，， ，，

(1.江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003; 2.鎮(zhèn)江天力變壓器有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212400)

LCC諧振變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏月1，曾慶軍1，吳尚1，申兆豐1，陳峰2

(1.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003; 2.鎮(zhèn)江天力變壓器有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212400)

LCC諧振變換器是電除塵高頻高壓電源的核心器件，十分適用于高壓大功率場(chǎng)合;因此研究一種方法使LCC諧振變換器的設(shè)計(jì)更加方便準(zhǔn)確，更好的增強(qiáng)電源性能，提高電源工作效率非常重要的;針對(duì)連續(xù)模式應(yīng)用于電除塵高頻高壓電源的不足，采用LCC諧振變換器斷續(xù)模式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);首先分析了帶RC負(fù)載的LCC諧振變換器斷續(xù)模式(簡(jiǎn)稱DCM)的工作原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用狀態(tài)空間法推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型，研究并建立了新穎的LCC諧振變換器斷續(xù)模式下的損耗模型;在此基礎(chǔ)上提出了一種基于遺傳粒子群算法的LCC諧振變換器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)，電源損耗得到了有效抑制，設(shè)計(jì)過程直觀、準(zhǔn)確;并在現(xiàn)場(chǎng)通過一臺(tái)72 KV/85 KW的電除塵高頻高壓電源樣機(jī)驗(yàn)證了其正確性。

電除塵高頻高壓電源；LCC諧振變換器；遺傳粒子群算法；優(yōu)化設(shè)計(jì)；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)

0 引言

大氣的污染程度現(xiàn)在已經(jīng)越來越嚴(yán)重，為了限制工業(yè)排放粉塵濃度，相關(guān)措施已經(jīng)被國(guó)家采取。目前已得到廣泛使用的靜電除塵器是常見的工業(yè)除塵方法中除塵效率最高的，基本可以達(dá)到90%以上，其原理是用靜電電荷有效的從空氣中分離污染物[1]。高頻功率變換器是高頻靜電除塵開關(guān)電源的核心部分，現(xiàn)在市場(chǎng)上常見的幾種變換器中串并聯(lián)諧振變換器(Series-Parallel Resonant Converters,SPRCs)，又被稱為L(zhǎng)CC諧振變換器以其自身優(yōu)點(diǎn)已得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)諧振變換器做了不同程度的研究，文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]中采用基波近似法對(duì)諧振變換器在連續(xù)模式下進(jìn)行了建模分析，文獻(xiàn)[4]中采用狀態(tài)空間法對(duì)諧振變換器在斷續(xù)模式下進(jìn)行了建模分析，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]分別對(duì)兩種模式進(jìn)行了分析建模，但是以上研究?jī)H限于在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)變換器參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，而且某些未知參數(shù)需要人為設(shè)定，降低了設(shè)計(jì)的靈活性，因此如何深入研究一種新的方法對(duì)諧振變換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)則非常重要。

文章基于電流斷續(xù)模式，在采用狀態(tài)空間法的基礎(chǔ)上對(duì)電除塵高頻高壓電源LCC諧振變換器進(jìn)行建模分析，推導(dǎo)了精確的數(shù)學(xué)模型和新穎的LCC諧振變換器損耗模型，并以此為優(yōu)化目標(biāo)，采用遺傳粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過全局尋優(yōu)得出最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)值，再結(jié)合導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)了LCC諧振變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，旨在在滿足電源性能要求的前提下減小電源損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。并在現(xiàn)場(chǎng)通過一臺(tái)72 kV/85 kW的電除塵高頻高壓電源樣機(jī)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。

1 LCC諧振變換器電路拓?fù)浞治?/h2>

LCC諧振變換器電路拓?fù)淙鐖D1所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過整流成為直流電輸入全橋逆變器后成為高頻交流電，再經(jīng)過諧振變換器、高頻變壓器成為高頻高壓交流電，之后經(jīng)過輸出整流橋成為高壓直流電輸入負(fù)載。其中，Vin為電網(wǎng)電壓輸入整流后的直流電壓。S1-S4為逆變開關(guān)管，D1-D4為開關(guān)管兩端的反并聯(lián)二極管。Cs為串聯(lián)諧振電容，Ls為串聯(lián)諧振電感，Cp為并聯(lián)諧振電容，Ls和Cp為變壓器等效漏感和寄生電容等效得到。r代表了諧振回路變壓器寄生電阻以及開關(guān)管的開通電阻，簡(jiǎn)化了變壓器和開關(guān)管的損耗。Do1-Do4為輸出整流二極管。Io為電源輸出負(fù)載電流。Co、Ro為模擬負(fù)載。由于變壓器變比很大，一般n2Co?Cp，輸出電壓Vo可以看成恒定不變。

