CN109921408B - 双直流微电网接口开关磁阻电机调能系统 - Google Patents

Abstract

双直流微电网接口开关磁阻电机调能系统，由N个变流绕组支路、第一电容器、第二电容器组成，N个变流绕组支路相互并联连接，两侧连接两个不同的直流微电网端口，其中的变流绕组支路由四个开关管和四个二极管组成，其构成的电路在多支路并联后可结合开关磁阻电机特性实现单双向发电电能补给、单双向电动耗能，以及作为单纯接口电能调送等多功能运行，相绕组电流方向不影响各种工况及电机转向，该开关磁阻电机调能系统作为两个直流微电网的接口，并可承载风力机或者抽水蓄能电站的水轮机及水泵，作为开关磁阻电机的发电动力来源以及电能消耗对象，有效提高基于可再生能源的微电网领域的电网安全高效运行。

Description

双直流微电网接口开关磁阻电机调能系统

技术领域

本发明涉及直流微电网领域，具体涉及两个直流微电网之间连接接口处采用多功能开关磁阻电机系统实现电能补给、调送及耗能的系统及其调控方法，其开关磁阻电机系统连接变桨风力机或抽水蓄能水泵系统，并作为开关磁阻电机系统的发电动力及电动负载。

背景技术

随着风电、光伏等可再生能源遍地开花式的用于电力生产，微电网事业获得快速发展，同时，直流输电及直流微电网也越来越受到关注。但是，由于电力消耗的不均衡、不能储存、实时性，微电网面对网内负荷大范围波动时，其适应性显得更差。

目前，业界并网型的风电及光伏等可再生能源发电系统，为了因应电网的负荷轻重，经常需要轻负荷时断掉小功率的风电或光伏系统，而在微电网领域，更属于常态，但当在一定区域内有多个微电网时，各个微电网之间通过一定的接口相互连接，则能提升整体的适应性、效益。

近年来直流微电网获得了长足发展，除了光伏发电直接发出直流电适应了直流微网系统，减少了变流环节降低成本外，多数发电机为交流发电机，而开关磁阻发电机则直接发出直流电，加之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，所以作为直流微网中的发电机的话具备很好的前景，尤其用于风力机驱动，开关磁阻电机更是在宽速度范围内具有高性能表现的实力。

目前业界针对电网中调峰和调谷比较成熟的手段是建设抽水蓄能电站，电网中电能富裕时给电动机水泵扬水蓄能，等到电网中负荷过大缺电时作为水电站发电给电网补给电能，而开关磁阻电机同样适合于驱动水泵扬水及发电输出，尤其针对直流电网，当然，开关磁阻电机还有一个很大的优点是，其无论作为发电机还是电动机，或是不同转子转向，都与绕组中电流方向无关。

作为开关磁阻电机，将其作为双直流微电网连接接口处，并承载风力机或者抽水蓄能电站水泵及水轮机，其变流器尤其是变流主电路是其实现双电网间接口处双向调能的关键，鉴于为了实现双电网间的更大的相互变换的灵活性、适应性，多功能的开关磁阻电机系统即以其变流主电路为核心的结构和工作控制方法是实现双电网系统灵活可控、高适应性及效益最大化的关键所在。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种处于两个直流微电网连接接口处的开关磁阻电机系统，其可由风力或水力驱动作为发电机供给两侧电能，也可作为电动机拖动风力机或扬水水泵同时调峰降荷，具体其变流系统可实现对两侧直流微电网的十一种调节模式。

本发明的技术方案为：

双直流微电网接口开关磁阻电机调能系统，其结构上由N个变流绕组支路、第一电容器、第二电容器组成，所述的N个变流绕组支路相互并联连接，每个变流绕组支路内部电路结构相同，开关磁阻电机每个相绕组接入一个变流绕组支路中，开关磁阻电机有N个相绕组就有N个变流绕组支路，6＞N＞2，变流绕组支路两侧分别与两个直流微电网接口连接，所述第一电容器并联于变流绕组支路一侧与一个直流微电网连接的两端，所述第二电容器并联于变流绕组支路另一侧与另一个直流微电网的两端；

变流绕组支路由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、一相绕组组成，所述第一开关管阳极和所述第一二极管阴极连接并作为变流绕组支路一侧的正极端，第一开关管阴极和第一二极管阳极连接后，与所述一相绕组一端、所述第三开关管阳极、所述第二二极管阴极连接，一相绕组另一端与所述第二开关管阳极、所述第三二极管阴极、所述第四开关管阴极、所述第四二极管阳极连接，第四开关管阳极和第四二极管阴极连接并作为变流绕组支路另一侧的正极端，第三开关管阴极、第二二极管阳极、第二开关管阴极、第三二极管阳极连接，并作为变流绕组支路两侧的负极端；所述调能系统的控制方式如下：

根据开关磁阻电机转子位置信息，需要哪相绕组投入工作时其所在变流绕组支路投入工作，变流绕组支路分为十一种工作调控模式，分别如下：

模式一：当一侧直流微电网处于正常运行范围内，另一侧直流微电网负荷过大欠压即缺电状态并且需快速升压时，发电机工况，变流绕组支路工作开始时首先闭合第一开关管和第二开关管，给一相绕组励磁，励磁阶段结束后断开第二开关管，进入发电阶段；

模式二：当一侧直流微电网处于正常运行范围内，另一侧直流微电网负荷过大欠压即缺电状态但无需快速升压时，发电机工况，变流绕组支路工作开始时首先闭合第一开关管和第二开关管，给一相绕组励磁，励磁阶段结束后断开第一开关管和第二开关管，进入发电阶段；

模式三：当一侧直流微电网负荷过大欠压即缺电状态并且需快速升压，另一侧直流微电网处于正常运行范围内时，发电机工况，变流绕组支路工作开始时首先闭合第三开关管和第四开关管，给一相绕组励磁，励磁阶段结束后断开第三开关管，进入发电阶段；

