基于SWISS整流器的高压高速发电机降压整流PFC系统的制作方法

本发明属于发电机整流控制领域，具体涉及一种基于swiss整流器的高压高速发电降压整流pfc系统及其控制方法。

背景技术：

能源是推动经济发展和社会进步的动力源泉，是关系到国计民生、社会稳定的重要物质。随着我国现代工业的飞速发展，石油、天然气和煤炭等化石能源逐渐枯竭、环境问题日益凸显，能源和环境已成为我国所面临的重大问题。

余热是指煤炭、石油、天然气等经过工业利用后排放出来的、无法继续参与其它生产过程的能量。它以高温热能为表现形式，以废气、废渣和废水为能量载体。我国余热资源非常丰富，占工业总能耗的20%左右。因此，余热利用具有广阔的市场前景。

高压高速永磁同步发电机具有效率高、可靠性高、结构紧凑、维护量小等优点，与此同时，高压高速发电机与膨胀涡轮机直接相连组成的发电机组，中间可省去减速装置，可大大减小系统体积，提高系统效率和可靠性。因此，高压高速发电机被广泛应用于大功率余热发电系统。

传统高压高速发电机采用三相六开关pwm整流拓扑，随着高压高速发电机额定转速的不断提高，高压高速发电机的输出频率大幅提高，甚至有可能达到上千赫兹，为高压高速发电机的整流调制带来困难，由此产生的发电机定子电流谐波不仅会增加高压高速发电机的损耗和温升，还会增加其转矩脉动，威胁系统安全。与此同时，由于三相六开关pwm整流是一种升压型整流器，其后常常还需要增加一级dc/dc降压电路。因此，有必要设计一种高可靠性、高集成度的高压高速发电机整流系统及其控制方法。

技术实现要素：

针对背景技术所述的缺陷或不足，本发明提供了一种基于swiss整流器的高压高速发电机降压整流pfc系统及其控制方法，系统具有高集成度高和高可靠性。

一种基于swiss整流器的高压高速发电机降压整流pfc系统，包括一台高压高速永磁同步发电机、一台输入滤波器、一台swiss整流器和两套控制器（控制器1和控制器2），两套控制器分别对pfc电路和buck电路进行控制。

所述swiss整流器由三相不可控整流器、主开关、辅助开关、两个串联的二极管以及电感电容构成。

所述主开关由三个桥臂并联，其中每个桥臂由两个反向串联的igbt组成。

所述高速永磁同步发电机的三相定子分别与swiss整流器的三个主开关桥臂相连，主开关桥臂并联后的中点与两个串联的二极管中点相连，两个辅助开关的两端分别连接三相不可控整流器公共阴极和上端电感以及三相不可控整流器公共阳极和下端电感。

所述控制器1用于采集高压高速发电机的转速、转子位置角和三相定子电流，随后通过脉冲宽度调制信号对发电机的转速和swiss整流器输入功率因数进行控制；所述控制器2用于采集高压高速发电机的三相定子电压、直流侧电压和直流侧电流，随后通过脉冲宽度调制信号对直流母线电压和直流母线电流进行控制。

上述基于swiss整流器的高压高速发电机降压整流pfc系统的控制方法包括如下步骤：

(1)实时检测高压高速永磁同步发电机的转速ωr、转子位置角өr和高压高速发电机的三相定子电流；

(2)利用所述的转子位置角өr对高压高速发电机的三相定子电流进行dq变换，得到三相定子电流的dq轴分量；

(3)通过发电机转速和定子电流双闭环控制，得到电压参考值αβ分量；

(4)将(3)中得到的电压参考值αβ分量输入脉冲宽度调制控制器，得到主开关的控制脉冲信号；

(5)实时检测直流母线电压udc、直流母线电流idc、三相不可控整流器公共阳极电压ui、三相不可控整流器公共阴极电压uj；

(6)将直流母线电压和直流母线电流双闭环控制得到的电压参考量和电压补偿量相加，再与载波进行比较，得到辅助开关的控制脉冲信号。

所述的步骤(3)中的双闭环控制以高压高速发电机的转速稳定和定子电流谐波小为控制目标。

所述的步骤(3)中电压参考值αβ分量具体由如下方法获得：将高压高速发电机转速的参考值和检测值进行比较，通过pi调节器后得到高压高速发电机q轴电流参考值，给定高压高速发电机d轴电流参考值为0，将高速发电机定子dq轴电流参考值和检测值进行比较后，通过pi调节器得到调制所需的电压给定dq轴分量，再通过dq-αβ变换将其转化为主开关电压参考值αβ分量。

