一种变强励升压开关磁阻发电机功率变换器及其控制方法

本发明涉及发电领域，具体涉及一种变励磁电压、强化励磁、以及直接升高电压输出的新型开关磁阻发电机功率变换器拓扑及其控制方法。

背景技术：

1、目前，主流的发电机为同步发电机，在风力发电领域采用异步发电机也较为多见，它们均直接发出交流电能，而直流发电机由于其本体结构和成本以及维护等问题已经很少见，但是，多年来，直流微电网逐步取得发展和应用，直流电网中的交流发电机发电后必须经过整流环节。

2、开关磁阻电机是一种伴随着电力电子技术的进步而于上世纪八十年底出现的电机种类，多年来由于其本身在诸如高速、高容错性、以及适合于恶劣环境等方面的优异表现，加之电力电子器件和技术的进步，开关磁阻发电机受到关注，其核心为它的变流器，也就是功率变换器，这方面的技术不断进步促进了开关磁阻发电机系统的应用研究和试验。

3、开关磁阻发电机在工作中，各相绕组需根据实时的定转子位置关系分时分别工作，每相绕组工作中又细分为励磁和发电两大阶段，一般来说，励磁阶段吸收电能，发电阶段结合机械能的转换释放更多电能，从而总体达到电能输出的目的，也造成了开关磁阻发电机工作中输出的电流周期性不稳定。

4、开关磁阻发电机相绕组的励磁阶段吸收电能给励磁时，关键是相绕组电流的快速、连续、并稳定地建立起来，目前有一些新型可强化励磁的功率变换器出现，将励磁阶段励磁电压瞬时放大强化励磁，所需技术复杂，或者每相绕组的支绕组独立连接，在励磁阶段并联，这样每个支绕组的端电压就等于励磁电源电压，起到了强化励磁效果，不过励磁性能也就提高了一倍而已。

5、一般来说，发电机直接发出的电能电压，比起并入电网的端电压，要小的多，需要一级甚至多级的升压环节才能满足电网对电压的需求，在开关磁阻发电机功率变换器领域，已经出现了少量的可以通过其自身功率变换器主电路在励磁和发电工作环节直接输出相对励磁电压来说的高电压，从而减轻后续升压环节的压力，减少一些环节。

6、变励磁的开关磁阻发电机功率变换器目前已经出现了一些，尤其将可变的励磁电压作为一个新的变量，对于开关磁阻发电机系统的控制性能提升增加了新选择，但是，增加的励磁电路和主电路相比，当主电路输入和输出无法共地时，由于励磁电路的输入端电能往往来自主电路输出端，因而励磁电路此时往往需要增加单独的隔离环节，譬如直流隔离变压器，势必增加了体积重量和成本，以及损耗。

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双级高强化励磁、两模式变励磁电压连续电流励磁、直接高升压输出、励磁阶段发电输出、无独立隔离环节等技术特征的新型开关磁阻发电机功率变换器及其控制方法，适合于各类发电领域，尤其连接直流电网应用。

2、本发明的技术方案为：

3、一种变强励升压开关磁阻发电机功率变换器，包括主电路和励磁电路，主电路输出两端连接直流电网，同时连接励磁电路输入两端，励磁电路输出两端连接主电路输入两端；

4、主电路包括第一开关管、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、第一相绕组第一支绕组、第一相绕组第二支绕组、第二相绕组第一支绕组、第二相绕组第二支绕组、第三相绕组第一支绕组、第三相绕组第二支绕组、第一电容器、第二电容器、以及第三电容器，第一开关管阳极连接第三开关管阳极、第五开关管阳极、第一二极管阳极、以及第七二极管阳极，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第一支绕组一端，第三开关管阴极连接第二相绕组第一支绕组一端，第五开关管阴极连接第三相绕组第一支绕组一端，第一相绕组第一支绕组另一端连接第二相绕组第一支绕组另一端、第三相绕组第一支绕组另一端、第二二极管阳极、以及第三二极管阳极，第三二极管阴极连接第一二极管阴极、第二开关管阳极、第四开关管阳极、以及第六开关管阳极，第二开关管阴极连接第一相绕组第二支绕组一端，第四开关管阴极连接第二相绕组第二支绕组一端，第六开关管阴极连接第三相绕组第二支绕组一端，第一相绕组第二支绕组另一端连接第二相绕组第二支绕组另一端、第三相绕组第二支绕组另一端、第二二极管阴极、第四二极管阳极、第八开关管阳极、以及第二电容器一端，第四二极管阴极连接第七开关管阳极和第一电容器一端，第一电容器另一端连接第五二极管阳极、第八开关管阴极、以及第六二极管阴极，第五二极管阴极连接第七开关管阴极，并作为主电路输入负极端，第六二极管阳极连接第二电容器另一端和第三电容器一端，并作为主电路输出负极端，第七二极管阴极连接第三电容器另一端，并作为主电路输出正极端；

