CN108448970B - 一种开关磁阻发电机高压直流机组变流系统 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻发电机高压直流机组变流系统，其结构由单开关磁阻发电机机组变流电路和多机组电能汇聚网络组成，单开关磁阻发电机机组变流电路包含绕组变流电路、反馈电源、逆变电路，多极升压输出交流电；多机组电能汇聚网络中各个单开关磁阻发电机机组变流电路的开关磁阻发电机和变流电路结构均相同，与整流二极管一起组成多行多列的直流汇聚网络并输出高压直流电，系统扩展性强、效率高、容错性强、可靠性高、结构简单成本低，在局域的小型交直流电网等领域具有相当前途。

Description

一种开关磁阻发电机高压直流机组变流系统

技术领域

本发明涉及发电领域，具体涉及一种利用开关磁阻电机作为发电机的电气变流系统结构、组合，以及调控方法。

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，具有广阔的应用前景。

近年来直流输电日益受到电力部门的重视，局域的直流电网初具雏形，也衍生了更多的设备直接采用直流电源供电。

开关磁阻发电机一般由2-5相绕组置于定子上，根据定转子之间凸极的相对位置决定通电的相绕组，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。

绕组变流电路设计中最好是可靠性高、结构简单、控制方便，否则绕组变流电路故障意味着该台发电机组将完全停止发电工作，非常关键；同时考虑到多数场合下对输出侧高电压的需求，如果能够在绕组变流电路内部能实现升压的功能，则势必非常具有实际意义。

开关磁阻电机的转矩脉动问题一直是业界的一块心病，开关磁阻发电机的转矩脉动，同时也往往带来发电电能质量不高的问题，根据开关磁阻发电机运行原理，在励磁阶段如果采用单独的励磁电源，即与开关磁阻发电机发出的电能无关的电源，对转矩脉动降低是有好处的，但由于大大增加了维护工作以及不确定性问题，基本为工程界所舍弃，改用开关磁阻发电机反馈的电能励磁的话，大多面临所供励磁电能波动较大的问题，业界已有一些将励磁电压与发电电压解耦的例子，效果较好但也面临这样或那样的问题，既隔离可靠并适应较大功率等级，又输出励磁电压和电流均平稳，并且输出电压和电流调节范围大等等优点的很少。

另外，绕组变流电路输出后吸收电能端也一样对转矩脉动存在影响，尤其面对用电侧电压或电流具有周期性波动负载时，势必对发电电压和电流的稳定性产生影响，进而通过反馈电源后对励磁电压和电流产生影响，表现为波动性，所以发电电压输出后的电路，譬如逆变电路工作时，常规的桥式逆变电路就对输入端产生影响较大。

开关磁阻发电机经绕组变流电路输出后，往往不能直接并入直流或交流电网，也不能直接供给直流或交流负载，一般需要升压环节，业界大多采用先逆变，然后经工频或中高频变压器升压，需要直流电的话再整流，这个过程中会对输入侧即开关磁阻发电机绕组变流电路输出侧产生影响，发电电压或发电电流出现周期性不稳定较大；并且这类变流过程往往结构较为复杂，控制也复杂，往往采用高频PWM模式提高调解的灵活性，开关管的开关损耗大，效率低。

对于大规模的用电需求，或者大负载、较大的直流电力需求等方面，单开关磁阻发电机机组发出的电能往往要与其他开关磁阻发电机机组构成一定的发电网络，即多机组的连接后供电问题，这往往面临输出大功率，即高电压大电流，而变流系统当中的开关管面临的很大问题是开关应力问题，如果开关应力很大，则势必在每个开关处需要高电压参量或往往是多个开关管串并联组合模式才行，极大的增加了系统成本、控制复杂度，以及损耗，往往面临此问题后不具备工程实际意义，所以，大功率高电压供电的同时，如果各开关管有低电压应力，则非常具有现实意义。

此外，对于开关管来说，如能实现软开关，尤其在开关管众多的变流系统中，则势必极大的减小开关损耗，降低开关管故障率，提高系统可靠性，当然，在尽量少的添加外围电路和控制方法情况下的软开关实现，更具有意义了。

如前所述当多个开关磁阻发电机机组组成网络时，由于涉及大发电系统，为了尽量避免该网络故障后全网络瘫痪停止发电供电的可能性，网络的冗余性至关重要，当然，在结构简单、控制方便前提下的高容错性能，更具有实际意义。

对于发电网络，其输出端的电能质量，尤其当前智能电网下局域的小规模的直流电网的直流电能质量是个重要问题，当中的电压稳定性，即输出直流电压的脉动率的降低，是个重要问题。

由于此类直流发电网络，多数时是属于多点小功率分布于农村、建筑物、岛屿等等场合(利用风能、柴油机、小水力等等)，在一个电网络下，能够加减当中的机组，即灵活可控、可扩展性的发电网络是非常具有实际意义的。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种基于开关磁阻发电机的结构简单、控制方便、电能质量高、开关损耗低应力低的单机组变流电路，以及一种多机组构成的结构简单、开关管电压应力低、交替运行电能质量高、容错性强、可灵活扩展的发电网络，以及以上全部可控开关管的调控方法。

本发明的技术方案为：

一种开关磁阻发电机高压直流机组变流系统，其结构由单开关磁阻发电机机组变流电路和多机组电能汇聚网络组成，其技术特征是，所述多机组电能汇聚网络中各个所述单开关磁阻发电机机组变流电路的开关磁阻发电机和变流电路结构均相同。

