一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法技术

本发明专利技术公开的一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法，该集成功率变换器由开关磁阻发电机功率变换器和前置电路组成。开关磁阻发电机功率变换器是传统不对称半桥功率变换器的简化，前置电路是Buck/Boost变换器，可以实现励磁电容和输出电容之间能量交换。对前置电路采用直接电容能量控制策略使输出电容电压稳定，对开关磁阻发电机采用电流斩波控制策略使励磁电容电压稳定，同时引入励磁电容输出功率闭环控制，提高励磁电容电压控制快速性和精度。该集成功率变换器拓扑结构简单，通过简单控制策略，可实现离网型开关磁阻风力发电系统的效率与动态响应的优化，具有广阔的应用前景。

A topology control method for integrated power converter of Switched Reluctance Wind Generator

The invention discloses a topology control method for a switched reluctance wind generator integrated power converter, which is composed of a switched reluctance generator, a power converter and a front circuit. The power converter of switched reluctance generator is a simplification of the traditional asymmetrical half bridge power converter. The front circuit is a Buck/Boost converter, which can realize the energy exchange between excitation capacitor and output capacitor. The circuit adopts direct power control strategy of the output capacitor capacitor voltage, the current chopping control strategy makes the excitation capacitor voltage of the switched reluctance generator, while the introduction of output power of excitation capacitor closed-loop control, improve the excitation capacitor voltage control speed and precision. The converter has a simple topology. By simple control strategy, the efficiency and dynamic response of Switched Reluctance Wind power generation system can be optimized. It has broad application prospects.

