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用于控制现代风力涡轮机的电流传感器

矿物燃料一直以来都是发电的首选能源。但是，随着对矿物燃料供应的可持续性以及温室效应气体生成的关注，以及有关减少燃烧所产生的二氧化碳排放量协议的出台，许多举措正朝着可再生能源的方向发展。

通过使用现代材料来满足机械要求以及使用现代电子元件和电力电子元件来有效地为主网送电，制造具有高达5MW额定功率的现代风能涡轮机（WET）（目前尚处于试验阶段）才有可能。为了对转换器进行最优控制，各种规格的电流传感器在风能涡轮机中是每个转换器必不可缺的元件 。

从人类发展的早期开始，已经将风能作为一种能源使用。风车将风中所含的能量转换为可以用来磨粒或抽水的机械可用能量。

（图1）

（图2）

20世纪上半页，许多现代风力涡轮机的物理和设计理论基础得以发现。德国工程师Albert Betz在其于1926年出版的著作中计算出了理想风力涡轮机的最大理论效率大约为59.3%。20世纪40年代，Ulrich Hütter研究出了用于具有两片或三片转子叶片的所有现代自由和高速运行风能转换器的设计理论基础（源于其出色的航空知识）[1]。

但是直到20世纪90年代初期当政治结构发生变革时，许多国家才提供用于可再生能源的政府援助。这种政府行为推动了风能涡轮机（WET）的集约化商业发展。越来越多的风力涡轮机和风力发电厂安装和建立起来；现在首批4.55MW风力涡轮机正处于试验阶段。德国以总装机容量占全世界39151MW风能中的14609MW而名列前茅，领先于美国、西班牙和丹麦[2]。

风力涡轮机的功率控制
风是空气团交换的结果，主要由太阳辐射效应形成的局部甚或大面积温差而引起。诸如森林、高山和建筑等障碍物会产生影响风速持久变化的湍流。风力涡轮机的转子将风中所含的能量转换为转动（动）能，从而驱动发电机产生电流。

风能以及由此可以使用的量与风速的立方成正比。在由转子直径而计算出的转子面积和从流经该面积的风而产生的能量之间还存在着一个简单的相关关系。当风速超出一个固定限值时，为了避免机械和/或电气过载，风能涡轮机必须配有功率控制器。一般来说，发电机的额定功率是一个必须给予关注的阈值电平。
（图3）
还有一个同样重要的功率控制原因。为了给电网提供持续的电能，尽管风速每秒都在变化，使发电机以最佳状态运行还是必要的。

涡轮机使用各种功率控制。控制程度可以通过转子叶片被动或主动实现。被动限制可以通过一种特殊形状的单转子叶片而实现。在一定的风速下，使转子转动的气流突然消失（所谓的失速），转子也停止转动（失速控制）。

现在的大型风力涡轮机通常采用主动功率控制系统来调节转子叶片处于其纵向轴内（节距控制）。通过调节与转子平面有关的叶片角度，可能控制的不仅仅是发电机功率。在较高风速下，转子叶片可以转子快速停止的方式扭转。小功率电气驱动器通常用于这种用途。在某些逆变器内，小型和PCB安装电流传感器应用非常广泛。这些传感器是转换器闭环控制的一部分，因此可以快速反应。当与发电机的智能功率控制同时使用时，可以确保在风能涡轮机（WET）启动之后在一个很宽的风速范围内为电网提供持续功率，直到涡轮机在上限风速时停机为止。

偏航控制
转子一直与风向垂直很重要。有两个原因，一是可以确保风流经过最大转子面积，因而从风中获得最多能量；第二个原因是通过确保转子叶片在每次旋转中不会来回伸缩，从而避免转子叶片的非均匀负载。

商用大型风力涡轮机通常称为迎风机，即转子面对塔前面的风，但这是一个不稳定的状态。因此，整流罩和转子必须通过电动机的作用积极地转到风的方向。此外，制动器还可用于确保整流罩不会由于风向小的短时间改变而发生扭转。为了对驱动器进行最佳定位，各个转换器内的传感器对电流进行连续测量。电路控制器的质量和反应时间最终由电流传感器的设计和性能而确定。这就是具有小电流额定值的闭环电流传感器应用在这种场合的原因。

