2025年全球風(fēng)電新增裝機預(yù)計達1.5億千瓦，其中我國占比超過50%，風(fēng)能是繼光伏爆發(fā)式發(fā)展之后又一個增長點，然而，風(fēng)機葉片、齒輪箱、逆變器故障導(dǎo)致年發(fā)電量損失嚴重。發(fā)電效率損耗逐漸成為行業(yè)的關(guān)注焦點。同時，風(fēng)電機組變流器的MPPT效率、并網(wǎng)穩(wěn)定性和故障診斷等問題也影響風(fēng)能的發(fā)展。下文嘗試討論如何借助一種高精度傳感器提升風(fēng)電系統(tǒng)的效率。

風(fēng)能變流器的最大功率點跟蹤（MPPT）

不僅光伏有MPPT，風(fēng)電也有MPPT，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，風(fēng)流器MPPT精度不足，可能導(dǎo)致能量損失2-5%，為了實現(xiàn)風(fēng)能資源的最大化利用，出現(xiàn)了最大功率點跟蹤（MPPT）控制技術(shù)，即風(fēng)能變流器的最大功率點跟蹤（MPPT）技術(shù)，該技術(shù)通過動態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速或槳距角，使機組在不同風(fēng)速下始終輸出最大功率。其核心原理是匹配風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的阻抗與負載阻抗，實現(xiàn)能量捕獲效率最大化。?

傳統(tǒng)MPPT控制方法

傳統(tǒng)的MPPT控制方法主要分為兩類：基于風(fēng)速測量的間接控制法和不依賴風(fēng)速測量的直接控制法，主要有：葉尖速比法、功率信號反饋法和爬山搜索法。由于精確測量風(fēng)速困難且成本高，因此直接控制法在實際應(yīng)用中更為廣泛，由于篇幅有限，本文僅就直接控制法中基于功率曲線的功率信號反饋法展開述說。該方法采用直接檢測發(fā)電機輸出功率的方式，通過尋優(yōu)算法在功率-轉(zhuǎn)速特性曲線上定位最大工作點，核心任務(wù)是：實時調(diào)整發(fā)電機側(cè)的負載，使風(fēng)力發(fā)電機始終運行在其當前風(fēng)速下的最佳功率-轉(zhuǎn)速曲線上，從而捕獲最大的風(fēng)能。這個過程需要精確的功率計算，即功率 = 電壓 × 電流。自然界的風(fēng)是瞬息萬變的，變流器的控制環(huán)路必須足夠快，才能跟上風(fēng)能的變化，因此需要足夠快的電流監(jiān)測方案。

功率信號反饋控制法

這是一種不依賴風(fēng)速測量的直接方法，也是最經(jīng)典和常用的MPPT策略之一。它包含兩個主要變種：

a) 最佳轉(zhuǎn)矩控制法

基本原理：

• 已知風(fēng)機的氣動特性，在最佳葉尖速比λ_opt下，風(fēng)輪的機械功率Pm與發(fā)電機轉(zhuǎn)速ω的立方成正比，即Pm_opt = K_opt * ω3。
• 同時，發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩Tg與功率Pm成正比（Pm = Tg * ω）。因此，可以得出最佳轉(zhuǎn)矩指令 T_ref = K_opt * ω2。
• 控制器（通常是變流器）通過快速調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，使其嚴格跟蹤這個最佳轉(zhuǎn)矩曲線。

工作過程：

1. 測量當前的發(fā)電機轉(zhuǎn)速ω。
2. 根據(jù)預(yù)設(shè)的K_opt計算出當前轉(zhuǎn)速下的最佳轉(zhuǎn)矩參考值T_ref。
3. 通過變流器的轉(zhuǎn)矩控制環(huán)，使發(fā)電機輸出轉(zhuǎn)矩跟蹤T_ref。

優(yōu)點：

• 無需風(fēng)速計，結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性強。
• 控制響應(yīng)快，穩(wěn)定性好。
• 是目前風(fēng)能變流器中應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)MPPT方法。

缺點：

其性能依賴于預(yù)設(shè)的K_opt參數(shù)，該參數(shù)會因風(fēng)機葉片污染、空氣密度變化等因素而改變，導(dǎo)致偏離真正的最大功率點。

b) 查表法

基本原理：

• 通過前期的風(fēng)機特性測試，預(yù)先獲得一條在不同轉(zhuǎn)速下的最佳功率曲線P_opt = f(ω)，并存儲在控制器中。
• 系統(tǒng)測量當前轉(zhuǎn)速ω，通過查表得到該轉(zhuǎn)速下應(yīng)該輸出的目標功率P_ref。
• 控制器調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使輸出功率跟蹤P_ref。

