CN112332724B - 发电机、发电系统及发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机技术领域，具体涉及发电机、发电系统及发电机控制方法，所述发电机具有至少一相定子绕组，每相所述定子绕组包括：至少一个定子线圈组，每个所述定子线圈组具有至少一个定子线圈；绕组切换单元，与所述定子线圈组连接；其中，所述绕组切换单元用于基于目标发电机的负载电流切换所述目标发电机定子绕组的接线方式。通过基于目标发电机的负载电流切换定子绕组的接线方式，实现目标发电机在不同负载电流下均有较高的效率和输出功率，同时电压调整率变小，扩大了目标发电机在不同负载情况下的高性能工作区间，且无需改变目标发电机原有的任何结构，不需要增加独立电机单元，重量和体积均未增加。

Description

发电机、发电系统及发电机控制方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及发电机、发电系统及发电机控制方法。

背景技术

海洋中蕴藏着各种形式的海洋能，如海流能，波浪能，潮汐能等，将这些能量转换为电能具有重要的意义。海洋能发电系统通过叶轮、浮子等捕能装置将这些能量转换为旋转或直线往复运动的动能，然后通过发电机将这些动能转换为电能。发电机作为海洋能发电系统的二次能量转换单元的核心部件，其输出功率即为系统的输出功率，因此其输出特性直接影响了整个系统。

相对异步发电机而言，虽然永磁发电机具有高效工作区间宽的特点，但对于独立供电的海洋能发电系统而言，诸如储能电池的负载用电设备充电状态不同或用电设备的数量不同，即阻抗不同，永磁发电机在不同负载情况下的高性能区间相对较窄。这一特点限制了海洋能发电系统无法充分利用捕获的海洋能，从而影响系统的实际应用效果。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种发电机、发电系统及发电机控制方法，以解决发电机在不同负载情况下的高性能区间相对较窄的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种发电机，所述发电机具有至少一相定子绕组，每相所述定子绕组包括：

至少一个定子线圈组，每个所述定子线圈组具有至少一个定子线圈；

绕组切换单元，与所述定子线圈组连接；其中，所述绕组切换单元用于基于目标发电机的负载电流切换所述目标发电机定子绕组的接线方式。

本发明实施例提供的发电机，通过基于目标发电机的负载电流切换定子绕组的接线方式，实现目标发电机在不同负载电流下均有较高的效率和输出功率，同时电压调整率变小，扩大了目标发电机在不同负载情况下的高性能工作区间，且无需改变目标发电机原有的任何结构，不需要增加独立电机单元，重量和体积均未增加。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述绕组切换单元包括：

电流采集装置，与所述目标发电机的输出端连接，用于采集所述负载电流；

处理装置，与所述电流采集装置连接，用于基于所述电流采集装置采集的电流确定所述目标发电机定子绕组的接线方式，以形成控制指令；

所述切换装置，与所述处理装置连接，所述切换装置用于基于所述控制指令切换所述定子绕组的接线方式。

本发明实施例提供的发电机，利用处理装置实时对负载电流进行分析以形成相应的控制指令，控制切换装置切换定子绕组的接线方式，提高了切换效率及切换精度。

结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，所述切换装置包括：

第一切换件，与各组所述定子线圈组连接，所述第一切换件用于切换每相所述定子绕组内所述定子线圈组之间的串并联连接方式；

第二切换件，与各相所述定子绕组连接，所述第二切换件用于切换所述定子绕组之间的星形、三角形连接方式。

本发明实施例提供的发电机，利用第一切换件以及第二切换件分别对每相定子绕组内定子线圈组之间的串并联连接方式，以及定子绕组之间的星形、三角形连接方式进行切换，能够扩大目标发电机定子绕组的阻抗可调范围，从而扩大了目标发电机在不同负载情况下的高效区间。

结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述定子线圈组内的所有所述定子线圈串联、并联或者串并联。

本发明实施例提供的发电机，通过对定子线圈组内的所有定子线圈进行串联或者并联，能够简化定子线圈的连接方式，简化目标电机的接线方式。

结合第一方面第三实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述定子线圈组内的所有所述定子线圈为相邻的定子线圈。

本发明实施例提供的发电机，将相邻的定子线圈确定为定子线圈组，简化了接线方式。

根据第二方面，本发明实施例还提供了一种发电系统，包括：

至少一个捕能装置；

至少一个本发明第一方面，或第一方面任一项实施方式中所述的发电机，所述发电机与所述捕能装置连接。

本发明实施例提供的发电系统，通过基于目标发电机的负载电流切换定子绕组的接线方式，实现目标发电机在不同负载电流下均有较高的效率和输出功率，同时电压调整率变小，扩大了目标发电机在不同负载情况下的高性能工作区间，从而利用该发电系统能够充分利用捕获的能量，提高了电能转化效率，进而提高了发电系统的实际应用效率。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种发电机控制方法，包括：

