告别2-5%的能量损失：芯森CM9A电流传感器如何优化风电MPPT精度

2025年全球风电新增装机预计达1.5亿千瓦，其中我国占比超过50%，风能是继光伏爆发式发展之后又一个增长点，然而，风机叶片、齿轮箱、逆变器故障导致年发电量损失严重。发电效率损耗逐渐成为行业的关注焦点。同时，风电机组变流器的MPPT效率、并网稳定性和故障诊断等问题也影响风能的发展。下文尝试讨论如何借助一种高精度传感器提升风电系统的效率。

风能变流器的最大功率点跟踪（MPPT）

不仅光伏有MPPT，风电也有MPPT，据相关统计，风流器MPPT精度不足，可能导致能量损失2-5%，为了实现风能资源的最大化利用，出现了最大功率点跟踪（MPPT）控制技术，即风能变流器的最大功率点跟踪（MPPT）技术，该技术通过动态调节风轮机的转速或桨距角，使机组在不同风速下始终输出最大功率。其核心原理是匹配风能转换系统的阻抗与负载阻抗，实现能量捕获效率最大化。‌

 

传统MPPT控制方法

传统的MPPT控制方法主要分为两类：基于风速测量的间接控制法和不依赖风速测量的直接控制法，主要有：叶尖速比法、功率信号反馈法和爬山搜索法。由于精确测量风速困难且成本高，因此直接控制法在实际应用中更为广泛，由于篇幅有限，本文仅就直接控制法中基于功率曲线的功率信号反馈法展开述说。该方法采用直接检测发电机输出功率的方式，通过寻优算法在功率-转速特性曲线上定位最大工作点，核心任务是：实时调整发电机侧的负载，使风力发电机始终运行在其当前风速下的最佳功率-转速曲线上，从而捕获最大的风能。这个过程需要精确的功率计算，即功率 = 电压 × 电流。自然界的风是瞬息万变的，变流器的控制环路必须足够快，才能跟上风能的变化，因此需要足够快的电流监测方案。

功率信号反馈控制法

这是一种不依赖风速测量的直接方法，也是最经典和常用的MPPT策略之一。它包含两个主要变种：

a) 最佳转矩控制法

基本原理：

• 已知风机的气动特性，在最佳叶尖速比λ_opt下，风轮的机械功率Pm与发电机转速ω的立方成正比，即 Pm_opt = K_opt * ω³。
• 同时，发电机的电磁转矩Tg与功率Pm成正比（Pm = Tg * ω）。因此，可以得出最佳转矩指令 T_ref = K_opt * ω²。
• 控制器（通常是变流器）通过快速调节发电机转矩，使其严格跟踪这个最佳转矩曲线。

工作过程：

1. 测量当前的发电机转速ω。
2. 根据预设的K_opt计算出当前转速下的最佳转矩参考值T_ref。
3. 通过变流器的转矩控制环，使发电机输出转矩跟踪T_ref。

优点：

• 无需风速计，结构简单，鲁棒性强。
• 控制响应快，稳定性好。
• 是目前风能变流器中应用最广泛的传统MPPT方法。

缺点：

其性能依赖于预设的K_opt参数，该参数会因风机叶片污染、空气密度变化等因素而改变，导致偏离真正的最大功率点。

b) 查表法

基本原理：

• 通过前期的风机特性测试，预先获得一条在不同转速下的最佳功率曲线P_opt = f(ω)，并存储在控制器中。
• 系统测量当前转速ω，通过查表得到该转速下应该输出的目标功率P_ref。
• 控制器调节系统，使输出功率跟踪P_ref。

优缺点：

与最佳转矩法类似，但它直接控制功率。其性能同样严重依赖于预先存储的功率-转速曲线的准确性。

 

在实际风能系统中，最佳转矩控制法由于其良好的综合性能，被认为是最经典、最主流的传统MPPT方法。

霍尔电流传感器在风能MPPT中的作用

在最佳转矩控制和查表法中的作用

在最佳转矩控制和查表法，都依赖电流传感器进行电流数据采集与反馈，在MPPT中电流传感器具体作用如下：

实现精确的转矩控制

基本原理：发电机的电磁转矩Tg​ 与产生该转矩的电流Iq​ (在矢量控制中称为转矩电流分量) 成正比，即 Tg​=Kt​⋅Iq​。

工作流程：

MPPT控制器根据测量的转速 ω，计算出最佳转矩指令 Tref​。

转矩指令 Tref​ 被转换为 电流指令 Iqr​ef​。

变流器的电流内环开始工作，它需要实时测量发电机的实际相电流。

霍尔电流传感器（如CM9A） 在此刻提供高精度的、与外界隔离的相电流反馈值 Iqf​b​。

控制器比较 Iqr​ef​ 和 Iqf​b​，通过PID调节器等，驱动变流器的功率开关器件（如IGBT），使实际转矩电流Iq​ 快速、准确地跟踪指令值。

核心价值体现：

精度： CM9A的高精度（±0.3%）确保了转矩控制的精度。如果电流测量有1%的误差，那么实际转矩也会产生约1%的误差，导致风机偏离最大功率点，造成能量损失。

动态响应： CM9A的快速响应（≤1μs）和宽带宽（100kHz）确保了电流内环——这个控制系统中最内层、最快速的闭环——能够稳定且快速地响应。这是整个MPPT系统能够跟上风速变化的前提。

在 爬山搜索法 中的作用

作用：提供功率计算的关键输入

基本原理： 爬山法通过观察输出功率P的变化来决定行动。

功率计算： 功率 P=V×I。这里，电压V和电流I都需要被精确测量。

工作流程：

系统对转速施加一个小的扰动。

霍尔电流传感器测量扰动后的电流 I，同时电压传感器测量电压 V。

控制器计算功率 P=V×I。

比较扰动前后的功率差 ΔP，决定下一次扰动的方向。

核心价值体现：

测量准确性： 如果电流测量不准确，计算出的功率 P 和功率变化 ΔP 就是错误的。算法可能会基于错误信息做出完全相反的决策，导致系统远离最大功率点，或者在MPP附近产生更大的振荡，效率损失严重。

抗干扰能力： 风电环境中电磁干扰严重。CM9A的高抗干扰能力和优异的线性度，能确保在复杂的噪声环境中依然输出干净、真实的电流信号，防止算法被噪声“欺骗”。

霍尔电流传感器的优势

在MPPT应用中，霍尔电流传感器因以下特点成为首选：

• 非接触式测量：无需断开电路，安装维护方便。
• 宽频响应：适应MPPT的高速采样需求（响应时间可达微秒级）。
• 高绝缘性：适用于高压变流器，提升系统安全性。
• 抗干扰能力强：在风电场的复杂电磁环境中保持数据稳定。

总结：

虽然在基于风速测量的间接控制法不直接依赖电流传感器，但发电机的控制也需要通过电流环来实现，此外过流保护和系统监控也用到电流传感器，总而言之，霍尔电流在MPPT方法中，控制反馈、功率计算和保障系统安全中起着关键作用，如果说，MPPT算法是风机的大脑，负责思考并制定策略；变流器是肌肉，负责执行；那么电流传感器就是这肌肉的神经末梢，它将执行的实际情况实时、准确地反馈给大脑，确保大脑的策略被完美执行，并根据反馈进行微调。