所述单开关磁阻发电机机组变流电路由绕组变流电路、逆变电路、反馈电源组成，其技术特征是，所述绕组变流电路输出两端连接所述逆变电路输入两端和所述反馈电源输入两端，绕组变流电路输入两端连接反馈电源输出两端，逆变电路输出两端即为单开关磁阻发电机机组变流电路输出两端；

所述绕组变流电路由第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第五电容器、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管组成，其技术特征是，所述第一电容器正极端作为绕组变流电路输入正极端并连接所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管的阳极，第一开关管阴极连接所述第一绕组一端，第二开关管阴极连接所述第二绕组一端，第三开关管阴极连接所述第三绕组一端，第四开关管阴极连接所述第四绕组一端，第一绕组另一端连接所述第五开关管阳极和所述第一二极管阳极，第二绕组另一端连接所述第六开关管阳极和所述第二二极管阳极，第三绕组另一端连接所述第七开关管阳极和所述第三二极管阳极，第四绕组另一端连接所述第八开关管阳极和所述第四二极管阳极，第一二极管阴极连接所述第二电容器正极并作为绕组变流电路输出正极端，第二二极管阴极连接第二电容器负极和所述第三电容器正极，第三二极管阴极连接第三电容器负极和所述第四电容器正极，第四二极管阴极连接第四电容器负极和所述第五电容器正极，第一电容器负极连接第五电容器负极、第五开关管阴极、第六开关管阴极、第七开关管阴极、第八开关管阴极并作为绕组变流电路输入和输出负极端；

所述逆变电路由第一变压器、第二变压器、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第六电容器、第七电容器组成，其技术特征是，所述第一变压器一次侧绕组一端与所述第二变压器一次侧绕组一端连接并作为逆变电路输入正极端，第一变压器一次侧绕组另一端连接所述第五二极管阴极、所述第九开关管阳极、所述第十一开关管阴极、所述第七二极管阳极，第二变压器一次侧绕组另一端连接所述第六二极管阴极、所述第十开关管阳极、所述第十二开关管阴极、所述第八二极管阳极，第八二极管阴极和第十二开关管阳极、所述第七电容器正极连接，第七电容器负极连接第六二极管阳极、第十开关管阴极、第五二极管阳极、第九开关管阴极、所述第六电容器负极并作为逆变电路输入负极端，第六电容器正极连接第十一开关管阳极和第七二极管阴极，第一变压器和第二变压器结构完全相同，他们的两个二次侧绕组串联连接，并且极性相反；

所述反馈电源由第八电容器、第九电容器、第三变压器、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十三开关管、电感组成，其技术特征是，所述第八电容器正极、所述第九二极管阴极、所述第十三开关管阳极连接并作为反馈电源输入正极端，所述第三变压器一次侧有两套绕组，分别为一次侧第一绕组和一次侧第二绕组，并且二者极性相反，第十三开关管阴极连接第三变压器一次侧第一绕组一端，第九二极管阳极连接第三变压器一次侧第二绕组一端，第三变压器一次侧第一绕组另一端和一次绕组第二绕组另一端连接后并与第八电容器负极连接同时作为反馈电源输入负极端，第三变压器二次侧绕组一端连接所述第十二极管阳极，第十二极管阴极连接所述第十一二极管阴极和所述电感一端，电感另一端连接所述第九电容器正极并作为反馈电源输出正极端，第九电容器负极连接第十一二极管阳极和第三变压器二次绕组另一端同时作为反馈电源输出负极端。

所述多机组电能汇聚网络，有两种结构模式，第一种为：由(X×Y)个相同的单开关磁阻发电机机组变流电路、[(X+1)×(Y+1)]个整流二极管，以及输出电容器组成，其技术特征是，X＞1，Y＞1，所述(X+1)个整流二极管同极性串联连接构成一个整流支路，共计(Y+1)个整流支路，每个整流支路全部是上面阴极下面阳极，(Y+1)个这样的整流支路并联连接，(Y+1)个这样的整流支路最上端共阴极作为多机组电能汇聚网络输出正极端并与所述输出电容器正极连接，最下端共阳极作为多机组电能汇聚网络输出负极端并与输出电容器负极连接，并联的相邻的两个整流支路中间，即在每个整流支路任意两直接串联的二极管中间连接一个单开关磁阻发电机机组变流电路的输出一端，该单开关磁阻发电机机组变流电路另一端连接到相邻整流支路的相邻两直接串联的二极管中间，(Y+1)个整流支路并联电路中的第一个整流支路和最后一个整流支路中间无单开关磁阻发电机机组变流电路；

第二种结构模式为：由Z个分支网络、输出电容器组成，其技术特征是，所述Z个分支网络之间并联连接，并联接点正负极两端连接所述输出电容器正负极两端并输出，每个分支网络由三个整流支路和2X个单开关磁阻发电机机组变流电路组成，每个整流支路如第一种结构模式的整流支路一样，由(X+1)个整流二极管同极性串联连接组成，第一整流支路和第二整流支路之间，第二整流支路和第三整流支路中间，相邻不同整流支路的任意两整流二极管之间桥式跨接一个单开关磁阻发电机机组变流电路，X＞1，Z＞1。

