CN106160021B

CN106160021B - 基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法

Info

Publication number: CN106160021B
Application number: CN201610532767.8A
Authority: CN
Inventors: 彭志辉
Original assignee: Wenzhou University
Current assignee: Wenzhou University
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-08-07
Anticipated expiration: 2036-06-30
Also published as: CN106160021A

Abstract

本发明涉及基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法，通过计算全负载情况下的效率和均流标准差加权和构成的矩阵A＝(γ_mi)_K×U的a＝1，2，…U对应的负载电流I_ref。和I_ref表征了并联供电系统均流过程中效率和均流响应集中度综合性能指标最优及其对应的在线电源模块负载电流值，为并联供电系统效率和均流优化控制提供依据。本发明所述的基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法具有可靠性高，实用性强、数据处理简单易行等特点；可有效确定并联供电系统效率和均流综合指标最优对应的工作点，为并联供电系统安全、高效、可靠运行提供可靠保证。

Description

基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法

技术领域

本发明涉及基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法，能准确快速确定并联供电系统的效率和均流综合性能指标最优工作点，为并联供电系统实现高的效率和均流性能综合指标优化控制提供支撑，该方法同样适用于其他电子设备并联运行时效率和均流综合性能指标最优工作点的确定。

背景技术

大功率并联供电电源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，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(即在线运行电源模块数量不变，通过均流控制算法调节每个电源模块的输出电流达到均流目标和负荷匹配目标的方案)的并联供电系统中电源模块工作范围涵盖轻载，半载，额定负载及过载等工况。一方面，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，不能确保系统在不同负载电流情况下都具有较高的均流性能；另一方面，电源模块在不同负载情况下，其工作效率也不同，也不能确保系统在不同负载工况下均具有较高效率。所以，需要一种方法来确定并联供电系统效率和均流性能综合指标最优工作点。

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。但是存在以下两个问题：一、不能实现并联供电系统均流性能处于较好状态；二、并联供电系统不能实现较高的效率。为了实现并联供电系统在不同负载情况下效率和均流效果综合性能指标，首要先决条件是必须确定并联供电系统效率和均流效果综合性能指标最优情况下的工作点，其为并联供电系统效率和均流综合性能优化控制的前提。

然而，通过检索现有的论文和专利发现，尚未发现一种可靠和实用的并联供电系统最优工作点确定方法用于确定效率和均流综合性能最优时系统工作点。因而要实现并联供电系统效率和均流性能的优化控制，一种兼顾效率和均流性能并且可靠和实用的并联供电系统最优工作点确定方法就显得尤为重要，其对于并联供电系统的优化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，提出了基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法。

本发明的技术方案是：一种基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法，其步骤如下：

(1)以周期T为间隔时间对K个电源模块组成的并联供电系统负载电流I_out按照步进量为等增量调节；将第i次程控电子负载电流值标记为对应的第i次电源模块均流目标值标记为i为当前程控电子负载次数；

(2)以周期T_s为间隔对并联供电系统电源模块输出电流、输出电压和输入功率进行采集；

(3)建立由K×U×V个元素构成的并联供电系统电源模块输出电流数组{Data_curr(m)(i)(j)}，电源模块输出电压数组{Data_volt(m)(i)(j)}和电源模块输入功率数组{P(m)(i)(j)}，其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；K为并联供电系统电源模块数量，其为大于1的正整数；U为程控电子负载工作电流的调节次数；V为每一次程控电子负载情况下需采集模块输出电流、输出电压和输入功率的次数，其为大于1的正整数；m为当前电源模块序号，i为当前程控电子负载次数，j为当前采集次数；

(4)获取序号为m的电源模块的均流相对偏差其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；

(5)获取序号为m的电源模块的效率其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；

(6)获取序号为m的电源模块的均流相对偏差δ(m)(i)(j)的数学期望和标准差其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U；

(7)获取序号为m的电源模块的效率η(m)(i)(j)的数学期望其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U；

(8)获取η_mi和标准差σ_mi的加权和a∈[0,1]；并以γ_mi为元素构建矩阵A＝(γ_mi)_K×U,

(9)得到矩阵A＝(γ_mi)_K×U满足a＝1，2，…U对应的a值，该a值为电源模块负载电流为时并联供电系统的效率和均流综合性能指标最优；并得到效率和均流综合性能指标最优情况下电源模块的输出电流为I_ref：

