一种直流风电场开关磁阻电机变流系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及开关磁阻电机系统领域，具体涉及一种采用开关磁阻电机作为直流风电场风力发电机、变流系统可以直升压、变励磁电压、三速区连续发电、考虑低电压穿越多级保护等的变流系统及其控制方法。


背景技术：

2.风电是清洁的发电模式，是当前和未来在清洁能源发电领域的主力，但是，在我国，大规模的陆地风电开发已经接近顶点，而众多沿海省份的海上风资源不但丰富，而且海上风速相对还较为稳定，但是，我国的海上风电开发刚刚处于起步阶段，同时，根据国内外的经验看，海上风电往往采用直流方式汇聚与传输比较经济和现实，这在阻碍海上风电建设发展的瓶颈问题之一的投资成本上来说，不失为明智的选择，也就是海上风电采用不同于交流的直流方式，但是，由于当前主流的发电机都是交流发电机，在海上需要建设变电站整流后再经直流电缆传输到岸上，而陆地电网大多也是交流，所以岸上又要配备逆变站，这都是增加投资成本的问题，不过，局域式的直流电网当前已经出现，这样至少可以减少逆变站的成本问题。
3.开关磁阻电机结构及其简单并坚固，源于它的转子仅仅是由凹凸槽的硅钢片叠压而成即可，没有绕组也没有永磁体，所以它必然也耐高温高速，可靠性更高，则维护工作量低，更重要的是，开关磁阻电机作为发电机运行时，它可以直接发出直流电，并且如果多开关磁阻发电机输出后串联的话，可以做到直接升高直流电压；但是，目前开关磁阻发电机用于风电的工程化应用国内外尚未出现，少量试验性质而已，关键就在于该电机的运行，极大的依赖于变流器及其控制，这方面出现了一些，但并不成熟，这样或那样的缺点也较多。
4.开关磁阻发电机用于风电，也要面临风电领域的很多问题，譬如低电压穿越问题，必然要对其变流系统提出要求；譬如最大功率点跟踪(mppt)控制问题；除了通过控制开关磁阻发电机相绕组通电的开关角之外，能否控制其他参量譬如励磁电压问题。
5.另外，开关磁阻发电机本身运行中，励磁电源问题，是他励还是自励，各有优缺点之下，如何更适应风电工况下的变流系统，他励的话蓄电池如果另行充电则极大提高了人工劳动量降低可靠性，自励的话又存在如何起动的问题；变流系统是否可以重复利用，否则会极大提高硬件数量进而降低可靠性并增加变流系统损耗；等等。
6.最后，还有海上风电领域最为关注的投资成本、回报率问题，也就是性价比这个核心问题。


技术实现要素：

7.根据以上的背景技术，本发明就提出了一种采用开关磁阻电机作为风电场发电机，直流发电和汇聚，多开关磁阻发电机系统输出串联直升压可控并网，多速区不同励磁发电模式，三级低电压穿越方案，并可变励磁电压，综合性价比超高的开关磁阻电机变流系统及其控制方法，适用于风力发电尤其直流海上风电等领域应用。
8.本发明的技术方案为：
9.一种直流风电场开关磁阻电机变流系统，首先，直流风电场的直流汇聚网络由z个风机、z个开关磁阻发电机系统、以及一个升降型直流变换器组成，每个所述风机通过机械方式连接一个所述的开关磁阻发电机系统，总计z组这样的风机与开关磁阻发电机系统，z大于2，这些开关磁阻发电机系统输出的直流电串联连接，然后再输入给所述升降型直流变换器后输出给直流电网，升降型直流变换器为可控型变换器，即根据直流电网需要来调节升降型直流变换器控制其输出值；
10.每个开关磁阻发电机系统结构都相同，其由开关磁阻发电机、变流系统、以及控制器组成，所述变流系统由变流主电路(含所述开关磁阻发电机各相绕组)与隔离型可逆直流变换电路组成，所述变流主电路的输出端除作为变流系统也是开关磁阻发电机系统输出端之外，也作为所述隔离型可逆直流变换电路的输入端，隔离型可逆直流变换电路的输出端则作为变流主电路的输入端；所述控制器接收风速、开关磁阻发电机转速、变流系统输出电压和电流、隔离型可逆直流变换电路输入电压电流和输出电压电流信号，输出控制变流系统中各个开关管；
11.变流主电路由第一相绕组变流主电路、第二相绕组变流主电路、第三相绕组变流主电路、蓄电池、以及第一开关管组成，所述第一相绕组变流主电路、所述第二相绕组变流主电路、以及所述第三相绕组变流主电路三者的输入端并联连接，它们的输出端也是并联连接，所述蓄电池x负极作为变流主电路输入负极端，蓄电池x正极连接所述第一开关管一端，第一开关管另一端作为变流主电路输入正极端；第一开关管为双向可控电力电子开关器件；
12.第一相绕组变流主电路由第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第一电感、第二开关管、第三开关管、第一相绕组、第一电容器组成，所述第一二极管阳极作为第一相绕组变流主电路输入正极端，也就是变流主电路的输入正极端，连接所述第一开关管另一端、第二相绕组变流主电路输入正极端、第三相绕组变流主电路输入正极端、以及隔离型可逆直流变换电路输出正极端，第一二极管阴极连接所述第一电感一端和所述第二开关管阳极，第一电感另一端连接所述第三开关管阳极，第三开关管阴极连接第二开关管阴极、所述第二二极管阳极、所述第四二极管阴极、以及所述第一相绕组一端，第一相绕组另一端连接所述第三二极管阳极和所述第五二极管阴极，并作为第一相绕组变流主电路输