所述单开关磁阻发电机机组变流电路的调控方法，首先根据开关磁阻发电机运行原理，根据转子相对定子的位置传感器信息，当检测到第一绕组需通电工作时，第一开关管和第五开关管闭合导通进入励磁阶段，反馈电源提供励磁电能，根据转子位置信息励磁阶段结束时，关断第五开关管，第一开关管为第一绕组续流并经由第一二极管发电输出，此为发电阶段，发电阶段结束即第一绕组电流降至零时关断第一开关管；当检测到第二绕组需工作时，相应的闭合第二开关管和第六开关管励磁，断开第六开关管后发电，发电阶段结束关断第二开关管；第三绕组工作时闭合第三开关管和第七开关管励磁，断开第七开关管后发电，发电阶段结束关断第三开关管；第四绕组工作时闭合第四开关管和第八开关管励磁，断开第八开关管发电，发电阶段结束关断第四开关管；

反馈电源接收来自绕组变流电路输出端的发电电压作为输入，当第十三开关管闭合导通时，由于第三变压器一次侧第一绕组和二次侧绕组同极性，第三变压器二次侧绕组感应电动势产生电流经由第十二极管输出，当第十三开关管关断时，第三变压器二次侧绕组无电流，电感储能经由第十一二极管续流，此时第三变压器一次侧第二绕组接收来自第三变压器一次侧第一绕组的感应励磁电流经由第九二极管回流直至降低至零，根据系统控制需要，通过调节第十三开关管的开关占空比，在反馈电源输入电压不变时，可使得输出电压即给绕组变流电路各绕组励磁的电压得到改变；反馈电源中电感要足够大，以保证反馈电源工作中流经电感的电流连续的条件；

逆变电路的调控工作过程为：第九开关管和第十二开关管闭合导通，电流经第一变压器一次侧绕组正向流通，第二变压器一次侧绕组反激工作，第九开关管和第十二开关管同时关断后，第十开关管和第十一开关管闭合导通，电流经第二变压器一次侧绕组正向流通，第一变压器一次侧绕组反激工作，以上过程中第一变压器和第二变压器的两个串联的二次侧绕组感应的电流方向相反，交替输出；第九开关管和第十二开关管，与第十开关管和第十一开关管，他们具有相同的开关占空比和开关周期，通过同时调节占空比改变输出侧电压值，通过同时调节开关周期改变输出侧交流电频率。

基于单开关磁阻发电机机组变流电路调控下的所述多机组电能汇聚网络调控方法，多机组电能汇聚网络内全部的单开关磁阻发电机机组变流电路中的逆变电路的开关管的开关周期都相同，即输出交流电频率相同；多机组电能汇聚网络发电中每一个串联发电的回路中，事先留有至少一个备用的单开关磁阻发电机机组变流电路不工作，待有该发电回路中其他某个单开关磁阻发电机机组变流电路停机不工作时，该备用单开关磁阻发电机机组变流电路投入工作，并且不考虑停机变流电路后调整满足相邻变流电路相位差180度的要求，当一个串联发电回路中停机的单开关磁阻发电机机组变流电路数量超过备用的单开关磁阻发电机机组变流电路数量时，需同时调整工作中的单开关磁阻发电机机组变流电路内逆变电路主开关占空比升压以满足多机组电能汇聚网络输出电压要求；

多机组电能汇聚网络第一种结构模式时，每个工作中的单开关磁阻发电机机组变流电路的输出与其左右及上下相邻的其他工作中的单开关磁阻发电机机组变流电路的输出电流相位差180度；第二种结构模式时，每个分支网络内部的每个工作中的单开关磁阻发电机机组变流电路的输出与其左右及上下相邻的其他工作中的单开关磁阻发电机机组变流电路的输出电流相位差180度，相邻的分支网络之间相位差180/Z度。

单开关磁阻发电机机组变流电路，经交流滤波后，可作为独立的交流电源供电给交流负载，也可以作为交流电网中的一个供电点。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的绕组变流电路结构相对传统不对称半桥结构简单，同时该简单结构下实现自升压效果；

(2)该绕组变流电路输入端为各相绕组并联，输出则串联的结构，从而在输出侧得到更大的电压，即该绕组变流电路具备双升压效果；

(3)在该绕组变流电路结构下，结合开关磁阻发电机的运行原理和特性(根据实时转子位置各相绕组交替性发电输出)，四相绕组的四个输出端电容器串联后，合成的发电电压Uf电压和电流质量更高，波动率更低，此点对于输出，以及反馈电源后的开关磁阻发电机励磁都有积极影响，进而对开关磁阻发电机的转矩脉动问题也有一定抑制作用。

(4)本发明的反馈电源，可通过调节第十三开关管的开关占空比，实现输出电压即励磁电压的调节，与输入侧发电电压实现解耦，尤其针对变速驱动的开关磁阻发电机，以及最大功率输出控制等的需要，可通过调节励磁电压实现强化励磁或其他目的，增强了开关磁阻发电机系统控制的灵活性；

(5)该反馈电源采用磁隔离环节，从而可适应更大功率即千瓦级别以上的水平，同时三绕组的配置更提高了该电路的可靠性。

(6)本发明的逆变电路，由于前述电压源特征，其输出的电压近似为交变的平顶波，减轻了后续多机组电能汇聚网络简易整流电路整流的负担，使得后续的电能质量较高(不会输出正弦半波型直流电，考虑到后续多机组电能汇聚网络的多列交替输出，列数越多，电流波形也越平稳)；

(7)该逆变电路的四支开关管的开通和关断，可全部实现软开关，但并未增加专门的软开关电路，从而极大的降低了开关损耗，也提高开关管的寿命和可靠性，降低了成本；

(8)该逆变电路还具有一项功能，就是继续提升电压的能力，并且在实际中还可以通过调节开关管占空比根据需要而获得满意的高电压输出，从而简化了结构，也增强了灵活性可控性。

