一种开关磁阻电机功率变换器及其控制方法

本发明涉及清洁能源发电系统领域，具体涉及一种直升压、变励磁、少开关、电源双馈的新型多功能开关磁阻电机功率变换器及其控制方法。

背景技术：

1、风能和太阳能作为主力的清洁能源形式，越来越为全世界广泛利用，尤其用于发电；在我国，除风力发电和太阳能光伏发电快速发展外，鉴于电力系统负载在不同时间用电不平衡的特点，近年来各地陆续投资建造平衡电网的抽水蓄能电站项目，也是一种清洁能源的削峰填谷的形式。

2、由于风能和太阳能随着气候的变化而变化，引入抽水蓄能电站后，在有风力发电和光伏发电系统组成的电网内，势必增强了电网的稳定性。

3、目前，由风力发电和光伏发电为主组成的直流微电网发展较为快速，对于风力发电系统，传统风力发电机为永磁同步发电机或者异步发电机，他们直接发出交流电，需经过整流环节，以及升压环节，才能并入电网；而抽水蓄能电站的发电/电动机系统，也多为交流电机，存在一样的并网前环节。

4、开关磁阻电机作为一种特殊结构的电机种类，可以直接发出直流电，可作为电动机和发电机四象限运行，区别仅在于不同转子位置时通电角度的不同，控制简单灵活，但目前其传统的不对称半桥型变流器(功率变换器)，所需开关管数量较多，另外，也存在输出直流电电压较低，必须增加升压环节等问题。

5、开关磁阻电机功率变换器领域，目前也出现了一些新型的拓扑结构种类，包括在新型主电路基础上，增加一励磁电路环节，作为发电机时可实现变励磁，作为电动机时可调节电源控制转速和功率。

6、在由主电路和附属电路(如励磁电路)组成的开关磁阻电机功率变换器拓扑结构中，业界常常需要隔离环节，譬如隔离变压器的使用，增加了系统的体积重量和成本，也增加了损耗，另外，过多的开关管的使用，尤其频繁开关也产生大量的损耗。

7、在清洁能源为主组成的直流电网系统中，包括作为风力发电和抽水蓄能电站，往往需要同一台电机可四象限运行，如果同一功率变换器可实现四象限调控应用，势必提高利用率和性价比，同时，对于风力发电，最大功率跟踪(mppt)控制和低电压穿越，也需要更为多样和灵活可控的结构和方法。

技术实现思路

1、根据以上的背景技术，本发明就提出了一种直接输出直流电，直接升高电压输出，可变励磁电压，励磁电流连续，自起动能力，蓄电池自充电，反向直流电网馈能，共地无隔离环节，四象限运行，以及开关管用量少的适合中小功率开关磁阻电动机或开关磁阻发电机的新型功率变换器及其控制方法，适合于含风力发电和抽水蓄能电站并网为代表的直流电网领域应用。

2、本发明的技术方案为：

3、一种开关磁阻电机功率变换器，由主电路和电源电路组成，主电路输出电能给直流电网，其输出两端同时作为电源电路正向工作时的输入两端，电源电路正向工作输出两端作为主电路输入两端。

4、主电路由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、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、第一电容器、第二电容器、第三电容器、第一电感、第二电感、以及第三电感组成，第一开关管阳极连接第二开关管阳极和第三开关管阳极，并作为主电路输入正极端，第一开关管阴极连接第一相绕组一端，第二开关管阴极连接第二相绕组一端，第三开关管阴极连接第三相绕组一端，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、第一二极管阳极、以及第二二极管阳极，第一二极管阴极连接第一电容器一端和第一电感一端，第二二极管阴极连接第一电感另一端、第四开关管阳极、以及第五二极管阳极，第五二极管阴极连接第二电容器一端、第三电容器一端、第二电感一端、以及第三电感一端，第二电感另一端连接第三二极管阳极，第三二极管阴极连接第二电容器另一端和第四二极管阴极，并作为主电路输出正极端，第四二极管阳极连接第三电感另一端，第一电容器另一端连接第四开关管阴极和第三电容器另一端，并作为主电路输出负极端和输入负极端，第一电感与第二电感和第三电感磁耦合。

