萊姆傳感器在變速恒頻雙饋式風力發電系統中的應用

摘要：近來可再生能源的開發利用越發受到重視,而風力發電是其中最廉價、最有希望的綠色能源。在風力發電技術中,雙饋變速恒頻風力發電技術已經成為其主要發展方向之一。雙饋系統中最重要的部件為轉子側背靠背變流器，為了實現變流器雙向能量流動，必須檢測系統的電流與電壓等實現閉環控制，本文介紹了萊姆傳感器在雙饋風力發電系統中的應用。實踐證明，系統效果很好。

關鍵詞：風力發電 變速恒頻 雙饋 背靠背變流器萊姆

Abstract：Nowadays, renewable energy has been paid more and more attention for its low cost and green energy, especially wind energy. In wind energy ,the double-fed variable speed constant frequency （DFVSCF）technology is the main development aspect. The Back-to-back converter is the heart of the DFVSCF. It has to detect the voltage and current of the system to do the closed loop control. The paper introduce the LEM sensors used in the DFVSCF system, and experiment proved the precision of the LEM sensors.

Key words: wind energy VSCF Double-Fed back-to-back converter LEM

1 引言
近年來出現的變速恒頻（VSCF）技術，引起了風力發電技術的革命，是風力發電的發展方向【1－2】。VSCF技術克服了恒速恒頻（CSCF）固有缺陷，具有許多不可替代的優勢。VSCF風力發電有很多類型：如發電機定子交－直－交全功率變換方式、永磁發電機直接驅動方式和雙饋式變速恒頻方式等。

作為目前風力發電最佳方案和發展方向，DFVSCF風力發電機成為國內外專家學者的研究熱點。DFVSCF風力發電技術發展迅速，目前在歐美等風電強國得到了廣泛應用。可以預見，以DFVSCF風力發電為代表的VSCF風力發電機將逐漸取代陳舊的普通風電機組，成為主要的風力發電方式。目前DFVSCF風力發電技術的研究取得了豐碩的成果，包括勵磁變換器的拓撲與控制、發電機控制策略研究、最大風能追蹤控制、發電機穩定性研究等。DFVSCF風力發電機的運行理論和控制方法的不斷成熟，大大降低了成本，提高了運行可靠性，為DFVSCF風力發電的推廣奠定了基礎。

本文分析研究了LEM霍耳傳感器在VSCF系統中的應用。實驗證明，這種傳感器與普通傳感器相比，具有檢測精度高、響應速度快、可靠性好等優點。

2 DFVSCF基本原理
雙饋式變速恒頻（DFVSCF）風力發電模式（如圖1所示），該方案采用具有定、轉子兩套繞組的雙饋型異步發電機（DFIG），定子接入電網，轉子通過電力電子變換器與電網相連。其特點主要包括：（1）可實現VSCF運行；（2）變換器容量僅為發電機轉差功率，變換器設計相對容易；（3）實現發電機輸出有功、無功功率解耦控制，從而可實現最大風能捕獲和功率因數控制和以及對電網電壓的控制能力（此特性是多數分布式發電機所欠缺的）；（4）DFIG與電網為柔性連接方式，易于并網。

DFVSCF正常工作并網發電時的控制框圖如圖2所示，為了實現系統有功、無功解耦控制，需要檢測的參數包括，發電機轉速，電網三相電壓與三相電流。其中，電壓與電流的檢測由LEM傳感器實現。

3 LEM 霍耳傳感器的特點
系統采用霍爾電流傳感器（LEM 模塊）一LA25-NP對電流進行檢測。霍爾器件根據磁補償原理制作而成，它可傳感從直流到數百千赫茲的信號。與普通傳感器比較，其優點為：

（1）LEM模塊可以測量任意波形的電流和電壓及瞬態峰值。副邊電流忠實地反映原邊電流的波形。

（2）原邊電路與副邊電路之間完全絕緣，絕緣電壓一般為2～12kV，特殊要求可達20～50kV。

（3）精度高。在工作溫度區內精度優于1％，線性度優于0．1％。

（4）動態性能好。響應時間小于l S，跟蹤速度di／dt高于50A／IX S，而普通互感器響應時間為l0～20ms，不能滿足系統對諧波進行實時檢測并補償的要求。

（5） 工作頻率和測量范嗣寬。工作頻率范圍可達0～lOOkHz， 測量電流可達50kA，測量電壓可達6．4kV。

（6）過載能力強。當原邊電流超負荷時，模塊達到飽和，可自動保護。

（7）可靠性高。采用霍爾電流傳感器作為電網電流的檢測元件能較好地完成對電流的實時檢測。

4 LEM 霍耳傳感器在DFVSCF中的應用

直流母線電壓檢測電路如圖3所示，電壓霍爾輸出信號經過P5和R38分壓，送到A/D進行檢測。P5是精密電位器，用來校正測量電壓。實際使用中該電路的測量誤差小于3％。

三相工頻線電壓檢測電路如圖4所示。V-SAM1，V-SAM2是三相線電壓經過降壓變壓器分壓后得到的工頻交流信號，把該信號進行全波整流，經電容濾波得到一個直流信號，然后送到電壓跟隨器，經P3、R44分壓，最后送到A/D轉換器進行檢測。該電路測量誤差小于2％。

LEM公司LV 25-P型電壓傳感器基于霍爾電磁效應，其中比較典型的是 LV 25-P型傳感器的額定電流為10mA，在額定電流情況下，傳感器的精度最好。LV 28-P的典型接法如圖4所示，其中+HT和-HT接待測電壓，在測量電壓時，原邊電流與被測電壓的比一定要通過一個有用戶選擇的外部電阻R1來確定，并串聯在傳感器的原邊回路上。

三相線電流檢測電路如圖4所示，I-SAM1是電流互感器檢測的三相線電流信號，這個信號通過絕對值電路，把負半周期的電流變成正的，接到同相放大電路，然后經過P4，R24分壓送到A/D轉換器。該電路的測量誤差小于5％。

5 結束語
DFVSCF是當今國內外的一個研究熱點，電壓電流快速準確的檢測是其中的關鍵一環，而傳感器的選擇又是很重要的一個方面。實驗證明，LEM霍耳傳感器在檢測精度、響應速度、可靠性等方面具有的優點是普通傳感器無與倫比的。

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作者簡介：

周謙（1982－）男，中國科學院電工研究所碩士，研究方向為直驅式變速恒頻風力發電技術。

李建林（1976－）男，中國科學院電工研究所青年科學家，博士，助理研究員，研究方向為電力電子技術、變速恒頻風力發電技術。

劉劍（1981－）男，中國科學院電工研究所碩士，研究方向為直驅式變速恒頻風力發電技術。

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