CN108418483B - 一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统 - Google Patents

Abstract

一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统，由五个开关管、四个电容器、三个二极管、一个电感、一个变压器、三个相绕组组成，第一电容器和第二电容器帮助增强励磁能力同时辅助增强输出电压泵升能力，无需过多开关管，输出电压和励磁电压可调节，也可跟随变速工况下保持稳定，大部分开关管开关频率极低，提高了系统的可靠性；本发明非常适合于中小功率开关磁阻发电机在风电领域的单机或微网并网场合应用。

Description

一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种开关磁阻风力发电机可强化励磁、直接泵升电压、结构简单灵活可控的自励变流器系统及其控制方法。

背景技术

开关磁阻电机结构简单坚固，制造成本低廉，转子上无绕组、无永磁体，可靠性高，其中一相绕组不工作不影响其他相绕组的正常工作，容错性强，具有广阔的应用前景。

当前风电领域，大多采用异步发电机或永磁同步发电机作为主发电机，结构复杂，成本高，也不具备开关磁阻电机的优点，目前国内外已经出现利用开关磁阻电机作为主风力发电机的研究及实践探索。

开关磁阻电机一般由多个相绕组置于定子上，根据定转子之间凸极和凹槽的相对位置决定具体通电的相绕组，各相绕组分时工作；作为发电机工作时，每相绕组工作时一般分为励磁和发电两大阶段，励磁阶段为电机相绕组吸收外来励磁电源的电能储存磁能，后续根据转子相对定子位置结束励磁阶段进入发电阶段，相绕组中储存的磁能转化为电能输出。

开关磁阻发电机的励磁、发电都要围绕连接其绕组的变流电路的运行控制实现，没有绕组变流电路，开关磁阻发电机自然没有任何意义。

开关磁阻发电机运行时，现有变流系统，在励磁阶段，励磁电源大多实现了自励模式，不过很多新型自励电源结构和控制都较为复杂。

励磁阶段如果能调节励磁电压，尤其是强化励磁功能，一直是业界期待的，因为希望励磁阶段能在最短时间内快速让电流上升到所需值，从而增加发电阶段输出时间和空间，提高电能输出能力，而目前的强化励磁模式，众多的诸如增加Z源变换器强化励磁等，需要配备专门的强化励磁电路及其控制系统，增加了结构和控制复杂度，降低了可靠性。

在实际中，开关磁阻发电机发出的直流电往往需要较高电压值，除后续采取一定措施升压之外，开关磁阻电机变流器本身输出端直流电压如果过低，势必也增加后续升压的压力，甚至需要几级升压，增大了系统损耗，降低了发电效率。

优秀的风力发电机组系统往往是变速运行，并且为了实现最大功率点跟踪，发电机必须根据风能可以变速运行时适应其最大功率输出能力，变流器必须适应这点。

变流电路，自然要用到功率开关管，尤其当众多开关管在高频开关工作时，开关管的损耗及带来的散热问题严重，典型的解决方法除增加大规模散热装置外，增加软开关装置及其控制系统是比较流行的，当然，这势必又增加了变流系统的复杂度，降低了可靠性。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种简易结构自励磁、一体化电感电容强化励磁、直接泵升高电压输出、低频开关、参量灵活可控、可扩展性强的开关磁阻发电机简易变流器及其调控方法。

本发明的技术方案为：

一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统，由五个开关管、四个电容器、三个二极管、一个电感、一个变压器、三个相绕组组成，其技术特征是，所述第一开关管阳极与所述电感一端、所述第二二极管阳极、所述第二电容器正极连接，电感另一端与所述第一电容器负极、所述第三二极管阴极、所述第四电容器正极连接，第一电容器正极与第二二极管阴极、所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极、所述第四开关管阳极连接，第一开关管阴极与所述第一二极管阴极、第四电容器负极、所述变压器二次侧绕组一端连接，第一二极管阳极与第二电容器负极、所述第三电容器负极、所述第五开关管阴极连接，并作为输出负极端，第二开关管阴极与所述第一相绕组一端连接，第三开关管阴极与所述第二相绕组一端连接，第四开关管与所述第三相绕组一端连接，第一相绕组另一端与第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、第三电容器正极、变压器一次侧绕组一端连接，并作为输出正极端，第五开关管阳极与变压器一次侧绕组另一端连接，第三二极管阳极与变压器二次侧绕组另一端连接；所有开关管均为全控型电力电子开关器件。

