CN107769648A - 一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法，该集成功率变换器由开关磁阻发电机功率变换器和前置电路组成。开关磁阻发电机功率变换器是传统不对称半桥功率变换器的简化，前置电路是Buck/Boost变换器，可以实现励磁电容和输出电容之间能量交换。对前置电路采用直接电容能量控制策略使输出电容电压稳定，对开关磁阻发电机采用电流斩波控制策略使励磁电容电压稳定，同时引入励磁电容输出功率闭环控制，提高励磁电容电压控制快速性和精度。该集成功率变换器拓扑结构简单，通过简单控制策略，可实现离网型开关磁阻风力发电系统的效率与动态响应的优化，具有广阔的应用前景。

Description

一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法

技术领域

本发明属于开关磁阻风力发电领域，涉及一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑 控制方法。

背景技术

作为一种新型的机电能量转换设备，开关磁阻发电机以其结构简单(转子上既无绕组也 无永磁体)，制造成本低，容错能力强，运行可靠性高，在较宽的转速范围内具有较高的效 率，已经成功的应用于许多场合尤其风力发电等环境恶劣场合。如今，系统发电效率和动态 响应是开关磁阻发电机系统研究的热点。有文献通过研发控制策略来提高发电机输出电压(输 出电流)的动态响应。也有文献通过对励磁参数进行优化来提高系统效率。然而由于发电机 的惯性和风力的局限性，开关磁阻发电机的输出电压通常是不确定的。虽然有文献通过增加 DC/DC变换器来维持输出电压稳定，但使系统效率降低。为了克服上述挑战，急需一种集成 功率变换器，在加快系统输出电压动态响应的同时，合理安排蓄电池、负载以及开关磁阻发 电机之间的能量交换，从而提高开关磁阻风力发电系统风能捕获率与系统效率，增强系统可 靠性。

发明内容

一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法，包括采用开关磁阻风力发电机 集成功率变换器拓扑结构，开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑结构包括开关磁阻发电 机功率变换器和前端电路：所述的开关磁阻发电机功率变换器是传统不对称半桥功率变换器 的简化，每相绕组控制回路中只有一个功率开关器件和一个续流二极管；所述的前端电路包 括励磁电源V_e、励磁电容C_exc、输出电容C_out、电感L和三个功率开关器件以及并联于功率 开关器件两端的续流二极管：功率开关器件T₁的漏极与开关磁阻发电机功率变换器续流母线 的正端相连，功率开关器件T₁的源极与功率开关器件T₂的漏极相连，功率开关器件T₂的源 极与开关磁阻发电机功率变换器母线负端相连，输出电容C_out的正端与开关磁阻发电机功率 变换器续流母线正端和功率开关器件T₁的源极相连，输出电容C_out的负端与开关磁阻发电机 功率变换器励磁母线正端和励磁电容C_exc的正端相连，励磁电容的负端与励磁电源负极和开 关磁阻发电机功率变换器母线负端相连，电感L的一端与输出电容C_out的负端和励磁电容C_exc的正端相连，另一端与功率开关器件T₁的源极与功率开关器件T₂的漏极相连，功率开关器件 T₃的源极与励磁电源的正端相连，功率开关器件T₃的漏极与励磁电容C_exc相连，负载R_L的 一端与输出电容C_out的正端相连，另一端与输出电容C_out的负端相连；其特征在于：

(1)开关磁阻发电机励磁模式与续流模式：以A相绕组为例，当功率开关器件T_A开通 时，A相绕组从励磁电容吸收能量进行励磁，若励磁电容电压U_exc低于励磁电源电压V_e，励 磁电源通过二极管D₃给励磁电容充电，若励磁电容电压U_exc高于励磁电源电压V_e，二极管D₃截止，A相绕组由励磁电容单独励磁；当功率开关器件T_A关断后，A相绕组通过续流二极 管D_A回馈能量给输出电容C_out；

(2)励磁电容充电模式与输出电容放电模式：当功率开关器件T₁开通时，输出电容电 压U_out加在电感L两端，电感电流增加；当功率开关器件T₁关断后，电感L通过续流二极管D₂续流，对励磁电容C_exc进行充电，实现了能量从输出电容向励磁电容的传输；