模式四：当一侧直流微电网负荷过大欠压即缺电状态但无需快速升压，另一侧直流微电网处于正常运行范围内时，发电机工况，变流绕组支路工作开始时首先闭合第三开关管和第四开关管，给一相绕组励磁，励磁阶段结束后断开第三开关管和第四开关管，进入发电阶段；

模式五：当一侧直流微电网和另一侧直流微电网均欠压即缺电状态时，各个变流绕组支路交替双向发电机工况下工作，首先比较一侧直流微电网和另一侧直流微电网的欠压百分比，相对欠压缺电严重的直流微电网首先获得发电输入即受电，不严重的作为励磁电源，当根据转子位置信息下一相绕组所在变流绕组支路工作时相对前一相绕组的变流绕组支路为反方向发电工作；当某变流绕组支路工作开始时第一开关管和第二开关管闭合，定义为正向励磁，关断第二开关管或同时关断第一开关管、第二开关管后定义为正向发电，相应地，各变流绕组支路工作时首先闭合第三开关管和第四开关管称为反向励磁，关断第三开关管或同时关断第三开关管、第四开关管后称为反向发电，具体发电阶段是关断一个开关管还是两个开关管，根据受电侧直流微电网的需要而调控；

模式六：当一侧直流微电网负荷太轻并过电压，同时另一侧直流微电网欠压缺电时，过电压侧直流微电网作为供电侧，各个变流绕组支路的第一开关管同时按照PWM模式工作，最大占空比为1，具体根据缺电侧直流微电网欠压情况决定，缺电越严重占空比越大，直至缺电侧直流微电网电压进入正常值范围内关断第一开关管，但缺电侧直流微电网电压未进入正常值范围内同时供电侧直流微电网电压已接近其正常电压下限时，需提前关断第一开关管；

模式七：当一侧直流微电网欠压缺电，同时另一侧直流微电网负荷太轻并过电压时，过电压侧直流微电网作为供电侧，各个变流绕组支路的第四开关管同时按照PWM模式工作，最大占空比为1，具体根据缺电侧直流微电网欠压情况决定，缺电越严重占空比越大，直至缺电侧直流微电网电压进入正常值范围内关断第四开关管，但缺电侧直流微电网电压未进入正常值范围内同时供电侧直流微电网电压已接近其正常电压下限时，需提前关断第四开关管；

模式八：当一侧直流微电网负荷太轻过电压，并且另一侧直流微电网在正常运行状态时，各个变流绕组支路按照正向电动机模式运行，消耗过电压侧直流微电网的电能，即当一相绕组所在变流绕组支路按正向电动机模式需投入工作时，闭合第一开关管和第二开关管供电励磁，根据开关磁阻电机转子位置信息需关断该一相绕组电流时，断开第一开关管和第二开关管；

模式九：相应地，当一侧直流微电网在正常运行状态，但另一侧直流微电网负荷太轻过电压时，各个变流绕组支路按照反向电动机模式运行，即当一相绕组所在变流绕组支路按反向电动机模式投入工作时，闭合第三开关管和第四开关管供电励磁，根据开关磁阻电机转子位置信息需关断该一相绕组电流时，断开第三开关管和第四开关管；

模式十：当两侧的直流微电网均负荷太轻过电压时，开关磁阻电机采取交替正反向电动机运行工况，鉴于开关磁阻电动机的转向与相绕组电流方向无关，则当根据开关磁阻电机转子位置信息某变流绕组支路需投入工作时，若先闭合其第一开关管和第二开关管供电励磁，则当根据开关磁阻电机转子位置信息下一相绕组的变流绕组支路需投入工作时，则是闭合第三开关管和第四开关管反向供电励磁电动机工况工作，这样交替作为正反向电动机工况工作交替消耗两侧直流微电网的电能减轻过电压危害；

模式十一：当两侧的直流微电网均处于正常运行状态时，本开关磁阻电机调能系统不工作，即全部开关管处于断开状态。

本发明的技术效果主要有：

(1)开关磁阻电机相绕组中电流方向改变，并不影响整个风电系统或抽水蓄能电站系统的运行以及开关磁阻电机的电动或发电工况，发电或电动工况仅仅跟转子位置即通电的位置角度时刻有关，转子转向仅跟各相绕组的工作顺序有关，他们都与电流方向无关，这就大大提高了开关磁阻电机在本发明的双直流微电网间作为接口的左右逢源能力。

(2)两个直流微电网间一台开关磁阻电机，不改变旋转转向，通过相绕组电流的正反向调控，即可实现给两个微电网同时双向交替发电供电。

(3)通过本发明的结构接口，两个直流微电网可必要时交换电能，优化互补，提高两个直流微电网系统的安全稳定运行性能。

(4)开关磁阻电机作为发电机时，可灵活调控，可根据需要选择高压或低压发电输出，以及可选择的无压续流调控阶段，均大大提升系统的快速反应性能和可控灵活性。

(5)必要时，开关磁阻电机可作为电动机工况运行，并可以双向电动运行同时消耗两侧电网的多余电能，保护微电网的运行安全和稳定。

附图说明

图1所示为本发明的双直流微电网接口开关磁阻电机调能系统结构图。

图2所示为第一相绕组所在变流绕组支路电路结构图。

图3所示为开关磁阻发电机的定转子相对位置及电感变化模型。

具体实施方式

实施例一：开关磁阻电机输出轴端连接可变桨风力机，即开关磁阻电动机工况时经对桨距角的调节可改变开关磁阻电动机运行时的负载，发电机工况时可变桨距角改变输入机械功率及转速；该双直流微电网接口开关磁阻电机调能系统，其总体结构如附图1所示，其由N个变流绕组支路RZ1-N、第一电容器C1、第二电容器C2组成，N个变流绕组支路相互并联连接，附图2为其中的第一相绕组R1所在的变流绕组支路RZ1结构图，每个变流绕组支路内部电路结构相同，开关磁阻电机每相绕组接入一个变流绕组支路中，开关磁阻电机有N个绕组就有N个变流绕组支路，6＞N＞2，变流绕组支路两侧分别与两个直流微电网接口连接，第一电容器C1并联于变流绕组支路左侧与直流微电网1连接的两端，第二电容器C2并联于变流绕组支路右侧与直流微电网2连接的两端。

