一种大功率EPS应急电源的负载动态节能控制方法与流程

本发明属于应急电源，具体为一种大功率eps应急电源的负载动态节能控制方法。

背景技术：

1、eps应急电源是一种为消防设施、应急照明、医疗设备等重要负载提供应急供电的电源装置，在市电中断时能够迅速切换至电池供电模式，保证重要负载的连续运行，随着城市化进程的加快和人们对消防安全意识的提高，eps应急电源的应用越来越广泛，功率等级也不断提升，从几千瓦发展到几百千瓦甚至上兆瓦。

2、然而，传统的大功率eps应急电源普遍存在效率低下的问题，特别是在空载和轻载工况下，由于eps应急电源大部分时间处于市电正常的待机状态或轻载运行状态，长期的低效率运行不仅造成大量的电能浪费，还会导致设备发热严重，缩短设备使用寿命；据统计，传统大功率eps应急电源在空载工况下的待机功耗可达额定功率的3%-5%，在20%负载率下的效率仅为70%左右，而eps应急电源的平均负载率通常低于30%，因此每年因效率低下造成的电能浪费非常惊人。

3、现有技术中也有一些针对eps应急电源节能的改进方案，例如通过采集负载数据识别工况，空载时进入休眠模式，轻载时降频运行；但是这些方案存在以下缺陷：

4、数学模型过于简单，仅考虑了总损耗与负载率的关系，没有分解不同类型的损耗分量，导致无法精确计算最优工作点；

5、参数调节采用反馈式控制，存在滞后性，当负载快速变化时容易出现输出电压波动；

6、没有采用拓扑切换技术，在半载和满载工况下无法达到最高效率；

7、保护功能与节能控制相互独立，当出现异常情况时不能快速退出节能模式，可能影响供电可靠性。

8、还有一些方案建立了负载与效率的关系模型，根据负载变化切换不同的工作模式；但是这些方案同样存在数学模型精度低、参数调节滞后、拓扑切换存在间断等问题，且没有解决节能与安全之间的冲突。

9、因此，急需一种能够全面解决上述问题的大功率eps应急电源负载动态节能控制方法，在保证供电可靠性和快速响应能力的前提下，显著提高eps应急电源在全负载段的运行效率，降低能耗。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种大功率eps应急电源的负载动态节能控制方法，以解决现有技术中存在的数学模型精度低、参数调节滞后、拓扑切换存在间断、节能与安全冲突的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种大功率eps应急电源的负载动态节能控制方法，包括以下步骤：

3、s1：建立包含开关损耗、导通损耗、铁损、铜损四个分量的负载率—效率—损耗数学模型，基于该模型计算不同负载率下的最优开关频率、最优输出电压和最优工作模态；

4、s2：通过数据采集模块以10khz-50khz的采样频率实时采集eps应急电源的输出电压、输出电流、输出功率数据，经数据预处理单元进行滤波降噪后输出；

5、s3：通过工况识别模块根据预处理后的数据和数学模型自动识别当前负载工况，所述工况包括空载工况、轻载工况、半载工况和满载工况，并设置2s-5s的防抖动延时；

6、s4：通过多模式控制模块根据识别的工况执行对应的节能控制策略：空载工况下进入智能休眠+超低功耗待机模式，轻载工况下执行降频运行+动态调压策略，半载工况下切换至半桥逆变拓扑，满载工况下切换至全桥逆变拓扑；

7、s5：通过动态参数调节模块采用预测式pid算法，根据负载变化率和数学模型预测的效率变化趋势，提前10ms-50ms调整开关频率、输出电压和工作模态参数；

8、s6：在拓扑切换过程中，采用先升压后切换再降压的无缝切换技术，使拓扑切换时间小于5ms，输出电压波动小于±2%；

9、s7：通过分级安全协同保护模块将负载调节过程与过压保护、过流保护、过温保护、电池欠压保护联动，建立一级预警、二级保护、三级紧急停机的分级保护机制。

10、进一步地，所述步骤s1中建立负载率—效率—损耗数学模型具体包括：

11、分别测量不同负载率、不同开关频率、不同输出电压下的开关损耗、导通损耗、铁损、铜损；

12、通过多元非线性回归分析，得到各损耗分量与负载率、开关频率、输出电压的函数关系；

13、总损耗为各损耗分量之和；

14、转换效率为输出功率与输入功率之比；

15、通过最优化算法求解不同负载率下使转换效率最大的开关频率、输出电压和工作模态。

16、进一步地，所述步骤s3中工况识别模块的识别阈值为：负载率<3%为空载工况，3%≤负载率<25%为轻载工况，25%≤负载率<65%为半载工况，负载率≥65%为满载工况。

