一种用于新能源互联网的开关磁阻电机系统的制作方法

本实用新型涉及一种磁阻电机系统，具体涉及用于新能源互联网的开关磁阻电机系统。

背景技术：

新能源互联网系统具有较大的发展前景，在解决我国偏远无电地区居民用电的问题上，作为清洁能源的有力补充，在大型风电和光伏发电延伸不到的领域，具有较好的应用前景，可视为有效、经济和可行的方式之一。随着电机技术和电力电子技术的进步，交流发电机开始成为新能源互联网系统的主流机型，主要包括双馈感应发电机，永磁发电机和电励磁同步电机发电机。

双馈感应发电机系统利用电力电子变换器控制转子频率来实现电机变速恒频运行。但是其控制难度较大，在低速运行时的功率密度和发电效率较低，限制了其在新能源互联网系统中的进一步发展。

永磁发电机系统的输出电压调节性能差。在高速情况下无法实现弱磁控制，易出现端电压急剧上升，电机绕组绝缘遭到破坏，电机被烧毁等危机状况。随着时间的推移和环境温度的升高，永磁体将产生退磁现象，导致电机的功率密度、发电效率等性能下降，难以在恶劣环境中发挥其最佳性能。

电励磁同步电机需安装励磁装置，转子上具有励磁绕组，电机一般尺寸较大、质量较重，提高了系统成本，不适用于新能源互联网系统。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于新能源互联网的开关磁阻电机系统，可用于直流与交流负载，在电量充足时蓄电池储能，电量不足时蓄电池提供能量，实现系统内的能量流动。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种用于新能源互联网的开关磁阻电机系统，包括连接在直流母线和蓄电池组之间的双向DC/DC变换器及连接在直流母线和交流负载之间的逆变单元；所述双向直流逆变器的输入端与直流母线连接，其输出端与蓄电池组连接，所述逆变单元包括前级DC/DC升压变换电路和后级DC/AC逆变电路，所述前级DC/DC升压变换器的输入端与直流母线连接，其输出端通过后级DC/AC逆变器与交流负载连接。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述前级DC/DC升压变换电路包括第一MOS管、第一电容、第二电容、第一电阻、第一电感及第一二极管，所述第一MOS管的漏级与第一二极管的阳极连接，第一MOS管的源极与直流母线负极连接，第一MOS管的栅极与逆变单元控制器连接，所述第一二极管的阴极与直流母线正极连接，所述第一电容的一端与直流母线的正极连接，第一电容的另一端与直流母线的负极连接，所述第一电阻的一端与第一二极管的阴极连接，第一电阻的另一端与第一MOS管的源极连接，所述第二电容并联在第一电阻的两端，所述第一电感的一端与直流母线的正极连接，第一电感的另一端与第一二极管的阳极连接。

所述后级DC/AC逆变电路包括第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第二电感及第三电容，所述第二MOS管、第三MOS管的源极分别与第四MOS管、第五MOS管的漏级连接，第二MOS管及第三MOS管的漏级均与直流母线的正极连接，

第四MOS管及第五MOS管的源极均与直流母线的负极连接，所述第二MOS 管、第三MOS管、第四MOS管及第五MOS管的栅极与逆变单元控制器连接，所述第二电感的一端与第三MOS管的源极连接，第二电感的另一端与交流负载的正极连接，所述第三电容的一端与交流负载的正极连接，第三电容的另一端与交流负载的负极连接，所述第四MOS管的漏级与交流负载的负极连接。

所述储能装置包括第六MOS管、第七MOS管、第三电感、第四电容、第五电容、第六电阻，及开关，所述第六MOS管的漏级与直流母线的正极连接，第六MOS管的源极与第七MOS管的漏极连接，第七MOS管的源极与直流母线负极连接，所述第六MOS及第七MOS管的栅极与储能单元控制器连接，所述第三电感的一端与第六MOS管的源极连接，其另一端通过第五电容与直流母线的负极连接，所述第四电容的一端与第六MOS管的漏极连接，第四电容的另一端与第七MOS管的源极连接，所述开关的一端与蓄电池组的负极连接，其另一端连接在第三电感和第五电容之间的节点处，所述第六电阻并联在开关的两端。

由上述技术方案可知，本实用新型所述的用于新能源互联网的开关磁阻电机系统及其控制方法，在大电网难以普及到的地方，比如孤立海岛、边防哨所、渔船和偏远的农牧区等地方，小型电机系统可以作为传统的内燃机电机系统的替代方案，具有较好的经济可行性和适用性。本实用新型的小型开关磁阻电机系统，可同时为直流负载和交流负载供电，通过不同的工作模式实现能量流动。本实用新型所述的开关磁阻电机结构简单、成本低廉，控制简单、性能优良，且低速性能好，可直接直驱发电，利用率高，作为小型电机系统的电装置具有不可逾越的优势。

