一种开关磁阻风力发电机半自励功率变换器

1.本发明属于开关磁阻风力发电机的驱动控制以及功率变换器设计的技术领域，特别涉及一种开关磁阻风力发电机半自励功率变换器。


背景技术：

2.随着全球气候变暖日渐严重，清洁、可靠、稳定和可持续的能源结构逐渐成为全球关注的重点。传统的发电模式在发电过程中会有大量污染气体排放，而且由于燃烧不充分而造成资源的浪费，不符合当今绿色发展的主题。与常规燃料相比，风能是一种非常清洁、环保的绿色能源，并且由于其巨大的能源储备而具有很大的优越性。它的运行不产生污染环境的废弃物且能够取之不尽用之不竭。所以，普及风力发电能使资源变的可持续化，并且对降低环境污染有着不可替代的现实意义。
3.众所周知，风力发电机是在整个风力发电系统当中处于最核心地位的装置，它可以实现机械能与电能之间的转换。风力发电机的工作情况将对整个系统的状态产生影响，包括系统发电的效率及质量，同时还对系统中其他环节的性能及工况有着巨大且直接的影响。在当前的风力发电市场当中，风力发电机的种类很多。其中，开关磁阻发电机作为一种新型的机电能量转换设备，由于具备结构简单、容错能力强、转速范围宽、没有永磁体、制造成本低、并且耐高温，效率也高于异步发电机等优点脱颖而出，已经成功应用于许多场合尤其是风力发电等环境恶劣的场合。
4.开关磁阻风力发电机系统采用传统不对称半桥功率变换器时，励磁阶段相绕组两端的电压值与相电流的大小成正比关系，励磁电压越大，相绕组最后的励磁电流就越大，电机磁场储存的能量就越多，越有利于发电；然而在发电阶段，若风速较低，则电机转速也会随之降低，发电电压大于运动电动势，相电流在发电阶段就不能够继续增加，导致发电机系统不能够进行有效发电，所以要使开关磁阻发电机系统进行有效发电，必须保证发电电压小于运动电动势。由于在传统不对称半桥功率变换器中励磁阶段和发电阶段的电压值相同，不能够进行独立调节，不利于开关磁阻风力发电机的控制以及有效发电，从而导致在风速较低的时候，开关磁阻风力发电机发出的电能大大降低。所以如何提升低风速时开关磁阻风力发电机的发电能力以及发电效率，是当前风电领域研究和发展的热点问题。专利“一种实现快速励磁/退磁的开关磁阻发电机系统，cn103475292a”，该系统组成包括开关磁阻电机本体、原动机、位置传感器、功率变换器、直流电源和控制器，通过采用四电平功率变换器，如图1所示，在励磁阶段可以实现快速励磁，在发电阶段，当采用两个电压源时,可以实现快速退磁；但由于在发电阶段选用两个电压源时，若功率二极管d1发生故障则发电机无法正常运行，存在容错能力小的局限。此外发电阶段一般是采用两个电压源，除非系统发生故障对储能电容过度充电，发电阶段才会选择其所说的状态
‑
1。故系统在正常稳定运行状态下，其发电阶段的励磁电压和发电电压大小相等，仍无法有效解决低风速开关磁阻风力发电机发电效率低的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的为针对当前技术存在的不足，提供一种开关磁阻风力发电机半自励功率变换器。该变换器提出一种新的拓扑结构，通过储能电容和三个功率开关器件使得低风速时开关磁阻风力发电机的输出功率以及发电效率得到提升；三个功率开关器件的存在使励磁电压和发电电压取不同的电压值，从而使控制调节更加便利；各相绕组所在的功率变换支路可以独立工作，互不干扰，若其中一个绕组所对应的功率开关器件发生故障，其他两相仍可正常运行。
6.本发明的技术方案为：
7.一种开关磁阻风力发电机半自励功率变换器，其组成包括：
8.直流电源v的正极和二极管d1的阳极相连，负极和滤波电容c1的负极相连；二极管d1的阴极分别和电阻r的一端、滤波电容c1的正极相连；滤波电容c1的正极还和储能电容c2的负极相连；储能电容c2的正极与二极管d2的阳极相连，二极管d2的阴极和电阻r的另一端相连；滤波电容c1的负极还分别和功率开关器件q
al
、功率开关器件q
bl
、功率开关器件q
cl
的发射极相连；储能电容c2的正极还分别和功率开关器件q
ah
、功率开关器件q
bh
、功率开关器件q
ch
的集电极相连；储能电容c2的负极还分别和功率开关器件q
a
、功率开关器件q
b
、功率开关器件q
c
的集电极相连；功率开关器件q
a
、功率开关器件q
b
、功率开关器件q
