CN106169775B - 并联供电系统模块数量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于均流偏差期望矩阵列和最小的并联供电系统模块数量控制方法，构建数学期望矩阵，确定并联供电系统均流性能最优情况下的输出电流；集中控制器通过实时获取在线电源模块的输出电流求取系统总的负载电流值并除以前面测量得出的均流性能最优情况下模块的输出电流值，得出并联供电系统在线运行电源模块数量；集中控制器实时控制在线电源模块数量，确保系统始终工作于均流性能最优。本发明通过构建各种负载情况下的均流相对偏差期望矩阵A＝(E_mi)_K×U并计算A＝(E_mi)_K×U的列和最小值。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，具有很高的均流性能。

Description

并联供电系统模块数量控制方法

技术领域

本发明涉及基于均流偏差期望矩阵列和最小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模块运行数量，达到均流性能最优，该方法同样适用于其他电子设备并联运行时均流优化控制。

背景技术

大功率并联供电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。均流技术已成为开关电源模块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，开关电源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的并联供电系统工作范围涵盖轻载，半载，额定负载及过载等工况。然而，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最优的均流性能。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，但并不能始终实现并联供电系统均流性能最优。为了实现不同负载情况下并联供电系统均流性能始终最优，就必须获取并联供电系统均流性能最优条件下对应负载电流，进而获取单个电源模块在系统均流性能最优情况下的负载电流。只要确保并联供电系统电源模块输出电流始终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均流性能保持最优。所以，在获取并联供电系统电源模块输出电流值最优的情况下，通过优化控制并联供电系统中电源模块的运行数量，使得电源模块始终工作于均流性能最优处，从而确保并联供电系统的高效、可靠和长寿命运行。

然而，通过查询现有的论文和专利表明，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。因而，针对不同负载条件下，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，提出了基于均流偏差期望矩阵列和最小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K×I_N按照间隔为K×I_N等间距变化到K×I_N时K个电源模块在不同负载电流情况下的均流偏差期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U，其中：电源模块均流相对偏差电源模块输出电流采样数据为Data(m')(i)(j)；m'＝{1,…K},i＝{1,…U},j＝{1,…V}，I_N为电源模块的额定电流；

(2)从步骤(1)中获得的均流偏差期望矩阵A＝(E_m'_i)_K×U得到满足成立所对应的k值，其中：k∈[1,U]；该k值即为电源模块负载电流为I_N时系统的均流性能最优；均流性能最优情况下的电源模块参考电流为

(3)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及对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)，其中m为当前在线电源模块的序号；

(4)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

(5)判断|I_share-I_ref|≤σ是否成立，成立则继续步骤(3)的操作；不成立则获得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

(6)判断N^*<＝1，若成立则设置N^*＝2；若不成立则并联供电系统需调节在线电源模块数量ΔN^*＝N^*-M；

(7)判断ΔN^*＞0，成立，集中控制器则增加ΔN^*个在线电源模块；不成立，集中控制器则减少ΔN^*个在线电源模块。

所述步骤(1)-步骤(2)中：

(一)在t∈[(i-1)T,iT],U≥i≥1，电子负载电流为时，T为相邻两个负载电流间隔时间，得到电源模块的均流目标参考电流：

(二)获取并联供电系统的电源模块输出电流采样数据：

Data(m')(i)(j)，K≥m'≥1，U≥i≥1，V≥j≥1，

并得到其均流相对偏差数据δ(m')(i)(j)：

(三)获得序号为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E_m'_i：E_m'_i为序号为m'的电源模块在条件下的相对偏差的平均值；

(四)以E_m'_i为元素构建期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U：

并从中获得期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U的列和最小值||A||_min：

其中，||A||_min为由K个电源模块组成的并联供电系统均流总体偏差性能最优时所对应的负载电流及其性能值；

(五)令||A||_min对应的i值为k，从i＝1,2,…U

获得并联供电系统均流性能最优时电源模块对应的负载电流I_ref为：

所述步骤(3)-步骤(7)中：

(一)在t＝KT_s,K＝0,1,2,3，…时刻，并联供电系统的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；并获得并联供电系统的负载电流I_out：

(二)获取在线电源模块的输出电流目标值I_share：

(三)获取在线电源模块的输出电流目标值I_share与均流性能最优时在线电源模块的输出电流I_ref之差的绝对值ΔI：ΔI＝|I_share-I_ref|；

(四)判断ΔI＜σ是否成立；

(五)在ΔI＜σ不满足的情况下，获取并联供电系统的负载电流为I_out时，均流性能最优条件下在线电源模块数量N^*：并获取并联供电系统在线电源模块调节量ΔN^*：ΔN^*＝N^*-M，从而使得集中控制器增加或减少|ΔN|个在线电源模块，确保并联供电系统均流性能最优。

