本发明涉及直流电网中抽水蓄能电站发电机/电动机领域，具体涉及一种可双向工作主电路和多方案灵活调控的高性能励磁电路组成的新型抽水蓄能电站开关磁阻电机功率变换器拓扑和调控方法。
背景技术：
1、直流电网，尤其局域的直流微电网，特别是包含风力发电和光伏发电接入的直流微电网，是很多地区节能减排，利用清洁能源发供电的优秀形式，另外，抽水蓄能电站也是一种清洁无污染的电能调节装置，由于风和光的不稳定性，为了保持电网稳定，抽水蓄能电站是同时接入直流电网的非常好的平衡电网电能的选择。
2、抽水蓄能电站的主电机，包括主发电机和主电动机，主发电机用于在水力势能驱动下发电输入电网，主电动机用于在电网电能过量时消耗电能将下游水扬水到上游水库，也是为电网缺电时主发电机的发电工作提供动力来源。但是，目前的抽水蓄能电站主要采用交流电机，交流发电机和交流电动机，与直流电网连接，需要整流装置和逆变装置。
3、开关磁阻电机结构简单坚固，根据转子不同位置的不同相绕组的供电角度不同，可方便的实现四象限运行，即可以利用其同一套变流器(功率变换器)，方便实现其作为发电机和电动机的转换，无需分别采用不同的发电机和电动机及其变流系统，节省了成本。另外，开关磁阻电机作为发电机直接发出直流电，作为电动机使用直流电源，无需整流或逆变装置，又降低了成本。
4、开关磁阻电机的功率变换器是其工作和控制的核心装置，其直接控制各相绕组，所以开关磁阻电机系统性能的优劣，很大程度是由其功率变换器决定的。
5、如上所述，当为了满足开关磁阻电机的发电和电动不同工况，以及为了提升性能和自动化水平，功率变换器的设计与控制最为关键，一般包括高利用率、低损耗、低成本、以及体积重量的减轻等等指标。
6、目前，变励磁的开关磁阻电机功率变换器已经开始较多的出现，为开关磁阻电机的控制提供了新的变量，也就为性能的提升提供了可能。
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升压、共地无隔离、开关损耗低、主电路可双向工作、励磁电路四种工作方案灵活调控、连续励磁输出、以及蓄电池自充电等的新型开关磁阻电机功率变换器及其调控方法，适合于含抽水蓄能电站并网的直流电网领域。
2、本发明的技术方案为：
3、抽水蓄能电站开关磁阻电机功率变换器，由主电路和励磁电路组成，主电路输出正负极两端连接直流电网，同时连接励磁电路输入正负极两端，励磁电路输出正负极两端连接主电路输入正负极两端。
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、第五开关管、第六开关管、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第一电容器、第二电容器、第一二极管、以及第二二极管组成，第一开关管一端连接第二开关管一端、第三开关管一端、第六开关管阳极、以及第一电容器一端，并作为主电路输入正极端，第一开关管另一端连接第一相绕组一端，第二开关管另一端连接第二相绕组一端，第三开关管另一端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、第四开关管阴极、第五开关管阳极、第一二极管阳极、以及第二二极管阴极，第四开关管阳极连接第一二极管阴极和第二电容器一端，并作为主电路输出正极端，第二电容器另一端连接第五开关管阴极、第二二极管阳极、第一电容器另一端、以及第六开关管阴极，并作为主电路输入和输出负极端；第一开关管、第二开关管、以及第三开关管均为全控型双向电力电子开关管，第四开关管、第五开关管、以及第六开关管均为全控型单向电力电子开关管。
5、励磁电路由第七开关管、第八开关管、第九开关管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、电感、以及蓄电池组成，第七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，第七开关管阴极连接第三二极管阴极和电感一端，电感另一端连接第八开关管阳极和第四二极管阳极，第八开关管阴极连接第五二极管阳极和蓄电池负极，蓄电池正极连接第四二极管阴极和第九开关管阳极，第九开关管阴极连接第五二极管阴极，并作为励磁电路输出正极端与主电路输入正极端连接，第三二极管阳极作为励磁电路输入和输出负极端，并与主电路输入和输出负极端连接；励磁电路中所有开关管均为全控型单向电力电子开关管。
