優化設計

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。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複雜
，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），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hegeleidiankangqisunhaoyijiyixiefuzhuxitongsunhao，erzhengliuzhuangzhidesunhaozhuyaoshizhengliuqijianhekuaisurongduanqidesunhao

，suoyiwentijinyibujizhongzaiduizheliangbufensunhaodezonghepinggu。

優化模型確定

圖題：整流臂支路結構

根據上麵的分析，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，為抑製空穴積蓄效應產生的換相過電壓整流器件並聯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。
對於整流臂為nb個器件並聯，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為電流儲備係數；
KI為均流係數；
KAT為整流器件電流有效值與平均值關係係數
，對於三相橋式整流為1.732。

（2）整流器件反向損耗計算

對整流臂數m，每臂並聯支路數為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。
對於三相橋式整流電路：
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
，每臂並聯支路數為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為電阻溫度修正係數取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）

優化算法的確定

通(tong)過(guo)對(dui)以(yi)上(shang)優(you)化(hua)模(mo)型(xing)的(de)分(fen)析(xi)
，搜(sou)索(suo)空(kong)間(jian)為(wei)離(li)散(san)空(kong)間(jian)，且(qie)模(mo)型(xing)本(ben)身(shen)並(bing)不(bu)複(fu)雜(za)，所(suo)以(yi)采(cai)用(yong)離(li)散(san)係(xi)統(tong)最(zui)小(xiao)值(zhi)原(yuan)理(li)的(de)優(you)化(hua)算(suan)法(fa)是(shi)比(bi)較(jiao)合(he)適(shi)的(de)。具(ju)體(ti)在(zai)已(yi)知(zhi)優(you)化(hua)模(mo)型(xing)基(ji)礎(chu)上(shang)如(ru)何(he)轉(zhuan)化(hua)成(cheng)優(you)化(hua)目(mu)標(biao)函(han)數(shu)的(de)方(fang)法(fa)，文(wen)獻(xian)中(zhong)敘(xu)述(shu)的(de)比(bi)較(jiao)詳(xiang)細(xi)。

優化的約束條件為，目標函數中的相關設計係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zhen對dui所suo研yan究jiu的de問wen題ti

，優you化hua的de最zui終zhong目mu標biao是shi搜sou索suo最zui佳jia並bing聯lian支zhi路lu數shu，從cong而er使shi整zheng流liu裝zhuang置zhi的de損sun耗hao最zui小xiao，效xiao率lv最zui高gao。這zhe樣yang所suo研yan究jiu問wen題ti的de優you化hua域yu為wei一yi般ban並bing聯lian支zhi路lu數shu的de數shu目mu，即jiD={0,1,…nb}。

實例分析

一台30kA×3/546V的電化學整流裝置，主要原始數據及設計要求如下（主要列出與上麵損耗計算中相關的參數）：
單櫃額定輸出直流IdN=30kA，UdN=546V
；
整流電路型式：三相二極管橋式整流；
電流儲備係數：KAi≥2.5；
均流係數：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隻器件並聯，使整流效率提高了約0.02％
，大大節約了電能。

（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於其它電力電子變換裝置。