本发明首先，构建并联供电系统在不同负载情况下(涵盖轻载、半载，额定负载及过载工况)模块实际电流值与期望均流值偏差的数学期望矩阵，计算该期望矩阵的列和最小值及对应的负载电流值，进而确定并联供电系统均流性能最优情况下模块的输出电流；其次，并联供电系统集中控制器通过实时获取在线工作电源模块的输出电流求取系统总的负载电流值并除以前面测量得出的均流性能最优情况下模块的输出电流值，得出并联供电系统在线运行电源模块数量；最后，并联供电系统集中控制器实时控制在线电源模块数量，确保系统始终工作于均流性能最优。由于同一批次相同规格的电源模块其特性基本保持一致，因而通过测量K(K的大小可由用户确定，其值可以较小比如K设定为10)个电源模块组成的并联供电系统其电源模块在不同负载电流下并联系统的均流性能即可确定在任意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。这是因为电源模块的性能主要取决于模块的输出电流的大小，只要模块的输出电流不变，则模块的均流性能指标就基本相同，而与系统中模块的数量大小无关。

其具有以下优势：

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本发明通过构建各种负载情况下的均流相对偏差期望矩阵A＝(E_mi)_K×U并计算A＝(E_mi)_K×U的列和最小值。该值表征了并联供电系统均流动态响应过程中平均偏差量最小对应的负载电流值，即并联供电系统均流性能最优情况下对应的负载电流，为并联供电系统均流优化控制提供依据。

③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，具有很高的均流性能。

④本发明所述的开关电源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；可有效降低开关电源并联供电系统均流性能过低导致的故障，提高系统的寿命和可靠性，为开关电源并联供电系统安全、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为并联供电系统均流性能数据测试系统结构图。

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：

本发明提供了基于均流偏差期望矩阵列和最小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均流性能数据测试系统结构图。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工作模块的IP及其输出电流，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。均流功能的实现有无通信总线自主均流方式或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主要功能是实现并联供电系统在不同负载条件下模块实际电流与理想参考电流之间数学期望矩阵列和最小对应负载电流的获取，主要包括上位机(PC机)、程控电子负载和电源模块等。上位机(PC机)主要功能为获取模块IP地址及模块输出电流、控制程控电子负载工作电流和计算均流偏差数学期望矩阵及得出列和最小对应的负载电流；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给上位机。

一、并联供电系统均流性能数据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K×I_N按照间隔为K×I_N等间距变化到K×I_N(涵盖轻载、半载、额定载及过载工况，U必须为不小于10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电源模块输出电流值采样数量，V可根据实际需要设定大小。Data(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；为电源模块均流目标参考值，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个相对偏差值δ(m')(i)(j)的数学期望，满足：A＝(E_m'i)_K×U为相对偏差期望矩阵。

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V个样本数据，因而，上位机共需采集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＝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模块的均流性能。其次，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；最后，可通过求取相对偏差数学期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U的列和最小值来综合评价并联供电系统均流性能。这是基于A＝(E_m'i)_K×U的列和最小值的物理意思表明并联供电系统处在何种负载电流下均流总体偏差性能最好。

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：

获取并联供电系统电源模块输出电流采样数据数据：Data(m')(i)(j)，(K≥m'≥1，U≥i≥1，V≥j≥1)，因而，其均流相对偏差数据δ(m')(i)(j)为：

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E_m'_i为：

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的平均值，E_m'_i越小表明电源模块的在条件下均流性能越好。以E_m'_i为元素构建期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U：

求解期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U的列和最小值，定义为||A||_min：

||A||_min的物理意义为：由K个电源模块组成的并联供电系统均流总体偏差性能最优时所对应的负载电流及其性能值||A||_min。

令||A||_min对应的i值为k，即满足不等式：

则并联供电系统均流性能最优时电源模块对应的负载电流I_ref为：

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；m为当前在线电源模块的序号，I_ref为并联供电系统均流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目标值；ΔI为I_share与I_ref之差的绝对值；σ为ΔI绝对值的最大允许值；

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；并计算并联系统负载电流I_out，满足：

计算在线电源模块输出电流目标值I_share，满足：

计算在线电源模块输出电流目标值I_share与均流性能最优时在线电源模块输出电流I_ref之差的绝对值ΔI，满足：

ΔI＝|I_share-I_ref|， (10)

判断ΔI是否满足不等式：

ΔI＜σ， (11)

在不等式(11)不满足的情况下，计算并联供电系统负载电流为I_out时，均流性能最优条件下在线电源模块数量N^*，满足：

在不等式(11)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， (13)

