合要求的在线电源模块离线,并从备用电源中启动Num个电源模块工作;继续步骤(5)的操作,其中,Num为标记为均流性能不符合要求的在线电源模块的数量。
步骤(3)应用多项式拟合、曲线拟合方法对U个数据点和进行拟合处理。
步骤(9)中分别通过
获取Ishare与偏离程度隶属度函数的输出μΦ(Ishare)和Ishare与偏离程度隶属度函数的输出μΨ(Ishare),
其中:s={NM,NS,O,PS,PM}, 单位: 单位:单位:
步骤(10)中通过
获得在线电源模块电流调节量隶属度函数μ(ΔI),
其中:s={NM,NS,O,PS,PM}, 单位: 单位:单位:
所述步骤(1)-步骤(4)中
(一)在t∈((i-1)T,iT],(U≥i≥1),电子负载电流为时,并获得电源模块的均流目标参考电流:
(二)获取序号为m'的电源模块输出电流采样数据数据:Datacurr(m')(i)(j),(K≥m'≥1,U≥i≥1,V≥j≥1),并获取其均流相对偏差δ(m')(i)(j):
(三)求取序号为m'的电源模块在条件下相对偏差δ(m')(i)(j)关于j的数学期望Em'i:
(四)求取序号为m'的电源模块在条件下相对偏差δ(m')(i)(j)关于j的标准偏差Sm'i:
Sm'i表示序号为m'的电源模块在条件下的相对偏差的标准偏差;
(五)获取K个电源模块在均流期望电流为时的平均标准偏差:
(六)对U个数据点进行处理得出Γ与电源模块负载电流i之间的关系:Γ=Ψ(i),并在允许输出电流范围内,获取满足负载电流
(七)求取序号为m'的电源模块在条件效率η(m')(i)(j):
(八)获取序号为m'的电源模块在条件下η(m)(i)(j)关于j的数学期望ηm'i为:
ηm'i表示序号为m'的电源模块在条件下的效率的平均值;
(九)获取K个电源模块在均流期望电流为的工况下平均效率:
(十)对U个数据点进行处理得出效率η与电源模块负载电流i之间的关系:η=Φ(i),并在允许输出电流范围内,获取满足的负载电流
本发明的原理主要包含以下部分:首先,获取并联供电系统电源模块平均效率η与电源模块负载电流i的表达式η=Φ(i),并求取Φ(i)最大时对应的负载电流其次,获取并联供电系统电源模块均流标准偏差平均值Γ与电源模块负载电流i之间的表达式Γ=Ψ(i),并求取Ψ(i)最小时对应的负载电流然后,依据Φ(i)和Ψ(i)的特性、专家经验知识及模糊理论,给出以(其中:)和(其中:)为输入量,电源模块输出电流调节量ΔI为控制量的隶属度函数和模糊控制规则表;再次,依据模糊控制策略实时调节在线电源模块数量,确保系统始终工作于最优工作区间;最后,在系统工作于最优工作区间条件下,获取在线运行的每个电源模块输出电流数据,得出输出电流数据与目标均流值偏差的标准偏差,从而判别每个在线运行的电源模块是否满足要求并进行优化调度控制。由于相同规格的电源模块其特性总体保持一致,因而通过测量K(K的大小可由用户确定,本发明K暂定为10)个电源模块组成的并联供电系统在不同负载电流下的均流性能指标即可获得任意N个电源模块组成的并联供电系统在不同负载情况下的均流性能指标。然后,获取运行的每个电源模块的输出电流与目标均流值偏差的标准偏差。在保证电源模块数量最优的前提下依据标准偏差的大小对运行电源模块进行调度控制,确保每个运行的电源模块的性能满足要求。
本发明具有以下优势:
(1)本发明覆盖了负载电流全工作范围工况,具有广泛的适用性;
(2)本发明能综合兼顾并联供电系统效率和均流性能指标,具有显著的经济性和系统可靠性;
(3)本发明在分别获取效率η与电源模块负载电流i之间的表达式η=Φ(i)和均流标准偏差平均值Γ与电源模块负载电流i之间的表达式Γ=Ψ(i)及对应最优点和的基础上,以并联供电系统当前均流值Ishare为输入,求取Ishare与偏离程度隶属度函数的输出μΦ(Ishare)和Ishare与偏离程度隶属度函数的输出μΨ(Ishare),并依据专家知识的模糊控制规则表,得出并联供电系统电源模块期望均流值调节量ΔI,进而调节并联供电系统在线电源模块的数量,确保并联供电系统工作于效率和均流综合性能指标较高水平。