5、电源电路由第五开关管、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、第四电容器、第五电容器、第六电容器、第四电感、第五电感、以及蓄电池组成，第四电容器一端连接第八开关管阳极和第九二极管阴极，并作为电源电路正向输入正极端与主电路输出正极端连接，第八开关管阴极连接第九二极管阳极、第六开关管阳极、第七二极管阴极、以及第五电感一端，第五电感另一端连接第七开关管阳极、第八二极管阴极、以及第五电容器一端，第五电容器另一端连接第五开关管阴极、第六二极管阳极、以及第四电感一端，第五开关管阳极连接第六二极管阴极、第六电容器一端、第七开关管阴极、第八二极管阳极、第九开关管阴极、以及第十二极管阳极，并作为电源电路正向输出正极端与主电路输入正极端连接，第九开关管阳极连接第十二极管阴极和蓄电池正极，蓄电池负极连接第六电容器另一端、第四电感另一端、第六开关管阴极、第七二极管阳极、以及第四电容器另一端，并作为电源电路正向输入和输出负极端，同时与主电路输入和输出负极端连接，第四电感与第五电感磁耦合；电源电路反向工作时的输出正极端即为其正向工作时的正向输入正极端，其反向工作时的输入正极端即为其正向工作时的正向输出正极端，其反向工作时的输入负极端即为其正向工作时的正向输出负极端，其反向工作时的输出负极端即为其正向工作时的正向输入负极端，所有负极端均短接。

6、本发明开关磁阻电机功率变换器的控制方法，当开关磁阻电机作为电动机运行，电源电路正向工作提供电源，开关磁阻电机的电动机工作过程：根据开关磁阻电动机基本理论，当根据转子位置信息第一相绕组需投入工作时，第一开关管和第四开关管同时闭合导通，第一二极管、第四二极管、以及第五二极管截止，电源电路正向输出电能经第一开关管、第二二极管、以及第四开关管向第一相绕组供电，第一电容器储能向第一电感释放同时经第二电感向第二电容器充电，根据转子位置信息当第一相绕组工作需结束时，首先断开第四开关管，第二二极管和第三二极管截止，第一相绕组剩余储能向第一电容器充电，同时向第一电感和第三电容器充电，也经第三电感向第二电容器充电，待第一相绕组电流降至零时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；当根据转子位置信息第二相绕组需投入工作时，第二开关管和第四开关管同时闭合导通，第一二极管、第四二极管、以及第五二极管截止，电源电路正向输出电能经第二开关管、第二二极管、以及第四开关管向第二相绕组供电，第一电容器储能向第一电感释放同时经第二电感向第二电容器充电，根据转子位置信息当第二相绕组工作需结束时，首先断开第四开关管，第二二极管和第三二极管截止，第二相绕组剩余的储能向第一电容器充电，同时向第一电感和第三电容器充电，也经第三电感向第二电容器充电，待第二相绕组电流降至零时，断开第二开关管，第二相绕组工作结束；当根据转子位置信息第三相绕组需投入工作时，第三开关管和第四开关管同时闭合导通，第一二极管、第四二极管、以及第五二极管截止，电源电路正向输出电能经第三开关管、第二二极管、以及第四开关管向第三相绕组供电，第一电容器储能向第一电感释放同时经第二电感向第二电容器充电，根据转子位置信息当第三相绕组工作需结束时，首先断开第四开关管，第二二极管和第三二极管截止，第三相绕组剩余的储能向第一电容器充电，同时向第一电感和第三电容器充电，也经第三电感向第二电容器充电，待第三相绕组电流降至零时，断开第三开关管，第三相绕组工作结束。

7、当开关磁阻电机作为发电机运行，电源电路正向工作提供励磁电源，开关磁阻电机的发电机工作过程：根据开关磁阻发电机基本理论，当根据转子位置信息第一相绕组需投入工作时，第一开关管和第四开关管同时闭合导通，第一二极管、第四二极管、以及第五二极管截止，电源电路正向输出的电能经第一开关管、第二二极管、以及第四开关管向第一相绕组励磁供电，进入励磁阶段，此时第一电容器的储能也经第四开关管向第一电感释放，同时经第二电感向第二电容器充电及输出，根据转子位置信息待励磁阶段需结束时，断开第四开关管，进入第一相绕组的发电阶段，此时第二二极管和第三二极管承受反压截止，第一相绕组、第一电感、以及输入端的励磁电源三者串联一起经由第一开关管、第一二极管、以及第五二极管向第三电容器充电，同时输出电能，另外，励磁电源和第一相绕组串联经第一开关管和第一二极管向第一电容器充电，第三电感经第四二极管向第二电容器充电并输出，根据转子位置信息第一相绕组工作需结束时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；当根据转子位置信息第二相绕组需投入工作时，第二开关管和第四开关管同时闭合导通，第一二极管、第四二极管、以及第五二极管截止，电源电路正向输出的电能经第二开关管、第二二极管、以及第四开关管向第二相绕组励磁供电，进入励磁阶段，此时第一电容器的储能也经第四开关管向第一电感释放，同时经第二电感向第二电容器充电及输出，根据转子位置信息待励磁阶段需结束时，断开第四开关管，进入第二相绕组的发电阶段，此时第二二极管和第三二极管承受反压截止，第二相绕组、第一电感、以及输入端的励磁电源三者串联一起经由第二开关管、第一二极管、以及第五二极管向第三电容器充电，同时输出电能，另外，励磁电源和第二相绕组串联经第二开关管和第一二极管向第一电容器充电，第三电感经第四二极管向第二电容器充电并输出，根据转子位置信息第二相绕组工作需结束时，断开第二开关管，第二相绕组工作结束；当根据转子位置信息第三相绕组需投入工作时，第三开关管和第四开关管同时闭合导通，第一二极管、第四二极管、以及第五二极管截止，电源电路正向输出的电能经第三开关管、第二二极管、以及第四开关管向第三相绕组励磁供电，进入励磁阶段，此时第一电容器的储能也经第四开关管向第一电感释放，同时经第二电感向第二电容器充电及输出，根据转子位置信息待励磁阶段需结束时，断开第四开关管，进入第三相绕组的发电阶段，此时第二二极管和第三二极管承受反压截止，第三相绕组、第一电感、以及输入端的励磁电源三者串联一起经由第三开关管、第一二极管、以及第五二极管向第三电容器充电，同时输出电能，另外，励磁电源和第三相绕组串联经第三开关管和第一二极管向第一电容器充电，第三电感经第四二极管向第二电容器充电并输出，根据转子位置信息第三相绕组工作需结束时，断开第三开关管，第三相绕组工作结束。