(9)本发明的多机组电能汇聚网络，无论是第一种结构模式还是第二种结构模式，都具有扩展性、灵活性，特别是在已经建成的某些直流微电网中，譬如乡村、建筑群、海岛、重要基地设施局域发供电系统中，可根据需要增加新的机组而无需大规模改造；

(10)该多机组电能汇聚系统，持续增大了输出端电压值，每列的机组变流电路数量越多，输出端电压越大，从而整个的从发电到输出用电或并网过程中，无需专门的DC/DC升压装置；

(11)该多机组电能汇聚系统的第二种结构模式下，相邻分支网络间互差180/Z度的相位角条件下，提升了总输出端电能质量，降低了波动率；

(12)多机组电能汇聚网络的每一列都设置一定的备用机组，必要时调节各机组变流电路占空比，提高了冗余及容错性能，这点在电力系统中显得至关重要。

(13)根据本发明各开关管耐压计算可见，耐压最高的开关设备的电压值也远低于本发明最终输出的电压值，从而降低了开关设备的采购成本，提高了开关设备可靠性。

(14)本发明的单开关磁阻发电机机组变流电路，可以略加交流滤波装置后，作为一交流电源，或供交流负载，或供交流电网，增强了本发明的开关磁阻发电机系统的应用广度和适应性。

附图说明

图1所示为本发明的单开关磁阻发电机变流电路结构图。

图2所示为本发明的多机组电能汇聚网络第一结构图。

图3所示为本发明的多机组电能汇聚网络第二结构图。

图4所示为本发明的多机组电能汇聚网络实施例第一结构图。

图5所示为本发明的多机组电能汇聚网络实施例第二结构图。

具体实施方式

本实施例的开关磁阻发电机为四相绕组，按分布于定子上的顺序分别为M/N/P/Q四相绕组；如附图1所示，开关磁阻发电机的四相绕组连接于绕组变流电路1中，励磁阶段所需电源来自反馈电源3。

一种开关磁阻发电机高压直流机组变流系统，由单开关磁阻发电机机组变流电路和多机组电能汇聚网络组成，多机组电能汇聚网络中各个单开关磁阻发电机机组变流电路的开关磁阻发电机和变流电路结构均相同。

单开关磁阻发电机机组变流电路由绕组变流电路1、逆变电路2、反馈电源3组成，绕组变流电路1输出两端连接逆变电路2输入两端和反馈电源3输入两端，绕组变流电路1输入两端连接反馈电源3输出两端，逆变电路2输出两端即为单开关磁阻发电机机组变流电路输出两端；

绕组变流电路由第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第五电容器C5、第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第七开关管V7、第八开关管V8、第一绕组M、第二绕组N、第三绕组P、第四绕组Q、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4组成，第一电容器C1正极端作为绕组变流电路1输入正极端并连接第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4的阳极，第一开关管V1阴极连接第一绕组M一端，第二开关管V2阴极连接第二绕组N一端，第三开关管V3阴极连接第三绕组P一端，第四开关管V4阴极连接第四绕组Q一端，第一绕组M另一端连接第五开关管V5阳极和第一二极管D1阳极，第二绕组N另一端连接第六开关管V6阳极和第二二极管D2阳极，第三绕组P另一端连接第七开关管V7阳极和第三二极管D3阳极，第四绕组Q另一端连接第八开关管V8阳极和第四二极管D4阳极，第一二极管D1阴极连接第二电容器C2正极并作为绕组变流电路1输出正极端，第二二极管D2阴极连接第二电容器C2负极和第三电容器C3正极，第三二极管D3阴极连接第三电容器C3负极和第四电容器C4正极，第四二极管D4阴极连接第四电容器C4负极和第五电容器C5正极，第一电容器C1负极连接第五电容器C5负极、第五开关管V5阴极、第六开关管V6阴极、第七开关管V7阴极、第八开关管V8阴极并作为绕组变流电路1输入和输出负极端；

逆变电路2由第一变压器T1、第二变压器T2、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九开关管V9、第十开关管D10、第十一开关管D11、第十二开关管D12、第六电容器C6、第七电容器C7组成，第一变压器T1一次侧绕组b一端与第二变压器T2一次侧绕组b一端连接并作为逆变电路2输入正极端，第一变压器T1一次侧绕组b另一端连接第五二极管D5阴极、第九开关管V9阳极、第十一开关管V11阴极、第七二极管D7阳极，第二变压器T2一次侧绕组b另一端连接第六二极管D6阴极、第十开关管V10阳极、第十二开关管V12阴极、第八二极管D8阳极，第八二极管D8阴极和第十二开关管V12阳极、第七电容器C7正极连接，第七电容器C7负极连接第六二极管D6阳极、第十开关管V10阴极、第五二极管D5阳极、第九开关管V9阴极、第六电容器C6负极并作为逆变电路2输入负极端，第六电容器C6正极连接第十一开关管V11阳极和第七二极管D7阴极，第一变压器T1和第二变压器T2结构完全相同，他们的两个二次侧绕组a串联连接，并且极性相反；