入负极端，也就是变流主电路的输入负极端，连接蓄电池负极端、第二相绕组变流主电路输入负极端、第三相绕组输入负极端、以及隔离型可逆直流变换电路输出负极端，第二二极管阴极连接第三二极管阴极和所述第一电容器一端，并作为第一相绕组变流主电路输出正极端，也就是变流主电路输出正极端，同时还是变流系统和开关磁阻发电机系统输出正极端，并连接第二相绕组变流主电路输出正极端、第三相绕组变流主电路输出正极端、以及隔离型可逆直流变换电路输入正极端，第四二极管阳极连接第五二极管阳极和第一电容器另一端，并作为第一相绕组变流主电路输出负极端，也就是变流主电路输出负极端，同时还是变流系统和开关磁阻发电机系统输出负极端，并连接第二相绕组变流主电路输出负极端、第三相绕组变流主电路输出负极端、以及隔离型可逆直流变换电路输入负极端；
13.第二相绕组变流主电路由第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第
十二极管、第二电感、第四开关管、第五开关管、第二相绕组、第二电容器组成，所述第六二极管阳极作为第二相绕组变流主电路输入正极端，第六二极管阴极连接所述第二电感一端和所述第四开关管阳极，第二电感另一端连接所述第五开关管阳极，第五开关管阴极连接第四开关管阴极、所述第七二极管阳极、所述第九二极管阴极、以及所述第二相绕组一端，第二相绕组另一端连接所述第八二极管阳极和所述第十二极管阴极，并作为第二相绕组变流主电路输入负极端，第七二极管阴极连接第八二极管阴极和所述第二电容器一端，并作为第二相绕组变流主电路输出正极端，第九二极管阳极连接第十二极管阳极和第二电容器另一端，并作为第二相绕组变流主电路输出负极端；
14.第三相绕组变流主电路由第十一二极管、第十二二极管、第十三二极管、第十四二极管、第十五二极管、第三电感、第六开关管、第七开关管、第三相绕组、第三电容器组成，所述第十一二极管阳极作为第三相绕组变流主电路输入正极端，第十一二极管阴极连接所述第三电感一端和所述第六开关管阳极，第三电感另一端连接所述第七开关管阳极，第七开关管阴极连接第六开关管阴极、所述第十二二极管阳极、所述第十四二极管阴极、以及所述第三相绕组一端，第三相绕组另一端连接所述第十三二极管阳极和所述第十五二极管阴极，并作为第三相绕组变流主电路输入负极端，第十二二极管阴极连接第十三二极管阴极和所述第三电容器一端，并作为第三相绕组变流主电路输出正极端，第十四二极管阳极连接第十五二极管阳极和第三电容器另一端，并作为第三相绕组变流主电路输出负极端；
15.隔离型可逆直流变换电路输出端电压称为励磁电压，用于向各相绕组变流主电路中的相绕组励磁或者向蓄电池充电，其输入电压也就是变流主电路输出端电压，也是各开关磁阻发电机系统输出电压，称为发电电压；
16.隔离型可逆直流变换电路由第四电容器、第五电容器、第六电容器、第七电容器、第十六二极管、第十七二极管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第十一开关管、第十二开关管、第十三开关管、第十四开关管、第十五开关管、第十六开关管、第十七开关管、变压器、以及第四电感组成，所述第四电容器一端连接所述第六电容器一端、所述第十六二极管阴极、以及所述第十六开关管阳极，并作为隔离型可逆直流变换电路输入正极端，所述第五电容器一端连接所述第七电容器一端、所述第十七二极管阳极、以及所述第十七开关管阴极，并作为隔离型可逆直流变换电路输入负极端，所述变压器二次侧绕组一端与第四电容器另一端、第十六二极管阳极、第十六开关管阴极、第五电容器另一端、第十七二极管阴极、以及第十七开关管阳极连接，变压器二次侧绕组另一端与第六电容器另一端、第七电容器另一端连接，变压器一次侧绕组一端与所述第八开关管阴极、所述第九开关管阳极、所述第十开关管阳极、以及所述第十一开关管阴极连接，变压器一次侧绕组另一端与所述第十二开关管阴极、所述第十三开关管阳极、所述第十四开关管阳极、以及所述第十五开关管阴极连接，第八开关管阳极与第九开关管阴极、第十二开关管阳极、第十三开关管阴极、以及所述第四电感一端连接，第四电感另一端作为隔离型可逆直流变换电路输出正极端，第十开关管阴极连接第十一开关管阳极、第十四开关管阴极、以及第十五开关管阳极，并作为隔离型可逆直流变换电路输出负极端。
17.本发明的一种直流风电场开关磁阻电机变流系统的控制方法：
18.开关磁阻发电机各相绕组共同的励磁电源分为如下几种方案：
19.1)当由蓄电池提供励磁电源时，第一开关管反向导通，此种方案的前提是蓄电池
储存的电能高于最低限制值，并且不需要变励磁电压励磁，励磁电压等于蓄电池电压；
20.2)当由隔离型可逆直流变换电路提供励磁电源，并且蓄电池无需充电时，第一开关管双向均为关断状态，另有前提是蓄电池储存的电能高于最低限制值，发电电压在系统要求的正常值范围以内，并且需要调节励磁电压实现系统所需的性能；
21.3)当由隔离型可逆直流变换电路提供励磁电源，并且蓄电池需要充电时，第一开关管为正向导通，另有前提是蓄电池储存的电能低于最低限制值，励磁电压和电流符合蓄电池充电参数范围内，发电电压也在系统要求的正常值范围以内，并且系统需要调节励磁电压实现系统所需的性能；