6、本发明抽水蓄能电站开关磁阻电机功率变换器的调控方法，当需要抽水蓄能电站主电机即开关磁阻电机作为发电机运行发电时，上游水库水力驱动开关磁阻电机做发电机运行，在励磁电路输出电能给主电路保障励磁电源提供的前提下，开关磁阻电机作为发电机的调控方法：根据开关磁阻发电机基本理论和实时转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，第一开关管和第五开关管闭合导通，进入第一相绕组的励磁阶段，励磁电源经第一开关管和第五开关管给第一相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，断开第五开关管，进入发电阶段，励磁电源与第一相绕组串联一起经由第一开关管、第一二极管向主电路输出端输出电能，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；根据转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，第二开关管和第五开关管闭合导通，进入第二相绕组的励磁阶段，励磁电源经第二开关管和第五开关管给第二相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，断开第五开关管，进入发电阶段，励磁电源与第二相绕组串联一起经由第二开关管、第一二极管向主电路输出端输出电能，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第二开关管，第二相绕组工作结束；根据转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，第三开关管和第五开关管闭合导通，进入第三相绕组的励磁阶段，励磁电源经第三开关管和第五开关管给第三相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，断开第五开关管，进入发电阶段，励磁电源与第三相绕组串联一起经由第三开关管、第一二极管向主电路输出端输出电能，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第三开关管，第三相绕组工作结束。
7、当需要开关磁阻电机扬水到上游水坝即作为电动机运行时，无需励磁电路提供励磁电能，主电路反向工作，直流电网作为输入侧，根据开关磁阻电动机的基本理论，当第一相绕组需投入工作时，第一开关管、第四开关管、以及第六开关管闭合导通，直流电网电能先后经第四开关管、第一开关管、以及第六开关管向第一相绕组供电，根据转子位置信息当第一相绕组工作需结束时，断开第四开关管和第六开关管，第一相绕组的储能经第二二极管和第一开关管向第一电容器泄放，直至电流为零后，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；根据转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，第二开关管、第四开关管、以及第六开关管闭合导通，直流电网电能先后经第四开关管、第二开关管、以及第六开关管向第二相绕组供电，根据转子位置信息当第二相绕组工作需结束时，断开第四开关管和第六开关管，第二相绕组的储能经第二二极管和第二开关管向第一电容器泄放，直至电流为零后，断开第二开关管，第二相绕组工作结束；根据转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，第三开关管、第四开关管、以及第六开关管闭合导通，直流电网电能先后经第四开关管、第三开关管、以及第六开关管向第三相绕组供电，根据转子位置信息当第三相绕组工作需结束时，断开第四开关管和第六开关管，第三相绕组的储能经第二二极管和第三开关管向第一电容器泄放，直至电流为零后，断开第三开关管，第三相绕组工作结束。
8、励磁电路作为主电路即开关磁阻发电机运行时的励磁电源，分为四种调控方案：
9、方案一为直流电网供电的励磁电源产生方案：全过程第九开关管保持断开状态，第八开关管保持闭合导通状态，第七开关管按照pwm模式工作，当第七开关管闭合导通时，直流电网电能经由第七开关管、第八开关管、以及第五二极管向励磁电路输出端输出，同时向电感充电；当第七开关管断开时，电感的储能经由第三二极管、第八开关管、以及第五二极管续流输出。
10、方案二为直流电网与蓄电池共同供电的励磁电源产生方案：全过程第八开关管保持导通，第七开关管和第九开关管同步按pwm模式，当第七开关管和第九开关管闭合导通时，直流电网输入与蓄电池一起经由第七开关管、第八开关管、以及第九开关管输出，同时向电感充电；当第七开关管和第九开关管断开时，电感的储能经由第三二极管、第八开关管、以及第五二极管向外输出。