反馈电源3由第八电容器C8、第九电容器C9、第三变压器T3、第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11、第十三开关管V13、电感L组成，第八电容器C8正极、第九二极管D9阴极、第十三开关管V13阳极连接并作为反馈电源3输入正极端，第三变压器T3一次侧有两套绕组，分别为一次侧第一绕组a和一次侧第二绕组c，并且二者极性相反，第十三开关管V13阴极连接第三变压器T3一次侧第一绕组a一端，第九二极管D9阳极连接第三变压器T3一次侧第二绕组c一端，第三变压器T3一次侧第一绕组a另一端和一次绕组第二绕组c另一端连接后并与第八电容器C8负极连接同时作为反馈电源3输入负极端，第三变压器T3二次侧绕组b一端连接第十二极管D10阳极，第十二极管D10阴极连接第十一二极管D11阴极和电感L一端，电感L另一端连接第九电容器C9正极并作为反馈电源3输出正极端，第九电容器C9负极连接第十一二极管D11阳极和第三变压器T3二次绕组b另一端同时作为反馈电源3输出负极端。

多机组电能汇聚网络，有两种结构模式，第一种如附图2所示，为：由(X×Y)个相同的单开关磁阻发电机机组变流电路、[(X+1)×(Y+1)]个整流二极管，以及输出电容器Cout组成，X＞1，Y＞1，(X+1)个整流二极管同极性串联连接构成一个整流支路，共计(Y+1)个整流支路，每个整流支路全部是上面阴极下面阳极，(Y+1)个这样的整流支路并联连接，(Y+1)个这样的整流支路最上端共阴极作为多机组电能汇聚网络输出正极端并与输出电容器Cout正极连接，最下端共阳极作为多机组电能汇聚网络输出负极端并与输出电容器Cout负极连接，并联的相邻的两个整流支路中间，即在每个整流支路任意两直接串联的二极管中间连接一个单开关磁阻发电机机组变流电路的输出一端，该单开关磁阻发电机机组变流电路另一端连接到相邻整流支路的相邻两直接串联的二极管中间，(Y+1)个整流支路并联电路中的第一个整流支路和最后一个整流支路中间无单开关磁阻发电机机组变流电路；

第二种结构模式如附图3所示，为：由Z个分支网络、输出电容器Cout组成，Z个分支网络之间并联连接，并联接点正负极两端连接输出电容器Cout正负极两端并输出，每个分支网络由三个整流支路和2X个单开关磁阻发电机机组变流电路组成，每个整流支路如第一种结构模式的整流支路一样，由(X+1)个整流二极管同极性串联连接组成，第一整流支路和第二整流支路之间，第二整流支路和第三整流支路中间，相邻不同整流支路的任意两整流二极管之间桥式跨接一个单开关磁阻发电机机组变流电路，X＞1，Z＞1。

对于单开关磁阻发电机机组变流电路的调控方法，首先根据开关磁阻发电机运行原理，根据转子相对定子的位置传感器信息，当检测到第一绕组M需通电工作时，第一开关管V1和第五开关管V5闭合导通进入励磁阶段，反馈电源3提供励磁电能，根据转子位置信息励磁阶段结束时，关断第五开关管V5，第一开关管V1为第一绕组M续流并经由第一二极管D1发电输出，此为发电阶段，发电阶段结束即第一绕组M电流降至零时关断第一开关管V1；当检测到第二绕组N需工作时，相应的闭合第二开关管V2和第六开关管V6励磁，断开第六开关管V6后发电，发电阶段结束关断第二开关管V2；第三绕组P工作时闭合第三开关管V3和第七开关管V7励磁，断开第七开关管V7后发电，发电阶段结束关断第三开关管V3；第四绕组Q工作时闭合第四开关管V4和第八开关管V8励磁，断开第八开关管V8发电，发电阶段结束关断第四开关管V4；

基于以上的工作过程，绕组变流电路1的输出电压为串联连接的第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第五电容器C5两端电压之和，以上四个电容器完全相同，足够大，同时，根据绕组变流电路1中各绕组的并联输入、串联输出模式，输出电压获得数倍增加，另外，关注每个相绕组所在变流支路的励磁和发电工作过程可知，每一相绕组在一个周期，即被充电励磁和发电输出一个周期中，满足如下关系式：

U2＝(T/t0)U1 (1)

式(1)中，U2为绕组变流电路1输出端四个电容器中单个电容器两端(输出)电压，U1为反馈电源3输出电压即绕组变流电路1输入电压，T为每相绕组从励磁阶段开始到发电阶段结束之间的时间，t0为发电阶段时间；可见，U2＞U1，实现电压增加，再考虑到输出端四个电容器串联，绕组变流电路1的输出电压将是输入侧电压U1的四倍以上。

反馈电源3接收来自绕组变流电路1输出端的发电电压作为输入，当第十三开关管V13闭合导通时，由于第三变压器T3一次侧第一绕组a和二次侧绕组b同极性，第三变压器T3二次侧绕组b感应电动势产生电流经由第十二极管D10输出，当第十三开关管V13关断时，第三变压器T3二次侧绕组b无电流，电感L储能经由第十一二极管D11续流，此时第三变压器T3一次侧第二绕组c接收来自第三变压器T3一次侧第一绕组a的感应励磁电流经由第九二极管D9回流直至降低至零；第三变压器T3一次侧第一绕组a的匝数Na等于第三变压器T3一次侧第二绕组c的匝数Nc，也等于第三变压器T3二次侧绕组b的匝数Nb，电感L的电感值需足够大，从而确保流过其电流保持连续为佳，根据电感L在第十三开关管V13一个开关周期中其端电压平均值为零的原则，可得到下式：

U1＝Uf(Nb/Na)ton/TV (2)