22.当开关磁阻电机要按照开关磁阻发电机工况运行时，必须具备励磁电源给其相绕组提供励磁电能，但系统起动时，开关磁阻电机首先按照开关磁阻电动机模式起动，此时励磁电源也必然需要，并作为电动机工况时的供电电源，根据开关磁阻电动机运行原理起动完成并满足风机发电运转条件后，开关磁阻电机投入发电机工况运行；
23.作为开关磁阻发电机工况运行期间，首先检测并判断转子转速，并将转子转速分为三个区域，分别为低速、中速、以及高速三个区；
24.根据转子位置信息，当需要第一相绕组投入工作时，第一相绕组变流主电路在励磁电源提供下投入工作，首先判断转速，当处于低速区时，第二开关管闭合导通，进入励磁阶段，励磁电源经第一二极管和第二开关管向第一相绕组供电励磁，根据转子位置信息当励磁阶段需结束时，关断第二开关管，第一相绕组经第三二极管和第四二极管向第一电容器侧也就是变流主电路输出端输出电能；当转速处于中速区时，第三开关管闭合导通，进入励磁阶段，励磁电源经第一二极管、第一电感、以及第三开关管向第一相绕组供电励磁，根据转子位置信息当励磁阶段需结束时，关断第三开关管，第一相绕组经第三二极管和第四二极管向变流主电路输出端输出电能；当处于高速区时，第三开关管始终处于闭合导通状态，即励磁阶段和发电阶段的第一相绕组工作全域第三开关管始终为闭合状态，在第三开关管闭合导通开始的励磁阶段时，除励磁电源经由第一二极管、第一电感、以及第三开关管向第一相绕组供电励磁之外，同时在第一相绕组两端电压大于变流主电路输出端发电电压时，励磁电源电能会经由第二二极管和第五二极管向变流主电路输出端输出电能，待第一相绕组放电即发电阶段时，第一相绕组经由第三二极管和第四二极管向变流主电路输出端输出电能，同时也经由第一二极管向励磁电源和第一电感反馈电能；
25.根据转子位置信息，当需要第二相绕组投入工作时，第二相绕组变流主电路在励磁电源提供下投入工作，首先判断转速，当处于低速区时，第四开关管闭合导通，进入励磁阶段，励磁电源经第六二极管和第四开关管向第二相绕组供电励磁，根据转子位置信息当励磁阶段需结束时，关断第四开关管，第二相绕组经第八二极管和第九二极管向第二电容器侧也就是变流主电路输出端输出电能；当转速处于中速区时，第五开关管闭合导通，进入励磁阶段，励磁电源经第六二极管、第二电感、以及第五开关管向第二相绕组供电励磁，根据转子位置信息当励磁阶段需结束时，关断第五开关管，第二相绕组经第八二极管和第九二极管向变流主电路输出端输出电能；当处于高速区时，第五开关管始终处于闭合导通状态，即励磁阶段和发电阶段的第二相绕组工作全域第五开关管始终为闭合状态，在第五开关管闭合导通开始的励磁阶段时，除励磁电源经由第六二极管、第二电感、以及第五开关管向第二相绕组供电励磁之外，同时在第二相绕组两端电压大于变流主电路输出端发电电压
时，励磁电源电能会经由第七二极管和第十二极管向变流主电路输出端输出电能，待第二相绕组放电即发电阶段时，第二相绕组经由第八二极管和第九二极管向变流主电路输出端输出电能，同时也经由第六二极管向励磁电源和第二电感反馈电能；
26.根据转子位置信息，当需要第三相绕组投入工作时，第三相绕组变流主电路在励磁电源提供下投入工作，首先判断转速，当处于低速区时，第六开关管闭合导通，进入励磁阶段，励磁电源经第十一二极管和第六开关管向第三相绕组供电励磁，根据转子位置信息当励磁阶段需结束时，关断第六开关管，第三相绕组经第十三二极管和第十四二极管向第三电容器侧也就是变流主电路输出端输出电能；当转速处于中速区时，第七开关管闭合导通，进入励磁阶段，励磁电源经第十一二极管、第三电感、以及第七开关管向第三相绕组供电励磁，根据转子位置信息当励磁阶段需结束时，关断第七开关管，第三相绕组经第十三二极管和第十四二极管向变流主电路输出端输出电能；当处于高速区时，第七开关管始终处于闭合导通状态，即励磁阶段和发电阶段的第三相绕组工作全域第七开关管始终为闭合状态，在第七开关管闭合导通开始的励磁阶段时，除励磁电源经由第十一二极管、第三电感、以及第七开关管向第三相绕组供电励磁之外，同时在第三相绕组两端电压大于变流主电路输出端发电电压时，励磁电源电能会经由第十二二极管和第十五二极管向变流主电路输出端输出电能，待第三相绕组放电即发电阶段时，第三相绕组经由第十三二极管和第十四二极管向变流主电路输出端输出电能，同时也经由第十一二极管向励磁电源和第三电感反馈电能；
27.运行中当系统输出端直流电网电压出现骤降的极端情况时，按如下顺序起动三级低压穿越防护体系：
28.第一级：调控升降型直流变换器，通过调控升降型直流变换器快速恢复其输出端电压；
29.第二级：电压下降至第二级，即进一步低于如上第一级面临的低电压时，除调控升降型直流变换器外，起动各开关磁阻发电机系统变流主电路中的隔离型可逆直流变换电路逆向工作，前提条件是蓄电池具备高于下限值的储备电能，由蓄电池经由隔离型可逆直流变换电路向系统输出侧提供电能，同时蓄电池作为励磁电源维持开关磁阻发电机系统发电运行；
30.第三极：当电压更进一步低于如上第二级面临的低电压时，除采取如上第二级的两种措施外，无论开关磁阻发电机转速处于何区域，其各相绕组的励磁和发电工作过程控制中，相应的第二开关管、第四开关管、以及第六开关管一律处于断开状态，而第三开关管、第五开关管、以及第七开关管一律处于闭合导通状态；