c
的发射极对应和功率开关器件q
ah
、功率开关器件q
bh
、功率开关器件q
ch
的发射极相连；功率开关器件q
ah
、功率开关器件q
bh
、功率开关器件q
ch
的发射极还分别对应和绕组a、绕组b、绕组c的上端相连；绕组a、绕组b、绕组c的下端分别和功率开关器件q
al
、功率开关器件q
bl
、功率开关器件q
cl
的集电极相连；绕组a、绕组b、绕组c的下端还分别和二极管d
ah
、二极管d
bh
、二极管d
ch
的阳极的相连，二极管d
ah
、二极管d
bh
、二极管d
ch
的阴极分别和功率开关器件q
ah
、功率开关器件q
bh
、功率开关器件q
ch
的集电极的相连。
9.一种开关磁阻风力发电机系统，该系统包括风力机、开关磁阻电机、直流电源、开关磁阻风力发电机半自励功率变换器、位置传感器、控制器、储能单元和负载；其中，风力机、开关磁阻风力发电机半自励功率变换器、位置传感器分别和开关磁阻发电机相连；开关磁阻风力发电机半自励功率变换器还和直流电源、控制器、储能单元相连；位置传感器还和控制器相连；储能单元、开关磁阻风力发电机半自励功率变换器还分别和负载相连。
10.本发明的实质性特点为：
11.当前技术中，在外界风速较低的情况下开关磁阻风力发电机运行时输出功率较低，无法进行有效发电。本发明以开关磁阻发电机的运行原理为依据，通过对传统不对称半桥功率变换器进行改进，提出了一种新型功率变换器的拓扑结构，与传统不对称功率变换器相比，增加一个储能电容、三个功率开关器件，减少三个续流二极管。其中所增加的储能电容和三个功率开关器件使得低风速时开关磁阻风力发电机的输出功率以及发电效率得到提升；三个功率开关器件的存在使励磁电压和发电电压取不同的电压值，从而使控制调节更加便利；各相绕组所在的功率变换支路可以独立工作，互不干扰，若其中一个绕组所对应的功率开关器件发生故障，其他两相仍可正常运行。
12.本发明的有益效果为：
13.(1)本发明所提出的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器中，各相绕组所在的功率变换支路可以独立工作，互不干扰，从而适应了同时有两相绕组所在功率变换支路同
时工作的场合，可扩展性强。
14.(2)本发明所提出的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器尤其针对低风速开关磁阻风力发电机发出的电能大大降低、无法进行有效发电的问题，能够有效提升低风速时开关磁阻风力发电机的发电能力以及发电效率。与图2所示传统不对称半桥功率变换器相比，在开通角、关断角以及外部直流电源和其他相关参数相同的情况下，开关磁阻风力发电机在半自励功率变换器下输出功率大大增加，输出功率对比图如图9所示，在本实施例中输出功率提升了约2840w。与图1所示四电平功率变换器相比，本发明所提出的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器发电效率较高，其输出功率对比图如图10所示，输出功率高出约2800w。
15.(3)本发明所提出的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器中，绕组两端的电压在励磁阶段和发电阶段具有不同的电压值，使得控制策略更加的灵活，利于开关磁阻发电机的有效发电。
附图说明
16.为了更加清楚地说明本发明实施例当中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述当中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
17.图1是四电平功率变换器拓扑结构示意图。
18.图2是传统不对称半桥功率变换器拓扑结构示意图。
19.图3是开关磁阻风力发电机系统的结构框图。
20.图4是本发明的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器拓扑结构示意图。
21.图5是本发明的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器工作模式中的初始励磁模式的励磁电流路径示意图；
