阅读说明：本技术 一种直升压自变励开关磁阻发电机变流系统 (Direct-voltage-boosting self-excitation-changing switched reluctance generator current transformation system ) 是由 孙冠群 邬舒宁 浪潮 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：一种直升压自变励开关磁阻发电机变流系统,由九个开关管、三相绕组、七个电容器、十二个二极管、两个变压器、两个电感组成,使用最少的开关管数量,解决了开关磁阻发电机各相绕组励磁和发电的同时在满足一定条件下实现不同的高电压输出的问题,发电结束主动断流,效率高,器件利用率高。变励磁电压结构下可实现连续调节励磁电压以及在满足一定条件下实现不同的励磁电压区间输出,第二变压器起到隔离、变压、保护励磁电能稳定的综合作用,变励磁回路输入端电流连续,对发电输出端干扰小,兼顾强化励磁功能,整个系统利用率高、可靠性高、损耗低、成本低,灵活性适应性强：适用于各类动力驱动下的高速开关磁阻发电机系统领域应用。(A converter system of a direct-voltage boosting self-excitation switch reluctance generator is composed of nine switch tubes, three-phase windings, seven capacitors, twelve diodes, two transformers and two inductors, the minimum number of the switch tubes is used, the problem that different high-voltage outputs are achieved under the condition that the switch reluctance generator meets certain conditions when each phase of the windings of the switch reluctance generator is excited and generates electricity is solved, active cutoff is achieved after electricity generation is finished, efficiency is high, and utilization rate of devices is high. The variable excitation voltage structure can realize continuous adjustment of excitation voltage and different excitation voltage interval outputs under the condition of meeting a certain requirement, the second transformer plays the comprehensive role of isolation, transformation and protection of excitation electric energy stability, the variable excitation loop input end current is continuous, the interference to the power generation output end is small, the excitation strengthening function is considered, the whole system is high in utilization rate, high in reliability, low in loss, low in cost and strong in flexibility adaptability: the method is suitable for the field of high-speed switched reluctance generator systems under various power drives.)

一种直升压自变励开关磁阻发电机变流系统

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机系统领域，具体涉及一种直接抬升电压、少开关管、自励变励磁的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法。

背景技术

在开关磁阻电机系统领域，变流系统是其稳定、高效运行的核心关键部分，而在开关磁阻电机变流系统中，开关管的数量直接决定了控制的复杂度、开关损耗大小、开关保护容量等等，自然，完成同样功能前提下，越少的开关管用量越好，一般来说会降低成本和控制复杂度，并减小损耗提高效率。

作为开关磁阻发电机，传统方式下其发出的电能端即发电电压往往不能满足负载侧的需要，一般需要增加专门的电压抬升电力电子装置实现，自然增加了成本和控制与结构的复杂度，并降低可靠性，并且，在某些领域，对发电电压的要求变化区间较大，或者需要不同等级的发电电压输出才能更好的适应负载侧需求。

根据开关磁阻发电机的数学模型，作为发电机工况运行时，和电动工况时相反，工作中的相绕组电流在发电工况结束时必须降至零，否则将进入电动工况下运行，势必降低系统性能尤其是发电效率降低，在业界，绝大多数场合下，是根据开关磁阻发电机数学模型中，在发电工况即将结束时的相绕组电感最小，反向电压作用下电流势必快速下降的机理来自然降流法，这样在工程实际中，难免会出现一定时间的进入电动工况时相绕组电流还维持有一定值，无法实现精确的到转折点即完全降至零的要求。

自本发明人在2017年提出变励磁电压的开关磁阻发电机变流控制系统的可实现的概念和实际系统后[孙冠群等.基于功率变换器与励磁电压扰动法的SRG风电MPPT控制[J].电力系统自动化，2017，41(2)：101-107.]，变励磁电压在开关磁阻发电机系统中犹如是被诸如的一池新水，激活了开关磁阻发电机系统的新的不同研究，使得变励磁电压产生重要的发展意义，这当中，宽范围的变励磁电压能力，以及必要时可大范围调节不同高低励磁电压区间的能力自然更具有现实意义，因为如果发电电压侧对大范围要求较高时，势必给大范围可调节的励磁电压提出了要求，另外，基于变励磁电压的实现，自然也可兼顾实现了业界也非常在意的强化励磁能力。

