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LEM电压传感器在直接驱动型风力发电系统中的应用
发布时间:    文章来源:    浏览次数:1328
高志刚 李建林 周谦
         (中国科学院电工研究所,北京,100087)
  摘要:在能源日益紧张的当今社会,如何开发利用新能源成为新的研究热点。风能作为一种可再生能源,具有蕴藏量的,能量密度高,无污染等优点,本文介绍了几种常见的风力发电拓扑结构,并详细阐述了在直接驱动型风力发电系统中,应用LEM公司LV 25-P电压传感器实现直接驱动型风力机并网的试验,试验结果表明直接驱动型风力发电系统的逆变起输出电压与电网电压同相位,这有赖于试验中所用到的LEM公司LV 25-P电压传感器的良好性能。
  关键词:风力发电;直驱;电压传感器;LEM公司;LV 25-P
  中图分类号:  TM930                   文献标识码:
  LEM Sensors Applied to Direct Driven Wind Energy Conversion System
          Gao Zhigang  Li Jianlin   ZhouQian
(Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences,Beijing,100080)
  ABSTRACT: How to find and make good use of the renewable sources has become
a hot topic of the society. Wind Energy is a renewable source, which is ample ,of high energy density, and won’t pollute the environment. Thispaper gives a presentation on the familiar topologies 
and elaborates on how to apply LV 25-P Voltage Sensors to the Direct-Driven 
Wind Energy Conversion System. The result shows that the grid voltage and the 
voltage at the end of the converter are of the same phase, because of the excellent 
performance of LV 25-P of LEM.
   KEYWORDS: Wind Energy Conversion; Direct-Dirven; Voltage Sensor; LEM Group; LA 25-P
1. 引言
  能源和环境问题是当今世界所面临的两大课题。长期以来,人们将煤炭、石油作为主要燃料,这给地球带来了严重的环境污染,近些年来,再加上石化燃料有限储量不断减少,开发和利用清洁性可再生能源,改善能源结构,减少温室气体排放,保护人类赖以生存的环境,已经成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分。2004年6月2日在波恩召开的世界可再生能源大会明确指出,可再生能源是能源的未来,是唯一的可持续的未来。风能作为一种洁净无污染的可再生能源,其主要特点有蕴藏量大、可再生、无污染,是目前最具有大规模开发利用前景的能源。风力发电机组一般包括风力机、发电机和中间的传动连接机构(轮毂、齿轮箱、连轴器)[1]。风力发电场具有占地少、建设周期短、投资灵活、自动控制水平高、运行管理人员少等多项优势,具有极大的发展潜力,已引起各国的高度重视,并取得了长足的发展。
        
 
          图1 当前风力发电机同电网相连的三种主要形式
 图1中列出了当前风力发电机同电网相连的三种主要的连接形式,分别是(a)直接耦合同步、异步发电机、(b)带电压源逆变器背靠背连接的发电机和(c)变速恒频双馈感应发电机[2],如图1所示。
近些年来,直接驱动型风力发电系统取得了蓬勃的发展,它具有如下优点:(1)采用永磁同步发电机无需励磁绕组,滑环等设备,提高了发电机的效率;(2)减少了部件数量,整机生产周期减小。(3)传动部分无需齿轮箱,减少了机械部件,提高了发电机组的可靠性和利用率,降低了噪声、机械损耗和运行维护成本。(4) 直驱式风力发电系统电机调速范围大,转速低,这就可以大大降低对刹车阀的要求。其缺点主要有:(1) 由于功率变换器与发电机组和电网相连,功率变换器造价昂贵,控制复杂。(2) 永磁发电机,级数多,体积大。
 随着电力电子技术的不断进步,开关器件的容量越来越大,所以直接驱动型风力发电系统的缺点在逐渐弱化,采用直接驱动型风力发电系统,利远大于弊。
二、LEM公司电压传感器介绍
  LEM 是全球电量传感器的知名制造者,其核心产品—电量传感器,广泛应用于生产生活的各个领域,对系统和设备的性能与安全起着至关重要的作用。LEM公司的电压传感器通常有两类:一类是基于霍尔效应;另一类是基于C-TYPE结构。
霍尔效应的原理如图2所示,当电流I流过金属或半导体薄片,并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场是,在垂直于电流和磁场的方向上(即霍尔输出端之间)将会产生电动势UH(称为霍尔电势或霍尔电压),且有 (1)
其中, 为霍尔常数; 为待测电流(A);B为磁感应强度(T);d为霍尔元件厚度(m); 称为霍尔元件的灵敏度
 由式1可知,霍尔电势的大小正比于电流I和磁感应强度B,KH是表征在单位磁感应强度和单位电流时输出霍尔电压大小的一个重要参数,一般希望它越大越好。霍尔元件的灵敏度与元件材料的性质和几何参数有关。由于半导体(尤其是N型半导体)的霍尔常数要比金属大得多,所以实际中常采用N型半导体,此外元件厚度d越小,灵敏度也越高[3]。
       
                图2 霍尔效应原理图
 另一类是基于C-TYPE结构。LEM公司的该类电压传感器测量范围目前最高可达2000V,总体精确度可达0.2%。根据选择不同的测量电压范围,产品带宽从0Hz至最大800kHz。此类传感器通常内置原边电阻,而阻值也被调整到能得到最佳性能的状态。由于C-TYPE的高灵敏度设计,原边所需的安匝数非常小,导致原边感应阻抗也非常小,这样可以提高精度,增加带宽,缩短响应时间,其典型接法如图3所示。
     
