一种开关磁阻微风发电机功率变换器升压励磁拓扑控制方法

1.本发明涉及开关磁阻风力发电领域，尤其涉及一种开关磁阻微风发电机功率变换器升压励磁拓扑控制方法。


背景技术：

2.开关磁阻发电机因为其结构简单坚固、转子无绕组、无永磁体、可靠性高等特点，已被应用于航空业、电动汽车和风力发电领域。开关磁阻发电机在较宽转速范围内具有较高的稳定性和效率，可省去增速箱，非常适合在风力发电领域中应用。
3.传统开关磁阻发电机多采用三相12/8级结构通过自励方式进行能量转换，虽然此方案结构简单且建压后不再需要外电源，但由于风力的不确定性，导致开关磁阻风力发电机的输出电压不稳定、发电效率低；目前开关磁阻发电机功率变换器主电路以不对称半桥结构为主，单相绕组就需要2个igbt开关器件和 2个续流二极管，所需电子器件较多，大大增加了发电系统的成本；而且当发电机转速较低时，传统不对称半桥功率变换器无法产生足够的运动电动势，导致发电机的利用率和效率降低。
4.总的来看，目前还没有出现一种通用于各种工况下的开关磁阻发电机功率变换器电路，必须针对特定的系统做出最优设计方案。为了解决此类问题，必须在控制成本的前提下，改善开关磁阻发电系统输出电压响应，提高负载与开关磁阻发电机之间的能量转换效率，进而提高开关磁阻风力发电系统输出电压稳定性和整体发电效率。