本发明一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统的控制方法为：

根据开关磁阻发电机理论和运行原理，结合转子位置信息，检测到当第一相绕组需通电投入工作时，同时闭合导通第一开关管和第二开关管，第一电容器、第二电容器、第四电容器共同向第一相绕组供电励磁，同时向第三电容器充电及输出，该励磁阶段同时实现第四电容器向电感充电；后续根据新的转子实时位置信息需结束励磁阶段时，关断第一开关管，第一相绕组中的储能经由第四电容器和电感向外输出并向第三电容器充电，同时电感同样输出电能，此为发电阶段；当第一相绕组的储能释放完毕并且不再向外输出电能，来自电感和第四电容器两端电能分别向第一电容器、第二电容器充电；当根据转子位置信息其他相绕组需要投入工作时，断开第二开关管；

第一开关管和第二开关管、第三开关管、第四开关管的开关状态，包括开关占空比和开关周期，都完全结合开关磁阻发电机的实时转子位置信息的需要而动作，第五开关管的开关占空比则按照如下公式约束：

DV5＝(1-DV1)/(2Kn+1-DV1) (1)

式(1)中，DV5为第五开关管占空比，DV1为第一开关管占空比，n为变压器二次侧绕组与一次侧绕组匝数之比，K为电压系数，并且0＜K＜1；在风电工况下，随着发电机组转速的变化，DV5跟随DV1和K的变化而变化，从而保持输出端电压的稳定；另外，当输出负载端对输出电压做出调整的指令时，DV5将主动改变以调整输出电压值；

系统在起动之前，确保第四电容器两端有满足要求的足够的储能的条件，并且待第三电容器两端电压高于最低值以上时第五开关管才投入工作，否则一直处于断开状态；另外，电感的电感值要足够大，以满足发电系统在最低转速工况下电感所在支路电流不断流为基准；

第二相绕组和第三相绕组需投入工作时的控制原理与以上第一相绕组的控制相同，第三开关管和第四开关管对应第二开关管。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明变流器主电路的结构简单，作为三相开关磁阻发电机，变流器所需开关管数量仅为五个，但功能多样，包括自励磁、变励磁电压、自强化励磁、直接泵升直流电压输出等，控制简便。

(2)利用第一电容器、第二电容器实现励磁阶段励磁电压的增强，无需专门的励磁强化电路及其控制系统，降低了成本提高了可靠性。

(3)变流主电路自身直接实现输出电压的高输出，减轻了后续升压装置的压力，并且可通过第五开关管的占空比调节，来辅助保持输出电压的稳定，提高电能质量。

(4)本发明的变流电路，可适应变速风电工况，无论其转速范围内的多大速度，都根据转子实时位置调控第一开关管和第二开关管、第三开关管、第四开关管。

(5)第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的开关频率，结合实际中风力发电机组的每分钟几百转到最高几千转的现实，这些开关管的开关频率中最高的第一开关管也仅仅为几百赫兹左右，所以开关损耗低，对软开关压力小，必要保护措施下无需专门的软开关控制系统，简化了结构降低了成本；第五开关管则可设置为相对较高的频率，以便使得变压器体积重量减小减轻，降低成本，当然在其可正常工作的前提条件下。

(6)当需要保持输出电压稳定时，第五开关管的占空比根据式(1)约束，一般来说n小于或等于1；当需要主动调整励磁电压或因应输出端对输出电压改变的要求时，第五开关管占空比DV5主动调整以适应，所以，本发明可以实现变励磁电压，也可以适应输出侧需要调整发电电压，增强了本发明的适应性、灵活性，对最大功率点跟踪控制、增强发电效益、穿越输出端故障等有积极意义。

附图说明

图1所示为本发明的一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统结构图。

具体实施方式

本实施例的开关磁阻电机为三相绕组，按分布于定子上的顺序分别为M/N/P三相绕组，每相绕组由两个支绕组组成并且对称绕制在不同的定子凸极上，即定子六个凸极，如附图1所示为本实施例三相绕组开关磁阻风力发电机的变流电路。

