CN108448974A - 一种开关磁阻风力发电机高压变流系统 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻风力发电机高压变流系统，以开关磁阻发电机为主风力发电机，与它同轴连接的永磁直流发电机的输出电能作为开关磁阻发电机的励磁电能；开关磁阻发电机每相绕组分为两个分支，励磁时并联发电时串联，起到强化励磁效果，发电时励磁所需的直流电源和励磁时被充电的电容器均与相绕组串联参与到发电输出中来，从而极大的提高了输出电压；整个变流系统可扩展性强、可靠性高、结构简单、控制简易、损耗低，适合于中小功率风电及中高压直流并网或直流负载用电领域。

Description

一种开关磁阻风力发电机高压变流系统

技术领域

本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种同轴永磁直流发电机作为励磁电源、自强化励磁、直接高电压生成的结构和控制简便的开关磁阻风力发电机变流系统及其控制方法。

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；作为发电机应用时，其中一相绕组不工作不影响其他相绕组的发电输出工作，容错性强，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，局域的直流电网在部分地方已初具雏形，高压直流输电也在发展中，也由此衍生了越来越多的负载设备直接采用直流电源供电，而开关磁阻发电机就可直接输出直流电，不过现有开关磁阻发电机发出的直流电往往需要添加专门的直流升压装置再提供给直流负载或并入直流电网。

开关磁阻发电机一般由3-5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；提到变流电路，自然少不了大量可控电力电子开关管的使用，而这些开关管应用中，开关损耗，尤其高频开关工作的开关损耗是业界研究的一大问题，过高的开关损耗造成系统电能较大的损失，效率低下，并且加大了开关管的因损耗大而发热严重的损坏可能性。

由于励磁阶段以吸收电能为主，希望能短时间更快速的建立励磁电流，即强化励磁，从而给发电阶段留足更多时间及更大起始电流，提高电能输出能力，基于此，业界目前常常需要设计专门的励磁电源来强化励磁，但这些强化励磁方式，往往需要单独增加带有可控开关管的专门励磁电源实现，降低了系统的可靠性，加大了控制的复杂度，并且当励磁电源出现故障时，整台开关磁阻发电机将停机不能运行，使得本身具备发电高容错性能的开关磁阻发电机优势无法发挥出来，如果在每相绕组的变流支路内部实现强化励磁，则不存在此问题；谈到励磁，还涉及到励磁所需电能的来源，业界一般分为自励和他励，自励往往配合强化励磁效果的话一般需要设计专门的励磁电路，如前所述缺点明显，他励一般采用蓄电池，则极大的增加了人工维护的工作量。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种与开关磁阻风力发电机同轴旋转的永磁直流发电机作为励磁电源、相绕组自强化励磁2倍电压、设计开关磁阻发电机新型变流电路同时实现高电压生成并输出的结构和控制都简便并且可靠性高的开关磁阻风力发电机变流系统及其控制方法。

本发明的技术方案为：

一种开关磁阻风力发电机高压变流系统，由9个二极管、3个相绕组、4个电容器、3个开关管、1个直流电源组成，其技术特征是，所述第一相绕组第一支绕组一端、所述第一二极管阳极、所述第二相绕组第一支绕组一端、所述第三二极管阳极、所述第三相绕组第一支绕组一端、所述第五二极管阳极、所述直流电源正极连接，第一相绕组第一支绕组另一端与所述第一电容器负极、所述第二二极管阳极连接，第一二极管阴极与第一电容器正极、所述第一相绕组第二支绕组一端连接，第一相绕组第二支绕组另一端与第二二极管阴极、所述第七二极管阳极、所述第一开关管阳极连接，第二相绕组第一支绕组另一端与所述第二电容器负极、所述第四二极管阳极连接，第三二极管阴极与第二电容器正极、所述第二相绕组第二支绕组一端连接，第二相绕组第二支绕组另一端与第四二极管阴极、所述第八二极管阳极、所述第二开关管阳极连接，第三相绕组第一支绕组另一端与所述第三电容器负极、所述第六二极管阳极连接，第五二极管阴极与第三电容器正极、所述第三相绕组第二支绕组一端连接，第三相绕组第二支绕组另一端与第六二极管阴极、所述第九二极管阳极、所述第三开关管阳极连接，第九二极管阴极与第七二极管阴极、第八二极管阴极、所述第四电容器正极连接，第四电容器负极与第三开关管阴极、第二开关管阴极、第一开关管阴极、直流电源负极连接；

直流电源为与开关磁阻风力发电机同轴连接运行的永磁直流发电机。

本发明一种开关磁阻风力发电机高压变流系统的控制方法为：

根据开关磁阻发电机运行原理，三个相绕组根据转子位置按先后顺序分时交替工作；

根据开关磁阻发电机转子实时位置信息，当第一相绕组需要投入工作时，第一开关管闭合导通形成励磁回路，直流电源提供励磁电能，进入励磁阶段，第一相绕组第一支绕组和第一相绕组第二支绕组分别经由第二二极管和第一二极管串联后二条支路再并联连接励磁，第一电容器被充电，继续根据转子位置信息，当励磁电流达到所需值时关断第一开关管，此时第一相绕组第一支绕组、第一电容器、第一相绕组第二支绕组串联并经由第七二极管向第四电容器端即输出电能；

