模块休眠技术与节能实现

 1 引言
   
在我国高频开关电源模块作为一种主要的直流电源，被广泛地使用在电力、通讯、铁路、化工等行业，为了节约成本，提高开关电源模块的效率就成了一种普遍而迫切的需求。各模块生产厂家也投入大量资金用于研发新的电源模块，极力提高模块转化效率和降低电源模块的自身损耗。而出于安全性和可靠性的考虑，模块的用户通常采用电源模块冗余配置，并且预留蓄电池的容量在正常工作状态下并不使用。这就使开关电源模块长期处于低负载率工作状态，转换效率很低，造成资源的浪费。
   
2 节能技术研发背景
   
2.1 电力工业是国民经济的基础产业，它一刻不停地向社会提供清洁、高效的能源。随着科技的发展和生产力的不断提高，电力以及和电力相关的运营成本所占的比重正大幅增长。为了提高效率、减少损失、降低运营成本，供电企业和用户对电力系统运行管理的要求也越来越高。在国际能源与气候议题持续进行下，各国大力推动智能电网建设，期望能透过实时控制及需求端管理，来促进电力资源最佳化配置与运行，达到节能减排目标。节能降耗已成为我们的工作重点及专门研究课题。
   
2.2 在电力行业，无论在发电厂还是变电站等所有的直流电源系统中，通常高频开关电源设备在采购过程中，都会考虑系统整流模块N+1备份及后期扩容等需求，往往开关电源的容量选型大于当前运行设备实际负载，没有对冗余开关电源模块进行识别、休眠软关断和智能控制功能，结果导致电源实际工作负载率较低，造成能耗的浪费。
   
3 高频开关电源模块的节能分析
   
高频开关电源模块转换损耗主要包括输出功耗、带载损耗和空载损耗。输出功耗是根据负载电流大小决定的，无法降低能耗。带载损耗主要决定因素是模块的转换效率，转换效率越高则带载损耗越少。空载损耗则是模块内部各器件的正常工作损耗。
   
高频开关电源模块的效率特性，是在一定区间内效率随负载电流的增加而增加，系统的最佳效率区间一般是负载率在40%—80%之间。所以，我们可以通过调整负载率来提高模块效率，从而降低带载损耗。空载损耗则可以通过采集实际负载大小，计算需要的模块数，关闭适当的模块来降低。根据以上所述，模块休眠技术可以在不增加成本的情况下有效地提高转换效率，实现节能。
   
4 高频开关电源模块的休眠技术
   
模块休眠技术是一种基于软件实现的。通过采集实际负载大小，计算负载率和实际需要开启模块数量，由监控下发指令，控制模块定时开启和关闭，把负载率调整到40%—80%之间，从而实现提高模块转换效率的技术。由于模块总是处于一段时间工作和一段时间休息的状态，也可以延长模块的使用寿命。而且由于各模块的工作和休息时间平均，这样可以实现模块的同步老化，从而延长整个直流电源系统的使用寿命。

4.1 模块休眠技术的软件实现过程
   
（1）通过AD转换采集电池组电流，判断电池充电状态为浮充。
   
（2）通过AD转换采集开关电源模块实际输出电流，通过设置得到系统开关电源模块理论最大输出电流，计算得出电源系统当前负载率。
   
（3）调整模块数量，使负载率调整到40%—80%之间，计算当前所需开启模块数量，延时一段时间后进入轮休状态。
   
（4）监控下发指令控制模块开关，调整模块开启数量为上一步计算得到的值，并开启延时。
   
（5）延时时间到，开启一台新模块，然后关闭一台原有模块，并开启新的延时。重复执行步骤5，实现轮休。
   
（6）实时计算负载率，如果超出40%—80%区间，则重新计算需开启的模块数量，然后在新的模块数量的条件下，继续以上（4）步和（5）步工作，实现轮休。
  
 软件实现过程流程图如图1所示。

图1 软件实现轮休过程流程图
 
 

4.2 高频开关电源模块的休眠技术实现原则
   
为了在提高模块转换效率和节约能源的同时，保证整个直流电源系统的可靠性和安全性，在休眠技术中还应该加入以下原则。
   
（1）先开后关原则。即在轮休状态下要关闭1台本来开启的模块前，必须先开启1台本来关闭的模块。并通过单独采集新开启模块的电压，来判断该模块确实开启后，才能关闭原有模块。
   
（2）模块故障跳出原则。发现模块上传故障，或判断模块通讯故障，都要立即结束轮休状态恢复模块浮充状态。发现故障解除则重新倒计时进入新的轮休状态。
   
（3）最少模块数原则。不论何时都要保证处于开启状态的模块数不少于2台。
   
（4）充电状态转换原则。轮休只有在浮充状态下才进行。当充电状态从浮充转为均充时，立即跳出轮休状态。当充电状态重新转为浮充状态后，重新倒计时进入新的轮休状态。
   
（5）交流异常保护原则。实时监测交流供电状况，当发现交流出现超限、缺相等异常状态时，立即跳出轮休状态。当检测交流电恢复正常，重新倒计时进入新的轮休状态。
  
 随着网络智能化的日益普及，电源的智能化已经成为必然的发展方向。智能化的电源不但可诊断自身的各种故障，而且可根据不同的应用场合，自动调整、设定相应的运行模式，以满足不同的需求。九洲电气的JZE-MC-V系列智能监控系统就是一种智能化管理的监控系统。管理人员可以通过参数设置，设置电源模块的工作状态、充电状态转换条件、轮休状态、轮休延时时间等，真正的实现电源的智能化管理。既增加了系统的灵活性又节约了能源。