风电变频器的“眼睛”如何选？——芯森CR1A电流传感器应用解析

风能是清洁能源之一，近几年来，风力发电在全球发展很迅猛，尤其进入2025年，国内上半年新增装机51.39GW，同比+98.9%，海外欧洲订单也暴涨224%。利润方面，国内风电行业7家头部企业中有6家净利润增长超50%。

风能变频器是连接风力发电机与电网之间的“桥梁”，主要负责电能的转换与控制，没有风能变频器，风力发电机发出的电力就无法被电网接纳。而电流传感器是其精准控制的“眼睛”，是实现其精确控制、安全运行和高效发电的关键感知元件。没有高精度、高可靠性的电流传感器，变频器的所有高级控制功能都将无法实现。现代风电场景中高电流、强干扰、宽温差的原因，传统传感器难以满足需求，本文讨论一种霍尔闭环电流传感器的解决方案。

 

风能变频器简介

风能变频器是风力发电系统中的核心设备之一，主要用于将风力机捕获的机械能转换为电能，并通过调节电能的频率和电压，实现与电网的高效对接。其核心功能是控制风力发电机的转速，以最大化风能利用率，并确保输出电能的稳定性和质量。

1. 工作原理

• 能量转换：风力机叶片在风力作用下旋转，带动发电机产生交流电。
• 变频调速：变频器通过IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率器件，将发电机输出的变频交流电转换为固定频率的交流电（通常为50Hz或60Hz），以匹配电网要求。
• 最大功率点跟踪（MPPT）：变频器实时调节风力机的转速，使其始终运行在最佳风能捕获点，提高发电效率。

2. 核心组成

组件	功能
整流器	将发电机输出的交流电转换为直流电
直流母线	存储和平滑直流电能
逆变器	将直流电转换为与电网同步的交流电
控制单元	实现MPPT、电网同步、故障保护等功能

3. 技术优势

• 提高发电效率：通过MPPT算法，风能利用率可提升20%~30%。
• 电网友好：输出电能的频率和电压稳定，减少对电网的冲击。
• 延长设备寿命：通过调速减少机械应力，降低风力机磨损。
• 适应性强：可适配不同类型的风力机（如双馈式、直驱式）。

4. 应用场景

• 陆上/海上风电场：大型并网风电项目。
• 分布式风电：小型风力发电系统（如农村、偏远地区）。
• 微电网系统：与储能、光伏等联合运行。

5. 技术挑战

• 电网适应性：需满足不同国家/地区的电网标准（如低电压穿越能力）。
• 环境适应性：耐高低温、防盐雾、抗雷击等要求。
• 维护成本：高可靠性设计以降低运维成本。

6. 发展趋势

• 高功率密度：采用SiC（碳化硅）等新型半导体材料，提升效率和功率密度。
• 智能化：结合AI算法，实现预测性维护和优化控制。
• 储能融合：与储能系统联动，提升风电消纳能力。

电流传感器在风能变频器中应用

风能变频器对发电机的控制（如转矩控制、转速控制）本质上是对电流的控制。电流传感器提供实时、高精度的电流信号，构成闭环控制回路。其在风能变频器中主要用于实时监测、控制和保护系统。以下是其核心应用场景和技术要点：

1. 电流监测与反馈

• 功能：实时测量发电机定子/转子侧、DC母线、逆变器输出等关键节点的电流，为控制系统提供反馈信号。
• 可能应用的位置： 
• 发电机定子/转子侧（双馈式系统中尤为重要）
• 整流器输入/输出端
• 逆变器输入/输出端
• DC母线

2. 系统保护与安全运行

这是电流传感器最直接和关键的作用之一。变频器主控单元通过实时监测电流值来判断系统是否异常，并在毫秒级时间内采取保护措施。

• 过流与短路保护​：实时监测直流母线电流和相线电流。当电流超过设定的安全阈值时（可能由于电网短路、内部器件故障等引起），控制器会立即封锁IGBT的驱动脉冲，保护功率开关器件（如IGBT）、电容等昂贵核心部件免受损坏。
• 过热保护​：通过监测电流可以间接估算功率器件的发热情况，结合温度传感器，实现更全面的过热保护。