22.图6是本发明的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器工作模式中的续流模式时的电流路径示意图；
23.图7是本发明的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器工作模式中的发电模式时的输出电流路径示意图。
24.图8是在本发明的半自励功率变换器下的开关磁阻风力发电机系统仿真图。
25.图9是本发明的半自励功率变换器与传统不对称半桥功率变换器下的开关磁阻风力发电机系统输出功率对比图。
26.图10是本发明的半自励功率变换器与四电平功率变换器下的开关磁阻风力发电机系统输出功率对比图。
具体实施方式
27.下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
28.在本实施例中，整个开关磁阻风力发电机系统如图3所示，包括风力机、开关磁阻电机、直流电源、功率变换器、位置传感器、控制器、储能单元和负载；其中，风力机、功率变换器、位置传感器分别和开关磁阻发电机相连；功率变换器还和直流电源、控制器、储能单
元相连；位置传感器还和控制器相连；储能单元、功率变换器还分别和负载相连。
29.开关磁阻发电机是整个发电系统的机电能量转换核心，将机械能转化为电能，其运行遵循磁阻最小原理；功率变换器是系统的能量输入输出通道，功率变换器采用半自励功率变换器；位置编码器用于提供电机转子的位置信息；控制器是整个系统的控制中枢，对电流传感器、电压传感器和位置传感器采集的信号进行集中处理，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对开关磁阻发电机运行状态的控制。
30.(1)开关磁阻风力发电机半自励功率变换器拓扑结构
31.所述的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器如图4所示，由直流电源、开关磁阻发电机的三相绕组、三相上功率开关器件、三相下功率开关器件、与各相绕组组成续流回路的三个二极管和三个功率开关器件、滤波电容c1、储能电容c2组成。各相绕组所在功率变换支路可以独立工作，互不干扰。
32.直流电源v的正极和二极管d1的阳极相连，负极和滤波电容c1的负极相连；二极管d1的阴极分别和电阻r的一端、滤波电容c1的正极相连；滤波电容c1的正极还和滤波电容c2的负极相连；滤波电容c2的正极与二极管d2的阳极相连，二极管d2的阴极和电阻r的另一端相连；滤波电容c1的负极还分别和功率开关器件q
al
、功率开关器件q
bl
、功率开关器件q
cl
的发射极相连；滤波电容c2的正极还分别和功率开关器件q
ah
、功率开关器件q
bh
、功率开关器件q
ch
的集电极相连；滤波电容c2的负极还分别和功率开关器件q
a
、功率开关器件q
b
、功率开关器件q
c
的集电极相连；功率开关器件q
a
、功率开关器件q
b
、功率开关器件q
c
的发射极对应和功率开关器件q
ah
、功率开关器件q
bh
、功率开关器件q
ch
的发射极相连；功率开关器件q
ah
、功率开关器件q
bh
、功率开关器件q
ch
的发射极还分别对应和绕组a、绕组b、绕组c的上端相连，绕组a、绕组b、绕组c的下端分别和功率开关器件q
al
、功率开关器件q
bl
、功率开关器件q
cl
的发射极相连；绕组a、绕组b、绕组c的下端分别和二极管d
ah
、二极管d
bh
、二极管d
ch
的阳极的相连，二极管d
ah
、二极管d
bh
、二极管d
ch
的阴极分别和功率开关器件q
ah
、功率开关器件q
al
、功率开关器件q
bh
的集电极的相连；
33.所述的功率开关器件q
ah
、q
al
、q
bh
、q
bl
、q
ch
、q
cl
、q
a
、q
b
、q
c
均为快速全控型电力电子器件，可以采用igbt或mosfet。
34.所述的二极管d1、d2为普通二极管，二极管d
ah
、d
bh
、d
ch
均为续流二极管。
35.所述的直流电源电压为50v。
36.(2)运行模式
37.开关磁阻风力发电机半自励功率变换器的励磁电压和发电电压不同，具有三种工作模式：励磁模式、续流模式和发电模式。以a相绕组为例，介绍开关磁阻风力发电机半自励功率变换器的工作模式。