一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统，由五个开关管、四个电容器、三个二极管、一个电感、一个变压器、三个相绕组组成，第一开关管V1阳极与电感L一端、第二二极管D2阳极、第二电容器C2正极连接，电感L另一端与第一电容器C1负极、第三二极管D3阴极、第四电容器C4正极连接，第一电容器C1正极与第二二极管D2阴极、第二开关管V2阳极、第三开关管V3阳极、第四开关管V4阳极连接，第一开关管V1阴极与第一二极管D1阴极、第四电容器C4负极、变压器T二次侧绕组b一端连接，第一二极管D1阳极与第二电容器C2负极、第三电容器C3负极、第五开关管V5阴极连接，并作为输出负极端，第二开关管V2阴极与第一相绕组M一端连接，第三开关管V3阴极与第二相绕组N一端连接，第四开关管V4与第三相绕组P一端连接，第一相绕组M另一端与第二相绕组N另一端、第三相绕组P另一端、第三电容器C3正极、变压器T一次侧绕组a一端连接，并作为输出正极端，第五开关管V5阳极与变压器T一次侧绕组a另一端连接，第三二极管D3阳极与变压器T二次侧绕组b另一端连接。

所有开关管均为IGBT，并且均为常断开关；电感L的取值需足够大，以保证开关磁阻发电机最低每分钟100转的直驱速度下电感L工作中不断流。

本实施例的变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统的控制方法，根据开关磁阻发电机理论和运行原理，需要结合实时转子位置信息，分时段让各相绕组参与工作；

当检测到第一相绕组M需通电投入工作时，同时闭合导通第一开关管V1和第二开关管V2，第一电容器C1、第二电容器C2、第四电容器C4共同向第一相绕组M供电励磁，同时向第三电容器C3充电及输出，回路为：C1-V2-M-C3-C2-C4-C1，第一二极管D1和第二二极管D2反偏置截止，此时相当于C1、C2、C4三电源串联一起向第一相绕组M供电励磁，从而起到强化励磁的效果，在该励磁阶段同时实现第四电容器C4向电感L充电；后续根据新的转子实时位置信息需结束励磁阶段时，关断第一开关管V1，第一相绕组M中的储能经由第四电容器C4和电感L向外输出并向第三电容器C3充电，同时电感L同样输出电能，此为发电阶段，回路为：M-C3-D1-C4-L-D2-V2-M；当第一相绕组M的储能释放完毕并且不再向外输出电能，来自电感L和第四电容器C4两端电能分别向第一电容器C1、第二电容器C2充电，回路分别为：L-D2-C1-L、C4-L-C2-D1-C4；当根据转子位置信息其他相绕组需要投入工作时，再断开第二开关管V2；

根据电感L和第一相绕组M的电感伏秒平衡原理，如果忽略第一相绕组M两端平均电压，则有如下关系：

Uout＝2UL/(1-DV1) (2)

式(2)中，Uout为输出电压即第三电容器C3两端电压，UL为励磁电压即第四电容器C4两端电压，DV1为第一开关管V1的开关占空比；可见，输出电压得到极大的泵升，两倍以上。

变压器T的两侧绕组视为两个耦合电感，反极性，当第五开关管V5闭合导通时，第三二极管D3反偏置截止，相当于给变压器T一次侧绕组a供电储能，待第五开关管V5断开后，变压器T的磁能由二次侧绕组b经第三二极管D3释放输出，则第四电容器C4两端电压UL为：

UL＝nDV5Uout/(1-DV5) (3)

式(3)中，n为变压器T二次侧绕组b匝数与一次侧绕组a匝数之比，本实施例令n＝1，DV5为第五开关管V5的开关占空比；

整合式(2)和式(3)，考虑第一相绕组M两端电压，得到如下关系式：

DV5＝(1-DV1)/(2K+1-DV1) (4)

式(4)中，K为电压系数，并且0＜K＜1，在本实施例中，系统运行时根据所测得的各占空比和各电压值，得到K值变化曲线，从而运行中主动赋值；在风电工况下，随着发电机组转速的变化，DV5跟随DV1和K的变化而变化，从而保持输出端电压的稳定；另外，当输出负载端对输出电压做出调整的指令时，DV5将主动改变以调整输出电压值，即励磁电压和发电电压都可以得到调节，灵活可控性大大增强。