获取目标发电机的负载电流，所述目标发电机具有至少一相定子绕组，每相所述定子绕组包括至少一个定子线圈组，每个所述定子线圈组具有至少一个定子线圈；

基于所述负载电流，确定所述目标发电机定子绕组的接线方式，以对所述目标发电机定子绕组的接线方式进行切换。

本发明实施例提供的发电机控制方法，通过基于目标发电机的负载电流切换定子绕组的接线方式，实现目标发电机在不同负载电流下均有较高的效率和输出功率，同时电压调整率变小，扩大了目标发电机在不同负载情况下的高性能工作区间，且无需改变目标发电机原有的任何结构，不需要增加独立电机单元，重量和体积均未增加。

结合第三方面，在第三方面第一实施方式中，所述基于所述负载电流，确定所述目标发电机定子绕组的接线方式，包括：

比较所述负载电流与各个预设电流切换点的大小关系；

基于比较结果，确定所述负载电流对应的定子绕组的接线方式。

本发明实施例提供的发电机控制方法，实时判断负载电流与预设电流切换点之间的关系，以确定是否需要切换以及在需要切换时对应的定子绕组的接线方式，提高了定子绕组的切换效率以及切换精度。

结合第三方面第一实施方式，在第三方面第二实施方式中，所述基于比较结果，确定所述负载电流对应的定子绕组的接线方式，包括：

获取所述目标发电机的当前转速；

基于所述当前转速查找电流转速表，确定与所述当前转速对应的预设电流切换点；

将所述负载电流与各个所述预设电流切换点进行比较，以确定所述负载电流对应的定子绕组的接线方式。

本发明实施例提供的发电机控制方法，通过查找电流转速表的方式，确定与当前转速对应的预设电流切换点，即，在确定预设电流切换点的时候还需要结合目标发电机的当前转速，提高了切换准确性。

结合第三方面第二实施方式，在第三方面第三实施方式中，所述基于所述当前转速查找电流转速表，确定与所述当前转速对应的预设电流切换点，包括：

判断所述电流转速表中是否存在与所述当前转速相同的转速；

当所述电流转速表中不存在与所述当前转速相同的转速时，利用所述电流转速表中的转速以及电流进行插值处理，确定与所述当前转速对应的预设电流切换点。

本发明实施例提供的发电机控制方法，在不存在当前转速相同的转速时，利用已有转速进行插值处理，就可得到与当前转速对应的预设电流切换点，可以进一步平滑或扩宽目标发电机的输出特性，提高供电能力。

结合第三方面第二实施方式，或第三方面第三实施方式，在第三方面第四实施方式中，所述电流转速表是通过如下步骤得到的：

对于预设转速，确定所述目标发电机在不同定子绕组接线方式下负载电流与输出功率的关系曲线，以得到至少两条关系曲线；

计算所述至少两条关系曲线的交点，并将所述交点确定为所述电流切换点，以得到与所述预设转速对应的电流切换点。

本发明实施例提供的发电机控制方法，将负载电流与输出功率的关系曲线的交点确定为电流切换点，在保证电流切换点准确确定的前提下，减少了数据处理量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的发电机的结构框图；

图2是根据本发明实施例的三相永磁电机的截面示意图；

图3-图6是根据本发明实施例的三相永磁电机的定子绕组的接线方式；

图7示出了图2所示的三相永磁电机在某一转速下分别采用图3-图6定子绕组连接方式的输出功率随不同阻抗的变化曲线；

图8示出了图7所示的变换曲线的交点；

图9是根据本发明是实施例的三相永磁同步发电机的截面示意图；

图10a-图10b是图9所述三相永磁同步发电机的接线示意图；

图11a-图11b是图9所述三相永磁同步发电机的接线示意图；

图12a-图12b是图9所述三相永磁同步发电机的接线示意图；

图13a-图13b是图9所述三相永磁同步发电机的接线示意图；

图14是图9所述三相永磁同步发电机在在转速为60rpm时采用四种绕组的输出功率随不同负载的变化情况；

图15是根据本发明实施例的发电机在不同电流区间采用不同绕组的输出功率随负载变化情况；

图16是根据本发明实施例的发电机的转速在60rpm时采用不同绕组的负载相电压随负载电流的变化情况；

图17是根据本发明实施例的发电机的转速在60rpm采用本发明的效率随负载电流的变化情况；

图18是根据本发明实施例的发电机的转速在10rpm时输出功率特性；

图19是根据本发明实施例的发电机的转速在120rpm时输出功率特性；

图20a-图20b是图9所述三相永磁同步发电机的接线示意图；

图21a-图21b是图9所述三相永磁同步发电机的接线示意图；

图22是图9所述三相永磁同步发电机的切换示意图；

图23是根据本发明实施例的发电系统的结构示意图；

图24是根据本发明实施例的发电机控制方法的流程图；

图25是根据本发明实施例的发电机控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例提供的发电机、发电系统及发电机控制方法可以应用在风能发电领域、海洋能发电领域等等，在此对其具体应用领域并不作任何限制，可以根据实际情况进行使用。在下文所述实施例中，以应用于海洋能发电为例进行详细描述。