式中Uf为发电电压即反馈电源3输入电压，也是绕组变流电路1输出电压；ton和TV分别为第十三开关管V13开通时间和开关周期，ton/TV为其开关占空比；Nb/Na＝1；可见，通过调节第十三开关管V13的开关占空比，即可调节反馈电源3输出电压，即励磁电压，以适应绕组变流电路及整个开关磁阻发电机系统的控制需要。

逆变电路2的总体调控工作过程为：首先第九开关管V9和第十二开关管V12闭合导通，电流经第一变压器T1一次侧绕组b正向流通，第二变压器T2一次侧绕组b反激工作，第九开关管V9和第十二开关管V12同时关断后，第十开关管V10和第十一开关管V11闭合导通，电流经第二变压器T2一次侧绕组b正向流通，第一变压器T1一次侧绕组b反激工作，以上过程中第一变压器T1和第二变压器T2的两个串联的二次侧绕组a感应的电流方向相反，从而形成交替输出的交流电；第九开关管V9和第十开关管V10作为主开关，与第十一开关管V11和第十二开关管V12作为辅助开关，具有相同的开关占空比和开关周期，而通过同时调节开关周期则可改变输出交流电的频率；

以上原则基础上逆变电路2的各开关管的详细分析为：第九开关管V9和第十开关管V10作为主开关，它们关断时，诸如IGBT等开关管自身的寄生电容(与主开关并联)作用，并结合与第一变压器T1和第二变压器T2的漏感之间的谐振作用，此时第九开关管V9或第十开关管V10可实现零电流关断，待主开关关断后，由于接下来两个变压器一次侧绕组续流的需要，与刚刚关断的主开关譬如第九开关管V9连接的第七二极管D7流通电流，从而为此时要驱动的第十一开关管V11的开通，实现零电压开通，第十二开关管V12也一样，第六电容器C6与对应第一变压器T1一次侧绕组b谐振传递电流经过第十一开关管V11，电流降至零时关断第十一开关管V11，从而实现第十一开关管V11的零电流关断，第十二开关管V12类似，最后关于主开关的开通特性，譬如第九开关管V9，当第五二极管D5为第一变压器T1一次侧绕组b续流(第十一开关管V11已关断)反馈电能时，接近于零时驱动第九开关管V9，实现零电压开通，第十开关管V10的开通特性一样，可见，逆变电路2中全部四个开关管的开关均可实现软开关；

针对逆变电路2输出电压Ua与输入电压即发电电压Uf之间的关系，第一变压器T1和第二变压器T2完全相同，二次侧绕组a匝数与一次侧绕组b匝数比为4，根据变压器一次侧绕组b一个变化周期内平衡原理，得到如下关系：

Ua＝4Uf/(1-D) (3)

式中D为逆变电路中两个主开关的开关占空比(小于1)；Ua为逆变电路2输出电压；可见，该逆变电路2能实现输出电压的进一步增大。

基于单开关磁阻发电机机组变流电路调控下的所述多机组电能汇聚网络调控方法，多机组电能汇聚网络内全部的单开关磁阻发电机机组变流电路中的逆变电路的开关管的开关周期都相同，即输出交流电频率相同；本实施例令X＝7，Y＝4，Z＝2；

多机组电能汇聚网络第一种结构模式，本实施例见附图4所示，其内每个单开关磁阻发电机机组变流电路的输出与其左右及上下相邻的其他单开关磁阻发电机机组变流电路的输出电流相位差180度；令71、72、73、74号机组变流电路在其余机组变流电路全部完好状态下不参与发电输出，为备用机组变流电路，则根据如上相位差180度的特点，该多机组电能汇聚网络的输出电压Uout将是单开关磁阻发电机机组变流电路(以下简称机组变流电路)输出电压的六倍；考虑到部分机组变流电路故障或维修停机的可能，当每列有一个机组变流电路停机时，该列的备用机组变流电路投入工作发电输出，此时略过停机机组变流电路，即当该停机机组变流电路不存在，那么它上面相邻和下面相邻的两个机组变流电路就认为是相邻的了(相位差180度)；当每列有2个及以上机组变流电路被迫停机时，采用两个措施，第一调整相关相位差，即略过停机机组变流电路后新相邻机组变流电路间相位差180度，二是同时调整该列全部机组变流电路的主开关占空比(如式(3)所示，增大占空比)，以使得该列输出电压满足输出电压Uout要求；

第二种结构模式本实施例为附图5所示，每个分支网络内部的每个单开关磁阻发电机机组变流电路的输出与其上下及左右相邻的单开关磁阻发电机机组变流电路的输出电流相位差180度，相邻的分支网络之间相位差90度，即11、21、31、…71列的各机组变流电路与12、22、…72列相位差180度，13、23、…73列与14、24、…74列相位差180度，而11、21、…71列与13、23、…73列相位差90度，从而11、21、…71列与14、24、…74列相位差270度；即第一分支网络a与第二分支网络b相对位置相位差90度，如果涉及到三个分支网络的多机组电能汇聚网络，则相邻分支网络间互差60度相位差，Z个分支网络的多机组电能汇聚网络相邻分支网络之间相位差为180/Z度；采用此种模式的原因在于：由于每个机组变流电路输出电压和电流，都存在换相时的死区，即一组开关管关断下一组开关管开通的区间，此为其一，更重要的是，当组成本多机组电能汇聚网络后，相邻两列的输出电压电流在换相交变区(一列正变负，另一列负变正)合成输出后的电压电流会存在波动，如果采用该第二种结构模式后，后续相邻两列(第二分支网络b)的合成波动区与前述第一分支网络a的波动区错开了而不是波动叠加造成更大波动率，则对总输出电压Uout的电能质量提高起到重要的作用，该第二种结构模式适合于对电能质量要求高并且多机组电能汇聚网络规模大的场合；同时，该第二种结构模式也采用类似第一种模式下的每一列至少一个机组变流电路作为备用机组，有更多机组变流电路停机时调节占空比以满足输出电压要求的控制策略；