(3)励磁电容放电模式与输出电容充电模式：当功率开关器件T₂开通时，励磁电容电 压U_exc加在电感L两端，电感电流增加；当功率开关器件T₂关断后，电感L通过续流二极管D₁续流，对输出电容C_out进行充电，实现了能量从励磁电容向输出电容的传输；

在离网型开关磁阻风力发电机系统中，蓄电池励磁电源、开关磁阻发电机和负载之间的 功率流动有四种工作模式：

(1)模式1：当风速较低时，开关磁阻发电机处于停机状态，此时负载完全由输出电容 提供能量，蓄电池给励磁电容充电，前端电路实现能量从励磁电容向输出电容的传输；

(2)模式2：当风速增加时，开关磁阻发电机开始投入运行，由于发电机输出功率低于 负载所需功率，此时发电机和输出电容一起为负载提供能量，蓄电池给励磁电容充电，励磁 电容一方面通过前端电路给输出电容传输能量，另一方面直接给发电机提供励磁能量；

(3)模式3：当风速继续增加时，开关磁阻发电机输出功率高于负载所需功率时，此时 负载完全由发电机提供能量，同时发电机将多余的能量通过前端电路传输给励磁电容，由于 发电机传送给励磁电容的能量小于发电机励磁所需能量，因此励磁电容还需从蓄电池励磁电 源吸收能量；

(4)模式4：开关磁阻发电机输出功率继续增加时，将多余的能量通过前端电路传输给 励磁电容，由于发电机传送给励磁电容的能量等于发电机励磁所需能量，因此励磁电容不需 要从蓄电池励磁电源吸收能量；

(5)模式5：开关磁阻发电机输出功率持续增加时，将多余的能量通过前端电路传输给 励磁电容，由于发电机传输给励磁电容的能量大于发电机励磁所需能量，因此励磁电容将多 余的能量储存在蓄电池励磁电源中。

对前端电路采用直接电容能量控制策略使输出电压稳定，给定输出电容电压并测量实 际输出电容电压U_out，根据公式E＝0.5×C×U分别计算出输出电容能量给定和实际输出电 容能量E_out，式中E为电容储能能量，C为电容值，U为电容两端电压；输出电容能量给定 与实际输出电容能量的差值经过PI调节器后输出电感电流给定值电感电流给定值与实 际电感电流I_L的差值叠加前馈补偿量ΔU_L经过PI调节器后输出电感电压给定值其中 ΔU_L＝(U_out+U_exc)/U_out/U_exc，式中U_out为输出电容电压值，U_exc为励磁电容电压值；实际励磁电 容电压U_exc减去电感电压给定值得到功率开关器件T₂电压给定值则功率开关器件T₂的占空比D_T2为由于功率开关器件T₁和T₂为PWM互补工作模式，则在不考虑 死区时功率开关器件T₁的占空比D_T1为

对开关磁阻发电机进行电流斩波控制使励磁电容电压恒定；开关磁阻风力发电机系统启 动后，控制前端电路使输出电容电压达到给定值，此时由于开关磁阻发电机输出功率低于负 载所需功率，前端电路功率由励磁电容流向输出电容，励磁电容输入功率为负值，小于阈值 P_down，进行励磁电容输入功率闭环控制；设置励磁电容输入功率给定值为0，与励磁电容实 际输入功率的差值经过PI调节器后输出电流参考值I_ref，与相电流比较产生滞环信号，控制 功率变换器主开关管的开通与关断；当励磁电容功率闭环控制达到稳定后，励磁电容输入功 率大于阈值P_up，进行励磁电容电压闭环控制；给定励磁电容电压，与实际励磁电容电压的差 值经过PI调节器后输出电流参考值I_ref，与相电流比较产生滞环信号，控制功率变换器主开 关管的开通与关断，最终实现励磁电容电压和输出电容电压的稳定。

附图说明

图1是集成功率变换器拓扑结构。

图2是集成功率变换器工作模式。

图3是开关磁阻风力发电机系统能量传输示意图。

图4是开关磁阻风力发电机系统控制策略。

具体实施方式

(1)开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑结构

开关磁阻风力发电机集成功率变换器由开关磁阻发电机功率变换器和前端电路组成，如 图1所示。开关磁阻发电机功率变换器是传统不对称半桥功率变换器的简化，只需要一个 MOSFET和一个续流二极管来控制发电机每相绕组。前端电路由励磁电源、电容、电感和三 个MOSFET组成，二极管D₁～D₃为相应MOSFET内部寄生二极管。对于m相发电机，该集成变换器只需要3+m个MOSFET和m个二极管；对于传统的不对称半桥功率变换器，其需 要2m个MOSFET和2m+1个二极管。在大多情况下，m≥3，因此集成功率变换器所需功率 器件少。

