高志剛 李建林 周謙
　　　　　　　　　(中國科學(xué)院電工研究所，北京，100087)
　　摘要：在能源日益緊張的當(dāng)今社會(huì)，如何開發(fā)利用新能源成為新的研究熱點(diǎn)。風(fēng)能作為一種可再生能源，具有蘊(yùn)藏量的，能量密度高，無污染等優(yōu)點(diǎn)，本文介紹了幾種常見的風(fēng)力發(fā)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并詳細(xì)闡述了在直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，應(yīng)用LEM公司LV 25-P電壓傳感器實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力機(jī)并網(wǎng)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的逆變起輸出電壓與電網(wǎng)電壓同相位，這有賴于試驗(yàn)中所用到的LEM公司LV 25-P電壓傳感器的良好性能。
　　關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；直驅(qū)；電壓傳感器；LEM公司；LV 25-P
　　中圖分類號(hào)：  TM930                   文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(huán)境問題是當(dāng)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(yán)重的環(huán)境污染，近些年來，再加上石化燃料有限儲(chǔ)量不斷減少，開發(fā)和利用清潔性可再生能源，改善能源結(jié)構(gòu)，減少溫室氣體排放，保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境，已經(jīng)成為世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)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(huì)明確指出，可再生能源是能源的未來，是唯一的可持續(xù)的未來。風(fēng)能作為一種潔凈無污染的可再生能源，其主要特點(diǎn)有蘊(yùn)藏量大、可再生、無污染，是目前最具有大規(guī)模開發(fā)利用前景的能源。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般包括風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)和中間的傳動(dòng)連接機(jī)構(gòu)(輪轂、齒輪箱、連軸器)[1]。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)具有占地少、建設(shè)周期短、投資靈活、自動(dòng)控制水平高、運(yùn)行管理人員少等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，具有極大的發(fā)展?jié)摿Γ�已引起各國的高度重視，并取得了長足的發(fā)展。
　　　　　　　 
 
　　　　　　　　　　圖1 當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)同電網(wǎng)相連的三種主要形式
　圖1中列出了當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)同電網(wǎng)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(fā)電機(jī)、(b)帶電壓源逆變器背靠背連接的發(fā)電機(jī)和(c)變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)[2]，如圖1所示。
近些年來，直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)取得了蓬勃的發(fā)展，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)采用永磁同步發(fā)電機(jī)無需勵(lì)磁繞組，滑環(huán)等設(shè)備，提高了發(fā)電機(jī)的效率；(2)減少了部件數(shù)量，整機(jī)生產(chǎn)周期減小。(3)傳動(dòng)部分無需齒輪箱，減少了機(jī)械部件，提高了發(fā)電機(jī)組的可靠性和利用率，降低了噪聲、機(jī)械損耗和運(yùn)行維護(hù)成本。(4) 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電機(jī)調(diào)速范圍大，轉(zhuǎn)速低，這就可以大大降低對(duì)剎車閥的要求。其缺點(diǎn)主要有：(1) 由于功率變換器與發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)相連，功率變換器造價(jià)昂貴，控制復(fù)雜。(2) 永磁發(fā)電機(jī)，級(jí)數(shù)多，體積大。
　隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，開關(guān)器件的容量越來越大，所以直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)在逐漸弱化，采用直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，利遠(yuǎn)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(chǎn)品—電量傳感器，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的性能與安全起著至關(guān)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(yīng)；另一類是基于C-TYPE結(jié)構(gòu)。
霍爾效應(yīng)的原理如圖2所示，當(dāng)電流I流過金屬或半導(dǎo)體薄片，并在薄片的垂直方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)是，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上(即霍爾輸出端之間)將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH(稱為霍爾電勢(shì)或霍爾電壓)，且有 (1)
其中， 為霍爾常數(shù)； 為待測(cè)電流(A)；B為磁感應(yīng)強(qiáng)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(shì)的大小正比于電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，KH是表征在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位電流時(shí)輸出霍爾電壓大小的一個(gè)重要參數(shù)，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(zhì)和幾何參數(shù)有關(guān)。由于半導(dǎo)體(尤其是N型半導(dǎo)體)的霍爾常數(shù)要比金屬大得多，所以實(shí)際中常采用N型半導(dǎo)體，此外元件厚度d越小，靈敏度也越高[3]。
　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 霍爾效應(yīng)原理圖