根据电路理论，当发电机的阻抗与负载阻抗相同时，其输出功率最大。因此，本发明实施例提出了通过改变发电机定子绕组的接线形式，使得不同负载条件下发电机的阻抗与负载阻抗近似相等，则发电机输出功率保持在较大值。

基于此，本发明实施例提出了一种发电机，如图1所示，该发电机具有至少一相定子绕组，每相定子绕组包括至少一个定子线圈组以及绕组切换单元。

其中，每个定子线圈组具有至少一个定子线圈，绕组切换单元与定子线圈组连接，所述绕组切换单元用于基于目标发电机的负载电流切换目标发电机定子绕组的接线方式。

在本实施例中的发电机可以是单相发电机，也可以是三相发电机等等，在此对发电机所具有的定子绕组的相数并不做任何限制。在下文的描述中，以三相发电机为例进行详细描述。

对于三相发电机而言，其分为A相、B相以及C相。每相定子绕组均包括至少一个定子线圈以及绕组切换单元，其中每相定子绕组所包括的定子线圈的数量可以根据实际情况进行设置，在此也并不做任何限制。例如，每相定子绕组可以包括2个定子线圈，3个定子线圈或4个定子线圈等等。其中，定子线圈组内的所有定子线圈可以采用串联、并联或串并联方式连接等等。

进一步地，定子线圈组内的所有定子线圈是根据电机槽电势星形图确定的极相组。其中，极相组线圈可以为相邻的定子线圈，也可以是不相邻的定子线圈，这是由电机槽电势星形图确定的。

绕组切换单元用于切换目标发电机定子绕组的接线方式，具体地，可以设置切换开关，通过控制切换开关，就可以控制接入的定子线圈的数量；也可以通过控制切换开关，控制每相定子绕组内定子线圈组的串并联方式；也可以通过控制切换开关，控制定子绕组间的星形、三角形连接方式等等。具体采用何种方式进行控制或切换，可以根据实际情况进行设置。

本实施例提供的发电机，通过基于目标发电机的负载电流切换定子绕组的接线方式，实现目标发电机在不同负载电流下均有较高的效率和输出功率，同时降低发电机电压调整率，扩大了目标发电机在不同负载情况下的高性能区间，且无需改变目标发电机原有的任何结构，不需要增加独立电机单元，重量和体积均未增加。

本发明实施例提供的发电机，根据海洋能发电机的不同工作状态，如不同转速、不同负载电流，对其定子绕组的接线形式进行改变，保证发电机在较宽的负载电流范围内均有较高的效率和输出功率。如图2所示，显示了1台6槽8极的三相永磁电机的截面示意图，其为外转子、内定子结构。其主要包括定子铁芯1、转子铁芯2、线圈3、永磁体4，其中，定子铁芯1的6个齿部分别绕有1个线圈，A、B、C三相分别由2个定子线圈构成。以A相为例，其由定子线圈A1和A2组成，每个定子线圈均有2个接线端，如定子线圈A1引出两个接线端A1+、A1-。每相的两个定子线圈有串联和并联两种连接形式，如A相的2个定子线圈串联：A1-与A2+连接，A1+和A2-作为A相引出的接线端；A相的2个定子线圈并联：A1+与A2+连接，A1-与A2-连接，A1+和A1-作为A相引出的接线端。在此基础上，A、B以及C三相定子绕组之间有三角形和星形两种接法，因此图2所显示的电机三相定子绕组之间有4种组成形式，如图3-6所示，分别编号1#—4#。

如图3-6所示的发电机，由于其定子绕组的接线方式不同，各自所对应的阻抗也就不同。如上文所述，当发电机的阻抗与负载阻抗相同时，其输出功率最大，因此阻抗不同就能够满足不同的负载需求，从而能够在负载需求不同的情况下均能够提供相应的最大输出功率。即，根据发电机的不同负载情况，改变其定子绕组的接线方式，从而实现其在较宽的转速和负载情况下均有较高的效率和较大的输出功率。

以图2所示，电机的单线圈(A1+——A1-，A2+——A2-，B1+——B1-，B2+——B2-，C1+——C1-，C2+——C2-)阻抗均为Z0，则图3所示的1#绕组相阻抗为2Z0，图4所示的2#绕组相阻抗为(2/3)Z0，图5所示的3#绕组为0.5Z0，图6所示的4#绕组为(1/6)Z0。按照负载与发电机阻抗匹配时，发电机输出功率最大，发电机不同形式的绕组将在不同负载条件下能够输出最大功率。