以A相绕组为例，介绍集成功率变换器的工作模式。图2(a)给出了开关磁阻发电机励 磁模式和续流模式示意图。当T_A开通时，A相绕组从励磁电容C_exc吸收能量。若励磁电容电 压U_exc低于蓄电池励磁电源电压V_e，蓄电池励磁电源通过二极管D₃给励磁电容充电；若励磁电容电压U_exc高于蓄电池励磁电源电压V_e，二极管D₃截止，A相绕组由励磁电容单独励磁。当T_A关断后，A相绕组工作于续流模式，通过续流二极管D_A回馈能量给输出电容C_out。

采用互补PWM方式，控制前端电路可以实现励磁电容与输出电容之间能量平稳传输。 前端电路的状态方程为：

式中，(1-D)和D分别是T₁和T₂的占空比，C_out为输出电容值，U_out为输出电容电压，i_g为续流电流，i_R为负载电流，i_L为电感电流，U_exc为励磁电容电压，L为电感值，R_L为负载。

稳态时，上述公式可写成：

由上述公式可知，若D<(U_out-i_LR_L)/(U_out+U_exc)，i_L>0，则前端电路功率由输出电容C_out流 向励磁电容C_exc，前端电路工作于励磁电容充电模式与输出电容放电模式，如图2(b)所示。 当T₁开通，电感从输出电容吸收能量并存储；当T₁关断，电感续流，给励磁电容充电。若此 时T₃开通，则励磁电容通过T₃给蓄电池励磁电源充电；若D>(U_out-i_LR_L)/(U_out+U_exc)，i_L<0， 则前端电路功率由励磁电容C_exc流向输出电容C_out，前端电路工作于励磁电容放电模式与输 出电容充电模式，如图2(c)所示。当T₂开通，电感从励磁电容吸收能量并存储；当T₂关断，电感续流，给输出电容充电。若此时励磁电容电压U_exc低于励磁电源电压V_e，则励磁电源通过D₃给励磁电容充电。

(2)开关磁阻风力发电机系统能量传输

图3给出了开关磁阻风力发电机系统各部分可能能量传输路径。模式1：当风速较低时， 开关磁阻发电机处于停机状态，此时负载完全由输出电容提供能量，蓄电池给励磁电容充电， 前端电路实现能量从励磁电容向输出电容的传输；模式2：当风速增加时，开关磁阻发电机 开始投入运行，由于发电机输出功率低于负载所需功率，此时发电机和输出电容一起为负载 提供能量，蓄电池给励磁电容充电，励磁电容一方面通过前端电路给输出电容传输能量，另 一方面直接给发电机提供励磁能量；模式3：当风速继续增加时，开关磁阻发电机输出功率 高于负载所需功率时，此时负载完全由发电机提供能量，同时发电机将多余的能量通过前端 电路传输给励磁电容，由于发电机传输给励磁电容的能量小于发电机励磁所需能量，因此励 磁电容还需从蓄电池励磁电源吸收能量；模式4：开关磁阻发电机输出功率继续增加时，将 多余的能量通过前端电路传输给励磁电容，由于发电机传输给励磁电容的能量等于发电机励 磁所需能量，因此励磁电容不需要从蓄电池励磁电源吸收能量；模式5：开关磁阻发电机输 出功率持续增加时，将多余的能量通过前端电路传输给励磁电容，由于发电机传输给励磁电 容的能量大于发电机励磁所需能量，因此励磁电容将多余的能量储存在蓄电池励磁电源中。

(3)开关磁阻风力发电机系统控制策略

A.前端电路控制策略

图4(a)给出了前端电路的简化模型，其中i_R，i_g，i_d分别表示负载电流，续流电流，励 磁电流，i_cout和i_cexc分别表示输出电容和励磁电容的充电电流。在稳态时，T₂的占空比可写成：