(4)本发明具有实时动态调整在线电源模块数量,确保并联供电系统始终工作于均流最优工作点附近。
(5)本发明在确保并联供电系统效率和均流综合性能处于较高水平目标下,通过计算每个电源模块的输出电流与均流目标值Ishare偏差的标准差,对性能不满足要求的在线电源模块与备用电源模块进行进行优化调度,实现并联供电系统和在线电源模块均工作于性能最优点附近;
(6)本发明所述的兼顾效率和均流性能的并联供电系统模糊控制方法具有可靠性高,实用性强等特点;可有效兼顾并联供电系统均流性能和效率指标,提高系统的运行经济性和可靠性,为并联供电系统安全、高效运行提供可靠保证。
具体实施方式
下面针对附图对本发明的实施例作进一步说明:
本发明提供了兼顾效率和均流性能的并联供电系统模糊控制方法。图1所示为并联供电系统效率和均流综合性能测试系统结构图,图2所示为并联供电系统结构图,图3为模糊控制隶属度函数,图4为模糊规则表。图1主要功能是获取并联供电系统效率与负载电流的函数关系η=Φ(i)和模块均流标准偏差平均值与负载电流的数学关系Γ=Ψ(i),并确定各自的最优负载电流和图1主要包括上位机(PC机)、程控电子负载、电源模块、功率计等。上位机(PC机)主要功能为获取在线模块IP地址、输入功率、模块输出电流、输出功率、控制程控电子负载工作电流、计算η=Φ(i)和Γ=Ψ(i)对应的最优负载电流和程控电子负载用于调节并联供电系统的负载电流;电源模块主要实现接收IP设定、接收上位机命令数据和上传输出电流、输出功率给上位机;功率计主要用于测量在线电源模块的输入功率。图2主要包括并联供电系统集中控制器,电源模块和用电负载。集中控制器通过通信总线获取在线电源模块的IP及其输出电流,优化控制在线电源模块的数量和优化调度性能不合格的电源模块;电源模块主要实现向负载供电、接收集中控制器的运行控制命令及上传输出电流;用电负载主要包含各类用电设备。均流调节功能的实现有无通信总线自主均流方式和有通信总线均流方式,由专门的均流功能模块实现,本发明不赘述。图3a、图3b和图3c为模糊控制隶属度函数,用于给出并联供电系统均流值Ishare与偏离程度隶属度函数的输出μΦ(Ishare)和Ishare与偏离程度隶属度函数的输出μΨ(Ishare)和电源模块均流电流调节量隶属度函数μ(ΔI)。图4为模糊决策规则表,用于对μΦ(Ishare)、μΨ(Ishare)进行模糊决策。
一、并联供电系统效率和均流综合性能测试系统变量说明如下:K为并联供电测试系统电源模块数量,K的具体值可根据实际情况设定。IN为电源模块额定电流;为并联供电系统额定输出电流,满足U为负载电流点数量,即并联供电系统负载电流Iout从按照间隔为等间距变化到(涵盖轻载、半载、额定载及过载工况,U必须为不小于20的正整数,由用户可根据系统工作的最大负载电流值确定);为电子负载在第i点时输出电流,其中:U≥i≥1;m'为电源模块序号,满足:K个电源模块的IP按照从小到大的次序映射为m'=1,2,…K,即m'=1为IP最小的电源模块序号,m'=2为IP次最小电源模块序号,…,以此类推m'=K为IP最大的电源模块序号;V为并联供电系统处于某一负载电流点时需对当单个在线电源模块输出电流、输出电压和输入功率数据采样数量,V可根据实际需要设定大小。