本发明涉及发电领域，具体涉及一种采用开关磁阻发电机的高电压自强化励磁和高电压输出的变流系统及其控制方法。
背景技术：
开关磁阻电机结构简单坚固，制造成本低廉，转子上无绕组、无永磁体，可靠性高；作为发电机应用时，其中一相绕组不工作不影响其他相绕组的发电输出工作，容错性强，具有广阔的应用前景。
近年来直流输电日益受到电力部门的重视，局域的直流电网在部分地方已初具雏形，高压、超高压、特高压直流输电及并网也在发展中，也由此衍生了越来越多的负载设备直接采用直流电源供电。
开关磁阻发电机一般由3-5个相绕组置于定子上，根据定转子之间凸极和凹槽的相对位置决定通电的相绕组，每相绕组工作时一般分为励磁和发电两大阶段，必要时中间再引入续流阶段，励磁阶段为电机相绕组吸收外来励磁电源的电能储存磁能，后续根据转子相对定子位置结束励磁阶段进入发电阶段，相绕组中储存的磁能转化为电能输出，续流阶段的引入为了满足更大的发电阶段起始电流需求。
开关磁阻发电机的励磁、续流、发电都要围绕连接其绕组的变流电路的运行控制实现，没有绕组变流电路，开关磁阻发电机自然没有任何意义；考虑到多数场合下对输出侧高电压的需求，如果能够在绕组变流电路中实现升压的功能，则势必非常具有实际意义，同时，如果各开关管的耐压保持较低的水平，则更有现实意义。
在诸如需要变速发电工况，或者定速但起动等工况时，励磁阶段的快速反应及发电，最大发电效能等的需要，励磁时希望根据实际工况及电能输出要求能调节励磁电压，尤其在基本速度以下区间时，希望能短时间更快速的建立励磁电流，即强化励磁能力；不过，目前已有的一些强化励磁方式，往往需要单独增加带有可控开关管的专门励磁电源实现，降低了系统的可靠性，加大了控制的复杂度，并且当励磁电源出现故障时，整台开关磁阻发电机将停机不能运行，使得本身具备发电高容错性能的开关磁阻发电机优势无法发挥出来，如果在每相绕组的变流支路内部实现强化励磁，则不存在此问题。
开关磁阻发电机的励磁电源来源，他励型的稳定性好但可靠性低并加大了维护工作量；传统自励型的不存在以上问题，但电压电流波动性较大，为了降低干扰，励磁电源端施加隔离环节则能更好的抑制干扰，同时又保有他励型的优点。
发电机组发电后升高电压以适应负载或者高压输电，这是发电届常见的情况，往往需要专门的升压系统实现，在开关磁阻发电机系统领域，出现有多台开关磁阻发电机发电输出后串联的模式以提高输出总电压，鉴于开关磁阻发电机各相绕组发电时的相对独立性，事实上每台开关磁阻发电机具备实现输出端串联升高电压的能力。
变流系统中离不开可控开关管，开关管越少，则可靠性越高，损耗越低，控制越简单，高频开关时开关管损耗更大，业界往往需要尽量少的开关管用量，实际是能大大减少开关管工作时的开关损耗。
电力电子变流系统中，开关管的开关损耗在高频开关中是一大问题，除降低了系统效率，由于频繁开关产生的大量热能不及时散掉的话，势必烧坏开关管造成更严重后果，这已经是现代电力电子工程领域的重要课题。
技术实现要素：
根据以上的背景技术，本发明就提出了开关磁阻发电机的一种各相绕组独立无开关管强化励磁、自动充电蓄电池他励、高输出电压、低耐压低开关频率开关管等的高可靠性、低成本的简易变流系统结构及其控制方法。
本发明的技术方案为：
一种开关磁阻发电机自强励高压变流系统，由第一变流支路、第二变流支路、第三变流支路、隔离降压dc/dc变流器组成，其技术特征是，所述第一流支路、所述第二变流支路、所述第三变流支路各自输入两端并联连接，并与所述隔离降压dc/dc变流器输出两端连接，第一变流支路、第二变流支路、第三变流支路各自输出两端串联连接后输出，并与隔离降压dc/dc变流器输入两端连接；
