基于绕组开放式电机的多输入源发电系统拓扑研究

南京航空航天大学自动化学院的研究人员郜羚、王宇、王子禹，在2016年《电工技术学报》增刊2上撰文指出，在互补型新能源发电系统中，采用多输入源变换器以及绕组开放式发电机，能够简化系统结构、降低系统成本。

分析了多种结合双输入源变换器发电系统，并针对集成度、灵活性、能量调度等性能与直接并联型的绕组开放式发电系统进行比较，得出集成度最高、成本最低并满足能量分配要求的绕组开放式三输入源发电系统。

研究了该结构的工作原理，并根据多个输入源的稳态关系式，提出一种能量管理策略，最后通过仿真和实验验证了理论分析的正确性和控制策略的有效性。

当今世界能源消耗大幅增长，以煤炭为原料的能源消费模式严重地影响了环境的健康发展。随着电力电子设备和控制技术的发展以及市场需求的进一步提高，新能源发电成为研究的热点[1]。

许多偏远山区和一些小村庄仍存在用电困难和供电质量不高的问题，而这些地区往往拥有丰富的光照和风力资源。因此，因地制宜地利用可再生能源发展独立运行的分布式微电网技术是一个有效的解决途径[2]。

目前的可再生能源发电系统多采用模块化结构，每种供电源通过一套可控变换器并联在直流母线两端，再通过直直变换和直交变换给不同的负载供电[3]。这种结构灵活性强，容错性能好，适用于不同特性的供电源和不同等级的负载。但是由于每个供电源均需要一套可控变换器和控制器，系统成本和体积较大[4]。

为此，学者提出了多输入源直流变换器(Multiple-Input DC-DC Converter, MIC )的概念，即将多个直流变换器经过特定的组合方式融合为一个可以连接多个输入源的直流变换器[5,6]，具有高集成度、高功率密度、高效率、低成本的优势。

MIC结构研究的主要方向分为隔离型和非隔离型两种。隔离型结构需要隔离变压器，体积相对较大，成本较高[7]。在没有隔离需求的条件下，非隔离型的MIC在新能源发电领域的研究十分广泛[8,9]。

基于最基础的6种直直变换器，衍生出多种不同形式的MIC。文献[10]以脉冲电压源和脉冲电流源为基本单元，通过串并联的方式系统地介绍了MIC的构造规则和原理。在新能源发电和电动汽车应用领域，双Buck变换器、Buck-Boost变换器以及双Boost变换器都是研究热点[11,12]。

针对双输入Buck变换器的输出特性和工作原理研究，实现了两个不同特性的功率源向单个负载稳定供电。三端口变换器(Three-PortConverter, TPC)同样是采用了类似的集成思想，通过一个变换器同时实现输入源、储能装置和负载的功率管理和控制，有效提高了系统集成度和可靠性，降低了成本和体积[13]。但目前多输入源变换器研究均集中于直流输入源，对交流输入源的研究比较少见。

韩国学者Seung-Ki Sul首次提出将绕组开放式电机(open-windinggenerator)应用于分布式发电系统[14]，减少了一套全控型功率变换器，但发电机直接并网限制了电机转速。在永磁电机启动/发电应用领域。文献[15]将绕组开放式电机后级接不控整流器，建立独立的发电系统，并通过矢量控制实现了供电稳定，但电机前级接入的储能装置由于受负载和电机功率的影响，存在过充过放的风险，影响系统的使用寿命。

为此，学者提出了用混合励磁电机代替永磁同步电机[16]，利用其调磁性能来解决储能装置功率控制问题。在不增加系统成本的条件下，加入无功电流，弱磁调节电机输出功率，满足储能元件控制和系统能量守恒。

本文在传统三输入源绕组开放式发电结构基础上，以提高系统集成度和成本为目标，结合MIC的构造思想和绕组开放式电机自身固有特性，研究了多种新型的三输入源绕组开放式发电系统结构。

对比分析了各结构集成度、解耦性和电能传输的优劣性，从中选择出既能满足功率分配要求，且集成度最高，成本最低的拓扑，利用功率平衡方程，推出系统功率的控制策略，并通过仿真分析和实验验证了该拓扑结构的可行性。

图5  新型三输入源绕组开放式发电系统

图11 绕组开放式三输入源发电系统控制框图

结论

1）基于多输入变换器的构造思想，引入绕组开放式发电机结构用于新能源发电系统能够有效的减小系统的元器件数量，降低了成本，提高了集成度，但相比于直接并联型结构，灵活性不足，局限于单向能量输送，无法在低成本的条件下实现能量的反向存储。

2）由于绕组开放式发电机的固有特性，直接并联型结构在省去一整套功率变换器的条件下，仍能实现系统能量的可控调节。进一步提高了系统可靠性和集成度。

3）通过仿真分析和实验验证，证明该三输入源发电系统结构以及控制算法的可行性和有效性。本文提出的直接并联型的绕组开放式三输入源发电系统在结构成本和控制成本上均优于传统的三输入源发电系统。