一种高速开关磁阻风力发电机功率变换器

技术领域

本发明涉及含开关磁阻风力发电机系统的直流电网领域，具体涉及一种最少开关管数量、直升压、变励磁的开关磁阻风力发电机新型功率变换器及其调控方法。

背景技术

多年来随着新能源利用的加快，直流电网获得不断进步和发展，吸纳了诸如中小功率的风力和光伏发电系统并入直流电网，但传统的风力发电系统大多为交流，需专门增加整流环节。

开关磁阻发电机由风力机驱动，直接发出直流电，可省去整流环节。

功率变换器是开关磁阻风力发电机机组的心脏，本质上其为一电力电子装置，在现代电力电子工程领域，由于电力电子开关管的大量应用，尤其是高频开关动作，开关管的损耗问题越来越成为制约电力电子新技术发展的重大问题，所以，开关磁阻发电机的功率变换器设计，在实现所需功能的同时，应把采用最少数量的开关管作为优化目标之一。

开关管除了开关损耗，在电力变换行业，也特别关注开关管的电压应力问题，电压应力高，开关管体积重量大，散热困难，成本高，并且容易出现故障。

作为小型风电系统，当并入直流电网时，往往需要增加专门的升压装置，从而进一步降低了电能效率，目前针对开关磁阻发电机功率变换器，也出现了一些开关磁阻发电机工作时其功率变换器直接完成电压的抬升，但多数又存在开关管用量多的缺点。

变速风电工况时，开关磁阻发电机运行控制中，励磁电压可作为一个新的变量来优化性能，尤其是最大功率点跟踪（MPPT）控制和最大效率控制中，目前出现了一些此方面的创新实例，不过，大多数情况下和传统开关角或电流斩波类似，只能在励磁阶段进行间接控制，发电阶段无法直接通过励磁电压的调节进行控制。

另外，存在变励磁电路的开关磁阻发电机功率变换器，由于电路变得复杂，难免出现不得不增加的隔离环节，这也会增加功率变换器的体积重量和损耗。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种开关管用量少，主开关管电压应力低，高倍数直升压，整个功率变换器共地无隔离环节，励磁电源和相绕组以及发电输出端处于同一回路中的可变励磁电压的高速小功率开关磁阻发电机新型功率变换器系统及其调控方法，适合于含开关磁阻风力发电机系统的直流微电网领域应用。

本发明的技术方案为：

一种高速开关磁阻风力发电机功率变换器，由主电路和变励磁电路组成，主电路输入正极端连接变励磁电路输出正极端，主电路输出正极端连接变励磁电路输入正极端，主电路输入负极端连接主电路输出负极端、变励磁电路输出负极端、以及变励磁电路输入负极端，主电路输入正负极两端电压为励磁电压，也就是变励磁电路输出正负极两端电压，主电路输出正负极两端电压为发电电压，其同时连接外部直流电网，变励磁电路输出的电能作为励磁电源给主电路励磁。

主电路由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感、第二电感、以及第三电感组成，第一开关管阳极连接第二开关管阳极和第三开关管阳极，并作为主电路输入正极端，第一开关管阴极连接第一相绕组一端，第二开关管阴极连接第二相绕组一端，第三开关管阴极连接第三相绕组一端，第一相绕组另一端连接第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、第四开关管阳极、第一电容器一端、以及第一二极管阳极，第一电容器另一端连接第二电感一端，第二电感另一端连接第一电感一端和第三电感一端，第一二极管阴极连接第二电容器一端、第二二极管阳极、以及第一电感另一端，第三电感另一端连接第三电容器一端，第三电容器另一端连接第二二极管阴极和第三二极管阳极，第三二极管阴极连接第四电容器一端，并作为主电路输出正极端，第四开关管阴极连接第二电容器另一端和第四电容器另一端，并作为主电路输入和输出负极端，第一电感、第二电感、以及第三电感互相磁耦合。

变励磁电路由第五开关管、第五电容器、第六电容器、第七电容器、第八电容器、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第四电感、第五电感、第六电感、以及降压非隔离变换器组成，降压非隔离变换器输入正极端作为变励磁电路输入正极端，降压非隔离变换器输出正极端连接第四电感一端，第四电感另一端连接第五电容器一端和第五电感一端，第五电容器另一端连接第五二极管阴极、第六二极管阳极、以及第六电感一端，第六电感另一端连接第六电容器一端，第六电容器另一端连接第七电容器一端、第四二极管阴极、以及第五二极管阳极，第四二极管阳极连接第五开关管阳极和第五电感另一端，第六二极管阴极连接第八电容器一端，并作为变励磁电路输出正极端，第八电容器另一端连接第五开关管阴极、第七电容器另一端、以及降压非隔离变换器输出负极端，降压非隔离变换器输入负极端作为变励磁电路输入负极端，并与降压非隔离变换器输出负极端共地，第五电感和第六电感互相磁耦合，降压非隔离变换器输出端电压低于输入端电压，即低于直流电网电压。