31.对于隔离型可逆直流变换电路，作为励磁电源正向供电，逆向工作时保护系统；
32.当隔离型可逆直流变换电路正向工作时，其变压器右侧结构相当于半桥逆变，左侧结构相当于交错整流，并且输出侧相当于一个直流电流源，当变流主电路处于工作状态时，则也提供励磁电能，隔离型可逆直流变换电路正向变流工作时具体分为如下十一个开关工作步骤，并循环：
33.步骤一：第九开关管和第十五开关管同时闭合导通；
34.步骤二：第十三开关管闭合导通；
35.步骤三：第九开关管断开；
36.步骤四：第十一开关管和第十七开关管闭合导通；
37.步骤五：第十五开关管断开；
38.步骤六：第十七开关管断开；
39.步骤七：第九开关管闭合导通；
40.步骤八：第十三开关管断开；
41.步骤九：第十五开关管和第十六开关管闭合导通；
42.步骤十：第十一开关管断开；
43.步骤十一：第十六开关管断开；
44.基于以上工作步骤下，步骤一到步骤十一的十一个步骤中所述各个开关管占空比在其可调节范围内可调，原则是满足如上步骤前提下进行，并满足对蓄电池充电以及变流主电路励磁需求；
45.当蓄电池电量高于下限值，并且发生如上所述系统输出侧电压过低需要安全穿越，起动如上所述的第二级和第三级防护体系时，隔离型可逆直流变换电路逆向变流工作，此时变压器左侧结构相当于双桥逆变，右侧结构相当于升压整流，输出侧相当于一个电压源，隔离型可逆直流变换电路逆向变流工作时分为如下十一个开关工作步骤，并循环：
46.步骤一：第十开关管和第十二开关管闭合导通；
47.步骤二：第十四开关管闭合导通；
48.步骤三：第十开关管断开；
49.步骤四：第八开关管和第十七开关管闭合导通；
50.步骤五：第十二开关管断开；
51.步骤六：第十七开关管断开；
52.步骤七：第十开关管闭合导通；
53.步骤八：第十四开关管断开；
54.步骤九：第十二开关管和第十六开关管闭合导通；
55.步骤十：第八开关管断开；
56.步骤十一：第十六开关管断开；
57.基于以上隔离型可逆直流变换电路逆向变流工作步骤下，步骤一到步骤十一的十一个步骤中所述各个开关管占空比在其可调节范围内可调，以满足如上所述发生电压骤降需要穿越保护时的需要。
58.本发明的技术效果主要有：
59.本发明所涉及的领域，正是风电行业目前的热点，诸如海上风电、直流电能汇聚、直流输电、以及直流电网，开关磁阻发电机直接发出直流电，无需整流环节，多个开关磁阻发电机发电输出后串联获得直升压的效果，又减少升压环节。
60.可控的升降型直流变换器，首先无需逆变环节，其可控性又极大的增强了面对直流电网的适应性、灵活性，尤其对于不稳定的风电领域，可极大提升系统和电网的稳定性，从而也提升了可靠性，并且当出现电网电压骤降故障时，升降型直流变换器可作为一级穿越保护，进一步增强了电网的可靠性和稳定性。
61.本发明的开关磁阻发电机变流系统具备自起动能力，但起动时又无需专门的设备和电路，降低了成本。
62.蓄电池除了作为起动电源，可以作为励磁电源，也可以经过隔离型可逆直流变换电路逆向实施电压骤降下的穿越保护功能，同时也无需专门的充电装置给它充电，极大提高其利用率，性价比极高。
63.开关磁阻发电各相绕组的低速、中速、高速三速区的不同工作控制模式，尤其在高速区时，除极大降低相关开关管的开关频率减少开关损耗和提高可靠性外，励磁的同时可以向输出端提供电能，使得每相绕组的变流输出端电流连续不断续，而发电阶段时又能馈能给蓄电池和第一电感(以第一相绕组工作为例)充电，所以，明显提高了发电输出能力和电能质量，并降低成本；另外，在中速区，第一电感在励磁阶段的介入，帮助提升励磁能力，配合相对低速时中速区获得更多电能并与风机输入平衡的需要，同时，第一电感主要核心作用在于高速区，实现励磁阶段能将蓄电池或隔离型可逆直流变换电路的励磁电能，加之第一电感的储能，一同励磁的同时可以如上所述向发电输出端供电。
64.隔离型可逆直流变换电路内置隔离环节，所以变流系统无需像业界常见的结构中配备专门的隔离变换器，减少了体积重量和成本；
65.隔离型可逆直流变换电路一个电路可以双方向工作，虽然开关管数量较多，在正向工作时作为励磁电源以及蓄电池充电电源，但当系统无需变励磁电压时，其无需正向工作，逆向工作的几率更低时间更短，仅仅出现电压骤降的故障并且较为严重时才起动其逆向工作，所以，总体看，实际中该电路会常常处于不工作状态；
66.还有，隔离型可逆直流变换电路无论正向工作还是逆向工作，输出均可调，尤其是正向输出时其相当于一个直流电流源，非常利于对蓄电池的恒流充电，同时兼顾了变励磁电压；而逆向工作时，其相当于一个直流电压源，又特别适合于直流电网的定压输供电需求，同时对于低电压穿越保护更为合适，所以，同一个电路，实现了功能的多样化和灵活性，性价比极高。
67.对于风力发电，最大功率点跟踪(mppt)控制基本为标配，除控制开关角之外，本发明可以通过调节励磁电压的方式实现，增强了系统控制的多样化选择。
68.在发生电压骤降故障时，本发明的控制方法给出了三级保护恢复措施，逐级加码，以便确保不停机穿越故障，这三级措施都不是专门通过增加装置实现的，而是顺便通过控制方法软实现，所以不但提高了设备装置的利用率和效率效益，也降低了成本。