8、无论开关磁阻电机作为发电机还是电动机运行，只要电源电路吸收电网电能正向工作，经第十二极管均同时自动向蓄电池充电。

9、电源电路吸收主电路输出端即直流电网的电能作为输入的正向工作时的控制过程：第五开关管和第六开关管始终处于断开状态，第七开关管和第八开关管按pwm模式同步开关工作，设占空比为αz，当第七开关管和第八开关管闭合导通时，第六二极管、第七二极管、第八二极管、以及第九二极管截止，电网电能经第七开关管和第八开关管向第五电感和蓄电池充电并输出，同时，第五电容器放电并经第四电感也向蓄电池充电并输出；当第七开关管和第八开关管断开时，第八二极管和第九二极管继续截止，第六二极管和第七二极管导通，第五电感向第五电容器充电同时向输出端输出和给蓄电池充电，第四电感也向输出端输出和给蓄电池充电；根据电感的伏秒平衡原理，可推导出电源电路正向工作时输出端电压ul和输入端电压uf的关系式为：

10、

11、通过调节αz，可改变ul值，当开关磁阻电机作为发电机运行时，ul为励磁电压，即可实现变励磁控制；当开关磁阻电机作为电动机运行时，ul为供电电源电压，通过改变ul可实现对开关磁阻电动机转速和功率的控制。

12、电源电路可反向工作，将蓄电池的电能反馈向电网提供，电源电路反向馈能工作的控制过程：第九开关管始终处于闭合导通状态，第七开关管和第八开关管始终处于断开状态，第五开关管和第六开关管按pwm模式同步开关工作，设占空比为αf，当第五开关管和第六开关管闭合导通时，第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、以及第十二极管截止，蓄电池与第五电容器串联一起向第五电感充电；当第五开关管和第六开关管关断时，第六二极管、第七二极管、以及第十二极管依旧截止，第八二极管和第九二极管导通，蓄电池和第五电感串联一起向第四电容器充电以及向电网输出，蓄电池也向第五电容器充电；根据其中第五电感的伏秒平衡原理，以及第五电容器充放电平衡关系，可推导出电源电路反向工作时输出端电压uf和输入端电压ul的关系式为：

13、

14、可通过调节占空比αf大小以适应需求。

15、本发明的技术效果主要有：

16、本发明的主电路，在作为开关磁阻发电机运行时，其直接发出直流电，并且相对励磁电压，直接高电压输出，在并入直流电网之前，省去了整流环节并减少了升压环节。

17、主电路所需开关管数量为绕组数加1，电源电路虽然有五只开关管，但在工作时只有两只开关管进行开关工作，所以总开关损耗并不高。

18、主电路和电源电路共地，并且没有隔离环节，节省了体积重量和成本，也没有因隔离环节而产生的损耗。

19、主电路工作时，两阶段均有输出，输出电能质量较高，减轻滤波环节压力利于电网稳定；电源电路在正向工作时，可变电压输出，并且电流连续，质量较高，利于给开关磁阻电机稳定供电以及给蓄电池充电。

20、在本发明功率变换器结构和控制方法支撑下，(1)开关磁阻电机可以作为电动机运行，可由电网或蓄电池双保障供电运转，尤其作为抽水蓄能电站的耗能设备电动机，或者风力驱动时电网负载低需要泄放、以及作为发电机启动时由蓄电池或电网供电；(2)开关磁阻电机可以作为发电机运行，其励磁电源可以来自电网也即主电路输出的电能，也可以由蓄电池励磁，启动时也可由蓄电池供电；(3)电源电路可利用蓄电池中的电能而反向工作向电网馈能，提升了电网的稳定性。