兼顾效率和均流性能的并联供电系统电源模块数量模糊控制方法与流程

本发明涉及兼顾效率和均流性能的并联供电系统电源模块数量模糊控制方法，用于并联供电系统电源模块运行数量优化控制，确保不同负载条件下并联供电系统较高的效率和均流综合性能，该方法同样适用于其他电子设备并联运行对效率和均流性能指标的要求。

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，因而需要对并联供电系统在线电源模块数量进行优化控制，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，因而需要对并联供电系统在线电源模块的数量进行控制，确保每个在线电源模块工作于最高效率点附近，确保系统处于效率最优。所以，需要一种并联供电系统在线电源模块数量控制策略，能兼顾并联供电系统效率和均流性能综合指标。

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。所以，为了兼顾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处于较高水平，就必须建立效率和均流综合性能评价指标，获取综合性能指标较高时对应的电源模块输出电流值。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和并联供电系统的高效、可靠和长寿命运行。

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电源 模块数量控制方法来实现系统较高的效率和均流综合性能指标。因而，一种可靠和实用的并联供电系统电源模块数量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。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足之处，提出了兼顾效率和均流性能的并联供电系统电源模块数量模糊控制方法。

本发明的技术方案是：一种兼顾效率和均流性能的并联供电系统电源模块数量模糊控制方法，其步骤如下：

(1)获取K个电源模块组成的并联供电系统负载电流I_out从按照间隔为等间距变化到时，每个电源模块在不同负载电流情况下采集V个输出电流Data_curr(m')(i)(j)，输出电压Data_volt(m')(i)(j)和输入功率P(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为输出电流采集数据序号；m'，i，j满足m'＝{1,…K},i＝{1,…U},j＝{1,…V}；I_N为电源模块的额定电流；

(2)获取序号为m'的电源模块输出电流与均流期望电流相对偏差 数学期望和标准偏差 获取K个电源模块在均流期望电流为时的S_m'i平均值 获取序号为m的电源模块在均流期望电流为时效率 和效率数学期望获取K个电源模块在均流期望电流为的工况下平均效率

(3)对U个数据点和拟合得出Γ与电源模块负载电流i之间的关系Γ＝Ψ(i)及效率η与电源模块负载电流i之间的关系η＝Φ(i)；

(4)在允许输出电流范围内，获取满足最大的及满足最小的

(5)以周期T_s为间隔计算并联供电系统在线电源模块数量M，并对M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)；

(6)获取M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电流

(7)以I_share为输入，分别获取I_share与偏离程度隶属度函数的输出μ^Φ(I_share)和I_share与偏离程度隶属度函数的输出μ^Ψ(I_share)；

(8)以μ^Φ(I_share)和μ^Ψ(I_share)为输入，依据模糊控制规则表和模糊推理得出对应控制规则，并依据模糊控制重心法原理解模糊进行精确化计算，获取在线电源模块电流调节量隶属度函数μ(ΔI)的输出电流调节量ΔI的精确值：

(9)|ΔI|≤σ则继续步骤(5)的操作；反之，则获取并联供电系统在线电源模块预期均流负载电流：I_share＝I_share+ΔI；

(10)获取在线电源模块输出电流为参考电流I_share时的在线电源模块数量N^*：

(11)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ΔN^*＝N^*-M，并根据ΔN^*的正负，集中控制器增加或减少|ΔN^*|个在线电源模块。

步骤(3)中应用多项式拟合、曲线拟合对U个数据点和进行拟合。

步骤(7)中通过

分别获取I_share与偏离程度隶属度函数的输出μ^Φ(I_share)和I_share与偏离程度隶属度函数的输出μ^Ψ(I_share)，其中：s＝{NM,NS,O,PS,PM},单位：单位：单位：

