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、整流變壓器和he各ge類lei電dian抗kang器qi損sun耗hao以yi及ji一yi些xie輔fu助zhu係xi統tong損sun耗hao，而er整zheng流liu裝zhuang置zhi的de損sun耗hao主zhu要yao是shi整zheng流liu器qi件jian和he快kuai速su熔rong斷duan器qi的de損sun耗hao，所suo以yi問wen題ti進jin一yi步bu集ji中zhong在zai對dui這zhe兩liang部bu分fen損sun耗hao的de綜zong合he評ping估gu。

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。
zhenduisuoyanjiudewenti，youhuadezuizhongmubiaoshisousuozuijiabinglianzhilushu，congershizhengliuzhuangzhidesunhaozuixiao，xiaolvzuigao。zheyangsuoyanjiuwentideyouhuayuweiyibanbinglianzhilushudeshumu，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。