【技术实现步骤摘要】
一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法
本专利技术属于开关磁阻风力发电领域，涉及一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法。
技术介绍
作为一种新型的机电能量转换设备，开关磁阻发电机以其结构简单(转子上既无绕组也无永磁体)，制造成本低，容错能力强，运行可靠性高，在较宽的转速范围内具有较高的效率，已经成功的应用于许多场合尤其风力发电等环境恶劣场合。如今，系统发电效率和动态响应是开关磁阻发电机系统研究的热点。有文献通过研发控制策略来提高发电机输出电压(输出电流)的动态响应。也有文献通过对励磁参数进行优化来提高系统效率。然而由于发电机的惯性和风力的局限性，开关磁阻发电机的输出电压通常是不确定的。虽然有文献通过增加DC/DC变换器来维持输出电压稳定，但使系统效率降低。为了克服上述挑战，急需一种集成功率变换器，在加快系统输出电压动态响应的同时，合理安排蓄电池、负载以及开关磁阻发电机之间的能量交换，从而提高开关磁阻风力发电系统风能捕获率与系统效率，增强系统可靠性。
技术实现思路
一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法，包括采用开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑结构，开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑结构包括开关磁阻发电机功率变换器和前端电路：所述的开关磁阻发电机功率变换器是传统不对称半桥功率变换器的简化，每相绕组控制回路中只有一个功率开关器件和一个续流二极管；所述的前端电路包括励磁电源Ve、励磁电容Cexc、输出电容Cout、电感L和三个功率开关器件以及并联于功率开关器件两端的续流二极管：功率开关器件T1的漏极与开关磁阻发电机功率变换器续流母线的正端相连，功率开关器件T1的源极与功率开关器件T2的漏极相连，功率开关器件T2的源极与开关磁阻发电机功率变换器母线负端相连，输出电容Cout的正端与开关磁阻发电机功率变换器续流母线正端和功率开关器件T1的源极相连，输出电容Cout的负端与开关磁阻发电机功率变换器励磁母线正端和励磁电容Cexc的正端相连，励磁电容的负端与励磁电源负极和开关磁阻发电机功率变换器母线负端相连，电感L的一端与输出电容Cout的负端和励磁电容Cexc的正端相连，另一端与功率开关器件T1的源极与功率开关器件T2的漏极相连，功率开关器件T3的源极与励磁电源的正端相连，功率开关器件T3的漏极与励磁电容Cexc相连，负载RL的一端与输出电容Cout的正端相连，另一端与输出电容Cout的负端相连；其特征在于：(1)开关磁阻发电机励磁模式与续流模式：以A相绕组为例，当功率开关器件TA开通时，A相绕组从励磁电容吸收能量进行励磁，若励磁电容电压Uexc低于励磁电源电压Ve，励磁电源通过二极管D3给励磁电容充电，若励磁电容电压Uexc高于励磁电源电压Ve，二极管D3截止，A相绕组由励磁电容单独励磁；当功率开关器件TA关断后，A相绕组通过续流二极管DA回馈能量给输出电容Cout；(2)励磁电容充电模式与输出电容放电模式：当功率开关器件T1开通时，输出电容电压Uout加在电感L两端，电感电流增加；当功率开关器件T1关断后，电感L通过续流二极管D2续流，对励磁电容Cexc进行充电，实现了能量从输出电容向励磁电容的传输；(3)励磁电容放电模式与输出电容充电模式：当功率开关器件T2开通时，励磁电容电压Uexc加在电感L两端，电感电流增加；当功率开关器件T2关断后，电感L通过续流二极管D1续流，对输出电容Cout进行充电，实现了能量从励磁电容向输出电容的传输；在离网型开关磁阻风力发电机系统中，蓄电池励磁电源、开关磁阻发电机和负载之间的功率流动有四种工作模式：(1)模式1：当风速较低时，开关磁阻发电机处于停机状态，此时负载完全由输出电容提供能量，蓄电池给励磁电容充电，前端电路实现能量从励磁电容向输出电容的传输；(2)模式2：当风速增加时，开关磁阻发电机开始投入运行，由于发电机输出功率低于负载所需功率，此时发电机和输出电容一起为负载提供能量，蓄电池给励磁电容充电，励磁电容一方面通过前端电路给输出电容传输能量，另一方面直接给发电机提供励磁能量；(3)模式3：当风速继续增加时，开关磁阻发电机输出功率高于负载所需功率时，此时负载完全由发电机提供能量，同时发电机将多余的能量通过前端电路传输给励磁电容，由于发电机传送给励磁电容的能量小于发电机励磁所需能量，因此励磁电容还需从蓄电池励磁电源吸收能量；(4)模式4：开关磁阻发电机输出功率继续增加时，将多余的能量通过前端电路传输给励磁电容，由于发电机传送给励磁电容的能量等于发电机励磁所需能量，因此励磁电容不需要从蓄电池励磁电源吸收能量；(5)模式5：开关磁阻发电机输出功率持续增加时，将多余的能量通过前端电路传输给励磁电容，由于发电机传输给励磁电容的能量大于发电机励磁所需能量，因此励磁电容将多余的能量储存在蓄电池励磁电源中。对前端电路采用直接电容能量控制策略使输出电压稳定，给定输出电容电压并测量实际输出电容电压Uout，根据公式E＝0.5×C×U分别计算出输出电容能量给定和实际输出电容能量Eout，式中E为电容储能能量，C为电容值，U为电容两端电压；输出电容能量给定与实际输出电容能量的差值经过PI调节器后输出电感电流给定值电感电流给定值与实际电感电流IL的差值叠加前馈补偿量ΔUL经过PI调节器后输出电感电压给定值其中ΔUL＝(Uout+Uexc)/Uout/Uexc，式中Uout为输出电容电压值，Uexc为励磁电容电压值；实际励磁电容电压Uexc减去电感电压给定值得到功率开关器件T2电压给定值则功率开关器件T2的占空比DT2为由于功率开关器件T1和T2为PWM互补工作模式，则在不考虑死区时功率开关器件T1的占空比DT1为对开关磁阻发电机进行电流斩波控制使励磁电容电压恒定；开关磁阻风力发电机系统启动后，控制前端电路使输出电容电压达到给定值，此时由于开关磁阻发电机输出功率低于负载所需功率，前端电路功率由励磁电容流向输出电容，励磁电容输入功率为负值，小于阈值Pdown，进行励磁电容输入功率闭环控制；设置励磁电容输入功率给定值为0，与励磁电容实际输入功率的差值经过PI调节器后输出电流参考值Iref，与相电流比较产生滞环信号，控制功率变换器主开关管的开通与关断；当励磁电容功率闭环控制达到稳定后，励磁电容输入功率大于阈值Pup，进行励磁电容电压闭环控制；给定励磁电容电压，与实际励磁电容电压的差值经过PI调节器后输出电流参考值Iref，与相电流比较产生滞环信号，控制功率变换器主开关管的开通与关断，最终实现励磁电容电压和输出电容电压的稳定。附图说明图1是集成功率变换器拓扑结构。图2是集成功率变换器工作模式。图3是开关磁阻风力发电机系统能量传输示意图。图4是开关磁阻风力发电机系统控制策略。具体实施方式(1)开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑结构开关磁阻风力发电机集成功率变换器由开关磁阻发电机功率变换器和前端电路组成，如图1所示。开关磁阻发电机功率变换器是传统不对称半桥功率变换器的简化，只需要一个MOSFET和一个续流二极管来控制发电机每相绕组。前端电路由励磁电源、电容、电感和三个MOSFET组成，二极管D1～D3为相应MOSFET内部寄生二极管。对于m相发电机，该集成变换器只需要3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法，包括采用开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑结构，开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑结构包括开关磁阻发电机功率变换器和前端电路：所述的开关磁阻发电机功率变换器是传统不对称半桥功率变换器的简化，每相绕组控制回路中只有一个功率开关器件和一个续流二极管；所述的前端电路包括励磁电源Ve、励磁电容Cexc、输出电容Cout、电感L和三个功率开关器件以及并联于功率开关器件两端的续流二极管：功率开关器件T1的漏极与开关磁阻发电机功率变换器续流母线的正端相连，功率开关器件T1的源极与功率开关器件T2的漏极相连，功率开关器件T2的源极与开关磁阻发电机功率变换器母线负端相连，输出电容Cout的正端与开关磁阻发电机功率变换器续流母线正端和功率开关器件T1的源极相连，输出电容Cout的负端与开关磁阻发电机功率变换器励磁母线正端和励磁电容Cexc的正端相连，励磁电容的负端与励磁电源负极和开关磁阻发电机功率变换器母线负端相连，电感L的一端与输出电容Cout的负端和励磁电容Cexc的正端相连，另一端与功率开关器件T1的源极与功率开关器件T2的漏极相连，功率开关器件T3的源极与励磁电源的正端相连，功率开关器件T3的漏极与励磁电容Cexc相连，负载RL的一端与输出电容Cout的正端相连，另一端与输出电容Cout的负端相连；其特征在于：(1)开关磁阻发电机励磁模式与续流模式：以A相绕组为例，当功率开关器件TA开通时，A相绕组从励磁电容吸收能量进行励磁，若励磁电容电压Uexc低于励磁电源电压Ve，励磁电源通过二极管D3给励磁电容充电，若励磁电容电压Uexc高于励磁电源电压Ve，二极管D3截止，A相绕组由励磁电容单独励磁；当功率开关器件TA关断后，A相绕组通过续流二极管DA回馈能量给输出电容Cout；(2)励磁电容充电模式与输出电容放电模式：当功率开关器件T1开通时，输出电容电压Uout加在电感L两端，电感电流增加；当功率开关器件T1关断后，电感L通过续流二极管D2续流，对励磁电容Cexc进行充电，实现了能量从输出电容向励磁电容的传输；(3)励磁电容放电模式与输出电容充电模式：当功率开关器件T2开通时，励磁电容电压Uexc加在电感L两端，电感电流增加；当功率开关器件T2关断后，电感L通过续流二极管D1续流，对输出电容Cout进行充电，实现了能量从励磁电容向输出电容的传输。...

