2025年までに、世界の風力発電新規導入容量は1.5億キロワットに達すると予想されており、そのうち中国は50％以上を占めています。風力エネルギーは、太陽光発電の爆発的成長に続くもう一つの成長分野ですが、風力タービンのブレード、ギアボックス、インバーターの故障により、年間発電量の重大な損失が生じています。発電効率の低下は、業界の関心の的となりつつあります。同時に、風力タービンのコンバーターのMPPT効率、系統連系の安定性、故障診断などの問題も風力エネルギーの発展に影響を与えています。以下では、高精度センサーを用いて風力発電システムの効率を向上させる方法について考察します。
風力コンバーターの最大電力点追従（MPPT）
太陽光発電にMPPTがあるように、風力発電にもMPPTがあります。関連統計によると、風力コンバーターのMPPT精度が不十分だと、2-5%のエネルギー損失が生じる可能性があります。風力エネルギー資源の利用を最大化するために、最大電力点追従（MPPT）制御技術、すなわち風力コンバーターのMPPT技術が登場しました。この技術は、風力タービンの回転速度またはピッチ角を動的に調整することにより、様々な風速下でユニットが常に最大出力を出すようにします。その核心原理は、風力エネルギー変換システムのインピーダンスと負荷インピーダンスを一致させ、エネルギー捕捉効率を最大化することにあります。
従来のMPPT制御方法
従来のMPPT制御方法は主に2つに分類されます：風速測定に基づく間接制御法と、風速測定に依存しない直接制御法です。主な方法として、チップ速度比法、電力信号フィードバック法、山登り探索法があります。風速を正確に測定するのは困難かつコストがかかるため、直接制御法が実際の応用ではより広く使用されています。紙面の都合上、本稿では直接制御法の中でも、電力曲線に基づく電力信号フィードバック法についてのみ説明します。この方法は、発電機の出力電力を直接検出する方式を採用し、最適化アルゴリズムを用いて電力-回転速度特性曲線上で最大動作点を特定します。核心の任務は、発電機側の負荷をリアルタイムで調整し、風力発電機が現在の風速における最適な電力-回転速度曲線上で常に動作するようにし、 thereby 最大の風エネルギーを捕捉することです。このプロセスには、正確な電力計算、すなわち 電力 = 電圧 × 電流 が必要です。自然界の風は刻一刻と変化するため、コンバーターの制御ループは風力エネルギーの変化に追従できるだけ十分に高速である必要があり、したがって十分に高速な電流監視ソリューションが必要となります。
電力信号フィードバック制御法
これは風速測定に依存しない直接法であり、最も古典的で一般的なMPPT戦略の一つです。これには2つの主要なバリエーションがあります。
a) 最適トルク制御法
基本原理:
¡風力タービンの空力特性が既知であるとし、最適チップ速度比 λ_opt において、風車の機械的動力 Pm は発電機回転速度 ω の立方に比例します。つまり、Pm_opt = K_opt * ω³ です。
¡同時に、発電機の電磁トルク Tg は動力 Pm に比例します (Pm = Tg * ω)。したがって、最適トルク指令 T_ref = K_opt * ω² が得られます。
¡コントローラー（通常はコンバーター）は、発電機トルクを高速に調整し、この最適トルク曲線を厳密に追従させます。
作業プロセス:
1.現在の発電機回転速度 ω を測定します。
2.事前設定された K_opt に基づいて、現在の回転速度における最適トルク基準値 T_ref を計算します。
3.コンバーターのトルク制御ループを通じて、発電機出力トルクが T_ref を追従するようにします。
利点:
¡風速計が不要、構造が簡単、ロバスト性が高い。
¡制御応答が速く、安定性が良い。
¡現在、風力コンバーターで最も広く使用されている従来のMPPT方法です。
欠点:
¡その性能は事前設定された K_opt パラメータに依存し、このパラメータは風車ブレードの汚染、空気密度の変化などの要因によって変化し、真の最大電力点からずれる原因となります。
b) テーブル参照法
基本原理:
¡事前の風力タービン特性テストにより、様々な回転速度における最適電力曲線 P_opt = f(ω) を事前に取得し、コントローラーに保存します。
¡システムは現在の回転速度 ω を測定し、テーブルを参照してその回転速度で出力すべき目標電力 P_ref を取得します。
¡コントローラーはシステムを調整し、出力電力が P_ref を追従するようにします。
長所と短所:
¡最適トルク法と同様ですが、電力そのものを直接制御します。その性能は同様に、事前に保存された電力-回転速度曲線の正確さに大きく依存します。
実際の風力システムでは、最適トルク制御法はその優れた総合性能により、最も古典的で主流の従来のMPPT方法と考えられています。
ホール電流センサーが風力MPPTで果たす役割
最適トルク制御法およびテーブル参照法における役割
最適トルク制御法およびテーブル参照法の両方において、電流センサーは電流データの収集とフィードバックに依存しています。MPPTにおいて電流センサーが果たす具体的な役割は以下の通りです：
正確なトルク制御の実現
¡基本原理: 発電機の電磁トルク T は、そのトルクを発生させる電流 I（ベクトル制御ではトルク電流成分と呼ばれる）に比例します。つまり、T = K_t * I_q です。
¡ワークフロー:
MPPTコントローラーは、測定された回転速度 ω に基づいて、最適トルク指令 T_ref を計算します。
