基于效率和均流指标面积和最大的并联供电系统最优点确定方法与流程

本发明涉及基于效率和均流指标面积和最大的并联供电系统最优点确定方法，能快速确定并联供电系统的效率和均流综合性能指标最优工作点，为并联供电系统实现高的效率和均流性能综合指标优化控制提供支撑，该方法同样适用于其他电子设备并联运行时效率和均流综合性能指标最优工作点的确定。

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，不能确保系统在不同负载电流情况下都具有较高的均流性能；另一方面，电源模块在不同负载情况下，其工作效率也不同，也不能确保系统在不同负载工况下均具有较高效率。所以，需要一种方法来确定并联供电系统效率和均流性能综合指标最优工作点。

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，首要先决条件是必须确定并联供电系统效率和均流效果综合性能指标最优情况下的工作点，其为并联供电系统效率和均流综合性能优化控制的前提。

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最优点确定方法用于确定效率和均流综合性能最优时系统工作点。因而要实现并联供电系统效率和均流性能的优化控制，一种兼顾效率和均流性能并且可靠和实用的并联供电系统最优工作点确定方法就显得尤为重要，其对于并联供电系统的优化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，提出了基于效率和均流指标面积和最大的并联供电系统最优点确定方法。

本发明的技术方案是：一种基于效率和均流指标面积和最大的并联供电系统最优点确定方法，其步骤如下：

(1)以周期T为间隔时间对K个电源模块组成的并联供电系统负载电流I_out按照步进量为等增量调节，将第i次程控电子负载电流值标记为对应的第i次电源模块均流目标值标记为i为当前电子负载次数；

(2)以周期T_s为间隔对并联供电系统电源模块输出电流、输出电压和输入功率进行采集；

(3)建立由K×U×V个元素构成的并联供电系统的电源模块输出电流数组{Data_curr(m)(i)(j)}，电源模块输出电压数组{Data_volt(m)(i)(j)}和电源模块输入功率数组{P(m)(i)(j)}，其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；K为并联供电系统电源模块数量，其为大于1的正整数；U为程控电子负载工作电流的调节次数；V为每一次电子负载情况下需采集模块输出电流、输出电压和输入功率的次数，其为大于1的正整数；m为当前电源模块序号，i为当前电子负载次数，j为当前采集次数。

(4)获取序号为m的电源模块在均流期望电流为I_ref(i)时相对偏差其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；

(5)获取序号为m的电源模块在均流期望电流为I_ref(i)时δ(m)(i)(j)的期望

(6)获取K个电源模块在均流期望电流为I_ref(i)时的相对偏差数学期望平均值及对应的倒数

(7)对U个数据点i∈[1,U]进行处理得出θ与i之间的关系θ＝Ψ(i)；并在允许输出电流范围内，获得满足最大的

(8)获取序号为m的电源模块效率其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；

(9)获取序号为m的电源模块η(m)(i)(j)的数学期望其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U；

(10)对U个数据点i∈[1,U]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，获得满足最大的

(11)获取和之间满足最大的电流I_ref：其中：在和之间，该I_ref值为并联供电系统的效率和均流综合性能指标最优工作点。

步骤(2)中，将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个电流数据标记为Data_curr(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个电压数据标记为Data_volt(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个输入功率数据标记为P(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下计算的第j个效率记为η(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下效率平均值标记为η_mi；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下采样的第j个电流数据与电源模块均流目标值I_ref(i)相对偏差标记为δ(m)(i)(j)；将第m个序号的电源模块在第i次电子负载电流情况下的电流数据与电源模块均流目标值相对偏差的数学期望标记为E_mi。

步骤(7)中应用多项式拟合、曲线拟合、插补方法对U个数据点i∈[1,U]进行处理。

步骤(10)中应用多项式拟合、曲线拟合、插补方法对U个数据点i∈[1,U]进行处理。

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均流相对偏差平均平均期望倒数θ与电源模块负载电流i之间的表达式θ＝Ψ(i)，并求取Ψ(i)最大时对应的负载电流最后，在和之间求取最优电流I_ref满足面积和最大。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)本发明在分别获得效率η与电源模块负载电流i之间的表达式η＝Φ(i)和均流相对偏差平均数学期望倒数θ与电源模块负载电流i之间的表达式θ＝Ψ(i)及对应最优点和的基础上。以η＝Φ(i)和的面积和为目标函数，求取和之间的电流I_ref，使得其中：在和之间。该值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。