3. 控制优化

• 最大功率点跟踪（MPPT）： 结合电流数据调整发电机转速，确保风能利用率最大化。
• 谐波抑制： 监测逆变器输出电流的谐波含量，通过控制算法（如PWM）优化波形质量，满足电网要求。

1. 支持高级电网功能（如低电压穿越 LVRT）

现代风电机组必须具备低电压穿越能力，即在电网电压瞬间跌落时不能脱网，反而需要向电网提供无功功率以帮助电网恢复。

在这个过程中，电流传感器持续监测电网电流状态，确保变频器在电压跌落期间将电流控制在安全范围内，同时精确输出所需的无功电流，以满足并网规程要求。

5.电流传感器通常布置在哪些关键位置？ 

电流传感器在变频器中的典型安装位置：

检测位置	主要作用
​发电机侧​ (定子/转子电流)	用于精确的电机控制（转矩、转速），是实现MPPT的核心。
​电网侧​ (并网电流)	用于控制并网电能质量（谐波、功率因数）、同步并网和满足电网规范。
​直流母线​ (直流链路电流)	主要用于系统保护（过流）、监测母线电压稳定性和功率平衡。

 

6. 电流传感器类型选择

传感器类型	优点	缺点	适用场景
霍尔效应传感器	高精度、宽频带、隔离测量	成本较高	逆变器输入/输出、DC母线
分流器	低成本、高精度	无隔离、功耗大	低压侧电流监测
罗哥夫斯基线圈	无接触、宽动态范围	需积分电路	高频电流测量

技术要点：

• 精度要求：通常需达到 0.5% 以内，以确保控制和保护的准确性。
• 响应速度：需支持高频采样（如 ≥20kHz），适应变频器的快速开关动作。
• 环境适应性：耐高低温、抗振动、防盐雾（海上风电）。

基于以上分析，这里推荐芯森电子CR1A H00系列电流传感器，CR1A系列是芯森电子自主研发的一款基于霍尔原理的闭环（补偿）电流传感器，测量量程从50至300A，可覆盖风电变流器大电流需求，原边和副边之间是绝缘的，可用于测量直流、交流和脉冲电流。具有优异的线性度（±0.1%）和出色的精度（±0.5%）保障发电效率；低温漂（±0.5mA），频带宽（200kHz）响应快速等特性与风能变频器的严苛要求高度匹配：

• 基于霍尔闭环原理：提供了高精度、高线性度和优异的动态响应性能，能满足变频器快速控制的需求。
• 原副边绝缘：提供了良好的电气隔离，能够承受变频器内部的高压环境，保护低压控制侧，安全特性符合IEC 61800-5-1等变频器安全标准。
• 优异的线性度和低温漂：保证了在整个工作温度范围和量程内，测量结果都准确可靠，这是实现精确控制的基础,低温漂确保长期稳定性，减少维护成本。
• 测量类型：能够测量直流、交流和脉冲电流，完全覆盖了变频器内部直流母线（DC）、发电机/电网侧（AC）以及IGBT开关导致的脉冲电流的测量场景。
• ‌宽温适应‌：-40℃~85℃操作温度，适应海上/陆上风电极端气候。

选型建议

应用位置	核心作用	推荐型号 (根据电流大小选择)
​直流母线侧​	过流保护、系统监控	CR1A 200 H00, CR1A 300 H00
​发电机侧​	转矩/转速控制、MPPT、发电机保护	CR1A 100 H00, CR1A 200 H00
​电网侧​	电能质量调节、无功控制、LVRT电网支持	CR1A 100 H00, CR1A 200 H00

 

注：最终选择哪个具体型号，需要根据风能变频器设计中的各点额定电流和峰值电流来确定。

 

芯森CR1A系列电流传感器是一种性能、成本和功能上非常均衡的解决方案。它成功地在隔离、精度、带宽、可测直流/交流这些关键特性上取得了最佳平衡。同时，CR1A的高带宽特性为风电参与电网调频提供了可能。芯森支持定制化服务：线圈匝比、电源电压等参数灵活调整，适配下一代大功率风机。