圖1 LCC諧振變換器電路拓?fù)?/p>

選取串聯(lián)諧振電容兩端電壓Vcs、并聯(lián)諧振電容兩端電壓Vcp以及諧振電流ir為狀態(tài)變量，由文獻(xiàn)[4]經(jīng)計(jì)算可得變換器的數(shù)學(xué)模型如式(1)～(4):

(1)

(2)

(3)

(4)

2 LCC諧振變換器斷續(xù)模式下?lián)p耗模型建立

本節(jié)基于上述數(shù)學(xué)表達(dá)式得出了其損耗方程表達(dá)式。由于本文是將高頻變壓器以及負(fù)載參與到諧振變換器設(shè)計(jì)中作為輸出端，因此本文的損耗模型主要包括三部分：IGBT以及二極管、Cs和高頻變壓器。

2.1 半導(dǎo)體損耗模型

半導(dǎo)體器件主要包括IGBTS1-S4、反并聯(lián)二極管D1-D4以及輸出整流橋二極管Do1-Do4。其損耗主要包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。但由于二極管D1-D4、Do1-Do4均采用快恢復(fù)二極管，其開關(guān)損耗非常小，可以忽略[7]，所以本文只考慮S1-S4的開關(guān)損耗。

1)導(dǎo)通損耗。

在求解導(dǎo)通損耗時(shí)，查閱產(chǎn)品的技術(shù)信息得到其輸出特性，在MATLAB中采用曲線擬合的方法得到IGBT開通電壓Vigbt以及反并聯(lián)二極管開通電壓Vdiode的擬合曲線，再在MATLAB中對(duì)電流和電壓積分得到導(dǎo)通損耗方程，損耗方程可以用式(5)～(7)簡(jiǎn)化表示：

(5)

(6)

(7)

經(jīng)MATLAB中擬合得到Vigbt、Vdiode曲線方程如式(8)、(9):

Vigbt=0.8279e0.001212IC-0.3638e-0.02052IC

(8)

Vdiode=1.129e0.0004097Id-0.6443e-0.007117Id

(9)

式中，PT_cond、PD_cond分別為單個(gè)IGBT、反并聯(lián)二極管的損耗，PD0_cond為輸出整流橋單個(gè)橋臂二極管的損耗，本文中單個(gè)橋臂由9個(gè)同型號(hào)二極管組成。IC、Id分別為導(dǎo)通時(shí)通過IGBT、反并聯(lián)二極管的電流。VF,R表示Do1-Do4正向?qū)〞r(shí)兩端電壓，為1.5 V，f指的是開關(guān)頻率。

2)開關(guān)損耗。

開關(guān)損耗非常小，本文忽略不計(jì)。

2.2 串聯(lián)諧振電容損耗模型

由于高幅值以及高頻率的電壓電流，Cs會(huì)產(chǎn)生部分損耗，電容的損耗主要包括電解質(zhì)損耗和熱損耗，可用式(10)、(11)表示[8]：

(10)

Ptm=RcIcrms2

(11)

式中，Pd、Ptm分別為串聯(lián)諧振電容的電解質(zhì)損耗和熱損耗；Ucpp為電容兩端電壓的峰峰值；tanδ為電解質(zhì)損耗系數(shù)；Rc為電容的串聯(lián)電阻；Icrms為流過電容的電流有效值。

2.3 高頻變壓器損耗模型

由于高頻變壓器工作在20 KHZ的高頻環(huán)境，繞組的集膚效應(yīng)以及臨近效應(yīng)相較于工頻更為明顯，分析其損耗將對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)起重要作用。由文獻(xiàn)[9-11]推導(dǎo)得高頻變壓器的損耗模型如式(12)：

(12)

3 斷續(xù)模式下基于遺傳粒子算法的LCC諧振變換器優(yōu)化設(shè)計(jì)