功率变换器的所有五只开关管均为全控型三端电力电子开关器件。

一种高速开关磁阻风力发电机功率变换器的调控方法，结合开关磁阻发电机工作原理，变励磁电路作为励磁电源，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，第一开关管和第四开关管导通，进入励磁阶段，励磁电源经第一开关管和第四开关管向第一相绕组励磁，同时第二电容器、第二二极管、第三电容器、第三电感、第二电感、以及第一电容器串联经第四开关管组成回路，以及第二电容器、第一电感、第二电感、以及第一电容器串联经第四开关管的回路，第二电容器放电，第一电容器和第三电容器被充电，根据转子位置信息，第一相绕组励磁阶段需结束时，断开第四开关管，进入发电阶段，励磁电源与第一相绕组、第一电容器、第二电感、第三电感、以及第三电容器串联经由第一开关管和第三二极管向主电路输出端输出电能，同时经第一开关管向第二电容器充电，在第四开关管关断初期第一二极管导通，第四开关管电压等于第二电容器的端电压，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束。

根据转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，第二开关管和第四开关管导通，进入励磁阶段，励磁电源经第二开关管和第四开关管向第二相绕组励磁，同时第二电容器、第二二极管、第三电容器、第三电感、第二电感、以及第一电容器串联经第四开关管组成回路，以及第二电容器、第一电感、第二电感、以及第一电容器串联经第四开关管的回路，第二电容器放电，第一电容器和第三电容器被充电，根据转子位置信息，第二相绕组励磁阶段需结束时，断开第四开关管，进入发电阶段，励磁电源与第二相绕组、第一电容器、第二电感、第三电感、以及第三电容器串联经由第二开关管和第三二极管向主电路输出端输出电能，同时经第二开关管向第二电容器充电，在第四开关管关断初始第一二极管导通，第四开关管电压等于第二电容器的端电压，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第二开关管，第二相绕组工作结束。

根据转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，第三开关管和第四开关管导通，进入励磁阶段，励磁电源经第三开关管和第四开关管向第三相绕组励磁，同时第二电容器、第二二极管、第三电容器、第三电感、第二电感、以及第一电容器串联经第四开关管组成回路，以及第二电容器、第一电感、第二电感、以及第一电容器串联经第四开关管的回路，第二电容器放电，第一电容器和第三电容器被充电，根据转子位置信息，第三相绕组励磁阶段需结束时，断开第四开关管，进入发电阶段，励磁电源与第三相绕组、第一电容器、第二电感、第三电感、以及第三电容器串联经由第三开关管和第三二极管向主电路输出端输出电能，同时经第三开关管向第二电容器充电，在第四开关管关断初始第一二极管导通，第四开关管电压等于第二电容器的端电压，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第三开关管，第三相绕组工作结束。

根据如上各相绕组的工作过程可见，第四开关管的电压应力为第二电容器的端电压。

变励磁电路作为励磁电源，第五开关管按PWM模式工作，当第五开关管导通时，第五电容器被充电，第六电容器和第七电容器放电，当第五开关管关断时，第五电容器放电，第六电容器和第七电容器被充电，以及在第五电感和第六电感耦合作用下，当改变第五开关管的PWM占空比时，变励磁电路输出端励磁电压平均值改变，从而适应开关磁阻发电机系统在由于风速改变而转速改变时最大功率跟踪控制对励磁电压的需要。

第五开关管在关断时电压应力为第七电容器的端电压。

本发明的技术效果主要有：

本发明的主电路中，对于X相数量绕组，则有X+1个开关管，数量明显低于传统不对称半桥功率变换器主电路，其中第四开关管开关频率是其他开关管的X倍，而变励磁电路仅有1个开关管，虽然开关频率一般来说也大于第四开关管开关频率，但已是业界最少开关管数量的变励磁电路了，所以，基于变励磁的开关磁阻发电机功率变换器，本发明的开关管数量是最少之一,总体开关损耗也低，控制简易；另外，第四开关管的电压应力是第二电容器端电压，第五开关管的电压应力是第七电容器端电压，从电路结构和工作过程看，相对都属于低应力，明显小于直流电网侧发电电压。