69.总之，本发明的系统及其控制方法，全系采用直流，利用率高，相对之下结构也较为简单，对于变速风电尤其是变速海上风电直流发输电及直流电网领域具备相当的应用价值，具备经济、社会双重意义。
附图说明
70.图1所示为本发明的直流风电场直流汇聚网络结构图。
71.图2所示为本发明的开关磁阻风力发电机变流系统电路结构图。
72.图3所示为本发明的开关磁阻电机定转子位置关系与相绕组电感模型图。其中图2中，1：变流主电路；101：第一相绕组变流主电路；102：第二相绕组变流主电路；103：第三相绕组变流主电路；2：隔离型可逆直流变换电路。
具体实施方式
73.本实施例的一种直流风电场开关磁阻电机变流系统及其控制方法，直流风电场的直流汇聚网络结构如附图1所示，其由z个风机、z个开关磁阻发电机系统、以及一个升降型直流变换器组成，每个风机通过机械方式连接一个开关磁阻发电机系统，即风机1与开关磁阻发电机系统1同轴或通过齿轮箱机械连接，风机2与开关磁阻发电机系统2同轴或通过齿轮箱机械连接，总计z组这样的风机与开关磁阻发电机系统，z大于2，这些开关磁阻发电机系统输出的直流电串联连接，从而串联后总直流电压升高，然后再输入给升降型直流变换器后输出给直流电网，升降型直流变换器为可控型变换器，即根据直流电网需要来调节升降型直流变换器内部开关管控制其输出值，相对输入来说，输出可以增加也可以减小，所以定义为升降型。
74.本实施例的每个开关磁阻发电机系统结构都相同，其由开关磁阻发电机、变流系统、以及控制器组成，变流系统由变流主电路1(含开关磁阻发电机各相绕组)与隔离型可逆直流变换电路2组成，如附图2所示，变流主电路1的输出端除作为变流系统也即开关磁阻电机系统输出端之外，也作为隔离型可逆直流变换电路2的输入端，隔离型可逆直流变换电路2的输出端则作为变流主电路1的输入端；控制器接收风速、开关磁阻发电机转速、变流系统输出电压和电流、隔离型可逆直流变换电路2输入电压电流和输出电压电流等信号，输出控制变流系统中各个开关管；本实施例的开关磁阻发电机为三相绕组的开关磁阻电机；
75.本实施例的变流主电路1由第一相绕组变流主电路101、第二相绕组变流主电路102、第三相绕组变流主电路103、蓄电池x、以及第一开关管k1组成，第一相绕组变流主电路101、第二相绕组变流主电路102、以及第三相绕组变流主电路103三者的输入端并联连接，它们的输出端也是并联连接，蓄电池x负极作为变流主电路1输入负极端，蓄电池x正极连接第一开关管k1一端，第一开关管k1另一端作为变流主电路1输入正极端，第一开关管k1为双向可控电力电子开关器件；
76.第一相绕组变流主电路101由第一二极管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、第一电感l1、第二开关管k2、第三开关管k3、第一相绕组m、第一电容器c1组成，第一二极管d1阳极作为第一相绕组变流主电路101输入正极端，也就是变流主电路1的输入正极端，连接第一开关管k1另一端、第二相绕组变流主电路102输入正极端、第三相绕组变流主电路103输入正极端、以及隔离型可逆直流变换电路2输出正极端，第一二极管d1阴极连接第一电感l1一端和第二开关管k2阳极，第一电感l1另一端连接第三开关管k3阳极，第三开关管k3阴极连接第二开关管k2阴极、第二二极管d2阳极、第四二极管d4阴极、以及第一相绕组m一端，第一相绕组m另一端连接第三二极管d3阳极和第五二极管d5阴极，并作为第一相绕组变流主电路101输入负极端，也就是变流主电路1的输入负极端，连接蓄电池x负极端、第二相绕组变流主电路102输入负极端、第三相绕组变流主电路103输入负极端、以及隔离型可逆直流变换电路2输出负极端，第二二极管d2阴极连接第三二极管d3阴极和第一电容器c1一端，并作为第一相绕组变流主电路101输出正极端，也就是变流主电路1输出正极端，同时还是变流系统和开关磁阻发电机系统输出正极端，并连接第二相绕组变流主电路102输出正极端、第三相绕组变流主电路103输出正极端、以及隔离型可逆直流变换电路2输入正极端，第四二极管d4阳极连接第五二极管d5阳极和第一电容器c1另一端，并作为第一相绕组变流主电路101输出负极端，也就是变流主电路1输出负极端，同时还是变
流系统和开关磁阻发电机系统输出负极端，并连接第二相绕组变流主电路102输出负极端、第三相绕组变流主电路103输出负极端、以及隔离型可逆直流变换电路2输入负极端；
77.第二相绕组变流主电路102由第六二极管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、第二电感l2、第四开关管k4、第五开关管k5、第二相绕组n、第二电容器c2组成，第六二极管d6阳极作为第二相绕组变流主电路102输入正极端，第六二极管d6阴极连接第二电感l2一端和第四开关管k4阳极，第二电感l2另一端连接第五开关管k5阳极，第五开关管k5阴极连接第四开关管k4阴极、第七二极管d7阳极、第九二极管d9阴极、以及第二相绕组n一端，第二相绕组n另一端连接第八二极管d8阳极和第十二极管d10阴极，并作为第二相绕组变流主电路102输入负极端，第七二极管d7阴极连接第八二极管d8阴极和第二电容器c2一端，并作为第二相绕组变流主电路102输出正极端，第九二极管d9阳极连接第十二极管d10阳极和第二电容器c2另一端，并作为第二相绕组变流主电路102输出负极端；
