周謙 李建林 劉劍 梁亮

（中國科學(xué)院電工研究所）

摘要：近來可再生能源的開發(fā)利用越發(fā)受到重視,而風(fēng)力發(fā)電是其中最廉價(jià)、最有希望的綠色能源。在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中,雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為其主要發(fā)展方向之一。雙饋系統(tǒng)中最重要的部件為轉(zhuǎn)子側(cè)背靠背變流器，為了實(shí)現(xiàn)變流器雙向能量流動，必須檢測系統(tǒng)的電流與電壓等實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，本文介紹了萊姆傳感器在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)踐證明，系統(tǒng)效果很好。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 變速恒頻 雙饋 背靠背變流器萊姆

LEM Sensors Used In Double-Fed Variable Speed Constant Frequency System

Zhouqian LijianlinLiujian Liangliang

（Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Science）

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

中圖分類號：TM310     文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

  近年來出現(xiàn)的變速恒頻（VSCF）技術(shù)，引起了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的革命，是風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方向^【1－2】。VSCF技術(shù)克服了恒速恒頻（CSCF）固有缺陷，具有許多不可替代的優(yōu)勢。VSCF風(fēng)力發(fā)電有很多類型：如發(fā)電機(jī)定子交－直－交全功率變換方式、永磁發(fā)電機(jī)直接驅(qū)動方式和雙饋式變速恒頻方式等。

作為目前風(fēng)力發(fā)電最佳方案和發(fā)展方向，DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為國內(nèi)外專家學(xué)者的研究熱點(diǎn)。DFVSCF風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速，目前在歐美等風(fēng)電強(qiáng)國得到了廣泛應(yīng)用�？梢灶A(yù)見，以DFVSCF風(fēng)力發(fā)電為代表的VSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)將逐漸取代陳舊的普通風(fēng)電機(jī)組，成為主要的風(fēng)力發(fā)電方式。目前DFVSCF風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究取得了豐碩的成果，包括勵磁變換器的拓?fù)渑c控制、發(fā)電機(jī)控制策略研究、最大風(fēng)能追蹤控制、發(fā)電機(jī)穩(wěn)定性研究等。DFVSCF風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行理論和控制方法的不斷成熟，大大降低了成本，提高了運(yùn)行可靠性，為DFVSCF風(fēng)力發(fā)電的推廣奠定了基礎(chǔ)。

本文分析研究了LEM霍耳傳感器在VSCF系統(tǒng)中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)證明，這種傳感器與普通傳感器相比，具有檢測精度高、響應(yīng)速度快、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 DFVSCF基本原理

雙饋式變速恒頻（DFVSCF）風(fēng)力發(fā)電模式（如圖1所示），該方案采用具有定、轉(zhuǎn)子兩套繞組的雙饋型異步發(fā)電機(jī)（DFIG），定子接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過電力電子變換器與電網(wǎng)相連。其特點(diǎn)主要包括：（1）可實(shí)現(xiàn)VSCF運(yùn)行；（2）變換器容量僅為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差功率，變換器設(shè)計(jì)相對容易；（3）實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出有功、無功功率解耦控制，從而可實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲和功率因數(shù)控制和以及對電網(wǎng)電壓的控制能力（此特性是多數(shù)分布式發(fā)電機(jī)所欠缺的）；（4）DFIG與電網(wǎng)為柔性連接方式，易于并網(wǎng)。
         

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

DFVSCF正常工作并網(wǎng)發(fā)電時(shí)的控制框圖如圖2所示，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功、無功解耦控制，需要檢測的參數(shù)包括，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，電網(wǎng)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(shí)現(xiàn)。
     

圖2 轉(zhuǎn)子逆變器控制結(jié)構(gòu)圖

3 LEM 霍耳傳感器的特點(diǎn)

系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器(LEM 模塊)一LA25-NP對電流進(jìn)行檢測�；魻柶骷�根據(jù)磁補(bǔ)償原理制作而成，它可傳感從直流到數(shù)百千赫茲的信號。與普通傳感器比較，其優(yōu)點(diǎn)為：

(1)LEM模塊可以測量任意波形的電流和電壓及瞬態(tài)峰值。副邊電流忠實(shí)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(dá)20～50kV。

(3)精度高。在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1％，線性度優(yōu)于0．1％。

(4)動態(tài)性能好。響應(yīng)時(shí)間小于l S，跟蹤速度di／dt高于50A／IX S，而普通互感器響應(yīng)時(shí)間為l0～20ms，不能滿足系統(tǒng)對諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并補(bǔ)

償?shù)囊�求�?SPAN lang=EN-US>

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

(6)過載能力強(qiáng)。當(dāng)原邊電流超負(fù)荷時(shí)，模塊達(dá)到飽和，可自動保護(hù)。

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

4 LEM 霍耳傳感器在DFVSCF中的應(yīng)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(jīng)過P5和R38分壓，送到A/D進(jìn)行檢測。P5是精密電位器，用來校正測量電壓。實(shí)際使用中該電路的測量誤差小于3％。

圖3直流母線電壓檢測電路

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(jīng)過降壓變壓器分壓后得到的工頻交流信號，把該信號進(jìn)行全波整流，經(jīng)電容濾波得到一個直流信號，然后送到電壓跟隨器，經(jīng)P3、R44分壓，最后送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行檢測。該電路測量誤差小于2％。
       

圖4 三相電壓檢測電路

LEM公司LV 25-P型電壓傳感器基于霍爾電磁效應(yīng)，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(shí)，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(lián)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(fù)半周期的電流變成正的，接到同相放大電路，然后經(jīng)過P4，R24分壓送到A/D轉(zhuǎn)換器。該電路的測量誤差小于5％。

圖5三相線電流檢測電路

5 結(jié)束語

DFVSCF是當(dāng)今國內(nèi)外的一個研究熱點(diǎn)，電壓電流快速準(zhǔn)確的檢測是其中的關(guān)鍵一環(huán)，而傳感器的選擇又是很重要的一個方面。實(shí)驗(yàn)證明，LEM霍耳傳感器在檢測精度、響應(yīng)速度、可靠性等方面具有的優(yōu)點(diǎn)是普通傳感器無與倫比的。

參考文獻(xiàn)：

[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] 劉其輝, 賀益康, 卞松江.“變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制”，中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，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.

作者簡介：

周謙（1982－）男，中國科學(xué)院電工研究所碩士，研究方向?yàn)橹彬?qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

李建林（1976－）男，中國科學(xué)院電工研究所青年科學(xué)家，博士，助理研究員，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

劉劍（1981－）男，中國科學(xué)院電工研究所碩士，研究方向?yàn)橹彬?qū)式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

聯(lián)系方式：

郵編：100080

地址：北京海淀區(qū)中關(guān)村北二條六號中科院電工所新能源研究所

電話：010-62629753    email：qianzhou@mail.iee.ac.cn