[发明专利]开关磁阻风力发电机控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种开关磁阻风力发电机控制系统，包括风力机、开关磁阻发电机、功率变换器主电路、升降压DC/DC变换器、放电与回馈主电路、控制器、风速仪；其特征是，所述的风力机连接所述的开关磁阻发电机，开关磁阻发电机中的各相绕组与所述功率变换器主电路连接并受其控制，功率变换器主电路输出连接所述的升降压DC/DC变换器，升降压DC/DC变换器的输出连接所述的放电与回馈主电路，放电与回馈主电路也连接功率变换器主电路，所述的控制器与开关磁阻发电机、功率变换器主电路、升降压DC/DC变换器、放电与回馈主电路、风速仪连接；

风力机为可变桨结构；

开关磁阻发电机可变速运行；

功率变换器主电路包括数条励磁与发电支路、发电电容器、母线开关管、起始励磁电源支路；所述的数条励磁与发电支路为两条到五条之间，即对应开关磁阻发电机的相绕组数为两相到五相之间，每条励磁与发电支路有三个端子，最下端为功率变换器主电路的地端，向上连接励磁开关管，所述励磁开关管的正端即上端分出两条支路分别连接开关磁阻发电机的一相绕组和发电电力二极管，所述的相绕组另一端连接续流开关管，并作为发电输出的母线负端同时是所述发电电容器的负极，所述续流开关管的另一端即正端连接所述的发电电力二极管另一端即负端，同时连接到功率变换器主电路发电输出正端母线上，数条励磁与发电支路并联后输出；发电输出正端母线上连接所述的母线开关管一端，母线开关管另一端即负端连接所述的发电电容器正极并输出，发电电容器两端电压即为发电电压，输出给负载；所述的起始励磁电源支路上下分别接发电电压负极和功率变换器主电路的地端，由一支励磁电力二极管和起动蓄电池串联组成，所述起动蓄电池极性为上正下负，所述励磁电力二极管为下正上负；

升降压DC/DC变换器的输入两端分别连接发电电容器的两端，作为升降压DC/DC变换器的输入，升降压DC/DC变换器由DC/AC/DC变换器、Cuk斩波电路、单向电力二极管组成；所述DC/AC/DC变换器的输入两端即为升降压DC/DC变换器的输入两端，DC/AC/DC变换器由逆变电路、隔离变压器、整流电路组成；DC/AC/DC变换器的输出作为所述Cuk斩波电路的输入，Cuk斩波电路输出两端中的正极端先串联所述的单向电力二极管后作为升降压DC/DC变换器的输出正极端与Cuk斩波电路即升降压DC/DC变换器的输出负极端一起连接所述的放电与回馈主电路，单向电力二极管的正端接Cuk斩波电路的输出正极端；

放电与回馈主电路由放电开关管、储能电抗器、回馈电力二极管、储能电容器、储能开关管组成；所述的放电开关管正端连接功率变换器主电路的输出母线正端并经母线开关管连接发电电容器正极，放电开关管另一端连接所述储能电抗器和所述回馈电力二极管的负端，储能电抗器另一端连接功率变换器主电路输出母线负端即与发电电容器负极连接，同时与所述的储能电容器正极和升降压DC/DC变换器的输出正极端连接，储能电容器的另一端即负极端串联所述的储能开关管，储能开关管的另一端即负端与回馈电力二极管的正端连接并一起与功率变换器主电路的地端及升降压DC/DC变换器的输出负极端连接；

母线开关管，及全部励磁开关管、续流开关管、放电开关管、储能开关管均为IGBT；

控制器以高性能DSP为核心，接收风速仪的风速信号，开关磁阻发电机转子位置和转速信号，功率变换器主电路中的各相绕组支路电流信号和母线电流、发电电压信号，升降压DC/DC变换器的输出电压信号，放电和回馈主电路的储能电容器电压信号，输出控制母线开关管、各励磁开关管、续流开关管、放电开关管、储能开关管。