38.图5给出了开关磁阻风力发电机励磁模式示意图，励磁阶段将电能和风力机所提供的机械能转化为磁能储存在绕组中。励磁阶段为功率开关器件q
ah
、q
al
闭合，q
a
关断，而电容c1、c2两端电压u
m
＝u
o
+u1，则励磁电压为u
o
+u1，励磁阶段相当于是由两个电压源为定子绕组a提供励磁。
39.图6是开关磁阻风力发电机半自励功率变换器续流模式示意图，续流阶段将绕组中所储存的磁能转化为电能，在续流回路中进行续流。续流模式为功率开关器件q
ah
闭合，q
al
、q
a
断开，此时a相绕组通过续流二极管d
ah
和功率开关器件q
ah
构成闭合回路进行续流，相
绕组处于续流状态。
40.图7是开关磁阻风力发电机半自励功率变换器发电模式示意图，发电阶段将电能通过闭合回路输送给负载和储能电容，为负载和储能电容供电。发电阶段功率开关器件q
ah
、q
al
均断开，q
a
闭合，通过续流二极管d
ah
、功率开关器件q
a
将能量输送到负载r和储能电容c2，发电电压为u
o
。
41.绕组b、绕组c与绕组a一样，根据转子位置信息对控制每相绕组的功率开关器件进行开关控制，分别进行励磁和发电。
42.在励磁阶段，相电流与相绕组两端的电压成正比，励磁电压越大，相电流越大，磁场储能越大，输出功率越大。与传统不对称半桥功率变换器相比较，在参数相同的情况下，采用角度位置控制方式时，本发明所提出的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器利用两个电压源对绕组进行励磁，相绕组两端的电压即励磁电压为u
m
＝u
o
+u1，则最后的励磁电流将增加，即进入发电区域时的电流将增加，容易得到理想的电流波形，磁场储能得到增加，从而使开关磁阻风力发电机的输出功率得到增加；在直流母线端电压，开通角、关断角和参考电流相同的条件下，采用电流斩波控制方式时，本发明所提出的开关磁阻风力发电机功率变换器中的相电流达到参考电流的励磁时间将减小，即励磁区域长度减小，从而使发电区域增加，发电时间增长，发电量增加，有利于开关磁阻风力发电机低风速时输出功率的提高。
43.进入发电区域时，相电流的大小反映了绕组励磁的强度，同时也反映了电机磁场储存能量的大小。在忽略绕组电阻的情况下，为了使电流在发电区域能够继续增加，实现有效发电，需要在发电区域开始处满足下式：
[0044][0045]
式(1)中，l
k
是绕组电感(单位：h)；i
k
是第k相绕组电流(单位：a)；u
k
是第k相绕组发电电压(单位：v)；θ是转子角位置(单位：rad)；ω是电机旋转机械角速度(单位：rad/s)；im是励磁阶段结束时的电流(单位：a)，即最后的励磁电流。
[0046]
式(1)是开关磁阻发电机进行有效发电的条件，发电阶段处于电感下降区，即处，因此当时，即运动电动势大于发电电压，电流的增量为正，相电流在发电阶段继续上升，开关磁阻发电机将输出电能，实现发电运行。如果发电电压过大，使运动电动势小于发电电压，那么相电流在发电阶段便无法继续上升，从而不能得到理想的电流波形。由于在风速较低时，ω较小，其运动电动势较小，当运动电动势小于发电电压时，相绕组电流在功率开关管关断时刻无法增加，将会导致开关磁阻风力发电机利用率和效率降低。所以，在转速恒定的情况下，尽可能的增加最后的励磁电流或者减小发电电压，或者两者同时实现，就越能够满足开关磁阻发电机有效发电的条件。
[0047]
由于在半自励功率变换器中，发电电压小于励磁电压。若采用半自励功率变换器和采用传统不对称半桥功率变换器的励磁电压大小相等，那么在半自励功率变换器中，由于发电电压小于励磁电压，在低风速时，就更容易满足式(1)，更易得到理想的电流波形，从而能够使开关磁阻风力发电机相对容易地实现有效发电，使开关磁阻风力发电机的输出功率得到增加。此外，绕组两端的电压在励磁阶段和发电阶段具有不同的电压值，使得控制策
略更加的灵活，利于开关磁阻发电机的有效发电。
[0048]
此外，由于在励磁阶段定子绕组两端的电压为u
o
+u1，在发电阶段定子绕组两端的电压为u
o
，具有不同的电压值，使得控制策略更加灵活。
[0049]
(3)控制策略
[0050]