开关磁阻发电机变流系统的励磁电源来源，一般分为他励和自励两种，他励模式虽然供电稳定，但常常需要采用蓄电池这种需要频繁维护的设备，可靠性也降低，自励模式没有这个问题，但传统无隔离环节的自励模式往往存在受发电输出侧干扰，使得励磁电压不稳定，以及反向对发电输出侧造成干扰的双重问题。

发明内容

根据以上的背景技术，本发明就提出了一种励磁发电直升压最少开关管数量、自励磁变励磁电压的可宽范围励磁和发电输出的开关磁阻发电机变流系统及其控制方法，适用于各类动力驱动下的中小功率高速开关磁阻发电机系统领域应用。

本发明的技术方案为：

一种直升压自变励开关磁阻发电机变流系统，其特征是，包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第四电容器、第五电容器、第六电容器、第七电容器、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第十二二极管、第一变压器、第二变压器、第一电感、第二电感，所述第一开关管阴极连接所述第一相绕组一端，所述第二开关管阴极连接所述第二相绕组一端，所述第三开关管阴极连接所述第三相绕组一端，第一相绕组另一端连接第二相绕组另一端、第三相绕组另一端、所述第四开关管阳极、所述第一电容器一端、所述第一二极管阳极，第一电容器另一端连接所述第一变压器一次侧绕组一端和二次侧绕组一端、所述第二二极管阳极，第一变压器一次侧绕组另一端连接第一二极管阴极、所述第二电容器一端，第一变压器二次侧绕组另一端连接所述第四电容器一端，第二二极管阴极连接所述第三电容器一端、所述第三二极管阳极，第三二极管阴极连接第四电容器另一端、所述第四二极管阳极，第四二极管阴极连接所述第五电容器一端、所述第一电感一端，第一开关管阳极连接第二开关管阳极、第三开关管阳极、所述第七电容器一端、所述第十二二极管阴极，第四开关管阴极连接第二电容器另一端、第三电容器另一端、第五电容器另一端、第七电容器另一端、所述第六开关管阴极、所述第八开关管阴极、所述第九开关管阴极、所述第六电容器一端、所述第九二极管阳极、所述第十一二极管阳极，第一电感另一端连接所述第五二极管阳极、所述第六二极管阳极、所述第七二极管阳极，第五二极管阴极连接第六电容器另一端、所述第五开关管阳极、所述第七开关管阳极，第六二极管阴极连接第五开关管阴极、第六开关管阳极、所述第二变压器一次侧绕组一端，第七二极管阴极连接第七开关管阴极、第八开关管阳极、第二变压器一次侧绕组另一端，第二变压器二次侧绕组一端连接所述第二电感一端，第二电感另一端连接第九二极管阴极、所述第八二极管阳极，第二变压器二次侧绕组另一端连接第十一二极管阴极、所述第十二极管阳极，第八二极管阴极连接第十二极管阴极、第十二二极管阳极、第九开关管阳极；

第五电容器两端为发电输出端；第七电容器两端为励磁电源输出端；第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管均为带有反并联二极管的全控型电力电子开关器件。

一种直升压自变励开关磁阻发电机变流系统的控制方法，其特征是，开关磁阻发电机运行中，根据转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，闭合第一开关管和第四开关管，进入励磁阶段；根据转子位置信息励磁阶段结束时，断开第四开关管，进入发电阶段；根据转子位置信息发电阶段结束时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；

根据转子位置信息，当第二相绕组、第三相绕组需投入工作时，除第二开关管、第三开关管对应第一开关管外，工作控制模式与如上第一相绕组的相同；

为了得到系统所需励磁电压，第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管按照PWM模式工作，具体工作控制方法为：

第五开关管和第六开关管互补开关，即当中一个开关管闭合期间时另一个开关管断开，第七开关管和第八开关管互补开关，第五开关管和第七开关管PWM占空比均大于0.5，并且相等，第六开关管和第八开关管PWM占空比均小于0.5，并且相等，第五开关管和第七开关管的相位差，以及第六开关管和第八开关管的相位差，均为一个PWM周期的一半，即180度；关于第九开关管，它与第六开关管和第八开关管均同步，即第六开关管闭合时第九开关管闭合，第八开关管闭合时第九开关管还闭合，其余时间第九开关管断开；基于以上控制方法即约束条件下，调节第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管的PWM占空比大小，即可改变励磁电源输出电压即励磁电压值。