78.第三相绕组变流主电路103由第十一二极管d11、第十二二极管d12、第十三二极管d13、第十四二极管d14、第十五二极管d15、第三电感l3、第六开关管k6、第七开关管k7、第三相绕组p、第三电容器c3组成，第十一二极管d11阳极作为第三相绕组变流主电路103输入正极端，第十一二极管d11阴极连接第三电感l3一端和第六开关管k6阳极，第三电感l3另一端连接第七开关管k7阳极，第七开关管k7阴极连接第六开关管k6阴极、第十二二极管d12阳极、第十四二极管d14阴极、以及第三相绕组p一端，第三相绕组p另一端连接第十三二极管d13阳极和第十五二极管d15阴极，并作为第三相绕组变流主电路103输入负极端，第十二二极管d12阴极连接第十三二极管d13阴极和第三电容器c3一端，并作为第三相绕组变流主电路103输出正极端，第十四二极管d14阳极连接第十五二极管d15阳极和第三电容器c3另一端，并作为第三相绕组变流主电路103输出负极端；
79.第一电感l1、第二电感l2、以及第三电感l3的电感值需保证足够大。
80.隔离型可逆直流变换电路2输出端电压称为励磁电压，用于向各相绕组变流主电路中的相绕组励磁或者向蓄电池x充电，其输入电压也就是变流主电路1输出端电压，也是各开关磁阻发电机系统输出电压，称为发电电压，各开关磁阻发电机系统发电电压串联升压后，经升降型直流变换器变换后作为输出给直流电网的并网电压；
81.隔离型可逆直流变换电路2由第四电容器c4、第五电容器c5、第六电容器c6、第七电容器c7、第十六二极管d16、第十七二极管d17、第八开关管k8、第九开关管k9、第十开关管k10、第十一开关管k11、第十二开关管k12、第十三开关管k13、第十四开关管k14、第十五开关管k15、第十六开关管k16、第十七开关管k17、变压器t、以及第四电感l4组成，第四电容器c4一端连接第六电容器c6一端、第十六二极管d16阴极、以及第十六开关管k16阳极，并作为隔离型可逆直流变换电路2输入正极端，第五电容器c5一端连接第七电容器c7一端、第十七二极管d17阳极、以及第十七开关管k17阴极，并作为隔离型可逆直流变换电路2输入负极端，变压器t二次侧绕组n2一端与第四电容器c4另一端、第十六二极管d16阳极、第十六开关管k16阴极、第五电容器c5另一端、第十七二极管d17阴极、以及第十七开关管k17阳极连接，变压器t二次侧绕组n2另一端与第六电容器c6另一端、第七电容器c7另一端连接，变压器t一次侧绕组n1一端与第八开关管k8阴极、第九开关管k9阳极、第十开关管k10阳极、以及第十一开关管k11阴极连接，变压器t一次侧绕组n1另一端与第十二开关管k12阴极、第十三开
关管k13阳极、第十四开关管k14阳极、以及第十五开关管k15阴极连接，第八开关管k8阳极与第九开关管k9阴极、第十二开关管k12阳极、第十三开关管k13阴极、以及第四电感l4一端连接，第四电感l4另一端作为隔离型可逆直流变换电路2输出正极端，第十开关管k10阴极连接第十一开关管k11阳极、第十四开关管k14阴极、以及第十五开关管k15阳极，并作为隔离型可逆直流变换电路2输出负极端；变压器t的变比即两侧绕组匝数之比值，根据本系统的蓄电池x额定电压及输出发电电压的需求而确定，并非一定等于1仅起到隔离作用；
82.本实施例开关磁阻发电机各相绕组共同的励磁电源分为如下几种方案：
83.1)当由蓄电池x提供励磁电源时，第一开关管k1反向导通，此种方案的前提是蓄电池x储存的电能高于最低限制值，并且不需要变励磁电压励磁，励磁电压等于蓄电池x电压；
84.2)当由隔离型可逆直流变换电路2提供励磁电源，并且蓄电池x无需充电时，第一开关管k1双向均为关断状态，此种方案的前提是蓄电池x储存的电能高于最低限制值，发电电压在系统要求的正常值范围以内，并且需要经过变励磁电压励磁实现系统所需的控制性能，譬如最大功率点跟踪(mppt)控制等需求；
85.3)当由隔离型可逆直流变换电路2提供励磁电源，并且蓄电池x需要充电时，第一开关管k1为正向导通，此种方案的前提是蓄电池x储存的电能低于最低限制值，励磁电压和电流符合蓄电池x充电参数范围内，发电电压也在系统要求的正常值范围以内，并且系统需要经过变励磁电压励磁实现系统所需的控制性能，譬如mppt控制等需求；
86.无论如何，开关磁阻电机要按照开关磁阻发电机工况运行时，必须具备励磁电源给其相绕组提供励磁电能，并且，系统起动时，开关磁阻电机首先按照开关磁阻电动机模式起动，此时励磁电源也必然需要，并作为电动机工况时的供电电源，根据开关磁阻电动机运行原理起动完成并满足风机发电运转条件后，开关磁阻电机投入发电机工况运行；
87.作为开关磁阻发电机工况运行期间，首先检测并判断转子转速，并将转子转速分为三个区域，分别为低速、中速、以及高速三个区；
