莱姆传感器在变速恒频双馈式风力发电系统中的应用———LEMSenso

摘要：近来可再生能源的开发利用越发受到重视,而风力发电是其中最廉价、最有希望的绿色能源。在风力发电技术中,双馈变速恒频风力发电技术已经成为其主要发展方向之一。双馈系统中最重要的部件为转子侧背靠背变流器，为了实现变流器双向能量流动，必须检测系统的电流与电压等实现闭环控制，本文介绍了莱姆传感器在双馈风力发电系统中的应用。实践证明，系统效果很好。
  关键词：风力发电 变速恒频 双馈 背靠背变流器 莱姆
  
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
     近年来出现的变速恒频（VSCF）技术，引起了风力发电技术的革命，是风力发电的发展方向【1－2】。VSCF技术克服了恒速恒频（CSCF）固有缺陷，具有许多不可替代的优势。VSCF风力发电有很多类型：如发电机定子交－直－交全功率变换方式、永磁发电机直接驱动方式和双馈式变速恒频方式等。
       作为目前风力发电最佳方案和发展方向，DFVSCF风力发电机成为国内外专家学者的研究热点。DFVSCF风力发电技术发展迅速，目前在欧美等风电强国得到了广泛应用。可以预见，以DFVSCF风力发电为代表的VSCF风力发电机将逐渐取代陈旧的普通风电机组，成为主要的风力发电方式。目前DFVSCF风力发电技术的研究取得了丰硕的成果，包括励磁变换器的拓扑与控制、发电机控制策略研究、最大风能追踪控制、发电机稳定性研究等。DFVSCF风力发电机的运行理论和控制方法的不断成熟，大大降低了成本，提高了运行可靠性，为DFVSCF风力发电的推广奠定了基础。
        本文分析研究了LEM霍耳传感器在VSCF系统中的应用。实验证明，这种传感器与普通传感器相比，具有检测精度高、响应速度快、可靠性好等优点。
  2 DFVSCF基本原理
      双馈式变速恒频（DFVSCF）风力发电模式（如图1所示），该方案采用具有定、转子两套绕组的双馈型异步发电机（DFIG），定子接入电网，转子通过电力电子变换器与电网相连。其特点主要包括：（1）可实现VSCF运行；（2）变换器容量仅为发电机转差功率，变换器设计相对容易；（3）实现发电机输出有功、无功功率解耦控制，从而可实现最大风能捕获和功率因数控制和以及对电网电压的控制能力（此特性是多数分布式发电机所欠缺的）；（4）DFIG与电网为柔性连接方式，易于并网。
         
   
  图1 双馈风力发电系统结构图
        DFVSCF正常工作并网发电时的控制框图如图2所示，为了实现系统有功、无功解耦控制，需要检测的参数包括，发电机转速，电网三相电压与三相电流。其中，电压与电流的检测由LEM传感器实现。     
   
  图2 转子逆变器控制结构图
  3 LEM 霍耳传感器的特点
      系统采用霍尔电流传感器（LEM 模块）一LA25-NP对电流进行检测。霍尔器件根据磁补偿原理制作而成，它可传感从直流到数百千赫兹的信号。与普通传感器比较，其优点为：
  （1）LEM模块可以测量任意波形的电流和电压及瞬态峰值。副边电流忠实地反映原边电流的波形。
  （2）原边电路与副边电路之间完全绝缘，绝缘电压一般为2～12kV，特殊要求可达20～50kV。
  （3）精度高。在工作温度区内精度优于1％，线性度优于0．1％。
  （4）动态性能好。响应时间小于l S，跟踪速度di／dt高于50A／IX S，而普通互感器响应时间为l0～20ms，不能满足系统对谐波进行实时检测并补偿的要求。
  （5） 工作频率和测量范嗣宽。工作频率范围可达0～lOOkHz， 测量电流可达50kA，测量电压可达6．4kV。
  （6）过载能力强。当原边电流超负荷时，模块达到饱和，可自动保护。
  （7）可靠性高。采用霍尔电流传感器作为电网电流的检测元件能较好地完成对电流的实时检测。
  4 LEM 霍耳传感器在DFVSCF中的应用
        直流母线电压检测电路如图3所示，电压霍尔输出信号经过P5和R38分压，送到A/D进行检测。P5是精密电位器，用来校正测量电压。实际使用中该电路的测量误差小于3％。
   
  图3直流母线电压检测电路
        三相工频线电压检测电路如图4所示。V-SAM1，V-SAM2是三相线电压经过降压变压器分压后得到的工频交流信号，把该信号进行全波整流，经电容滤波得到一个直流信号，然后送到电压跟随器，经P3、R44分压，最后送到A/D转换器进行检测。该电路测量误差小于2％。        
   
  图4 三相电压检测电路
        LEM公司LV 25-P型电压传感器基于霍尔电磁效应，其中比较典型的是 LV 25-P型传感器的额定电流为10mA，在额定电流情况下，传感器的精度最好。LV 28-P的典型接法如图4所示，其中+HT和-HT接待测电压，在测量电压时，原边电流与被测电压的比一定要通过一个有用户选择的外部电阻R1来确定，并串联在传感器的原边回路上。
        三相线电流检测电路如图4所示，I-SAM1是电流互感器检测的三相线电流信号，这个信号通过绝对值电路，把负半周期的电流变成正的，接到同相放大电路，然后经过P4，R24分压送到A/D转换器。该电路的测量误差小于5％。
   
  图5三相线电流检测电路
  5 结束语
      DFVSCF是当今国内外的一个研究热点，电压电流快速准确的检测是其中的关键一环，而传感器的选择又是很重要的一个方面。实验证明，LEM霍耳传感器在检测精度、响应速度、可靠性等方面具有的优点是普通传感器无与伦比的。
  参考文献：
  [1]  Xing Zuoxial, Zheng Qionglin, Yao Xingjia, Jing Yanjun. “Integration of Large Doubly-fed Wind Power Generator System into Grid”, Proc. of the 8th International Conference on Electrical Machines and Systems,2005,2（27-29）:1000 – 1004.
  [2] 刘其辉, 贺益康, 卞松江.“变速恒频风力发电机空载并网控制”，中国电机工程学报，2004,24（3）:6-11.
  [3]  Petersson, A., Thiringer, T., Harnefors, L., Petru, T.. “Modeling and Experimental Verification of Grid Interaction of a DFIG Wind Turbine”,IEEE Trans. on Energy Conversion , 2005,20（4）:878 – 886.
  [4] Datta, R., Ranganathan, V.T.. “A simple position-sensorless algorithm for rotor-side field-oriented control of wound-rotor induction machine”, IEEE Trans. on Industrial Electronics,2001,48（4）:786-793.
  作者简介：
  周谦（1982－）男，中国科学院电工研究所硕士，研究方向为直驱式变速恒频风力发电技术。
  李建林（1976－）男，中国科学院电工研究所青年科学家，博士，助理研究员，研究方向为电力电子技术、变速恒频风力发电技术。
  刘剑（1981－）男，中国科学院电工研究所硕士，研究方向为直驱式变速恒频风力发电技术。
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