如附图2所示第一相绕组R1所在的变流绕组支路RZ1，其由第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一相绕组R1组成，其余的变流绕组支路RZ2-N结构与变流绕组支路RZ1相同，只是为其他相绕组变流，附图2的第一开关管V1阳极和第一二极管D1阴极连接并作为变流绕组支路RZ1左侧的正极端，第一开关管V1阴极和第一二极管D1阳极连接后，与第一相绕组R1一端、第三开关管V3阳极、第二二极管D2阴极连接，第一相绕组R1另一端与第二开关管V2阳极、第三二极管D3阴极、第四开关管V4阴极、第四二极管D4阳极连接，第四开关管V4阳极和第四二极管D4阴极连接并作为变流绕组支路RZ1另一侧即右侧的正极端，第三开关管V3阴极、第二二极管D2阳极、第二开关管V2阴极、第三二极管D3阳极连接，并作为变流绕组支路RZ1两侧的负极端，即变流绕组支路RZ1两侧的两个负极端短接。

本实施例一的双直流微电网接口开关磁阻电机调能系统的调控方法，根据开关磁阻电机本身运行特性，要根据其转子位置反馈信息，需要哪相绕组投入工作时其所在变流绕组支路投入工作，变流绕组支路分为十一种工作调控模式：

模式一：当左侧直流微电网1处于正常运行范围内，另一侧直流微电网2负荷过大欠压即缺电状态并且需快速升压时，开关磁阻电机需运行于风力动力下的发电机工况，并且各变流绕组支路工作开始时首先进入励磁阶段，假如为第一相绕组R1所在第一变流绕组支路RZ1的话，则首先闭合第一开关管V1和第二开关管V2，给相绕组R1励磁，路径为直流微电网1-V1-R1-V2-直流微电网1，根据转子位置信息励磁阶段结束后断开第二开关管V2，进入发电阶段，路径为R1-D4-直流微电网2-直流微电网1-V1-R1，此时直流微电网2侧接收到的输入端由相绕组R1和直流微电网1串联共同供电，但是，当出现在励磁阶段结束时发电阶段开始前的相绕组R1电流不能达到所需值时，在励磁阶段结束后先暂时关断第一开关管V1，而第二开关管V2暂时维持导通，则进入相绕组R1的无压续流阶段，路径为R1-V2-D2-R1，由于相绕组R1无外界电压则其电流会快速上升，待相绕组R1电流达到所需值或者相绕组R1电流没有达到所需值但根据转子位置信息发电阶段必须开始时，结束续流阶段，闭合第一开关管V1并断开第二开关管V2进入发电阶段。

模式二：当左侧直流微电网1处于正常运行范围内，另一侧直流微电网2负荷过大欠压即缺电状态但无需快速升压时，开关磁阻电机需运行于风力动力下的发电机工况，各变流绕组支路工作开始时首先进入励磁阶段，假如继续为第一相绕组R1所在第一变流绕组支路RZ1的话，则首先闭合第一开关管V1和第二开关管V2，给相绕组R1励磁，路径为直流微电网1-V1-R1-V2-直流微电网1，根据转子位置信息励磁阶段结束后断开第一开关管V1和第二开关管V2，进入发电阶段，路径为R1-D4-直流微电网2-D2-R1，此时直流微电网2侧接收到的输入端由相绕组R1单独释放电能供电，但是，当出现在励磁阶段结束时发电阶段开始前的相绕组R1电流不能达到所需值时，在励磁阶段结束后关断第一开关管V1，而第二开关管V2暂时维持导通，则进入相绕组R1的无压续流阶段，路径为R1-V2-D2-R1，由于相绕组R1无外界电压则其电流会快速上升，待相绕组R1电流达到所需值或者相绕组R1电流没有达到所需值但根据转子位置信息发电阶段必须开始时，结束续流阶段，断开第二开关管V2进入发电阶段，路径为R1-D4-直流微电网2-D2-R1。

模式三：当左侧直流微电网1负荷过大欠压即缺电状态并且需快速升压，另一侧直流微电网2处于正常运行范围内时，开关磁阻电机需运行于风力动力下的发电机工况，并且各变流绕组支路工作开始时首先进入励磁阶段，假如为第一相绕组R1所在第一变流绕组支路RZ1的话，则首先闭合第三开关管V3和第四开关管V4，给相绕组R1励磁，路径为直流微电网2-V4-R1-V3-直流微电网2，可见虽然此时相绕组R1的电流方向与模式一和二的相反，但并不影响整个风力发电系统及开关磁阻电机系统的转向及机电关系，开关磁阻电机的转向仅跟其各相绕组之间的通电顺序有关，与相绕组电流方向无关，而开关磁阻电机作为发电机或电动机的区别，也与相绕组电流方向无关，而是与具体某相绕组工作时的通电时刻有关，参见附图3，在θ₁～θ₂的位置区间即从相绕组电感最小区域开始相绕组通电工作为电动机工况，也就是此时的位置是开关磁阻电机的定子凸极中心线与转子凹槽中心线重合位置开始，并在θ₄之前即定转子双凸极中心线重合、前后沿对称位置前电流降至零，而在θ₃～θ₅的位置区间相绕组按顺序先通电励磁再关断励磁进入发电阶段则为发电机工况，相应的是工作在相绕组电感从最大值左右到最小值区域变化的过程中发电运行，并在最小电感区最大角度θ₆之前电流降至零，与电流方向也均无关系，这是开关磁阻电机的巨大优点；好了，接如上励磁阶段，待根据转子位置信息励磁阶段结束后断开第三开关管V3，进入发电阶段，路径为R1-D1-直流微电网1-直流微电网2-V4-R1，此时直流微电网1侧接收到的输入端由相绕组R1和直流微电网2串联共同供电，但是，当出现在励磁阶段结束时发电阶段开始前的相绕组R1电流不能达到所需值时，在励磁阶段结束后先暂时关断第四开关管V4，而第三开关管V3暂时维持导通，则进入相绕组R1的无压续流阶段，路径为R1-V3-D3-R1，由于相绕组R1此时无外界电压则其电流会快速上升，待相绕组R1电流达到所需值或者相绕组R1电流没有达到所需值但根据转子位置信息发电阶段必须开始时，结束续流阶段，闭合第四开关管V4并断开第三开关管V3进入发电阶段。