【技术特征摘要】
1.一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法，包括采用开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑结构，开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑结构包括开关磁阻发电机功率变换器和前端电路：所述的开关磁阻发电机功率变换器是传统不对称半桥功率变换器的简化，每相绕组控制回路中只有一个功率开关器件和一个续流二极管；所述的前端电路包括励磁电源Ve、励磁电容Cexc、输出电容Cout、电感L和三个功率开关器件以及并联于功率开关器件两端的续流二极管：功率开关器件T1的漏极与开关磁阻发电机功率变换器续流母线的正端相连，功率开关器件T1的源极与功率开关器件T2的漏极相连，功率开关器件T2的源极与开关磁阻发电机功率变换器母线负端相连，输出电容Cout的正端与开关磁阻发电机功率变换器续流母线正端和功率开关器件T1的源极相连，输出电容Cout的负端与开关磁阻发电机功率变换器励磁母线正端和励磁电容Cexc的正端相连，励磁电容的负端与励磁电源负极和开关磁阻发电机功率变换器母线负端相连，电感L的一端与输出电容Cout的负端和励磁电容Cexc的正端相连，另一端与功率开关器件T1的源极与功率开关器件T2的漏极相连，功率开关器件T3的源极与励磁电源的正端相连，功率开关器件T3的漏极与励磁电容Cexc相连，负载RL的一端与输出电容Cout的正端相连，另一端与输出电容Cout的负端相连；其特征在于：(1)开关磁阻发电机励磁模式与续流模式：以A相绕组为例，当功率开关器件TA开通时，A相绕组从励磁电容吸收能量进行励磁，若励磁电容电压Uexc低于励磁电源电压Ve，励磁电源通过二极管D3给励磁电容充电，若励磁电容电压Uexc高于励磁电源电压Ve，二极管D3截止，A相绕组由励磁电容单独励磁；当功率开关器件TA关断后，A相绕组通过续流二极管DA回馈能量给输出电容Cout；(2)励磁电容充电模式与输出电容放电模式：当功率开关器件T1开通时，输出电容电压Uout加在电感L两端，电感电流增加；当功率开关器件T1关断后，电感L通过续流二极管D2续流，对励磁电容Cexc进行充电，实现了能量从输出电容向励磁电容的传输；(3)励磁电容放电模式与输出电容充电模式：当功率开关器件T2开通时，励磁电容电压Uexc加在电感L两端，电感电流增加；当功率开关器件T2关断后，电感L通过续流二极管D1续流，对输出电容Cout进行充电，实现了能量从励磁电容向输出电容的传输。2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻风力发电机集成功率变换器拓扑控制方法，其特征在于：在离网型开关磁阻风力发电机系统中，蓄电池励磁电源、开关磁阻发电机和负载之间的功率流动有四种工作模式：(1)模式1：当风速较低时，开关磁阻发电机处于停机状态，此时负载完全由输出电容提供能量，蓄电池给励磁电容充电，前端电路实现能量从励磁电容向输出电容的传输；(2)模式2：当风速增加时，开关磁阻发电机开始投入运行，由于发电机输出功率低于负载所需功...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昊，王青，窦宇宇，颜爽，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32