根据转子位置信息当第二相绕组需要投入工作时，其控制及运行过程与以上第一相绕组工作时相同，并且第二相绕组第一支绕组对应第一相绕组第一支绕组、第三二极管对应第一二极管、第二电容器对应第一电容器、第四二极管对应第二二极管、第二相绕组第二支绕组对应第一相绕组第二支绕组、第八二极管对应第七二极管、第二开关管对应第一开关管；

根据转子位置信息当第三相绕组需要投入工作时，其控制及运行过程与以上第一相绕组工作时也相同，并且第三相绕组第一支绕组对应第一相绕组第一支绕组、第五二极管对应第一二极管、第三电容器对应第一电容器、第六二极管对应第二二极管、第三相绕组第二支绕组对应第一相绕组第二支绕组、第九二极管对应第七二极管、第三开关管对应第一开关管。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的变流系统结构中的励磁电源来自于与开关磁阻风力发电机同轴连接共同旋转的一台永磁式直流发电机经由滤波后提供，具备他励式的优点，同时不需要传统他励式的频繁的更换蓄电池，只要风电系统运行就会有励磁电源提供，可靠性高。

(2)每相绕组的两个支绕组在励磁时并联，相对串联结构则励磁电压提升了2倍，取得了强化励磁的效果，增强了开关磁阻发电机的电能输出能力。

(3)在发电阶段，整个发电回路中，输出端电压(第四电容器两端电压)等于(以第一相绕组工作时为例)直流电源、第一相绕组第一支绕组、第一电容器、第一相绕组第二支绕组四个电源电压之和，从而大大提升了输出电压值。

(4)本发明整个变流系统结构简单，平均每相绕组只用一个开关管，并且开关管开关频率不高(与发电机组转速成正比)，开关损耗低效率高，控制简单，成本低。

附图说明

图1所示为本发明的风电系统简易结构图。

图2所示为本发明的一种开关磁阻风力发电机高压变流系统电路结构图。

具体实施方式

本发明的开关磁阻发电机2与励磁电源即永磁直流发电机3同轴连接，开关磁阻发电机2与风力机1之间同轴连接或者经过齿轮箱连接，如附图1所示。

本实施例的开关磁阻发电机2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，如附图2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。

本实施例的开关磁阻风力发电机高压变流系统由9个二极管、3个相绕组、4个电容器、3个开关管、1个直流电源组成，第一相绕组第一支绕组M1一端、第一二极管D1阳极、第二相绕组第一支绕组N1一端、第三二极管D3阳极、第三相绕组第一支绕组P1一端、第五二极管D5阳极、直流电源U1正极连接，第一相绕组第一支绕组M1另一端与第一电容器C1负极、第二二极管D2阳极连接，第一二极管D1阴极与第一电容器C1正极、第一相绕组第二支绕组M2一端连接，第一相绕组第二支绕组M1另一端与第二二极管D2阴极、第七二极管D7阳极、第一开关管V1阳极连接，第二相绕组第一支绕组N1另一端与第二电容器C2负极、第四二极管D4阳极连接，第三二极管D3阴极与第二电容器C2正极、第二相绕组第二支绕组N2一端连接，第二相绕组第二支绕组N2另一端与第四二极管D4阴极、第八二极管D8阳极、第二开关管V2阳极连接，第三相绕组第一支绕组P1另一端与第三电容器C3负极、第六二极管D6阳极连接，第五二极管D5阴极与第三电容器C3正极、第三相绕组第二支绕组P2一端连接，第三相绕组第二支绕组P2另一端与第六二极管D6阴极、第九二极管D9阳极、第三开关管V3阳极连接，第九二极管D9阴极与第七二极管D7阴极、第八二极管D8阴极、第四电容器C4正极连接，第四电容器C4负极与第三开关管V3阴极、第二开关管V2阴极、第一开关管V1阴极、直流电源U1负极连接；