当发电机每相(不局限于三相)绕组的并联支路数增加时，同理可通过改变相间连接形式，如三相绕组的星形或三角形，以及改变每相线圈之间的并联和串联数来改变绕组，进而改变阻抗，实现不同发电机不同负载情况下的阻抗匹配，实现发电机最大功率输出。图7示意了图2所示发电机在某一转速下分别采用1#-4#绕组的输出功率随不同阻抗的变化曲线。对于每种接线方式下的定子绕组而言，发电机的负载阻抗-输出功率曲线均可近似视为开口向下的抛物线。即，当发电机内阻抗与负载阻抗相等时，发电机输出最大电功率；而当负载阻抗大于或者小于匹配阻抗时，发电机输出功率均将减小，也就是说当发电机采用某一固定绕组形式时，在一定的负载阻抗范围内其能输出大于某一数值的电功率。另一方面，如图7所示，随着绕组阻抗的减小，发电机最大输出功率对应的负载电流逐渐增加，即图中所示I1，I2，I3和I4点，I1<I2<I3<I4，其中，1#绕组与2#的负载电流-输出功率曲线的交汇点为a点，2#与3#的交汇点为b点，3#与4#的交汇点为c点。如果将交汇点a、b和c视为绕组形式变换点，如图8所示，当发电机的负载电流I<Ia时，采用1#绕组；当Ia≤I≤Ib时，采用2#绕组；当Ib<I≤Ic时，采用3#绕组；当Ic<I时，采用4#绕组。通过负载电流与各个电流转换点的大小关系，根据发电机的负载电流改变绕组的连接形式，即可实现图8所示黑色实线所示的4种绕组负载电流-输出功率曲线包络线的输出特性，与单一绕组相比，发电机在不同负载(阻抗)电流下的一定输出功率的范围得到拓宽。

在本实施例的一些可选实施方式中，所述的绕组切换单元包括电流采集装置、处理装置及切换装置。

其中，电流采集装置与目标发电机的输出端连接，用于采集目标发电机的负载电流，并将采集到的负载电流发送给处理装置。处理装置在接收到电流采集装置发送的负载电流之后，将根据负载电流值以及计算处理的转速得到电流切换点，如图8所示的I_a，I_b以及I_c点。当负载电流I<Ia时，采用1#绕组；当Ia≤I≤Ib时，采用2#绕组；当Ib<I≤Ic时，采用3#绕组；当Ic<I时，采用4#绕组。处理装置在确定出发电机当前所采用的绕组连接方式之后，向切换装置发送控制指令，以使得切换装置基于该控制指令切换定子绕组的接线方式。其中，所述的切换装置可以是可控开关，也可以是其他开关等等，在此对其具体形式并不作任何限制，只需保证其能够实现定子绕组接线方式的切换即可。

作为本实施例的一种可选实施方式，所述的切换装置包括第一切换件以及第二切换件。其中，第一切换件与各组定子线圈组连接，用于切换每相定子绕组内定子线圈组之间的串并联连接方式。例如，A相定子绕组具有4组定子线圈组，那么就可以通过第一切换件改变这4组定子线圈组之间的串并联连接方式。

第二切换件与各相定子绕组连接，用于切换定子绕组之间的星形三角形连接方式。例如，目标发电机具有A相定子绕组、B相定子绕组以及C相定子绕组，就可以利用第二切换件将A、B以及C相定子绕组的连接方式由星形切换为三角形，或由三角形切换为星形。

作为本实施例的一种具体实施方式，如图9所示，显示的是一台百瓦级的三相永磁同步发电机，其为外转子、内定子结构。该发电机包括外转子铁芯5、转子磁钢6、定子铁芯7和定子线圈8，其中定子线圈数量为36个，具体标示于图中W1、W2、…、W36。根据槽电势星形图，其中，A相包含的定子线圈为：W1，W2，W3，W10，W11，W12，W19，W20，W21，W28，W29，W30；B相包含的定子线圈为：W7，W8，W9，W16，W17，W18，W25，W26，W27，W34，W35，W36；C相包含的定子线圈为：W4，W5，W6，W13，W14，W15，W22，W23，W24，W31，W32，W33。其中，将极相组线圈，本例中为相邻的三个线圈，串联为一个定子线圈组，因此，A相定子绕组具有4个定子线圈组，分别记为Aw1(由W1，W2，W3形成)，Aw2(由W10，W11，W12形成)，Aw3(由W19，W20，W21形成)，Aw4(由W28，W29，W30形成)；B相定子绕组具有4个定子线圈组，分别记为Bw1(由W7，W8，W9形成)，Bw2(由W16，W17，W18形成)，Bw3(由W25，W26，W27形成)，Bw4(由W34，W35，W36形成)；C相的记为Cw1(由W4，W5，W6形成)，Cw2(由W13，W14，W15形成)，Cw3(由W22，W23，W24形成)，Cw4(由W31，W32，W33形成)。