式中，U_out为输出电容，U_exc为励磁电容电压

电压则前端电路的传输功率P_bid为：

式中，i_L为电感电流，D为PWM占空比

另一方面，电容满足方程：

式中，E_c，U_c，i_c分别是电容储存能量，电容电压和电容电流，于是电容储存能量为：

式中，C为电容值

可得：

基于此，前端电路的双闭环控制策略如图4(b)所示，外环为电容能量环，内环为电感 电流环。其中U_out(i_g-i_R)表示应该传输到励磁电容的功率，U_T2为T₂的平均电压降落，因此T₂的占空比可写成D＝1-U_T2/U_exc。

设计外环能量环和内环电感电流环的PI调节器参数分别为：

则电感电流内环的传递函数可写为：

定义一阶参考模型为：

则k_p12＝L_rw，k_i12＝R_Lr_w，由于系统采样频率为40kHz，内环的频带宽度设置为4kHz(r_w＝4000)，因此可以计算出k_p12＝1.32，k_i12＝40。为了使系统具有更强的鲁棒性，外环能量 环的频带宽度应该小于内环电流环的频带宽度。外环能量环的传递函数为：

可得阻尼比ζ和振荡频率ω_n为：

设置阻尼比ζ＝0.707，振荡频率ω_n＝300rad/s，则外环能量环G_c11＝35.35+7500/s。

B.励磁电容电压控制策略

开关磁阻发电机是机电能量转换的核心，由于输出电容电压可以由前端电路进行控制， 因此对发电机控制使励磁电容电压稳定，其控制策略如图4(c)所示。开关磁阻风力发电机 系统启动后，控制前端电路使输出电容电压达到给定值，此时由于开关磁阻发电机输出功率 低于负载所需功率，前端电路功率由励磁电容流向输出电容，励磁电容输入功率为负值，小 于阈值P_down，进行励磁电容输入功率闭环控制，设置励磁电容输入功率给定值为0，与励磁 电容实际输入功率的差值经过PI调节器后输出电流参考值I_ref，与相电流比较产生滞环信号， 控制功率变换器主开关管的开通与关断；当励磁电容功率闭环控制达到稳定后，励磁电容输 入功率大于阈值P_up，进行励磁电容电压闭环控制，给定励磁电容电压，与实际励磁电容电压 的差值经过PI调节器后输出电流参考值I_ref，与相电流比较产生滞环信号，控制功率变换器 主开关管的开通与关断，最终实现励磁电容电压和输出电容电压的稳定。

Claims (4)

1.一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法，包括采用开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑结构，开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑结构包括开关磁阻发电机功率变换器和前端电路：所述的开关磁阻发电机功率变换器是传统不对称半桥功率变换器的简化，每相绕组控制回路中只有一个功率开关器件和一个续流二极管；所述的前端电路包括励磁电源V_e、励磁电容C_exc、输出电容C_out、电感L和三个功率开关器件以及并联于功率开关器件两端的续流二极管：功率开关器件T₁的漏极与开关磁阻发电机功率变换器续流母线的正端相连，功率开关器件T₁的源极与功率开关器件T₂的漏极相连，功率开关器件T₂的源极与开关磁阻发电机功率变换器母线负端相连，输出电容C_out的正端与开关磁阻发电机功率变换器续流母线正端和功率开关器件T₁的源极相连，输出电容C_out的负端与开关磁阻发电机功率变换器励磁母线正端和励磁电容C_exc的正端相连，励磁电容的负端与励磁电源负极和开关磁阻发电机功率变换器母线负端相连，电感L的一端与输出电容C_out的负端和励磁电容C_exc的正端相连，另一端与功率开关器件T₁的源极与功率开关器件T₂的漏极相连，功率开关器件T₃的源极与励磁电源的正端相连，功率开关器件T₃的漏极与励磁电容C_exc相连，负载R_L的一端与输出电容C_out的正端相连，另一端与输出电容C_out的负端相连；其特征在于：

(1)开关磁阻发电机励磁模式与续流模式：以A相绕组为例，当功率开关器件T_A开通时，A相绕组从励磁电容吸收能量进行励磁，若励磁电容电压U_exc低于励磁电源电压V_e，励磁电源通过二极管D₃给励磁电容充电，若励磁电容电压U_exc高于励磁电源电压V_e，二极管D₃截止，A相绕组由励磁电容单独励磁；当功率开关器件T_A关断后，A相绕组通过续流二极管D_A回馈能量给输出电容C_out；

