变频空调控制器参数损耗模型的最低损耗寻优算法

摘要：随着变频空调能效标准的提高，能效升级越来越被重视。变频控制器作为变频空调的重要组成部件，降低其损耗是提高空调能效的有效方法之一。在不变更硬件的基础上降低变频控制器的损耗，理论分析了电子元器件和控制器参数的损耗模型，并通过模型分析，提出了梯度下降动态迭代寻优算法，得到最优效率控制器参数。最终通过实验验证，应用该算法后，控制器损耗降低了1.40%，空调全年能源消耗效率（AnnualPerformanceFactor，APF）提升了0.02。

关键词：变频空调器控制器控制参数损耗迭代寻优算法

中图分类号：TP302

MinimumLossOptimizationAlgorithmBasedonControllerParametersLossModelofVariableFrequencyAirConditioning

ZHANGJienan

GuangdongMideaRefrigerationEquipmentCo.，Ltd.，Foshan，GuangdongProvince，528311China

Abstract：Withtheimprovementofenergyefficiencystandardofvariablefrequencyairconditioning，energyefficiencyupgradesareincreasinglybeingvalued.Asanimportantcomponentofvariablefrequencyairconditioning，reducingitslossesisoneoftheeffectivemethodstoimprovetheenergyefficiencyofairconditioning.Inordertoreducethelossesofthevariablefrequencycontrollerwithoutchangingthehardware，atheoreticalanalysiswasconductedonthelossmodelsofelectroniccomponentsandcontrollerparameters.Throughmodelanalysis，agradientdescentdynamiciterativeoptimizationalgorithmwasproposedtoobtaintheoptimalefficiencycontrollerparameters.Finally，theapplicationofthisalgorithmwasexperimentallyverifiedtoreducecontrollerlossesby1.40%andimproveAnnualPerformanceFactorofairconditioningby0.02.

KeyWords：Variablefrequencyairconditioning;Controller;Controlparameters;Loss;Iteration;Optimizationalgorithm

据彭博新能源2018年研究显示，中国住宅和商业空调用电量已超过美国达全球第一。在此背景下，2020年7月实施了《房间空气调节器能效限定值及能效等级》（GB21455—2019）[1]，将一级能效门槛由4.5提升至5.0，提升了11%。对于空调能效的提高，其中压缩机、换热器和节流装置提升能效的研究较多[2]，也较成熟，而控制器的研究多是从空调运行状态层面，设计算法提升能效，如神经网络控制[3]、模糊控制[4]、比例积分微分（ProportionalIntegralDerivativeControl，PID）控制[5]等。而本文将从空调运行状态出发，从控制器损耗层面，通过优化控制参数来提升控制器的效率，提高空调能效。

1变频空调控制器损耗模型

图1为常见的变频空调控制器拓扑，由整流电路，功率因数校正电路（PFC电路）和逆变电路组成。其中与控制参数相关的为PFC电路和逆变电路。

1.1PFC电路损耗模型

1.1.1电感

电感损耗分为铜损和铁损。铜损由电感电流iLrms及内阻RL决定的，令PFC电路输入电压为Uin，输出电压为Uo，输出功率为Pout，效率ղ为0.9，则铜损PL，Cu为：

铁损由涡流损耗和磁滞损耗组成，采用不同磁芯材料，其铁损不同，本系统采用铁硅磁芯，磁损计算如下：

（2）

式（2）中：Pcv为磁芯单位体积损耗；Ae为有效磁芯截面积；N为电感匝数；fs为开关管工作频率；Ve为电感磁芯体积。

1.1.2IGBT

IGBT损耗包含开关损耗和导通损耗，开关损耗由电压、电流决定，导通损耗由电流和器件参数决定[6]。IGBT开通时，承受的电压Uo，电流为ID=Pout/（ղUin）-UinD/（Lfs），开通上升时间为tr，关断上升时间为tf，占空比为1-Uin/Uo，则开关损耗为：

IGBT导通损耗由导通压降VQce决定，令流过IGBT的电流为IQ，则导通损耗Pon为：

1.1.3快恢复二极管FRD

FRD损耗分为反向恢复损耗和导通损耗，反向恢复损耗由开关频率和电压决定，导通损耗由电流和器件参数决定。

反向恢复过程中，二极管两端电压为Uo，反向恢复电流为Irm，反向恢复时间为Trr，则反向恢复损耗PDr为：

与IGBT导通损耗类似，FRD的导通压降为VF，流过FRD的电流为IDm，FRD的导通损耗PDon为：

1.2逆变电路损耗模型

逆变模块IPM损耗分为动作损耗和导通损耗。动作损耗由开关管开通、关断损耗和二极管反向恢复损耗组成。本系统中，采用的IPM规格书中给出了其损耗曲线：在电压300V，电流10A时，开关管的单次开通损耗为640μJ、关断损耗为510μJ、反向恢复损耗为110μJ。令压缩机峰值电流为is，其与压机输出功率Pcpout和压机转速ωe相关，根据压缩机经典控制方法有（Ψf为压机永磁体磁链）：Is=2Pcpout/（3ωeΨf）。根据损耗曲线拟合，则IPM的开关损耗Psw为（fc为逆变器的开关频率）：