第二相绕组N和第三相绕组P与第一相绕组M完全相同，它们分别需投入工作时的控制原理与以上第一相绕组M的相同，第三开关管V3和第四开关管V4对应第二开关管V2。

可见，第一开关管V1和第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4的开关状态，包括开关占空比和开关周期，都完全结合开关磁阻发电机的实时转子位置信息的需要而动作，第五开关管V5的开关比有如式(4)的约束条件及控制所需，但其开关周期设为高频(KHZ以上)，以便减小变压器T的体积、重量，及成本。

系统在起动之前，确保第四电容器C4两端有满足要求的足够的储能的条件，并且待第三电容器C3两端电压高于最低值以上时第五开关管V5才投入工作，否则一直处于断开状态；另外，电感L的电感值要足够大，以满足发电系统在最低转速工况下电感L所在支路电流不断流为基准。

鉴于本发明变流系统结构及控制原理，当开关磁阻发电机为两相或四相等非三相绕组结构时，结构上仅仅需要减少或增加相应相绕组的开关支路而已，控制模式完全相同，所以对于不同相绕组分时工作控制运行的其他相数开关磁阻发电机理应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统，其特征是，包括五个开关管、四个电容器、三个二极管、一个电感、一个变压器、三个相绕组，第一开关管阳极与电感一端、第二二极管阳极、第二电容器正极连接，电感另一端与第一电容器负极、第三二极管阴极、第四电容器正极连接，第一电容器正极与第二二极管阴极、第二开关管阳极、第三开关管阳极、第四开关管阳极连接，第一开关管阴极与第一二极管阴极、第四电容器负极、变压器二次侧绕组一端连接，第一二极管阳极与第二电容器负极、第三电容器负极、第五开关管阴极连接，并作为输出负极端，第二开关管阴极与第一相绕组一端连接，第三开关管阴极与第二相绕组一端连接，第四开关管与第三相绕组一端连接，第一相绕组另一端与第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、第三电容器正极、变压器一次侧绕组一端连接，并作为输出正极端，第五开关管阳极与变压器一次侧绕组另一端连接，第三二极管阳极与变压器二次侧绕组另一端连接；所有开关管均为全控型电力电子开关器件。

2.根据权利要求1所述的一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统的控制方法，其特征是：

根据开关磁阻发电机理论和运行原理，结合转子位置信息，检测到当第一相绕组需通电投入工作时，同时闭合导通第一开关管和第二开关管，第一电容器、第二电容器、第四电容器共同向第一相绕组供电励磁，同时向第三电容器充电及输出，该励磁阶段同时实现第四电容器向电感充电；后续根据新的转子实时位置信息需结束励磁阶段时，关断第一开关管，第一相绕组中的储能经由第四电容器和电感向外输出并向第三电容器充电，同时电感同样输出电能，此为发电阶段；当第一相绕组的储能释放完毕并且不再向外输出电能，来自电感和第四电容器两端电能分别向第一电容器、第二电容器充电；当根据转子位置信息其他相绕组需要投入工作时，断开第二开关管；

第一开关管和第二开关管、第三开关管、第四开关管的开关状态，包括开关占空比和开关周期，都完全结合开关磁阻发电机的实时转子位置信息的需要而动作，第五开关管的开关占空比则按照如下公式约束：

DV5＝(1-DV1)/(2Kn+1-DV1) (1)

式(1)中，DV5为第五开关管占空比，DV1为第一开关管占空比，n为变压器二次侧绕组与一次侧绕组匝数之比，K为电压系数，并且0＜K＜1；在风电工况下，随着发电机组转速的变化，DV5跟随DV1和K的变化而变化，从而保持输出端电压的稳定；另外，当输出负载端对输出电压做出调整的指令时，DV5将主动改变以调整输出电压值；

系统在起动之前，确保第四电容器两端有满足要求的足够的储能的条件，并且待第三电容器两端电压高于最低值以上时第五开关管才投入工作，否则一直处于断开状态；另外，电感的电感值要足够大，以满足发电系统在最低转速工况下电感所在支路电流不断流为基准；

第二相绕组和第三相绕组需投入工作时的控制原理与以上第一相绕组的控制相同，第三开关管和第四开关管对应第二开关管。