模式四：当左侧直流微电网1负荷过大欠压即缺电状态但无需快速升压，另一侧直流微电网2处于正常运行范围内时，开关磁阻电机需运行于风力动力下的发电机工况，并且各变流绕组支路工作开始时首先进入励磁阶段，假如为第一相绕组R1所在第一变流绕组支路RZ1的话，则首先闭合第三开关管V3和第四开关管V4，给相绕组R1励磁，路径为直流微电网2-V4-R1-V3-直流微电网2，待根据转子位置信息励磁阶段结束后断开第三开关管V3和第四开关管V4，进入发电阶段，路径为R1-D1-直流微电网1-D3-R1，此时直流微电网1侧接收到的输入端由相绕组R1单独释放电能供电，但是，当出现在励磁阶段结束时发电阶段开始前的相绕组R1电流不能达到所需值时，在励磁阶段结束后关断第四开关管V4，而第三开关管V3暂时维持导通，则进入相绕组R1的无压续流阶段，路径为R1-V3-D3-R1，由于相绕组R1此时无外界电压则其电流会快速上升，待相绕组R1电流达到所需值或者相绕组R1电流没有达到所需值但根据转子位置信息发电阶段必须开始时，结束续流阶段，并断开第三开关管V3进入发电阶段，路径为R1-D1-直流微电网1-D3-R1。

模式五：当左侧直流微电网1和另一侧直流微电网2均欠压即缺电状态时，各个变流绕组支路交替双向风力动力下的发电机工况下工作，也就是说，当变流绕组支路RZ1正向发电即直流微电网1提供励磁电源而发电输出给直流微电网2，接下来如果是变流绕组支路RZ2工作则按照反向发电模式，即直流微电网2提供励磁电源而发电输出给直流微电网1，如此交替双向发电运行，具体来说，首先比较两侧的直流微电网的欠压百分比，相对欠压缺电最严重的直流微电网首先获得发电输入即受电，不严重的作为励磁电源，当第一相绕组R1所在变流绕组支路RZ1向直流微电网2发电输出时，具体为第一开关管V1和第二开关管V2闭合正向励磁，关断第二开关管V2或同时关断第一开关管V1、第二开关管V2后正向发电，当开关磁阻电机的相绕组数量为奇数时，则该变流绕组支路RZ1下一次轮到工作时为反向发电，反向时则是首先闭合第三开关管V3和第四开关管V4反向励磁，关断第三开关管V3或同时关断第三开关管V3、第四开关管V4后反向发电，具体发电阶段是关断一个开关管还是两个开关管，根据受电侧直流微电网的需要而调控，另外，根据发电阶段开始前相绕组电流情况，必要时即电流过小时增加一无压续流阶段，控制模式与前述续流阶段相同；当开关磁阻电机的相绕组数量为偶数时则每个变流绕组支路发电工作方向每次轮到时都一样。

模式六：当左侧直流微电网1负荷太轻并过电压，同时另一侧直流微电网2欠压缺电时，直流微电网1作为供电侧，第一相绕组R1所在变流绕组支路RZ1的第一开关管V1，以及其余所有变流绕组支路的第一开关管均同时按照PWM模式开关工作，最大占空比为1，具体根据缺电侧直流微电网2欠压情况决定，缺电越严重占空比越大，直至缺电侧直流微电网2电压进入正常值范围内再完全关断各个第一开关管，但缺电侧直流微电网2电压未进入正常值范围内时供电侧直流微电网1电压已接近其正常电压下限时，需提前关断各第一开关管，此种模式下风力机顺桨不转，则开关磁阻电机不工作，但其绕组及线路作为两个直流微电网传递电能的载体；

模式七：当左侧直流微电网1欠压缺电，同时另一侧直流微电网2负荷太轻并过电压时，过电压侧直流微电网2则作为供电侧，各个变流绕组支路的第四开关管同时按照PWM模式工作，最大占空比为1，具体根据缺电侧直流微电网1欠压情况决定，缺电越严重占空比越大，直至缺电侧直流微电网1电压进入正常值范围内再关断各第四开关管，但缺电侧直流微电网1电压未进入正常值范围内时供电侧直流微电网2电压已接近其正常电压下限时，需提前关断各第四开关管，此种模式下开关磁阻电机的状态与模式六相同；

模式八：当左侧直流微电网1负荷太轻过电压，并且另一侧直流微电网2在正常运行状态时，各个变流绕组支路RZN按照正向电动机模式运行，即当某相绕组所在变流绕组支路按正向电动机模式需投入工作时，譬如第一相绕组变流绕组支路RZ1，正向电动工作时闭合第一开关管V1和第二开关管V2供电励磁，与发电工作时开通转子位置角度不同而已，如附图3所示的电感从最低到最高区域通电为电动机工况，根据开关磁阻电机转子位置信息需关断该相绕组电流时则断开第一开关管V1和第二开关管V2，后续根据转子位置信息下一相绕组的变流绕组支路同样工作模式，此时开关磁阻电机作为电动机运行，消耗电能输出为拖动风力机的机械能，从而保护了直流微电网1的安全稳定运行。