第一变流支路由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一蓄电池、第一电感、第二电感、第一二极管、第二二极管、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第一相绕组组成，其技术特征是，所述第一开关管阳极作为第一变流支路输入正极端，第一开关管阴极连接所述第一蓄电池正极和所述第一电感一端，第一电感另一端连接所述第一二极管阳极和所述第一电容器负极，第一二极管阴极连接所述第二电感一端和所述第二电容器正极，第二电感另一端连接第一电容器正极、所述第二开关管阳极、所述第四开关管阴极、所述第三电容器负极、所述第一相绕组一端，并作为第一变流支路输出负极端，第四开关管阳极连接第一相绕组另一端、所述第三开关管阳极、所述第二二极管阳极，第二二极管阴极连接第三电容器正极，并作为第一变流支路输出正极端，第二开关管阴极、第三开关管阴极、第一蓄电池负极、第二电容器负极连接并作为第一变流支路输入负极端；
第二变流支路由第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第二蓄电池、第三电感、第四电感、第三二极管、第四二极管、第四电容器、第五电容器、第六电容器、第二相绕组组成，其技术特征是，所述第五开关管阳极作为第二变流支路输入正极端，第五开关管阴极连接所述第二蓄电池正极和所述第三电感一端，第三电感另一端连接所述第三二极管阳极和所述第四电容器负极，第三二极管阴极连接所述第四电感一端和所述第五电容器正极，第四电感另一端连接第四电容器正极、所述第六开关管阳极、所述第八开关管阴极、所述第六电容器负极、所述第二相绕组一端，并作为第二变流支路输出负极端，第八开关管阳极连接第二相绕组另一端、所述第七开关管阳极、所述第四二极管阳极，第四二极管阴极连接第六电容器正极，并作为第二变流支路输出正极端，第六开关管阴极、第七开关管阴极、第二蓄电池负极、第五电容器负极连接并作为第二变流支路输入负极端；
第三变流支路由第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第三蓄电池、第五电感、第六电感、第五二极管、第六二极管、第七电容器、第八电容器、第九电容器、第三相绕组组成，其技术特征是，所述第九开关管阳极作为第三变流支路输入正极端，第九开关管阴极连接所述第三蓄电池正极和所述第五电感一端，第五电感另一端连接所述第五二极管阳极和所述第七电容器负极，第五二极管阴极连接所述第六电感一端和所述第八电容器正极，第六电感另一端连接第七电容器正极、所述第十开关管阳极、所述第十二开关管阴极、所述第九电容器负极、所述第三相绕组一端，并作为第三变流支路输出负极端，第十二开关管阳极连接第三相绕组另一端、所述第十一开关管阳极、所述第六二极管阳极，第六二极管阴极连接第九电容器正极，并作为第三变流支路输出正极端，第十开关管阴极、第十一开关管阴极、第三蓄电池负极、第八电容器负极连接并作为第三变流支路输入负极端；
第一蓄电池、第二蓄电池、第三蓄电池完全相同，隔离降压dc/dc变流器的输出直流电压等于第一蓄电池、第二蓄电池、第三蓄电池的额定电压，第一开关管、第五开关管、第九开关管完全相同，第一电感、第三电感、第五电感完全相同，第一电容器、第四电容器、第七电容器完全相同，第一二极管、第三二极管、第五二极管完全相同，第二电感、第四电感、第六电感完全相同，第二电容器、第五电容器、第八电容器完全相同，第二开关管、第六开关管、第十开关管完全相同，第三开关管、第七开关管、第十一开关管完全相同，第四开关管、第八开关管、第十二开关管完全相同，第二二极管、第四二极管、第六二极管完全相同，第三电容器、第六电容器、第九电容器完全相同。
