基于效率和均流指标黄金分割的并联供电系统模块数量控制方法

摘要

本发明涉及基于效率和均流指标黄金分割的并联供电系统模块数量控制方法，在分别获得均流相对偏差数学期望E与电源模块负载电流i之间的表达式E＝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)对应最优点

说明书

技术领域

本发明涉及基于效率和均流指标黄金分割的并联供电系统模块数量控制方法，用于优化控制并联供电系统电源模块运行数量，确保不同负载条件下并联供电系统的效率和均流综合性能最优，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

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综合指标处于较高水平。

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，为了实现并联供电系统在不同负载情况下效率和均流综合指标处于较高水平，就必须建立效率和均流综合指标评价参数，求取综合性能指标最优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综合指标最优，确保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模块数量控制方法来实现系统效率和均流综合性能指标的优化。因而，一种可靠和实用的并联供电系统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。

发明内容

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黄金分割的并联供电系统模块数量控制方法。

本发明的技术方案是：一种基于效率和均流指标黄金分割的并联供电系统模块数量控制方法，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和数学期望绝对值获取K个电源模块在均流期望电流为时的平均数学期望获取序号为m'的电源模块在均流期望电流为时的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)分别对U个数据点和进行处理得出平均数学期望E与电源模块负载电流i之间的关系E＝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，获取满足最小的及满足最大的

(5)应用几何学黄金分割原理，获取满足的电源模块运行最优负载电流I_ref；

(6)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)，m为当前在线电源模块的序号；

(7)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

(8)|I_share-I_ref|≤σ成立则继续下一个在线电源模块的输出电流采样；反之，则获取在线电源模块输出电流为参考电流I_ref时的在线电源模块数量N^*，

(9)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。

所述步骤(3)中应用多项式拟合、曲线拟合、插补方法分别对U个数据点和进行处理。

所述步骤(1)-步骤(5)中，

(一)在t∈((i-1)T,iT],(U≥i≥1)，电子负载电流为获得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)：

$\delta \left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right)=\frac{{\mathrm{Data}}_{curr}\left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right)-I_{ref}\left(i\right)}{I_{ref}\left(i\right)};$

(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的数学期望绝对值E_m'i：

E_m'i表示序号为m'的电源模块在条件下的相对偏差平均值的绝对值；

(四)获取K个电源模块在均流期望电流为时E_m'i的平均值E_i：

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

(六)获取序号为m'的电源模块在条件的效率η(m')(i)(j)：

$\eta \left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right)=\frac{{\mathrm{Data}}_{curr}\left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right)\times {\mathrm{Data}}_{volt}\left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right)}{P\left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right)}\times 100\%;$

(七)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：

${\eta }_{m^{\prime }i}=\frac{1}{V}\underset{j=1}{\overset{V}{\Sigma }}\eta \left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right),$

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；

(八)获取K个电源模块在均流期望电流为的工况下平均效率：

(九)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

(十)应用几何学中黄金分割原理，获取满足的最优负载电流I_ref。

本发明的原理主要包含以下部分：首先，在允许输出电流范围内，获取并联供电系统电源模块效率最优时对应的负载电流其次，在允许输出电流范围内，获取并联供电系统电源模块均流相对偏差数学期望平均值最小时对应的负载电流其中：E_j为第j个电源模块均流相对偏差数学期望；再次，依据几何学黄金分割原理，求取最优电流I_ref满足最后，实时获取并联供电系统总的负载电流I_out和求取最优在线运行电源模块数量控制在线电源模块数量等于或逼近N^*，确保系统始终工作于均流性能最优点附近。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效率和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)本发明在分别获得均流相对偏差数学期望E与电源模块负载电流i之间的表达式E＝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)对应最优点和的基础上，应用几何学中黄金分割原理，得出模块运行综合最优负载电流I_ref。该值表征了并联供电系统均流过程中效率和均流响应一致性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)本发明所述的基于效率和均流指标黄金分割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

图1为并联供电系统结构图。

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

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黄金分割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，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模块均流相对偏差数学期望与负载电流的数学关系E＝Ψ(i)和效率与负载电流的函数关系η＝Φ(i)，并确定各自的最优负载电流和在此基础上，应用几何学黄金分割原理进而确定效率和均流综合性能最优时的负载电流I_ref。图2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E＝Ψ(i)、η＝Φ(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模块的输入功率。