トルク指令 T_ref は電流指令 I_q_ref に変換されます。
コンバーターの電流内側ループが動作を開始します。これは発電機の実際の相電流をリアルタイムで測定する必要があります。
ホール電流センサー（例：CM9A）はこの時、高精度で、外界から絶縁された相電流フィードバック値 I_q_fb を提供します。
コントローラーは I_q_ref と I_q_fb を比較し、PID調節器などを通じて、コンバーターのパワースイッチングデバイス（例：IGBT）を駆動し、実際のトルク電流 I_q が指令値に高速かつ正確に追従するようにします。
¡核心的価値の体现:
精度: CM9Aの高精度（±0.3%）は、トルク制御の精度を保証します。電流測定に1%の誤差があると、実際のトルクも約1%の誤差を生じ、風力タービンが最大電力点からずれ、エネルギー損失を引き起こします。
動的応答: CM9Aの高速応答（≤1μs）と広い帯域幅（100kHz）は、制御システム中最も内側で最速の閉ループである電流ループが安定かつ高速に応答することを保証します。これはMPPTシステム全体が風速変化に追従で
きる前提条件です。
山登り探索法における役割
役割: 電力計算の重要な入力を提供
基本原理: 山登り法は、出力電力 P の変化を観察して次の動作を決定します。
電力計算: 電力 P = V × I。ここで、電圧 V と電流 I の両方を正確に測定する必要があります。
ワークフロー:
1.システムは回転速度に小さな外乱を与えます。
2.ホール電流センサーは外乱後の電流 I を測定し、同時に電圧センサーは電圧 V を測定します。
3.コントローラーは電力 P = V × I を計算します。
4.外乱前後の電力差 ΔP を比較し、次の外乱の方向を決定します。
核心的価値の体现:
¡測定の正確性: 電流測定が不正確な場合、計算された電力 P と電力変化 ΔP は誤ったものになります。アルゴリズムは誤った情報に基づいて全く逆の決定を下し、システムが最大電力点から遠ざかるか、MPP付近でより大きな振動を生じさせ、効率損失を深刻化させる可能性があります。
¡耐妨害能力: 風力発電環境は電磁妨害が深刻です。CM9Aの高い耐妨害能力と優れた直線性は、複雑なノイズ環境下でもクリーンで真実の電流信号を出力し、アルゴリズムがノイズに「欺かれる」のを防ぎます。
CM9A H00シリーズ 電流センサー
製品モデル
CM9A 1500 H00
CM9A 3500 H00
CM9A 5000 H00
本センサーの一次側と二次側は絶縁されており、直流、交流、パルス電流の測定に使用されます...
特性
ホール原理に基づく閉ループ（補償）電流センサー
一次側と二次側の間は絶縁
原材料は UL 94-V0 準拠
優れた直線性
卓越した精度
低温ドリフト
挿入損失なし
実行標準:
¡IEC 60664-1:2020
¡IEC 61800-5-1:2022
¡IEC 62109-1:2010
電気的特性CM9A 5000 H00※特に断りがない限り、以下のデータは TA=25℃, Vc=±24V, Rm=5Ω の条件下でのテスト結果です。
パラメータ 記号 単位 最小値 典型値 最大値 備考
一次側定格電流実効値 I_PN A -5000 5000
一次側電流測定範囲 I_PM A -5500 5500
測定抵抗 R_M Ω 0
二次側定格電流実効値 I_SN mA -100 100
二次側コイル抵抗 R_S Ω 12 25℃
二次側電流測定範囲 I_S mA -120 120
コイル巻数 N - 5000
理論的ゲイン G mA/A 0.2
電源電圧 V_C V ±24 @±15%
電流消費 I_C mA 47+I_S @±24V
オフセット電流 I_O mA -0.5 0.5
オフセット電流の温度ドリフト ΔI_O mA -0.5 0.5 @-40℃～85℃
残留オフセット電流 @I_P=0 after I_P≠0 I_ROM mA -0.2 0.2
ゲイン誤差 E_G % -0.2 0.2 I_Oを含まない
直線性誤差 E_L % of I_PN -0.1 0.1 I_Oを含まない
精度 @T_A=25℃ - % of I_PN -0.3 0.3 I_Oを含まない
応答時間 @90% of I_PN t_r μs 1 di/dt=75A/μs
周波数帯域幅 (-3dB) BW kHz 100
ホール電流センサーの利点
MPPT応用において、ホール電流センサーは以下の特徴により首选されます：
非接触測定: 回路を切断する必要がなく、設置・メンテナンスが容易。
広帯域応答: MPPTの高速サンプリング要求（応答時間はマイクロ秒級に達する）に対応。
高絶縁性: 高圧コンバーターに適用可能、システムの安全性向上。
耐妨害能力が強い: 風力発電所の複雑な電磁環境下でもデータの安定性を維持。
まとめ:
風速測定に基づく間接制御法は電流センサーに直接依存しませんが、発電機の制御には電流ループを通じて実現する必要があり、さらに過電流保護やシステム監視にも電流センサーが使用されます。要するに、ホール電流センサーは、MPPT方法において、制御フィードバック、電力計算、システムの安全性保証に重要な役割を果たします。もし、MPPTアルゴリズムが風力タービンの頭脳であり、思考し戦略を立てる役割を担い、コンバーターが筋肉であり、実行を担当するならば、電流センサーはこの筋肉の神経末端です。それは実行の实际情况をリアルタイムかつ正確に頭脳にフィードバックし、頭脳の戦略が完璧に実行され、フィードバックに基づいて微調整が行われることを保証します。