閉環傳感器在風電行業的應用

用于控制現代風力渦輪機的電流傳感

礦物燃料一直以來都是發電的首選能源。但是，隨著對礦物燃料供應的可持續性以及溫室效應氣體生成的關注，以及有關減少燃燒所產生的二氧化碳排放量協議的出臺，許多舉措正朝著可再生能源的方向發展。

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

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

20世紀上半頁，許多現代風力渦輪機的物理和設計理論基礎得以發現。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子葉片的所有現代自由和高速運行風能轉換器的設計理論基礎（源于其出色的航空知識）[1]。

但是直到20世紀90年代初期當政治結構發生變革時，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）的集約化商業發展。越來越多的風力渦輪機和風力發電廠安裝和建立起來；現在首批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果，主要由太陽輻射效應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生影響風速持久變化的湍流。風力渦輪機的轉子將風中所含的能量轉換為轉動（動）能，從而驅動發電機產生電流。

風能以及由此可以使用的量與風速的立方成正比。在由轉子直徑而計算出的轉子面積和從流經該面積的風而產生的能量之間還存在著一個簡單的相關關系。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，發電機的額定功率是一個必須給予關注的閾值電平。

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

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

現在的大型風力渦輪機通常采用主動功率控制系統來調節轉子葉片處于其縱向軸內（節距控制）。通過調節與轉子平面有關的葉片角度，可能控制的不僅僅是發電機功率。在較高風速下，轉子葉片可以轉子快速停止的方式扭轉。小功率電氣驅動器通常用于這種用途。在某些逆變器內，小型和PCB安裝電流傳感器應用非常廣泛。這些傳感器是轉換器閉環控制的一部分，因此可以快速反應。當與發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為電網提供持續功率，直到渦輪機在上限風速時停機為止。

偏航控制

轉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過最大轉子面積，因而從風中獲得最多能量；第二個原因是通過確保轉子葉片在每次旋轉中不會來回伸縮，從而避免轉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，即轉子面對塔前面的風，但這是一個不穩定的狀態。因此，整流罩和轉子必須通過電動機的作用積極地轉到風的方向。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生扭轉。為了對驅動器進行最佳定位，各個轉換器內的傳感器對電流進行連續測量。電路控制器的質量和反應時間最終由電流傳感器的設計和性能而確定。這就是具有小電流額定值的閉環電流傳感器應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，閉環電流傳感器本身還具有高帶寬以及快速的反應時間等優點。閉環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。風力渦輪機制造商已經開發了用于該種用途的具有競爭力的系統。實際上，每臺風力渦輪機都配有一臺異步發電機或一臺同步發電機。

異步發電機和電網耦合

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子葉片的失速控制轉子、一個變速箱、一臺配有鼠籠式轉子的極切換異步發電機和一個直接主網耦合器。直接電網耦合器產生一個在超同步滑動區域具有幾近恒定運行速度的“恒速”系統。轉子速度可以通過滑動控制在一個狹窄的范圍內調節，或是通過切換發電機的極性在一個較寬的范圍內調節。變速箱使轉子旋轉與發電機速度相適應。設備需要電網提供動力來逐步產生旋轉磁場。為了對在發電機與電網耦合時所產生的浪涌電流進行限制，在啟動過程中在發電機和電網之間采用軟啟動器。這種直接電網耦合方法由于某些技術缺陷而不再用于大型風力渦輪機（如通過用于功率調整的切換動作在電網連接處的補償過程）。

雙饋感應發電機

現在大多數的風力渦輪機都使用一種經過修正的“丹麥概念”，在這種概念中，一臺雙饋異步機器作為發電機。定子的頻率和電壓與主網緊密耦合。滑動環轉子通過特殊逆變器與電網相耦合，逆變器必須能夠將能量向機器傳送以及向電網傳送。該逆變器只需要指定滑動功率，這個功率通常僅為發電機額定功率的20%。以這種方式設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。兩臺完全相同的配有直流鏈的脈沖控制IGBT逆變器用作轉換器。不管在哪個能量輸送方向上，其中一臺轉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。

同步發電機和電網耦合

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子旋轉與發電機的速度相適應。市場上獲得成功的一個不同概念使用一臺同步發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，轉子旋轉與發電機速度的適應只有通過低轉子速度來實現。因此，一種具有多個極點的所謂環發電機設備得以應用。

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

主網耦合通過指定用于輸送總功率的脈沖轉換器來進行。對于這些應用，動態閉環電流傳感器可用于整流器和逆變器。對于粗糙環境，還可提供封裝型傳感器。

通過應用閉環原理，可實現一種快速反應傳感器，從而為逆變器內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風能渦輪機來說，這一優點不可估量。