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)为电源模块在条件下均流目标参考值，满足：其中：U≥i≥1；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)的数学期望绝对值，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，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；最后，通过求取均流相对偏差数学期望E与电源模块负载电流i之间的表达式E＝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)及其对应的最优负载电流和的基础上，应用几何学黄金分割原理确定效率和均流综合性能最优负载电流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：

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

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：

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

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_m'i为：

$E_{m^{\prime }i}=\left|\frac{1}{V}\underset{j=1}{\overset{V}{\Sigma }}\delta \left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right)\right|,---\left(3\right)$

E_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平均值的绝对值，E_m'i越小表明电源模块的在条件下均流一致性能越好。

计算K个电源模块在均流期望电流为时E_m'i的平均值E_i：

$E_i=\frac{1}{K}\underset{m^{\prime }=1}{\overset{K}{\Sigma }}{E}_{m^{\prime }i},---\left(4\right)$

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E_i与电源模块负载电流i之间的表达式：

E＝Ψ(i)， (5)

在允许输出电流范围内，求解负载电流满足：

$\Psi \left(I_{ref}^1\right)\le \Psi \left(i\right),---\left(6\right)$

求取序号为m'的电源模块在条件效率η(m')(i)(j)为：

$\eta \left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right)=\frac{{\mathrm{Data}}_{curr}\left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right)\times {\mathrm{Data}}_{volt}\left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right)}{P\left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right)}\times 100\%,---\left(7\right)$

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_m'i为：

${\eta }_{m^{\prime }i}=\frac{1}{V}\underset{j=1}{\overset{V}{\Sigma }}\eta \left(m^{\prime }\right)\left(i\right)\left(j\right),---\left(8\right)$

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：

${\eta }_i=\frac{1}{K}\underset{m^{\prime }=1}{\overset{K}{\Sigma }}{\eta }_{m^{\prime }i},---\left(9\right)$

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)， (10)

在允许输出电流范围内，求解负载电流满足：

$\Phi \left(I_{ref}^2\right)\ge \Phi \left(i\right),---\left(11\right)$

应用几何学中黄金分割原理，计算最优负载电流I_ref，满足：

$\left|I_{ref}-I_{ref}^1\right|=0.618\left|I_{ref}-I_{ref}^2\right|,---\left(12\right)$

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。

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_ref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_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I_share与I_ref之差的绝对值；σ为I_share与I_ref之差绝对值的最大允许值，m为当前在线电源模块的序号。

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：

$I_{out}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}Curr\left(m\right),---\left(14\right)$

计算在线电源模块输出电流目标值I_share，满足：

$I_{share}=\frac{I_{out}}{M},---\left(15\right)$

计算在线电源模块输出电流目标值I_share与I_ref之差的绝对值ΔI，满足：

ΔI＝|I_share-I_ref|，>

判断ΔI是否满足不等式：

ΔI＜σ， (17)

在不等式(17)不满足的情况下，计算并联供电系统负载电流为I_out时，效率和均流综合性能最优条件下电源模块数量N^*，满足：

$N^{*}=\left[\frac{I_{out}}{I_{ref}}\right],---\left(18\right)$

在不等式(17)不满足的情况下，计算并联供电系统在线电源模块调节量ΔN^*，满足：

ΔN^*＝N^*-M，>

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。

本发明提供了基于效率和均流指标黄金分割的并联供电系统模块数量控制方法，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和数学期望绝对值(E_m'i越小表明电源模块的均流精确性能越好)；计算K个电源模块在均流期望电流为时的平均数学期望计算序号为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越大表明电源模块的效率越高)；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、插补方法等)分别对U个数据点和进行处理得出平均数学期望E与电源模块负载电流i之间的表达式E＝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，求解满足最小及满足最大；

(5)应用几何学黄金分割原理，求解电源模块运行最优负载电流I_ref，满足

(6)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；

(7)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

(8)判断|I_share-I_ref|≤σ是否成立？如果是，则进入步骤(6)；反之，则进入步骤(9)；

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

(10)判断N^*≤1？是否成立？如果是，则进入步骤(11)；反之，进入步骤(12)；

(11)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。

(12)计算并联供电系统需调节在线电源模块数量ΔN^*＝N^*-M；

(13)判断ΔN^*＞0？是否成立？如果是，则进入步骤(14)；反之，进入步骤(15)；

(14)集中控制器增加ΔN^*个在线电源模块，然后进入步骤(6)；

(15)集中控制器减少ΔN^*个在线电源模块，然后进入步骤(6)。

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。