[发明专利]一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统，其特征在于：包括超高速涡轮发电机(1)、三相桥式整流电路(2)、滤波电容(4)、Buck变换电路(5)、能耗匹配电路(11)；超高速涡轮发电机(1)与三相桥式整流电路(2)的一端连接，三相桥式整流电路(2)的另一端分别与滤波电容(4)、Buck变换电路(5)、能耗匹配电路(11)并联构成总并联电路。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统，其特征在于：所述三相桥式整流电路(2)包括6个IGBT模块一(3)，IGBT模块一(3)起高频二极管作用，6个IGBT模块一(3)俩俩并联，每一个并联为一相，高速涡轮发电机(1)发出三相高频交流电，每一相交流电与上述一相相连。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统，其特征在于：所述Buck变换电路(5)包括IGBT模块控制开关一(6)、IGBT模块二(7)、电感(8)、电容(9)、负载电阻(10)；IGBT模块控制开关(6)、IGBT模块二(7)串联后与总并联电路连接，电感(8)一端与IGBT模块控制开关一(6)和IGBT模块二(7)之间电路连接，IGBT模块二(7)起续流二极管作用，另一端分别与电容(9)和负载电阻(10)串联后与总并联电路连接，电容(9)和负载电阻(10)并联。

4.根据权利要求1所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制系统，其特征在于：所述能耗匹配电路(11)包括IGBT模块控制开关二(12)、能耗匹配电阻(13)、IGBT模块三(14)；IGBT模块控制开关二(12)与能耗匹配电阻(13)串联后与总并联电路连接，IGBT模块三(14)一端与IGBT模块控制开关(12)和能耗匹配电阻(13)之间的串联电路连接，另一端与总并联电路连接。

5.一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、运行超高速涡轮发电机(1)：

超高速涡轮发电机(1)运行并发出三相高频交流电，通过三相桥式整流电路(2)后，交流电压整流为直流电压，假设此时三相桥式整流电路(2)后的直流电压值为U₁，对应的涡轮发电机转速为ω₁；

步骤二、Buck变换电路5启动：

设定负载电阻(10)所需的直流电压值为U₂，对应的涡轮发电机(1)的转速为ω₂,当U₁＞U₂(即ω₁＞ω₂)时，Buck变换电路(5)启动，通过系统控制IGBT开关一(6)的占空比，保证输出给负载电阻(10)的直流电压值恒定为U₂；

步骤三、能耗匹配电路11启动：

Buck变换电路(5)启动且涡轮发电机(1)的前端气源功率不变，系统会存在剩余能量而导致涡轮发电机(1)迅速升速，此时通过设计系统目标转速ω₃且启动能耗匹配电路(11)，通过控制IGBT开关二(12)的占空比，保证超高速涡轮发电机(1)稳定运行于目标转速ω₃，对应的直流电压值为U₃；

步骤四、实现超高速涡轮发电机(1)的稳定的电压输出与转速运行。

6.根据权利要求5所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制方法，其特征在于：所述步骤二中，IGBT模块控制开关一(6)的占空比D₁＝ω₃/ω₂。

7.根据权利要求5所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制方法，其特征在于：所述步骤三中，IGBT模块控制开关二(12)的占空比根据整个系统的输入输出能量匹配关系而进行自动反馈调节，在忽略空载运行损失时，占空比D₂＝(P₁－U₂²/R_L)/(U₃²/R_N)；其中P₁为气源输入功率，R_L为负载电阻阻值，R_N为能耗匹配电阻阻值。

8.根据权利要求5所述的一种涡轮发电机稳定输出与运行的控制方法，其特征在于：假设超高速涡轮发电机(1)的一阶临界转速为ω₀，则需要避开的危险转速范围为[0.7ω₀，1.3ω₀]；则设置Buck变换电路(5)启动转速于此范围内，将实际的运行额定转速设置于高于此危险范围，并使能耗匹配电路(11)控制转速处于额定转速范围内。