附图说明

图1是本实用新型的系统框图；

图2是本实用新型的系统工作模式示意图；

图3是本实用新型第一种工作模式下第一种曲线图；

图4是本实用新型第一种工作模式下第二种工作状态曲线图；

图5是本实用新型第二种工作模式下第一种工作状态曲线图；

图6是本实用新型第二种工作模式下第二种工作状态曲线图；

图7是本实用新型的主电路图；

图8是本实用新型的蓄电池单元工作模式1的控制策略框图；

图9是本实用新型的蓄电池单元工作模式2的控制策略框图；

图10是本实用新型的逆变单元前级DC/DC变换器的控制策略框图；

图11是本实用新型的逆变单元的电压瞬时值反馈控制策略框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

如图1所示，本实施例的新能源互联网的开关磁阻电机系统，包括连接在风力机和直流母线之间的开关磁阻发电机单元、连接在直流母线和蓄电池组之间的储能单元，及连接在直流母线和交流负载之间的逆变单元。

该开关磁阻发电机单元包括开关磁阻发电机及功率变换器，其为整个系统提供电能，开关磁阻发电机通过功率变换器实现发电过程，将风力机传递过来的机械能转换为电能，输送到直流母线，为系统的其他单元供电。

该储能单元包括双向DC/DC变换器及蓄电池组，该双向直流逆变器的输入端与直流母线连接，其输出端与蓄电池组连接。由于新能源具有很大的不确定性，因此在独立运行的新能源互联网发电系统中，发电功率通常与负载的功率并不匹配。为了保证系统的能量平衡和供电的稳定和持续，系统中需要储能单元对电能进行储存或释放，蓄电池组是使用较多的一种储能装置。

在本系统中，开关磁阻发电机采用的是直流母线结构，可以方便地为直流负载供给电能。但如果系统中存在交流负载，需要逆变单元将直流母线与交流负载连接起来，提供交流电。逆变单元包括前级DC/DC升压变换电路和后级 DC/AC逆变电路，前级DC/DC升压变换器的输入端与直流母线连接，其输出端通过后级DC/AC逆变器与交流负载连接。在本系统中，逆变单元主要为交流负载供电，其能量流动是单向的，因而前级DC/DC变换器仅需满足能量的单向流动和电压等级提升的功能。选用非隔离型的Boost直流升压变换器作为逆变器的前级DC/DC变换器，该电路结构和控制都比较简单，在一定范围的升压比内，可以达到比较好的输出性能和较高的效率。前级直流变换器将直流母线电压升压并维持稳定，从而满足后级逆变环节的需求。后级变换器采用传统的全桥逆变器拓扑结构，这是目前工业上应用较为成熟和可靠的逆变器拓扑结构之一。

电机、负载和储能单元在不同的工作模式下运行在不同的工作状态。根据对系统正常运行状况下功率的流向以及PG、PL和PB之间关系的分析，可以将系统的工作模式分为两种，如图2所示，每个工作模式中有若干种工作状态：

工作模式1：在该模式下，电机的电功率充分满足负载需要消耗的功率，即PG>PL，此时电机的电能除了向负载供电，过剩的能量(PG-PL)需要储存在蓄电池中。由于蓄电池具有最大充电功率PBC的限制，在该工作模式下，可以分为两个个工作状态：

工作状态1.1：负载功率较大，可以消耗大部分的电功率，剩余的电功率输入蓄电池，蓄电池未处于全功率状态，即(PGM-PL)<PBC时,电机工作进行MPPT控制，使电机工作在最大功率点，电功率保持PG＝PGM。如图3所示。

工作状态1.2：负载功率较小，电机最大电功率远大于负载功率，即有(PGM -PL)>PBC，如果电机仍工作在最大功率点，则除了向蓄电池最大功率PBC输入电能，仍有富余功率，因此电机的工作点应偏离最大功率点，维持系统能量平衡。如图4所示。

工作模式2：电机的电功率不足以负担负载所消耗的功率，即PG<PL，此时电机的电能全部向负载供电，不足的能量(PL-PG)由蓄电池提供。由于蓄电池具有最大放电功率PBD的限制，在该工作模式下，同样可以分为两个个工作状态：

工作状态2.1：负载功率大于电机的最大电功率，蓄电池提供的功率在最大放电功率之内，即(PL-PGM)<PBD。此时电机工作在最大功率点上。如图 5所示。

工作状态2.2：负载功率大于电机和蓄电池所能提供的最大功率之和，即 (PL-PGM)>PBD，此时系统无法保持能量平衡，需要切除全部负载并使整个系统停止运行，或者切除部分负载，使系统转换至其他三个工作状态。如图6 所示。

如图7所示，前级DC/DC升压变换电路包括第一MOS管S13、第一电容C6、第二电容C4、第一电阻R1、第一电感L1及第一二极管D7，第一MOS管S13 的漏级与第一二极管D7的阳极连接，第一MOS管S13的源极与直流母线负极连接，第一MOS管S13的栅极与逆变单元控制器连接，第一二极管D7的阴极与直流母线正极连接，第一电容C6的一端与直流母线的正极连接，第一电容 C6的另一端与直流母线的负极连接，第一电阻R1的一端与第一二极管D7的阴极连接，第一电阻R1的另一端与第一MOS管S13的源极连接，第二电容C4并联在第一电阻R1的两端，第一电感L1的一端与直流母线的正极连接，第一电感L1的另一端与第一二极管D7的阳极连接。

