電化學(xué)整流電源電聯(lián)接方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

西安電力電子技術(shù)研究所張大衛(wèi)胡建斌摘要：闡述了目前電化學(xué)整流電源電聯(lián)接方案設(shè)計(jì)存在的缺陷，提出了以效率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過建立優(yōu)化模型和目標(biāo)函數(shù)得以實(shí)現(xiàn)，證實(shí)了這種優(yōu)化方法的可行性。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)整流，損耗，模型，優(yōu)化

1引言

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(gè)重要的課題。一般來說，對于符合設(shè)計(jì)要求（電壓、電流、機(jī)組效率等）的設(shè)計(jì)方案可以有多種，通常首先按照經(jīng)驗(yàn)選定整流裝置的電路型式，然后根據(jù)可以選用的最大器件進(jìn)行計(jì)算整流裝置的具體結(jié)構(gòu)[1]。這樣設(shè)計(jì)可以使并聯(lián)支路數(shù)最少，但是效率并不一定達(dá)到最高。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(jìn)，均流問題也不再突出，所以從效率、損耗方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是必要的。

2優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1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(shí)間事件的最優(yōu)解[2]。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(gè)點(diǎn)組成的集合。一個(gè)優(yōu)化問題可用三個(gè)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(gè)元素稱為該問題的可行解，f表示目標(biāo)函數(shù)。所以進(jìn)行優(yōu)化的首要任務(wù)就是建立優(yōu)化模型。

計(jì)算電化學(xué)整流裝置的效率相對復(fù)雜，而損耗的計(jì)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）[1]，即：η=（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(jìn)一步集中在對這兩部分損耗的綜合評估。

2.2優(yōu)化模型確定

圖1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(yùn)行特點(diǎn)，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(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的比較

（1）整流器件正向損耗計(jì)算

電化學(xué)整流裝置中整流器件正向損耗ΔWZ為：

ΔWZ=U0IA(AV)＋I(xiàn)T2ron（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(gè)器件并聯(lián)，共有m個(gè)整流臂的整流裝置器件正向損耗ΔWGZ為：ΔWGZ=m(U0IA(AV)＋I(xiàn)T2)（3）

式中：IA(AV）=Id×KAi/(m×KI)

IT=KATIA(AV）

其中：Id為設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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：ΔWGR=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(jì)算；

t風(fēng)冷時(shí)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）

2.3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(xiàn)[3]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(jì)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(jì)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(jì)算的相關(guān)文獻(xiàn)。

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?yàn)橐话悴⒙?lián)支路數(shù)的數(shù)目，即D={0,1,…nb}。

3實(shí)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(jì)要求如下（主要列出與上面損耗計(jì)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(jì)，在價(jià)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(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)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。

4結(jié)語

（1）通過在設(shè)計(jì)過程中引入優(yōu)化的思想，克服了以往完全依賴經(jīng)驗(yàn)公式的設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)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(jì)的多樣性也越來越突出，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)行分析，整流裝置的性能會得到進(jìn)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。

參考文獻(xiàn)

1沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院電力室編.硅整流所電力設(shè)計(jì).冶金工業(yè)出版社，1983

2邢文訓(xùn)，謝金星.現(xiàn)代優(yōu)化計(jì)算方法.清華大學(xué)出版社，1999

3符曦.系統(tǒng)最優(yōu)化及控制.機(jī)械工業(yè)出版社，1995