基于效率和均流偏差期望加权和矩阵的并联供电系统模块数量控制方法
【专利摘要】本发明涉及基于效率和均流偏差期望加权和矩阵的并联供电系统模块数量控制方法，本发明通过构建全负载情况下的效率和均流偏差期望加权和矩阵A＝(γmi)K×U并计算A＝(γmi)K×U的1范数||A||1及其对应的负载电流Iref。||A||1表征了并联供电系统均流过程中效率和均流综合性能指标最优及其对应的在线模块负载电流值，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。本发明所述的基于效率和均流偏差期望加权和矩阵的并联供电系统模块数量控制方法具有可靠性高，实用性强等特点；可有效兼顾并联供电系统均流性能和效率指标，提高系统的运行经济性和可靠性，为并联供电系统安全、高效运行提供可靠保证。
【专利说明】
基于效率和均流偏差期望加权和矩阵的并联供电系统模块数 量控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及基于效率和均流偏差期望加权和矩阵的并联供电系统模块数量控制 方法，通过控制电源模块运行数量确保并联供电系统在不同负载条件下的效率和均流偏差 期望加权和处于最大值附近，该方法同样适用于其他电子设备并联运行对效率和均流(均 功率)性能指标的要求。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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，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；另一方面，电源模块在不同负载情况下，其工作效率也不同，因而需 要对并联供电系统在线电源模块的数量进行最优化控制，确保每个在线电源模块工作于最 高效率点附近，确保系统在任何负载条件下系统效率最优。所以，需要一种新的控制策略， 能实现并联供电系统效率和均流性能综合指标处于较高水平。
[0004] 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，就必须建立效率和均流偏差数学期望加权和表达式， 求取效率和均流偏差数学期望加权和最大时对应的电源模块输出电流值。因而，只要控制 并联供电系统电源模块输出电流处于最优输出电流附近，就能确保并联供电系统在不同负 载情况下效率和均流效果综合性能指标最优。所以，在获取并联供电系统输出负载电流的 情况下，通过优化控制并联供电系统中在线电源模块的数量，使得电源模块始终工作于综 合性能指标最优点附近，从而确保并联供电系统的高效、可靠和长寿命运行。
[0005] 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 统模块数量优化控制方法来实现效率和均流综合性能指标的优化控制。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优化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】
[0006] 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偏差期望加权和矩 阵的并联供电系统模块数量控制方法。
[0007] 本发明的技术方案是:一种基于效率和均流偏差期望加权和矩阵的并联供电系统 模块数量控制方法，其步骤如下：
[0008] (1)事先获取K个电源模块组成的并联供电系统负载电流1_从
按照间隔
，每个电源模块在不同负载
情况下 采集V个输出电流Datacurr(m'）（ i) (j)，输出电压Data?it(m'）（ i) (j)和输入功率P(m'）（ i) (j)，并得出对应的V个电源模块效率n(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为输出电流采集序号，m'，i，j满足m' = {1，···!(}，i = {1，，j = {1，… V}，In为电源模块的额定电流；
[0009] (2)获得电源模块输出电流与均流期望电流相对偏差绝对值
及对应的数学期望
；获得电源模块效率的平均值 及效率nm，i;
以γ m，i为元素构建矩阵A = (ym'i)Kxu;m'，i，j满足m' = {1，···Κ}，i = {1，···υ}，j = {1，···ν};
[0010] (3)求解矩阵A=(ym，i)KXU的1-范数
对应的负载电流序号a 值，
成立所对应的3值，其中：&￡[1，1]]4^[1，1]];该 &值即为电源模块负 载电流为
'系统的效率和均流综合性能指标最优;在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Iw
[0011] (4)以周期1^为间隔计算并联供电系统在线电源模块数量M，并对Μ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Cur r(m)，m为 当前在线电源模块的序号；
[0012] (5)计算Μ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
[0013] (6)|1^_-1^々贝嫌续下一个在线电源模块的检测;反之，则获取在线电源模 块输出电流为参考电流Irrf时的在线电源模块数量#
[0014] (7)#彡1则设置# = 2;反之，则获取并联供电系统需调节在线电源模块数量Δ# = #-Μ;集中控制器根据Δ #的正负增加或减少| Δ # |个在线电源模块。
[0015] 步骤⑴一步骤⑶中，
[0016] ( - )在te((i-l)T，iT]，（U彡i彡1)，电子负载电流为 ，获取在线电 源模块的均流目标参考电流为：
[0017] (二)获取序号为m的在线电源模块的输出电流采样数据：
[0018] 0&七&。_(111'）（丨）（]_)，（1(彡111'彡1，1]彡丨彡1，￥彡]_彡1)，并获取其均流相对偏差绝对 值S(m，）(i)(j):
