本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种开关磁阻风力发电机的变流器电路拓扑系统及其控制方法。
背景技术：
利用开关磁阻发电机发电，是一种新型的发电方式；将开关磁阻发电机用于适应风力特性下的发电系统，目前国内外尚无真正商业使用的案例，原因在于开关磁阻发电机独有的结构和变流系统较为特殊，近年来正处于研究当中。
风力发电是阳光产业，目前的风力发电机大多采用永磁同步或双馈异步发电机，前者近年来已显现出成本高昂的缺点，尤其是稀土永磁材料的大量使用，后者需要定转子双绕组，双变流器系统；而开关磁阻发电机结构简单、坚固耐用、成本低廉、容错性强可靠性高，效率也高于双馈异步发电机，具有广阔的应用前景。
风电行业，最大功率输出能力是该产业中发电机组运行控制中的关键，更高的效率和效益，更大的发电能力功率密度，更宽的发电范围，是该领域所特别需要的。
开关磁阻发电机变流器是开关磁阻发电机系统运行和控制的中枢环节，目前已有的变流器结构中，励磁与发电两阶段如果各自独立运行与控制，则为他励型，如果励磁所需电源来自发电阶段的发出电能，则为自励型，传统自励型为直接将发电电压作为励磁电压，电压和电流波动大，他励型虽然电压电流波动小但需要提供专门的他励电源，增加了维护工作量。
目前业界也有一些解耦型的自励型开关磁阻发电机变流器系统，励磁电压也可以独立调节，增强了该系统在风电领域的适应性，但灵活性不足，譬如励磁电源出现故障或者控制所限，励磁电压变化范围不宽，或者仅仅单独依靠励磁电源的变化来调节绕组励磁阶段电压和电流，必要时缺乏对系统的快速反应的多方位强化控制能力。
另外，在适应极低风速、极高风速、极高转速、极低负载等方面，也需要新的系统能考虑到这些，从而可提高整个发电系统的可发电运行宽度，进而提高系统的发电效益和效率。
业界目前的众多考虑中，很大的一个趋势是使得变流器越来越复杂，所需的开关管越来越多，开关管的频繁的开关动作，尤其pwm控制等，造成了大量的开关损耗，消耗了大量电能，降低了发电效率。
技术实现要素：
根据以上的背景技术，本发明就提出一种宽励磁电压调节范围、双方式分别调控的提高励磁强化能力、多开关管但少开关频率、特殊续流回路提升发电阶段前绕组电流等方面的变流器系统结构及其控制方法，提升了适应风力特性的宽范围发电区间以及发电输出能力，提高了发电效率和效益，相对的则简化了结构。
本发明的技术方案为：
一种开关磁阻风力发电机变流器，由变流主电路、输出母线电容器、隔离式dc/dc变换器、励磁与放电主电路组成，所述变流主电路输出正负两端连接所述输出母线电容器正负两端，同时作为所述隔离式dc/dc变换器的输入正负两端，隔离式dc/dc变换器输出正负两端连接所述励磁与放电主电路输入正负两端，励磁与放电主电路输出正负两端连接变流主电路输入正负两端，变流主电路输出正极端也连接励磁与放电主电路的放电输入端，励磁与放电主电路输出正极端、变流主电路输出负极端、变流主电路输入正极端短接；
所述变流主电路由三个或四个变流支路并联组成，每个变流支路内部连接开关磁阻发电机的一相绕组，每相绕组含有两套绕组，并分开连接，具体来说，每个变流支路由第一套绕组、第二套绕组、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第一二极管组成，其中，所述第一套绕组一端、所述第一开关管阳极、所述第二开关管阴极短接并作为变流主电路输入正极端，第一开关管阴极连接所述第一二极管阴极和所述第二套绕组一端，第一套绕组另一端连接第一二极管阳极和所述第三开关管阳极，第二套绕组另一端连接第三开关管阴极、所述第四开关管阳极、第二开关管阳极、所述第五开关管阳极，第四开关管阴极作为变流主电路输入负极端，第五开关管阴极作为变流主电路输出正极端；