所述的步骤(6)中双闭环控制以直流母线电压和电流稳定控制目标，并实现了降压功能。

所述的步骤(6)中电压参考值具体由如下方法获得：将直流母线电压的参考值和检测值进行比较，通过pi调节器后得到直流母线电流参考值，将直流母线电流的参考值和检测值进行比较，通过pi调节器得到该电压参考值，再将其与电压补偿量相加后得到辅助开关电压参考值。

所述的步骤(6)中电压补偿量由三相不可控整流器公共阳极电压ui、三相不可控整流器公共阴极电压uj和发电机定子相电压幅值up计算获得。

所述的基于swiss整流器的高压高速发电机降压整流pfc系统的控制方法，通过控制器2对辅助开关进行控制，从而实现降压整流pfc功能。

本发明与现有技术相比的益处在于：

(1)由高压高速发电机和swiss整流器组成的变流系统，其整流装置和传统三相六开关pwm整流器加buck电路相比需要更少的有源开关器件，将pfc整流电路和降压电路结合，提高了系统的集成度；

(2)由于swiss整流器具有更高的等效开关频率，在输入交流频率较高的情况下具有正弦度更高的发电机定子电流谐波，提高了系统的可靠性和效率。

附图说明

图1为本发明实例提供的基于swiss整流器的高压高速发电机降压整流pfc系统结构示意图。

图2为本发明实例提供的基于swiss整流器的高压高速发电机降压整流pfc系统的控制框图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于swiss整流器的高压高速发电机降压整流pfc系统，包括一台高压高速永磁同步发电机、一台输入滤波器、一台swiss整流器和两套控制器（控制器1和控制器2），两套控制器分别对pfc电路和buck电路进行控制。其中：

swiss整流器由三相不可控整流器、主开关、辅助开关、两个串联的二极管以及电感电容构成；主开关由三个桥臂并联，其中每个桥臂由两个反向串联的igbt组成；高压高速永磁同步发电机的三相定子分别与swiss整流器的三个主开关桥臂相连，主开关桥臂并联后的中点与两个串联的二极管中点相连，两个辅助开关的两端分别连接三相不可控整流器公共阴极和上端电感以及三相不可控整流器公共阳极和下端电感。

控制器1用于采集高压高速发电机的转速、转子位置角和三相定子电流，随后通过脉冲宽度调制信号对发电机的转速和swiss整流器输入功率因数进行控制；所述控制器2用于采集高压高速发电机的三相定子电压、直流侧电压和直流侧电流，随后通过脉冲宽度调制信号对直流母线电压和直流母线电流进行控制。

本实施方式基于swiss整流器的高压高速发电机降压整流pfc系统的控制框图如图2所示，控制方法包括如下步骤：

(1)实时检测高压高速永磁同步发电机的转速ωr、转子位置角өr和高压高速发电机的三相定子电流；

(2)利用所述的转子位置角өr对高压高速发电机的三相定子电流进行dq变换，得到三相定子电流的dq轴分量；

(3)将高压高速发电机转速的参考值和检测值进行比较，通过pi调节器后得到高压高速发电机q轴电流参考值，给定高压高速发电机d轴电流参考值为0，将高速发电机定子dq轴电流参考值和检测值进行比较后，通过pi调节器得到调制所需的电压给定dq轴分量，再通过dq-αβ变换将其转化为主开关电压参考值αβ分量；双闭环控制以高压高速发电机的转速稳定和定子电流谐波小为控制目标；

(4)将(3)中得到的电压参考值αβ分量输入脉冲宽度调制控制器，得到主开关的控制脉冲信号；

(5)实时检测直流母线电压udc、直流母线电流idc、三相不可控整流器公共阳极电压ui、三相不可控整流器公共阴极电压uj；

(6)将直流母线电压的参考值和检测值进行比较，通过pi调节器后得到直流母线电流参考值，将直流母线电流的参考值和检测值进行比较，通过pi调节器得到该电压参考值，再将其与电压补偿量相加后得到辅助开关电压参考值，将其与载波进行比较，得到辅助开关的控制脉冲信号。

该实例仅为本发明的一个实例，而非全部实例，凡在本发明思路和原则下的修改、改进方案均属于本发明的保护范围。