[0020](三)获取序号为m'的电源模块在：
：条件下关于j的数学期 望Em4 :
[0022] Em4表不序号为m'的电源模块在
_条件下的相对偏差绝对值的平均值；
[0023] (四）获取序号为m'的电源模块在
条件效率
[0025](五)获取序号为m'的电源模块在条件下关于j的数学期 望nm, i :
[0027] TWi表示为序号为m'的电源模块在= 条件下的效率的平均值；
[0032] 并获取| |A| h对应的i值为a，即满足不等式
[0033] 获取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Ire3f:
[0031] I |A| 表示由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；
[0034] 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数 学期望Ε ;其次，求取不同负载情况下电源模块η和4加权和 并以 .E γ为元素构建κ个电源模块在不同负载情况下的矩阵A，计算该矩阵的1范数| |A| U及对应 情况下效率和均流综合性能指标最优时模块的输出电流iMf;再次，并联供电系统集中控制 器通过实时获取在线工作电源模块的输出电流求取系统总的负载电流值Icmt并除以事先获 得的Iref，得出并联供电系统在线运行电源模块数量N%最后，并联供电系统集中控制器实 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点或附近。由于相同规格的 电源模块其特性总体保持一致，因而通过测量κ(κ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在不同负载电流下的效率和均流综合性能指标即可获得 任意Ν个电源模块组成的并联供电系统在不同负载情况下的效率和均流综合性能指标。
[0035] 本发明具有以下优势：
[0036] (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；
[0037] (2)本发明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；
[0038] ( 3 )本发明通过构建全负载情况下的效率和均流偏差期望加权和矩阵A = (Tmi)KXU并计算A=( Ymi)KXU的1范数| |A| |l及其对应的负载电流Iref。| |A| |l表征了并联供 电系统均流过程中效率和均流综合性能指标最优及其对应的在线模块负载电流值，为并联 供电系统效率和均流优化控制提供依据。
[0039] (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。
[0040] (5)本发明所述的基于效率和均流偏差期望加权和矩阵的并联供电系统模块数量 控制方法具有可靠性高，实用性强等特点;可有效兼顾并联供电系统均流性能和效率指标， 提高系统的运行经济性和可靠性，为并联供电系统安全、高效运行提供可靠保证。
【附图说明】
[0041] 图1为并联供电系统结构图。
[0042] 图2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】
[0043]下面针对附图对本发明的实施例作进一步说明：
[0044] 本发明提供了基于效率和均流偏差期望加权和矩阵的并联供电系统模块数量控 制方法，图1所示为并联供电系统结构图和图2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。图2主要功能是获取并联供电系统在不同 负载条件下在线模块效率和均流偏差期望加权和矩阵，进而确定该矩阵1范数对应的最优 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、计算效率和均流偏差期望加权和矩阵1范数对应的负载电流;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。
[0045] -、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;IpN为并联供电 系统额定输出电流，满足为负载电流点数量，即并联供电系统负载电流1_从
(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多i多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111' = 1，2，一1(，即111'=1为1?最小的电源模块序号，111'=2为1?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、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。〇 &七&。_(111'）（1)〇)，（1(彡111'彡1，1]彡1彡1，￥彡」彡1)为序号为111'的电源模块在
条件下第j个电流采样数据;Data?it(m'）（i) (j)，（K>m' > 1，i> 1，j彡1)为 序号为m'的电源模块在
黾条件下第j个输出电压采样数据;P(m'）（i)(j)，（K>m' 多1，U多i多1，V多j多1)为序号为m'的电源模块在
件下第j个输入功率采样数 据;"111'）（1)〇)，（1(彡111'彡1，1]彡1彡1，￥彡_]_彡1)为序号为111'的电源模块
下计算出来的第j个效率数据，满足：
贝1^^((卜1)!'41']，（1]彡1彡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 XKXV个数据。假设上位机采集一个数据的时间为h，则系统工作于