11、方案三为兼顾给蓄电池充电的励磁电源产生方案：全过程第九开关管保持断开状态，第七开关管和第八开关管按pwm模式工作，当第七开关管和第八开关管均闭合导通时，直流电网经第七开关管、第八开关管、以及第五二极管输出，同时向电感充电；当第八开关管断开，第七开关管维持导通时，直流电网经由第七开关管、第四二极管、以及第五二极管向蓄电池充电并输出励磁电能，该工作状态在另有一情况下时需单独维持，即当开关磁阻电机作为电动机运行期间，同时蓄电池缺电时，励磁电路需处于此工作状态，直到蓄电池充满电为止，第七开关管再断开，其中当蓄电池充电电压和电流参量不能满足充电需求时，第七开关管按pwm模式独立工作并调节占空比大小以满足；当第七开关管断开，第八开关管闭合导通时，电感的储能经由第三二极管、第八开关管、以及第五二极管维持输出。
12、方案四为蓄电池单独供电的励磁电源产生方案：全过程第七开关管保持断开状态，第八开关管保持闭合导通状态，第九开关管按pwm模式工作，当第九开关管闭合导通时，蓄电池电能经由第三二极管、第八开关管、以及第九开关管向外输出，同时给电感充电；当第九开关管断开时，由电感的储能经由第三二极管、第八开关管、以及第五二极管维持输出。
13、励磁电路以上四个工作方案期间，凡是进行pwm控制的开关管，通过调控其占空比大小，可调节其输出量，以满足系统需求。
14、本发明的技术效果主要有：
15、本发明的功率变换器，无隔离环节、共地，节省了体积、重量、占地面积、以及成本。
16、主电路可以双向工作，使得开关磁阻电机即可作为发电机也可作为电动机运行，考虑到转向与开关磁阻电机运行控制机理无关，即主电路可完成开关磁阻电机四象限运行承载。在风电、光伏等清洁能源发电接入的直流电网中，由于这些发电形式依赖于风光等自然界不稳定的来源，同时接入抽水蓄能电站是一种好的选择，用其平衡电网，由开关磁阻电机作为抽水蓄能电站的主电机，当电网缺电及负荷大时，开关磁阻电机作为发电机运行，由上游水库水力驱动，反之当电网负荷低，电能过量时，开关磁阻电机作为电动机运行，向上游水库扬水消耗多余电能，平稳电网，也为后续当电网缺电时作为动力发电之用。
17、主电路正向工作作为发电机时，发电输出给电网的输出电压高于输入端的励磁电压，而当反向工作作为电动机时，又存在降压的过程，从而相互匹配。
18、励磁电路存在四种工作方案供选择，考虑到了各种情况，可以灵活、方便的实现对开关磁阻发电机励磁电能的提供，适应性强。
19、虽然励磁电路有三只开关管，但每种方案中，基本有一到两只开关管按pwm模式工作，甚至多数方案下只有一只开关管按pwm模式工作，所以，实际的开关损耗并不高。
20、如上所述，励磁电路各个方案中均至少有一只开关管按照pwm模式工作，实际中可调节其占空比，进而调节输出励磁电能，包括调节改变励磁电压以适应开关磁阻发电机运行控制性能提升的需要，也为开关磁阻发电机提供了一个新的控制变量。
21、励磁电路还可以实现对其内部蓄电池的自动充电，在电网电能亏欠时可由蓄电池作为励磁电源供电，而无需通过人工给蓄电池充电，提高了系统的自动化水平，减少了人工成本。
22、励磁电路的四大工作方案中，一致的是，在各个方案的工作过程中，输出电流都保持连续输出，从而保证了励磁电源输出的电能质量较高。
1.抽水蓄能电站开关磁阻电机功率变换器，由主电路和励磁电路组成，其技术特征是，所述主电路输出正负极两端连接直流电网，同时连接所述励磁电路输入正负极两端，励磁电路输出正负极两端连接主电路输入正负极两端。
2.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站开关磁阻电机功率变换器，主电路由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一相绕组、第二相绕组、第三相绕组、第一电容器、第二电容器、第一二极管、以及第二二极管组成，其技术特征是，所述第一开关管一端连接所述第二开关管一端、所述第三开关管一端、所述第六开关管阳极、以及所述第一电容器一端，并作为主电路输入正极端，第一开关管另一端连接所述第一相绕组一端，第二开关管另一端连接所述第二相绕组一端，第三开关管另一端连接所述第三相绕组一端，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、所述第四开关管阴极、所述第五开关管阳极、所述第一二极管阳极、以及所述第二二极管阴极，第四开关管阳极连接第一二极管阴极和所述第二电容器一端，并作为主电路输出正极端，第二电容器另一端连接第五开关管阴极、第二二极管阳极、第一电容器另一端、以及第六开关管阴极，并作为主电路输入和输出负极端；第一开关管、第二开关管、以及第三开关管均为全控型双向电力电子开关管，第四开关管、第五开关管、以及第六开关管均为全控型单向电力电子开关管。