模式九：相应地，当左侧直流微电网1在正常运行状态，而另一侧直流微电网2负荷太轻过电压时，各个变流绕组支路按照反向电动机模式运行，即当某相绕组所在变流绕组支路RZN按反向电动机模式投入工作时，如为第一相绕组变流绕组支路RZ1，则闭合第三开关管V3和第四开关管V4供电励磁，根据开关磁阻电机转子位置信息需关断该相绕组电流时则断开第三开关管V3和第四开关管V4，后续根据转子位置信息下一相绕组的变流绕组支路同样工作模式，此时开关磁阻电机同样作为电动机运行，相对模式八，由于开关磁阻电机的转向与相绕组中电流方向无关，所以，即使绕组电流方向反向，但其电动机工况运行仍然可以与模式八相同的方向，具体由各相绕组的变流绕组支路通电工作顺序决定，此时同样消耗电能输出为拖动风力机的机械能，从而保护直流微电网2的安全稳定运行。

模式十：当两侧的直流微电网1和2均负荷太轻过电压时，开关磁阻电机采取交替正反向电动机运行工况，鉴于开关磁阻电动机的转向与相绕组电流方向无关，则实际可实现每相绕组交替正反向供电作为电动机工况运行，而开关磁阻电动机始终拖动风力机一个方向旋转消耗两侧多余电能，具体为，当根据开关磁阻电机转子位置信息某变流绕组支路需投入工作时，可先闭合其第一开关管和第二开关管供电励磁，则当根据开关磁阻电机转子位置信息下一相绕组所在变流绕组支路投入工作时，则是闭合第三开关管和第四开关管供电励磁，当开关磁阻电机相绕组数量为奇数时，每个变流绕组支路的电流流向交替正反向，当开关磁阻电机相绕组数量为偶数时，每个变流绕组支路的电流流向一致。

模式十一：当两侧的直流微电网均处于正常额定运行状态时，本开关磁阻电机调能系统不工作，即全部开关管处于断开状态，即风力机顺桨不旋转。

以上是实施例一，作为与风力机互相牵引的开关磁阻电机调能系统。

实施例二：开关磁阻电机两端各引出一根连接轴，分别经可离合变速器连接扬水水泵和水轮机，从而作为抽水蓄能电站的两用电机，即电动机/发电机双用，该双直流微电网接口开关磁阻电机调能系统总体结构如附图1所示，其由N个变流绕组支路RZ1-N、第一电容器C1、第二电容器C2组成，N个变流绕组支路相互并联连接，附图2为其中的第一相绕组R1所在的变流绕组支路RZ1的结构图，每个变流绕组支路内部电路结构相同，开关磁阻电机每相绕组接入一个变流绕组支路中，开关磁阻电机有N个绕组就有N个变流绕组支路，6＞N＞2，变流绕组支路两侧分别与两个直流微电网接口连接，第一电容器C1并联于变流绕组支路左侧与直流微电网1连接的两端，第二电容器C2并联于变流绕组支路右侧与直流微电网2连接的两端。

如附图2所示第一相绕组R1所在的变流绕组支路RZ1，其由第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一相绕组R1组成，其余的变流绕组支路RZ2-N结构与变流绕组支路RZ1相同，只是为其他相绕组变流，附图2的第一开关管V1阳极和第一二极管D1阴极连接并作为变流绕组支路RZ1左侧的正极端，第一开关管V1阴极和第一二极管D1阳极连接后，与第一相绕组R1一端、第三开关管V3阳极、第二二极管D2阴极连接，第一相绕组R1另一端与第二开关管V2阳极、第三二极管D3阴极、第四开关管V4阴极、第四二极管D4阳极连接，第四开关管V4阳极和第四二极管D4阴极连接并作为变流绕组支路RZ1另一侧即右侧的正极端，第三开关管V3阴极、第二二极管D2阳极、第二开关管V2阴极、第三二极管D3阳极连接，并作为变流绕组支路RZ1两侧的负极端，即变流绕组支路RZ1两侧的两个负极端短接。

本实施例二的双直流微电网接口开关磁阻电机调能系统的调控方法，根据开关磁阻电机本身运行特性，要根据其转子位置反馈信息，需要哪相绕组投入工作时其所在变流绕组支路投入工作，变流绕组支路分为十一种工作调控模式：

模式一：当左侧直流微电网1处于正常运行范围内，另一侧直流微电网2负荷过大欠压即缺电状态并且需快速升压时，开关磁阻电机需运行于水力动力即由水轮机拖动作为发电机工况运行，并且各变流绕组支路工作开始时首先进入励磁阶段，假如为第一相绕组R1所在第一变流绕组支路RZ1的话，则首先闭合第一开关管V1和第二开关管V2，给相绕组R1励磁，路径为直流微电网1-V1-R1-V2-直流微电网1，根据转子位置信息励磁阶段结束后断开第二开关管V2，进入发电阶段，路径为R1-D4-直流微电网2-直流微电网1-V1-R1，此时直流微电网2侧接收到的输入端由相绕组R1和直流微电网1串联共同供电，但是，当出现在励磁阶段结束时发电阶段开始前的相绕组R1电流不能达到所需值时，在励磁阶段结束后先暂时关断第一开关管V1，而第二开关管V2暂时维持导通，则进入相绕组R1的无压续流阶段，路径为R1-V2-D2-R1，由于相绕组R1无外界电压则其电流会快速上升，待相绕组R1电流达到所需值或者相绕组R1电流没有达到所需值但根据转子位置信息发电阶段必须开始时，结束续流阶段，闭合第一开关管V1并断开第二开关管V2进入发电阶段。