TtQtai = 3 X K X V X h时间，因而必须满足T彡TtQtai。又由于均流性能数据可靠性与采样点数 和采样时间Ti相关，因而需根据实际需求综合考虑I^PTi大小，确保均流性能指标的可靠性。
[0047] 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
[0046] 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； I时，我们同样可以通过测量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，均流相对偏差数列的数学期望表征的 是实际值与目标值之间的总体一致性，体现其阶跃响应过程中的精确度，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，需构建效率和均流偏差数学期望加权和及其对应的矩 阵;最后，通过求取效率和均流偏差数学期望加权和矩阵A=( Ym，i)KXU的1-范数I |A| U确定 并联供电系统综合性能最优值及其对应的负载电流。这是基于Α=( γ^Οκχυ的1-范数| |A :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。
[0048]在te((i-l)T，iT]，（U彡i彡1)，电子负载电流为，则电源模块的均流 目标参考电流为：
[0050]获取序号为m'的电源模块输出电流采样数据数据:Data?rr(m'）（i)(j)，（K>m'> 1，U彡i彡1，V彡j彡1)，因而，其均流相对偏差绝对值δ(m'）（i) (j)为：
[0052]求取序号为m'的电源模块在
件下3(111'）（〇〇)关于」的数学期望 Em，i为：
[0054] Em\的物理意义为:序号为m'的电源模块在：
件下的相对偏差绝对值 的平均值，Em\越小表明电源模块的在
丨条件下均流性能越好。
*
[0057]求取序号为m'的电源模块在条件下ri(m'）（i)( j)关于j的数学期望 .20 N. Hm' i为：
[0059] nm，i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， nm，i越大表明电源模块的在
条件下经济性能越好，越节能；
[0062] γ a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；
[0063] 构建以ym，i为元素的矩阵A=( ym，i)KXLi:
[0065]求解矩阵 A=( ym，i)Kxu 的 1 范数 I |Α| |ι:
[0067] I |A| 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。
[0068]令| |A| h对应的i值为a，即满足不等式：
[0070]则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Irrf为：
[0072]二、并联供电系统优化控制结构图变量说明如下：
[0073] Ts为集中控制器计算在线电源模块数量和采集在线电源模块输出电流数据的周 期;Μ为在线电源模块数量;1_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=l，2, _，M，m为当前在线电源模块的序号；Irrf为并联供电系统 效率和均流综合性能最优时在线电源模块对应的负载电流;I share3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；AI为Ishare3与I rrf之差的绝对值;(^Ishare3与Irrf之差绝对 值的最大允许值。
[0074]在t = KTS，K = 0，1，2，3，…时刻，并联供电系统的集中控制器通过通信总线开始采 集Μ个在线电源模块的输出电流Curr(m)，m=l，2, ___，M;并计算并联系统负载电流Imjt，满 足：
[0076]计算在线电源模块输出电流目标值Ishara，满足：
[0078] 计算在线电源模块输出电流目标值Ishara与之差的绝对值Δ I，满足：
[0079] Δ 1= | Ishare-Iref | , (13)
[0080] 判断△ I是否满足不等式：
[0081] ΔΙ<σ，（14)
[0082] 在不等式（14)不满足的情况下，计算并联供电系统负载电流为1_时，效率和均流 综合性能最优条件下在线电源模块数量#，满足：
[0084]在不等式（14)不满足的情况下，计算并联供电系统在线电源模块调节量△ Ν'满 足：
[0085] ΔΝ* = Ν*-Μ, (18)
[0086] 集中控制器增加(减少）I Δ#|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。
[0087] 本发明提供了基于效率和均流偏差期望加权和矩阵的并联供电系统模块数量控 制方法，包括如下步骤：
[0088] (1)事先获取Κ个电源模块组成的并联供电系统负载电流1_从 按照间隔
(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；In为电源模块的额定电流），每个电源模块在不同负载电流
t青况下采集V个输出电流Datacurr(m'）（ i) (j)，输出电压Data?it(m'）（ i) (j)和 输入功率？(111'）（1)(」），并计算出对应的￥个电源模块效率11(111'）（1)(」）（￥可由用户根据实 际确定大小）。其中:m'为电源模块序号；i为负载电流值对应的序号值;j为输出电流采集序 号;m，，i，j满足m，= {1，···!(}，i = {l，···υ}，j = {l，···ν};
[0089] ( 2 )计算电源模块输出电流与均流期望电流相对偏差绝对值
及对应的数学期望
，:越小表明 电源模块的均流性能越好）；计算电源模块效率的平均值
.及效率rw i和