所述隔离式dc/dc变换器内含电磁隔离环节，其输出直流电压值与输入直流电压值相等；
所述励磁与放电主电路由第六开关管、第七开关管、第八开关管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电感、第二电感、电容器组成，其中，所述第六开关管阳极作为励磁与放电主电路输入正极端，第六开关管阴极与所述第二二极管阴极、所述第一电感一端连接，第一电感另一端与所述第七开关管阳极、所述第三二极管阳极连接，第三二极管阴极与所述电容器正极、所述第二电感一端连接并作为励磁与放电主电路输出正极端，第二电感另一端与所述第四二极管阴极、所述第八开关管阴极连接，第八开关管阳极作为励磁与放电主电路的放电输入端连接变流主电路输出正极端，第二二极管阳极、第七开关管阴极、电容器负极、第四二极管阳极短接并作为励磁与放电主电路输入和输出负极端。
一种开关磁阻风力发电机变流器的控制方法，分为三类工作模式：
第一类工作模式，当发电机组负载突然变大，或发电起动阶段，或最大功率跟踪等等需要快速加强励磁时即快速加强变流主电路输入电流以便提高发电机组功率输出能力时切入此模式，该类工作模式又分为两种：
(1)根据开关磁阻发电机转子位置，连接需工作的相绕组的变流支路的第一开关管、第三开关管、第四开关管闭合，第二开关管、第五开关管断开，第六开关管闭合，第八开关管断开，第七开关管按pwm控制方式工作，其占空比的大小根据控制系统对工作中的相绕组中的电流值需求调节，以上该阶段为开关磁阻发电机的相绕组的励磁阶段，根据发电机转子位置检测情况到达励磁阶段结束位置时，第一开关管、第三开关管、第四开关管断开，第五开关管闭合，进入发电阶段，待根据发电机转子位置到发电阶段结束时，断开第五开关管，该相绕组工作结束；
(2)在以上第一类工作模式(1)中，即使在第七开关管占空比调解下的励磁与放电主电路可达到的最大输出电压依然不能使得发电机的励磁阶段结束时相绕组电流满足需求，进入该种工作模式：励磁阶段开始时与第一类工作模式第(1)种工作模式下励磁阶段开始时各开关管动作模式相同，在励磁阶段即将结束时，提前10％的原励磁时间检测绕组电流不能达到所需励磁电流80％时，此时断开第一开关管、第三开关管、第四开关管，闭合第二开关管，使得相绕组进入续流阶段，从而在无反向电压情况下相绕组电流快速提升，待到达发电阶段开始时，断开第二开关管，同时闭合第五开关管，进入与第一类工作模式第(1)种模式相同的发电阶段，如果发电阶段开始前续流阶段期间相绕组电流已满足需求，则提前进入发电阶段；
该类工作模式下第六开关管始终保持闭合状态，第八开关管始终保持断开状态，第二开关管仅仅在续流阶段时才闭合，第一开关管、第三开关管、第四开关管仅仅在励磁阶段时才闭合，第五开关管仅仅在发电阶段时才闭合；
第二类工作模式，风力发电机组的转速与输出功率均在各自额定值的±10％区域范围内时：
第一开关管、第二开关管、第三开关管、第八开关管始终处于断开状态，工作期间没有续流阶段，励磁结束直接进入发电阶段；根据发电机转子位置检测结果，需要某变流支路投入工作时，该变流支路的第四开关管闭合首先进入励磁阶段，励磁与放电主电路的第六开关管、第七开关管的开关状态根据如下原则调节：根据所需绕组电流情况，当需要励磁电压即励磁与放电主电路输出电压相对母线电压即变流主电路输出电压减小时，第七开关管断开，第六开关管按照pwm控制方式工作，具体占空比根据所需绕组电流闭环控制需要确定；当需要励磁电压相对母线电压增大即提高绕组电流时，第六开关管闭合，第七开关管按照pwm控制方式工作，具体占空比根据所需绕组电流闭环控制需要确定；当励磁阶段第六开关管一直闭合，第七开关管一直断开时，励磁阶段结束时绕组电流正好在满足需求值的误差范围内，则不进行pwm控制；