(4)本发明所述的基于效率和均流指标面积和最大的并联供电系统最优点确定方法具有可靠性高，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为效率和均流综合性能面积和示意图。

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：

本发明提供了基于效率和均流指标面积和最大的并联供电系统最优点确定方法。图1所示为并联供电系统效率和均流综合性能最优工作点测试系统结构图，图2为效率和均流综合性能面积和示意图。图1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)和模块均流相对偏差数学期望平均值倒数与负载电流的数学关系θ＝Ψ(i)，并确定各自的最优负载电流和在此基础上，以η＝Φ(i)和θ＝Ψ(i)的面积和为目标函数，求取和之间的电流I_ref，使得从而确定效率和均流综合性能最优时的负载电流I_ref。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)1主要功能为获取在线电源模块IP地址、输入功率、电源模块输出电流、输出功率、控制程控电子负载工作电流、计算η＝Φ(i)、θ＝Ψ(i)和最优负载电流I_ref；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电源模块的输入功率。图2给出了I_ref处在何处区间确保效率和均流综合性能面积和最大的示意图。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。

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_mi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)为电源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_mi为序号为m的电源模块在条件下V个δ(m)(i)(j)的数学期望绝对值，满足：E_i为K个电源模块均流相对偏差数学期望平均值，满足θ_i为E_i的倒数，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，并联供电系统均流相对偏差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；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)和均流相对偏差数学期望倒数θ与电源模块负载电流i之间的表达式θ＝Ψ(i)以及对应的最优负载电流和的基础上，以η＝Φ(i)和θ＝Ψ(i)的面积和为目标函数，求取和之间的电流I_ref，使得从而确定效率和均流综合性能最优时的负载电流I_ref，其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。

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：

$I_{ref}\left(i\right)=\frac{\frac{i}{20}{I}_N^p}{K}=\frac{i}{20}{I}_N,U\≥i\≥1,---\left(1\right)$

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：

$\mathrm{\δ}\left(m\right)\left(i\right)\left(j\right)=\frac{{\mathrm{Data}}_{curr}\left(m\right)\left(i\right)\left(j\right)-I_{ref}\left(i\right)}{I_{ref}\left(i\right)},---\left(2\right)$

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的数学期望绝对值E_mi为：

$E_{mi}=\frac{1}{V}\left|\underset{j=1}{\overset{V}{\Σ}}\mathrm{\δ}\left(m\right)\left(i\right)\left(j\right)\right|,---\left(3\right)$

E_mi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数学期望，E_mi越小表明电源模块的在条件下均流与目标值一致性能越好。

计算K个电源模块在均流期望电流为时的平均期望：

$E_i=\frac{1}{K}\underset{m=1}{\overset{K}{\Σ}}{E}_{mi},---\left(4\right)$

计算E_i的倒数θ_i，满足：

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{1}{E_i},---\left(5\right)$

θ_i的物理意义为：θ_i越大表明电源模块的在条件下均流一致性能越好。

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θ与电源模块负载电流i之间的表达式：

θ＝Ψ(i)， (6)

在允许输出电流范围内，求解负载电流满足：

$\mathrm{\Ψ}\left(I_{ref}^2\right)\≥\mathrm{\Ψ}\left(i\right),---\left(7\right)$

求取序号为m的电源模块在条件效率η(m)(i)(j)为：

$\mathrm{\η}\left(m\right)\left(i\right)\left(j\right)=\frac{{\mathrm{Data}}_{curr}\left(m\right)\left(i\right)\left(j\right)\×{\mathrm{Data}}_{volt}\left(m\right)\left(i\right)\left(j\right)}{P\left(m\right)\left(i\right)\left(j\right)}\×100\%,---\left(8\right)$

