通过建立优化模型和目标函数实现电化学整流电源电联接

Colbie

通过建立优化模型和目标函数实现电化学整流电源电联接

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【导读】电化学整流电源是一种高耗能设备，提高整流效率、降低额外损耗是这类电力电子变换装置的一个重要的课题。随着大功率器件制造水平的提高以及压接工艺技术的改进，均流问题也不再突出，所以从效率、损耗方面进行优化设计是必要的。

优化设计

问题分析

优化就是通过对数学方法的研究去寻找时间事件的最优解。它一般可以用数学模型描述为：minf(x)，s.t.g(x)≥0，x∈D。其中f(x)为目标函数，g(x)为约束函数，x为决策变量，D表示有限个点组成的集合。一个优化问题可用三个参数(D，F，f)表示，其中D表示决策变量的定义域，F表示可行解区域F={x|x∈D，g(x)≥0}，F中的任何一个元素称为该问题的可行解，f表示目标函数。所以进行优化的首要任务就是建立优化模型。

计算电化学整流装置的效率相对复杂，而损耗的计算比较易行和准确，所以一般采用所谓的“分离损耗法”（叠加损耗法），即：

η=（1）
* M  z, k: Y7 X' C式中：η表示效率；
* _, ?5 ^8 [. A7 A" q# M. u$ V( S$ NPdN表示直流侧输出总功率；
+ E3 C! O# n3 X/ t, F( {/ }& H/ x8 E∑ΔW表示整流装置总损耗。

这样求解效率最高的问题就转换为如何使损耗最小。电化学整流电源的损耗包括整流装置损耗、整流变压器和各类电抗器损耗以及一些辅助系统损耗，而整流装置的损耗主要是整流器件和快速熔断器的损耗，所以问题进一步集中在对这两部分损耗的综合评估。

优化模型确定

图题：整流臂支路结构

根据上面的分析，优化模型的确定也就是与电联接相关的损耗函数的确定，电化学整流装置整流臂支路结构如图1所示。按照整流装置的运行特点，为抑制空穴积蓄效应产生的换相过电压整流器件并联RC回路，其电阻R上的损耗在整流装置的总损耗中所占比例很小，所以整流装置的损耗主要包括整流器件正向损耗、反向损耗和快速熔断器损耗三部分。

表1：常规设计与优化设计结果的比较

（1）整流器件正向损耗计算

电化学整流装置中整流器件正向损耗ΔWZ为：
& y# o+ Q+ V% y7 U" d9 dΔWZ=U0IA(AV)＋IT2ron（2）
& G* F0 c8 b: I0 Q7 e2 j, Q2 W式中：U0为导通门槛电压；
% a& M- `9 L5 f1 CIA(AV)为整流器件平均工作电流；
0 Z5 t. t7 F7 g6 y+ m& mIT为整流器件电流有效值；
+ W9 I) T7 ?- t6 Yron为导通电阻。
对于整流臂为nb个器件并联，共有m个整流臂的整流装置器件正向损耗ΔWGZ为：

ΔWGZ=m(U0IA(AV)＋IT2)（3）
式中：IA(AV）=Id×KAi/(m×KI)
4 L" N7 T; G* |. B4 kIT=KATIA(AV）
其中：Id为设计输出直流电流；
KAi为电流储备系数；
KI为均流系数；
KAT为整流器件电流有效值与平均值关系系数，对于三相桥式整流为1.732。

（2）整流器件反向损耗计算

对整流臂数m，每臂并联支路数为nb的器件反向功率总损耗ΔWGF为：
' L- L2 W* @9 o! r8 V# CΔWGF=m•nb•UF（AV）•Ir(AV)（4）
) E% ^' A% D& I* F式中：UF（AV）为整流器件反向电压平均值；
" b1 Q1 e+ o0 T3 pIr(AV)为整流器件反向平均电流。
对于三相桥式整流电路：
3 c' e1 U1 ?0 VUF（AV）=Udio
; n& Q: [6 g# u/ Y9 M  n4 FIr(AV)=Ir
其中：Udio为所设计整流装置的理想空载直流电压；
Ir为整流器件反向平均漏电流。
; M7 B! X1 G  y; w6 n: M* W所以ΔWGF=0.5×m•nb•Udio•Ir（5）

（3）快速熔断器损耗计算
对整流臂数m，每臂并联支路数为nb的快速熔断器总功率损耗ΔWGR为：

ΔWGR=m•IT2••[1＋α(t－t0)]（6）
式中：RRD为快速熔断器冷态电阻；
t0可按20℃计算；
4 W+ F" k6 g9 F0 h% |! y' Dt风冷时取120℃，水冷取75℃；
* G: n  g# ?: ^α为电阻温度修正系数取0.0035/℃。
根据上述三部分损耗的描述，所以优化模型为：
f(x)=ΔWGZ＋ΔWGF＋ΔWGR（7）

优化算法的确定

通过对以上优化模型的分析，搜索空间为离散空间，且模型本身并不复杂，所以采用离散系统最小值原理的优化算法是比较合适的。具体在已知优化模型基础上如何转化成优化目标函数的方法，文献中叙述的比较详细。

优化的约束条件为，目标函数中的相关设计系数以及理想空载直流电压Udio和输出直流电流Id等设计要求，这部分函数的推导可以参见电化学整流电源电气计算的相关文献。
针对所研究的问题，优化的最终目标是搜索最佳并联支路数，从而使整流装置的损耗最小，效率最高。这样所研究问题的优化域为一般并联支路数的数目，即D={0,1,…nb}。

实例分析

一台30kA×3/546V的电化学整流装置，主要原始数据及设计要求如下（主要列出与上面损耗计算中相关的参数）：
单柜额定输出直流IdN=30kA，UdN=546V；
整流电路型式：三相二极管桥式整流；
电流储备系数：KAi≥2.5；
均流系数：KI≥0.85。
按常规设计，在价格、可靠性满足要求的情况下，则选用当前最大承载电流的整流二极管。表1为常规设计与优化设计结果的比较。

显然，采用8只器件并联，使整流效率提高了约0.02％，大大节约了电能。

（1）通过在设计过程中引入优化的思想，克服了以往完全依赖经验公式的设计方法，使设计的整流装置在性能上有所提高。

（2）随着新型整流器件的推出，方案设计的多样性也越来越突出，优化设计方法更能体现出它的优势。

（3）通过完善优化目标函数（效率），可以进一步提高优化的效果。但对电化学整流装置来说，如果能从拓扑结构上进行分析，整流装置的性能会得到进一步的提高。

（4）这种优化思想也可以应用于其它电力电子变换装置。

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楼主分享的优化方案不错。