17、进一步地，所述步骤s4中智能休眠+超低功耗待机模式下，关闭pwm驱动电路、显示电路、通信电路、辅助电源等非必要模块，仅保留唤醒检测电路和基本保护电路工作，唤醒检测电路采用边沿触发方式，唤醒时间≤0.15s。

18、进一步地，所述步骤s4中降频运行+动态调压策略具体为：

19、当负载率在3%-10%之间时，开关频率从额定值线性降低至额定值的20%；

20、当负载率在10%-25%之间时，开关频率从额定值的20%线性升高至额定值的75%；

21、输出电压根据负载特性在额定电压的94%-100%范围内动态调整，阻性负载调整至94%-96%，感性负载调整至97%-99%，容性负载调整至98%-100%。

22、进一步地，所述步骤s6中无缝切换技术具体包括：

23、当需要从半桥逆变拓扑切换至全桥逆变拓扑时，先将输出电压升高至额定电压的105%并保持1ms；

24、然后在电压过零点时刻关闭半桥逆变拓扑的驱动信号，同时开启全桥逆变拓扑的驱动信号；

25、最后将输出电压逐步降低至额定电压，整个过程在5ms内完成。

26、进一步地，所述步骤s5中预测式pid算法具体为：

27、计算当前时刻和前n个时刻的负载率，采用最小二乘法拟合负载变化趋势；

28、预测未来10ms-50ms内的负载率变化；

29、根据预测的负载率和数学模型计算最优运行参数；

30、采用pid控制器提前调整运行参数，使实际参数跟踪最优参数。

31、进一步地，所述步骤s7中分级安全协同保护机制具体为：

32、一级预警：当运行参数接近保护阈值时，发出预警信号，同时适当降低节能程度，提高系统响应速度；

33、二级保护：当运行参数达到保护阈值时，立即退出当前节能模式，切换至全功率运行模式，同时启动相应的保护措施；

34、三级紧急停机：当运行参数超过极限阈值时，立即关闭逆变器输出，切换至旁路供电或紧急停机。

35、进一步地，还包括步骤s8：通过数据存储与分析模块记录不同工况下的运行数据和损耗数据，每运行1000小时自动更新一次负载率—效率—损耗数学模型的损耗系数，持续优化控制策略。

36、进一步地，所述eps应急电源的功率等级为50kw-1000kw，适用于建筑消防、医疗设备、数据中心、轨道交通等重要负载的应急供电。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

38、（1）、数学模型精度大幅提高：本发明首次建立了包含开关损耗、导通损耗、铁损、铜损四个分量的精确数学模型，能够准确计算不同负载率、不同开关频率、不同输出电压下的总损耗和转换效率，为参数优化提供了可靠的理论依据；与现有技术的简单模型相比，模型精度提高了30%以上。

39、（2）、全负载段效率显著提升：本发明针对不同负载工况采用差异化的节能控制策略，特别是在轻载工况下采用了非线性降频+负载特性自适应调压技术，在半载和满载工况下采用了拓扑切换技术，实现了全负载段的效率最大化；空载待机功耗降低85%以上，从传统的3%-5%额定功率降低至0.4%以下；轻载效率提升20%-30%，在20%负载率下效率可达90%以上；半载和满载效率也有4%-6%的提升。

40、（3）、参数调节响应速度快：本发明采用预测式pid算法，能够根据负载变化趋势提前调整运行参数，解决了传统反馈式控制存在的滞后问题；当负载快速变化时，输出电压波动小于±2%，远优于现有技术的±5%。

41、（4）、拓扑切换无缝无间断：本发明采用先升压后切换再降压的无缝切换技术，在电压过零点时刻进行拓扑切换，使拓扑切换时间小于5ms，输出电压波动小于±2%，解决了现有技术中拓扑切换存在间断和电压跌落的问题。

42、（5）、节能与安全完美协同：本发明建立了一级预警、二级保护、三级紧急停机的分级安全协同保护机制，能够根据异常情况的严重程度采取不同的应对措施，在保证安全的前提下最大限度地实现节能；当出现异常情况时，能够在1ms内退出节能模式，切换至全功率运行模式，确保供电的可靠性和安全性。

43、（6）、自学习能力强：本发明能够自动记录运行数据，定期更新数学模型的损耗系数，适应设备老化和环境变化带来的影响，保持长期的高效运行。