用于控制現(xiàn)代風力渦輪機的電流傳感

礦物燃料一直以來都是發(fā)電的首選能源。但是，隨著對礦物燃料供應(yīng)的可持續(xù)性以及溫室效應(yīng)氣體生成的關(guān)注，以及有關(guān)減少燃燒所產(chǎn)生的二氧化碳排放量協(xié)議的出臺，許多舉措正朝著可再生能源的方向發(fā)展。

通過使用現(xiàn)代材料來滿足機械要求以及使用現(xiàn)代電子元件和電力電子元件來有效地為主網(wǎng)送電，制造具有高達5MW額定功率的現(xiàn)代風能渦輪機（WET）（目前尚處于試驗階段）才有可能。為了對轉(zhuǎn)換器進行最優(yōu)控制，各種規(guī)格的電流傳感器在風能渦輪機中是每個轉(zhuǎn)換器必不可缺的元件。

從人類發(fā)展的早期開始，已經(jīng)將風能作為一種能源使用。風車將風中所含的能量轉(zhuǎn)換為可以用來磨粒或抽水的機械可用能量。

20世紀上半頁，許多現(xiàn)代風力渦輪機的物理和設(shè)計理論基礎(chǔ)得以發(fā)現(xiàn)。德國工程師AlbertBetz在其于1926年出版的著作中計算出了理想風力渦輪機的最大理論效率大約為59.3%。20世紀40年代，UlrichHütter研究出了用于具有兩片或三片轉(zhuǎn)子葉片的所有現(xiàn)代自由和高速運行風能轉(zhuǎn)換器的設(shè)計理論基礎(chǔ)（源于其出色的航空知識）[1]。

但是直到20世紀90年代初期當政治結(jié)構(gòu)發(fā)生變革時，許多國家才提供用于可再生能源的政府援助。這種政府行為推動了風能渦輪機（WET）的集約化商業(yè)發(fā)展。越來越多的風力渦輪機和風力發(fā)電廠安裝和建立起來；現(xiàn)在首批4.55MW風力渦輪機正處于試驗階段。德國以總裝機容量占全世界39151MW風能中的14609MW而名列前茅，領(lǐng)先于美國、西班牙和丹麥[2]。

風力渦輪機的功率控制

風是空氣團交換的結(jié)果，主要由太陽輻射效應(yīng)形成的局部甚或大面積溫差而引起。諸如森林、高山和建筑等障礙物會產(chǎn)生影響風速持久變化的湍流。風力渦輪機的轉(zhuǎn)子將風中所含的能量轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動（動）能，從而驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電流。

風能以及由此可以使用的量與風速的立方成正比。在由轉(zhuǎn)子直徑而計算出的轉(zhuǎn)子面積和從流經(jīng)該面積的風而產(chǎn)生的能量之間還存在著一個簡單的相關(guān)關(guān)系。當風速超出一個固定限值時，為了避免機械和/或電氣過載，風能渦輪機必須配有功率控制器。一般來說，發(fā)電機的額定功率是一個必須給予關(guān)注的閾值電平。

還有一個同樣重要的功率控制原因。為了給電網(wǎng)提供持續(xù)的電能，盡管風速每秒都在變化，使發(fā)電機以最佳狀態(tài)運行還是必要的。

渦輪機使用各種功率控制。控制程度可以通過轉(zhuǎn)子葉片被動或主動實現(xiàn)。被動限制可以通過一種特殊形狀的單轉(zhuǎn)子葉片而實現(xiàn)。在一定的風速下，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的氣流突然消失（所謂的失速），轉(zhuǎn)子也停止轉(zhuǎn)動（失速控制）。

現(xiàn)在的大型風力渦輪機通常采用主動功率控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子葉片處于其縱向軸內(nèi)（節(jié)距控制）。通過調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)子平面有關(guān)的葉片角度，可能控制的不僅僅是發(fā)電機功率。在較高風速下，轉(zhuǎn)子葉片可以轉(zhuǎn)子快速停止的方式扭轉(zhuǎn)。小功率電氣驅(qū)動器通常用于這種用途。在某些逆變器內(nèi)，小型和PCB安裝電流傳感器應(yīng)用非常廣泛。這些傳感器是轉(zhuǎn)換器閉環(huán)控制的一部分，因此可以快速反應(yīng)。當與發(fā)電機的智能功率控制同時使用時，可以確保在風能渦輪機（WET）啟動之后在一個很寬的風速范圍內(nèi)為電網(wǎng)提供持續(xù)功率，直到渦輪機在上限風速時停機為止。

偏航控制

轉(zhuǎn)子一直與風向垂直很重要。有兩個原因，一是可以確保風流經(jīng)過最大轉(zhuǎn)子面積，因而從風中獲得最多能量；第二個原因是通過確保轉(zhuǎn)子葉片在每次旋轉(zhuǎn)中不會來回伸縮，從而避免轉(zhuǎn)子葉片的非均勻負載。

