一种交直流发电系统的拓扑结构及控制方法与流程

本发明公开了一种交直流发电系统的拓扑结构及控制方法，属于发电、变电或配电的技术领域，尤其适用于需要不同电压等级直流电能及交流电能的场合。

背景技术：

随着全球能源危机和环境污染等问题的日益严重，光伏、风电等分布式电源由于其可再生、清洁等优点越来越受到人们的关注，采用微电网实现新能源接入主电网成为一个发展趋势。目前，微电网主要分为直流微电网和交流微电网两种类型，而直流微电网通常又有单极性和双极性两种供电形势。双极性直流微电网相比于单极性直流微电网具两个电压等级，可有效提高直流供电系统利用率并适应不同电压等级分布式电源、储能系统及负荷的接入要求。而在交直流混合微电网中，由于负载的多样性，要求微电网的发电系统具有同时发出交流电能与直流电能的能力，往往需要一个交流电机、一个直流电机构成相互独立的交流发电系统和直流发电系统，且大部分发电机只有单一的电能输出端口。

类似于交直流混合微电网，多电/全电飞机电源系统中，也要求发电系统具有同时输出交直流电能的能力。目前，高压直流电源系统和变频交流电源系统是多电/全电飞机电源系统的两大发展趋势。高压直流电源系统较交流电源系统具有更好的动态性能，更容易实现不间断供电和余度供电，成为军用战斗机的首选。变频交流电源系统因结构简单、效率高、功率密度高等优点在大型飞机中得到了广泛应用。在大型飞机中，不仅存在如加热、除冰等用电量占飞机电源总容量一半以上的交流负载，还存在如电子设备、电力作动器等直流负载。此外，由于直流负载的种类多样，其电压等级也不尽相同。因此，飞机电源中的发电系统除了具有变频交流电能输出端口外，还具有通过电能变换装置加入的高压直流电能输出端口，且直流母线也采用了双极性的供电形式。

纵观国内对微电网和多电/全电飞机电源系统的研究现状来看，为了使发电系统具有多个电能输出端口，或采用多个发电机、或加入电能变换装置，这些方法均增大了系统的复杂性。随着微电网和多电/全电飞机技术的快速发展，用电负载趋于多样化，这就要求发电系统能在一台发电机上同时具备多个和多种电能输出端口，既要向交流负载供电，又要向不同电压等级的直流负载供电。从现有的研究来看，国内还没有涉及对微电网用和多电飞机用多端口交直流发电系统的新拓扑结构进行研究。

技术实现要素：

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种交直流发电系统的拓扑结构及控制方法，实现了多端口交直流发电，解决了目前的交直流发电系统不能同时满足交流发电和多电压等级直流发电要求的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

交直流发电系统的拓扑结构，包括：星型-开放组合式双绕组多端口发电机、第一发电驱动单元、第二发电驱动单元、第一直流端口、第二直流端口、第三直流端口、交流端口、第一滤波电感、第二滤波电感、励磁电容、第一断路器、第二断路器、第三断路器、第四断路器、第五断路器、第六断路器、交流电压传感器、第一直流电压传感器、第二直流电压传感器、驱动电路、数字信号处理器。

星型-开放组合式双绕组多端口发电机的定子有两套绕组，一套绕组开放式连接，具有两个功率输出端口；另一套绕组为星型连接，具有一个功率输出端口。

星型-开放组合式双绕组多端口发电机的开放式绕组一端接第一滤波电感的一端，第一滤波电感的另一端经第一断路器与第一发电驱动单元的交流功率输出端连接，星型-开放组合式双绕组多端口发电机的开放式绕组另一端接第二滤波电感的一端，第二滤波电感的另一端经第二断路器与第二发电驱动单元的交流功率输出端连接，星型-开放组合式双绕组多端口发电机星型连接绕组的出线与励磁电容并联，星型-开放组合式双绕组多端口发电机星型连接绕组的出线经第六断路器与交流端口连接。

