CN106160014B - 一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法，通过构建并联供电系统均流标准偏差与负载电流之间的函数Γ＝Ψ(i)，并且求解均流性能最优条件下的负载电流I_ref，满足Ψ(I_ref)最小，以I_ref为参考值，以当前均流值I_share为比较值，依据I_ref、I_share的关联度系数r来调节目标期望均流值I_ref的大小，从而通过改变系统在线电源模块数量实现关联度系数r趋于1，从而确保系统均流点处于最优工作点，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。

Description

一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法，用于并联供电系统电源模块运行数量优化控制，确保不同负载条件下并联供电系统的均流性能最优，该方法同样适用于其他电子设备并联均流性能指标的要求。

背景技术

大功率并联供电其为多个电源模块并联输出结构，由于具备兼容性强、可N+m冗余备份、可靠性强、性价比高、设计难度较低、易于管理等一系列优势，成为解决大功率输出电源设计的首选方案之一。均流技术已成为开关电源模块并联供电的核心技术。均流技术是指在多个电源模块并联供电时，在满足输出电压稳态精度和动态响应的前提下，有较高精度的均匀分配各个电源模块负载电流。所以，开关电源并联供电系统均流性能的高低直接关系到整机系统的安全、可靠和高性能工作。

由于并联供电系统负载电流具有时变性和随机性，导致采用传统均流控制方案的并联供电系统工作范围涵盖轻载，半载，额定负载及过载等工况。然而，不同负载工况下并联供电系统运行时其系统均流性能存在一定差异，因而需要对并联供电系统进行优化控制，确保系统在不同负载电流情况下始终能实现最优的均流性能。现有的并联供电系统均流控制策略能保证并联供电系统负载电流在所有在线工作电源模块进行平均分配，但并不能始终实现并联供电系统均流性能最优。为了实现不同负载情况下并联供电系统均流性能始终最优，就必须获取并联供电系统均流性能最优条件下对应负载电流，进而获取单个电源模块在系统均流性能最优情况下的负载电流。只要确保并联供电系统电源模块输出电流始终处于最优输出电流附近，就能确保并联供电系统在不同负载情况下均流性能保持最优。所以，在获取并联供电系统电源模块输出电流值最优的情况下，通过优化控制并联供电系统中电源模块的运行数量，使得电源模块始终工作于均流性能最优处，从而确保并联供电系统的高效、可靠和长寿命运行。

然而，通过查询现有的论文和专利表明，尚未发现一种可靠和实用的并联供电系统模块数量控制方法。因而，针对不同负载条件下，一种可靠和实用的并联供电系统模块数量控制方法就显得尤为重要，其对于并联供电系统的可靠运行具有重要的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提出了一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法。

本发明的技术方案是：一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法，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I_out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Data_curr(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}；I_N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S_mi平均值

(3)对U个数据点拟合得出Γ与电源模块负载电流i之间的表达式Γ＝Ψ(i)；

(4)在允许输出电流范围内，获取满足Γ＝Ψ(I_ref)最小的I_ref；

(5)以周期T_s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

(7)将I_ref作为参考量，I_share为比较量，获取I_ref、I_share的关联度r，其中，第二级最小差Δ(min)＝0，第二级最大差Δ(max)＝1，分辨系数γ＝0.5，关联度为r；

(8)r＞＝σ则继续对下一个在线电源模块的输出电流进行采集；反之则获取在线电源模块输出电流调节量其中σ为关联度最大阈值，0≤σ＜1；

(9)获取并联供电系统在线电源模块预期均流负载电流I_share＝I_share+ΔI；

(10)获取在线电源模块输出电流为参考电流I_share时的在线电源模块数量N^*，

(11)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；

(12)根据ΔN^*的正负，集中控制器增加或减少|ΔN^*|个在线电源模块。

步骤(3)应用多项式拟合、曲线拟合方法对U个数据点进行拟合处理。

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，获取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：Data_curr(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)获取序号为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E_m′i：

(四)获取序号为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S_m′i：

S_m'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Ψ(I_ref)≤Ψ(i)的负载电流I_ref。

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)和Ψ(i)最小时对应的负载电流I_ref；其次，系统集中控制器获取在线工作电源模块数量M和总的负载电流I_out，并求取对应系统均流值I_share；然后，并联供电系统集中控制器求出I_ref与I_share的关联度系数r；最后，根据灰色关联控制算法实时控制在线电源模块数量，确保系统始终工作于均流性能最优。由于同一批次相同规格的电源模块其特性基本保持一致，因而通过测量K(K的大小可由用户确定，其值可以较小比如K设定为10)个电源模块组成的并联供电系统其电源模块在不同负载电流下并联系统的均流性能即可确定在任意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。这是因为电源模块的性能主要取决于模块的输出电流的大小，只要模块的输出电流不变，则模块的均流性能指标就基本相同，而与系统中模块的数量大小无关。

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)本发明通过构建并联供电系统均流标准偏差与负载电流之间的函数Γ＝Ψ(i)，并且求解均流性能最优条件下的负载电流I_ref，满足Ψ(I_ref)最小。该I_ref值表征了并联供电系统均流动态响应过程中相对超调量最小对应的负载电流值，即并联供电系统均流集中度最优情况下对应的负载电流，为并联供电系统均流优化控制提供依据。

(3)本发明以I_ref为参考值，以当前均流值I_share为比较值，依据I_ref、I_share的关联度系数r来调节目标期望均流值I_ref的大小，从而通过改变系统在线电源模块数量实现关联度系数r趋于1，从而确保系统均流点处于最优工作点。