模式二：当左侧直流微电网1处于正常运行范围内，另一侧直流微电网2负荷过大欠压即缺电状态但无需快速升压时，开关磁阻电机需运行于水力动力即由水轮机拖动作为发电机工况运行，各变流绕组支路工作开始时首先进入励磁阶段，假如继续为第一相绕组R1所在第一变流绕组支路RZ1的话，则首先闭合第一开关管V1和第二开关管V2，给相绕组R1励磁，路径为直流微电网1-V1-R1-V2-直流微电网1，根据转子位置信息励磁阶段结束后断开第一开关管V1和第二开关管V2，进入发电阶段，路径为R1-D4-直流微电网2-D2-R1，此时直流微电网2侧接收到的输入端由相绕组R1单独释放电能供电，但是，当出现在励磁阶段结束时发电阶段开始前的相绕组R1电流不能达到所需值时，在励磁阶段结束后关断第一开关管V1，而第二开关管V2暂时维持导通，则进入相绕组R1的无压续流阶段，路径为R1-V2-D2-R1，由于相绕组R1无外界电压则其电流会快速上升，待相绕组R1电流达到所需值或者相绕组R1电流没有达到所需值但根据转子位置信息发电阶段必须开始时，结束续流阶段，断开第二开关管V2进入发电阶段，路径为R1-D4-直流微电网2-D2-R1。

模式三：当左侧直流微电网1负荷过大欠压即缺电状态并且需快速升压，另一侧直流微电网2处于正常运行范围内时，开关磁阻电机需同样运行于水力动力即由水轮机拖动作为发电机工况运行，并且各变流绕组支路工作开始时首先进入励磁阶段，假如为第一相绕组R1所在第一变流绕组支路RZ1的话，则首先闭合第三开关管V3和第四开关管V4，给相绕组R1励磁，路径为直流微电网2-V4-R1-V3-直流微电网2，可见虽然此时相绕组R1的电流方向与模式一和二的相反，但并不影响整个水轮机系统及开关磁阻电机系统的转向及机电关系，开关磁阻电机的转向仅跟其各相绕组之间的通电顺序有关，与相绕组电流方向无关，而开关磁阻电机作为发电机或电动机的区别，也与相绕组电流方向无关，而是与具体某相绕组工作时的通电时刻有关，参见附图3，在θ₁～θ₂的位置区间即从相绕组电感最小区域开始相绕组通电工作为电动机工况，也就是此时的位置是开关磁阻电机的定子凸极中心线与转子凹槽中心线重合位置开始，并在θ₄之前即定转子双凸极中心线重合、前后沿对称位置前电流降至零，而在θ₃～θ₅的位置区间相绕组按顺序先通电励磁再关断励磁进入发电阶段则为发电机工况，相应的是工作在相绕组电感从最大值左右到最小值区域变化的过程中发电运行，并在最小电感区最大角度θ₆之前电流降至零，与电流方向也均无关系，这是开关磁阻电机的巨大优点；好了，接如上励磁阶段，待根据转子位置信息励磁阶段结束后断开第三开关管V3，进入发电阶段，路径为R1-D1-直流微电网1-直流微电网2-V4-R1，此时直流微电网1侧接收到的输入端由相绕组R1和直流微电网2串联共同供电，但是，当出现在励磁阶段结束时发电阶段开始前的相绕组R1电流不能达到所需值时，在励磁阶段结束后先暂时关断第四开关管V4，而第三开关管V3暂时维持导通，则进入相绕组R1的无压续流阶段，路径为R1-V3-D3-R1，由于相绕组R1此时无外界电压则其电流会快速上升，待相绕组R1电流达到所需值或者相绕组R1电流没有达到所需值但根据转子位置信息发电阶段必须开始时，结束续流阶段，闭合第四开关管V4并断开第三开关管V3进入发电阶段。

模式四：当左侧直流微电网1负荷过大欠压即缺电状态但无需快速升压，另一侧直流微电网2处于正常运行范围内时，开关磁阻电机仍需运行于水力动力即由水轮机拖动作为发电机工况运行，并且各变流绕组支路工作开始时首先进入励磁阶段，假如为第一相绕组R1所在第一变流绕组支路RZ1的话，则首先闭合第三开关管V3和第四开关管V4，给相绕组R1励磁，路径为直流微电网2-V4-R1-V3-直流微电网2，待根据转子位置信息励磁阶段结束后断开第三开关管V3和第四开关管V4，进入发电阶段，路径为R1-D1-直流微电网1-D3-R1，此时直流微电网1侧接收到的输入端由相绕组R1单独释放电能供电，但是，当出现在励磁阶段结束时发电阶段开始前的相绕组R1电流不能达到所需值时，在励磁阶段结束后关断第四开关管V4，而第三开关管V3暂时维持导通，则进入相绕组R1的无压续流阶段，路径为R1-V3-D3-R1，由于相绕组R1此时无外界电压则其电流会快速上升，待相绕组R1电流达到所需值或者相绕组R1电流没有达到所需值但根据转子位置信息发电阶段必须开始时，结束续流阶段，并断开第三开关管V3进入发电阶段，路径为R1-D1-直流微电网1-D3-R1。

模式五：当左侧直流微电网1和另一侧直流微电网2均欠压即缺电状态时，各个变流绕组支路交替双向水轮机动力下的发电机工况下工作，也就是说，当变流绕组支路RZ1正向发电即直流微电网1提供励磁电源而发电输出给直流微电网2，接下来如果是变流绕组支路RZ2工作则按照反向发电模式，即直流微电网2提供励磁电源而发电输出给直流微电网1，如此交替双向发电运行，具体来说，首先比较两侧的直流微电网的欠压百分比，相对欠压缺电最严重的直流微电网首先获得发电输入即受电，不严重的作为励磁电源，当第一相绕组R1所在变流绕组支路RZ1向直流微电网2发电输出时，具体为第一开关管V1和第二开关管V2闭合正向励磁，关断第二开关管V2或同时关断第一开关管V1、第二开关管V2后正向发电，当开关磁阻电机的相绕组数量为奇数时，则该变流绕组支路RZ1下一次轮到工作时为反向发电，反向时则是首先闭合第三开关管V3和第四开关管V4反向励磁，关断第三开关管V3或同时关断第三开关管V3、第四开关管V4后反向发电，具体发电阶段是关断一个开关管还是两个开关管，根据受电侧直流微电网的需要而调控，另外，根据发电阶段开始前相绕组电流情况，必要时即电流过小时增加一无压续流阶段，控制模式与前述续流阶段相同；当开关磁阻电机的相绕组数量为偶数时则每个变流绕组支路发电工作方向每次轮到时都一样。