(越大表明模块的综合性能越好）；以Yml 为元素构建矩阵A=( ym，i)Kxu;m'，i，j满足m' = {1，···Κ}，i = {1，···υ}，j = {1，···ν};
[0090] (3)求解矩阵A=( ym，i)KXU的1-范数
>对应的负载电流序号a 值，
成立所对应的3值，其中:&￡[1，1]]4^[1，1]];该 &值即为模块负载电
i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Irrf满足
[0091] (4)以周期1^为间隔计算并联供电系统在线电源模块数量M，并对Μ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(l)，当 前在线电源模块序号为m，令m=l;
[0092] (5)计算Μ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
[0093] (6)判断|lshare-Iref|<?是否成立，如果是，则进入步骤(4);反之，则进入步骤(7);
[0094] (7)计算在线电源模块输出电流为参考电流Irrf时的在线电源模块数量Ν' SP
[0096] (8)判断N*<1?是否成立?如果是，则进入步骤(9);反之，进入步骤（10);
[0097] (9)设置# = 2;这是由于#〈2时是单电源模块供电，不具备均流功能。
[0098] (10)计算并联供电系统需调节在线电源模块数量Δ# = #-Μ;
[0099] (11)判断ΔΝ*>0?是否成立，如果是，则进入步骤（12);反之，进入步骤（13);
[0100] (12)集中控制器增加 Δ#个在线电源模块，然后进入步骤(4);
[0101] (13)集中控制器减少Δ#个在线电源模块，然后进入步骤(4)。
[0102] 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。
【主权项】
1. 一种基于效率和均流偏差期望加权和矩阵的并联供电系统模块数量控制方法，其特 征在于:其步骤如下： (1) 事先获取K个电源模块组成的并联供电系统负载电流lout从;^Kxlw按照间隔为 等间距变化到^Kxlw时，每个电源模块在不同负载电流Ι?=^κ.χ:ν障况下采 集V个输出电流Datacurr(m'）（i)( j)，输出电压Datav〇it(m'）（i)( j)和输入功率P(m'）（i)( j)， 并得出对应的V个电源模块效率11(111'）（。〇)，其中:111'为电源模块序号，1为负载电流值对 应的序号值，j为输出电流采集序号，满足m' = {l，···"，i = U，= ···￥}，In 为电源模块的额定电流； (2) 获得电源模块输出电流与均流期望电流相对偏差绝对值及对应的数学期望及效率rim'i和ae [0，1 ] ; W 丫 m'i为元素构建矩阵A = (丫m'i)Kxu;m'，i，j满足m' = {1，...Κ}，i = {1，...U}，j = {1，...V}; (3) 求解矩阵A=( 丫 m'i)Kxu的1-范数计应的负载电流序号a值，即成立所对应的a值，其中：a e [ 1，U]，i e [ 1，U];该a值即为电源模块负载电 流为时系统的效率和均流综合性能指标最优;在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Iref为Ι,νΙ· ; (4) W周期Ts为间隔计算并联供电系统在线电源模块数量M，并对Μ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 线电源模块的序号； (5) 计算Μ个在线电源模块组成的并联供电系统的负载电滿fl在线电源 模块均流负载电流：; Μ (6) |lshare-Iref|《〇贝赚续下一个在线电源模块的检测；反之，则获取在线电源模块输 出电流为参考电流Iref时的在线电源模块数量护：(7) 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ΔΝ* = Ν*- Μ;集中控制器根据Δ N*的正负增加或减少I A N* I个在线电源模块。2.根据权利要求1所述的基于效率和均流偏差期望加权和矩阵的并联供电系统模块数 量控制方法，其特征在于:步骤(1)-步骤(3)中， (一化化（（1-1)1'，讯，化>1>1)，电子负载电流为1,,,,1(0=^||诉，获取在线电源模 块的均流目标参考电流为； (二)获取序号为m的在线电源模块的输出电流采样数据： 0曰*曰。。"(111'）（。〇)，化>111'>1，1]>1>1，￥>_1>1)，并获取其均流相对偏差绝对值5 (m'）(i)(j):(S)获取序号为m'的电源模块在= 条件下5(111'）。）〇'）关于诚数学期望 Em' i :Em>i表示序号为m'的电源模块在]。条件下的相对偏差绝对值的平均值； (四） 获取序号为m'的电源模块在1。,,1〇) = ：^|1:条件效率11(111'）（。〇):(五） 获取序号为111'的电源模块在1。,,1〇)=：^|1^条件下11(111'）。）〇'）关于^'的数学期望 rim'i:rw康示为序号为m'的电源模块在1。,,仙=^||;条件下的效率的平均值； 20 h(六) 获取山' i和^加权和丫 m' i ; 担虹'i (屯)构建W 丫 m'l为元素的矩阵A= ( 丫 m'i)KXl(八)获取矩阵A=( 丫 m'i)KXU的1范数表示由κ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； 并获取Man拥应的i值为a,即满足不等式；? = 1，2,…U，获 取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；
【文档编号】G05B13/04GK106094522SQ201610525213
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】李凯, 彭志辉, 潘敏辉, 陈益丰, 潘晓铭
【申请人】温州大学