第三类工作模式，当风电机组输出端负载突然变小，或发电机组高速运行母线电压过高等需要减小风电机组输出功率即减小励磁电压时，进入该类工作模式下：
该类工作模式下第一开关管、第二开关管、第三开关管、第七开关管始终处于断开状态，根据转子位置预工作变流支路励磁阶段来临时第四开关管闭合，第六开关管采用pwm控制方式，通过其占空比的调节改变励磁与放电主电路的输出励磁电压，根据转子位置情况励磁阶段结束后第四开关管断开第五开关管闭合进入发电阶段，当刚结束工作的变流支路发电阶段工作结束后使得发电输出的输出母线电容器两端电压升高时，或者输出母线电容器两端电压在超额定母线电压5％以上时，后续变流支路励磁阶段时第六开关管的占空比按比例调节变小，在此期间，第八开关管闭合将输出母线电容器两侧电能向第二电感放电，检测到放电回路电流达到限定值时断开第八开关管。
本发明的技术效果主要有：
(1)两种方式实现强化励磁，可叠加使用，做到强强联合，即在励磁阶段令第一开关管、第三开关管闭合，第六开关管闭合，第七开关管pwm控制，然后第四开关管闭合进入励磁阶段时，此时励磁的相绕组每套绕组都承受整个的励磁电压值，相对增强一倍励磁电压，而励磁与放电主电路则工作在升压模式，即输出励磁电压大于母线电压模式强化励磁，进而提高了整个发电系统的快速的发电输出能力。
(2)本发明变流器结构中第二开关管的设置，在励磁电流即发电阶段开始前相绕组电流不能达到所需值时，闭合第二开关管增加一无反压的续流阶段，可短时间内快速提升绕组电流，进而提升了发电阶段起始绕组电流，从而有利于提高发电系统功率输出能力。
(3)变流主电路的结构，既可以根据需要选择强化励磁(即第一开关管和第三开关管闭合励磁)工作模式，也可以在高风速中低负载时选择常规励磁(即第一开关管和第三开关管断开励磁)模式，拓宽了变流器对外在条件的适应性。
(4)本发明的励磁结构及其控制方法，即励磁与放电主电路及其控制方法下，不但实现了发电母线电压与励磁电压的解耦，而且励磁电压的调节范围宽广，也可以保持励磁电压稳定等于母线电压。
(5)本发明的放电环节，在负载过小或风力过大或转速过大等不需要过多电能而且变流器储能过多情况下，可快速的放电给予相关保护措施，并且第二电感吸收放电电能后，待第八开关管放电结束一段落而关断后，第二电感储存的电能可反馈向电容器充电，从而有效利用了电能可用于后续励磁阶段的工作，不浪费，提高整个发电系统的效益和效率。
(6)从本发明的工作模式中可见，除非在相对极端的情况下，否则，在额定区附近工作时，第一开关管、第二开关管、第三开关管是常开的开关状态，不轻易闭合工作，则该几个开关管的开关损耗、通态损耗总体很小，其余开关管也常出现断开状态，并且绝大多数开关管工作在单脉波开关模式，所以，虽然本发明的结构所需开关管数量较多，但因此而产生的损耗增加并不明显。
附图说明
图1所示为本发明的开关磁阻风力发电机变流器电路结构图。
图1中：1、变流主电路，2、隔离式dc/dc变换器，3、励磁与放电主电路。
具体实施方式
一种开关磁阻风力发电机变流器，附图1为本发明的变流器电路结构图，由变流主电路1、输出母线电容器cm、隔离式dc/dc变换器2、励磁与放电主电路3组成，变流主电路1输出正负两端连接输出母线电容器cm正负两端，同时作为隔离式dc/dc变换器2的输入正负两端，隔离式dc/dc变换器2输出正负两端连接励磁与放电主电路3输入正负两端，励磁与放电主电路3输出正负两端连接变流主电路1输入正负两端，变流主电路1输出正极端也连接励磁与放电主电路3的放电输入端，励磁与放电主电路3输出正极端、变流主电路1输出负极端、变流主电路1输入正极端短接。