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_mi为：

${\mathrm{\η}}_{mi}=\frac{1}{V}\underset{j=1}{\overset{V}{\Σ}}\mathrm{\η}\left(m\right)\left(i\right)\left(j\right),---\left(9\right)$

η_mi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_mi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：

${\mathrm{\η}}_i=\frac{1}{K}\underset{m=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\η}}_{mi},---\left(10\right)$

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：

$\mathrm{\Φ}\left(I_{ref}^1\right)\≥\mathrm{\Φ}\left(i\right),---\left(12\right)$

以η＝Φ(i)和θ＝Ψ(i)的面积和为目标函数，计算最优负载电流I_ref，满足：

$\left(\right|{\∫}_{I_{ref}^1}^{I_{ref}}\mathrm{\Φ}\left(i\right)di|+|{\∫}_{I_{ref}}^{I_{ref}^2}\mathrm{\Ψ}\left(i\right)di\left|\right)\≥\left(\right|{\∫}_{I_{ref}^1}^i\mathrm{\Φ}\left(i\right)di|+|{\∫}_i^{I_{ref}^2}\mathrm{\Ψ}\left(i\right)di\left|\right),---\left(13\right)$

其中：I_ref处于和之间，处于和之间；

I_ref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时负载电流。

本发明提供了基于效率和均流指标面积和最大的并联供电系统最优点确定方法，包括如下步骤：

(1)以周期T为间隔时间对K个电源模块组成的并联供电系统负载电流I_out按照步进量为等增量调节；将第一次程控电子负载电流值标记为对应的第一次模块均流目标值标记为当前电子负载次数为i，令i＝1；

(2)以周期T_s为间隔对并联供电系统电源模块输出电流、输出电压和输入功率进行采集。将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下采样的第一个电流数据标记为Data_curr(1)(1)(1)；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下采样的第一个电压数据标记为Data_volt(1)(1)(1)；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下采样的第一个输入功率数据标记为P(1)(1)(1)；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下计算的第一个效率记为η(1)(1)(1)；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下效率平均值标记为η₁₁；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下采样的第一个电流数据与模块均流目标值I_ref(1)相对偏差标记为δ(1)(1)(1)；将第一个序号的电源模块在第一次电子负载电流情况下的电流数据与模块均流目标值相对偏差的数学期望标记为E₁₁；当前电源模块序号为m，令m＝1；当前电子负载次数为i，令i＝1；当前采集电流次数为j，令j＝1；

(3)建立由K×U×V个元素构成的并联供电系统模块输出电流数组{Data_curr(m)(i)(j)}，模块输出电压数组{Data_volt(m)(i)(j)}和模块输入功率数组{P(m)(i)(j)}，其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；K为并联供电系统电源模块数量，其为大于1的正整数；U为程控电子负载工作电流的调节次数。为满足评价覆盖轻载、半载、额定负载和过载情况，U的值大于20；V为每一次电子负载情况下需采集模块输出电流、输出电压和输入功率的次数，其为大于1的正整数；m为当前电源模块序号，i为当前电子负载次数，j为当前采集次数；

(4)求解序号为m的电源模块在均流期望电流为I_ref(i)时相对偏差其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；

(5)求解序号为m的电源模块在均流期望电流为I_ref(i)时δ(m)(i)(j)的期望

(6)计算K个电源模块在均流期望电流为I_ref(i)时的相对偏差数学期望平均值及对应的倒数

(8)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i∈[1,U]进行处理得出θ与i之间的表达式θ＝Ψ(i)；

(9)在允许输出电流范围内，求解满足最大；

(10)求解序号为m的电源模块效率其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U，j＝1,2,...V；

(11)求解序号为m的电源模块η(m)(i)(j)的数学期望其中m＝1,2,...K，i＝1,2,...U；(η(m)(i)(j),η_mi越大表明模块的效率性能越好)；

(12)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i∈[1,U]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)；

(13)在允许输出电流范围内，求解满足最大；

(14)求取和之间的电流I_ref，满足最大，即：其中：在和之间，表示任意，该I_ref值即为并联供电系统的效率和均流综合性能指标最优工作点；

(15)并联供电系统最优点确定结束。

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。