Datacurr(m')(i)(j),(K≥m'≥1,U≥i≥1,V≥j≥1)为序号为m'的电源模块在条件下第j个电流采样数据;Datavolt(m')(i)(j),(K≥m'≥1,U≥i≥1,V≥j≥1)为序号为m'的电源模块在条件下第j个输出电压采样数据;P(m')(i)(j),(K≥m'≥1,U≥i≥1,V≥j≥1)为序号为m'的电源模块在条件下第j个输入功率采样数据;η(m')(i)(j),(K≥m'≥1,U≥i≥1,V≥j≥1)为序号为m'的电源模块在条件下计算出来的第j个效率数据,满足:ηm'i为序号为m'的电源模块在条件下V个η(m')(i)(j)的数学期望,满足:Iref(i)为电源模块在条件下均流目标参考值,满足:其中:U≥i≥1;ηi为K个电源模块在均流期望电流为的工况下的平均效率,满足:δ(m')(i)(j)为序号为m'的电源模块在条件下第j个采样电流与均流参考目标电流的相对偏差值,满足:Em'i为序号为m'的电源模块在条件下V个δ(m')(i)(j)的数学期望,满足:Sm'i为序号为m'的电源模块在条件下V个δ(m')(i)(j)的标准偏差,满足:Γi为K个电源模块标准偏差平均值,满足
定义t=0为并联供电系统空载运行的最后时刻;T为相邻两个负载电流间隔时间;则t∈((i-1)T,iT],(U≥i≥1)为并联供电系统负载电流的运行时间。由于在运行过程中需要对每个电源模块采集3V个样本数据,因而,上位机共需采集3×K×V个数据。假设上位机采集一个数据的时间为T1,则系统工作于状态需要Ttotal=3×K×V×T1时间,因而必须满足T≥Ttotal。又由于均流性能数据可靠性与采样点数和采样时间T1相关,因而需根据实际需求综合考虑T和T1大小,确保均流性能指标的可靠性。
首先,由控制工程知识可知,评价系统的性能可通过系统阶跃响应的超调量,调整时间和稳态偏差指标来衡量。因而,并联供电系统在电子负载由阶跃为时,我们同样可以通过测量电源模块的电流输出与均流目标参考值之间的动态响应来评价电源模块的均流性能。由数理统计知识可知,并联系统均流标准偏差表征的是系统均流动态响应过程相对超调量大小,体现其均流阶跃响应过程中的输出电流的集中度,可反映电源模块均流性能指标;其次,并联供电系统在满足均流性能指标的同时,应该兼顾系统运行的经济效益;最后,通过求取效率η与电源模块负载电流i之间的表达式η=Φ(i)和标准偏差平均值Γ与电源模块负载电流i之间的表达式Γ=Ψ(i)及其对应的最优负载电流和其表明并联供电系统效率最优时电源模块负载电流值,表明并联供电系统均流性能最优时负载电流值。
在t∈((i-1)T,iT],(U≥i≥1),电子负载电流为则电源模块的均流目标参考电流为:
获取序号为m'的电源模块输出电流采样数据数据:Datacurr(m')(i)(j),(K≥m'≥1,U≥i≥1,V≥j≥1),因而,其均流相对偏差δ(m')(i)(j)为:
求取序号为m'的电源模块在条件下相对偏差δ(m')(i)(j)关于j的数学期望Em'i为:
求取序号为m'的电源模块在条件下相对偏差δ(m')(i)(j)关于j的标准偏差Sm'i为:
Sm'i的物理意义为:序号为m'的电源模块在条件下的相对偏差的标准偏差,Sm'i越小表明电源模块的在条件下均流集中度性能越好。
计算K个电源模块在均流期望电流为时的平均标准偏差:
应用相关计算方法(诸如多项式拟合、曲线拟合、插补方法等)对U个数据点进行处理得出Γ与电源模块负载电流i之间的表达式:
Γ=Ψ(i), (6)
在允许输出电流范围内,求解负载电流满足:
求取序号为m'的电源模块在条件效率η(m')(i)(j)为:
求取序号为m'的电源模块在条件下η(m')(i)(j)关于j的数学期望ηm'i为:
ηm'i的物理意义为:序号为m'的电源模块在条件下的效率的平均值,ηm'i越大表明电源模块的在条件下经济性能越好,越节能;
计算K个电源模块在均流期望电流为的工况下平均效率:
应用相关计算方法(诸如多项式拟合、曲线拟合、插补方法等)对U个数据点进行处理得出效率η与电源模块负载电流i之间的表达式:
η=Φ(i), (11)
在允许输出电流范围内,求解负载电流满足:
二、并联供电系统优化控制结构图变量说明如下:
Ts为集中控制器计算在线电源模块数量和采集电源模块输出电流数据的周期;M为在线电源模块数量;Iout为并联供电系统的负载电流;Curr(m)为序号为m的在线电源模块的输出电流采样值,m=1,2,┄,M;Ishare为并联供电系统运行时在线电源模块输出电流均流目标值;ΔI为均流目标值调节值;σ为ΔI的阈值;Curr_store(m)(n)为序号为m的在线电源模块的输出电流存储数组,m=1,2,┄,M;n=1,2,┄,T;为序号为m的在线电源模块的输出电流存储数组Curr_store(m)(n)的平均值;θ(m)(n)为序号为m的在线电源模块的Curr_store(m)(n)与均流目标值Ishare的偏差:为θ(m)(n)的数学期望;为θ(m)(n)的标准偏差;Cθ为最大允许值;NB:表示负大;NM:表示负中;NS:表示负小;Z:表示零;PS:表示正小;PM:表示正中;PB:表示正大;μΦ(Ishare):并联供电系统均流值Ishare与偏离程度隶属度函数;μΨ(Ishare):Ishare与偏离程度隶属度函数;μ(ΔI):在线电源模块均流电流调节量ΔI隶属度函数;μΦ(Ishare),μΨ(Ishare)和μ(ΔI)分别满足公式(13)~(21);
μΨ(Ishare)表达式为:
μ(ΔI)表达式为:ΔI单位为:
其中:s={NM,NS,O,PS,PM}, 单位: 单位:单位:
在t=KTs,K=0,1,2,3,…时刻,并联供电系统集中控制器通过通信总线开始采集M个在线电源模块的输出电流Curr(m),m=1,2,┄,M;
更新序号为m的在线电源模块的输出电流数据:
Curr_store(m)(n)=Curr_store(m)(n+1), (22)
Curr_store(m)(T)=Curr(m), (23)
其中:m=1,2,┄,M,n=1,2,┄,T-1,n为同一个在线电源模块的电流采样次数,T为大于2的正整数;
计算序号为m的在线电源模块输出电流平均值:
其中:m=1,2,3,…M;
计算并联供电系统负载电流Iout,满足:
计算在线电源模块输出电流目标值Ishare,满足:
将Ishare作为输入,代入隶属度函数μΦ(Ishare),μΨ(Ishare)对应的公式(13)~(18)求取对应的隶属度,并以μΦ(Ishare)、μΨ(Ishare)为输入,根据专家经验知识得出的模糊控制规则表1和模糊推论,计算在线电源模块均流电流调节量μ(ΔI)的隶属度。并应用重心解模糊控制方法求解在线电源模块均流电流调节量ΔI精确值:
判断ΔI是否满足不等式:
|ΔI|≤σ, (28)
在不等式(28)不满足的情况下,表明系统在线电源模块数量不是处于最优值附近,计算并联供电系统电源模块预期均流负载电流:
Ishare=Ishare+ΔI,(29)
计算在线电源模块输出电流为参考电流Ishare时的在线电源模块数量N*,即
计算并联供电系统在线电源模块数量调节量ΔN*,满足:
ΔN*=N*-M, (31)
集中控制器增加(减少)|ΔN*|个在线电源模块,确保并联供电系统效率和均流综合性能最优。
在不等式(28)满足的情况下,表明系统在线电源模块数量处于最优值附近。此时,计算序号为m的在线电源模块输出电流存储数据Curr_store(m)(n)与均流目标值Ishare的偏差:
θ(m)(n)=Curr_store(m)(n)-Ishare, (32)
其中:n=1,…T;m=1,2,3,…M;
计算序号为m的在线电源模块偏差θ(m)(n)的数学期望;
其中:n=1,…T;m=1,2,3,…M;
计算序号为m的在线电源模块偏差θ(m)(n)的标准偏差;
其中:n=1,…T;m=1,2,3,…M;
判断序号为m的在线电源模块的输出电流与均流目标值偏差的标准偏差是否满足不等式:
如果序号为m的在线电源模块满足不等式(35),说明在线电源模块性能合格;否则,在线电源模块性能不合格,需要从备用模块中切入合格电源模块工作。
本发明提供了兼顾效率和均流性能的并联供电系统模糊控制方法,包括如下步骤:
(1)事先获取K个电源模块组成的并联供电系统负载电流Iout从按照间隔为等间距变化到时(为满足涵盖轻载、半载、额定载及过载工况,U必须为不小于20的正整数;IN为电源模块的额定电流),每个电源模块在不同负载电流情况下采集V个输出电流Datacurr(m')(i)(j),输出电压Datavolt(m')(i)(j)和输入功率P(m')(i)(j)(V可由用户根据实际确定大小)。其中:m'为电源模块序号;i为负载电流值对应的序号值;j为输出电流采集数据序号;m',i,j满足m'={1,…K},i={1,…U},j={1,…V};
(2)计算序号为m'的电源模块输出电流与均流期望电流相对偏差数学期望和标准偏差(Sm'i越小表明电源模块的均流集中度性能越好);计算K个电源模块在均流期望电流为时的Sm'i平均值计算序号为m'的电源模块在均流期望电流为时效率和效率数学期望(ηm'i越大表明电源模块的效率越高);计算K个电源模块在均流期望电流为的工况下平均效率
(3)应用相关计算方法(诸如多项式拟合、曲线拟合等)对U个数据点和拟合得出Γ与电源模块负载电流i之间的表达式Γ=Ψ(i)及效率η与电源模块负载电流i之间的表达式η=Φ(i);
(4)在允许输出电流范围内,求解满足最大及满足最小;
(5)以周期Ts为间隔计算并联供电系统在线电源模块数量M,并对M个在线电源模块的输出电流进行采集,将第一个序号的在线电源模块的输出电流数据标记为Curr(1),当前在线电源模块序号为m,令m=1;
(6)更新序号为m的在线电源模块的输出电流数据数组,即:Curr_store(m)(n)=Curr_store(m)(n+1),Curr_store(m)(T)=Curr(m);其中:n=1,…T-1;m=1,2,3,…M;T为大于2的正整数;
(7)计算序号为m的在线电源模块的输出电流平均值:其中:m=1,2,3,…M;
(8)计算M个在线电源模块组成的并联供电系统的负载电流和在线电源模块均流负载电流
(9)以Ishare为输入,求取Ishare与偏离程度隶属度函数的输出μΦ(Ishare)和Ishare与偏离程度隶属度函数的输出μΨ(Ishare);
(10)以μΦ(Ishare)和μΨ(Ishare)为输入,依据模糊控制规则表和模糊推理得出对应控制规则,并依据模糊控制重心法原理解模糊进行精确化计算,求取在线电源模块电流调节量隶属度函数μ(ΔI)的输出电流调节量ΔI的精确值;
(11)判断|ΔI|≤σ是否成立?如果是,则进入步骤(20);反之,则进入步骤(12);
(12)计算并联供电系统在线电源模块预期均流负载电流:Ishare=Ishare+ΔI;
(13)计算在线模块输出电流为参考电流Ishare时的在线电源模块数量N*,即
(14)判断N*≤1?是否成立?如果是,则进入步骤(15);反之,进入步骤(16);
(15)设置N*=2;这是由于N*<2时是单电源模块供电,不具备均流功能;
(16)计算并联供电系统需调节在线电源模块数量ΔN*=N*-M;
(17)判断ΔN*>0?是否成立?如果是,则进入步骤(18);反之,进入步骤(19);
(18)集中控制器增加ΔN*个在线电源模块,然后进入步骤(5);
(19)集中控制器减少ΔN*个在线电源模块,然后进入步骤(5);
(20)计算序号为m的在线电源模块的输出电流Curr_store(m)(n)与均流目标值Ishare的偏差θ(m)(n)=Curr_store(m)(n)-Ishare;其中:n=1,…T;m=1,2,3,…M;
(21)计算序号为m的在线电源模块偏差θ(m)(n)的数学期望和标准偏差其中:n=1,…T;m=1,2,3,…M;
(22)初始化m=1;
(23)初始化不合格在线电源模块数量Num=0;
(24)判断(Cθ为标准偏差最大允许值)如果是,进入步骤(27);反之,进入步骤(25);
(25)标记序号为m的在线电源模块均流性能不符合要求;
(26)更新变量Num=Num+1;
(27)更新m=m+1;
(28)判断m<=M?如果是,进入步骤(24);否则,进入步骤(29);
(29)将Num个均流性能不符合要求的在线电源模块离线,并从备用电源中启动Num个电源模块工作;然后进入步骤(5),其中Num为标记为均流性能不符合要求的在线电源模块数量。