一种基于开关磁阻电机的ORC系统及控制方法技术方案

本申请公开了一种基于开关磁阻电机的ORC系统及控制方法，属于余热发电领域，所述ORC系统包括：热循环系统、高速开关磁阻电机和电力电子系统；热循环系统由蒸发器、余热水管道、工质泵、冷却水泵、冷凝器、电机冷却水管道、透平机组成；电力电子系统由高速开关磁阻发电机功率变换器、并网变流器及控制器组成。热循环系统的主要功能为将余热能转化为循环工质的热能，气态的循环工质进入透平机，推动叶轮转动做功；高速开关磁阻发电机将透平机叶轮的机械能转换为电能；电力电子系统的作用是将电机的高频电压转化为与电网电压频率一致的电能。能有效解决现有ORC系统难以直驱大范围变速运行、可靠性低、设计制造和控制复杂、成本高等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于开关磁阻电机的ORC系统及控制方法
本申请涉及余热发电
，具体涉及一种基于开关磁阻电机的ORC系统及控制方法。
技术介绍
现有的ORC系统主要采用异步电机和永磁同步电机作为发电机，异步发电机只能够小范围的进行电机转速的调节，使用时需要安装增速齿轮箱，明显满足不了ORC系统要求发电机能够实现大范围变速直驱的需求，并且异步电机设计制造和运行控制较复杂、低速时发电效率低，而永磁同步电机需要的永磁材料抗震性能差，容易受到温度的影响，且存在高温或偶尔出现短路电流而产生去磁的危险，因此可靠性低，电机制造也困难，并且永磁同步电机需要使用大量的稀土资源，随着国家稀土资源的大量消耗，所述永磁同步电机的产品成本逐渐提高，且不可持续发展。异步发电机和永磁同步发电机发出的电都是交流电，随着转速的提高，输出交流电的频率也相应的提高，整流IGBT的驱动频率也随着提高。同步发电机输出交流电的频率计算公式为f=P*n/60，异步发电机输出交流电的频率计算公式为f=(P*n/60)*(1-s)，其中：f为发电机输出的交流电频率；n为发电机转子转速；P为发电机的极对数；s为异步电机转差率，取值范围为1.5%~5%。以同步发电机举例说明，如同步发电机输出的转速为40000r/min，极对数为2极，则输出的交流电频率为f=2*4000/60=1333.33HZ，整流IGBT驱动频率按每个交流电频率载波400次计算，得出IGBT驱动频率：fPWM=1333.33*400=533333.33HZ≈533kHZ。而IGBT驱动频率fPWM不超过100kHZ，因此同步电机和异步电机很难应用于几万转以上的高速发电场合。
技术实现思路
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：第一方面，本申请实施例提供了一种基于开关磁阻电机的ORC系统，包括：热循环系统、高速开关磁阻发电机、电力电子系统，所述高速开关磁阻发电机分别连接所述热循环系统和所述电力电子系统；其中，所述电力电子系统包括：高速开关磁阻发电机功率变换器、并网变流器和控制器；所述高速开关磁阻发电机的输出端与所述高速开关磁阻发电机功率变换器的输入端电连接，所述并网变流器分别连接所述高速开关磁阻发电机功率变换器的输出端和电网侧，所述控制器分别与所述高速开关磁阻发电机、高速开关磁阻发电机功率变换器和并网变流器电连接。采用上述实现方式，所述热循环系统将余热能转化为机械能带动高速开关磁阻发电机旋转；所述高速开关磁阻发电机将机械能转换为电能，送入高速开关磁阻发电机功率变换器中；所述电力电子系统负责整个系统的能量变换；所述高速开关磁阻发电机功率变换器将高速开关磁阻发电机发出的周期性变化的电压转换成恒定的直流电，并在直流母线电压过压时进行多余能量泄放；所述并网变流器将直流电转化为与电网电压频率一致的电能，并入电网；所述控制器控制高速开关磁阻发电机功率变换器和并网变流器进行功率变换。能有效解决现有ORC系统难以直驱大范围变速运行、可靠性低、设计制造和控制复杂、成本高等问题。结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述电力电子系统还包括：编码器、发电机电压电流采样电路、电机驱动电路、母线电压采样电路、整流器驱动电路和网侧电压电流采样电路；所述编码器分别与所述高速开关磁阻发电机和所述控制器电连接，所述发电机电压电流采样电路分别与所述高速开关磁阻发电机的输出端和所述控制器电连接，所述电机驱动电路分别与所述高速开关磁阻发电机功率变换器和所述控制器电连接，所述母线电压采样电路分别与所述高速开关磁阻发电机功率变换器的输出端和所述控制器电连接，所述整流器驱动电路分别与所述并网变流器和所述控制器电连接，所述网侧电压电流采样电路分别与所述并网变流器的输出端和所述控制器电连接。