第一发电驱动单元的直流功率输出端经第三断路器与第一直流端口连接，第二发电驱动单元的直流功率输出端经第四断路器与第二直流端口连接，第一发电驱动单元的直流功率输出端负极与第二发电驱动单元的直流功率输出端正极串联，并与大地连接，第一发电驱动单元的直流功率输出端正极与第二发电驱动单元的直流功率输出端负极经第五断路器与第三直流端口连接，形成双极性直流母线，即正、负母线及地线。

发电驱动单元包括：辅助电源、二极管、电容、变换器，其中，所述辅助电源正极接二极管阳极，二极管阴极、电容正极板与变换器直流功率输出端正极相连，辅助电源负极、电容负极板与变换器直流功率输出端负极相连。每个变换器包含的桥臂数目和星型-开放组合式双绕组多端口发电机的相数相同，每个桥臂由串联连接的两个开关管组成。所述开关管两端之间接有反向二极管。

控制方法：采用第一直流电压传感器实时检测第一直流端口的直流电压，采用第二直流电压传感器实时检测第二直流端口的直流电压，数字信号处理器根据交流端口的交流电压、第一直流端口的直流电压、第二直流端口的直流电压分别生成控制策略的指令，以数字信号处理器输出指令为输入信号的驱动电路生成第一发电驱动单元和第二发电驱动单元的驱动信号，第一发电驱动单元和第二发电驱动单元在驱动信号的作用下输出励磁无功功率和有功功率。

控制策略具体为：

发电建压阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一断路器、第二断路器保持合闸状态，第三至第六断路器保持分闸，第一发电驱动单元经第一断路器、第二发电驱动单元经第二断路器输出足以使星型-开放组合式双绕组多端口发电机足以使第一双绕组异步电机进行可靠建压的励磁无功功率，起动发电驱动单元经第三断路器向第二双绕组异步电机单元输出足以使第二双绕组异步电机进行可靠建压的励磁无功功率，星型-开放组合式双绕组多端口发电机运行在发电状态，

稳定发电阶段的控制策略：数字信号处理器控制第一至第六断路器保持合闸状态，第一发电驱动单元与第一断路器连接的输出端、第二发电驱动单元与第二断路器连接的输出端向星型-开放组合式双绕组多端口发电机输出使其运行于稳定发电状态的励磁无功功率和有功功率，数字信号处理器根据交流电压传感器实时检测的交流电压信号生成控制策略指令，以数字信号处理器输出指令为输入信号的驱动电路生成并分配第一发电驱动单元和第二发电驱动单元的驱动信号，第一发电驱动单元的交流功率输出端经第一断路器、第二发电驱动单元的交流功率输出端经第二断路器向星型-开放组合式双绕组多端口发电机的开放式绕组两端输出励磁无功功率，使星型-开放组合式双绕组多端口发电机的星型绕组输出目标交流电，数字信号处理器根据第一直流电压传感器和第二直流电压传感器实时检测的直流电压信号生成控制策略指令，以数字信号处理器输出指令为输入信号的驱动电路生成并分配第一发电驱动单元和第二发电驱动单元的驱动信号，第一发电驱动单元的交流功率输出端经第一断路器、第二发电驱动单元的交流功率输出端经第二断路器向星型-开放组合式双绕组多端口发电机的开放式绕组两端输出有功功率，使星型-开放组合式双绕组多端口发电机的开放式绕组的一端经第一断路器、第一发电驱动单元、第三断路器向第一直流端口的正极性母线对地输出目标幅值的正极性直流电，星型-开放组合式双绕组多端口发电机的开放式绕组的另一端经第二断路器、第二发电驱动单元、第四断路器向第二直流端口的负极性母线对地输出目标幅值的负极性直流电。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）将星型-开放组合式双绕组多端口发电机应用到微电网和多电飞机中，实现了在微电网和多电飞机一台发电机多个端口同时输出电能，改善了微电网和多电飞机电源发电系统中发电机输出电能端口单一的缺点，能够满足微电网和多电飞机多个用电端口需求。