本发明一种开关磁阻发电机自强励高压变流系统的控制方法为：
各相绕组不需要投入工作时其所在变流支路的全部开关管均处于断开状态，根据开关磁阻发电机运行原理及其转子位置信息：当第一相绕组需要投入工作时，第三开关管闭合导通，首先进入励磁阶段，第一相绕组两端电压为其励磁电压；励磁阶段结束时第三开关管断开，如果励磁阶段结束时检测到第一相绕组电流未达到所需值，则同时闭合第四开关管进入续流阶段直至第一相绕组电流达到所需值或者第一相绕组电流未达到所需值但续流阶段时间达到上限值，续流阶段结束即第四开关管断开后自动进入发电阶段输出电能；如果励磁阶段结束时检测到第一相绕组电流达到所需值或者励磁阶段未结束但第一相绕组电流已达到所需值，则关断第三开关管后直接自动进入发电阶段输出电能，此时第四开关管始终处于断开状态；当第一相绕组工作结束后，其他相绕组工作时，第一相绕组所在的第一变流支路的第二开关管闭合导通，其闭合导通的时间根据对励磁电压值的要求而调节；
同理，当第二相绕组需要投入工作时，第七开关管闭合导通，首先进入励磁阶段，第二相绕组两端电压为其励磁电压；励磁阶段结束时第七开关管断开，如果励磁阶段结束时检测到第二相绕组电流未达到所需值，则同时闭合第八开关管进入续流阶段直至第二相绕组电流达到所需值或者第二相绕组电流未达到所需值但续流阶段时间达到上限值，续流阶段结束即第八开关管断开后自动进入发电阶段输出电能；如果励磁阶段结束时检测到第二相绕组电流达到所需值或者励磁阶段未结束但第二相绕组电流已达到所需值，则关断第七开关管后直接自动进入发电阶段输出电能，此时第八开关管始终处于断开状态；当第二相绕组工作结束后，其他相绕组工作时，第二相绕组所在的第二变流支路的第六开关管闭合导通，其闭合导通的时间根据对励磁电压值的要求而调节；
同理，当第三相绕组需要投入工作时，第十一开关管闭合导通，首先进入励磁阶段，第三相绕组两端电压为其励磁电压；励磁阶段结束时第十一开关管断开，如果励磁阶段结束时检测到第三相绕组电流未达到所需值，则同时闭合第十二开关管进入续流阶段直至第三相绕组电流达到所需值或者第三相绕组电流未达到所需值但续流阶段时间达到上限值，续流阶段结束即第十二开关管断开后自动进入发电阶段输出电能；如果励磁阶段结束时检测到第三相绕组电流达到所需值或者励磁阶段未结束但第三相绕组电流已达到所需值，则关断第十一开关管后直接自动进入发电阶段输出电能，此时第十二开关管始终处于断开状态；当第三相绕组工作结束后，其他相绕组工作时，第三相绕组所在的第三变流支路的第十开关管闭合导通，其闭合导通的时间根据对励磁电压值的要求而调节；
运行中当检测到第一蓄电池电能低于下限值时，闭合第一开关管，由隔离降压dc/dc变流器向第一蓄电池充电，满电后断开第一开关管；同理，第二蓄电池和第三蓄电池遇到相同问题时，均由隔离降压dc/dc变流器提供充电。
本发明的技术效果主要有：
(1)通过他励蓄电池(第一蓄电池、第二蓄电池、第三蓄电池)提供励磁电源，吸收了他励型开关磁阻发电机的优点诸如稳定性好、电能质量高，同时由于他励蓄电池缺电时自动吸纳输出端电源给予充电，规避了他励型开关磁阻发电机要经常更换电池等人工维护工作量，提高了智能化水平。
(2)隔离降压dc/dc变流器中自带磁隔离环节，从而发电端和励磁端被隔离，降低了相互干扰性。
