莱姆传感器在变速恒频双馈式风力发电系统中的应用
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摘要：近来可再生能源开发利用越发受到重视,而风力发电是其中最廉价、最有希望绿色能源。风力发电技术中,双馈变速恒频风力发电技术已经成为其主要发展方 向之一。双馈系统中最重要部件为转子侧背靠背变流器，实现变流器双向能量流动，必须检测系统电流与电压等实现闭环控制，本文介绍了莱姆传感器双馈风力发电 系统中应用。实践证明，系统效果很好。
关键词：风力发电 变速恒频 双馈 背靠背变流器莱姆
LEM Sensors Used In Double-Fed Variable Speed Constant Frequency System
Zhouqian LijianlinLiujian Liangliang
（Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Science）
Abstract：Nowadays, renewable energy has been paid more and more attention for its low cost and
green energy, especially wind energy. In wind energy ,the double-fed variable speed constant frequency
（DFVSCF）technology is the main development aspect. The Back-to-back converter is the heart of the
DFVSCF. It has to detect the voltage and current of the system to do the closed loop control. The paper
introduce the LEM sensors used in the DFVSCF system, and experiment proved the precision of the
LEM sensors.
Key words: wind energy VSCF Double-Fed back-to-back converter LEM
1 引言
近年来出现变速恒频（VSCF）技术，引起了风力发电技术革命，是风力发电发展方向【1－2】。VSCF技术克服了恒速恒频（CSCF）固有缺陷，具有许 多不可替代优势。VSCF风力发电有很多类型：如发电机定子交－直－交全功率变换方式、永磁发电机直接驱动方式和双馈式变速恒频方式等。
作为目前风力发电最佳方案和发展方向，DFVSCF风力发电机成为国内外专家学者研究热点。DFVSCF风力发电技术发展迅速，目前欧美等风电强国到了广 泛应用。可以预见，以DFVSCF风力发电为代表VSCF风力发电机将逐渐取代陈旧普通风电机组，成为主要风力发电方式。目前DFVSCF风力发电技术研 究取了丰硕成果，包括励磁变换器拓扑与控制、发电机控制策略研究、最大风能追踪控制、发电机稳定性研究等。DFVSCF风力发电机运行理论和控制方法不断 成熟，大大降低了成本，提高了运行可靠性，为DFVSCF风力发电推广奠定了基础。
本文分析研究了LEM霍耳传感器VSCF系统中应用。实验证明，这种传感器与普通传感器相比，具有检测精度高、响应速度快、可靠性好等优点。
2 DFVSCF基本原理
双馈式变速恒频（DFVSCF）风力发电模式（如图1所示），该方案采用具有定、转子两套绕组双馈型异步发电机（DFIG），定子接入电网，转子电力电子 变换器与电网相连。其特点主要包括：（1）可实现VSCF运行；（2）变换器容量仅为发电机转差功率，变换器设计相对容易；（3）实现发电机输出有功、无 功功率解耦控制，可实现最大风能捕获和功率因数控制和以及对电网电压控制能力（此特性是多数分布式发电机所欠缺）；（4）DFIG与电网为柔性连接方式， 易于并网。
图1 双馈风力发电系统结构图
DFVSCF正常工作并网发电时控制框图如图2所示，实现系统有功、无功解耦控制，需要检测参数包括，发电机转速，电网三相电压与三相电流。其中，电压与电流检测由LEM传感器实现。
图2 转子逆变器控制结构图
3 LEM 霍耳传感器特点
系统采用霍尔电流传感器（LEM 模块）一LA25-NP对电流进行检测。霍尔器件磁补偿原理制作而成，它可传感从直流到数百千赫兹信号。与普通传感器比较，其优点为：
（1）LEM模块可以测量任意波形电流和电压及瞬态峰值。副边电流忠实反映原边电流波形。
（2）原边电路与副边电路之间完全绝缘，绝缘电压一般为2～12kV，特殊要求可达20～50kV。
（3）精度高。工作温度区内精度优于1％，线性度优于0．1％。
（4）动态性能好。响应时间小于l S，跟踪速度di／dt高于50A／IX S，而普通互感器响应时间为l0～20ms，不能满足系统对谐波进行实时检测并补偿要求。
（5） 工作频率和测量范嗣宽。工作频率范围可达0～lOOkHz， 测量电流可达50kA，测量电压可达6．4kV。
（6）过载能力强。当原边电流超负荷时，模块达到饱和，可自动保护。
（7）可靠性高。采用霍尔电流传感器作为电网电流检测元件能较好完成对电流实时检测。
4 LEM 霍耳传感器DFVSCF中应用
直流母线电压检测电路如图3所示，电压霍尔输出信号P5和R38分压，送到A/D进行检测。P5是精密电位器，用来校正测量电压。实际使用中该电路测量误差小于3％。
图3直流母线电压检测电路
三相工频线电压检测电路如图4所示。V-SAM1，V-SAM2是三相线电压降压变压器分压后到工频交流信号，把该信号进行全波整流，经电容滤波到一个直 流信号，然后送到电压跟随器，经P3、R44分压，最后送到A/D转换器进行检测。该电路测量误差小于2％。
图4 三相电压检测电路
LEM公司LV 25-P型电压传感器基于霍尔电磁效应，其中比较典型是 LV 25-P型传感器额定电流为10mA，额定电流情况下，传感器精度最好。LV 28-P典型接法如图4所示，其中+HT和-HT接待测电压，测量电压时，原边电流与被测电压比一定要一个有用户选择外部电阻R1来确定，并串联传感器原 边回路上。
三相线电流检测电路如图4所示，I-SAM1是电流互感器检测三相线电流信号，这个信号绝对值电路，把负半周期电流变成正，接到同相放大电路，然后P4，R24分压送到A/D转换器。该电路测量误差小于5％。
图5三相线电流检测电路
5 结束语
DFVSCF是当今国内外一个研究热点，电压电流快速准确检测是其中关键一环，而传感器选择又是很重要一个方面。实验证明，LEM霍耳传感器检测精度、响应速度、可靠性等方面具有优点是普通传感器无与伦比。