其中，各相定子绕组之间可以进行星形连接，或三角形连接，以及每相定子线圈组之间可进行串并联，图9所示的发电机可以包括如下接线方式：

将各相定子线圈组串联，然后三相绕组星形连接，如图10a所示，此绕组类型标示为1#。此时，图10a所示发电机各线圈之间的具体连接关系如图10b所示，图中的A相、B相和C相为发电机输出端口。需要特别注意的是，接线过程中，各线圈的正负号，保证正确的连接关系。

保持各相定子线圈组串联，三相绕组之间三角形连接，如图11a所示，此绕组标示为2#，对应的发电机各线圈之间的具体连接关系如图11b所示，图中的A相、B相和C相为发电机输出端口。

每相定子线圈组两两串联之后，两者之间再并联，然后三相绕组之间星形连接，如图12a所示，此绕组标示为3#，对应的发电机各线圈之间的具体连接关系如图12b所示，图中的A相、B相和C相为发电机输出端口。

每相定子线圈组两两串联之后，两者之间再并联，然后三相绕组之间三角形连接，如图13a所示，此绕组标示为4#，对应的发电机各线圈之间的具体连接关系如图13b所示，图中的A相、B相和C相为发电机输出端口。

采用二维有限元计算图9所示发电机分别采用图10a和图10b所示的1#绕组、图11a和图11b所示的2#绕组、图12a和图12b所示的3#绕组、以及图13a和图13b所示的4#绕组的运行特性，计算过程中发电机接三相对称负载。

图14为发电机在转速为60rpm时采用四种绕组的输出功率随不同负载的变化情况，可以看到发电机采用不同绕组的最大输出功率值相同，但是最大输出功率对应的发电机相电流不同，即对应的负载阻抗不同。其中，1#绕组输出功率曲线与2#绕组在相电流I＝6.5A时相交；2#绕组与3#绕组在I＝9.5A时相交；3#绕组与4#绕组在I＝12.5A时相交。

如上文所述，一定转速下发电机在不同负载电流采用不同的绕组运行，对于图9所示发电机，如图15所示，在60rpm下，当发电机相电流I<6.5A，发电机采用1#绕组运行；当6.5A≤I≤9.5A时，发电机采用2#绕组；当9.5A<I≤12.5A时，发电机采用3#绕组；当12.5A<I时，发电机采用4#绕组。

图15所示粗实线为发电机在不同电流区间采用不同绕组的输出功率随负载变化情况，与单一绕组相比，发电机不同负载下的输出功率大幅提高。如发电机仅采用1#绕组，输出功率大于200W的负载电流区间为2A-6.8A；而采用本发明时，输出功率大于200W的负载电流区间为2A-24A。

图16为计算的60rpm发电机采用不同绕组的负载相电压随负载电流的变化情况。图中粗实线为发电机按照本发明切换不同绕组时对应的电压曲线，可以看到本发明明显提高了发电机在不同负载下的输出电压，即电压调整率降低。

图17粗实线为采用本发明的实施例的发电机在60rpm下，效率随负载电流的变化情况。与输出功率和电压有所区别的是，发电机在单一电流区间并非最高效率，如6.5A-9.5A的最高效率为4#绕组，而实际采用的是2#绕组，但是从整体来看，与采用单一绕组相比，发电机的整体效率还是明显提高的。

进一步，计算了发电机分别在10rpm和120rpm采用本发明的输出功率特性，结果如图18和图19所示，与60rpm相同，发电机满负荷运行区间拓宽，即供电能力得到明显提高。

实际操作时，只需将发电机的线圈组，即Aw1，Aw2，Aw3，Aw4、Bw1，Bw2，Bw3，Bw4，Cw1，Cw2，Cw3，Cw4的接线端分别引出，共引出24个接线端。根据监测的发电机的负载电流及转速值选取发电机如图所示的1#、2#、3#和4#绕组形式，通过切换装置的通断改变定子线圈之间的连接关系，从而实现所需的绕组形式。

需要说明的是，根据发电机的线圈组的数量，可增加发电机的切换绕组形式，本实施例所示图9发电机，每相有4个线圈组，除了图10a、图11a、图12a和图13a所示的4种定子绕组形式外，还有两种定子绕组形式，如图20a、20b，图21a和图21b所示，根据阻抗匹配的原理可以预见的是，增加这两种绕组形式进行切换，可以进一步平滑或拓宽发电机的输出特性，提高供电能力。

