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通過建立優(yōu)化模型和目標(biāo)函數(shù)實現(xiàn)電化學(xué)整流電源電聯(lián)接

發(fā)布時間:2013-01-07 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】電化學(xué)整流電源是一種高耗能設(shè)備,提高整流效率、降低額外損耗是這類電力電子變換裝置的一個重要的課題。隨著大功率器件制造水平的提高以及壓接工藝技術(shù)的改進,均流問題也不再突出,所以從效率、損耗方面進行優(yōu)化設(shè)計是必要的。

優(yōu)化設(shè)計

問題分析

優(yōu)化就是通過對數(shù)學(xué)方法的研究去尋找時間事件的最優(yōu)解。它一般可以用數(shù)學(xué)模型描述為:minf(x),s.t.g(x)≥0,x∈D。其中f(x)為目標(biāo)函數(shù),g(x)為約束函數(shù),x為決策變量,D表示有限個點組成的集合。一個優(yōu)化問題可用三個參數(shù)(D,F(xiàn),f)表示,其中D表示決策變量的定義域,F(xiàn)表示可行解區(qū)域F={x|x∈D,g(x)≥0},F(xiàn)中的任何一個元素稱為該問題的可行解,f表示目標(biāo)函數(shù)。所以進行優(yōu)化的首要任務(wù)就是建立優(yōu)化模型。

計算電化學(xué)整流裝置的效率相對復(fù)雜,而損耗的計算比較易行和準(zhǔn)確,所以一般采用所謂的“分離損耗法”(疊加損耗法),即:gongshi1η=(1)
式中:η表示效率;
PdN表示直流側(cè)輸出總功率;
∑ΔW表示整流裝置總損耗。

這樣求解效率最高的問題就轉(zhuǎn)換為如何使損耗最小。電化學(xué)整流電源的損耗包括整流裝置損耗、整流變壓器和各類電抗器損耗以及一些輔助系統(tǒng)損耗,而整流裝置的損耗主要是整流器件和快速熔斷器的損耗,所以問題進一步集中在對這兩部分損耗的綜合評估。

優(yōu)化模型確定

整流臂支路結(jié)構(gòu)
圖題:整流臂支路結(jié)構(gòu)

根據(jù)上面的分析,優(yōu)化模型的確定也就是與電聯(lián)接相關(guān)的損耗函數(shù)的確定,電化學(xué)整流裝置整流臂支路結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照整流裝置的運行特點,為抑制空穴積蓄效應(yīng)產(chǎn)生的換相過電壓整流器件并聯(lián)RC回路,其電阻R上的損耗在整流裝置的總損耗中所占比例很小,所以整流裝置的損耗主要包括整流器件正向損耗、反向損耗和快速熔斷器損耗三部分。

表1:常規(guī)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的比較
常規(guī)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的比較

(1)整流器件正向損耗計算

電化學(xué)整流裝置中整流器件正向損耗ΔWZ為:
ΔWZ=U0IA(AV)+IT2ron(2)
式中:U0為導(dǎo)通門檻電壓;
IA(AV)為整流器件平均工作電流;
IT為整流器件電流有效值;
ron為導(dǎo)通電阻。
對于整流臂為nb個器件并聯(lián),共有m個整流臂的整流裝置器件正向損耗ΔWGZ為:gongshi2ΔWGZ=m(U0IA(AV)+IT2)(3)
式中:IA(AV)=Id×KAi/(m×KI)
IT=KATIA(AV)
其中:Id為設(shè)計輸出直流電流;
KAi為電流儲備系數(shù);
KI為均流系數(shù);
KAT為整流器件電流有效值與平均值關(guān)系系數(shù),對于三相橋式整流為1.732。

(2)整流器件反向損耗計算

對整流臂數(shù)m,每臂并聯(lián)支路數(shù)為nb的器件反向功率總損耗ΔWGF為:
ΔWGF=m•nb•UF(AV)•Ir(AV)(4)
式中:UF(AV)為整流器件反向電壓平均值;
Ir(AV)為整流器件反向平均電流。
對于三相橋式整流電路:
UF(AV)=Udio
Ir(AV)=Ir
其中:Udio為所設(shè)計整流裝置的理想空載直流電壓;
Ir為整流器件反向平均漏電流。
所以ΔWGF=0.5×m•nb•Udio•Ir(5)

(3)快速熔斷器損耗計算
對整流臂數(shù)m,每臂并聯(lián)支路數(shù)為nb的快速熔斷器總功率損耗ΔWGR為:gongshi3ΔWGR=m•IT2••[1+α(t-t0)](6)
式中:RRD為快速熔斷器冷態(tài)電阻;
t0可按20℃計算;
t風(fēng)冷時取120℃,水冷取75℃;
α為電阻溫度修正系數(shù)取0.0035/℃。
根據(jù)上述三部分損耗的描述,所以優(yōu)化模型為:
f(x)=ΔWGZ+ΔWGF+ΔWGR(7)

優(yōu)化算法的確定

通過對以上優(yōu)化模型的分析,搜索空間為離散空間,且模型本身并不復(fù)雜,所以采用離散系統(tǒng)最小值原理的優(yōu)化算法是比較合適的。具體在已知優(yōu)化模型基礎(chǔ)上如何轉(zhuǎn)化成優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的方法,文獻中敘述的比較詳細(xì)。

優(yōu)化的約束條件為,目標(biāo)函數(shù)中的相關(guān)設(shè)計系數(shù)以及理想空載直流電壓Udio和輸出直流電流Id等設(shè)計要求,這部分函數(shù)的推導(dǎo)可以參見電化學(xué)整流電源電氣計算的相關(guān)文獻。
針對所研究的問題,優(yōu)化的最終目標(biāo)是搜索最佳并聯(lián)支路數(shù),從而使整流裝置的損耗最小,效率最高。這樣所研究問題的優(yōu)化域為一般并聯(lián)支路數(shù)的數(shù)目,即D={0,1,…nb}。

實例分析

一臺30kA×3/546V的電化學(xué)整流裝置,主要原始數(shù)據(jù)及設(shè)計要求如下(主要列出與上面損耗計算中相關(guān)的參數(shù)):
單柜額定輸出直流IdN=30kA,UdN=546V;
整流電路型式:三相二極管橋式整流;
電流儲備系數(shù):KAi≥2.5;
均流系數(shù):KI≥0.85。
按常規(guī)設(shè)計,在價格、可靠性滿足要求的情況下,則選用當(dāng)前最大承載電流的整流二極管。表1為常規(guī)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計結(jié)果的比較。

顯然,采用8只器件并聯(lián),使整流效率提高了約0.02%,大大節(jié)約了電能。

(1)通過在設(shè)計過程中引入優(yōu)化的思想,克服了以往完全依賴經(jīng)驗公式的設(shè)計方法,使設(shè)計的整流裝置在性能上有所提高。

(2)隨著新型整流器件的推出,方案設(shè)計的多樣性也越來越突出,優(yōu)化設(shè)計方法更能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢。

(3)通過完善優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(效率),可以進一步提高優(yōu)化的效果。但對電化學(xué)整流裝置來說,如果能從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進行分析,整流裝置的性能會得到進一步的提高。

(4)這種優(yōu)化思想也可以應(yīng)用于其它電力電子變換裝置。

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