所述步骤(2)中，将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个电流数据标记为Data_curr(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个电压数据标记为Data_volt(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个输入功率数据标记为P(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下计算的第j个效率记为η(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下效率平均值标记为η_mi；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个电流数据与电源模块均流目标值I_ref(i)相对偏差标记为δ(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下的电流数据与电源模块均流目标值相对偏差的数学期望标记为E_mi；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下的电流数据与电源模块均流目标值相对偏差的标准差标记为σ_mi；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下的η_mi和σ_mi的加权和标记为γ_mi。

本发明首先，获取由K个电源模块组成的并联供电系统在不同负载情况下(涵盖轻载、半载，额定负载及过载工况)每个电源模块效率η和实际电流值与期望均流值偏差的标准差σ；其次，求取不同负载情况下电源模块的效率η和均流偏差的标准差σ加权和a∈[0,1]并以γ为元素构建K个电源模块在不同负载情况下的矩阵A；最后，计算该矩阵的列和最小值及对应情况下效率和均流综合性能指标最优时电源模块的负载工作电流I_ref。由于相同规格的电源模块其特性总体保持一致，因而通过确定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效率和均流综合性能最优点的负载电流值即可获得任意数量的电源模块组成的并联供电系统效率和均流综合性能最优工作点。

其具有以下优势：

(1)本发明确定的最优工作点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；

(2)本发明通过计算全负载情况下的效率和均流标准差加权和构成的矩阵A＝(γ_mi)_K×U的a＝1，2，…U对应的负载电流和I_ref表征了并联供电系统均流过程中效率和均流响应集中度综合性能指标最优及其对应的在线电源模块负载电流值，为并联供电系统效率和均流优化控制提供依据。

(3)本发明所述的基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法具有可靠性高，实用性强、数据处理简单易行等特点；可有效确定并联供电系统效率和均流综合指标最优对应的工作点，为并联供电系统安全、高效、可靠运行提供可靠保证。

附图说明

图1为并联供电系统效率和均流综合性能测试系统结构图。

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：

本发明提供了基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法，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1功能是获取并联供电系统在不同负载条件下电源模块效率和均流标准差加权和矩阵，进而确定该矩阵列和最小时对应的负载电流。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、计算效率和均流标准差加权和矩阵列和最小对应的负载电流；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模块的输入功率。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。

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为负载电流工作点数量，即并联供电系统负载电流I_out按照步进量为等增量从变化到(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最小的模块序号，m＝2为IP次最小模块序号，…，以此类推m＝K为IP最大的模块序号；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。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；Data_volt(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：

η_mi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：为模块在条件下均流目标参考值，其中：U≥i≥1；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_mi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：σ_mi为序号为m的电源模块在条件下V个δ(m)(i)(j)的标准差，满足：α为加权系数，满足：α∈[0,1]；γ_mi为序号为m的电源模块在条件下效率和均流标准差加权和，满足：A＝(γ_mi)_K×U为效率和均流标准差加权和矩阵；

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T_total＝3×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模块的均流性能。由数理统计知识可知，并联系统均流标准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。系统运行经济效益由运行效率决定，其体现系统在运行过程中的能耗指标。为使并联供电系统综合考虑效率和均流指标，需构建效率和均流标准差加权和及其对应的矩阵；最后，通过求取效率和均流标准差加权和矩阵A＝(γ_mi)_K×U的列和最小确定并联供电系统综合性能最优及其对应的负载电流。这是基于A＝(γ_mi)_K×U的列和最小的物理意义表明并联供电系统处在何种负载电流下效率和均流综合性能最好。

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_mi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的标准差σ_mi为：

σ_mi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差，σ_mi越小表明电源模块的在条件下均流集中度性能越好。

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η_mi为：

η_mi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，η_mi越大表明电源模块的在条件下经济性能越好，越节能；

求取效率η_mi和均流标准差σ_mi的加权和γ_mi为：

γ_mi的物理意义为：将系统效率性能和均流性能统一到一个综合的性能指标来考虑，其有利于系统的性能优化设计；γ_mi越小表明系统的综合性能越好。

构建以效率和均流标准差的加权和γ_mi为元素的矩阵A＝(γ_mi)_K×U：

求解矩阵A＝(γ_mi)_K×U的列和最小：

a＝1,2，…U的物理意义为：由K个电源模块组成的并联供电系统效率和均流综合性能最优，其对应的a值即为并联供电系统效率和均流综合性能最优时电源模块对应的负载电流I_ref为：