88.作为开关磁阻发电机运行时，根据转子位置信息，当需要第一相绕组m投入工作时，第一相绕组变流主电路101在励磁电源提供下投入工作，首先判断转速，当处于低速区时，第二开关管k2闭合导通，进入励磁阶段，励磁电源经第一二极管d1和第二开关管k2向第一相绕组m供电励磁，根据转子位置信息当励磁阶段需结束时，关断第二开关管k2，第一相绕组m经第三二极管d3和第四二极管d4向第一电容器c1侧也就是变流主电路1输出端输出电能；当转速处于中速区时，第三开关管k3闭合导通，进入励磁阶段，励磁电源经第一二极管d1、第一电感l1、以及第三开关管k3向第一相绕组m供电励磁，根据转子位置信息当励磁阶段需结束时，关断第三开关管k3，第一相绕组m经第三二极管d3和第四二极管d4向变流主电路1输出端输出电能；当处于高速区时，第三开关管k3始终处于闭合导通状态，即励磁阶段和发电阶段的第一相绕组m工作全域第三开关管k3始终为闭合状态，由于要求第一电感l1足够大，在第三开关管k3闭合导通开始的励磁阶段时，除励磁电源经由第一二极管d1、第一电感l1、以及第三开关管k3向第一相绕组m供电励磁之外，同时经由第二二极管d2和第五二极管d5向变流主电路1输出端输出电能，即此时第一相绕组m两端电压应大于变流主电路1输出端电压即发电电压值，因为只有满足这个条件时第二二极管d2和第五二极管d5才能导通，相绕组电压与发电电压相等的临界点时的转速值就定义为中速区与高速区交界点；
89.根据附图3的开关磁阻电机定转子位置关系与相绕组电感模型，并结合如下开关
磁阻电机相绕组电压方程式(1)所示：
[0090][0091]
式中：e为相绕组感应电动势，ψ为磁链，ω为开关磁阻电机角速度，命名为变压器电动势；命名为运动电动势；式(1)为励磁阶段的电压平衡方程；
[0092]
可见，针对如上第一相绕组m高速区而言，结合开关磁阻发电机基本原理，起动开始通电的励磁阶段起始点应该在附图3电感模型中的θ3之前，θ2之后，也就是励磁阶段开始时电感处于上升阶段，由于转速处于高速区，运动电动势很大并且为正，此时第一相绕组m电流将不会上升，甚至可能处于下降状态以平衡电压方程，当超过θ3及定转子凸极中心线θa角度，尤其超过θ4之后，第一相绕组m电感下降，运动电动势反向，此时第一相绕组m电流将上升，此时即自动进入发电阶段，也就是说第一相绕组m进入放电状态(运动电动势的机械能转变为电能)，第三二极管d3和第四二极管d4导通，此时的电压平衡方程式变为：
[0093][0094]
可见，进入发电阶段的标志为经由第二二极管d2和第五二极管d5的电流为零，此时第一相绕组m经由第三二极管d3和第四二极管d4向变流主电路1输出端输出电能，同时也经由第一二极管d1向励磁电源和第一电感l1反馈电能；在第一电感l1足够大，转速足够高时，此发电阶段经由第一相绕组m的电流甚至持续上升到θ5角度位置，也就是下一周期开始的电感最小区域θ1及θ2之间的区域，随后再下降，也就是说，虽然第三开关管k3励磁和发电阶段均连续闭合导通，打破了传统方式及中低速区时励磁供电，发电断电(断励磁电源)的传统模式，但是，在此高速区时励磁阶段可以增加电能输出(同时有第二二极管d2和第五二极管d5导通输出电能)，而不断开第三开关管k3的发电阶段，在第一相绕组m通过第三二极管d3和第四二极管d4发电输出的同时，可以反向向励磁电源端或蓄电池x馈电，所以极大的增强了发电能力、发电效率和效益；
[0095]
以上是针对第一相绕组m根据转子位置信息和转速的工作过程，根据转子位置信息，当需要第二相绕组n投入工作时，第二相绕组变流主电路102在励磁电源提供下投入工作，和第一相绕组m工作过程基本相同，只不过由第六二极管d6对应第一二极管d1，第二电感l2对应第一电感l1，第四开关管k4对应第二开关管k2，第五开关管k5对应第三开关管k3，第二相绕组n对应第一相绕组m，第七二极管d7对应第二二极管d2，第八二极管d8对应第三二极管d3，第九二极管d9对应第四二极管d4，第十二极管d10对应第五二极管d5，第二电容器c2对应第一电容器c1；
[0096]
同样，当需要第三相绕组p投入工作时，第三相绕组变流主电路103在励磁电源提供下投入工作，也是和第一相绕组m工作过程基本相同，由第十一二极管d11对应第一二极管d1，第三电感l3对应第一电感l1，第六开关管k6对应第二开关管k2，第七开关管k7对应第三开关管k3，第三相绕组p对应第一相绕组m，第十二二极管d12对应第二二极管d2，第十三二极管d13对应第三二极管d3，第十四二极管d14对应第四二极管d4，第十五二极管d15对应第五二极管d5，第三电容器c3对应第一电容器c1。
[0097]
如果开关磁阻电机转速过高并超过系统要求的上限值时，起动风机的桨距角控制
系统，增大桨距角降低转速，当此方法不足以控制转速低于上限值时，说明风速过大，系统停机处理，此时本实施例所述全部开关管为断开状态，风机及开关磁阻发电机系统共同起动刹车系统停机。
[0098]
当各个开关磁阻发电机系统串联后总发电电压在系统要求的正常值范围以外并高于正常值时，对部分开关磁阻发电机系统进行停机，以满足直流风电场直流汇聚网络的升降型直流变换器输入电压的要求为基准确定停机的开关磁阻发电机系统数量。
[0099]