本实施例的半自励功率变换器的开关磁阻风力发电机工作期间，需要结合开关磁阻发电机的运行原理，根据实时的转子位置信息，各相绕组先后投入工作，分时进行，每相绕组在工作期间都各自分为励磁阶段、续流阶段和发电阶段。
[0051]
励磁阶段，根据开关磁阻发电机运行原理，结合转子位置信息，当绕组a需要投入工作时，功率开关器件q
ah
、q
al
闭合，而q
a
断开(即通过位置传感器将信号传递给控制器，控制器检测信号再对全控型功率开关器件进行开关的控制)，由于储能电容c2上存有电量，那么电容c1、c2两端电压为u
m
＝u
o
+u1，其中u
o
是储能电容两端的电压，u1是直流电源所提供的电压即滤波电容c1两端的电压。那么励磁阶段相当于是由两个电压源向定子绕组进行供电励磁，回路为：c1—c2—q
ah
—a—q
al
。
[0052]
续流阶段，根据转子位置信息以及控制系统对关断角的关断时刻要求，励磁阶段结束时功率开关器件q
ah
闭合，q
al
、q
a
断开，此时a相绕组通过续流二极管d
ah
和功率开关器件q
ah
构成闭合回路：a—d
ah
—q
ah
，进行续流，相绕组处于续流状态。
[0053]
发电阶段，根据转子位置信息以及控制系统对关断角的关断时刻要求，续流阶段结束后，断开功率开关器件q
ah
、q
al
，闭合功率开关器件q
a
，进入发电阶段，具体经由续流二极管d
ah
、功率开关器件q
a
给绕组a提供续流通路向外续流发电，即向储能电容c2充电以及负载供电，回路为：a—d
ah
—c2—q
a
。
[0054]
绕组b、绕组c与绕组a一样，根据转子位置信息对控制每相绕组的功率开关器件进行开关控制，分别进行励磁和发电。
[0055]
本发明设计了一种开关磁阻风力发电机半自励功率变换器，开关磁阻风力发电机系统仿真图如图8所示，开关磁阻电机选择三相6/4极，直流电源电压设置为50v，负载电阻为50ω，设置发电机额定转速为1000r/min，开通角为1
°
，关断角为20
°
，风速为4m/s。与传统不对称半桥功率变换器和四电平功率变换器相比，在开通角、关断角以及外部直流电源和其他相关参数相同的情况下，开关磁阻风力发电机在半自励功率变换器下输出功率大大增加，与传统不对称半桥功率变换器输出功率对比图如图9所示，与四电平功率变换器输出功率对比图如图10所示。由于增加的储能电容及其特殊位置，本发明所提出的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器的励磁电压大于传统不对称半桥功率变换器的励磁电压。而在励磁阶段，相电流与相绕组两端的电压成正比，所以本发明中的磁场储能较大，故能够有效提高风速较低时开关磁阻风力发电机的输出功率。由于发电电压小于励磁电压，在低风速时，更易得到理想的电流波形，从而能够使开关磁阻风力发电机相对容易地实现有效发电，使开关磁阻风力发电机的输出功率得到增加。此外，绕组两端的电压在励磁阶段和发电阶段具有不同的电压值，使得控制策略更加的灵活。
[0056]
相比于当前技术中，图1的仿真只做出了发电模式
‑
2的仿真，也就是正常工作状态下的仿真。由于图1中的储能电容c
dc1
一直处于充放电状态，发电阶段一般是采用两个电压源，除非系统发生故障对储能电容过度充电，发电阶段才会选择其所说的状态
‑
1。所以系统在正常稳定运行状态下，其发电阶段的励磁电压和发电电压大小相等，无法解决低风速开
关磁阻风力发电机无法进行有效发电的问题。与图1所示四电平功率变换器相比，本发明所提出的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器发电效率较高，其输出功率对比图如图10所示，输出功率高出约2800w。
[0057]
通过以上内容我们可以看出，与传统不对称半桥功率变换器和四电平功率变换器相比，本发明所提出的开关磁阻风力发电机半自励功率变换器能够使开关磁阻风力发电机在低风速时相对容易地实现有效发电，使开关磁阻风力发电机在低风速时的输出功率得到增加。此外，在本发明中，励磁电压和发电电压可以取不同的电压值，便于控制调节。
[0058]
虽然本实施例所述为三相开关磁阻风力发电机，但是从上述可知，针对其他相数的开关磁阻风力发电机，其结构及控制均是相同的，只是增加或者减少相数所对应的功率开关器件及二极管的问题，当然仍属于保护范围。
[0059]
本发明未尽事宜为公知技术。