最后，特别对本实施例下主要开关管的耐压进行分析：

各逆变电路中四个开关管电压正反向最大电压相同，根据逆变电路工作原理可得：

Us＝Uf/(1-D) (4)

式中Us为开关管最大耐压；

对于多机组电能汇聚网络中的各个整流二极管的耐压，考虑到部分整流二极管承担相邻两列的整流工作，这些二极管耐压为单一整流二极管耐压的两倍，最高为：

Ud＝2NUf/(1-D)＝2Ua (5)

式中N为逆变电路中两个变压的二次侧绕组a匝数与一次侧绕组b匝数之比，本实施例等于4；

考虑到实际中逆变电路开关管占空比不能无限上调，况且上述最大电压仅为单开关磁阻发电机机组变流电路输出电压Ua的2倍，再考虑到本发明其他未计算耐压的开关设备均处于前期低压电路中，所以，可以得出结论：本发明所有的开关设备的最大耐压远低于最终的输出电压Uout(每列包含的单机组变流电路越多差距越大)。

特别说明，本实施例虽然针对的是四相开关磁阻发电机，但对于其他相数的开关磁阻发电机，无非是绕组变流电路中绕组支路数的增减问题，自然也应是本发明保护的范畴。

还有，附图1所示的单开关磁阻发电机机组变流电路，可以作为交流电源单独工作输出，供电给交流负载，或者经滤波后经升压变压器作为交流电网中的并网点应用，此也不失为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种开关磁阻发电机高压直流机组变流系统，其结构由多机组电能汇聚网络组成，其技术特征是，所述多机组电能汇聚网络中各个单开关磁阻发电机机组变流电路的开关磁阻发电机和变流电路结构均相同；

所述单开关磁阻发电机机组变流电路由绕组变流电路、逆变电路、反馈电源组成，其中所述绕组变流电路输出两端连接所述逆变电路输入两端和所述反馈电源输入两端，绕组变流电路输入两端连接反馈电源输出两端，逆变电路输出两端即为单开关磁阻发电机机组变流电路输出两端；

所述绕组变流电路由第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第五电容器、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管组成，所述第一电容器正极端作为绕组变流电路输入正极端并连接所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管的阳极，第一开关管阴极连接所述第一绕组一端，第二开关管阴极连接所述第二绕组一端，第三开关管阴极连接所述第三绕组一端，第四开关管阴极连接所述第四绕组一端，第一绕组另一端连接所述第五开关管阳极和所述第一二极管阳极，第二绕组另一端连接所述第六开关管阳极和所述第二二极管阳极，第三绕组另一端连接所述第七开关管阳极和所述第三二极管阳极，第四绕组另一端连接所述第八开关管阳极和所述第四二极管阳极，第一二极管阴极连接所述第二电容器正极并作为绕组变流电路输出正极端，第二二极管阴极连接第二电容器负极和所述第三电容器正极，第三二极管阴极连接第三电容器负极和所述第四电容器正极，第四二极管阴极连接第四电容器负极和所述第五电容器正极，第一电容器负极连接第五电容器负极、第五开关管阴极、第六开关管阴极、第七开关管阴极、第八开关管阴极并作为绕组变流电路输入和输出负极端；

所述逆变电路由第一变压器、第二变压器、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第六电容器、第七电容器组成，所述第一变压器一次侧绕组一端与所述第二变压器一次侧绕组一端连接并作为逆变电路输入正极端，第一变压器一次侧绕组另一端连接所述第五二极管阴极、所述第九开关管阳极、所述第十一开关管阴极、所述第七二极管阳极，第二变压器一次侧绕组另一端连接所述第六二极管阴极、所述第十开关管阳极、所述第十二开关管阴极、所述第八二极管阳极，第八二极管阴极和第十二开关管阳极、所述第七电容器正极连接，第七电容器负极连接第六二极管阳极、第十开关管阴极、第五二极管阳极、第九开关管阴极、所述第六电容器负极并作为逆变电路输入负极端，第六电容器正极连接第十一开关管阳极和第七二极管阴极，第一变压器和第二变压器结构完全相同，他们的两个二次侧绕组串联连接，并且极性相反；