本发明的技术效果主要有：

(1)本发明的各相绕组励磁和发电工作中所需开关管数量极少，除一个公共开关管(第四开关管)外，每相绕组仅仅一个开关管，并且可据此直接实现发电电压抬升输出，当中并且可以通过事先调节第一变压器的变比，以适应不同的超高压、高压、中压等发电区间输出，结构简易，控制简单，灵活性适应性强；另外，励磁和发电工作中绝大部分器件为公用器件，器件利用率高。

(2)本发明的各相绕组发电阶段工作中，在根据转子位置信息发电阶段需结束，即需要该工作的相绕组电流降至零时，采用关闭与之串联的开关管的方式直接实现，相对依靠开关磁阻发电机数学模型下自然降流的方式，可靠性更高，不会出现进入电动工况区间时相绕组电流没有降至零的情况，也提高了系统性能和发电效率。

(3)调节励磁电压的结构部分，以第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管等为核心进行，当中自带隔离环节(第二变压器)，除可适应较大功率等级的开关磁阻发电机系统外，省掉了业界常出现的专门的隔离装置，更重要的是适应发电电压需求，以及励磁发电工作中的需要，可事先通过改变第二变压器的变比适应不同要求的变化区间，即也辅助实现大范围的励磁电压输出，当然，运行中基于约束条件下可调节如上涉及励磁电压的第五开关管等的占空比，实时调节励磁电压适应系统需求，自然也兼顾了业界比较在意的强化励磁能力。

(4)通过第五开关管等调节励磁电源的回路工作控制原理可见，运行中变励磁电压的输入端(即发电输出端)输入的电流总是连续不断的，不会因为属于自励范畴而像传统自励模式那样对发电输出端造成较大的干扰，提高了发电输出端电能质量，另外，第二变压器的隔离结构存在，也弱化了发电输出侧对励磁电源输出侧的干扰，励磁输出电能质量也较高。

附图说明

图1所示为本发明的一种直升压自变励开关磁阻发电机变流系统电路结构图。

具体实施方式

本实施例的一种直升压自变励开关磁阻发电机变流系统，变流系统电路结构如附图1所示，其由第一开关管V1、第二开关管V2、第三开关管V3、第四开关管V4、第五开关管V5、第六开关管V6、第七开关管V7、第八开关管V8、第九开关管V9、第一相绕组M、第二相绕组N、第三相绕组P、第一电容器C1、第二电容器C2、第三电容器C3、第四电容器C4、第五电容器C5、第六电容器C6、第七电容器C7、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12、第一变压器T1、第二变压器T2、第一电感L1、第二电感L2组成，第一开关管V1阴极连接第一相绕组M一端，第二开关管V2阴极连接第二相绕组N一端，第三开关管V3阴极连接第三相绕组P一端，第一相绕组M另一端连接第二相绕组N另一端、第三相绕组P另一端、第四开关管V4阳极、第一电容器C1一端、第一二极管D1阳极，第一电容器C1另一端连接第一变压器T1一次侧绕组a一端和二次侧绕组b一端、第二二极管D2阳极，第一变压器T1一次侧绕组a另一端连接第一二极管D1阴极、第二电容器C2一端，第一变压器T1二次侧绕组b另一端连接第四电容器C4一端，第二二极管D2阴极连接第三电容器C3一端、第三二极管D3阳极，第三二极管D3阴极连接第四电容器C4另一端、第四二极管D4阳极，第四二极管D4阴极连接第五电容器C5一端、第一电感L1一端，第一开关管V1阳极连接第二开关管V2阳极、第三开关管V3阳极、第七电容器C7一端、第十二二极管D12阴极，第四开关管V4阴极连接第二电容器C2另一端、第三电容器C3另一端、第五电容器C5另一端、第七电容器C7另一端、第六开关管V6阴极、第八开关管V8阴极、第九开关管V9阴极、第六电容器C6一端、第九二极管D9阳极、第十一二极管D11阳极，第一电感L1另一端连接第五二极管D5阳极、第六二极管D6阳极、第七二极管D7阳极，第五二极管D5阴极连接第六电容器C6另一端、第五开关管V5阳极、第七开关管V7阳极，第六二极管D6阴极连接第五开关管V5阴极、第六开关管V6阳极、第二变压器T2一次侧绕组c一端，第七二极管D7阴极连接第七开关管V7阴极、第八开关管V8阳极、第二变压器T2一次侧绕组c另一端，第二变压器T2二次侧绕组d一端连接第二电感L2一端，第二电感L2另一端连接第九二极管D9阴极、第八二极管D8阳极，第二变压器T2二次侧绕组d另一端连接第十一二极管D11阴极、第十二极管D10阳极，第八二极管D8阴极连接第十二极管D10阴极、第十二二极管D12阳极、第九开关管V9阳极；