(2)励磁电容充电模式与输出电容放电模式：当功率开关器件T₁开通时，输出电容电压U_out加在电感L两端，电感电流增加；当功率开关器件T₁关断后，电感L通过续流二极管D₂续流，对励磁电容C_exc进行充电，实现了能量从输出电容向励磁电容的传输；

(3)励磁电容放电模式与输出电容充电模式：当功率开关器件T₂开通时，励磁电容电压U_exc加在电感L两端，电感电流增加；当功率开关器件T₂关断后，电感L通过续流二极管D₁续流，对输出电容C_out进行充电，实现了能量从励磁电容向输出电容的传输。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法，其特征在于：在离网型开关磁阻风力发电机系统中，蓄电池励磁电源、开关磁阻发电机和负载之间的功率流动有四种工作模式：

(1)模式1：当风速较低时，开关磁阻发电机处于停机状态，此时负载完全由输出电容提供能量，蓄电池给励磁电容充电，前端电路实现能量从励磁电容向输出电容的传输；

(2)模式2：当风速增加时，开关磁阻发电机开始投入运行，由于发电机输出功率低于负载所需功率，此时发电机和输出电容一起为负载提供能量，蓄电池给励磁电容充电，励磁电容一方面通过前端电路给输出电容传输能量，另一方面直接给发电机提供励磁能量；

(3)模式3：当风速继续增加时，开关磁阻发电机输出功率高于负载所需功率时，此时负载完全由发电机提供能量，同时发电机将多余的能量通过前端电路传输给励磁电容，由于发电机传送给励磁电容的能量小于发电机励磁所需能量，因此励磁电容还需从蓄电池励磁电源吸收能量；

(4)模式4：开关磁阻发电机输出功率继续增加时，将多余的能量通过前端电路传输给励磁电容，由于发电机传送给励磁电容的能量等于发电机励磁所需能量，因此励磁电容不需要从蓄电池励磁电源吸收能量；

(5)模式5：开关磁阻发电机输出功率持续增加时，将多余的能量通过前端电路传输给励磁电容，由于发电机传输给励磁电容的能量大于发电机励磁所需能量，因此励磁电容将多余的能量储存在蓄电池励磁电源中。

3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法，其特征在于：对前端电路采用直接电容能量控制策略使输出电压稳定，给定输出电容电压并测量实际输出电容电压U_out，根据公式E＝0.5×C×U分别计算出输出电容能量给定和实际输出电容能量E_out，式中E为电容储能能量，C为电容值，U为电容两端电压；输出电容能量给定与实际输出电容能量的差值经过PI调节器后输出电感电流给定值电感电流给定值与实际电感电流I_L的差值叠加前馈补偿量ΔU_L经过PI调节器后输出电感电压给定值其中ΔU_L＝(U_out+U_exc)/U_out/U_exc，式中U_out为输出电容电压值，U_exc为励磁电容电压值；实际励磁电容电压U_exc减去电感电压给定值得到功率开关器件T₂电压给定值则功率开关器件T₂的占空比D_T2为由于功率开关器件T₁和T₂为PWM互补工作模式，则在不考虑死区时功率开关器件T₁的占空比D_T1为

4.根据权利要求1所述的一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法，其特征在于：在离网型开关磁阻风力发电机系统中，对前端电路进行直接电容能量控制使输出电压恒定，对开关磁阻发电机进行电流斩波控制使励磁电容电压恒定；开关磁阻风力发电机系统启动后，控制前端电路使输出电容电压达到给定值，此时由于开关磁阻发电机输出功率低于负载所需功率，前端电路功率由励磁电容流向输出电容，励磁电容输入功率为负值，小于阈值P_down，进行励磁电容输入功率闭环控制；设置励磁电容输入功率给定值为0，与励磁电容实际输入功率的差值经过PI调节器后输出电流参考值I_ref，与相电流比较产生滞环信号，控制功率变换器主开关管的开通与关断；当励磁电容功率闭环控制达到稳定后，励磁电容输入功率大于阈值P_up，进行励磁电容电压闭环控制；给定励磁电容电压，与实际励磁电容电压的差值经过PI调节器后输出电流参考值I_ref，与相电流比较产生滞环信号，控制功率变换器主开关管的开通与关断，最终实现励磁电容电压和输出电容电压的稳定。