所述反馈电源由第八电容器、第九电容器、第三变压器、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十三开关管、电感组成，所述第八电容器正极、所述第九二极管阴极、所述第十三开关管阳极连接并作为反馈电源输入正极端，所述第三变压器一次侧有两套绕组，分别为一次侧第一绕组和一次侧第二绕组，并且二者极性相反，第十三开关管阴极连接第三变压器一次侧第一绕组一端，第九二极管阳极连接第三变压器一次侧第二绕组一端，第三变压器一次侧第一绕组另一端和一次绕组第二绕组另一端连接后并与第八电容器负极连接同时作为反馈电源输入负极端，第三变压器二次侧绕组一端连接所述第十二极管阳极，第十二极管阴极连接所述第十一二极管阴极和所述电感一端，电感另一端连接所述第九电容器正极并作为反馈电源输出正极端，第九电容器负极连接第十一二极管阳极和第三变压器二次绕组另一端同时作为反馈电源输出负极端。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻发电机高压直流机组变流系统，其技术特征是，所述多机组电能汇聚网络，有两种结构模式，第一种为：由(X×Y)个相同的单开关磁阻发电机机组变流电路、[(X+1)×(Y+1)]个整流二极管，以及输出电容器组成，X＞1，Y＞1，所述(X+1)个整流二极管同极性串联连接构成一个整流支路，共计(Y+1)个整流支路，每个整流支路全部是上面阴极下面阳极，(Y+1)个这样的整流支路并联连接，(Y+1)个这样的整流支路最上端共阴极作为多机组电能汇聚网络输出正极端并与所述输出电容器正极连接，最下端共阳极作为多机组电能汇聚网络输出负极端并与输出电容器负极连接，并联的相邻的两个整流支路中间，即在每个整流支路任意两直接串联的二极管中间连接一个单开关磁阻发电机机组变流电路的输出一端，该单开关磁阻发电机机组变流电路另一端连接到相邻整流支路的相邻两直接串联的二极管中间，(Y+1)个整流支路并联电路中的第一个整流支路和最后一个整流支路中间无单开关磁阻发电机机组变流电路；

第二种结构模式为：由Z个分支网络、输出电容器组成，所述Z个分支网络之间并联连接，并联接点正负极两端连接所述输出电容器正负极两端并输出，每个分支网络由三个整流支路和2X个单开关磁阻发电机机组变流电路组成，每个整流支路如第一种结构模式的整流支路一样，由(X+1)个整流二极管同极性串联连接组成，相邻不同整流支路的任意两整流二极管之间桥式跨接一个单开关磁阻发电机机组变流电路，X＞1，Z＞1。

3.根据权利要求1所述的一种开关磁阻发电机高压直流机组变流系统，其技术特征是，所述单开关磁阻发电机机组变流电路的调控方法，首先根据开关磁阻发电机运行原理，根据转子相对定子的位置传感器信息，当检测到第一绕组需通电工作时，第一开关管和第五开关管闭合导通进入励磁阶段，反馈电源提供励磁电能，根据转子位置信息励磁阶段结束时，关断第五开关管，第一开关管为第一绕组续流并经由第一二极管发电输出，此为发电阶段，发电阶段结束即第一绕组电流降至零时关断第一开关管；当检测到第二绕组需工作时，相应的闭合第二开关管和第六开关管励磁，断开第六开关管后发电，发电阶段结束关断第二开关管；第三绕组工作时闭合第三开关管和第七开关管励磁，断开第七开关管后发电，发电阶段结束关断第三开关管；第四绕组工作时闭合第四开关管和第八开关管励磁，断开第八开关管发电，发电阶段结束关断第四开关管；

反馈电源接收来自绕组变流电路输出端的发电电压作为输入，当第十三开关管闭合导通时，由于第三变压器一次侧第一绕组和二次侧绕组同极性，第三变压器二次侧绕组感应电动势产生电流经由第十二极管输出，当第十三开关管关断时，第三变压器二次侧绕组无电流，电感储能经由第十一二极管续流，此时第三变压器一次侧第二绕组接收来自第三变压器一次侧第一绕组的感应励磁电流经由第九二极管回流直至降低至零，根据系统控制需要，通过调节第十三开关管的开关占空比，在反馈电源输入电压不变时，可使得输出电压即给绕组变流电路各绕组励磁的电压得到改变；反馈电源中电感要足够大，以保证反馈电源工作中流经电感的电流连续的条件；

逆变电路的调控工作过程为：第九开关管和第十二开关管闭合导通，电流经第一变压器一次侧绕组正向流通，第二变压器一次侧绕组反激工作，第九开关管和第十二开关管同时关断后，第十开关管和第十一开关管闭合导通，电流经第二变压器一次侧绕组正向流通，第一变压器一次侧绕组反激工作，以上过程中第一变压器和第二变压器的两个串联的二次侧绕组感应的电流方向相反，交替输出；第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管，他们具有相同的开关占空比和开关周期，通过同时调节占空比改变输出侧电压值，通过同时调节开关周期改变输出侧交流电频率。

4.根据权利要求2所述的一种开关磁阻发电机高压直流机组变流系统，其技术特征是，基于单开关磁阻发电机机组变流电路调控下的所述多机组电能汇聚网络调控方法，多机组电能汇聚网络内全部的单开关磁阻发电机机组变流电路中的逆变电路的开关管的开关周期都相同，即输出交流电频率相同；多机组电能汇聚网络发电中每一个串联发电的回路中，事先留有至少一个备用的单开关磁阻发电机机组变流电路不工作，待有该发电回路中其他某个单开关磁阻发电机机组变流电路停机不工作时，该备用单开关磁阻发电机机组变流电路投入工作，并且不考虑停机变流电路后调整满足相邻变流电路相位差180度的要求，当一个串联发电回路中停机的单开关磁阻发电机机组变流电路数量超过备用的单开关磁阻发电机机组变流电路数量时，需同时调整工作中的单开关磁阻发电机机组变流电路内逆变电路主开关占空比升压以满足多机组电能汇聚网络输出电压要求；

多机组电能汇聚网络第一种结构模式时，每个工作中的单开关磁阻发电机机组变流电路的输出与其左右及上下相邻的其他工作中的单开关磁阻发电机机组变流电路的输出电流相位差180度；第二种结构模式时，每个分支网络内部的每个工作中的单开关磁阻发电机机组变流电路的输出与其左右及上下相邻的其他工作中的单开关磁阻发电机机组变流电路的输出电流相位差180度，相邻的分支网络之间相位差180/Z度。

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