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用于控制现代风力涡轮机的电流传感器

作者:Stéphane Rollier LEM公司2008.06.25阅读 7191

  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。

希腊罗德港内的风车 - 做成转子旋翼的布已被卷起


  图1:希腊罗德港内的风车 - 做成转子旋翼的布已被卷起
波罗的海德国吕根
图2:波罗的海德国吕根(Rügen)岛上的风能驱动沿海泵站

  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CONTROL ENGINEERING China版权所有,发电机的额定功率是一个必须给予关注的阈值电平。

加那利群岛(Canary Island)西班牙Gran Canaria风力发电厂


图3:加那利群岛(Canary Island)西班牙Gran Canaria风力发电厂

  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www.cechina.cn,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CONTROL ENGINEERING China版权所有,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www.cechina.cn,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控制工程网版权所有,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。

闭环电流传感器电路图


图4:闭环电流传感器电路图

  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

标签:传感器,能源,
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