電流傳感器在風(fēng)能渦輪機(jī)中的控制應(yīng)用分析

礦物燃料一直以來(lái)都是發(fā)電的首選能源。但是，隨著對(duì)礦物燃料供應(yīng)的可持續(xù)性以及溫室效應(yīng)氣體生成的關(guān)注，以及有關(guān)減少燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳排放量協(xié)議的出臺(tái)，許多舉措正朝著可再生能源的方向發(fā)展。

通過(guò)使用現(xiàn)代材料來(lái)滿足機(jī)械要求以及使用現(xiàn)代電子元件和電力電子元件來(lái)有效地為主網(wǎng)送電，制造具有高達(dá)5MW額定功率的現(xiàn)代風(fēng)能渦輪機(jī)（WET）（目前尚處于試驗(yàn)階段）才有可能。為了對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行最優(yōu)控制，各種規(guī)格的電流傳感器在風(fēng)能渦輪機(jī)中是每個(gè)轉(zhuǎn)換器必不可缺的元件 。

從人類發(fā)展的早期開始，已經(jīng)將風(fēng)能作為一種能源使用。風(fēng)車將風(fēng)中所含的能量轉(zhuǎn)換為可以用來(lái)磨?；虺樗臋C(jī)械可用能量。

圖1：希臘羅德港內(nèi)的風(fēng)車 – 做成轉(zhuǎn)子旋翼的布已被卷起

圖2：波羅的海德國(guó)呂根（Rügen）島上的風(fēng)能驅(qū)動(dòng)沿海泵站

20世紀(jì)上半頁(yè)，許多現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)的物理和設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)得以發(fā)現(xiàn)。德國(guó)工程師Albert Betz在其于1926年出版的著作中計(jì)算出了理想風(fēng)力渦輪機(jī)的最大理論效率大約為59.3%。20世紀(jì)40年代，Ulrich Hütter研究出了用于具有兩片或三片轉(zhuǎn)子葉片的所有現(xiàn)代自由和高速運(yùn)行風(fēng)能轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)（源于其出色的航空知識(shí)）。

但是直到20世紀(jì)90年代初期當(dāng)政治結(jié)構(gòu)發(fā)生變革時(shí)，許多國(guó)家才提供用于可再生能源的政府援助。這種政府行為推動(dòng)了風(fēng)能渦輪機(jī)（WET）的集約化商業(yè)發(fā)展。越來(lái)越多的風(fēng)力渦輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電廠安裝和建立起來(lái)；現(xiàn)在首批4.55MW風(fēng)力渦輪機(jī)正處于試驗(yàn)階段。德國(guó)以總裝機(jī)容量占全世界39151MW風(fēng)能中的14609MW而名列前茅，領(lǐng)先于美國(guó)、西班牙和丹麥。

風(fēng)力渦輪機(jī)的功率控制

風(fēng)是空氣團(tuán)交換的結(jié)果，主要由太陽(yáng)輻射效應(yīng)形成的局部甚或大面積溫差而引起。諸如森林、高山和建筑等障礙物會(huì)產(chǎn)生影響風(fēng)速持久變化的湍流。風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子將風(fēng)中所含的能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動(dòng)（動(dòng)）能，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電流。

風(fēng)能以及由此可以使用的量與風(fēng)速的立方成正比。在由轉(zhuǎn)子直徑而計(jì)算出的轉(zhuǎn)子面積和從流經(jīng)該面積的風(fēng)而產(chǎn)生的能量之間還存在著一個(gè)簡(jiǎn)單的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)風(fēng)速超出一個(gè)固定限值時(shí)，為了避免機(jī)械和/或電氣過(guò)載，風(fēng)能渦輪機(jī)必須配有功率控制器。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)的額定功率是一個(gè)必須給予關(guān)注的閾值電平。

圖3：加那利群島（Canary Island）西班牙Gran Canaria風(fēng)力發(fā)電廠

還有一個(gè)同樣重要的功率控制原因。為了給電網(wǎng)提供持續(xù)的電能，盡管風(fēng)速每秒都在變化，使發(fā)電機(jī)以最佳狀態(tài)運(yùn)行還是必要的。