以图22为例说明绕组的具体切换方式，图22示出了图9所示发电机的三相的定子线圈组，前述的对应于A相的定子线圈组而言，其包括定子线圈组Aw1，Aw2，Aw3，Aw4；对应于B相的定子线圈组而言，其包括定子线圈组Bw1，Bw2，Bw3，Bw4；对应于C相的定子线圈组而言，其包括定子线圈组Cw1，Cw2，Cw3，Cw4。各定子线圈组接线端接有切换装置，例如图22所示的功率开关SA1，SA2，……，SA9，SB1，SB2，……，SB9，SC1，SC2，……，SC9，S1，S2，S3，S4，S5，共32个功率开关。其中，SA1，SA2，……，SA9，SB1，SB2，……，SB9，SC1，SC2，……，SC9为第一切换开关，用于切换定子线圈组之间的串并联连接方式；S1，S2，S3，S4，S5为第二切换开关，用于切换三相定子绕组之间的星形、三角形连接方式。

对于绕组切换单元而言，其中的处理装置可以是ARM、单片机等智能芯片，切换装置的开通和关端可以由处理装置进行控制，即利用智能芯片控制功率开关的开通和关断。

其中，在A相绕组端接有电流采集装置，例如，电流传感器CT，可得到实际电流有效值I和频率f。由频率和发电机的极对数p可得到发电机转速n＝60f/p，发电机的输出端A、B和C接三相对称负载。为了后续描述方便，当功率开关开通(开关闭合)时，用数字1表示；当功率开关关断(开关打开)时，用数字0表示。目标发电机在实际运行时，电流传感器CT实时监控发电机实际电流信号，由电流信号通过智能控制芯片计算发电机的转速n，基于该转速值采用芯片进行查表操作。

表1电流转速表

如表1所示，表中的转速及对应的切换电流值可由仿真计算或发电机测试得到，切换电流值的确定原则为：当发电机的转速一定时，其各绕组形式对应的负载电流-输出功率关系确定，如图15、18、19所示，各绕组形式对应的负载电流-输出功率曲线的交点即为对应的电流切换点。在本实施例中，只计算了10rpm、60rpm和120rpm三个转速点，实际可适当增加转速点，进一步优化绕组切换的效果。当通过电流传感器CT检测的电流信号计算得到转速n，再根据转速值查表表1，当转速值与表1的转速10rpm、60rpm、120rpm相等时，直接得到对应的切换电流值I1，I2，I3。其中，当转速值不为表中值时，根据表中已有数据进行线性差值确定相应的切换电流值I1，I2，I3，然后比较检测的电流值It与切换电流值的关系，确定定子绕组的连接方式。通过控制功率开关的动作，将定子绕组的连接方式切换至所确定的连接方式工作运行。

由于发电机的每相绕组的引出端接有功率开关，如图22所示，可以在智能芯片中按顺序给图22所示的功率开关(SA1，SA2，……，SA9)，(SB1，SB2，……，SB9)，(SC1，SC2，……，SC9)，(S1，S2，S3，S4，S5)通断指令，如(010010010)(010010010)(010010010)(01010)。

以发电机转速为60rpm为例，当I1>It时，发电机绕组采用图10a、图10b所示的连接方式工作，此时功率开关对应的控制芯片的通断指令为(010010010)(010010010)(010010010)(01010)；当I1≤It≤I2时，发电机绕组采用图11a、图11b所示的连接方式工作，此时功率开关对应的控制芯片的通断指令为(010010010)(010010010)(010010010)(10101)；当I2<It≤I3时，发电机绕组采用图12a、图12b所示的连接方式工作，此时功率开关对应的控制芯片的通断指令为(101010101)(101010101)(101010101)(01010)；当I3<It时，发电机绕组采用图13a、图13b所示的连接方式工作，此时功率开关对应的控制芯片的通断指令为(101010101)(101010101)(101010101)(10101)。

本发明实施例所述的发电机是通过改变发电机定子绕组的引出线的数目，具体是将发电机内部每相定子绕组的极相组线圈两端引出，通过变换定子绕组之间的连接方式，实现发电机在不同转速、不同负载(电流)下均有较高的效率和输出功率，并且发电机的电压调整率得到明显改善。其中，无需改变发电机原有的任何结构，不需要增加独立电机单元，重量和体积均未增加，仅需增加引出线数目。

本发明实施例还提供了一种发电系统，如图23所示，该发电系统包括至少一种捕能装置以及至少一个发电机，其中，发电机与捕能装置连接。

其中，所述的捕能装置是将捕获的能量转换为动能的装置，例如，海洋能发电中的叶轮、浮子等等，风能发电中的风车等等。关于发电机的具体结构及其工作原理请参见上文实施例所述，在此不再赘述。

作为本实施例的一种可选实施方式，所述的发电系统还可以包括变流器，所述的变流器与发电机连接，用于实现电能的整流和逆变，然后变流器将合适电压、频率的电能输出给负载。

本实施例提供的发电系统，通过基于目标发电机的负载电流切换定子绕组的接线方式，实现目标发电机在不同负载电流下均有较高的效率和输出功率，同时降低了电压调整率，扩大了目标发电机在不同负载情况下的高性能工作区间，从而利用该发电系统能够充分利用捕获的能量，提高了电能转化效率，进而提高了发电系统的实际应用效率。