（图4）

除了具有极好的线性度以及因此的极好精确度之外，闭环电流传感器本身还具有高带宽以及快速的反应时间等优点。闭环电流传感器的原理在[3]中予以描述。

下一个问题是从风中获得电能并将其送进主网。风力涡轮机制造商已经开发了用于该种用途的具有竞争力的系统。实际上，每台风力涡轮机都配有一台异步发电机或一台同步发电机。

异步发电机和电网耦合
典型“丹麦概念”描述了一种风力涡轮机，这种风力涡轮机包括一个具有三片转子叶片的失速控制转子、一个变速箱、一台配有鼠笼式转子的极切换异步发电机和一个直接主网耦合器。直接电网耦合器产生一个在超同步滑动区域具有几近恒定运行速度的“恒速”系统。转子速度可以通过滑动控制在一个狭窄的范围内调节，或是通过切换发电机的极性在一个较宽的范围内调节。变速箱使转子旋转与发电机速度相适应。设备需要电网提供动力来逐步产生旋转磁场。为了对在发电机与电网耦合时所产生的浪涌电流进行限制，在启动过程中在发电机和电网之间采用软启动器。这种直接电网耦合方法由于某些技术缺陷而不再用于大型风力涡轮机（如通过用于功率调整的切换动作在电网连接处的补偿过程）。

双馈感应发电机
现在大多数的风力涡轮机都使用一种经过修正的“丹麦概念”，在这种概念中，一台双馈异步机器作为发电机。

（图5）
定子的频率和电压与主网紧密耦合。滑动环转子通过特殊逆变器与电网相耦合，逆变器必须能够将能量向机器传送以及向电网传送。该逆变器只需要指定滑动功率，这个功率通常仅为发电机额定功率的20%。以这种方式设计的风力涡轮机是一个从次同步直到超同步范围的变速系统。两台完全相同的配有直流链的脉冲控制IGBT逆变器用作转换器。不管在哪个能量输送方向上，其中一台转换器都会用作整流器而另外一台用作逆变器，反之亦然。为了控制电网功率，除了直流链电压之外，还需要进行精确而快速的电流检测。LEM提供可完全适合该用途的具有中等电流额定值的闭环电流传感器。这些传感器体积小并有多种不同的安装方式可以选择。除此之外，LEM电压传感器还可用于监测和/或控制直流链的电压。

同步发电机和电网耦合
以上所描述的两种概念都使用一个变速箱来使相对慢速的转子旋转与发电机的速度相适应。市场上获得成功的一个不同概念使用一台同步发电机来提供一台变速风能涡轮机。由于变速箱自身的机械损失和无需再进行深入的维护保养，转子旋转与发电机速度的适应只有通过低转子速度来实现。因此，一种具有多个极点的所谓环发电机设备得以应用。

（图6）

同步发电机一个至关重要的优点是能够根据磁场/励磁控制器的控制提供感性或容性无功功率（甚至零）。

主网耦合通过指定用于输送总功率的脉冲转换器来进行。对于这些应用，LEM的动态闭环电流传感器可用于整流器和逆变器。对于粗糙环境，还可提供封装型传感器。

可用于以上应用场合的所有LF系列电流传感器[4]在环境室温下都具有良好的共模特性以及0.3%的精度（针对额定值）。

（图7）

通过应用闭环原理，可实现一种快速反应传感器，从而为逆变器内的功率半导体器件提供短路保护-对于维护困难而费用又昂贵的近海区风能涡轮机来说，这一优点不可估量。

总结
电流传感器是现代风能涡轮机中不可或缺的元件。在传感器开发方面拥有30多年经验的LEM贡献了广泛的专业知识。对于许多这些应用，LEM可提供即用解决方案；其他应用可根据客户和应用场合的需求进行开发和定制。

参考文件
[1] Heiner Dörner, Institut für Flugzeugbau at the University of Stuttgart – http://www.ifb.uni-stuttgart.de/~doerner/doerner.html
[2] Bundesverband Windenergie – http://www.wind-energie.de
[3] LEM技术信息CH22102 E/US-用于标称值从200A到2000A电流测量的LF系列
[4] LEM应用说明 CH24101 E/US – 隔离电流和电压传感器（特点 – 应用 – 计算）

图
图1：希腊罗德港内的风车 – 做成转子旋翼的布已被卷起
图2：波罗的海德国吕根（Rügen）岛上的风能驱动沿海泵站
图3：加那利群岛（Canary Island）西班牙Gran Canaria风力发电厂
图4：闭环电流传感器电路图
图5：双馈异步发电机电路图
图6：同步发电机电路图
图7：LF系列包括从20A到2000A的电流传感器

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