电化学整流电源电联接方案的优化设计

电化学整流电源电联接方案的优化设计

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={，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 [td]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） [td]器件正向平均电流 [td]电流储备系数 [td]均流系数 [td]整流装置效率

传统设计结果 [td]6 [td]3000A [td]3.06 [td]0.85 [td]99.31％

优化设计结果 [td]8 [td]2400A [td]3.264 [td]0.85 [td]99.33％[/tr][/tr][/tr][/tr][/tr]

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  （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