5、第一相绕组第一支绕组和第一相绕组第二支绕组组成第一相绕组，第二相绕组第一支绕组和第二相绕组第二支绕组组成第二相绕组，第三相绕组第一支绕组和第三相绕组第二支绕组组成第三相绕组；第一电容器和第二电容器为相同的电容器；

6、励磁电路包括第九开关管、第十开关管、第十一开关管、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、第一电感、第二电感、以及第三电感，第九开关管阳极作为励磁电路输入正极端与主电路输出正极端连接，第九开关管阴极连接第十开关管阳极和第一电感一端，第十开关管阴极连接第八二极管阳极和第四电容器一端，第四电容器另一端连接第一电感另一端和第十一开关管阳极，第十一开关管阴极连接第八二极管阴极，并作为励磁电路输入负极端与主电路输出负极端连接，第二电感一端连接第三电感一端和第四电感一端，第四电感另一端连接第五电容器一端，并作为励磁电路输出正极端与主电路输入正极端连接，第二电感另一端连接第九二极管阴极，第三电感另一端连接第十二极管阴极，第十二极管阳极连接第九二极管阳极和第五电容器另一端，并作为励磁电路输出负极端与主电路输入负极端连接；

7、第一电感与第二电感和第三电感磁耦合，第二电感和第三电钢电感值和匝数相等；

8、所有开关管为自带反并联二极管的全控型电力电子开关器件。

9、一种变强励升压开关磁阻发电机功率变换器的控制方法，励磁电路作为励磁电源输出励磁电能，根据开关磁阻发电机工作原理，主电路工作控制过程：根据开关磁阻发电机转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，闭合导通第一开关管、第二开关管、第七开关管、以及第八开关管，进入励磁阶段，第一开关管、第一相绕组第一支绕组、以及第二二极管组成的串联支路，与第一二极管、第二开关管、以及第一相绕组第二支绕组组成的串联支路，两个串联支路并联后与励磁电源、第八开关管、第一电容器、第七开关管形成串联回路，即励磁电源和第一电容器作为电源串联一起向并联的第一相绕组第一支绕组和第一相绕组第二支绕组供电励磁，同时，第一电容器、第二电容器、以及励磁电源串联一起并经由第七二极管、第八开关管、以及第七开关管向第三电容器充电的同时向主电路输出端输出电能；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第七开关管和第八开关管，进入发电阶段，第一相绕组第一支绕组和第一相绕组第二支绕组经由第一开关管、第三二极管、以及第二开关管串联，并和励磁电源一起，经由第四二极管和第五二极管向第一电容器充电，也经由第六二极管和第五二极管向第二电容器充电；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第一开关管和第二开关管，第一相绕组工作结束；

10、根据开关磁阻发电机转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，闭合导通第三开关管、第四开关管、第七开关管、以及第八开关管，进入励磁阶段，第三开关管、第二相绕组第一支绕组、以及第二二极管组成的串联支路，与第一二极管、第四开关管、以及第二相绕组第二支绕组组成的串联支路，两个串联支路并联后与励磁电源、第八开关管、第一电容器、第七开关管形成串联回路，即励磁电源和第一电容器作为电源串联一起向并联的第二相绕组第一支绕组和第二相绕组第二支绕组供电励磁，同时，第一电容器、第二电容器、以及励磁电源串联一起并经由第七二极管、第八开关管、以及第七开关管向第三电容器充电的同时向主电路输出端输出电能；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第七开关管和第八开关管，进入发电阶段，第二相绕组第一支绕组和第二相绕组第二支绕组经由第三开关管、第三二极管、以及第四开关管串联，并和励磁电源一起，经由第四二极管和第五二极管向第一电容器充电，也经由第六二极管和第五二极管向第二电容器充电；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第三开关管和第四开关管，第二相绕组工作结束；