優(yōu)缺點：

與最佳轉(zhuǎn)矩法類似，但它直接控制功率。其性能同樣嚴重依賴于預(yù)先存儲的功率-轉(zhuǎn)速曲線的準確性。

在實際風(fēng)能系統(tǒng)中，最佳轉(zhuǎn)矩控制法由于其良好的綜合性能，被認為是最經(jīng)典、最主流的傳統(tǒng)MPPT方法。

霍爾電流傳感器在風(fēng)能MPPT中的作用

在最佳轉(zhuǎn)矩控制和查表法中的作用

在最佳轉(zhuǎn)矩控制和查表法，都依賴電流傳感器進行電流數(shù)據(jù)采集與反饋，在MPPT中電流傳感器具體作用如下：

實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)矩控制

基本原理：發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩Tg?與產(chǎn)生該轉(zhuǎn)矩的電流Iq?(在矢量控制中稱為轉(zhuǎn)矩電流分量) 成正比，即Tg?=Kt??Iq?。

工作流程：

MPPT控制器根據(jù)測量的轉(zhuǎn)速ω，計算出最佳轉(zhuǎn)矩指令Tref?。

轉(zhuǎn)矩指令Tref?被轉(zhuǎn)換為電流指令Iqr?ef?。

變流器的電流內(nèi)環(huán)開始工作，它需要實時測量發(fā)電機的實際相電流。

霍爾電流傳感器（如CM9A）在此刻提供高精度的、與外界隔離的相電流反饋值Iqf?b?。

控制器比較Iqr?ef?和Iqf?b?，通過PID調(diào)節(jié)器等，驅(qū)動變流器的功率開關(guān)器件（如IGBT），使實際轉(zhuǎn)矩電流Iq?快速、準確地跟蹤指令值。

核心價值體現(xiàn)：

精度：CM9A的高精度（±0.3%）確保了轉(zhuǎn)矩控制的精度。如果電流測量有1%的誤差，那么實際轉(zhuǎn)矩也會產(chǎn)生約1%的誤差，導(dǎo)致風(fēng)機偏離最大功率點，造成能量損失。

動態(tài)響應(yīng)：CM9A的快速響應(yīng)（≤1μs）和寬帶寬（100kHz）確保了電流內(nèi)環(huán)——這個控制系統(tǒng)中最內(nèi)層、最快速的閉環(huán)——能夠穩(wěn)定且快速地響應(yīng)。這是整個MPPT系統(tǒng)能夠跟上風(fēng)速變化的前提。

在爬山搜索法中的作用

作用：提供功率計算的關(guān)鍵輸入

基本原理：爬山法通過觀察輸出功率P的變化來決定行動。

功率計算：功率P=V×I。這里，電壓V和電流I都需要被精確測量。

工作流程：

系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速施加一個小的擾動。

霍爾電流傳感器測量擾動后的電流I，同時電壓傳感器測量電壓V。

控制器計算功率P=V×I。

比較擾動前后的功率差ΔP，決定下一次擾動的方向。

核心價值體現(xiàn)：

測量準確性：如果電流測量不準確，計算出的功率P和功率變化ΔP就是錯誤的。算法可能會基于錯誤信息做出完全相反的決策，導(dǎo)致系統(tǒng)遠離最大功率點，或者在MPP附近產(chǎn)生更大的振蕩，效率損失嚴重。

抗干擾能力：風(fēng)電環(huán)境中電磁干擾嚴重。CM9A的高抗干擾能力和優(yōu)異的線性度，能確保在復(fù)雜的噪聲環(huán)境中依然輸出干凈、真實的電流信號，防止算法被噪聲“欺騙”。

霍爾電流傳感器的優(yōu)勢

在MPPT應(yīng)用中，霍爾電流傳感器因以下特點成為首選：

• 非接觸式測量：無需斷開電路，安裝維護方便。
• 寬頻響應(yīng)：適應(yīng)MPPT的高速采樣需求（響應(yīng)時間可達微秒級）。
• 高絕緣性：適用于高壓變流器，提升系統(tǒng)安全性。
• 抗干擾能力強：在風(fēng)電場的復(fù)雜電磁環(huán)境中保持數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

總結(jié)：

雖然在基于風(fēng)速測量的間接控制法不直接依賴電流傳感器，但發(fā)電機的控制也需要通過電流環(huán)來實現(xiàn)，此外過流保護和系統(tǒng)監(jiān)控也用到電流傳感器，總而言之，霍爾電流在MPPT方法中，控制反饋、功率計算和保障系統(tǒng)安全中起著關(guān)鍵作用，如果說，MPPT算法是風(fēng)機的大腦，負責(zé)思考并制定策略；變流器是肌肉，負責(zé)執(zhí)行；那么電流傳感器就是這肌肉的神經(jīng)末梢，它將執(zhí)行的實際情況實時、準確地反饋給大腦，確保大腦的策略被完美執(zhí)行，并根據(jù)反饋進行微調(diào)。