本发明实施例还提供了一种发电机控制方法，可用于上述的发电机，例如，发电机绕组切换单元的处理装置中，图24是根据本发明实施例的发电机控制方法的流程图，如图24所示，该流程包括如下步骤：

S11，获取目标发电机的负载电流。

其中，所述目标发电机具有至少一相定子绕组，每相所述定子绕组包括至少一个定子线圈组，每个所述定子线圈组具有至少一个定子线圈。

绕组切换单元的电流采集装置将采集到的负载电流波形发送给处理装置，相应地，处理装置就能够实时获取到目标发电机的负载电流。

关于目标发电机的具体结构细节请参见上文实施例所述，在此不再赘述。

S12，基于负载电流，确定目标发电机定子绕组的接线方式，以对目标发电机定子绕组的接线方式进行切换。

处理装置在获取到目标发电机的负载电流之后，可以将负载电流与预设电流切换点进行比较，以确定是否需要对定子绕组的接线方式进行切换。其中，每个预设电流切换点，对应于定子绕组的一种接线方式。

其中，关于预设电流切换点与定子绕组接线方式的对应关系，可以事先存储在处理装置中，也可以是处理装置从外界获取到的等等，在此并不做任何限制。

本实施例提供的发电机控制方法，通过基于目标发电机的负载电流切换定子绕组的接线方式，实现目标发电机在不同负载电流下均有较高的效率和输出功率，同时电压调整率降低，扩大了目标发电机在不同负载情况下的高性能工作区间，且无需改变目标发电机原有的任何结构，不需要增加独立电机单元，重量和体积均未增加。

在本实施例中提供了一种发电机控制方法，可用于上述的发电机，图25是根据本发明实施例的发电机控制方法的流程图，如图25所示，该流程包括如下步骤：

S21，获取目标发电机的负载电流。

所述目标发电机具有至少一相定子绕组，每相所述定子绕组包括至少一个定子线圈组，每个所述定子线圈组具有至少一个定子线圈。

详细请参见图24所示实施例的S11，在此不再赘述。

S22，基于负载电流，确定目标发电机定子绕组的接线方式，以对目标发电机定子绕组的接线方式进行切换。

具体地，上述S22包括如下步骤：

S221，比较负载电流与各个预设电流切换点的大小关系。

处理装置依次将负载电流与各个预设电流切换点进行大小比较，确定负载电流所处的电流区间。

在本实施例的一些可选实施方式中，上述S221包括如下步骤：

(1)获取目标发电机的当前工作转速。

目标发电机的当前转速可以是直接测得的，也可以是利用实时测得的频率计算得到的，在此对目标发电机当前转速的获取方式并不制作任何限制。

(2)基于当前转速查找电流转速表，确定与当前转速对应的预设电流切换点。

处理设备在获取到目标发电机的当前转速之后，就可以确定出与当前转速对应的至少一个电流切换点。处理设备将目标发电机的负载电流与切换点的电流值进行比较，确定与当前转速对应的预设电流切换点。

作为本实施例的一种可选实施方式，上述步骤(2)可以包括如下步骤：

2.1)判断电流转速表中是否存在与当前转速相同的转速。

当电流转速表中不存在与当前转速相同的转速时，执行2.2)；否则，直接确定当前转读对应的预设电流切换点。

2.2)利用电流转速表中的转速以及电流进行插值处理，确定与当前转速对应的预设电流切换点。

在不存在当前转速相同的转速时，利用已有转速进行插值处理，就可得到与当前转速对应的预设电流切换点，可以进一步平滑或扩宽目标发电机的输出特性，提高供电能力。

(3)将负载电流与各个预设电流切换点进行比较，以确定负载电流对应的定子绕组的接线方式。

其中，关于具体的比较以及确定对应的定子绕组的接线，可以参见上文关于发电机实施例中的对应描述，在此不再赘述。

通过查找电流转速表的方式，确定与当前转速对应的预设电流切换点，即，在确定预设电流切换点的时候还需要结合目标发电机的当前转速，提高切换的准确性。

作为本实施例的一种可选实施方式，所述的电流转速表是通过如下步骤得到的：

(1)对于预设转速，确定目标发电机在不同定子绕组接线方式下负载电流与输出功率的关系曲线，以得到至少两条关系曲线。

通过将目标发电机置于不同的预设转速下，并在不同定子绕组接线方式下，可以通过仿真计算或测量得到其负载电流与输出功率的关系曲线，从而就可以得到对应于同一预设转速的，不同定子绕组接线方式下的负载电流与输出功率的关系曲线。