本实施例的开关磁阻发电机为四相8/6极双套绕组型，其变流主电路1由四个变流支路并联组成，每个变流支路内部连接开关磁阻发电机的一相绕组，每相绕组含有两套绕组，并分开连接，具体来说，每个变流支路由第一套绕组m1/n1/p1/q1、第二套绕组m2/n2/p2/q2、第一开关管v1/v6/v11/v16、第二开关管v2/v7/v12/v17、第三开关管v3/v8/v13/v18、第四开关管v4/v9/v14/v19、第五开关管v5/v10/v15/v20、第一二极管d1/d2/d3/d4组成，其中，第一套绕组m1/n1/p1/q1一端、第一开关管v1/v6/v11/v16阳极、第二开关管v2/v7/v12/v17阴极短接并作为变流主电路1输入正极端，第一开关管v1/v6/v11/v16阴极连接第一二极管d1/d2/d3/d4阴极和第二套绕组m2/n2/p2/q2一端，第一套绕组m1/n1/p1/q1另一端连接第一二极管d1/d2/d3/d4阳极和第三开关管v3/v8/v13/v18阳极，第二套绕组m2/n2/p2/q2另一端连接第三开关管v3/v8/v13/v18阴极、第四开关管v4/v9/v14/v19阳极、第二开关管v2/v7/v12/v17阳极、第五开关管v5/v10/v15/v20阳极，第四开关管v4/v9/v14/v19阴极作为变流主电路1输入负极端，第五开关管v5/v10/v15/v20阴极作为变流主电路1输出正极端。
隔离式dc/dc变换器2内含电磁隔离环节，其输出直流电压值与输入直流电压值相等，即起到电磁隔离以及对输入输出两端滤波功能。
励磁与放电主电路3由第六开关管v21、第七开关管v22、第八开关管v23、第二二极管d5、第三二极管d6、第四二极管d7、第一电感l1、第二电感l2、电容器c组成，其中，第六开关管v21阳极作为励磁与放电主电路3输入正极端，第六开关管v21阴极与第二二极管d5阴极、第一电感l1一端连接，第一电感l1另一端与第七开关管v22阳极、第三二极管d6阳极连接，第三二极管d6阴极与电容器c正极、第二电感l2一端连接并作为励磁与放电主电路3输出正极端，第二电感l2另一端与第四二极管d7阴极、第八开关管v23阴极连接，第八开关管v23阳极作为励磁与放电主电路3的放电输入端连接变流主电路1输出正极端，第二二极管d5阳极、第七开关管v22阴极、电容器c负极、第四二极管d7阳极短接并作为励磁与放电主电路3输入和输出负极端。
根据本实施例的变流器结构及其控制系统，控制方法分为三类工作模式，根据控制系统在不同负载及不同工况下的需求选择。
第一类工作模式是在发电机组负载突然变大，或发电起动阶段，或最大功率跟踪等等需要快速加强励磁时即快速加强变流主电路输入电流以便提高发电机组功率输出能力时切入，该类工作模式又具体分为两种：
(1)根据开关磁阻发电机转子位置，假设m相绕组具备工作条件，则首先控制第一开关管v1、第三开关管v3、第四开关管v4闭合，第二开关管v2、第五开关管v5断开，第六开关管v21闭合，第八开关管v23断开，第七开关管v22按pwm控制方式工作，其占空比的大小根据对m相绕组中的电流值需求调节，以上该阶段为开关磁阻发电机的相绕组的励磁阶段，在此阶段由于第六开关管v21始终闭合，第七开关管v22闭合时第一电感l1被充电同时电容器c向m相绕组提供励磁电压，而第七开关管v22关断时则是第一电感l1和电容器c共同向m相绕组提供励磁电压，起到了增强励磁的效果；另外，第一开关管v1和第三开关管v3的闭合后励磁，则m1和m2每一套绕组承受的励磁电压分别等于励磁与放电主电路3的输出电压，如果第一开关管v1和第三开关管v3断开状态的励磁，则m1和m2每套绕组两端励磁电压仅有励磁与放电主电路3的输出电压值的一半，从而该模式的变流支路励磁阶段下绕组的电压提升一倍；
当根据发电机转子位置检测情况到达励磁阶段结束位置时，第一开关管v1、第三开关管v3、第四开关管v4断开，第五开关管v5闭合，进入发电阶段，待根据发电机转子位置到发电阶段结束时，断开第五开关管v5，该m相绕组工作结束。