3.根据权利要求1所述的抽水蓄能电站开关磁阻电机功率变换器，励磁电路由第七开关管、第八开关管、第九开关管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、电感、以及蓄电池组成，其技术特征是，所述第七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，第七开关管阴极连接所述第三二极管阴极和所述电感一端，电感另一端连接所述第八开关管阳极和所述第四二极管阳极，第八开关管阴极连接所述第五二极管阳极和所述蓄电池负极，蓄电池正极连接第四二极管阴极和所述第九开关管阳极，第九开关管阴极连接第五二极管阴极，并作为励磁电路输出正极端与主电路输入正极端连接，第三二极管阳极作为励磁电路输入和输出负极端，并与主电路输入和输出负极端连接；励磁电路中所有开关管均为全控型单向电力电子开关管。
4.根据权利要求1-3所述的抽水蓄能电站开关磁阻电机功率变换器的调控方法，当需要抽水蓄能电站主电机即开关磁阻电机作为发电机运行发电时，上游水库水力驱动开关磁阻电机做发电机运行，其技术特征是，在励磁电路输出电能给主电路保障励磁电源提供的前提下，开关磁阻电机作为发电机的调控方法包括：根据开关磁阻发电机基本理论和实时转子位置信息，当第一相绕组需投入工作时，第一开关管和第五开关管闭合导通，进入第一相绕组的励磁阶段，励磁电源经第一开关管和第五开关管给第一相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，断开第五开关管，进入发电阶段，励磁电源与第一相绕组串联一起经由第一开关管、第一二极管向主电路输出端输出电能，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；根据转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，第二开关管和第五开关管闭合导通，进入第二相绕组的励磁阶段，励磁电源经第二开关管和第五开关管给第二相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，断开第五开关管，进入发电阶段，励磁电源与第二相绕组串联一起经由第二开关管、第一二极管向主电路输出端输出电能，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第二开关管，第二相绕组工作结束；根据转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，第三开关管和第五开关管闭合导通，进入第三相绕组的励磁阶段，励磁电源经第三开关管和第五开关管给第三相绕组励磁，根据转子位置信息励磁阶段需结束时，断开第五开关管，进入发电阶段，励磁电源与第三相绕组串联一起经由第三开关管、第一二极管向主电路输出端输出电能，根据转子位置信息发电阶段需结束时，断开第三开关管，第三相绕组工作结束。
5.根据权利要求1-3所述的抽水蓄能电站开关磁阻电机功率变换器的调控方法，当需要开关磁阻电机扬水到上游水坝即作为电动机运行时，其技术特征是，无需励磁电路提供励磁电能，主电路反向工作，直流电网作为输入侧，根据开关磁阻电动机的基本理论，当第一相绕组需投入工作时，第一开关管、第四开关管、以及第六开关管闭合导通，直流电网电能先后经第四开关管、第一开关管、以及第六开关管向第一相绕组供电，根据转子位置信息当第一相绕组工作需结束时，断开第四开关管和第六开关管，第一相绕组的储能经第二二极管和第一开关管向第一电容器泄放，直至电流为零后，断开第一开关管，第一相绕组工作结束；根据转子位置信息，当第二相绕组需投入工作时，第二开关管、第四开关管、以及第六开关管闭合导通，直流电网电能先后经第四开关管、第二开关管、以及第六开关管向第二相绕组供电，根据转子位置信息当第二相绕组工作需结束时，断开第四开关管和第六开关管，第二相绕组的储能经第二二极管和第二开关管向第一电容器泄放，直至电流为零后，断开第二开关管，第二相绕组工作结束；根据转子位置信息，当第三相绕组需投入工作时，第三开关管、第四开关管、以及第六开关管闭合导通，直流电网电能先后经第四开关管、第三开关管、以及第六开关管向第三相绕组供电，根据转子位置信息当第三相绕组工作需结束时，断开第四开关管和第六开关管，第三相绕组的储能经第二二极管和第三开关管向第一电容器泄放，直至电流为零后，断开第三开关管，第三相绕组工作结束。
6.根据权利要求1-3所述的抽水蓄能电站开关磁阻电机功率变换器的调控方法，励磁电路作为主电路即开关磁阻发电机运行时的励磁电源，其技术特征是，励磁电路分为四种调控方案：