11、根据开关磁阻发电机转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，闭合导通第五开关管、第六开关管、第七开关管、以及第八开关管，进入励磁阶段，第五开关管、第三相绕组第一支绕组、以及第二二极管组成的串联支路，与第一二极管、第六开关管、以及第三相绕组第二支绕组组成的串联支路，两个串联支路并联后与励磁电源、第八开关管、第一电容器、第七开关管形成串联回路，即励磁电源和第一电容器作为电源串联一起向并联的第三相绕组第一支绕组和第三相绕组第二支绕组供电励磁，同时，第一电容器、第二电容器、以及励磁电源串联一起并经由第七二极管、第八开关管、以及第七开关管向第三电容器充电的同时向主电路输出端输出电能；根据转子位置信息，当励磁阶段需结束时，断开第七开关管和第八开关管，进入发电阶段，第三相绕组第一支绕组和第三相绕组第二支绕组经由第五开关管、第三二极管、以及第六开关管串联，并和励磁电源一起，经由第四二极管和第五二极管向第一电容器充电，也经由第六二极管和第五二极管向第二电容器充电；根据转子位置信息，发电阶段需结束时，断开第五开关管和第六开关管，第三相绕组工作结束。

12、励磁电路作为开关磁阻发电机的励磁电源，吸收来自主电路输出端电能作为输入，励磁电路的工作控制过程有两种模式可供选择，模式一的工作控制过程：第九开关管、第十开关管、以及第十一开关管均按照pwm模式工作，开关频率相同，第九开关管和第十一开关管同时开通，第九开关管和第十开关管互补开关，第九开关管的pwm占空比需大于第十一开关管的pwm占空比，从而励磁电路的工作分为三个阶段：第一阶段第九开关管和第十一开关管同时开通，第二电感经第九二极管输出励磁电能，第二阶段为第十一开关管断开，第九开关管维持导通，此时输入侧电能经第一电感向第四电容器充电，第二电感经第九二极管输出励磁电能，第三阶段为第九开关管断开，第十开关管开通，第四电容器的储能经第十开关管释放，从而耦合电感第三电感经第十二极管输出电能；

13、模式二的工作控制过程：第九开关管和第十开关管均按照pwm模式工作，开关频率相同，第九开关管和第十开关管互补开关，从而励磁电路的工作分为两个阶段，第一阶段第九开关管k9开通，此时输入侧电能经第一电感向第四电容器充电，第二电感经第九二极管输出励磁电能，第二阶段为第九开关管断开，第十开关管开通，第四电容器储能经第十开关管释放，从而耦合电感第三电感经第十二极管输出电能；

14、在励磁电路的工作控制中，调节pwm模式的开关管占空比，可改变输出端的励磁电压。

15、本发明的技术效果主要有：

16、本发明功率变换器的主电路在励磁阶段将一相绕组的两个支绕组分开并联强化励磁，同时，施加到支绕组上的电压并不止励磁电源输出的励磁电压，还串联了第一电容器，从而实现双强化励磁功效；

17、在励磁阶段时，同时存在励磁电源、第一电容器、以及第二电容器三者串联向主电路输出端输出电能，而在发电阶段，仅靠第三电容器维持输出，这与传统功率变换器完全不同，打破了励磁阶段吸收电能、发电阶段输出电能的传统认知，可与采用传统功率变换器的开关磁阻发电机系统搭配应用，互补发电输出，提升直流电网的电能瞬态稳定性。

18、发电电压为励磁电源、第一电容器、以及第二电容器三者电压之和，并且发电阶段每相绕组的两个支绕组从并联变为串联并与励磁电源再串联向第一电容器和第二电容器充电，从而多极提升了发电电压值，直升高压输出，满足了系统需求，减轻了后续升压环节的压力。

19、励磁电路实现变励磁电压输出，根据需要助力开关磁阻发电机系统的控制性能提升；励磁电路在变励磁工作中，有两种模式可供选择，适用性强，可以根据系统重点关注的性能灵活选择不同模式。

20、励磁电路工作中，无论哪种工作模式的哪个工作阶段，均可保证有不间断的电流输出，从而相当于一直流电流源，这是作为开关磁阻发电机的励磁电源所需要的，因为各相绕组励磁时关键是相绕组电流的稳定并且可控。

21、主电路输入和输出不共地，励磁电路本身内置隔离环节，从而不必专门增加隔离环节，减少了体积重量和成本，以及损耗。