所述编码器采集高速开关磁阻发电机的转速及位置信息；所述发电机电压电流采样电路采集高速开关磁阻发电机输出端的电压和电流信息；所述电机驱动电路驱动高速开关磁阻发电机功率变换器将高速开关磁阻发电机发出的周期性变化的电压转换成恒定的直流电，并在直流母线电压过压时进行多余能量泄放；所述母线电压采样电路采集母线电压；所述整流器驱动电路驱动并网变流器将能量输送到电网；所述网侧电压电流采样电路采集网侧三相交流电的电压和电流。结合第一方面，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述热循环系统包括：蒸发器、余热水管道、工质泵、冷却水泵、阀门、冷凝器、电机冷却水管道和透平机，所述蒸发器分别与所述余热水管道、工质泵的第一端和透平机的第一端相连接，所述冷凝器分别与所述透平机的第二端、所述工质泵的第二端和所述冷却水泵相连接，所述电机冷却水管道一端与所述冷却水泵相连接，另一端与高速开关磁阻发电机的冷却系统相连接，所述阀门设置在热循环系统中的连接管路上。所述热循环系统将余热水中的热能转化为循环工质的热能，余热水通过余热水管道进入到蒸发器中，与液态的循环工质充分地进行热交换，气态的循环工质进入透平机，推动叶轮转动做功，做功后的循环工质温度降低，进入到冷凝器中与冷却水进行热交换后液化，重新被工质泵泵入蒸发器进行新一轮的循环；高速开关磁阻发电机将透平机叶轮的机械能转换为电能，透平机叶轮直接驱动高速开关磁阻发电机的转子高速旋转，在电机绕组中产生电能。结合第一方面，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述高速开关磁阻发电机功率变换器采用不对称半桥电路，每一相包括两个主开关器件以及两个续流二极管，A相由开关器件Q1、Q2及续流二极管D1、D2组成，并接到高速开关磁阻发电机A相绕组的A+与A-两端；B相由开关器件Q3、Q4及续流二极管D3、D4组成，并接到高速开关磁阻发电机B相绕组的B+与B-两端；C相由开关器件Q5、Q6及续流二极管D5、D6组成，并接到高速开关磁阻发电机C相绕组的C+与C-两端，开关器件Q13和R串联连接为高速开关磁阻发电机功率变换器的泄放电路，当直流母电压过高时，通过Q13和R将多余的能量泄放掉，CDC为滤波电容，与所述泄放电路并联连接。结合第一方面，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述并网变流器为二电平PWM整流器，由开关器件Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12组成，所述开关器件Q7和Q8串联连接组成第一整流电路，所述开关器件Q9和Q10串联连接组成第二整流电路，所述开关器件Q11和Q12串联连接组成第三整流电路，所述第一整流电路、第二整流电路和第三整流电路并联连接，其控制方式采用固定开关频率控制或滞环控制或失量控制。结合第一方面，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述并网变流器采用三电平或多电平拓扑结构，其控制方式采用固定开关频率控制或滞环控制或失量控制。结合第一方面，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述控制器包括主控板、触摸屏和控制电源，所述控制电源分别与所述主控板和所述触摸屏电连接，所述主控板分别与所述触摸屏和所述关磁阻发电机功率变换器电连接。控制电源向主控板和触摸屏提供电源；主控板控制开关磁阻发电机功率变换器将高速开关磁阻发电机发出的周期性电压转换成直流电，并控制直流母线的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于开关磁阻电机的ORC系统，其特征在于，包括：热循环系统、高速开关磁阻发电机、电力电子系统，所述高速开关磁阻发电机分别连接所述热循环系统和所述电力电子系统；其中，所述电力电子系统包括：高速开关磁阻发电机功率变换器、并网变流器和控制器；所述高速开关磁阻发电机的输出端与所述高速开关磁阻发电机功率变换器的输入端电连接，所述并网变流器分别连接所述高速开关磁阻发电机功率变换器的输出端和电网侧，所述控制器分别与所述高速开关磁阻发电机、高速开关磁阻发电机功率变换器和并网变流器电连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于开关磁阻电机的ORC系统，其特征在于，包括：热循环系统、高速开关磁阻发电机、电力电子系统，所述高速开关磁阻发电机分别连接所述热循环系统和所述电力电子系统；其中，所述电力电子系统包括：高速开关磁阻发电机功率变换器、并网变流器和控制器；所述高速开关磁阻发电机的输出端与所述高速开关磁阻发电机功率变换器的输入端电连接，所述并网变流器分别连接所述高速开关磁阻发电机功率变换器的输出端和电网侧，所述控制器分别与所述高速开关磁阻发电机、高速开关磁阻发电机功率变换器和并网变流器电连接。