渦輪機(jī)使用各種功率控制?？刂瞥潭瓤梢酝ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)子葉片被動(dòng)或主動(dòng)實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)限制可以通過(guò)一種特殊形狀的單轉(zhuǎn)子葉片而實(shí)現(xiàn)。在一定的風(fēng)速下，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的氣流突然消失（所謂的失速），轉(zhuǎn)子也停止轉(zhuǎn)動(dòng)（失速控制）。

現(xiàn)在的大型風(fēng)力渦輪機(jī)通常采用主動(dòng)功率控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片處于其縱向軸內(nèi)（節(jié)距控制）。通過(guò)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)子平面有關(guān)的葉片角度，可能控制的不僅僅是發(fā)電機(jī)功率。在較高風(fēng)速下，轉(zhuǎn)子葉片可以轉(zhuǎn)子快速停止的方式扭轉(zhuǎn)。小功率電氣驅(qū)動(dòng)器通常用于這種用途。在某些逆變器內(nèi)，小型和 PCB安裝電流傳感器應(yīng)用非常廣泛。這些傳感器是轉(zhuǎn)換器閉環(huán)控制的一部分，因此可以快速反應(yīng)。當(dāng)與發(fā)電機(jī)的智能功率控制同時(shí)使用時(shí)，可以確保在風(fēng)能渦輪機(jī)（WET）啟動(dòng)之后在一個(gè)很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)為電網(wǎng)提供持續(xù)功率，直到渦輪機(jī)在上限風(fēng)速時(shí)停機(jī)為止。

偏航控制

轉(zhuǎn)子一直與風(fēng)向垂直很重要。有兩個(gè)原因，一是可以確保風(fēng)流經(jīng)過(guò)最大轉(zhuǎn)子面積，因而從風(fēng)中獲得最多能量；第二個(gè)原因是通過(guò)確保轉(zhuǎn)子葉片在每次旋轉(zhuǎn)中不會(huì)來(lái)回伸縮，從而避免轉(zhuǎn)子葉片的非均勻負(fù)載。

商用大型風(fēng)力渦輪機(jī)通常稱為迎風(fēng)機(jī)，即轉(zhuǎn)子面對(duì)塔前面的風(fēng)，但這是一個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，整流罩和轉(zhuǎn)子必須通過(guò)電動(dòng)機(jī)的作用積極地轉(zhuǎn)到風(fēng)的方向。此外，制動(dòng)器還可用于確保整流罩不會(huì)由于風(fēng)向小的短時(shí)間改變而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。為了對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行最佳定位，各個(gè)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的傳感器對(duì)電流進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。電路控制器的質(zhì)量和反應(yīng)時(shí)間最終由電流傳感器的設(shè)計(jì)和性能而確定。這就是具有小電流額定值的閉環(huán)電流傳感器應(yīng)用在這種場(chǎng)合的原因。

圖4：閉環(huán)電流傳感器電路圖

除了具有極好的線性度以及因此的極好精確度之外，閉環(huán)電流傳感器本身還具有高帶寬以及快速的反應(yīng)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán)電流傳感器的原理在中予以描述。

下一個(gè)問(wèn)題是從風(fēng)中獲得電能并將其送進(jìn)主網(wǎng)。風(fēng)力渦輪機(jī)制造商已經(jīng)開發(fā)了用于該種用途的具有競(jìng)爭(zhēng)力的系統(tǒng)。實(shí)際上，每臺(tái)風(fēng)力渦輪機(jī)都配有一臺(tái)異步發(fā)電機(jī)或一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)。