步骤中(8)通过

获取在线电源模块电流调节量隶属度函数μ(ΔI)，

其中：s＝{NM,NS,O,PS,PM},单位：单位：单位：

步骤(1)-步骤(2)中，

(一)在t∈((i-1)T,iT],(U≥i≥1)，电子负载电流为时，获取电源模块的均流目标参考电流：

(二)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)，并获取其均流相对偏差δ(m')(i)(j)：

(三)获取序号为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_m'i：

(四)获取序号为m'的电源模块在条件下相对偏差δ(m')(i)(j)关于j的标准偏差S_m'i：

S_m'i表示序号为m'的电源模块在条件下的相对偏差的标准偏差；

(五)获取K个电源模块在均流期望电流为时的平均标准偏差：

(六)对U个数据点进行处理得出Γ与电源模块负载电流i之间的关系：Γ＝Ψ(i)，并在允许输出电流范围内，获取满足的负载电流

(七)获取序号为m'的电源模块在条件效率η(m')(i)(j)：

(八)获取序号为m'的电源模块在条件下η(m')(i)(j)关于j的数学期望η_m'i：

η_m'i表示序号为m'的电源模块在条件下的效率的平均值；

(九)获取K个电源模块在均流期望电流为的工况下平均效率：

(十)对U个数据点进行处理得出效率η与电源模块负载电流i之间的关系：η＝Φ(i)，并在允许输出电流范围内，获取满足负载电流

本发明的原理主要包含以下部分：首先，获取并联供电系统电源模块平均效率η与电源模块负载电流i的表达式η＝Φ(i)，并求取Φ(i)最大时对应的负载电流其次，获取并联供电系统电源模块标准偏差平均值Γ与电源模块负载电流i之间的表达式Γ＝Ψ(i)，并求取Ψ(i)最小时对应的负载电流然后，依据Φ(i)和Ψ(i)的特性、专家经验知识及模糊理论，给出以(其中：)和(其中：)为输入量，电源模块输出电流调节量ΔI为控制量的隶属度函数和模糊控制规则表；最后，依据模糊控制策略实时调节在线电源模块数量，确保系统始终工作于最优工作区间。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在不同负载电流下的均流性能指标即可获得任意N个电源模块组成的并联供电系统在不同负载情况下的均流性能指标。

本发明具有以下优势：

(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；

(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；

(3)本发明在分别获取效率η与电源模块负载电流i之间的表达式η＝Φ(i)和均流标准偏差平均值Γ与电源模块负载电流i之间的表达式Γ＝Ψ(i)及对应最优点和的基础上，以并联供电系统当前均流值I_share为输入，求取I_share与偏离程度隶属度函数的输出μ^Φ(I_share)和I_share与偏离程度隶属度函数的输出μ^Ψ(I_share)，并依据专家知识的模糊控制规则表，得出并联供电系统电源模块期望均流值调节量ΔI，进而调节并联供电系统在线电源模块的数量，确保并联供电系统工作于效率和均流综合性能指标较高水平。

(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。

(5)本发明所述的兼顾效率和均流性能的并联供电系统电源模块数量模糊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

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。

图2为并联供电系统结构图。

图3a为I_share与偏离程度隶属度函数μ^Φ(I_share)。

图3b为I_share与偏离程度隶属度函数μ^Ψ(I_share)

图3c为均流电流调节输出隶属度函数μ(ΔI)

图4为模糊决策规则表。

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：

本发明提供了兼顾效率和均流性能的并联供电系统电源模块数量模糊控制方法。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2所示为并联供电系统结构图，图3为模糊控制隶属度函数，图4为模糊规则表。图1主要功能是获取并联供电系统效率与负载电流的函数关系η＝Φ(i)和模块均流标准偏差平均值与负载电流的数学关系Γ＝Ψ(i)，并确定各自的最优负载电流和图1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η＝Φ(i)和Γ＝Ψ(i)对应的最优负载电流 和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。图2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，依据模糊控制原理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3a、图3b和图3c为模糊控制隶属度函数，用于给出并联供电系统均流值I_share与偏离程度隶属度函数的输出μ^Φ(I_share)和I_share与偏离程度隶属度函数的输出μ^Ψ(I_share)和电源模块均流电流调节量隶属度函数μ(ΔI)。图4为模糊决策规则表，用于对μ^Φ(I_share)、μ^Ψ(I_share)进行模糊决策。

一、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为负载电流点数量，即并联供电系统负载电流I_out从 按照间隔为等间距变化到(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个电源模块的IP按照从小到大的次序映射为m'＝1，2，…K，即m'＝1为IP最小的电源模块序号，m'＝2为IP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。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_m'i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：I_ref(i)为模块在条件下均流目标参考值，满足：其中：U≥i≥1；η_i为K个电源模块在均流期望电流为的工况下的平均效率，满足：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_m'i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：S_m'i为序号为m'的电源模块在条件下V个δ(m')(i)(j)的标准偏差，满足： Γ_i为K个电源模块标准偏差平均值，满足

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电源模块的均流性能。由数理统计知识可知，并联系统均流标准偏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；最后，通过求取效率η与电源模块负载电流i之间的表达式η＝Φ(i)和标准偏差倒数Γ与电源模块负载电流i之间的表达式Γ＝Ψ(i)及其对应的最优负载电流和 其表明并联供电系统效率最优时电源模块负载电流值，表明并联供电系统均流性能最优时负载电流值。

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_m'i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的标准偏差S_m'i为：

S_m'i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偏差，S_m'i越小表明电源模块的在条件下均流集中度性能越好。

计算K个电源模块在均流期望电流为时的平均标准偏差：

应用相关计算方法(诸如多项式拟合、曲线拟合、插补方法等)对U个数据点进行处理得出Γ与电源模块负载电流i之间的表达式：

Γ＝Ψ(i)， (6)

在允许输出电流范围内，求解负载电流满足：

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_m'i为：

η_m'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，η_m'i越大表明电源模块的在条件下经济性能越好，越节能；

计算K个电源模块在均流期望电流为的工况下平均效率：

应用相关计算方法(诸如多项式拟合、曲线拟合、插补方法等)对U个数据点进行处理得出效率η与电源模块负载电流i之间的表达式：

η＝Φ(i)， (11)