本发明提供了基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法，包括如下步骤：

(1)以周期T为间隔时间对K个电源模块组成的并联供电系统负载电流I_out按照步进量为等增量调节；将第一次程控电子负载电流值标记为对应的第一次模块均流目标值标记为当前电子负载次数为i，令i＝1；

(2)以周期T_s为间隔对并联供电系统电源模块输出电流、输出电压和输入功率进行采集。将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下采样的第一个电流数据标记为Data_curr(1)(1)(1)；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下采样的第一个电压数据标记为Data_volt(1)(1)(1)；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下采样的第一个输入功率数据标记为P(1)(1)(1)；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下计算的第一个效率记为η(1)(1)(1)；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下效率平均值标记为η₁₁；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下采样的第一个电流数据与模块均流目标值I_ref(1)相对偏差标记为δ(1)(1)(1)；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下的电流数据与模块均流目标值相对偏差的数学期望标记为E₁₁；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下的电流数据与模块均流目标值相对偏差的标准差标记为σ₁₁；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下的η₁₁和σ₁₁的加权和标记为γ₁₁；当前电源模块序号为m，令m＝1；当前电子负载次数为i，令i＝1；当前采集电流次数为j，令j＝1；

(3)建立由K×U×V个元素构成的并联供电系统电源模块输出电流数组{Data_curr(m)(i)(j)}，电源模块输出电压数组{Data_volt(m)(i)(j)}和电源模块输入功率数组{P(m)(i)(j)}，其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；K为并联供电系统电源模块数量，其为大于1的正整数；U为程控电子负载工作电流的调节次数。为满足评价覆盖轻载、半载、额定负载和过载情况，U的值大于20；V为每一次电子负载情况下需采集电源模块输出电流、输出电压和输入功率的次数，其为大于1的正整数；m为当前电源模块序号，i为当前电子负载次数，j为当前采集次数。

(4)求解序号为m的电源模块均流相对偏差其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；

(5)求解序号为m的电源模块效率其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；

(6)求解序号为m的电源模块δ(m)(i)(j)的数学期望和标准差其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U；(σ_mi越小表明电源模块的均流偏差集中度性能越好)；

(7)求解序号为m的电源模块η(m)(i)(j)的数学期望其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U；(η(m)(i)(j)，η_mi越大表明电源模块的效率性能越好)；

(8)计算效率η_mi和标准差σ_mi的加权和a∈[0,1](γ_mi≥0,γ_mi越小表明电源模块的综合性能越好)；并以γ_mi为元素构建矩阵A＝(γ_mi)_K×U,满足

(9)求解矩阵A＝(γ_mi)_K×U满足a＝1，2，…U对应的a值。该a值即为模块负载电流为时系统的效率和均流综合性能指标最优；令效率和均流综合性能指标最优情况下模块输出电流为I_ref满足

(10)并联供电系统最优工作点确定结束。

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

1.一种基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法，其特征在于：其步骤如下：

(8)获取η_mi和标准差σ_mi的加权和并以γ_mi为元素构建矩阵A＝(γ_mi)_K×U,

(9)得到矩阵A＝(γ_mi)_K×U满足a＝1，2，…U对应的a值，电源模块负载电流为时并联供电系统的效率和均流综合性能指标为最优状态；并得到效率和均流综合性能指标最优情况下电源模块的输出电流为I_ref：

2.根据权利要求1所述的基于效率和均流标准差加权和矩阵的并联供电系统最优点确定方法，其特征在于：所述步骤(2)中，将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个电流数据标记为Data_curr(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个电压数据标记为Data_volt(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个输入功率数据标记为P(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下计算的第j个效率记为η(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下效率平均值标记为η_mi；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个电流数据与电源模块均流目标值I_ref(i)相对偏差标记为δ(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下的电流数据与电源模块均流目标值相对偏差的数学期望标记为E_mi；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下的电流数据与电源模块均流目标值相对偏差的标准差标记为σ_mi；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下的η_mi和σ_mi的加权和标记为γ_mi。