开关磁阻风力发电机简易半自励功率变换器拓扑的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关磁阻电机及其控制领域，具体涉及一种开关磁阻风力发电机的功率变换器新型励磁方式的拓扑结构。
【背景技术】
[0002]清洁、绿色、环保为标志的风力发电是多年来至今国内外重点发展的可再生能源发电形式；但是，纵观欧洲、北美及中国，成本高的现实问题一直是影响风电发展的重要因素，除并网型之外，微网或独立风电系统也一样，对降低成本、简化结构、减小体积重量，已成为业界重要的发展方向共识。
[0003]开关磁阻发电机结构简单，转子上无刷、无绕组、无永久磁体；其运行时相当于一个电流源，这样在一定转速范围内，输出端电压不会随着转速的变化而变化，这非常适合于当前主流的变速运行的风力机，可提高风能的利用效率；开关磁阻发电机低速可控性能好，从而可以在风力直接驱动下省去齿轮箱，实现较高的发电效率的同时使整个发电系统结构更加简洁、可靠，这也是风力发电系统的发展趋势；而在运行过程中，开关磁阻发电机可控参数多，如开关角控制、电流斩波控制、PWM控制等，可方便的实现比较复杂的控制策略，灵活的控制输出直流电压和电流；因此，开关磁阻发电机引入风力发电领域，即可高效率实现风能的转换，结构的简洁化意味着更高的可靠性更少的维护以及更低的安装成本和设备采购成本，风力发电用开关磁阻发电机相关的功率变换器也应以此为设计发展方向，即结构尽可能简单，同时保持其灵活可控的优点。
[0004]关于开关磁阻发电机的功率变换器主电路，不对称半桥式是比较成熟的，配合一定的控制模式下，可分时、不同回路的方便实现励磁和发电；关于励磁方式，一般有他励和自励两种，他励方式不像自励方式时会有较大的电压和电流的脉动，稳定性较好，但缺点是在初始起动时会产生很大的冲击电流，这是因为输出端并联的电容器在初始阶段并没有任何储能即起不到电压支撑的作用，从而突加直流电压后短时间内产生很大的电流。
[0005]虽然他励方式一般需要专用电池，如蓄电池作为励磁电源，但自励方式一般也需要专用电池，只是两者的区别在于，自励方式的电池电源是在开关磁阻发电系统初始起动时使用，此后运行中不再使用，而他励方式是一直使用，结构上并未明显复杂化，所以，充分利用他励和自励方式的优点，同时克服它们的缺点，设计结构简洁的功率变换器拓扑是很有意义的。
【发明内容】
[0006]根据以上的【背景技术】，本实用新型提出一种既不属于他励方式也不属于自励方式而叫做半自励方式的开关磁阻风力发电机功率变换器拓扑新结构，结构简单，一定程度上也克服了他励方式起始电流冲击大和自励方式因输出电流波动大影响励磁性能的缺点，可用于中小型开关磁阻风力发电机系统领域。
[0007]本实用新型的技术方案为:
[0008]开关磁阻风力发电机简易半自励功率变换器拓扑，由不对称半桥式功率变换主电路1、蓄电池X、电容器Cd、DC/DC变换器2、负载R组成，其特征在于，所述不对称半桥式功率变换主电路I与已串联的所述蓄电池X和所述电容器Cd并联连接，所述DC/DC变换器2的输出端与蓄电池X并联连接，DC/DC变换器2另两端与蓄电池X和电容器Cd的串联支路并联连接，同时也与所述负载R并联连接。
[0009]所述蓄电池X的额定电压小于不对称半桥式功率变换主电路I的额定输出电压，蓄电池X作为开关磁阻发电机定子绕组A/B/C的励磁电源，在缺电时由DC/DC变换器2取自发电机发出的电能而向其充电。
[0010]本实用新型的主要技术效果是:
[0011]本实用新型的开关磁阻风力发电机简易半自励功率变换器拓扑，蓄电池X起到了他励励磁功能，同时，因其缺电时电能来自自我产生的电能，也具有自励的特点，所以叫做半自励或者半他励励磁模式；仅仅一套蓄电池X可完成励磁供电，与单独他励或自励模式相比，没有增加硬件；同时，该蓄电池X与电容器Cd串联后再并联于发电输出两端，电容器Cd在稳定运行时起到稳压和滤波作用，但在系统初始起动时，因其尚没有储能，不会起到稳压作用，在传统他励模式下如果单纯的电容器Cd并联于发电输出端，输出母线和电容器Cd支路上将会产生很大的瞬间电流，加重了电容器Cd和功率变换器相关回路中电气元件的负担，而本实用新型，采用已带电的蓄电池X与电容器Cd先串联的结构，即在初始起动瞬间，电容器Cd支路上已经存在一定的电压，则对电流冲击具有抑制作用；同时，因蓄电池供电稳定，也避免了自励模式时励磁电流脉动大的缺点。