(3)本发明不采用常规智能化自励励磁电源的模式，其强化励磁的功能被纳入了各自相绕组内部的变流支路当中，大大提高了系统的可靠性，因为按常规励磁模式，虽然仅需要一个专门的变励磁电压的励磁电源提供励磁，但当该励磁电源故障不能工作时，整个开关磁阻发电机机组必须停止工作，而开关磁阻发电机本身特性使得其各自相绕组可独立发电工作的优势无法显现，采用本发明的结构后，采用可靠性更高的隔离降压dc/dc变流器模块之后，变励磁即强化励磁的部分纳入各自相绕组的变流支路中，并且在强化励磁的过程中无需开关管参与，大大提高了可靠性。
(4)强励中至关重要的第二开关管(第一变流支路)、第六开关管(第二变流支路)、第十开关管(第三变流支路)的开关占空比至关重要，其闭合导通的时段均为其所在变流支路不工作(相绕组不处于励磁、续流、发电等任一阶段)的时段，可靠性高，并且其占空比小于三分之一，根据式(1)可见，调节占空比，其可获得相当大的强化励磁电压范围。
(5)系统输出端为三相绕组所在三个变流支路输出串联，输出电压增加三倍；针对大于三相绕组的开关磁阻发电机，可扩展性极强，相绕组数量越多输出电压倍增越大。
(6)本发明输入端的第一蓄电池等三个蓄电池，他们的额定电压远低于变流系统的输出电压，从而各变流支路内部各器件的耐压不高，设备的安全性更佳。
(7)本发明结构中全部开关管均无需工作于高频(khz及以上)下，在电力电子系统中电力电子开关管的高频开关损耗一直是业界的心病，除了降低系统效率，由于发热厉害引起的开关管损坏也是大问题，为了散热，势必增加各种散热装置；本发明除各开关管耐压低降低成本和提高安全性外，第一开关管、第五开关管、第九开关管均为当所连接的蓄电池缺电时才闭合导通，开关频率极低，其损耗甚至可忽略不计，第四开关管、第八开关管、第十二开关管的续流开关管，也仅仅是发电系统机械能输入端输入不足时等特殊工况下才会闭合导通，一般为常断状态；剩下的六只开关管，其开关频率与发电机转速有关，按常规，三相绕组6/4极(定子六极，转子四极)开关磁阻发电机，即使在高速譬如3000转/分钟下，他们的开关频率最高也仅为几百hz。
附图说明
图1所示为本发明的一种开关磁阻发电机自强励高压变流系统电路结构图。
具体实施方式
本实施例的开关磁阻发电机为三相绕组，按分布于定子上的顺序分别为m/n/p三相绕组，如附图1所示。
附图1所示为本实施例一种开关磁阻发电机自强励高压变流系统电路结构图，由第一变流支路101、第二变流支路102、第三变流支路103、隔离降压dc/dc变流器2组成，第一流支路101、第二变流支路102、第三变流支路103各自输入两端并联连接，并与隔离降压dc/dc变流器2输出两端连接，第一变流支路101、第二变流支路102、第三变流支路103各自输出两端串联连接后输出，并与隔离降压dc/dc变流器2输入两端连接；
第一变流支路101由第一开关管v1、第二开关管v2、第三开关管v3、第四开关管v4、第一蓄电池x1、第一电感l1、第二电感l2、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电容器c1、第二电容器c2、第三电容器c3、第一相绕组m组成，第一开关管v1阳极作为第一变流支路101输入正极端，第一开关管v1阴极连接第一蓄电池x1正极和第一电感l1一端，第一电感l1另一端连接第一二极管d1阳极和第一电容器c1负极，第一二极管d1阴极连接第二电感l2一端和第二电容器c2正极，第二电感l2另一端连接第一电容器c1正极、第二开关管v2阳极、第四开关管v4阴极、第三电容器c3负极、第一相绕组m一端，并作为第一变流支路101输出负极端，第四开关管v4阳极连接第一相绕组m另一端、第三开关管v3阳极、第二二极管d2阳极，第二二极管d2阴极连接第三电容器c3正极，并作为第一变流支路101输出正极端，第二开关管v2阴极、第三开关管v3阴极、第一蓄电池x1负极、第二电容器c2负极连接并作为第一变流支路101输入负极端；