从主电路的工作过程可见，在发电阶段，输出端发电电压是励磁电压、相绕组、第一电容器、第二电感、第三电感、第三电容器的电压之和，从而发电电压明显大于相绕组电压或励磁电压，并且可以通过对第一电感、第二电感、以及第三电感三者之间电感匝数的调整，获得更理想的升压倍数，节省了并网前的升压环节。

整个功率变换器只有一个地端，并且无隔离环节，从而降低了成本，减轻了体积重量。

开关磁阻发电机在各相绕组的发电阶段，励磁电源与相绕组和发电输出端三者处于同一串联回路中，根据开关磁阻发电机数学模型，此时如果调节励磁电压，可直接控制发电阶段相绕组电流的走势，也就是说，直接控制了发电输出能力，对发电效率有极大意义，尤其针对变速风电工况下，最大功率跟踪控制的需要，可通过变励磁电压实现，摒弃传统的只能通过励磁阶段间接控制的劣势，另外可通过对第五电感和第六电感之间匝数比的改变，获得更为理想的励磁电压输出范围。

附图说明

图1所示为本发明一种高速开关磁阻风力发电机功率变换器电路结构图。

图1中，1：主电路；2：变励磁电路

具体实施方式

本实施例的一种高速开关磁阻风力发电机功率变换器，电路结构如附图1所示，开关磁阻发电机为三相绕组及6/4极结构，功率变换器由主电路1和变励磁电路2组成，主电路1输入正极端连接变励磁电路2输出正极端，主电路1输出正极端连接变励磁电路2输入正极端，主电路1输入负极端连接主电路1输出负极端、变励磁电路2输出负极端、以及变励磁电路2输入负极端，即主电路1和变励磁电路2共地，主电路1输入正负极两端电压为励磁电压，也就是变励磁电路2输出正负极两端电压，主电路1输出正负极两端电压为发电电压，其同时连接外部直流电网，或者经一定中间装置后连接直流电网，变励磁电路2输出的电能作为励磁电源给主电路1励磁。

主电路1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、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1、第二电感L2、以及第三电感L3组成，第一开关管V1阳极连接第二开关管V2阳极和第三开关管V3阳极，并作为主电路1输入正极端，第一开关管V1阴极连接第一相绕组M一端，第二开关管V2阴极连接第二相绕组N一端，第三开关管V3阴极连接第三相绕组P一端，第一相绕组M另一端连接第二相绕组N另一端、第三相绕组P另一端、第四开关管V4阳极、第一电容器C1一端、以及第一二极管D1阳极，第一电容器C1另一端连接第二电感L2一端，第二电感L2另一端连接第一电感L1一端和第三电感L3一端，第一二极管D1阴极连接第二电容器C2一端、第二二极管D2阳极、以及第一电感L1另一端，第三电感L3另一端连接第三电容器C3一端，第三电容器C3另一端连接第二二极管D2阴极和第三二极管D3阳极，第三二极管D3阴极连接第四电容器C4一端，并作为主电路1输出正极端，第四开关管V4阴极连接第二电容器C2另一端和第四电容器C4另一端，并作为主电路1输入和输出负极端，第一电感L1、第二电感L2、以及第三电感L3互相磁耦合。

变励磁电路2由第五开关管V5、第五电容器C5、第六电容器C6、第七电容器C7、第八电容器C8、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第四电感L4、第五电感L5、第六电感L6、以及降压非隔离变换器组成，降压非隔离变换器输入正极端作为变励磁电路2输入正极端，降压非隔离变换器输出正极端连接第四电感L4一端，第四电感L4另一端连接第五电容器C5一端和第五电感L5一端，第五电容器C5另一端连接第五二极管D5阴极、第六二极管D6阳极、以及第六电感L6一端，第六电感L6另一端连接第六电容器C6一端，第六电容器C6另一端连接第七电容器C7一端、第四二极管D4阴极、以及第五二极管D5阳极，第四二极管D4阳极连接第五开关管V5阳极和第五电感L5另一端，第六二极管D6阴极连接第八电容器C8一端，并作为变励磁电路2输出正极端，第八电容器C8另一端连接第五开关管V5阴极、第七电容器C7另一端、以及降压非隔离变换器输出负极端，降压非隔离变换器输入负极端作为变励磁电路2输入负极端，并与降压非隔离变换器输出负极端共地，第五电感L5和第六电感L6互相磁耦合，降压非隔离变换器输出端电压低于输入端电压，即低于直流电网电压，以利于作为励磁电源与直流电网端发电电压匹配。