[0012]所以，以上结构特点，使得本实用新型的拓扑结构大大抑制了单纯他励和自励模式的各自主要缺点。
[0013]虽然增加了 DC/DC变换器2，貌似结构上复杂化了，其实，在开关磁阻发电机的控制系统中，必然需要多种不同直流电压等级的DC电源，所以，实际中，完全可根据设计值的选取，有效利用系统中已有的DC/DC变换器。
【附图说明】
[0014]图1所示为本实用新型的开关磁阻风力发电机简易半自励功率变换器拓扑电路结构图。
【具体实施方式】
[0015]如图1所示，不对称半桥式功率变换主电路I中，A/B/C为开关磁阻发电机的三相定子绕组，三相绕组各自独立回路、独立控制；根据开关磁阻发电机反馈的转子位置信息，当某相绕组需要励磁通电时，相应的控制这相绕组励磁回路的电力电子开关管Vl与V2，或者V3与V4，或者V5与V6接收来自开关磁阻发电机控制器的驱动信号导通，在蓄电池X的作用下流入电流励磁；当励磁结束，相应的电力电子开关管立即关断，此时由于刚通过电的绕组呈感性并储存有磁能，其储存的磁能将流经电力二极管Dl和D2，或者D3和D4，或者D5和D6的回路，从而输出给外部负载R及其他储能元件；V1-V6这六只电力电子开关管，中小型开关磁阻发电系统采用IGBT为佳。
[0016]传统的励磁模式下，无论自励还是他励模式，开关磁阻发电系统输出端即附图1的不对称半桥式功率变换主电路I输出两端往往独立并联一个电容器，而本实用新型采取与电容器Cd再串联上励磁用的蓄电池X的方式，然后再与输出并联，当蓄电池X电能不足时，由DC/DC变换器2向其充电；蓄电池X根据电压、功率匹配的需要，实际中应为蓄电池组，不过，其额定电压应明显小于发电机输出额定电压，即明显小于额定时负载R两端电压值，具体应根据整个发电系统负载及最大功率跟踪控制的需要而确定额定比例和相应具体额定值。
[0017]虽然本实施例采用的三相绕组开关磁阻发电机，但并不影响本实用新型对其他不同相数情况的保护。
【主权项】
1.开关磁阻风力发电机简易半自励功率变换器拓扑，由不对称半桥式功率变换主电路、蓄电池、电容器、DC/DC变换器、负载组成，其特征在于，所述不对称半桥式功率变换主电路与已串联的所述蓄电池和所述电容器并联连接，所述DC/DC变换器的输出端与蓄电池并联连接，DC/DC变换器另两端与蓄电池和电容器的串联支路并联连接，同时也与所述负载并联连接。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻风力发电机简易半自励功率变换器拓扑，其特征在于，所述蓄电池的额定电压小于不对称半桥式功率变换主电路的额定输出电压，蓄电池作为开关磁阻发电机定子绕组的励磁电源，在缺电时由DC/DC变换器取自发电机发出的电能而向其充电。
【专利摘要】开关磁阻风力发电机简易半自励功率变换器拓扑，由不对称半桥式功率变换主电路、蓄电池、电容器、DC/DC变换器、负载组成；所述不对称半桥式功率变换主电路与已串联的所述蓄电池和所述电容器并联连接，所述DC/DC变换器的输出端与蓄电池并联连接，DC/DC变换器另两端与蓄电池和电容器的串联支路并联连接，同时也与所述负载并联连接；该拓扑结构简单实用，克服已有缺点，适宜于中小功率等级的开关磁阻风力发电机功率变换器领域。
【IPC分类】H02P9-30
【公开号】CN204361950
【申请号】CN201420869453
【发明人】孙冠群
【申请人】中国计量学院
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年12月30日