電化學整流電源電聯接方案的優化設計

西安電力電子技術研究所張大衛胡建斌摘要：闡述了目前電化學整流電源電聯接方案設計存在的缺陷，提出了以效率為目標進行優化設計，并通過建立優化模型和目標函數得以實現，證實了這種優化方法的可行性。

關鍵詞：電化學整流，損耗，模型，優化

1引言

電化學整流電源是一種高耗能設備，提高整流效率、降低額外損耗是這類電力電子變換裝置的一個重要的課題。一般來說，對于符合設計要求（電壓、電流、機組效率等）的設計方案可以有多種，通常首先按照經驗選定整流裝置的電路型式，然后根據可以選用的最大器件進行計算整流裝置的具體結構[1]。這樣設計可以使并聯支路數最少，但是效率并不一定達到最高。隨著大功率器件制造水平的提高以及壓接工藝技術的改進，均流問題也不再突出，所以從效率、損耗方面進行優化設計是必要的。

2優化設計

2.1問題分析

優化就是通過對數學方法的研究去尋找時間事件的最優解[2]。它一般可以用數學模型描述為：minf(x)，s.t.g(x)≥0，x∈D。其中f(x)為目標函數，g(x)為約束函數，x為決策變量，D表示有限個點組成的集合。一個優化問題可用三個參數(D，F，f)表示，其中D表示決策變量的定義域，F表示可行解區域F={x|x∈D，g(x)≥0}，F中的任何一個元素稱為該問題的可行解，f表示目標函數。所以進行優化的首要任務就是建立優化模型。

計算電化學整流裝置的效率相對復雜，而損耗的計算比較易行和準確，所以一般采用所謂的“分離損耗法”（疊加損耗法）[1]，即：η=（1）

式中：η表示效率；

PdN表示直流側輸出總功率；

∑ΔW表示整流裝置總損耗。

這樣求解效率最高的問題就轉換為如何使損耗最小。電化學整流電源的損耗包括整流裝置損耗、整流變壓器和各類電抗器損耗以及一些輔助系統損耗，而整流裝置的損耗主要是整流器件和快速熔斷器的損耗，所以問題進一步集中在對這兩部分損耗的綜合評估。

2.2優化模型確定

圖1整流臂支路結構

根據上面的分析，優化模型的確定也就是與電聯接相關的損耗函數的確定，電化學整流裝置整流臂支路結構如圖1所示。按照整流裝置的運行特點，為抑制空穴積蓄效應產生的換相過電壓整流器件并聯RC回路，其電阻R上的損耗在整流裝置的總損耗中所占比例很小，所以整流裝置的損耗主要包括整流器件正向損耗、反向損耗和快速熔斷器損耗三部分。

表1常規設計與優化設計結果的比較

（1）整流器件正向損耗計算

電化學整流裝置中整流器件正向損耗ΔWZ為：

ΔWZ=U0IA(AV)＋IT2ron（2）

式中：U0為導通門檻電壓；

IA(AV)為整流器件平均工作電流；

IT為整流器件電流有效值；

ron為導通電阻。

對于整流臂為nb個器件并聯，共有m個整流臂的整流裝置器件正向損耗ΔWGZ為：ΔWGZ=m(U0IA(AV)＋IT2)（3）

式中：IA(AV）=Id×KAi/(m×KI)

IT=KATIA(AV）

其中：Id為設計輸出直流電流；

KAi為電流儲備系數；

KI為均流系數；

KAT為整流器件電流有效值與平均值關系系數，對于三相橋式整流為1.732。

（2）整流器件反向損耗計算

對整流臂數m，每臂并聯支路數為nb的器件反向功率總損耗ΔWGF為：

ΔWGF=m·nb·UF（AV）·Ir(AV)（4）

式中：UF（AV）為整流器件反向電壓平均值；

Ir(AV)為整流器件反向平均電流。

對于三相橋式整流電路：

UF（AV）=Udio

Ir(AV)=Ir

其中：Udio為所設計整流裝置的理想空載直流電壓；

Ir為整流器件反向平均漏電流。

所以ΔWGF=0.5×m·nb·Udio·Ir（5）

（3）快速熔斷器損耗計算

對整流臂數m，每臂并聯支路數為nb的快速熔斷器總功率損耗ΔWGR為：ΔWGR=m·IT2··[1＋α(t－t0)]（6）

式中：RRD為快速熔斷器冷態電阻；

t0可按20℃計算；

t風冷時取120℃，水冷取75℃；

α為電阻溫度修正系數取0.0035/℃。

根據上述三部分損耗的描述，所以優化模型為：

f(x)=ΔWGZ＋ΔWGF＋ΔWGR（7）

2.3優化算法的確定

通過對以上優化模型的分析，搜索空間為離散空間，且模型本身并不復雜，所以采用離散系統最小值原理的優化算法是比較合適的。具體在已知優化模型基礎上如何轉化成優化目標函數的方法，文獻[3]中敘述的比較詳細。

優化的約束條件為，目標函數中的相關設計系數以及理想空載直流電壓Udio和輸出直流電流Id等設計要求，這部分函數的推導可以參見電化學整流電源電氣計算的相關文獻。

針對所研究的問題，優化的最終目標是搜索最佳并聯支路數，從而使整流裝置的損耗最小，效率最高。這樣所研究問題的優化域為一般并聯支路數的數目，即D={0,1,…nb}。

3實例分析

一臺30kA×3/546V的電化學整流裝置，主要原始數據及設計要求如下（主要列出與上面損耗計算中相關的參數）：

單柜額定輸出直流IdN=30kA，UdN=546V；

整流電路型式：三相二極管橋式整流；

電流儲備系數：KAi≥2.5；

均流系數：KI≥0.85。

按常規設計，在價格、可靠性滿足要求的情況下，則選用當前最大承載電流的整流二極管。表1為常規設計與優化設計結果的比較。

顯然，采用8只器件并聯，使整流效率提高了約0.02％，大大節約了電能。

4結語

（1）通過在設計過程中引入優化的思想，克服了以往完全依賴經驗公式的設計方法，使設計的整流裝置在性能上有所提高。

（2）隨著新型整流器件的推出，方案設計的多樣性也越來越突出，優化設計方法更能體現出它的優勢。

（3）通過完善優化目標函數（效率），可以進一步提高優化的效果。但對電化學整流裝置來說，如果能從拓撲結構上進行分析，整流裝置的性能會得到進一步的提高。

（4）這種優化思想也可以應用于其它電力電子變換裝置。

參考文獻

1沈陽鋁鎂設計研究院電力室編.硅整流所電力設計.冶金工業出版社，1983

2邢文訓，謝金星.現代優化計算方法.清華大學出版社，1999

3符曦.系統最優化及控制.機械工業出版社，1995