当系统总输出电压即升降型直流变换器输出电压骤降，这在风电工况领域是必须要解决的困难，称为低电压穿越，往往是因为譬如负载过大、电网瞬时短路故障等因素，此时按如下顺序起动三级低压穿越防护体系：
[0100]
第一级：升降型直流变换器调控系统，通过调控升降型直流变换器内部开关管快速恢复输出端电压；
[0101]
第二级：升降型直流变换器输出端直流电压下降至第二级，即低于如上第一级面临的低电压时，除调控升降型直流变换器内部开关管之外，起动隔离型可逆直流变换电路2逆向工作，前提条件是蓄电池x具备高于下限值的储备电能，因为此时实际上是蓄电池x经由隔离型可逆直流变换电路2向系统输出侧提供电能，同时蓄电池x需作为励磁电源维持开关磁阻发电机系统运行；
[0102]
第三极：当升降型直流变换器输出端直流电压下降至第三级，即低于如上第二级面临的低电压时，除采取如上第二级的两种措施外，在变流主电路1输出端发电电压低于各相绕组平均电压值前提下(事实上由于电压骤降到第三级，意味着各相绕组的变流主电路输出发电电压极低了)，此时无论开关磁阻发电机转速处于何区域，其各相绕组的励磁和发电工作过程控制中，第二开关管k2、第四开关管k4、以及第六开关管k6一律处于断开状态，而第三开关管k3、第五开关管k5、以及第七开关管k7一律处于闭合导通状态，即类似于正常运行状态时的高速区的调控模式，此时因为无论励磁还是发电阶段，第一电容器c1、第二电容器c2、以及第三电容器c3端在其对应相绕组工作期间都能接收到连续的而不是断续的电流，输出侧发电电压越低，电流越大，补偿穿越效果自然越好。
[0103]
如上所述，无论作为励磁电源正向供电，或逆向保护系统，对于隔离型可逆直流变换电路2，其正向和逆向工作的过程并不简单，正向工作时，其变压器t右侧结构相当于半桥逆变，左侧结构相当于交错整流，并且输出侧相当于一个直流电流源，从而利于对蓄电池x进行连续恒流充电，当变流主电路1处于工作状态时，则也提供励磁电能，隔离型可逆直流变换电路2正向变流工作时具体分为如下十一个开关工作步骤，并循环：
[0104]
步骤一：第九开关管k9和第十五开关管k15同时闭合导通；
[0105]
步骤二：第十三开关管k13闭合导通；
[0106]
步骤三：第九开关管k9断开；
[0107]
步骤四：第十一开关管k11和第十七开关管k17闭合导通；
[0108]
步骤五：第十五开关管k15断开；
[0109]
步骤六：第十七开关管k17断开；
[0110]
步骤七：第九开关管k9闭合导通；
[0111]
步骤八：第十三开关管k13断开；
[0112]
步骤九：第十五开关管k15和第十六开关管k16闭合导通；
[0113]
步骤十：第十一开关管k11断开；
[0114]
步骤十一：第十六开关管k16断开；
[0115]
基于以上工作步骤下，步骤一到步骤十一的十一个步骤中所述各个开关管占空比在其可调节范围内可调，原则是满足如上步骤前提下进行，并满足对蓄电池x充电以及变流主电路1励磁需求；
[0116]
当蓄电池x电量高于下限值，并且发生如上所述系统输出侧电压过低故障需要安全穿越，起动如上所述的第二级和第三级防护体系时，此时的隔离型可逆直流变换电路2逆向变流工作，此时变压器t左侧结构相当于双桥逆变，右侧结构相当于升压整流，此时输出侧相当于一个电压源，从而更利于低电压穿越等负载侧故障的恢复；隔离型可逆直流变换电路2逆向变流工作时分为如下十一个开关工作步骤，并循环：
[0117]
步骤一：第十开关管k10和第十二开关管k12闭合导通；
[0118]
步骤二：第十四开关管k14闭合导通；
[0119]
步骤三：第十开关管k10断开；
[0120]
步骤四：第八开关管k8和第十七开关管k17闭合导通；
[0121]
步骤五：第十二开关管k12断开；
[0122]
步骤六：第十七开关管k17断开；
[0123]
步骤七：第十开关管k10闭合导通；
[0124]
步骤八：第十四开关管k14断开；
[0125]
步骤九：第十二开关管k12和第十六开关管k16闭合导通；
[0126]
步骤十：第八开关管k8断开；
[0127]
步骤十一：第十六开关管k16断开；
[0128]
基于以上隔离型可逆直流变换电路2逆向变流工作步骤下，步骤一到步骤十一的十一个步骤中所述各个开关管占空比在其可调节范围内可调，以便满足对输出发电电压的需要，尤其是如上所述发生电压骤降需要穿越时的需要；
[0129]
虽然隔离型可逆直流变换电路2工作控制过程较为复杂，但是，在系统正常发电工作期间，如果风能较为稳定，也就无需变励磁电压以满足mppt等性能要求时，往往单独采用蓄电池x作为励磁电源即可，此时隔离型可逆直流变换电路2无需变流工作；而发生负载侧电压骤降等极端情况的几率和时间往往是非常少见和短暂的，即使发生，并且到第二级和第三级穿越保护需求时，也是极短时间内必须完成的，否则必须系统全部停机，所以其逆向工作的时间更短更罕见；所以，虽然隔离型可逆直流变换电路2开关管数量众多，工作中损耗一般较高，但放在总体系统内看，几乎可以忽略。
[0130]
从本实施例及各附图可见，当开关磁阻电机相绕组数量为非三相绕组时，只不过是加减结构和控制都相同的相绕组变流主电路数量的问题，所以本发明对非三相绕组开关磁阻电机一样应该处于保护范围内。