技术实现要素：

5.针对以上背景技术和问题，本发明提出一种采用他励方式励磁的四相8/6极开关磁阻发电机功率变换器拓扑控制方法，该功率变换器主电路采用h桥结构，很大程度上减少了开关电子器件数目，采用两相励磁的方式降低了转矩脉动和电流波动，并利用boost升压电路提高了输出电压。
6.采用的具体技术方案如下：
7.一种开关磁阻微风发电机功率变换器结构为四相8/6极，其技术特征是，每相导通区间为30
°
，每转24个步距，步进角15
°
；与传统三相12/8极开关磁阻发电机相比，四相开关磁阻发电机的启动性能要好得多，转矩波动也更小，更够在发电机转速较低时持续输出稳定电压，更加适用于微风发电的使用场景。
8.一种开关磁阻微风发电机功率变换器由励磁电路和续流电路组成，其技术特征是，采用他励回馈发电工作方式，在运行过程中始终由所述励磁直流电源提供励磁电压，励磁电路和续流电路彼此独立，输出电压与励磁电压无关，两者可独立调节，因此控制比较方便；并且所述电容主要起到稳压和滤波的作用，因此他励模式下的输出电压和电流的波动远远小于自励模式。
9.励磁电路由第一电容、第一igbt开关管、第二igbt开关管、第三igbt 开关管、第四igbt开关管、第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、励磁直流电源组成，其技术特征是，
所述励磁直流电源正极作为励磁电路输入正极端并连接所述所述第一电容器正极、第三igbt开关管阳极和第四igbt开关管阳极，第一电容器负极连接所述励磁直流电源负极，第三igbt开关管阴极连接所述第四绕组一端和第三续流二极管，第四igbt开关管阴极连接所述第二绕组一端和第四续流二极管，四相绕组采用h桥连接法，任一绕组的一端都与其余三个绕组相连，第三绕组另一端连接第一igbt开关管阳极，第一绕组另一端连接第二igbt开关管阳极，第一igbt开关管阴极和第二igbt开关管阴极与励磁直流电源相连。
10.续流电路由第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第一绕组、第二绕组、第三绕组、第四绕组、第二电容器、可变负载组成，其技术特征是，第一续流二极管阴极和第二续流二极管阴极连接第五续流二极管阳极，第五续流二极管阴极连接第二电容阳极和可变负载一端，第三续流二极管阳极和第四续流二极管阳极连接第二电容阴极和可变负载另一端，共同组成boost升压电路，在稳定输出电压的同时，提高输入电压值，使得发电效率更高。
11.有益效果：
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
13.相较于三相12/8极开关磁阻发电机，四相8/6极开关磁阻发电机拥有更加优异的启动性能，由于结构的优势，转矩脉动也大大降低，更加适用于中小型分布式微风发电工作场景。
14.相较于采用自励模式的回馈发电，采用他励模式的回馈发电过程励磁电压直接由励磁直流电源提供，在整个发电过程中保持恒定，第一电容主要起到稳压和滤波的作用，输出电压和电流的波动大大减小，发电质量更好。
15.相较于传统不对称半桥的开关磁阻发电机功率变换器拓扑结构，本发明开关磁阻微风发电机功率变换器采用基于boost升压励磁的h桥主回路，该结构采用两相励磁，转矩波动相较于单相励磁明显减小，并且两相电流幅值低于单相励磁电流幅值，这种拓扑结构大大减少了高性能开关电子器件使用数量和电流容量，在降低成本的同时，也提高了系统的可靠性，升压励磁使得对励磁直流电源的要求更低，而发电效率更高。
附图说明
16.图1为本发明开关磁阻微风发电机功率变换器拓扑结构；
17.图2为本发明四相8/6极开关磁阻微风发电机本体结构；
18.图3为本发明功率变换器ab相励磁发电拓扑结构；
19.图4为本发明功率变换器bc相励磁发电拓扑结构；
20.图5为本发明功率变换器cd相励磁发电拓扑结构；
21.图6为本发明功率变换器da相励磁发电拓扑结构；
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.开关磁阻发电机的发电原理遵循“磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路
径闭合，因此当转子轴线与定子磁极的轴线不重合时，便会有磁阻力作用在转子上产生使其趋向于磁阻最小的位置，即两轴线重合位置。
24.实施例1：
25.如图2所示，开关磁阻发电机本体结构为四相8/6极，设开关磁阻发电机在风力的驱动下，以逆时针方向旋转。如图3所示，此时给绕组a、b两相通电，即igbt开关管s2和s4导通，a、b两相绕组通过直流电源进行励磁，形成闭合回路，电容u0起到稳压和滤波的作用。根据“磁路最短原则”，转子极1、2 将有向定子极a、b运动趋势，并受到该方向的力矩作用，即顺时针方向，与驱动力矩相反，同时转子上的机械能将转化成磁能储藏在磁场中。当igbt开关管 s2和s4关断时，a、b绕组相电流通过二极管d2和d4续流，绕组内的电流方向不改变，此时储存在磁场中的磁能将释放出来，并转换成电能，储存至电容uc，并且可以通过调节可变负载r
l
控制输出电压的大小，从而完成了机械能和电能之间以磁场为媒介的a、b相他励发电过程。
26.实施例2：
27.如图4所示，此时给绕组b、c两相通电，即igbt开关管s1和s4导通，b、 c两相绕组通过直流电源us进行励磁，形成闭合回路，电容u0起到稳压和滤波的作用。根据“磁路最短原则”，外力与驱动力矩方向相反，于是转子上的机械能将转化成磁能储藏在磁场中。当igbt开关管s1和s4关断时，b、c绕组相电流通过二极管d1和d4续流，绕组内的电流方向不改变，此时储存在磁场中的磁能将释放出来，并转换成电能，储存至电容uc，并且可以通过调节可变负载r
l
控制输出电压的大小，从而完成了机械能和电能之间以磁场为媒介的b、 c相他励发电过程。
28.实施例3：
29.如图5所示，此时给绕组c、d两相通电，即igbt开关管s1和s3导通， c、d两相绕组通过直流电源us进行励磁，形成闭合回路，电容u0起到稳压和滤波的作用。根据“磁路最短原则”，外力与驱动力矩方向相反，于是转子上的机械能将转化成磁能储藏在磁场中。当igbt开关管s1和s3关断时，c、d 绕组相电流通过二极管d1和d3续流，绕组内的电流方向不改变，此时储存在磁场中的磁能将释放出来，并转换成电能，储存至电容uc，并且可以通过调节可变负载r
l
控制输出电压的大小，从而完成了机械能和电能之间以磁场为媒介的 c、d相他励发电过程。
30.实施例4：
31.如图6所示，此时给绕组d、a两相通电，即igbt开关管s2和s3导通， d、a两相绕组通过直流电源us进行励磁，形成闭合回路，电容u0起到稳压和滤波的作用。根据“磁路最短原则”，外力与驱动力矩方向相反，于是转子上的机械能将转化成磁能储藏在磁场中。当igbt开关管s2和s3关断时，d、a 绕组相电流通过二极管d2和d3续流，绕组内的电流方向不改变，此时储存在磁场中的磁能将释放出来，并转换成电能，储存至电容uc，并且可以通过调节可变负载r
l
控制输出电压的大小，从而完成了机械能和电能之间以磁场为媒介的 d、a相他励发电过程。
32.因此连续不断地按照ab-bc-cd-da-ab的顺序给发电机各相励磁，作用在转子上的机械能将源源不断地转化成电能，实现高效稳定发电运行。并且，若作用在该开关磁阻发电机转子上地外力方向改变时，只需改变各相励磁顺序，即dc-cb-ba-ad-dc，便可以维持其发
电状态，这也是开关磁阻发电机的一大优势——可实现正反转运行。