2.根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机的ORC系统，其特征在于，所述电力电子系统还包括：编码器、发电机电压电流采样电路、电机驱动电路、母线电压采样电路、整流器驱动电路和网侧电压电流采样电路；所述编码器分别与所述高速开关磁阻发电机和所述控制器电连接，所述发电机电压电流采样电路分别与所述高速开关磁阻发电机的输出端和所述控制器电连接，所述电机驱动电路分别与所述高速开关磁阻发电机功率变换器和所述控制器电连接，所述母线电压采样电路分别与所述高速开关磁阻发电机功率变换器的输出端和所述控制器电连接，所述整流器驱动电路分别与所述并网变流器和所述控制器电连接，所述网侧电压电流采样电路分别与所述并网变流器的输出端和所述控制器电连接。


3.根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机的ORC系统，其特征在于，所述热循环系统包括：蒸发器、余热水管道、工质泵、冷却水泵、阀门、冷凝器、电机冷却水管道和透平机，所述蒸发器分别与所述余热水管道、工质泵的第一端和透平机的第一端相连接，所述冷凝器分别与所述透平机的第二端、所述工质泵的第二端和所述冷却水泵相连接，所述电机冷却水管道一端与所述冷却水泵相连接，另一端与高速开关磁阻发电机的冷却系统相连接，所述阀门设置在热循环系统中的连接管路上。


4.根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机的ORC系统，其特征在于，所述高速开关磁阻发电机功率变换器采用不对称半桥电路，每一相包括两个主开关器件以及两个续流二极管，A相由开关器件Q1、Q2及续流二极管D1、D2组成，并接到高速开关磁阻发电机A相绕组的A+与A-两端；B相由开关器件Q3、Q4及续流二极管D3、D4组成，并接到高速开关磁阻发电机B相绕组的B+与B-两端；C相由开关器件Q5、Q6及续流二极管D5、D6组成，并接到高速开关磁阻发电机C相绕组的C+与C-两端，开关器件Q13和R串联连接为高速开关磁阻发电机功率变换器的泄放电路，当直流母电压过高时，通过Q13和R将多余的能量泄放掉，CDC为滤波电容，与所述泄放电路并联连接。


5.根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机的ORC系统，其特征在于，所述并网变流器为二电平PWM整流器，由开关器件Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12组成，所述开关器件Q7和Q8串联连接组成第一整流电路，所述开关器件Q9和Q10串联连接组成第二整流电路，所述开关器件Q11和Q12串联连接组成第三整流电路，所述第一整流电路、第二整流电路和第三整流电路并联连接，其控制方式采用固定开关频率控制或滞环控制或失量控制。


6.根据权利要求1所述的基于开关磁阻电机的ORC系统，其特征在于，所述并网变流器采用三电平或多...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗强，林军木，李红伟，
申请(专利权)人：成都署信科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51