　另一類是基于C-TYPE結(jié)構(gòu)。LEM公司的該類電壓傳感器測(cè)量范圍目前最高可達(dá)2000V，總體精確度可達(dá)0.2%。根據(jù)選擇不同的測(cè)量電壓范圍，產(chǎn)品帶寬從0Hz至最大800kHz。此類傳感器通常內(nèi)置原邊電阻，而阻值也被調(diào)整到能得到最佳性能的狀態(tài)。由于C-TYPE的高靈敏度設(shè)計(jì)，原邊所需的安匝數(shù)非常小，導(dǎo)致原邊感應(yīng)阻抗也非常小，這樣可以提高精度，增加帶寬，縮短響應(yīng)時(shí)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(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)
　　直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如下圖4所示。系統(tǒng)中，風(fēng)輪與永磁同步發(fā)電機(jī)直接連接，無需升速齒輪箱。首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率和幅值變化的交流電，經(jīng)過整流之后變?yōu)橹绷鳎�然后�?jīng)過三相逆變器變換為三相頻率恒定的交流電連接到電網(wǎng)。通過中間電力電子變換環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)有功功率和無功功率進(jìn)行控制。

　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
　眾所周知，并網(wǎng)的條件是：兩側(cè)電壓頻率相同，相位相同。對(duì)于電網(wǎng)來說，電壓頻率穩(wěn)定為50Hz，但若要獲得電壓相位則必須通過電壓傳感器來進(jìn)行測(cè)量。在試驗(yàn)中采用LEM公司的LV 25-P型電壓傳感器來獲取電網(wǎng)電壓，并由此得到電網(wǎng)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(yīng)，外殼采用符合UL94-V0標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量直流電壓、交流電壓和脈沖電壓等，廣泛應(yīng)用于交流變頻調(diào)速、伺服電機(jī)、直流電機(jī)牽引的靜電轉(zhuǎn)換、不間斷電源、電焊機(jī)電源以及電池電源等場(chǎng)合。。同其他同種類型傳感器相比，它具有出色的測(cè)量精度，良好的線性度，低溫漂等優(yōu)點(diǎn)，此外，它還有反應(yīng)時(shí)間短，頻帶寬，共模抑制比強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[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(cè)電壓，在測(cè)量電壓時(shí)，原邊電流與被測(cè)電壓的比一定要通過一個(gè)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。因此，在圖5中，應(yīng)盡量精確地測(cè)量R1的阻值，以便測(cè)量與10mA原邊電流相應(yīng)的電壓。例如，若則傳感器具有最佳精度。
四、試驗(yàn)及結(jié)果分析
　　
　　　　　　　　　　　　　圖6 直接驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)流程框圖
　　試驗(yàn)系統(tǒng)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(wǎng)電壓信號(hào)，從而DSP、FPGA控制器可以根據(jù)此信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變電路產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同相位的波形，從而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，試驗(yàn)中使用的調(diào)制方法為三電平PWM調(diào)制。
由于LV 25-P電壓傳感器得到的電壓信號(hào)為交流信號(hào)，而DSP的A/D端口只能輸入0－3.3V的電壓信號(hào)，所以需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　圖7 電平轉(zhuǎn)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(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路后，原來的交流電被統(tǒng)一偏置一個(gè)幅度，從而滿足了DSP中A/D采樣口的要求。
　　　　
 (a)電網(wǎng)A相電壓波形及A相控制脈沖     (b)電網(wǎng)B相電壓波形及控制脈沖
　　　　　　　　　　　　　　圖8 電網(wǎng)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(wǎng)電壓為正弦，逆變器的各相控制脈沖波形的相位與電網(wǎng)電壓波形相位相同，為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)創(chuàng)造了條件。事實(shí)上，發(fā)送逆變器觸發(fā)脈沖的控制器－DSP、FPGA控制器正是依據(jù)LV 25-P電壓傳感器所采集的電網(wǎng)電壓信息來發(fā)送各相觸發(fā)脈沖的。LEM公司傳感器LV 25-P在試驗(yàn)中起到了“觸覺”的作用，為保持逆變器輸出波形與電網(wǎng)電壓波形同相位提供了保障，起到了至關(guān)重要的作用。
四、小結(jié)
　　本文介紹了直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)，直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)同其他形式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比有諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，有這廣闊的發(fā)展前途。試驗(yàn)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(tǒng)進(jìn)行工作的基準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)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(yàn)需要，是一款值得信賴的產(chǎn)品。LV 25-P型電壓傳感器應(yīng)用于可再生能源發(fā)電領(lǐng)域，對(duì)建設(shè)新的環(huán)保型社會(huì)，緩解和消除能源危機(jī)，具有極其重要的意義。 
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TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 41, NO. 1
作者簡(jiǎn)介：
李建林(1976—)男，博士，中國科學(xué)院電工研究所“青年科學(xué)家”，助理研究員，研究方向?yàn)橛性措娏�濾波器、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等。
高志剛(1983—)男，中科院電工所碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。 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)