(2)在以上第一类工作模式(1)中，即使在第七开关管v22占空比调解下的励磁与放电主电路3可达到的最大输出电压依然不能使得发电机的励磁阶段结束时相绕组电流满足需求，接下来进入工作状态的后续相绕组进入该种工作模式，假设为n相绕组所在变流支路：励磁阶段开始时与第一类工作模式第(1)种工作模式下励磁阶段开始时各开关管动作模式相同，在励磁阶段即将结束时，提前10％的原励磁时间检测绕组电流不能达到所需励磁电流80％时，此时断开第一开关管v6、第三开关管v8、第四开关管v9，闭合第二开关管v7，使得相绕组进入续流阶段，此时该n相绕组电流回路为n1-d2-n2-v7-n1，因而n相绕组没有外在反向电压(发电阶段时母线电压会给予绕组反向电压)，则该回路绕组电流更快速的获得增大，待到达发电阶段开始时，断开第二开关管v7，同时闭合第五开关管v10，进入与第一类工作模式第(1)种模式相同的发电阶段，如果发电阶段开始前续流阶段期间相绕组电流已满足需求，则提前进入发电阶段。
该类工作模式下第六开关管v21始终保持闭合状态，第八开关管v23始终保持断开状态，第二开关管v2/v7/v12/v17仅仅在续流阶段时才闭合，第一开关管v1/v6/v11/v16、第三开关管v3/v8/v13/v18、第四开关管v4/v9/v14/v19仅仅在励磁阶段时才闭合，第五开关管v5/v10/v15/v20仅仅在发电阶段时才闭合。
第二类工作模式，风力发电机组的转速与输出功率均在各自额定值的±10％区域范围内时：
根据转子位置假设m相绕组需进入工作状态时，其变流支路的第一开关管v1、第二开关管v2、第三开关管v3、第八开关管v23始终处于断开状态，工作期间没有续流阶段，励磁结束直接进入发电阶段；励磁开始时第四开关管v4闭合首先进入励磁阶段，第六开关管v21、第七开关管v22的开关状态根据如下原则调节：根据所需绕组电流情况，当需要励磁电压即励磁与放电主电路3输出电压相对母线电压即变流主电路输出电压减小时，第七开关管v22断开，第六开关管v21按照pwm控制方式工作，此时励磁电压低于母线电压，具体励磁电压即第六开关管v21的占空比根据所需绕组电流闭环控制需要调节；当需要励磁电压相对母线电压增大即提高绕组电流时，第六开关管v21闭合，第七开关管v22按照pwm控制方式工作，此工况下励磁电压将大于母线电压，具体占空比根据所需绕组电流闭环控制需要调节；当励磁阶段第六开关管v21一直闭合，第七开关管v22一直断开时，励磁阶段结束时绕组电流正好在满足需求值的误差范围内，则不进行任何pwm方式控制。
第三类工作模式，当风电机组输出端负载突然变小，或发电机组高速运行母线电压过高等需要减小风电机组输出功率即减小励磁电压时，进入该类工作模式下：
该类工作模式下第一开关管v1/v6/v11/v16、第二开关管v2/v7/v12/v17、第三开关管v3/v8/v13/v18、第七开关管v22始终处于断开状态，根据转子位置假设m相绕组的变流支路励磁阶段来临时第四开关管v4闭合，第六开关管v21采用pwm控制方式，此时励磁电压将小于母线电压，具体通过其占空比的调节改变，对励磁电压的需求越小则占空比越小，根据转子位置情况励磁阶段结束后第四开关管v4断开第五开关管v5闭合进入发电阶段，当发电阶段工作结束后使得发电输出的输出母线电容器cm两端电压升高时，或者输出母线电容器cm两端电压在超额定母线电压5％以上时，后续工作的譬如n相绕组变流支路励磁阶段时第六开关管v21的占空比按比例调节变小，在此期间，第八开关管v23闭合将输出母线电容器cm两侧电能向第二电感l2放电，母线电压降低，检测到放电回路电流达到限定值时再断开第八开关管v23。