        图3 C-TYPE类型电压传感器典型接线图
三、直接驱动型风力发电系统并网
  直接驱动型风力发电系统的拓扑图如下图4所示。系统中,风轮与永磁同步发电机直接连接,无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电,经过整流之后变为直流,然后经过三相逆变器变换为三相频率恒定的交流电连接到电网。通过中间电力电子变换环节,对系统有功功率和无功功率进行控制。

                 图4 直接驱动型风力发电系统
 众所周知,并网的条件是:两侧电压频率相同,相位相同。对于电网来说,电压频率稳定为50Hz,但若要获得电压相位则必须通过电压传感器来进行测量。在试验中采用LEM公司的LV 25-P型电压传感器来获取电网电压,并由此得到电网电压相位。
            
              图4 LV 25-P型电压传感器外观
        
            图5 LEM公司LV 25-P型电压传感器典型接法图
  LEM公司LV 25-P型电压传感器基于霍尔电磁效应,外壳采用符合UL94-V0标准的绝缘材料制成,额定电压为500V,外观如图4所示,原边和副边之间是绝缘的,可测量直流电压、交流电压和脉冲电压等,广泛应用于交流变频调速、伺服电机、直流电机牵引的静电转换、不间断电源、电焊机电源以及电池电源等场合。。同其他同种类型传感器相比,它具有出色的测量精度,良好的线性度,低温漂等优点,此外,它还有反应时间短,频带宽,共模抑制比强,抗干扰能力强等诸多优点[5]。
 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5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。因此,在图5中,应尽量精确地测量R1的阻值,以便测量与10mA原边电流相应的电压。例如,若传感器具有最佳精度。
四、试验及结果分析
  
             图6 直接驱动型发电机并网系统流程框图
  试验系统地流程图如下图6所示。图6中,LEM公司LV 25-P电压传感器的作用是得到电网电压信号,从而DSP、FPGA控制器可以根据此信号驱动逆变电路产生与电网电压同相位的波形,从而实现并网运行,试验中使用的调制方法为三电平PWM调制。
由于LV 25-P电压传感器得到的电压信号为交流信号,而DSP的A/D端口只能输入0-3.3V的电压信号,所以需要进行电平转换,电平转换电路如图7所示。
  
                图7 电平转换电路图
其中,LV 25-P电压传感器的R1取500KΩ,RM取100Ω,则由输入的交流电压幅值为 ,则原边电流最大为 ,副边电流最大为 ,满足要求。经过电平转换电路后,原来的交流电被统一偏置一个幅度,从而满足了DSP中A/D采样口的要求。
    
 (a)电网A相电压波形及A相控制脉冲     (b)电网B相电压波形及控制脉冲
              图8 电网电压波形与三相逆变器控制脉冲波形
  由图8可以看出,电网电压为正弦,逆变器的各相控制脉冲波形的相位与电网电压波形相位相同,为实现并网创造了条件。事实上,发送逆变器触发脉冲的控制器-DSP、FPGA控制器正是依据LV 25-P电压传感器所采集的电网电压信息来发送各相触发脉冲的。LEM公司传感器LV 25-P在试验中起到了“触觉”的作用,为保持逆变器输出波形与电网电压波形同相位提供了保障,起到了至关重要的作用。
四、小结
  本文介绍了直接驱动型风力发电系统的拓扑结构及并网运行试验,直接驱动型风力发电系统同其他形式风力发电系统相比有诸多独特的优点,有这广阔的发展前途。试验中用到了LEM公司的LV 25-P电压传感器,该电压传感器采集的电压是系统进行工作的基准,试验结果表明,LEM公司LV 25-P型电压传感器工作可靠,精确度高,充分满足了试验需要,是一款值得信赖的产品。LV 25-P型电压传感器应用于可再生能源发电领域,对建设新的环保型社会,缓解和消除能源危机,具有极其重要的意义。 
参考文献:
[1] 吴智映 风力发电及其应用展望 电器技术 2005第4 期1-2
[2] Enslin, J.H.R., J. Knijp, C.P.J. Jansen, and P. Bauer,“Integrated approach to network stability and wind energy technology for on-shore and off-shore applications”, Power Quality Proceedings, pp. 185-192,May 2003
[3] 樊尚春.传感器技术及应用.北京航空航天大学出版社,2004.
[4] Tomonobu Senj yul, Satoshi Tamaki’, Naomitsu Urasakil, K,atsumi Uezato’
Toshihisa Funabashi, and Hideki Fujita Wind Velocity and Position Sensorless 
Operation for PMSG Wind Generator IEEE Power Electronics and Drive Systems,
2003 [5] http://www.lem.com.cn 
[6] Kelvin Tan and Syed Islam Optimum Control Strategies in Energy Conversion 
of PMSG Wind Turbine System Without Mechanical Sensors IEEE TRANSACTIONS ON
ENERGY CONVERSION, VOL. 19, NO. 2, JUNE 2004
[10] Charles Kingsley,Jr. Electric Machinery Sixth Edition 2003
[11] 陈坚 电力电子学-电力电子变换和控制技术 2001 147-149
[12] Z Chen, E Spooner WIND TURBINE POWER CONVERTERS: 
A COMPARATIVE STUDY Power Electronics and Variable SDeed Drives, 21-23 September 1998
[14] Shigeo Morimoto,Hideaki Nakayama, Masayuki Sanada, and Yoji Takeda IEEE 
TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 41, NO. 1
作者简介:
李建林(1976—)男,博士,中国科学院电工研究所“青年科学家”,助理研究员,研究方向为有源电力滤波器、变速恒频风力发电技术,直接驱动型风力发电系统等。
高志刚(1983—)男,中科院电工所硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动、风力发电技术。 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
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