一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统技术方案

一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统，由五个开关管、四个电容器、三个二极管、一个电感、一个变压器、三个相绕组组成，第一电容器和第二电容器帮助增强励磁能力同时辅助增强输出电压泵升能力，无需过多开关管，输出电压和励磁电压可调节，也可跟随变速工况下保持稳定，大部分开关管开关频率极低，提高了系统的可靠性；本发明专利技术非常适合于中小功率开关磁阻发电机在风电领域的单机或微网并网场合应用。

A variable speed switched reluctance wind driven generator booster booster converter system

A Variable Speed Switched Reluctance Wind Turbine boost converter system consisting of five switching tubes, four capacitors, three diodes, an inductor, a transformer, and three phase windings. The first capacitor and the second capacitor help to enhance the excitation capacity and the output voltage pumping capacity without overrunning The switching frequency of most of the switches is extremely low, which improves the reliability of the system. The invention is very suitable for the application of the switched reluctance generator in the wind power field.

【技术实现步骤摘要】
一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统
本专利技术涉及风力发电领域，具体涉及一种开关磁阻风力发电机可强化励磁、直接泵升电压、结构简单灵活可控的自励变流器系统及其控制方法。
技术介绍
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，其中一相绕组不工作不影响其他相绕组的正常工作，容错性强，具有广阔的应用前景。当前风电领域，大多采用异步发电机或永磁同步发电机作为主发电机，结构复杂，成本高，也不具备开关磁阻电机的优点，目前国内外已经出现利用开关磁阻电机作为主风力发电机的研究及实践探索。开关磁阻电机一般由多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具体通电的相绕组，各相绕组分时工作；作为发电机工作时，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。开关磁阻发电机运行时，现有变流系统，在励磁阶段，励磁电源大多实现了自励模式，不过很多新型自励电源结构和控制都较为复杂。励磁阶段如果能调节励磁电压，尤其是强化励磁功能，一直是业界期待的，因为希望励磁阶段能在最短时间内快速让电流上升到所需值，从而增加发电阶段输出时间和空间，提高电能输出能力，而目前的强化励磁模式，众多的诸如增加Z源变换器强化励磁等，需要配备专门的强化励磁电路及其控制系统，增加了结构和控制复杂度，降低了可靠性。在实际中，开关磁阻发电机发出的直流电往往需要较高电压值，除后续采取一定措施升压之外，开关磁阻电机变流器本身输出端直流电压如果过低，势必也增加后续升压的压力，甚至需要几级升压，增大了系统损耗，降低了发电效率。优秀的风力发电机组系统往往是变速运行，并且为了实现最大功率点跟踪，发电机必须根据风能可以变速运行时适应其最大功率输出能力，变流器必须适应这点。变流电路，自然要用到功率开关管，尤其当众多开关管在高频开关工作时，开关管的损耗及带来的散热问题严重，典型的解决方法除增加大规模散热装置外，增加软开关装置及其控制系统是比较流行的，当然，这势必又增加了变流系统的复杂度，降低了可靠性。
技术实现思路
根据以上的
技术介绍
，本专利技术就提出了一种简易结构自励磁、一体化电感电容强化励磁、直接泵升高电压输出、低频开关、参量灵活可控、可扩展性强的开关磁阻发电机简易变流器及其调控方法。本专利技术的技术方案为：一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统，由五个开关管、四个电容器、三个二极管、一个电感、一个变压器、三个相绕组组成，其技术特征是，所述第一开关管阳极与所述电感一端、所述第二二极管阳极、所述第二电容器正极连接，电感另一端与所述第一电容器负极、所述第三二极管阴极、所述第四电容器正极连接，第一电容器正极与第二二极管阴极、所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极、所述第四开关管阳极连接，第一开关管阴极与所述第一二极管阴极、第四电容器负极、所述变压器二次侧绕组一端连接，第一二极管阳极与第二电容器负极、所述第三电容器负极、所述第五开关管阴极连接，并作为输出负极端，第二开关管阴极与所述第一相绕组一端连接，第三开关管阴极与所述第二相绕组一端连接，第四开关管与所述第三相绕组一端连接，第一相绕组另一端与第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、第三电容器正极、变压器一次侧绕组一端连接，并作为输出正极端，第五开关管阳极与变压器一次侧绕组另一端连接，第三二极管阳极与变压器二次侧绕组另一端连接；所有开关管均为全控型电力电子开关器件。本专利技术一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统的控制方法为：根据开关磁阻发电机理论和运行原理，结合转子位置信息，检测到当第一相绕组需通电投入工作时，同时闭合导通第一开关管和第二开关管，第一电容器、第二电容器、第四电容器共同向第一相绕组供电励磁，同时向第三电容器充电及输出，该励磁阶段同时实现第四电容器向电感充电；后续根据新的转子实时位置信息需结束励磁阶段时，关断第一开关管，第一相绕组中的储能经由第四电容器和电感向外输出并向第三电容器充电，同时电感同样输出电能，此为发电阶段；当第一相绕组的储能释放完毕并且不再向外输出电能，来自电感和第四电容器两端电能分别向第一电容器、第二电容器充电；当根据转子位置信息其他相绕组需要投入工作时，断开第二开关管；第一开关管和第二开关管、第三开关管、第四开关管的开关状态，包括开关占空比和开关周期，都完全结合开关磁阻发电机的实时转子位置信息的需要而动作，第五开关管的开关占空比则按照如下公式约束：DV5＝(1-DV1)/(2Kn+1-DV1)(1)式(1)中，DV5为第五开关管占空比，DV1为第一开关管占空比，n为变压器二次侧绕组与一次侧绕组匝数之比，K为电压系数，并且0＜K＜1；在风电工况下，随着发电机组转速的变化，DV5跟随DV1和K的变化而变化，从而保持输出端电压的稳定；另外，当输出负载端对输出电压做出调整的指令时，DV5将主动改变以调整输出电压值；系统在起动之前，确保第四电容器两端有满足要求的足够的储能的条件，并且待第三电容器两端电压高于最低值以上时第五开关管才投入工作，否则一直处于断开状态；另外，电感的电感值要足够大，以满足发电系统在最低转速工况下电感所在支路电流不断流为基准；第二相绕组和第三相绕组需投入工作时的控制原理与以上第一相绕组的控制相同，第三开关管和第四开关管对应第二开关管。本专利技术的技术效果主要有：(1)本专利技术变流器主电路的结构简单，作为三相开关磁阻发电机，变流器所需开关管数量仅为五个，但功能多样，包括自励磁、变励磁电压、自强化励磁、直接泵升直流电压输出等，控制简便。(2)利用第一电容器、第二电容器实现励磁阶段励磁电压的增强，无需专门的励磁强化电路及其控制系统，降低了成本提高了可靠性。(3)变流主电路自身直接实现输出电压的高输出，减轻了后续升压装置的压力，并且可通过第五开关管的占空比调节，来辅助保持输出电压的稳定，提高电能质量。(4)本专利技术的变流电路，可适应变速风电工况，无论其转速范围内的多大速度，都根据转子实时位置调控第一开关管和第二开关管、第三开关管、第四开关管。(5)第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管的开关频率，结合实际中风力发电机组的每分钟几百转到最高几千转的现实，这些开关管的开关频率中最高的第一开关管也仅仅为几百赫兹左右，所以开关损耗低，对软开关压力小，必要保护措施下无需专门的软开关控制系统，简化了结构降低了成本；第五开关管则可设置为相对较高的频率，以便使得变压器体积重量减小减轻，降低成本，当然在其可正常工作的前提条件下。(6)当需要保持输出电压稳定时，第五开关管的占空比根据式(1)约束，一般来说n小于或等于1；当需要主动调整励磁电压或因应输出端对输出电压改变的要求时，第五开关管占空比DV5主动调整以适应，所以，本专利技术可以实现变励磁电压，也可以适应输出侧需要调整发电电压，增强了本专利技术的适应性、灵活性，对最大功率点跟踪控制、增强发电效益、穿越输出端故障等有积极意义。附图说明图1所示为本专利技术的一种变速开关磁阻风力发电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统，由五个开关管、四个电容器、三个二极管、一个电感、一个变压器、三个相绕组组成，其技术特征是，所述第一开关管阳极与所述电感一端、所述第二二极管阳极、所述第二电容器正极连接，电感另一端与所述第一电容器负极、所述第三二极管阴极、所述第四电容器正极连接，第一电容器正极与第二二极管阴极、所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极、所述第四开关管阳极连接，第一开关管阴极与所述第一二极管阴极、第四电容器负极、所述变压器二次侧绕组一端连接，第一二极管阳极与第二电容器负极、所述第三电容器负极、所述第五开关管阴极连接，并作为输出负极端，第二开关管阴极与所述第一相绕组一端连接，第三开关管阴极与所述第二相绕组一端连接，第四开关管与所述第三相绕组一端连接，第一相绕组另一端与第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、第三电容器正极、变压器一次侧绕组一端连接，并作为输出正极端，第五开关管阳极与变压器一次侧绕组另一端连接，第三二极管阳极与变压器二次侧绕组另一端连接；所有开关管均为全控型电力电子开关器件。