(2)计算至少两条关系曲线的交点，并将交点确定为所述电流切换点，以得到与预设转速对应的电流切换点。

在同一预设转速下，通过计算不同定子绕组接线方式下，不同关系曲线的交点，将这些交点确定为电流切换点，从而就可以得到与预设转速对应的电流切换点。

将负载电流与输出功率的关系曲线的交点确定为电流切换点，在保证电流切换点准确确定的前提下，减少了数据处理量。

S222，基于比较结果，确定负载电流对应的定子绕组的接线方式。

由于预设电流切换点是与定子绕组的接线方式对应的，那么在确定出预设电流切换点之后，就可以确定出与其对应的定子绕组的接线方式。在确定出定子绕组的接线方式之后，就可以形成相应的控制指令，以使得切换装置动作，实现相应定子绕组的接线方式。

本实施例提供的发电机控制方法，实时判断负载电流与预设电流切换点之间的关系，以确定是否需要切换以及在需要切换时对应的定子绕组的接线方式，提高了定子绕组的切换效率以及切换精度。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种发电机，其特征在于，所述发电机具有至少一相定子绕组，每相所述定子绕组包括：

至少一个定子线圈组，每个所述定子线圈组具有至少一个定子线圈；

绕组切换单元，与所述定子线圈组连接；其中，所述绕组切换单元用于基于目标发电机的负载电流切换所述目标发电机定子绕组的接线方式；

所述基于目标发电机的负载电流，切换所述目标发电机定子绕组的接线方式，包括：

比较所述负载电流与各个预设电流切换点的大小关系；

基于比较结果，确定所述负载电流对应的定子绕组的接线方式；

所述基于比较结果，确定所述负载电流对应的定子绕组的接线方式，包括：

获取所述目标发电机的当前转速；

基于所述当前转速查找电流转速表，确定与所述当前转速对应的各个预设电流切换点；

将所述负载电流与各个所述预设电流切换点进行比较，以确定所述负载电流对应的定子绕组的接线方式；

其中，所述电流转速表是通过如下步骤得到的：

对于预设转速，确定所述目标发电机在不同定子绕组接线方式下负载电流与输出功率的关系曲线，以得到至少两条关系曲线；

计算所述至少两条关系曲线的交点，并将所述交点确定为所述电流切换点，以得到与所述预设转速对应的电流切换点。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述绕组切换单元包括：电流采集装置，与所述目标发电机的输出端连接，用于采集所述负载电流；

处理装置，与所述电流采集装置连接，用于基于所述电流采集装置采集的电流确定所述目标发电机定子绕组的接线方式，以形成控制指令；

切换装置，与所述处理装置连接，所述切换装置用于基于所述控制指令切换所述定子绕组的接线方式。

3.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述切换装置包括：

第一切换件，与各组所述定子线圈组连接，所述第一切换件用于切换每相所述定子绕组内所述定子线圈组之间的串并联连接方式；

第二切换件，与各相所述定子绕组连接，所述第二切换件用于切换所述定子绕组之间的星形、三角形连接方式。

4.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述定子线圈组内的所有所述定子线圈串联、并联或者串并联。

5.一种发电系统，其特征在于，包括：

至少一个捕能装置；

至少一个权利要求1-4中任一项所述的发电机，所述发电机与所述捕能装置连接。

6.一种发电机控制方法，其特征在于，包括：

获取目标发电机的负载电流，所述目标发电机具有至少一相定子绕组，每相所述定子绕组包括至少一个定子线圈组，每个所述定子线圈组具有至少一个定子线圈；

基于所述负载电流，确定所述目标发电机定子绕组的接线方式，以对所述目标发电机定子绕组的接线方式进行切换；

所述基于所述负载电流，确定所述目标发电机定子绕组的接线方式，包括：

比较所述负载电流与各个预设电流切换点的大小关系；

基于比较结果，确定所述负载电流对应的定子绕组的接线方式；

所述基于比较结果，确定所述负载电流对应的定子绕组的接线方式，包括：

获取所述目标发电机的当前转速；

基于所述当前转速查找电流转速表，确定与所述当前转速对应的各个预设电流切换点；

将所述负载电流与各个所述预设电流切换点进行比较，以确定所述负载电流对应的定子绕组的接线方式；

其中，所述电流转速表是通过如下步骤得到的：

对于预设转速，确定所述目标发电机在不同定子绕组接线方式下负载电流与输出功率的关系曲线，以得到至少两条关系曲线；

计算所述至少两条关系曲线的交点，并将所述交点确定为所述电流切换点，以得到与所述预设转速对应的电流切换点。

7.根据权利要求6所述的发电机控制方法，其特征在于，所述基于所述当前转速查找电流转速表，确定与所述当前转速对应的预设电流切换点，包括：

判断所述电流转速表中是否存在与所述当前转速相同的转速；

当所述电流转速表中不存在与所述当前转速相同的转速时，利用所述电流转速表中的转速以及电流进行插值处理，确定与所述当前转速对应的预设电流切换点。

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