功率变换器的所有五只开关管均为全控型三端电力电子开关器件。

本实施例的一种高速开关磁阻风力发电机功率变换器的调控方法，结合开关磁阻发电机工作原理，变励磁电路2作为励磁电源，根据转子位置信息，当第一相绕组M需投入工作时，第一开关管V1和第四开关管V4导通，进入励磁阶段，励磁电源经第一开关管V1和第四开关管V4向第一相绕组M励磁，同时存在第二电容器C2、第二二极管D2、第三电容器C3、第三电感L3、第二电感L2、以及第一电容器C1串联经第四开关管V4的回路，以及第二电容器C2、第一电感L1、第二电感L2、以及第一电容器C1串联经第四开关管V4的回路，第二电容器C2放电，第一电容器C1和第三电容器C3被充电，根据转子位置信息，第一相绕组M励磁阶段需结束时，断开第四开关管V4，进入发电阶段，励磁电源与第一相绕组M、第一电容器C1、第二电感L2、第三电感L3、以及第三电容器C3串联经由第一开关管V1和第三二极管D3向主电路1输出端输出电能，同时经第一开关管V1向第二电容器C2充电，在第四开关管V4关断初期第一二极管D1导通，第四开关管V4电压为第二电容器C2的端电压，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第一开关管V1，第一相绕组M工作结束。

根据转子位置信息，当第二相绕组N需投入工作时，第二开关管V2和第四开关管V4导通，进入励磁阶段，励磁电源经第二开关管V2和第四开关管V4向第二相绕组N励磁，同时存在第二电容器C2、第二二极管D2、第三电容器C3、第三电感L3、第二电感L2、以及第一电容器C1串联经第四开关管V4的回路，以及第二电容器C2、第一电感L1、第二电感L2、以及第一电容器C1串联经第四开关管V4的回路，第二电容器C2放电，第一电容器C1和第三电容器C3被充电，根据转子位置信息，第二相绕组N励磁阶段需结束时，断开第四开关管V4，进入发电阶段，励磁电源与第二相绕组N、第一电容器C1、第二电感L2、第三电感L3、以及第三电容器C3串联经由第二开关管V2和第三二极管D3向主电路1输出端输出电能，同时经第二开关管V2向第二电容器C2充电，在第四开关管V4关断初始第一二极管D1导通，第四开关管V4电压为第二电容器C2的端电压，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第二开关管V2，第二相绕组N工作结束。

根据转子位置信息，当第三相绕组P需投入工作时，第三开关管V3和第四开关管V4导通，进入励磁阶段，励磁电源经第三开关管V3和第四开关管V4向第三相绕组P励磁，同时存在第二电容器C2、第二二极管D2、第三电容器C3、第三电感L3、第二电感L2、以及第一电容器C1串联经第四开关管V4的回路，以及第二电容器C2、第一电感L1、第二电感L2、以及第一电容器C1串联经第四开关管V4的回路，第二电容器C2放电，第一电容器C1和第三电容器C3被充电，根据转子位置信息，第三相绕组P励磁阶段需结束时，断开第四开关管V4，进入发电阶段，励磁电源与第三相绕组P、第一电容器C1、第二电感L2、第三电感L3、以及第三电容器C3串联经由第三开关管V3和第三二极管D3向主电路1输出端输出电能，同时经第三开关管V3向第二电容器C2充电，在第四开关管V4关断初始第一二极管D1导通，第四开关管V4电压为第二电容器C2的端电压，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第三开关管V3，第三相绕组P工作结束。

根据如上各相绕组的工作过程可见，第四开关管V4的电压应力为第二电容器C2的端电压。

变励磁电路2作为励磁电源，第五开关管V5按PWM模式工作，开关频率10KHz以上，当第五开关管V5导通时，第五电容器C5被充电，第六电容器C6和第七电容器C7放电，当第五开关管V5关断时，第五电容器C5放电，第六电容器C6和第七电容器C7被充电，以及在第五电感L5和第六电感L6耦合作用下，当改变第五开关管V5的PWM占空比时，变励磁电路2输出端励磁电压平均值改变，从而适应开关磁阻发电机系统在由于风速改变而转速改变时最大功率跟踪控制对励磁电压的需要。

第五开关管V5在关断时电压应力为第七电容器C7端电压。