开关磁阻风力发电机控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及风力发电领域，具体涉及一种开关磁阻发电机作为风力发电机的控制装置及控制方法。
【背景技术】
[0002]开关磁阻发电机作为风力发电机，目前在国内外已经开始有所涉及。
[0003]从励磁方式角度对开关磁阻发电机分类，有自励和他励两种，他励方式输出发电电压相对波动小，较稳定，但依靠外部专门的直流电源，增加了日常维护的成本；自励方式下，励磁电源来自发电电压输出端，但传统自励方式下因励磁电源和发电电源耦合，加之励磁电流在发电机运行时的时有时无，波动大，从而也影响到发电机的输出发电电压和电流波动较大，电能质量低。
[0004]目前，风力发电与传统的火力发电、水力发电及核能发电等主要的发电形式相比，发电成本高，年利用小时数低，具体表现为在风速低于或高于一定值后，发电系统必需停机，如果能拓宽风力发电系统的发电宽度，进而可提高发电效益。
[0005]开关磁阻风力发电机自励方式下，当风速较高并且发电机转速较高时，因绕组电动势明显高于发电电压而使得发电电流较高，进一步促进发电电压的升高，并且如果此时输电网络耗电量也比较低，发电端输出电容器无法吸收过多电能，从而被迫暂停发电机组的工作；如果采取一定措施，吸收发电电容器的多余电能为开关磁阻发电机励磁所用，同时又降低发电电压值并使其稳定。
【发明内容】
[0006]根据以上的【背景技术】，本发明提出了一种开关磁阻风力发电机的控制系统和控制方法，采用自励方式，但励磁电压与发电电压解耦，发电机低速时利用升降压斩波电路保证有足够的励磁电压，高速时吸收多余电能进入励磁环节，并保持发电电压稳定；该系统及方法能拓宽发电范围、提高发电效率和效益。
[0007]本发明的技术方案为:
[0008]一种开关磁阻风力发电机控制系统，包括风力机、开关磁阻发电机、功率变换器主电路、升降压DC/DC变换器、放电与回馈主电路、控制器、风速仪；其特征是，所述的风力机连接所述的开关磁阻发电机，开关磁阻发电机中的各相绕组与所述功率变换器主电路连接并受其控制，功率变换器主电路输出连接所述的升降压DC/DC变换器，升降压DC/DC变换器的输出连接所述的放电与回馈主电路，放电与回馈主电路也连接功率变换器主电路，所述的控制器与开关磁阻发电机、功率变换器主电路、升降压DC/DC变换器、放电与回馈主电路、风速仪连接。
[0009]所述的风力机为可变桨结构。
[0010]所述的开关磁阻发电机可变速运行。
[0011]所述的功率变换器主电路包括数条励磁与发电支路、发电电容器、母线开关管、起始励磁电源支路；所述的数条励磁与发电支路为两条到五条之间，即对应开关磁阻发电机的相绕组数为两相到五相之间，每条励磁与发电支路有三个端子，最下端为功率变换器主电路的地端，向上连接励磁开关管，所述励磁开关管的正端即上端分出两条支路分别连接开关磁阻发电机的一相绕组和发电电力二极管，所述的相绕组另一端连接续流开关管，并作为发电输出的母线负端同时是所述发电电容器的负极，所述续流开关管的另一端即正端连接所述的发电电力二极管另一端即负端，同时连接到功率变换器主电路发电输出正端母线上，数条励磁与发电支路并联后输出；输出正端母线上连接所述的母线开关管一端，母线开关管另一端即负端连接所述的发电电容器正极并输出，发电电容器两端电压即为发电电压，输出给负载；所述的起始励磁电源支路上下分别接发电电压负极和功率变换器主电路的地端，由一支励磁电力二极管和起动蓄电池串联组成，所述起动蓄电池极性为上正下负，所述励磁电力二极管为下正上负。
[0012]所述升降压DC/DC变换器的输入两端分别连接所述发电电容器的两端，作为升降压DC/DC变换器的输入，升降压DC/DC变换器由DC/AC/DC变换器、Cuk斩波电路、单向电力二极管组成；所述DC/AC/DC变换器的输入两端即为升降压DC/DC变换器的输入两端，DC/AC/DC变换器由逆变电路、隔离变压器、整流电路组成；它的输出作为所述Cuk斩波电路的输入，Cuk斩波电路输出两端中的正极端先串联所述的单向电力二极管后作为升降压DC/DC变换器的输出正极端与Cuk斩波电路即升降压DC/DC变换器的输出负极端一起连接所述的放电与回馈主电路，单向电力二极管的正端接Cuk斩波电路的输出正极端。
[0013]所述的放电与回馈主电路由放电开关管、储能电抗器、回馈电力二极管、储能电容器、储能开关管组成；所述的放电开关管正端连接功率变换器主电路的输出母线正端并经母线开关管连接发电电容器正极，放电开关管另一端连接所述储能电抗器和所述回馈电力二极管的负端，储能电抗器另一端连接功率变换器主电路输出母线负端即与发电电容器负极连接，同时与所述的储能电容器正极和升降压DC/DC变换器的输出正极端连接，储能电容器的另一端即负极端串联所述的储能开关管，储能开关管的另一端即负端与回馈电力二极管的正端连接并一起与功率变换器主电路的地端及升降压DC/DC变换器的输出负极端连接。
[0014]所述全部开关管均为IGBT。
[0015]所述的控制器以高性能DSP为核心，接收风速仪的风速信号，开关磁阻发电机转子位置和转速信号，功率变换器主电路中的各相绕组支路电流信号和母线电流、发电电压信号，升降压DC/DC变换器的输出电压信号，放电和回馈主电路的储能电容器电压信号，综合处理这些信号，输出控制全部开关管即各IGBT的驱动电路，驱动电路输出控制相应的IGBT0
[0016]一种开关磁阻风力发电机系统控制方法，采取固定发电关断角，及电流斩波控制方式；
在系统初始起动阶段，根据开关磁阻发电机转子位置情况，由起动蓄电池经起动电力二极管提供相绕组励磁电流起动；
运行期间的控制方法，根据检测的母线直流电压和电流即功率的检测计算值，运行中对系统的控制方法分三个区间:
区间一，当输出功率远小于额定功率，高于最低运行功率时，方法如下: 升降压DC/DC变换器接收发电机输出端的电能并斩波变换为另一直流电压作为发电机相绕组的励磁电源，调节升降压DC/DC变换器中Cuk斩波电路唯一的斩波开关管的PWM占空比，即可在输入电压不变情况下改变输出电压即励磁电压，在输入电压变化时，也可通过调节占空比维持励磁电压不变；
当检测得到正在励磁的相绕组相电流达到给定值时，提前关断励磁开关管开进入发电阶段；当检测得到正在励磁的相绕组相电流在规定的励磁结束时间仍不能达到给定值的话，励磁开关管关断的同时闭合续流开关管，进入续流阶段，相电流由于在绕组无外界电压作用下，电流上升，在规定的续流时间结束前电流达到给定值的话则提前断开续流开关管进入发电阶段，否则达最大续流时间后关断续流开关管仍进入发电阶段:在下一相绕组励磁之前，调节升降压DC/DC斩波变换器的调压开关管占空比，使得其输出电压即励磁电压升高，并重复如上的控制方法，若仍然