集中控制器增加(减少)|ΔN|个在线电源模块，确保并联供电系统均流性能最优。

本发明提供了基于均流偏差期望矩阵列和最小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K×I_N按照间隔为K×I_N等间距变化到K×I_N时(为涵盖轻载、半载、额定载及过载工况，U必须为不小于10的正整数，由用户可根据系统工作的最大负载电流值确定；I_N为电源模块的额定电流)K个电源模块在不同负载电流情况下(电源模块在每个负载电流情况下采集V个输出电流数据，可由用户根据实际确定大小)的均流偏差期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U(其中：电源模块均流相对偏差电源模块输出电流采样数据为Data(m')(i)(j)；m'＝{1,…K},i＝{1,…U},j＝{1,…V})；

(2)求解事先获得的均流偏差期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U满足成立所对应的k值，其中：k∈[1,U]；该k值即为电源模块负载电流为I_N时系统的均流性能最优；令均流性能最优情况下的电源模块参考电流为

(3)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及对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；

(4)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

(5)判断|I_share-I_ref|≤σ是否成立？如果是，则进入步骤(3)；反之，则进入步骤(6)；

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

(7)判断N^*<＝1？是否成立？如果是，则进入步骤(8)；反之，进入步骤(9)；

(8)设置N^*＝2；这是由于N^*<2时是单电源模块供电，可靠性低。

(9)计算并联供电系统需调节在线电源模块数量ΔN^*＝N^*-M；

(10)判断ΔN^*＞0？是否成立？如果是，则进入步骤(11)；反之，进入步骤(12)；

(11)集中控制器增加ΔN^*个在线电源模块，然后进入步骤(3)；

(12)集中控制器减少ΔN^*个在线电源模块，然后进入步骤(3)。

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。

Claims (3)

1.一种并联供电系统模块数量控制方法，其特征在于：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K个电源模块在不同负载电流情况下的均流偏差期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U，其中：电源模块均流相对偏差电源模块输出电流采样数据为Data(m')(i)(j)；m'＝{1,…K},i＝{1,…U},j＝{1,…V}，I_N为电源模块的额定电流；

(2)从步骤(1)中获得的均流偏差期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U得到满足成立所对应的k值，其中：k∈[1,U]；该k值即为电源模块负载电流为时系统的均流性能最优；均流性能最优情况下的电源模块参考电流为

(3)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及对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)，其中m为当前在线电源模块的序号；

(4)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

(5)判断|I_share-I_ref|≤σ是否成立，成立则继续步骤(3)的操作；不成立则获得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

(6)判断N^*<＝1，若成立则设置N^*＝2；若不成立则并联供电系统需调节在线电源模块数量ΔN^*＝N^*-M；

(7)判断ΔN^*＞0，成立，集中控制器则增加ΔN^*个在线电源模块；不成立，集中控制器则减少ΔN^*个在线电源模块。

2.根据权利要求1所述的并联供电系统模块数量控制方法，其特征在于：所述步骤(1)-步骤(2)中：

(一)在t∈[(i-1)T,iT],U≥i≥1，电子负载电流为时，T为相邻两个负载电流间隔时间，得到电源模块的均流目标参考电流：

(二)获取并联供电系统的电源模块输出电流采样数据：

Data(m')(i)(j)，K≥m'≥1，U≥i≥1，V≥j≥1，

并得到其均流相对偏差数据δ(m')(i)(j)：

(三)获得序号为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E_m'i：E_m'i为序号为m'的电源模块在条件下的相对偏差的平均值；

(四)以E_m'i为元素构建期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U：

并从中获得期望矩阵A＝(E_m'i)_K×U的列和最小值||A||_min：

其中，||A||_min为由K个电源模块组成的并联供电系统均流总体偏差性能最优时所对应的负载电流及其性能值；

(五)令||A||_min对应的i值为k，从

获得并联供电系统均流性能最优时电源模块对应的负载电流I_ref为：

3.根据权利要求1所述的并联供电系统模块数量控制方法，其特征在于：所述步骤(3)-步骤(7)中：

(一)在t＝KT_s,K＝0,1,2,3，…时刻，并联供电系统的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；并获得并联供电系统的负载电流I_out：其中，m为在线电源模块的序号；

(二)获取在线电源模块的输出电流目标值I_share：

(三)获取在线电源模块的输出电流目标值I_share与均流性能最优时在线电源模块的输出电流I_ref之差的绝对值ΔI：ΔI＝|I_share-I_ref|；

(四)判断ΔI＜σ是否成立；

(五)在ΔI＜σ不满足的情况下，获取并联供电系统的负载电流为I_out时，均流性能最优条件下在线电源模块数量N^*：并获取并联供电系统在线电源模块调节量ΔN^*：ΔN^*＝N^*-M，从而使得集中控制器增加或减少|ΔN|个在线电源模块，确保并联供电系统均流性能最优。