在允许输出电流范围内，求解负载电流满足：

二、并联供电系统优化控制结构图变量说明如下：

T_s为集中控制器计算在线电源模块数量和采集电源模块输出电流数据的周期；M为在线电源模块数量；I_out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＝1,2，┄，M；I_share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；ΔI为均流目标值调节值；σ为ΔI的阈值；NB：表示负大；NM：表示负中；NS：表示负小；Z：表示零；PS：表示正小；PM：表示正中；PB：表示正大；μ^Φ(I_share)：并联供电系统均流值I_share与偏离程度隶属度函数；μ^Ψ(I_share)：I_share与偏离程度隶属度函数；μ(ΔI)：在线电源模块均流电流调节量ΔI隶属度函数；μ^Φ(I_share)，μ^Ψ(I_share)和μ(ΔI)分别满足公式(13)～(21)；

μ^Ψ(I_share)表达式为：

μ(ΔI)表达式为：ΔI单位为：

其中：s＝{NM,NS,O,PS,PM},单位：单位：单位：

在t＝KT_s,K＝0,1,2,3，…时刻，并联供电系统集中控制器通过通信总线开始采集M个在线电源模块的输出电流Curr(m)，m＝1,2，┄，M；

计算并联供电系统负载电流I_out，满足：

计算在线电源模块输出电流目标值I_share，满足：

将I_share作为输入，代入隶属度函数μ^Φ(I_share)，μ^Ψ(I_share)对应的公式(13)～(18)求取对应的 隶属度，并以μ^Φ(I_share)、μ^Ψ(I_share)为输入，根据专家经验知识得出的模糊决策规则表和模糊推论，计算在线电源模块均流电流调节量μ(ΔI)的隶属度。并应用重心解模糊控制方法求解电源模块均流电流调节量ΔI精确值：

判断ΔI是否满足不等式：

|ΔI|≤σ， (25)

在不等式(25)不满足的情况下，表明系统在线电源模块数量不是处于最优值附近，计算并联供电系统在线电源模块预期均流负载电流：

I_share＝I_share+ΔI， (26)

计算在线电源模块输出电流为参考电流I_share时的在线电源模块数量N*，即

计算并联供电系统在线电源模块数量调节量ΔN^*，满足：

ΔN^*＝N^*-M， (28)

集中控制器增加(减少)|ΔN^*|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。

本发明提供了兼顾效率和均流性能的并联供电系统电源模块数量模糊控制方法，包括如下步骤：

(1)事先获取K个电源模块组成的并联供电系统负载电流I_out从按照间隔为 等间距变化到时(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；I_N为电源模块的额定电流)，每个电源模块在不同负载电流 情况下采集V个输出电流Data_curr(m')(i)(j)，输出电压Data_volt(m')(i)(j)和输入功率P(m')(i)(j)(V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为输出电流采集数据序号；m'，i，j满足m'＝{1,…K},i＝{1,…U},j＝{1,…V}；

(2)计算序号为m'的电源模块输出电流与均流期望电流相对偏差 数学期望和标准偏差 (S_m'i越小表明模块的均流集中度性能越好)；计算K个电源模块在均流期望电流为时的S_m'i平均值计算序号为m'的电源模块在均流期望电流为时效率和效率数学期望 (η_m'i越大表明模块的效率越高)；计算K个电源模块在均流期望电流为 的工况下平均效率

(3)应用相关计算方法(诸如多项式拟合、曲线拟合等)对U个数据点和 拟合得出Γ与电源模块负载电流i之间的表达式Γ＝Ψ(i)及效率η与电源模块负载电流i之间的表达式η＝Φ(i)；

(4)在允许输出电流范围内，求解满足最大及满足最小；

(5)以周期T_s为间隔计算并联供电系统在线电源模块数量M，并对M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(1)，当前在线电源模块序号为m，令m＝1；

(6)计算M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电流

(7)以I_share为输入，求取I_share与偏离程度隶属度函数的输出μ^Φ(I_share)和I_share与偏离程度隶属度函数的输出μ^Ψ(I_share)；

(8)以μ^Φ(I_share)和μ^Ψ(I_share)为输入，依据模糊控制规则表和模糊推理得出对应控制规则，并依据模糊控制重心法原理解模糊进行精确化计算，求取在线电源模块电流调节量隶属度函 数μ(ΔI)的输出电流调节量ΔI的精确值，满足：

(9)判断|ΔI|≤σ是否成立？如果是，则进入步骤(5)；反之，则进入步骤(10)；

(10)计算并联供电系统在线电源模块预期均流负载电流：I_share＝I_share+ΔI；

(11)计算在线电源模块输出电流为参考电流I_share时的在线电源模块数量N^*，即

(12)判断N^*≤1？是否成立？如果是，则进入步骤(13)；反之，进入步骤(14)；

(13)设置N^*＝2；这是由于N^*<2时是单电源模块供电，不具备均流功能；

(14)计算并联供电系统需调节在线电源模块数量ΔN^*＝N^*-M；

(15)判断ΔN^*＞0？是否成立？如果是，则进入步骤(16)；反之，进入步骤(17)；

(16)集中控制器增加ΔN^*个在线电源模块，然后进入步骤(5)；

(17)集中控制器减少ΔN^*个在线电源模块，然后进入步骤(5)。

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。