第二变流支路102由第五开关管v5、第六开关管v6、第七开关管v7、第八开关管v8、第二蓄电池x2、第三电感l3、第四电感l4、第三二极管d3、第四二极管d4、第四电容器c4、第五电容器c5、第六电容器c6、第二相绕组n组成，第五开关管v5阳极作为第二变流支路102输入正极端，第五开关管v5阴极连接第二蓄电池x2正极和第三电感l3一端，第三电感l3另一端连接第三二极管d3阳极和第四电容器c4负极，第三二极管d3阴极连接第四电感l4一端和第五电容器c5正极，第四电感l4另一端连接第四电容器c4正极、第六开关管v6阳极、第八开关管v8阴极、第六电容器c6负极、第二相绕组n一端，并作为第二变流支路102输出负极端，第八开关管v8阳极连接第二相绕组n另一端、第七开关管v7阳极、第四二极管d4阳极，第四二极管d4阴极连接第六电容器c6正极，并作为第二变流支路102输出正极端，第六开关管v6阴极、第七开关管v7阴极、第二蓄电池x2负极、第五电容器c5负极连接并作为第二变流支路102输入负极端；
第三变流支路103由第九开关管v9、第十开关管v10、第十一开关管v11、第十二开关管v12、第三蓄电池x3、第五电感l5、第六电感l6、第五二极管d5、第六二极管d6、第七电容器c7、第八电容器c8、第九电容器c9、第三相绕组p组成，第九开关管v9阳极作为第三变流支路103输入正极端，第九开关管v9阴极连接第三蓄电池x3正极和第五电感l5一端，第五电感l5另一端连接第五二极管d5阳极和第七电容器c7负极，第五二极管d5阴极连接第六电感l6一端和第八电容器c8正极，第六电感l6另一端连接第七电容器c7正极、第十开关管v10阳极、第十二开关管v12阴极、第九电容器c9负极、第三相绕组p一端，并作为第三变流支路103输出负极端，第十二开关管v12阳极连接第三相绕组p另一端、第十一开关管v11阳极、第六二极管d6阳极，第六二极管d6阴极连接第九电容器c9正极，并作为第三变流支路103输出正极端，第十开关管v10阴极、第十一开关管v11阴极、第三蓄电池x3负极、第八电容器c8负极连接并作为第三变流支路103输入负极端；
第一蓄电池x1、第二蓄电池x2、第三蓄电池x3完全相同，隔离降压dc/dc变流器2的输出直流电压等于第一蓄电池x1、第二蓄电池x2、第三蓄电池x3的额定电压，第一开关管v1、第五开关管v5、第九开关管v9完全相同，第一电感l1、第三电感l3、第五电感l5完全相同，第一电容器c1、第四电容器c4、第七电容器c7完全相同，第一二极管d1、第三二极管d3、第五二极管d5完全相同，第二电感l2、第四电感l4、第六电感l6完全相同，第二电容器c2、第五电容器c5、第八电容器c8完全相同，第二开关管v2、第六开关管v6、第十开关管v10完全相同，第三开关管v3、第七开关管v7、第十一开关管v11完全相同，第四开关管v4、第八开关管v8、第十二开关管v12完全相同，第二二极管d2、第四二极管d4、第六二极管d6完全相同，第三电容器c3、第六电容器c6、第九电容器c9完全相同。
附图1中所有电感均为储能电感；除第三电容器c3、第六电容器c6、第九电容器c9(输出滤波及电压支撑电容器)外的其余全部电容器也为储能电容器；第一电感l1、第三电感l3、第五电感l5的功能为保证相关变流支路励磁输入侧的电流不断续，电感取值应较大以满足要求；第一二极管d1、第三二极管d3、第五二极管d5的作用在于防止电感电流回流；第二二极管d2、第四二极管d4、第六二极管d6的作用在于防止发电输出电能回流。