模式六：当左侧直流微电网1负荷太轻并过电压，同时另一侧直流微电网2欠压缺电时，直流微电网1作为供电侧，第一相绕组R1所在变流绕组支路RZ1的第一开关管V1，以及其余所有变流绕组支路的第一开关管均同时按照PWM模式开关工作，最大占空比为1，具体根据缺电侧直流微电网2欠压情况决定，缺电越严重占空比越大，直至缺电侧直流微电网2电压进入正常值范围内再完全关断各个第一开关管，但缺电侧直流微电网2电压未进入正常值范围内时供电侧直流微电网1电压已接近其正常电压下限时，需提前关断各第一开关管，此种模式下开关磁阻电机与水轮机和扬水水泵均脱开不连接，开关磁阻电机不工作，但其绕组及线路作为两个直流微电网传递电能的载体；

模式七：当左侧直流微电网1欠压缺电，同时另一侧直流微电网2负荷太轻并过电压时，过电压侧直流微电网2则作为供电侧，各个变流绕组支路的第四开关管同时按照PWM模式工作，最大占空比为1，具体根据缺电侧直流微电网1欠压情况决定，缺电越严重占空比越大，直至缺电侧直流微电网1电压进入正常值范围内再关断各第四开关管，但缺电侧直流微电网1电压未进入正常值范围内时供电侧直流微电网2电压已接近其正常电压下限时，需提前关断各第四开关管，此种模式下开关磁阻电机的状态与模式六相同；

模式八：当左侧直流微电网1负荷太轻过电压，并且另一侧直流微电网2在正常运行状态时，各个变流绕组支路RZN按照正向电动机模式运行，即当某相绕组所在变流绕组支路按正向电动机模式需投入工作时，譬如第一相绕组变流绕组支路RZ1，正向电动工作时闭合第一开关管V1和第二开关管V2供电励磁，与发电工作时开通转子位置角度不同而已，如附图3所示的电感从最低到最高区域通电为电动机工况，根据开关磁阻电机转子位置信息需关断该相绕组电流时则断开第一开关管V1和第二开关管V2，后续根据转子位置信息下一相绕组的变流绕组支路同样工作模式，此时开关磁阻电机作为电动机运行，消耗电能输出拖动扬水水泵将下游水杨到上游水库，即转化为机械能，从而保护了直流微电网1的安全稳定运行的同时为后续可能的发电运行储备了水力势能。

模式九：相应地，当左侧直流微电网1在正常运行状态，而另一侧直流微电网2负荷太轻过电压时，各个变流绕组支路按照反向通电的电动机模式运行，即当某相绕组所在变流绕组支路RZN按反向电动机模式投入工作时，如为第一相绕组变流绕组支路RZ1，则闭合第三开关管V3和第四开关管V4供电励磁，根据开关磁阻电机转子位置信息需关断该相绕组电流时则断开第三开关管V3和第四开关管V4，后续根据转子位置信息下一相绕组的变流绕组支路同样工作模式，此时开关磁阻电机同样作为电动机运行，相对模式八，由于开关磁阻电机的转向与相绕组中电流方向无关，所以，即使绕组电流方向反向，但其电动机工况运行仍然可以与模式八相同的方向，具体由各相绕组的变流绕组支路通电工作顺序决定，此时同样消耗电能转化为扬水水泵的机械能，保护直流微电网2的安全稳定运行的同时为后续发电储备了水力势能。

模式十：当两侧的直流微电网1和2均负荷太轻过电压时，开关磁阻电机采取交替正反向电动机运行工况，鉴于开关磁阻电动机的转向与相绕组电流方向无关，则实际可实现每相绕组交替正反向供电作为电动机工况下同方向旋转运行，并拖动扬水水泵消耗多余电能保护直流微电网安全的同时储备水力势能，具体为，当根据开关磁阻电机转子位置信息某变流绕组支路需投入工作时，可先闭合其第一开关管和第二开关管供电励磁，则当根据开关磁阻电机转子位置信息下一相绕组所在变流绕组支路投入工作时，则是闭合第三开关管和第四开关管供电励磁，当开关磁阻电机相绕组数量为奇数时，每个变流绕组支路的电流流向交替正反向，当开关磁阻电机相绕组数量为偶数时，每个变流绕组支路的电流流向一致。

模式十一：当两侧的直流微电网均处于正常额定运行状态时，本开关磁阻电机调能系统不工作，即全部开关管处于断开状态，即水轮机和扬水水泵均与开关磁阻电机脱开。

以上就是作为两个直流微电网接口的抽水蓄能电站的开关磁阻电机调能系统的实施例。

Claims (1)

1.双直流微电网接口开关磁阻电机调能系统，由N个变流绕组支路、第一电容器、第二电容器组成，其技术特征在于，所述的N个变流绕组支路相互并联连接，每个变流绕组支路内部电路结构相同，开关磁阻电机每一相绕组接入一个变流绕组支路中，开关磁阻电机有N个相绕组就有N个变流绕组支路，6＞N＞2，变流绕组支路两侧分别与两个直流微电网接口连接，所述第一电容器并联于变流绕组支路一侧与一个直流微电网的两端，所述第二电容器并联于变流绕组支路另一侧与另一个直流微电网的两端；