遺傳算法是一種基于達(dá)爾文的優(yōu)勝劣汰、適者生存的生物進(jìn)化理論而提出的一種全局優(yōu)化算法[12]。粒子群算法是從模擬鳥群運(yùn)動(dòng)而得到的一種人工智能方法，在算法操作中首先隨機(jī)初始化種群，以及初始速度及位置。本小節(jié)將兩種算法結(jié)合應(yīng)用到變換器的設(shè)計(jì)中，先將種群個(gè)體經(jīng)過遺傳算法的選擇、交叉、變異等操作從而形成新的種群，之后將新的種群作為粒子群算法的初始種群，進(jìn)行進(jìn)一步的尋優(yōu)。

3.1 總損耗模型

由于設(shè)計(jì)之前未知諧振電容Cs的大小，所以無法建立其損耗預(yù)測(cè)模型，且其損耗相對(duì)較小，所以暫不計(jì)入總損耗中參與優(yōu)化。由于本文所涉及的高頻電源輸出電壓高，所以輸出整流側(cè)由20組輸出高壓整流硅堆組成以減小器件耐壓。結(jié)合式(1)到(12)可得優(yōu)化設(shè)計(jì)的總損耗Ploss如式(13)。

Ploss=4(PT_Cond+PD_cond)+40PD0_Cond+PTC

(13)

3.2 基于遺傳粒子群算法的LCC諧振變換器優(yōu)化設(shè)計(jì)

源程序包括兩部分：主程序文件和包含目標(biāo)函數(shù)的自定義函數(shù)文件。目標(biāo)函數(shù)文件由數(shù)學(xué)模型及損耗模型構(gòu)成，本文不具體介紹。主程序設(shè)計(jì)主要包括：

(1)首先進(jìn)行參數(shù)的初始化，部分參數(shù)初始化如下：

T為終止進(jìn)化代數(shù)，本文取50。

N為種群規(guī)模，本文取60。

L為單個(gè)參數(shù)字串長(zhǎng)度，本文取15。

Pm為變異概率，一般取0.01～0.1，本文設(shè)置變異概率隨種群的改變而動(dòng)態(tài)變化。

Pc為交叉概率，一般取0.6～0.9，本文取0.7。

c1、c2為粒子群算法中用來控制粒子向自身最優(yōu)位置以及全局最優(yōu)位置靠近的速度均取值為1.4995。

w為慣性權(quán)重因子，用來控制當(dāng)前粒子速度對(duì)下一代粒子更新的影響,本文取0.1。

(2)優(yōu)化變量選擇為[n,α,fsn,Cp]，參數(shù)取值范圍為:

n為變壓器匝比，本文取130～156；

α為并聯(lián)諧振電容Cp與串聯(lián)諧振電容Cs之比，本文取0.1～0.25；

fsn為開關(guān)頻率f與諧振頻率fr之比，本文取0.03～0.5；

Cp為并聯(lián)諧振電容，本文取0.4 μF～2.8 μF。

(3)遺傳算法中適應(yīng)度函數(shù)以及粒子群算法中的速度及位置公式如下式：

(14)

v(i,:)=v(i,:)+c1*r1*(ibest(i,:)-pop(i,:))+

c2*r2*(gbest-pop(i,:))

(15)

pop(i,:)=pop(i,:)+v(i,:)

(16)

本文所設(shè)計(jì)的遺傳粒子群算法具體流程如圖2所示。

圖2 遺傳粒子群算法基本流程

算法迭代結(jié)束最后得到優(yōu)化曲線如圖3所示。

圖3 最優(yōu)適應(yīng)度迭代曲線

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最優(yōu)參數(shù)見表1，分別為n=130、α=0.13、fsn=0.42、Cp=0.9 μF，最小損耗為5142.4 W。其中半導(dǎo)體的損耗分別為PT_cond=390.45 W、PD_cond=37.47 W、PD0_Cond=7.08 W，半導(dǎo)體的總損耗約為1994.8 W。變壓器的銅損為Pcu=1406.2 W，鐵損為PFe=1741.4 W，總的變壓器損耗約為3147.6 W。