m/n/p三相绕组不需要投入工作时各自所在变流支路的全部开关管均处于断开状态，根据开关磁阻发电机运行原理及其转子位置信息：当第一相绕组m需要投入工作时，第三开关管v3闭合导通，首先进入励磁阶段，第一相绕组m两端电压为其励磁电压；励磁阶段结束时第三开关管v3断开，如果励磁阶段结束时检测到第一相绕组m电流未达到所需值，则同时闭合第四开关管v4进入续流阶段直至第一相绕组m电流达到所需值或者第一相绕组m电流未达到所需值但续流阶段时间达到上限值，续流阶段结束即第四开关管v4断开后自动进入发电阶段，经由第二二极管d2发电输出电能；如果励磁阶段结束时检测到第一相绕组m电流达到所需值或者励磁阶段未结束但第一相绕组m电流已达到所需值，则关断第三开关管v3后直接自动进入发电阶段输出电能，此时第四开关管v4始终处于断开状态；当第一相绕组m工作结束后，其他相绕组工作时，第一相绕组m所在的第一变流支路101的第二开关管v2可以闭合导通，其闭合导通的时间根据对励磁电压值的要求而调节，此时第一电容器c1和第二电容器c2处于放电模式，第二开关管v2断开期间相应的为它们的充电模式；
根据第一电容器c1和第二电容器c2的电容电荷平衡原理，以及第一电感l1和第二电感l2的电感伏秒平衡原理，在第二开关管v2和第四开关管v4均为断开状态时，可得如下式子：
ul＝uc1+uc2＝ux1/(1-2d)(1)
式(1)中：ul为第三开关管v3闭合导通即励磁阶段时的励磁电压平均值；uc1和uc2分别为第一电容器c1和第二电容器c2的平均电压值；ux1为第一变流支路101输入端电压即第一蓄电池x1两端电压；d为第二开关管v2的开关占空比，基于以上开关模式及开关磁阻发电机的运行原理，实际中d小于三分之一，并且鉴于开关磁阻发电机运行中可能存在的变速度运行，则其开关周期也是变化的，可见，如果要保持励磁电压不变，当发电机组转速变化时，此占空比要调节，当需要励磁电压变化以适应更优的控制需求时，则可通过调整占空比d实现，并且，只要占空比d不为零，相对输入端电压来说，输出端即励磁电压势必得到了强化，因为ul＞＞ux1；
同理，根据开关磁阻发电机结构原理，当第二相绕组n、第三相绕组p及其所在变流支路需要投入工作时，与第一相绕组m所在第一变流支路101工作过程类似，其中：第二蓄电池x2和第三蓄电池x3对应第一蓄电池x1，第三电感l3和第五电感l5对应第一电感l1，第四电容器c4和第七电容器c7对应第一电容器c1，第三二极管d3和第五二极管d5对应第一二极管d1，第五电容器c5和第八电容器c8对应第二电容器c2，第四电感l4和第六电感l6对应第二电感l2，第六开关管v6和第十开关管v10对应第二开关管，第七开关管v7和第十一开关管v11对应第三开关管v3，第八开关管v8和第十二开关管v12对应第四开关管v4，第四二极管d4和第六二极管d6对应第二二极管d2，第六电容器c6和第九电容器c9对应第三电容器c3。
三个变流支路的发电输出端第三电容器c3、第六电容器c6、第九电容器c9之间为串联关系，从而总的输出电压为单个相绕组发电输出电压的三倍，达到了发电输出直流电压三倍增的结果。
运行中当检测到第一蓄电池x1电能低于下限值时，闭合第一开关管v1，由隔离降压dc/dc变流器2向第一蓄电池x1充电，满电后断开第一开关管v1；同理，第二蓄电池x2和第三蓄电池x3遇到相同问题时，均由隔离降压dc/dc变流器2分别经由第五开关管v5和第九开关管v9给予充电。
虽然本发明实施例为三相绕组开关磁阻发电机，但从附图1可见，对于四相及其以上相数的开关磁阻发电机，再增加新的相同结构的变流支路并且输入端并联输出端串联后即可，相数越多，输出电压倍增越高；基于此，本发明针对四相及其以上绕组数量的开关磁阻发电机自然应属于同样的保护范围。