商用大型風力渦輪機通常稱為迎風機，即轉(zhuǎn)子面對塔前面的風，但這是一個不穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，整流罩和轉(zhuǎn)子必須通過電動機的作用積極地轉(zhuǎn)到風的方向。此外，制動器還可用于確保整流罩不會由于風向小的短時間改變而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。為了對驅(qū)動器進行最佳定位，各個轉(zhuǎn)換器內(nèi)的傳感器對電流進行連續(xù)測量。電路控制器的質(zhì)量和反應(yīng)時間最終由電流傳感器的設(shè)計和性能而確定。這就是具有小電流額定值的閉環(huán)電流傳感器應(yīng)用在這種場合的原因。

除了具有極好的線性度以及因此的極好精確度之外，閉環(huán)電流傳感器本身還具有高帶寬以及快速的反應(yīng)時間等優(yōu)點。閉環(huán)電流傳感器的原理在[3]中予以描述。

下一個問題是從風中獲得電能并將其送進主網(wǎng)。風力渦輪機制造商已經(jīng)開發(fā)了用于該種用途的具有競爭力的系統(tǒng)。實際上，每臺風力渦輪機都配有一臺異步發(fā)電機或一臺同步發(fā)電機。

異步發(fā)電機和電網(wǎng)耦合

典型“丹麥概念”描述了一種風力渦輪機，這種風力渦輪機包括一個具有三片轉(zhuǎn)子葉片的失速控制轉(zhuǎn)子、一個變速箱、一臺配有鼠籠式轉(zhuǎn)子的極切換異步發(fā)電機和一個直接主網(wǎng)耦合器。直接電網(wǎng)耦合器產(chǎn)生一個在超同步滑動區(qū)域具有幾近恒定運行速度的“恒速”系統(tǒng)。轉(zhuǎn)子速度可以通過滑動控制在一個狹窄的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，或是通過切換發(fā)電機的極性在一個較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。變速箱使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與發(fā)電機速度相適應(yīng)。設(shè)備需要電網(wǎng)提供動力來逐步產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。為了對在發(fā)電機與電網(wǎng)耦合時所產(chǎn)生的浪涌電流進行限制，在啟動過程中在發(fā)電機和電網(wǎng)之間采用軟啟動器。這種直接電網(wǎng)耦合方法由于某些技術(shù)缺陷而不再用于大型風力渦輪機（如通過用于功率調(diào)整的切換動作在電網(wǎng)連接處的補償過程）。

雙饋感應(yīng)發(fā)電機

現(xiàn)在大多數(shù)的風力渦輪機都使用一種經(jīng)過修正的“丹麥概念”，在這種概念中，一臺雙饋異步機器作為發(fā)電機。定子的頻率和電壓與主網(wǎng)緊密耦合。滑動環(huán)轉(zhuǎn)子通過特殊逆變器與電網(wǎng)相耦合，逆變器必須能夠?qū)⒛芰肯驒C器傳送以及向電網(wǎng)傳送。該逆變器只需要指定滑動功率，這個功率通常僅為發(fā)電機額定功率的20%。以這種方式設(shè)計的風力渦輪機是一個從次同步直到超同步范圍的變速系統(tǒng)。兩臺完全相同的配有直流鏈的脈沖控制IGBT逆變器用作轉(zhuǎn)換器。不管在哪個能量輸送方向上，其中一臺轉(zhuǎn)換器都會用作整流器而另外一臺用作逆變器，反之亦然。為了控制電網(wǎng)功率，除了直流鏈電壓之外，還需要進行精確而快速的電流檢測。

同步發(fā)電機和電網(wǎng)耦合

以上所描述的兩種概念都使用一個變速箱來使相對慢速的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與發(fā)電機的速度相適應(yīng)。市場上獲得成功的一個不同概念使用一臺同步發(fā)電機來提供一臺變速風能渦輪機。由于變速箱自身的機械損失和無需再進行深入的維護保養(yǎng)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)與發(fā)電機速度的適應(yīng)只有通過低轉(zhuǎn)子速度來實現(xiàn)。因此，一種具有多個極點的所謂環(huán)發(fā)電機設(shè)備得以應(yīng)用。

同步發(fā)電機一個至關(guān)重要的優(yōu)點是能夠根據(jù)磁場/勵磁控制器的控制提供感性或容性無功功率（甚至零）。

主網(wǎng)耦合通過指定用于輸送總功率的脈沖轉(zhuǎn)換器來進行。對于這些應(yīng)用，動態(tài)閉環(huán)電流傳感器可用于整流器和逆變器。對于粗糙環(huán)境，還可提供封裝型傳感器。

通過應(yīng)用閉環(huán)原理，可實現(xiàn)一種快速反應(yīng)傳感器，從而為逆變器內(nèi)的功率半導體器件提供短路保護-對于維護困難而費用又昂貴的近海區(qū)風能渦輪機來說，這一優(yōu)點不可估量。