異步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)耦合

典型“丹麥概念”描述了一種風(fēng)力渦輪機(jī)，這種風(fēng)力渦輪機(jī)包括一個(gè)具有三片轉(zhuǎn)子葉片的失速控制轉(zhuǎn)子、一個(gè)變速箱、一臺(tái)配有鼠籠式轉(zhuǎn)子的極切換異步發(fā)電機(jī)和一個(gè)直接主網(wǎng)耦合器。直接電網(wǎng)耦合器產(chǎn)生一個(gè)在超同步滑動(dòng)區(qū)域具有幾近恒定運(yùn)行速度的“恒速”系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子速度可以通過(guò)滑動(dòng)控制在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，或是通過(guò)切換發(fā)電機(jī)的極性在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。變速箱使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與發(fā)電機(jī)速度相適應(yīng)。設(shè)備需要電網(wǎng)提供動(dòng)力來(lái)逐步產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。為了對(duì)在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)耦合時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電流進(jìn)行限制，在啟動(dòng)過(guò)程中在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間采用軟啟動(dòng)器。這種直接電網(wǎng)耦合方法由于某些技術(shù)缺陷而不再用于大型風(fēng)力渦輪機(jī)（如通過(guò)用于功率調(diào)整的切換動(dòng)作在電網(wǎng)連接處的補(bǔ)償過(guò)程）。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)

現(xiàn)在大多數(shù)的風(fēng)力渦輪機(jī)都使用一種經(jīng)過(guò)修正的“丹麥概念”，在這種概念中，一臺(tái)雙饋異步機(jī)器作為發(fā)電機(jī)。

圖5：雙饋異步發(fā)電機(jī)電路圖

定子的頻率和電壓與主網(wǎng)緊密耦合?；瑒?dòng)環(huán)轉(zhuǎn)子通過(guò)特殊逆變器與電網(wǎng)相耦合，逆變器必須能夠?qū)⒛芰肯驒C(jī)器傳送以及向電網(wǎng)傳送。該逆變器只需要指定滑動(dòng)功率，這個(gè)功率通常僅為發(fā)電機(jī)額定功率的20%。以這種方式設(shè)計(jì)的風(fēng)力渦輪機(jī)是一個(gè)從次同步直到超同步范圍的變速系統(tǒng)。兩臺(tái)完全相同的配有直流鏈的脈沖控制IGBT逆變器用作轉(zhuǎn)換器。不管在哪個(gè)能量輸送方向上，其中一臺(tái)轉(zhuǎn)換器都會(huì)用作整流器而另外一臺(tái)用作逆變器，反之亦然。為了控制電網(wǎng)功率，除了直流鏈電壓之外，還需要進(jìn)行精確而快速的電流檢測(cè)。LEM提供可完全適合該用途的具有中等電流額定值的閉環(huán)電流傳感器。這些傳感器體積小并有多種不同的安裝方式可以選擇。除此之外，LEM電壓傳感器還可用于監(jiān)測(cè)和/或控制直流鏈的電壓。

同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)耦合

以上所描述的兩種概念都使用一個(gè)變速箱來(lái)使相對(duì)慢速的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與發(fā)電機(jī)的速度相適應(yīng)。市場(chǎng)上獲得成功的一個(gè)不同概念使用一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)來(lái)提供一臺(tái)變速風(fēng)能渦輪機(jī)。由于變速箱自身的機(jī)械損失和無(wú)需再進(jìn)行深入的維護(hù)保養(yǎng)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與發(fā)電機(jī)速度的適應(yīng)只有通過(guò)低轉(zhuǎn)子速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，一種具有多個(gè)極點(diǎn)的所謂環(huán)發(fā)電機(jī)設(shè)備得以應(yīng)用。

圖6：同步發(fā)電機(jī)電路圖

同步發(fā)電機(jī)一個(gè)至關(guān)重要的優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)磁場(chǎng)/勵(lì)磁控制器的控制提供感性或容性無(wú)功功率（甚至零）。

主網(wǎng)耦合通過(guò)指定用于輸送總功率的脈沖轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)行。對(duì)于這些應(yīng)用，LEM的動(dòng)態(tài)閉環(huán)電流傳感器可用于整流器和逆變器。對(duì)于粗糙環(huán)境，還可提供封裝型傳感器。

可用于以上應(yīng)用場(chǎng)合的所有LF系列電流傳感器在環(huán)境室溫下都具有良好的共模特性以及0.3%的精度（針對(duì)額定值）。

圖7：LF系列包括從20A到2000A的電流傳感器

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