(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)本发明所述的一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法具有可靠性高，实用性强等特点，可有效降低并联供电系统均流性能过低导致的故障，提高系统的寿命和可靠性，为并联供电系统安全、高效运行提供可靠保证。

附图说明

图1为并联供电系统均流性能测试系统结构图。

图2为并联供电系统结构图。

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：

本发明提供了一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法。图1所示为并联供电系统均流性能测试系统结构图，图2所示为并联供电系统结构图。图1主要功能是获取并联供电系统电源模块均流标准偏差平均值与负载电流的数学关系Γ＝Ψ(i)，并确定最优负载电流I_ref。图1主要包括上位机(PC机)、程控电子负载、电源模块。上位机(PC机)主要功能为获取在线电源模块IP地址、电源模块输出电流、控制程控电子负载工作电流、计算Γ＝Ψ(i)对应的最优负载电流I_ref；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给上位机。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；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。

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。I_N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I_out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采样数量，V可根据实际需要设定大小。Data_curr(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；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：E_m'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：S_m'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：Γ_i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V个样本数据，因而，上位机共需采集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T_total＝K×V×T₁时间，因而必须满足T≥T_total。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。其次，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；最后，通过求取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)及其对应的最优负载电流I_ref，I_ref物理意义表明并联供电系统处在何种负载电流下均流集中度性能最好。

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：Data_curr(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E_m'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S_m'i为：

S_m'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，S_m'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I_ref,满足：

Ψ(I_ref)≤Ψ(i)。 (7)

二、并联供电系统控制结构图变量说明如下：

T_s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；I_out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；I_share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；Δ(min)为第二级最小差，令Δ(min)＝0；Δ(max)为第二级最大差，令Δ(max)＝1；γ为分辨系数，令γ＝0.5；r为关联度；σ为设定关联度阈值，满足0≤σ＜1；

在t＝KT_s,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；

计算并联供电系统负载电流I_out，满足：

计算在线电源模块输出电流目标值I_share，满足：

将I_ref作为参考量，I_share为比较量，求解I_ref、I_share的关联度r，

判断r是否满足不等式：

r≥σ， (11)

在不等式(11)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，计算电源模块输出电流调节量ΔI：

计算并联供电系统在线电源模块预期均流负载电流：

I_share＝I_share+ΔI， (13)

计算在线电源模块输出电流为参考电流I_share时的在线电源模块数量N^*，

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， (15)

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。

本发明提供了一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法，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Io_ut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；I_N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Data_curr(m')(i)(j)(V可由用户根据实际确定大小)；令第二级最小差Δ(min)＝0，第二级最大差Δ(max)＝1，分辨系数γ＝0.5，关联度为r，σ为关联度最大阈值，满足0≤σ＜1。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(S_m'_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S_mi平均值

(3)应用相关计算方法(诸如多项式拟合、曲线拟合等)对U个数据点拟合得出Γ与电源模块负载电流i之间的表达式Γ＝Ψ(i)；

(4)在允许输出电流范围内，求解I_ref满足Γ＝Ψ(I_ref)最小；

(5)以周期T_s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)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

(7)将I_ref作为参考量，I_share为比较量，求解I_ref、I_share的关联度r，

(8)判断r＞＝σ是否成立；若成立，返回步骤(5)；否则，计算在线电源模块输出电流调节量

(9)计算并联供电系统在线电源模块预期均流负载电流I_share＝I_share+ΔI；

(10)计算在线电源模块输出电流为参考电流I_share时的在线电源模块数量N^*，即

(11)判断N^*≤1？是否成立？如果是，则进入步骤(12)；反之，进入步骤(13)；

(12)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；

(13)计算并联供电系统需调节在线电源模块数量ΔN^*＝N^*-M；

(14)判断ΔN^*＞0是否成立？如果是，则进入步骤(15)；反之，进入步骤(16)；

(15)集中控制器增加ΔN^*个在线电源模块，然后进入步骤(5)；

(16)集中控制器减少ΔN^*个在线电源模块，然后进入步骤(5)。

实施例不应视为对发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法，其特征在于：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I_out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Data_curr(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}；I_N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S_mi平均值

(3)对U个数据点拟合得出Γ与电源模块负载电流i之间的表达式Γ＝Ψ(i)；

(4)在允许输出电流范围内，获取满足Γ＝Ψ(I_ref)最小的I_ref；

(5)以周期T_s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

(7)将I_ref作为参考量，I_share为比较量，获取I_ref、I_share的关联度r，其中，第二级最小差Δ(min)＝0，第二级最大差Δ(max)＝1，分辨系数γ＝0.5，关联度为r；

(8)r＞＝σ则继续对下一个在线电源模块的输出电流进行采集；反之则获取在线电源模块输出电流调节量其中σ为关联度最大阈值，0≤σ＜1；

(9)获取并联供电系统在线电源模块预期均流负载电流I_share＝I_share+ΔI；

(10)获取在线电源模块输出电流为参考电流I_share时的在线电源模块数量N^*，

(11)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；

(12)根据ΔN^*的正负，集中控制器增加或减少|ΔN^*|个在线电源模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法，其特征在于：步骤(3)应用多项式拟合、曲线拟合方法对U个数据点进行拟合处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于灰色关联的并联供电系统电源模块数量控制方法，其特征在于：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，获取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：Data_curr(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)获取序号为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E_m'_i：

(四)获取序号为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S_m'_i：

S_m'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Ψ(I_ref)≤Ψ(i)的负载电流I_ref。