如图7所示，后级DC/AC逆变电路包括第二MOS管S9、第三MOS管S11、第四MOS管S10、第五MOS管S12、第二电感及第三电容，第二MOS管S9、第三MOS管S11的源极分别与第四MOS管S10、第五MOS管S12的漏级连接，第二MOS管S9及第三MOS管S11的漏级均与直流母线的正极连接，

第四MOS管S10及第五MOS管S12的源极均与直流母线的负极连接，第二 MOS管S9、第三MOS管S11、第四MOS管S10及第五MOS管S12的栅极与逆变单元控制器连接，第二电感L3的一端与第三MOS管的源极连接，第二电感L3 的另一端与交流负载的正极连接，第三电容C5的一端与交流负载的正极连接，第三电容C5的另一端与交流负载的负极连接，第四MOS管S10的漏级与交流负载的负极连接。

储能装置包括第六MOS管S7、第七MOS管S8、第三电感L2、第四电容C2、第五电容C3、第六电阻R2，及开关S14，第六MOS管S7的漏级与直流母线的正极连接，第六MOS管S7的源极与第七MOS管S8的漏极连接，第七MOS管S8 的源极与直流母线负极连接，第六MOS及第七MOS管S8的栅极与储能单元控制器连接，第三电感L2的一端与第六MOS管S7的源极连接，其另一端通过第五电容C3与直流母线的负极连接，第四电容C2的一端与第六MOS管S7的漏极连接，第四电容C2的另一端与第七MOS管S8的源极连接，开关S14的一端与蓄电池组的负极连接，其另一端连接在第三电感L2和第五电容C3之间的节点处，第六电阻R2并联在开关S14的两端。

图7的主电路图主要包括开关磁阻发电机单元，蓄电池储能单元和逆变单元。在各个单元施加相应的控制策略以实现整个新能源互联网开关磁阻电机系统的运行。在开关磁阻发电机单元中，提出了两种控制策略：分步最大功率追踪控制和功率平衡控制。分步最大功率追踪控制将最大功率点的追踪过程分为两步，第一步通过功率闭环控制快速进入接近最大功率点的区域，第二步通过变步长爬山搜索法追踪到最大功率点，其综合了功率信号反馈法和爬山法的优点，具有较快的追踪速度和稳定的追踪精度。功率平衡控制则是当系统负载比较大时，系统运行在最大功率点，多余或欠缺的功率由蓄电池吸收或提供，维持系统能量平衡；当开关磁阻发电机的发电功率提供给负载和蓄电池最大吸收功率后仍有剩余，此时应控制系统降低发电功率，对直流母线电压进行控制，维持系统的功率平衡，减小蓄电池负担。

蓄电池储能单元主要包括对于工作模式1和工作模式2的控制策略。当系统处于工作模式1时，发电机的输出功率大于负载功率，储能单元处于充电状态，其控制策略框图如图8所示。当处于工作状态1.1时，系统通过电压电流双闭环控制将直流母线电压稳定在Udc1^*。系统处于工作状态1.2时，蓄电池保持当前状态的最大充电功率，此时有两种控制方式：一方面，设置电压控制器 PI1输出上限值Irmax等于蓄电池最大充电电流Iim，使电压控制器PI1输出饱和，通过电流控制器PI2对充电电流Ii进行限制，此控制通常出现在蓄电池电量较少，端电压较低的情况时；另一方面，当充电过程中蓄电池侧电压UE过高时，将电压外环控制的控制目标设置为UE，进行恒电压充电，此时通常蓄电池电量已接近充满。当系统运行在工作模式2时，发电功率比负载功率小，储能单元处于放电状态，其控制策略框图如图9所示。当处于工作状态2.1时，系统能量平衡通过控制储能装置的放电功率来保持，此时把Udc1作为主要控制目标，同时对放电电流进行控制，此时可设置电压控制器PI1的输出上限值Irmax等于蓄电池最大可放电电流Iom。当系统处于工作状态2.2时，此时发电机和蓄电池无法为负载提供足够的功率，系统的能量不能保持平衡，需进行切负载的操作。该工作状态的触发条件为Udc1<U1，Io≥Iom，Io为蓄电池组放电电流。

逆变单元控制策略包括了前级DC/DC变换器控制策略和逆变电路控制策略。前级DC/DC变换器控制策略中选定Boost直流变换器作为前级电压变换器，以输出电压Udc2为控制目标，开关管S13的占空比D为调节量，进行电压闭环PI控制，控制框图如图10所示。逆变电路控制策略中主要采用电压瞬时值反馈控制，如图11所示。通过给定的正弦目标电压Us^*与逆变电路输出电压瞬时值Us的差值经PI调节器后得到正弦调制波，在SPWM发生器中与载波比较后得到开关管的控制信号，进而控制逆变电路的运行，得到理想的交流电压，达到电压瞬时值闭环的效果控制。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。