直流电源U1为与开关磁阻发电机2同轴连接运行的永磁直流发电机3。

本实施例的三相开关磁阻风力发电机高压变流系统的控制方法为：

根据开关磁阻发电机运行原理，三个相绕组根据转子位置按先后顺序分时交替工作；

根据开关磁阻发电机转子实时位置信息，当第一相绕组M需要投入工作时，第一开关管V1闭合导通形成励磁回路，直流电源U1提供励磁电能，进入励磁阶段，第一相绕组第一支绕组M1和第一相绕组第二支绕组M2分别经由第二二极管D2和第一二极管D1串联后二条支路再并联连接励磁，励磁回路为：U1-经M1-D2和D1-M2并联-V1-U1，此时由于第一相绕组第一支绕组M1和第二相绕组M2各自电压均为左正右负，从附图2可见此时第一电容器C1为下正上负并且被充电；继续根据转子位置信息，当励磁电流达到所需值时关断第一开关管V1，此时第一相绕组第一支绕组M1、第一电容器C1、第一相绕组第二支绕组M2串联并经由第七二极管D7向第四电容器C4端即输出电能，路径为：M1-C1-M2-D7-C4-U1-M1，第一二极管D1和第二二极管D2反向偏置，第一相绕组第一支绕组M1和第二支绕组M2的电压都反向为左负有正，呈现出不但第一相绕组的两个支绕组续流向外输出电能，而且第一电容器C1和直流电源U1也正向叠加一同向外输出电能，输出端第四电容器C4两端的电压为直流电源U1、第一电容器C1、第一相绕组第一支绕组M1、第一相绕组第二支绕组M2这四个电压值的和，从而本实施例在发电阶段发电的同时直接获得了相当大的电压跃升输出；

根据转子位置信息当第二相绕组N需要投入工作时，其控制及运行过程与以上第一相绕组M工作时相同，并且第二相绕组第一支绕组N1对应第一相绕组第一支绕组M1、第三二极管D3对应第一二极管D1、第二电容器C2对应第一电容器C1、第四二极管D4对应第二二极管D2、第二相绕组第二支绕组N2对应第一相绕组第二支绕组M2、第八二极管D8对应第七二极管D7、第二开关管V2对应第一开关管V1；

根据转子位置信息当第三相绕组P需要投入工作时，其控制及运行过程与以上第一相绕组M工作时也相同，并且第三相绕组第一支绕组P1对应第一相绕组第一支绕组M1、第五二极管D5对应第一二极管D1、第三电容器C3对应第一电容器C1、第六二极管D6对应第二二极管D2、第三相绕组第二支绕组P2对应第一相绕组第二支绕组M2、第九二极管D9对应第七二极管D7、第三开关管V3对应第一开关管V1。

Claims (2)

1.一种开关磁阻风力发电机高压变流系统，由9个二极管、3个相绕组、4个电容器、3个开关管、1个直流电源组成，其技术特征是，所述第一相绕组第一支绕组一端、所述第一二极管阳极、所述第二相绕组第一支绕组一端、所述第三二极管阳极、所述第三相绕组第一支绕组一端、所述第五二极管阳极、所述直流电源正极连接，第一相绕组第一支绕组另一端与所述第一电容器负极、所述第二二极管阳极连接，第一二极管阴极与第一电容器正极、所述第一相绕组第二支绕组一端连接，第一相绕组第二支绕组另一端与第二二极管阴极、所述第七二极管阳极、所述第一开关管阳极连接，第二相绕组第一支绕组另一端与所述第二电容器负极、所述第四二极管阳极连接，第三二极管阴极与第二电容器正极、所述第二相绕组第二支绕组一端连接，第二相绕组第二支绕组另一端与第四二极管阴极、所述第八二极管阳极、所述第二开关管阳极连接，第三相绕组第一支绕组另一端与所述第三电容器负极、所述第六二极管阳极连接，第五二极管阴极与第三电容器正极、所述第三相绕组第二支绕组一端连接，第三相绕组第二支绕组另一端与第六二极管阴极、所述第九二极管阳极、所述第三开关管阳极连接，第九二极管阴极与第七二极管阴极、第八二极管阴极、所述第四电容器正极连接，第四电容器负极与第三开关管阴极、第二开关管阴极、第一开关管阴极、直流电源负极连接；

直流电源为与开关磁阻发电机同轴连接运行的永磁直流发电机所提供。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻风力发电机高压变流系统的控制方法为：根据开关磁阻发电机运行原理，三个相绕组根据转子位置按先后顺序分时交替工作；根据开关磁阻发电机转子实时位置信息，当第一相绕组需要投入工作时，第一开关管闭合导通形成励磁回路，直流电源提供励磁电能，进入励磁阶段，第一相绕组第一支绕组和第一相绕组第二支绕组分别经由第二二极管和第一二极管串联后二条支路再并联连接励磁，第一电容器被充电，继续根据转子位置信息，当励磁电流达到所需值时关断第一开关管，此时第一相绕组第一支绕组、第一电容器、第一相绕组第二支绕组串联并经由第七二极管向第四电容器端即输出电能；

根据转子位置信息当第二相绕组需要投入工作时，其控制及运行过程与以上第一相绕组工作时相同，并且第二相绕组第一支绕组对应第一相绕组第一支绕组、第三二极管对应第一二极管、第二电容器对应第一电容器、第四二极管对应第二二极管、第二相绕组第二支绕组对应第一相绕组第二支绕组、第八二极管对应第七二极管、第二开关管对应第一开关管；

根据转子位置信息当第三相绕组需要投入工作时，其控制及运行过程与以上第一相绕组工作时也相同，并且第三相绕组第一支绕组对应第一相绕组第一支绕组、第五二极管对应第一二极管、第三电容器对应第一电容器、第六二极管对应第二二极管、第三相绕组第二支绕组对应第一相绕组第二支绕组、第九二极管对应第七二极管、第三开关管对应第一开关管。