风电新时代：从“沙戈荒”到深远海，霍尔电流传感器如何保障巨型风机核心运转？

近期，位于新疆哈密的我国首个“沙戈荒”新能源外送基地——新疆天山北麓戈壁能源基地，项目建设进入全容量并网发电最后冲刺阶段。该项目采用“风光火热储一体化”模式，基地上，数百台百米高的大型风机成排矗立，巨叶轻旋，化作涓涓电流，为‘疆电入渝’提供稳定的绿色电源。

从荒漠到深远海，近年来，我国西部各省及沿海地区在风力发电投入了大量建设，12月10日，中共青海省委在“十五五”规划建议中提到，统筹源网荷储协调发展，建设“沙戈荒”大型风电光伏光热基地，推进光热发电技术运用。在这些大型风机中，对电流监测的可靠性、效率和高精度控制有着极高的要求，通常比光伏、储能更苛刻。

 

风机变流器简介 

风机变流器（Wind Turbine Converter）是风力发电系统中的核心能量转换装置，主要负责将风力发电机产生的电压、频率不稳定的交流电转换为符合电网要求的稳定电能。它通过整流、逆变等电力电子技术，实现变速恒频发电，使风机能够在不同风速条件下高效运行。

主要组成与工作原理 

风机变流器主要由功率模块、控制系统、冷却系统和保护系统构成，其中包括整流器、逆变器和滤波器。功率模块采用IGBT等半导体器件，通过整流器将发电机输出的交流电转换为直流电，再经逆变器逆变为50Hz的恒频交流电。控制系统采用DSP和PLC实现精确控制，确保输出电能质量满足并网要求。

风电变流器主要有两种体系：

• 双馈型 DFIG
  架构：机侧变流器 MSC + 网侧变流器 GSC + 励磁侧绕组
  电流检测多且精度要求高，振动与温漂影响大。
• 全功率型 PMSG
  架构：机侧全控变流器 + DC 母线 + 网侧全控并网变流器
  高频大功率，要求更高 dv/dt、带宽、更大电流范围。

大型风能变流器中必须配置的电流传感器位置

行业中，大型风能变流器一般指2MW到15MW级的并网变流系统。

1. 机侧变流器（MSC）

用途：捕获发电机实际输出电流，实现电流矢量控制和功率因子调节。

关键监测点：

• 三相发电机电流 Iu、Iv、Iw
• 桥臂电流（保护用）

要求：

• 带宽 ≥100 kHz（尤其是 PMSG + SiC 模块）
• 精度 0.5%FS 或更优
• dv/dt ≥50 kV/μs
• 抗振动与抗温漂强（风机舱内环境恶劣）

常用：

• 闭环霍尔
• 差动霍尔
• Rogowski（用于桥臂保护）

2. DC 母线电流（全功率机组）

风电机组（尤其 3MW 以上）几乎都采用DC母线做能量传递。

用途：

• 功率平衡控制
• 超速能量释放
• DC链路短路快速保护

要求：

• 电流范围大（500 A 到 2000 A）
• 带宽 10~20 kHz
• 强抗饱和能力（瞬间突变电流高）
• 高隔离（风场雷击和浪涌影响大）

常用：

• 母排式闭环霍尔
• 大孔径磁平衡式传感器

3. 网侧变流器（GSC）

旨在与电网并网，满足电能质量和低电压穿越 LVRT 功能。

关键监测点：

• 三相输出电流
• 桥臂电感电流（保护）

要求：

• 带宽 ≥50 kHz
• 精度 0.5%FS
• 快速响应（<2 μs，用于 LVRT/故障限流）
• dv/dt ≥50~100 kV/μs
• 强抗谐波与强抗共模

常用：

• 闭环霍尔
• 差动霍尔（保护）
• Rogowski 线圈（尤其用于GSC臂电流）

4. 励磁侧电流（DFIG 特有）

双馈风机的励磁绕组需要高精度电流检测以控制转子侧电流。

用途：

• 转子电流控制
• 功率因子调节
• 故障期间快速抑制不稳定振荡

要求：

• 精度优于 0.5%FS
• 温漂极低（风机机舱温度变化大）
• 抗振动能力高

常用：

• 闭环霍尔
• 分流器+隔离放大（成本敏感机型）

5. 辅助电源（Pitch 系统、Yaw 系统等）

桨距控制器、电机驱动、刹车系统等也需要电流监测，但要求较低。

要求：

• 5~10 kHz 带宽
• 精度 1~3%
• 成本敏感

常用：

• 开环霍尔
• 板载小电流霍尔芯片

除以上具体要求外，风机因为工况更复杂，所处的环境也很恶劣，通常还需要传感器具备以下特性：

1. 抗温漂能力要非常强

风机机舱温度：-40℃ 到 70℃，昼夜温差大，传感器零点漂移直接影响机侧电流矢量控制。

1. 抗振动要求高

风机塔筒和机舱振动频繁，要求机械结构加固，不易开裂。

1. dv/dt 和 EMI 要求更高

PMSG + SiC 模块组合下，dv/dt 能轻松超过 100 kV/μs。
普通开环霍尔容易被干扰导致采样噪声上升。

1. 高绝缘要求

风场雷击、地电位差等因素要求：

• 绝缘耐压 ≥4 kVrms
• 更高浪涌承受能力

1. 可靠性寿命要求极高

风场要求 20 年寿命，产品必须达到高 MTBF 指标。

CM9A闭环霍尔电流传感器

CM9A系列是基于霍尔原理的闭环（补偿）电流传感器，用于测量直流、交流和脉冲电流。 其采用的原材料符合UL 94-V0，并具有优异的线性度、出色的精度和非常低的温漂，原边与副边之间是绝缘的，没有插入损耗，执行: IEC 60664-1:2020、IEC 61800-5-1:2022、IEC 62109-1:2010标准。

关键特性：

• 该系列有3个型号，额定电流分别为1500 A / 3500 A / 5000 A
• 精度：±0.3%
• 带宽100 kHz
• 响应时间1 μs
• 超大穿孔（φ94 mm 或 95 x 25 mm）
• 绝缘耐压：6 kV、瞬态耐压23 kV
• 工作温度：±40~85℃

从CM9A规格参数和以上分析对比，可看出其很适合安装部署在大型风机系统以下位置：

• DC 母线电流（最佳推荐）
• PMSG 机侧三相电流
• GSC 高电流输出相电流

CM9A 在风电变流器中的电流检测拓扑图

总结

在大型风能变流器中，像CM9A这样优秀的大电流传感器，直接穿过大导体，无需分流器或外部互感器，安全高效地用于三相电流采样；高带宽高动态响应，能快速捕捉风电机组的电流变化和尖峰脉冲，有助于发电机控制、矢量控制和功率优化；高精度测量保证功率计算、谐波分析和功率因数优化的准确性，有助于变流器效率优化和发电数据统计；风电专用级的高绝缘能力，也可保证高压直流与控制侧电路隔离，有效提升系统安全性，减少设备故障风险。