第五电容器C5两端为发电输出端，即发电电压端口；第七电容器C7两端为励磁电源输出端，即励磁电压端口；第五开关管V5、第六开关管V6、第七开关管V7、第八开关管V8、第九开关管V9均为带有反并联二极管的全控型高频电力电子开关器件电力MOSFET或IGBT等。

根据本发明所用领域对发电电压的不同需求，可事先设定第一变压器T1的不同变比，进而设定第二变压器T2的不同变比，从而获取不同的发电电压区间和励磁电压区间。

本实施例一种直升压自变励开关磁阻发电机变流系统的控制方法，开关磁阻发电机运行中，各相绕组的励磁和发电工作过程为：根据转子位置信息，当第一相绕组M需投入工作时，同时闭合第一开关管V1和第四开关管V4，进入励磁阶段，此时除励磁电源经第一开关管V1和第四开关管V4向第一相绕组M充电励磁外，第二电容器C2和第三电容器C3分别向第一电容器C1和第四电容器C4充电；根据转子位置信息励磁阶段结束时，断开第四开关管V4，第一开关管V1维持闭合状态，进入发电阶段，此时励磁电源(第七电容器C7侧)和第一相绕组M、第一电容器C1、第四电容器C4四者串联共同向发电输出端输出电能，可见此时发电电压相对励磁电压要大的多，另外，第二电容器C2也先后被励磁电源+第一相绕组M，以及励磁电源+第一相绕组M+第一电容器C1+第一变压器T1一次侧绕组a充电，第三电容器C3则被励磁电源+第一相绕组M经第二二极管D2充电；根据转子位置信息发电阶段结束时，再断开第一开关管V1，第一相绕组M电流降至零，工作结束；

根据转子位置信息，当第二相绕组N、第三相绕组P需投入工作时，除第二开关管V2、第三开关管V3对应第一开关管V1外，工作控制模式与如上第一相绕组M的相同，即除第二开关管V2和第三开关管V3外，各相绕组励磁和发电工作中其余器件公用。

因应整个发电系统的实时不同要求，为了得到本发明变流系统所需不同励磁电压，第五开关管V5、第六开关管V6、第七开关管V7、第八开关管V8、第九开关管V9按照高频PWM模式工作，具体工作控制方法为：

第五开关管V5和第六开关管V6互补开关，即当中一个开关管闭合期间时另一个开关管断开，第七开关管V7和第八开关管V8互补开关，第五开关管V5和第七开关管V7的PWM占空比均大于0.5，并且相等，第六开关管V6和第八开关管V8的PWM占空比均小于0.5，并且相等，第五开关管V5和第七开关管V7的相位差，以及第六开关管V6和第八开关管V8的相位差，均为一个PWM周期的一半，即180度；关于第九开关管V9，它与第六开关管V6和第八开关管V8均同步，即第六开关管V6闭合时第九开关管V9闭合，第八开关管V8闭合时第九开关管V9还闭合，其余时间第九开关管V9断开；基于以上控制方法即约束条件下，调节第五开关管V5、第六开关管V6、第七开关管V7、第八开关管V8、第九开关管V9的PWM占空比大小，即可改变励磁电源输出电压即励磁电压值。

可见，每相绕组串联一个开关管之后再互相并联即可同模式的工作，所以，不仅仅针对本实施例的三相绕组开关磁阻发电机，对于任意相绕组数量的开关磁阻发电机，本发明自然都处于保护范围以内。