变流绕组支路由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、一相绕组组成，所述第一开关管阳极和所述第一二极管阴极连接并作为变流绕组支路一侧的正极端，第一开关管阴极和第一二极管阳极连接后，与所述一相绕组一端、所述第三开关管阳极、所述第二二极管阴极连接，一相绕组另一端与所述第二开关管阳极、所述第三二极管阴极、所述第四开关管阴极、所述第四二极管阳极连接，第四开关管阳极和第四二极管阴极连接并作为变流绕组支路另一侧的正极端，第三开关管阴极、第二二极管阳极、第二开关管阴极、第三二极管阳极连接，并作为变流绕组支路两侧的负极端；所述调能系统的控制方式如下：

根据开关磁阻电机转子位置信息，需要哪一相绕组投入工作时其所在变流绕组支路投入工作，变流绕组支路分为十一种工作调控模式，分别如下：

模式一：当一侧直流微电网处于正常运行范围内，另一侧直流微电网负荷过大欠压即缺电状态并且需快速升压时，发电机工况，变流绕组支路工作开始时首先闭合第一开关管和第二开关管，给一相绕组励磁，励磁阶段结束后断开第二开关管，进入发电阶段；

模式二：当一侧直流微电网处于正常运行范围内，另一侧直流微电网负荷过大欠压即缺电状态但无需快速升压时，发电机工况，变流绕组支路工作开始时首先闭合第一开关管和第二开关管，给一相绕组励磁，励磁阶段结束后断开第一开关管和第二开关管，进入发电阶段；

模式三：当一侧直流微电网负荷过大欠压即缺电状态并且需快速升压，另一侧直流微电网处于正常运行范围内时，发电机工况，变流绕组支路工作开始时首先闭合第三开关管和第四开关管，给一相绕组励磁，励磁阶段结束后断开第三开关管，进入发电阶段；

模式四：当一侧直流微电网负荷过大欠压即缺电状态但无需快速升压，另一侧直流微电网处于正常运行范围内时，发电机工况，变流绕组支路工作开始时首先闭合第三开关管和第四开关管，给一相绕组励磁，励磁阶段结束后断开第三开关管和第四开关管，进入发电阶段；

模式五：当一侧直流微电网和另一侧直流微电网均欠压即缺电状态时，各个变流绕组支路交替双向发电机工况下工作，首先比较一侧直流微电网和另一侧直流微电网的欠压百分比，相对欠压缺电严重的直流微电网首先获得发电输入即受电，不严重的作为励磁电源，当根据转子位置信息，下一相绕组所在变流绕组支路工作时相对前一相绕组的变流绕组支路为反方向发电工作；当某变流绕组支路工作开始时第一开关管和第二开关管闭合，定义为正向励磁，关断第二开关管或同时关断第一开关管、第二开关管后定义为正向发电，相应地，各变流绕组支路工作时首先闭合第三开关管和第四开关管称为反向励磁，关断第三开关管或同时关断第三开关管、第四开关管后称为反向发电，具体发电阶段是关断一个开关管还是两个开关管，根据受电侧直流微电网的需要而调控；

模式六：当一侧直流微电网负荷太轻并过电压，同时另一侧直流微电网欠压缺电时，过电压侧直流微电网作为供电侧，各个变流绕组支路的第一开关管同时按照PWM模式工作，最大占空比为1，具体根据缺电侧直流微电网欠压情况决定，缺电越严重占空比越大，直至缺电侧直流微电网电压进入正常值范围内关断第一开关管，但缺电侧直流微电网电压未进入正常值范围内同时供电侧直流微电网电压已接近其正常电压下限时，需提前关断第一开关管；

模式七：当一侧直流微电网欠压缺电，同时另一侧直流微电网负荷太轻并过电压时，过电压侧直流微电网作为供电侧，各个变流绕组支路的第四开关管同时按照PWM模式工作，最大占空比为1，具体根据缺电侧直流微电网欠压情况决定，缺电越严重占空比越大，直至缺电侧直流微电网电压进入正常值范围内关断第四开关管，但缺电侧直流微电网电压未进入正常值范围内同时供电侧直流微电网电压已接近其正常电压下限时，需提前关断第四开关管；

模式八：当一侧直流微电网负荷太轻过电压，并且另一侧直流微电网在正常运行状态时，各个变流绕组支路按照正向电动机模式运行，消耗过电压侧直流微电网的电能，即当一相绕组所在变流绕组支路按正向电动机模式需投入工作时，闭合第一开关管和第二开关管供电励磁，根据开关磁阻电机转子位置信息需关断该一相绕组电流时，断开第一开关管和第二开关管；

模式九：相应地，当一侧直流微电网在正常运行状态，但另一侧直流微电网负荷太轻过电压时，各个变流绕组支路按照反向电动机模式运行，即当一相绕组所在变流绕组支路按反向电动机模式投入工作时，闭合第三开关管和第四开关管供电励磁，根据开关磁阻电机转子位置信息需关断该一相绕组电流时，断开第三开关管和第四开关管；

模式十：当两侧的直流微电网均负荷太轻过电压时，开关磁阻电机采取交替正反向电动机运行工况，鉴于开关磁阻电动机的转向与相绕组电流方向无关，则当根据开关磁阻电机转子位置信息某变流绕组支路需投入工作时，若先闭合其第一开关管和第二开关管供电励磁，则当根据开关磁阻电机转子位置信息下一相绕组的变流绕组支路需投入工作时，则是闭合第三开关管和第四开关管反向供电励磁电动机工况工作，这样交替作为正反向电动机工况工作交替消耗两侧直流微电网的电能减轻过电压危害；

模式十一：当两侧的直流微电网均处于正常运行状态时，本开关磁阻电机调能系统不工作，即全部开关管处于断开状态。

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