高志剛 李建林 周謙
　　　　　　　　　(中國科學院電工研究所，北京，100087)
　　摘要：在能源日益緊張的當今社會，如何開發利用新能源成為新的研究熱點。風能作為一種可再生能源，具有蘊藏量的，能量密度高，無污染等優點，本文介紹了幾種常見的風力發電拓撲結構，并詳細闡述了在直接驅動型風力發電系統中，應用LEM公司LV 25-P電壓傳感器實現直接驅動型風力機并網的試驗，試驗結果表明直接驅動型風力發電系統的逆變起輸出電壓與電網電壓同相位，這有賴于試驗中所用到的LEM公司LV 25-P電壓傳感器的良好性能。
　　關鍵詞：風力發電；直驅；電壓傳感器；LEM公司；LV 25-P
　　中圖分類號：  TM930                   文獻標識碼：A 
　　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
　　能源和環境問題是當今世界所面臨的兩大課題。長期以來，人們將煤炭、石油作為主要燃料，這給地球帶來了嚴重的環境污染，近些年來，再加上石化燃料有限儲量不斷減少，開發和利用清潔性可再生能源，改善能源結構，減少溫室氣體排放，保護人類賴以生存的環境，已經成為世界能源可持續發展戰略的重要組成部分。2004年6月2日在波恩召開的世界可再生能源大會明確指出，可再生能源是能源的未來，是唯一的可持續的未來。風能作為一種潔凈無污染的可再生能源，其主要特點有蘊藏量大、可再生、無污染，是目前最具有大規模開發利用前景的能源。風力發電機組一般包括風力機、發電機和中間的傳動連接機構(輪轂、齒輪箱、連軸器)[1]。風力發電場具有占地少、建設周期短、投資靈活、自動控制水平高、運行管理人員少等多項優勢，具有極大的發展潛力，已引起各國的高度重視，并取得了長足的發展。
　　　　　　　 
 
　　　　　　　　　　圖1 當前風力發電機同電網相連的三種主要形式
　圖1中列出了當前風力發電機同電網相連的三種主要的連接形式，分別是(a)直接耦合同步、異步發電機、(b)帶電壓源逆變器背靠背連接的發電機和(c)變速恒頻雙饋感應發電機[2]，如圖1所示。
近些年來，直接驅動型風力發電系統取得了蓬勃的發展，它具有如下優點：(1)采用永磁同步發電機無需勵磁繞組，滑環等設備，提高了發電機的效率；(2)減少了部件數量，整機生產周期減小。(3)傳動部分無需齒輪箱，減少了機械部件，提高了發電機組的可靠性和利用率，降低了噪聲、機械損耗和運行維護成本。(4) 直驅式風力發電系統電機調速范圍大，轉速低，這就可以大大降低對剎車閥的要求。其缺點主要有：(1) 由于功率變換器與發電機組和電網相連，功率變換器造價昂貴，控制復雜。(2) 永磁發電機，級數多，體積大。
　隨著電力電子技術的不斷進步，開關器件的容量越來越大，所以直接驅動型風力發電系統的缺點在逐漸弱化，采用直接驅動型風力發電系統，利遠大于弊。
二、LEM公司電壓傳感器介紹
　　LEM 是全球電量傳感器的知名制造者，其核心產品—電量傳感器，廣泛應用于生產生活的各個領域，對系統和設備的性能與安全起著至關重要的作用。LEM公司的電壓傳感器通常有兩類：一類是基于霍爾效應；另一類是基于C-TYPE結構。
霍爾效應的原理如圖2所示，當電流I流過金屬或半導體薄片，并在薄片的垂直方向上施加磁感應強度為B的磁場是，在垂直于電流和磁場的方向上(即霍爾輸出端之間)將會產生電動勢UH(稱為霍爾電勢或霍爾電壓)，且有 (1)
其中， 為霍爾常數； 為待測電流(A)；B為磁感應強度(T)；d為霍爾元件厚度(m)； 稱為霍爾元件的靈敏度
　由式1可知，霍爾電勢的大小正比于電流I和磁感應強度B，KH是表征在單位磁感應強度和單位電流時輸出霍爾電壓大小的一個重要參數，一般希望它越大越好。霍爾元件的靈敏度與元件材料的性質和幾何參數有關。由于半導體(尤其是N型半導體)的霍爾常數要比金屬大得多，所以實際中常采用N型半導體，此外元件厚度d越小，靈敏度也越高[3]。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 霍爾效應原理圖
　另一類是基于C-TYPE結構。LEM公司的該類電壓傳感器測量范圍目前最高可達2000V，總體精確度可達0.2%。根據選擇不同的測量電壓范圍，產品帶寬從0Hz至最大800kHz。此類傳感器通常內置原邊電阻，而阻值也被調整到能得到最佳性能的狀態。由于C-TYPE的高靈敏度設計，原邊所需的安匝數非常小，導致原邊感應阻抗也非常小，這樣可以提高精度，增加帶寬，縮短響應時間，其典型接法如圖3所示。
　　　　　
　　　　　　　　圖3 C-TYPE類型電壓傳感器典型接線圖
三、直接驅動型風力發電系統并網
　　直接驅動型風力發電系統的拓撲圖如下圖4所示。系統中，風輪與永磁同步發電機直接連接，無需升速齒輪箱。首先將風能轉化為頻率和幅值變化的交流電，經過整流之后變為直流，然后經過三相逆變器變換為三相頻率恒定的交流電連接到電網。通過中間電力電子變換環節，對系統有功功率和無功功率進行控制。