（2）用一台星型-开放组合式双绕组多端口发电机可同时发出直流电能和交流电能，其中，通过串联两个变换器的直流母线构成三线制双极性直流母线，即正、负母线及地线，能够同时实现1/2倍直流电压、-1/2倍直流电压、1倍直流电压的输出，在满足不同种类负载供电需求的同时，还可适用于不同电压等级的直流负载。

附图说明

图1为多端口发电机交直流发电系统的拓扑结构。

图2为发电驱动单元的电路图。

图中标号说明：1、星型-开放组合式双绕组多端口发电机，2、第一发电驱动单元，3、第二发电驱动单元，4、第一直流端口，5、第二直流端口，6、第三直流端口，7、交流端口，8、第一滤波电感，9、第二滤波电感，10、励磁电容，11、第一断路器，12、第二断路器，13、第三断路器，14、第四断路器，15、第五断路器，16、第六断路器，17、交流电压传感器，18、第一直流电压传感器，19、第二直流电压传感器，20、驱动电路，21、数字信号处理器，s1、第一开关，s2、第二开关，s3、第三开关，s4、第四开关，s5、第五开关，s6、第六开关，p、辅助电源，d、二极管，c、电容。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

交直流发电系统如图1所示，包括：星型-开放组合式双绕组多端口发电机1、第一发电驱动单元2、第二发电驱动单元3、第一直流端口4、第二直流端口5、第三直流端口6、交流端口7、第一滤波电感8、第二滤波电感9、励磁电容10、第一断路器11、第二断路器12、第三断路器13、第四断路器14、第五断路器15、第六断路器16。

星型-开放组合式双绕组多端口发电机的定子有两套绕组，一套绕组采用开放式连接，具有两个功率输出端口；另一套绕组采用星型连接，具有一个功率输出端口。星型-开放组合式双绕组多端口发电机1的开放式绕组一端接第一滤波电感8的一端，第一滤波电感8的另一端经第一断路器11与第一发电驱动单元2的交流功率输出端连接，星型-开放组合式双绕组多端口发电机1的开放式绕组另一端接第二滤波电感9的一端，第二滤波电感9的另一端经第二断路器12与第二发电驱动单元3的交流功率输出端连接，星型-开放组合式双绕组多端口发电机1星型连接绕组的出线与励磁电容10并联，星型-开放组合式双绕组多端口发电机1星型连接绕组的出线经第六断路器16与交流端口7连接。

第一发电驱动单元2的直流功率输出端经第三断路器13与第一直流端口4连接，第二发电驱动单元3的直流功率输出端经第四断路器14与第二直流端口5连接，第一发电驱动单元2的直流功率输出端负极与第二发电驱动单元3的直流功率输出端正极串联，并与大地连接，第一发电驱动单元2的直流功率输出端正极与第二发电驱动单元3的直流功率输出端负极经第五断路器15与第三直流端口连接，形成双极性直流母线，即正、负母线及地线。

发电驱动单元如图2所示，包括：第一开关s1、第二开关s2、第三开关s3、第四开关s4、第五开关s5、第六开关s6组成的一个变换器，以及辅助电源p、二极管d、电容c。串联的第一开关s1、第二开关s2组成一个桥臂，串联的第三开关s3、第四开关s4组成一个桥臂，串联的第五开关s5、第六开关s6组成一个桥臂。三个桥臂并联，电容c以及辅助电源p和二极管d的串联支路都并联在变换器的直流输出侧，组成一个发电驱动单元。a、b、c三个连接点引出发电驱动单元的一侧交流输出端子，g、n两个连接点引出发电驱动单元的另一侧直流输出端子。该发电驱动单元具有为多端口发电机提供励磁无功功率及输出直流有功功率的功能。

图1所示系统中，星型-开放组合式双绕组多端口发电机采用开放式连接的绕组的相数也可以选用其它相数的电机，相应地，变换器相数也与星型-开放组合式双绕组多端口发电机采用开放式连接的绕组的相数相同。

