电化学整流电源电联接方案的优化设计

2011-05-20 00:07:38来源: 互联网

西安电力电子技术研究所张大卫胡建斌摘要:阐述了目前电化学整流电源电联接方案设计存在的缺陷,提出了以效率为目标进行优化设计,并通过建立优化模型和目标函数得以实现,证实了这种优化方法的可行性。

关键词:电化学整流,损耗,模型,优化

1引言

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。一般来说,对于符合设计要求(电压、电流、机组效率等)的设计方案可以有多种,通常首先按照经验选定整流装置的电路型式,然后根据可以选用的最大器件进行计算整流装置的具体结构[1]。这样设计可以使并联支路数最少,但是效率并不一定达到最高。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。

2优化设计

2.1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[2]。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)[1],即:η=(1)

式中:η表示效率;

PdN表示直流侧输出总功率;

∑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。

2.2优化模型确定

图1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


设计结果比较
三相桥式二极管30kA×3/546V型电化学整流装置电联接设计
并联支路数(N-1运行) 器件正向平均电流 电流储备系数 均流系数 整流装置效率
传统设计结果 6 3000A 3.06 0.85 99.31%
优化设计结果 8 2400A 3.264 0.85 99.33%

(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:

ΔWZ=U0IA(AV)+IT2ron(2)

式中:U0为导通门槛电压;

IA(AV)为整流器件平均工作电流;

IT为整流器件电流有效值;

ron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)

IT=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:

ΔWGF=m·nb·UF(AV)·Ir(AV)(4)

式中:UF(AV)为整流器件反向电压平均值;

Ir(AV)为整流器件反向平均电流。

对于三相桥式整流电路:

UF(AV)=Udio

Ir(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。

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;

t风冷时取120℃,水冷取75℃;

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)

2.3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[3]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}。

3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。

4结语

(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。

参考文献

1沈阳铝镁设计研究院电力室编.硅整流所电力设计.冶金工业出版社,1983

2邢文训,谢金星.现代优化计算方法.清华大学出版社,1999

3符曦.系统最优化及控制.机械工业出版社,1995

关键字:电源  方案

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0520/article_8777.html
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