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 直接驅動型風力發電系統
　眾所周知，并網的條件是：兩側電壓頻率相同，相位相同。對于電網來說，電壓頻率穩定為50Hz，但若要獲得電壓相位則必須通過電壓傳感器來進行測量。在試驗中采用LEM公司的LV 25-P型電壓傳感器來獲取電網電壓，并由此得到電網電壓相位。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　圖4 LV 25-P型電壓傳感器外觀
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　圖5 LEM公司LV 25-P型電壓傳感器典型接法圖
　　LEM公司LV 25-P型電壓傳感器基于霍爾電磁效應，外殼采用符合UL94-V0標準的絕緣材料制成，額定電壓為500V，外觀如圖4所示，原邊和副邊之間是絕緣的，可測量直流電壓、交流電壓和脈沖電壓等，廣泛應用于交流變頻調速、伺服電機、直流電機牽引的靜電轉換、不間斷電源、電焊機電源以及電池電源等場合。。同其他同種類型傳感器相比，它具有出色的測量精度，良好的線性度，低溫漂等優點，此外，它還有反應時間短，頻帶寬，共模抑制比強，抗干擾能力強等諸多優點[5]。
　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5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。因此，在圖5中，應盡量精確地測量R1的阻值，以便測量與10mA原邊電流相應的電壓。例如，若則傳感器具有最佳精度。
四、試驗及結果分析
　　
　　　　　　　　　　　　　圖6 直接驅動型發電機并網系統流程框圖
　　試驗系統地流程圖如下圖6所示。圖6中，LEM公司LV 25-P電壓傳感器的作用是得到電網電壓信號，從而DSP、FPGA控制器可以根據此信號驅動逆變電路產生與電網電壓同相位的波形，從而實現并網運行，試驗中使用的調制方法為三電平PWM調制。
由于LV 25-P電壓傳感器得到的電壓信號為交流信號，而DSP的A/D端口只能輸入0－3.3V的電壓信號，所以需要進行電平轉換，電平轉換電路如圖7所示。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖7 電平轉換電路圖
其中，LV 25-P電壓傳感器的R1取500KΩ,RM取100Ω,則由輸入的交流電壓幅值為 ，則原邊電流最大為 ，副邊電流最大為 ，滿足要求。經過電平轉換電路后，原來的交流電被統一偏置一個幅度，從而滿足了DSP中A/D采樣口的要求。
　　　　
 (a)電網A相電壓波形及A相控制脈沖     (b)電網B相電壓波形及控制脈沖
　　　　　　　　　　　　　　圖8 電網電壓波形與三相逆變器控制脈沖波形
　　由圖8可以看出，電網電壓為正弦，逆變器的各相控制脈沖波形的相位與電網電壓波形相位相同，為實現并網創造了條件。事實上，發送逆變器觸發脈沖的控制器－DSP、FPGA控制器正是依據LV 25-P電壓傳感器所采集的電網電壓信息來發送各相觸發脈沖的。LEM公司傳感器LV 25-P在試驗中起到了“觸覺”的作用，為保持逆變器輸出波形與電網電壓波形同相位提供了保障，起到了至關重要的作用。
四、小結
　　本文介紹了直接驅動型風力發電系統的拓撲結構及并網運行試驗，直接驅動型風力發電系統同其他形式風力發電系統相比有諸多獨特的優點，有這廣闊的發展前途。試驗中用到了LEM公司的LV 25-P電壓傳感器，該電壓傳感器采集的電壓是系統進行工作的基準，試驗結果表明，LEM公司LV 25-P型電壓傳感器工作可靠，精確度高，充分滿足了試驗需要，是一款值得信賴的產品。LV 25-P型電壓傳感器應用于可再生能源發電領域，對建設新的環保型社會，緩解和消除能源危機，具有極其重要的意義。 
參考文獻：
[1] 吳智映 風力發電及其應用展望 電器技術 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.傳感器技術及應用.北京航空航天大學出版社,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] 陳堅 電力電子學－電力電子變換和控制技術 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
作者簡介：
李建林(1976—)男，博士，中國科學院電工研究所“青年科學家”，助理研究員，研究方向為有源電力濾波器、變速恒頻風力發電技術，直接驅動型風力發電系統等。
高志剛(1983—)男，中科院電工所碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動、風力發電技術。 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