2.一种开关磁阻风力发电机系统控制方法，其特征是：

采取固定发电关断角，及电流斩波控制方式；

在系统初始起动阶段，根据开关磁阻发电机转子位置情况，由起动蓄电池经起动电力二极管提供相绕组励磁电流起动；

运行期间的控制方法，根据检测的母线直流电压和电流，从而计算出输出功率，运行中对系统的控制方法分三个区间：

区间一，当输出功率远小于额定功率，高于最低运行功率时，方法如下：

升降压DC/DC变换器接收发电机输出端的电能并斩波变换为另一直流电压作为发电机相绕组的励磁电源，调节升降压DC/DC变换器中Cuk斩波电路唯一的斩波开关管的PWM占空比，即可在输入电压不变情况下改变输出电压即励磁电压，在输入电压变化时，也可通过调节占空比维持励磁电压不变；

当检测得到正在励磁的相绕组相电流达到给定值时，提前关断励磁开关管并进入发电阶段；当检测得到正在励磁的相绕组相电流在规定的励磁结束时间仍不能达到给定值的话，励磁开关管关断的同时闭合续流开关管，进入续流阶段，相电流由于在绕组无外界电压作用下，电流上升，在规定的续流时间结束前电流达到给定值的话则提前断开续流开关管进入发电阶段，否则达最大续流时间后关断续流开关管仍进入发电阶段；在下一相绕组励磁之前，调节Cuk斩波电路的斩波开关管占空比，使得其输出电压即励磁电压升高，若仍然需要增加续流阶段，则后续相绕组励磁通电前继续升高励磁电压，直至升降压DC/DC变换器所能达到的输出电压最高比例限值；

若升降压DC/DC变换器输出电压已达最高限值，发电电压仍然持续降低，风速及发电机转速也持续降低，并且发电电压不能满足负载要求时，系统停机；

区间一期间，储能开关管始终处于断开状态；

区间二，当输出功率在接近额定功率的一定范围内时，方法如下：

若检测得到的储能电容器电压达到作为励磁电源的条件时，闭合储能开关管，利用储能电容器的电能作为励磁电源，升降压DC/DC变换器不工作，即Cuk斩波电路中开关管处于断开状态；若在储能电容器作为励磁电源时励磁电压不足，在增加续流阶段后仍不能满足输出功率接近额定功率区域时，开通升降压DC/DC变换器，与储能电容器一起共同提供励磁电流，其输出电压可调范围内可满足相绕组励磁期间获得给定的相电流情况下，就不进入续流阶段，只有在可调的最高输出励磁电压不能满足励磁阶段的相电流达到给定值时才启用续流开关管进入续流阶段提高相电流；待检测到储能电容器支路的输出励磁电流接近于零时，关断储能开关管，防止占有升降压DC/DC变换器传递过来的电能而削弱励磁电流；

区间三，当输出功率达到或高于额定功率但尚未达到停机条件时，方法如下：

检测发电输出端的发电电容器两侧电压值，即发电电压值，若超出发电电压额定值，则闭合放电开关管，断开母线开关管，使得发电相绕组电流向储能电抗器释放电能即转化为磁能储存于储能电抗器中，发电电压因负载的作用则降低，待降至额定值时断开放电开关管，闭合母线开关管，闭合与储能电容器串联的储能开关管，储能电抗器的磁能此时将沿回路经回馈电力二极管向储能电容器释放充电，判断储能电容器两端储存足够能量具备一定稳定电压达到可作为励磁电源的能力后，储能电容器作为励磁电源向需励磁的相绕组供电，其中，在励磁阶段若相电流在规定的时间内可达给定值，则励磁开关管关断直接进入发电阶段，若不能达到，则在励磁开关管关断的同时续流开关管闭合，通过续流进一步提升相电流，续流期间规定的时间内达到规定的励磁电流值则提前进入发电阶段，否则直至续流所需最长时间点后再进入发电阶段；

区间三期间，检测到储能电容器两端电压可充当励磁电源时，升降压DC/DC变换器关闭无输出；

当风速持续增加，通过变桨控制，风力机系统转速仍然超过了系统所能容纳的最高转速，或输出功率超过最高限值，储能电容器两端电压也达到最高值，发电系统才切出并停机。