IPM导通损耗与其导通压降和电流有关，令导通压降为Vipmce，则逆变模块导通损耗为：

1.3控制器总损耗模型

通过前面的损耗分析，对本文系统中器件参数确认如下。电源电压：Uin=311V；电感参数：RL=10mΩ，Ae=1cm2，N=56匝，Ve=12.6cm3，L=300μH；IGBT参数：tr=21ns，tf=12ns，VQce=1.6V；FRD参数：trr=55ns，Irm=6.7A，VF=1.15V；IPM参数：Vipmce=1.6V；压缩机电机参数：Ψf=0.196V/（rad/s），压缩机电机效率约为94%。

将上述参数代入式（1～8），系统总损耗Ploss为：

2控制器参数与损耗关系分析

根据式（9），Ploss=f（Pout，ωe，fs，Pout，ωe），其中Pout、ωe为系统状态，Uo、fs、fc为可调参数，故存在最优Uo、fs、fc使Ploss最小，但效率最优点又与Pout和ωe密切相关。式中，Ploss对fc是正比关系，fc越小，Ploss越小。根据实际情况，将压缩机载频设为6k。对于输出电压和功率取最小311V和50W时，载频fs在35～50k内，dPloss/dfs是恒大于零，故Ploss=f（fs，Pout，ωe）在定义域内为增函数，fs取值越小越好，故将PFC载频设为35k。

对于输出电压，将式（9）对Uo求导，得：

（10）

当压缩机频率分别为70Hz时，把功率50～1800W和输出电压311～400V，带入dPloss/dUo，得微分曲面如图2所示。从图中看出，dPloss/dUo存在穿过零平面的点，说明Uo在其范围内损耗有极小值，有最优的输出电压，使Ploss最小。

3梯度下降动态迭代寻优算法

根据前面分析，压缩机载频和PFC载频，按最小设计，效率最优。而输出电压存在效率最优值，下面设计了梯度下降动态迭代算法进行输出电压寻优，使系统损耗最小，如图3所示。

（1）计算系统电压初始值，并控制PFC电路输出电压Uo；系统运行一定时间后，计算损耗Ploss0、输入功率Pin0，获取压机频率ωe0；然后控制Uo上升ΔU，进入步骤2。

（2）系统运行一定时间后，计算损耗Ploss1、输入功率Pin1，获取压机频率ωe1；如果|Ploss0-Ploss1|<δ（δ损耗波动阈值），则进入步骤3，否则，进入步骤4。

（3）如果|Pin0-Pin1|>δin（δin输入功率波动阈值）或|ωe0–ωe1|>δwe（δwe频率变化阈值），则返回步骤1，否则，进入步骤5。

（4）如果Ploss0>Ploss1，则控制Uo保持上次迭代方向（即上次为上升ΔU则继续上升，上次为下降ΔU则继续下降）；否则，控制Uo改变上次迭代方向（即上次为上升ΔU则改为下降，上次为下降ΔU则改为上升）；进入步骤5。

（5）参数传递，Ploss0=Ploss1，Pin0=Pin1，ωe0=ωe1，返回步骤2。

应用该算法，能够实时监控空调的输入功率和压机频率变化，在系统状态变化后，自动调节输出电压，再次进入损耗最小状态。通过该算法，使系统一直工作在效率最优状态，实现了空调能效的提升。

4实验结果

本项目采用美的1.5P变频空调进行了温升和外机功耗对比测试。

实验一：室外侧环境温度43℃，室内侧环境温度27℃，压机频率70Hz，在不同的输出电压和寻优算法计算的电压下，测试控制器温度，结果如图4所示。由图可知，当采用寻优算法后，计算出最优母线电压为367V，在该输出电压下，控制器损耗最小，器件温升最低，同时还提高了控制器的热可靠性。

实验二：根据国标《房间空气调节器能效限定值及能效等级》（GB21455—2019）中额定制冷，额定制热，中间制冷，中间制热的实验要求，用同一空调分别采用传统算法和寻优算法，对比测试空调外机的功耗，结果如表1所示。当采用寻优算法后，空调外机功耗在4个项目中分别降低了6.7W、1.2W、18.4W、1.6W。依据标准中APF计算方法，采用寻优算法后，空调的APF提升了0.02。

通过以上两个实验验证，本文提出的梯度下降动态迭代JuuPxs4aArDU00FkagBjog==算法能够在空调运行在不同的工况下，都能够进行控制器参数寻优，找到系统损耗最小的参数，从而提高控制器效率，提升了空调能效。

5结语

变频控制器作为变频空调的重要组成部件，其效率提升越来越受关注。本文通过建立控制器参数与器件损耗模型，并分析设计了梯度下降动态迭代寻优算法，实时跟踪变频空调系统运行状态、自适应调节输出电压，使空调控制器全程工作在损耗最小状态。最终通过实验论证，控制器损耗降低了1.40%，空调APF提升了0.02，实现了控制器参数设计层面上的空调能效提升。

参考文献

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