表1 優(yōu)化結(jié)果

由遺傳粒子算法優(yōu)化所得參數(shù)可以計(jì)算得到：

綜上最后得到的LCC諧振變換器設(shè)計(jì)參數(shù)為Cs=6.9 μF，Ls=14 μH，Cp=0.9 μF。

4 電除塵用LCC諧振變換器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法的實(shí)用性，在鎮(zhèn)江天力變壓器有限公司生產(chǎn)的電除塵高頻電源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將這組參數(shù)運(yùn)用到實(shí)際的高頻電源系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，并且結(jié)合現(xiàn)有市場(chǎng)上電容電感原件型號(hào)，最終選取Cs=6 μF，Ls=13 μH，Cp=1 μF，實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示，可以看出諧振電流波形與圖3較好相符。表2中對(duì)優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比說明這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是有實(shí)際指導(dǎo)意義的。

圖4 諧振電流波形

表2 優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)于串聯(lián)諧振電容Cs，考慮市場(chǎng)現(xiàn)有器件的規(guī)格，在實(shí)驗(yàn)調(diào)試中選用TechCap公司TC55系列電容，選擇5個(gè)該型號(hào)的電容并聯(lián)得到6 μF/1 200 V的等效電容作為串聯(lián)諧振電容Cs。查閱相關(guān)手冊(cè)可得該型號(hào)電容的tanδ為0.0002；其ESL值為26 nH，計(jì)算可得等效Rc為3.27 mΩ。將各參數(shù)帶入式(10)、(11)可得Pd約為3.36 W，Ptm約為10.15 W。結(jié)合優(yōu)化所得損耗，系統(tǒng)總損耗約為5 155.91 W，效率約為93.93%，滿足系統(tǒng)性能要求。

5 結(jié)論

本文首先采用狀態(tài)空間法推導(dǎo)出了電除塵高頻高壓電源LCC諧振變換器斷續(xù)模式下的精確數(shù)學(xué)模型，又在此基礎(chǔ)上建立了諧振變換器的損耗模型，以此為優(yōu)化目標(biāo)提出了一種基于遺傳粒子群算法的LCC優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，該方法直觀、靈活、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)，減小了開關(guān)器件的應(yīng)力，為器件選型減小了難度，降低了電源損耗，提高了工作效率，特別適用于高壓大功率場(chǎng)合?，F(xiàn)場(chǎng)通過電除塵高頻高壓電源樣機(jī)驗(yàn)證了本文研究的合理性。

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OptimizationDesignandRealizationBasedonGeneticAlgorithmforElectrostaticPrecipitatorHigh-FrequencyHigh-VoltagePowerSupplyLCCResonanConverterfor

Wei Yue1,Zeng Qingjun1,Wu shang1,Shen Zhaofeng1,Chen Feng2

(1.School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003，China; 2.Zhenjiang Tianli Transformer Co. Ltd.Zhenjiang 212400, China)

LCC resonant converter is the core device of the Electrostatic Precipitator High-frequency high-voltage power supply , very suitably for high pressure high-power situation.So to make the LCC resonant converter design more convenient and accurate, better to enhance the power performance, to enhance the working efficiency of the power supply is very important.In view of insufficient of the continuous model applied to the Electrostatic Precipitator high frequency high voltage power supply, this paper adopts intermittent mode of the LCC resonant converter to optimize design.This paper analyze the working principle and topology of LCC resonant converter intermittent mode with RC load, and its mathematical model is deduced, using the state space approach to study and the establishment of a novel LCC resonant converter loss model of intermittent mode.Based on this advances a kind of LCC resonant converter optimization design method based on Genetic Particle Swarm optimization algorithm.The optimization design method makes the system has realized the soft switch technology, the power loss has been effectively suppressed, and design process is intuitive and accurate .The scene verifies the accuracy of this article through a 72 kV/85 kW Electrostatic Precipitator High-frequency high-voltage power supply model machine.

electrostatic precipitator high-frequency high-voltage power supply;LCC resonant converter; genetic particle swarm optimization algorithm;optimization design; field implementation

2017-02-09；

2017-03-31。

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2012146)；鎮(zhèn)江市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GY201503)。

魏 月(1991-)，女，山西陽泉人，碩士研究生。主要從事電氣工程與自動(dòng)化、先進(jìn)控制理論與應(yīng)用、現(xiàn)代測(cè)控與智能系統(tǒng)方向的研究。

曾慶軍(1969-)，男，江蘇句容人，博士，教授，主要從事電氣工程與自動(dòng)化、先進(jìn)控制理論與應(yīng)用、現(xiàn)代測(cè)控與智能系統(tǒng)方向的研究。

1671-4598(2017)09-0225-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.058

TP242

A