图1所示拓扑结构的控制方法通过星型-开放组合式双绕组多端口发电机1星形绕组出线上的交流电压传感器16、检测第一发电驱动单元2直流功率输出端电压的第一直流电压传感器18、检测第二发电驱动单元3直流功率输出端电压的第二直流电压传感器19、接收交流电压传感器及两个直流电压传感器的检测数据后输出控制策略指令的数字信号处理器21、接收控制策略指令后生成第一发电驱动单元和第二发电驱动单元驱动信号驱动电路20实现。交流电压传感器17实时检测交流端口7的交流电压，第一直流电压传感器18实时检测第一直流端口4的直流电压，第二直流电压传感器19实时检测第二直流端口5的直流电压，数字信号处理器21根据交流端口的交流电压、第一直流端口的直流电压、第二直流端口的直流电压生成控制策略的指令，以数字信号处理器输出指令为输入信号的驱动电路20生成第一发电驱动单元2和第二发电驱动单元3的驱动信号，第一发电驱动单元2和第二发电驱动单元3在驱动信号的作用下输出励磁无功功率和有功功率。

数字信号处理器生成控制策略指令的具体过程为：

发电建压阶段的控制策略：数字信号处理器21控制第一断路器11、第二断路器12保持合闸状态，第三断路器13至第六断路器16保持分闸，第一发电驱动单元2经第一断路器11、第二发电驱动单元3经第二断路器12输出足以使星型-开放组合式双绕组多端口发电机1进行可靠建压的励磁无功功率，星型-开放组合式双绕组多端口发电机运行在发电状态，

稳定发电阶段的控制策略：数字信号处理器21控制第一断路器11至第六断路器16保持合闸状态，第一发电驱动单元2的交流功率输出端、第二发电驱动单元3的交流功率输出端向星型-开放组合式双绕组多端口发电机1输出使其运行于稳定发电状态的励磁无功功率和有功功率，数字信号处理器21根据交流电压传感器实时检测的交流电压信号生成目标交流电的控制指令，以目标交流电控制指令为输入信号的驱动电路20生成并分配第一发电驱动单元2和第二发电驱动单元3的无功驱动信号，第一发电驱动单元2的交流功率输出端经第一断路器11、第二发电驱动单元3的交流功率输出端经第二断路器12向星型-开放组合式双绕组多端口发电机1的开放式绕组两端输出励磁无功功率，使星型-开放组合式双绕组多端口发电机1的星型绕组输出目标交流电，数字信号处理器21根据第一直流电压传感器18和第二直流电压传感器19实时检测的直流电压信号生成目标直流电的控制指令，以直流电控制指令为输入信号的驱动电路20生成并分配第一发电驱动单元和第二发电驱动单元的有功驱动信号，第一发电驱动单元2的交流功率输出端经第一断路器11、第二发电驱动单元3的交流功率输出端经第二断路器12向星型-开放组合式双绕组多端口发电机1的开放式绕组两端输出有功功率，使星型-开放组合式双绕组多端口发电机1的开放式绕组的一端经第一断路器11、第一发电驱动单元2、第三断路器13向第一直流端口4的正极性母线对地输出目标幅值的正极性直流电，星型-开放组合式双绕组多端口发电机1的开放式绕组的另一端经第二断路器12、第二发电驱动单元3、第四断路器14向第二直流端口5的负极性母线对地输出目标幅值的负极性直流电。

采用图1所示星型-开放组合式双绕组多端口发电机交直流发电系统实现多端口输出电能、交直流同时发电的功能。星型-开放组合式双绕组多端口发电机采用开放式连接的绕组的一侧输出端通过一个发电驱动单元经断路器输出直流电，多端口发电机采用开放式连接的绕组的另一侧输出端通过另一个发电驱动单元经断路器输出直流电。一个发电驱动单元的直流输出端子正极与另一个发电驱动单元直流输出端子的负极经断路器输出直流电。多端口发电机采用星型连接的绕组经断路器输出交流电。