【技术特征摘要】
1.一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统，由五个开关管、四个电容器、三个二极管、一个电感、一个变压器、三个相绕组组成，其技术特征是，所述第一开关管阳极与所述电感一端、所述第二二极管阳极、所述第二电容器正极连接，电感另一端与所述第一电容器负极、所述第三二极管阴极、所述第四电容器正极连接，第一电容器正极与第二二极管阴极、所述第二开关管阳极、所述第三开关管阳极、所述第四开关管阳极连接，第一开关管阴极与所述第一二极管阴极、第四电容器负极、所述变压器二次侧绕组一端连接，第一二极管阳极与第二电容器负极、所述第三电容器负极、所述第五开关管阴极连接，并作为输出负极端，第二开关管阴极与所述第一相绕组一端连接，第三开关管阴极与所述第二相绕组一端连接，第四开关管与所述第三相绕组一端连接，第一相绕组另一端与第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、第三电容器正极、变压器一次侧绕组一端连接，并作为输出正极端，第五开关管阳极与变压器一次侧绕组另一端连接，第三二极管阳极与变压器二次侧绕组另一端连接；所有开关管均为全控型电力电子开关器件。2.根据权利要求1所述的一种变速开关磁阻风力发电机强励泵升压变流器系统的控制方法为：根据开关磁阻发电机理论和运行原理，结合转子位置信息，检测到当第一相绕组需通电投入工作时，同时闭合导通第一开关管和第二开关管，第一电容器、第二电容器、第四电容器共同向第一相绕组供电励磁，同时向第三电容器充电及输出，该励磁阶段同时实现第四电...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙冠群，何金龙，李刚，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33