中国の風力発電開発が「砂漠・ゴビ砂漠・荒野地域」および遠浅海域へと加速的に進展するにつれ、風力発電機の単機容量は一般的に3MW～15MWの範囲に入っています。このような大型機種は、核心的な電力電子システム、特にコンバータの信頼性、制御精度、環境適応性に対してより高い要求を提起しています。
コンバータ制御閉ループにおいて、電流検出は基本的な感知环节です。その正確性は、ベクトル制御性能、電源品質、故障穿越能力、さらには機体全体の安全性に直接影響します。本稿では、実務的な観点から、大型風力発電機コンバータにおける電流検出の重要要件、典型的な課題を整理し、各種センシング技術の適用限界を分析します。
一、コンバータアーキテクチャと電流検出要件
現在の主流の風力発電機は、主に二種類のコンバータトポロジーを採用しています：
二重給電誘導発電機（DFIG）：回転子側の電力のみがコンバータを流れるため、固定子、回転子、及び系統側電流の同時監視が必要です。
永久磁石同期発電機（PMSG）：全電力コンバータ方式で、直流母線を介して発電機側と系統側を接続し、全てのエネルギーを正確に計測する必要があります。
どのアーキテクチャにおいても、以下の機能は高忠実度の電流フィードバックに依存しています：
● 発電機の磁界方向制御（FOC）
● 力率調整
● 低電圧穿越（LVRT）支援
● 過電流/短絡高速保護
二、5つの主要な検出ポイントと技術的要件
2MW以上の風力発電機では、電流センサーは通常以下の位置に配置され、それぞれが異なる制約に直面します：
発電機側三相電流（MSC）
役割：トルクと磁束のデカップリング制御に使用。
典型的要求：帯域幅は数十kHz以上（特にワイドバンドギャップ素子採用時）をカバーする必要があり、精度はフルスケールの0.5%以上、且つ-40℃～+70℃の温度範囲で安定性を維持すること。
直流母線電流（PMSG特有）
役割：電力バランス、超速時のエネルギー放散、母線短絡保護を実現。
典型的要求：測定範囲は数百～二千アンペアに達することが多く、電流急変に対する飽和耐性を備え、高レベルの電気絶縁（風力発電所の雷サージ及び地電位差対応）を満たす必要がある。
系統側出力電流（GSC）
役割：系統連系電流制御、高調波抑制、無効電力支援。
典型的要求：LVRTなどの高速制御を支援するため、応答時間はマイクロ秒級である必要がある。同時に、高いdv/dt（数十kV/μsに達する可能性）による同相ノイズに耐える必要がある。
回転子励磁電流（DFIG特有）
役割：無効電力調整、故障時の振動抑制。
典型的要求：長期安定性が高く、温度ドリフトが小さく、ナセル振動環境に適応すること。
補助システム（ピッチ制御、ヨー制御等）
要求は低い：帯域幅5～10kHz、精度1%～3%で十分。コストと集積の利便性がより重視される。
三、風力発電シナリオにおける特殊な制約
太陽光発電や蓄電システムと比較して、風力発電機の動作環境はより過酷です：
広い温度範囲：昼夜の温度差が大きく、センサーの零点ドリフトが制御ループの安定性に影響する可能性がある。
持続的な振動：タワーとナセルに低周波振動が存在し、センサーの機械構造に要求が生じる。
高いdv/dtノイズ：SiC/GaN素子のスイッチング速度が極めて速く、寄生容量を通じてサンプリング信号に干渉が結合されやすい。
高い絶縁要求：風力発電所では雷が頻繁に発生し、一次側と二次側間の絶縁耐圧は通常4kVrms以上が要求される。
長寿命設計：機体全体の設計寿命は約20年であり、センシング部品は高いMTBF（平均故障間隔）が必要。
これらの要因により、一部の低コスト方案（例えば一般的な開ループホールや単純な分流器）は、重要な箇所での応用が制限されています。
四、主流の電流センシング技術比較と選定考量点
現在、技術現場で一般的な電流検出方案は以下を含みます：
| 技術タイプ | 原理 | 長所 | 限界 | 典型的な応用場景 |
|---|---|---|---|---|
| 閉ループホール（磁気平衡式） | 磁束補償 | 高精度、高帯域幅、天然絶縁、挿入損失なし | コスト高、体積大きめ | 発電機側/系統側主回路、DC母線 |
| 開ループホール | ホール素子直接磁気測定 | コスト低、体積小 | 温度ドリフト大、帯域幅制限あり、dv/dt干渉を受けやすい | 補助電源、小電力駆動 |
| ロゴウスキーコイル | di/dt誘起積分 | 磁心飽和なし、応答速い、柔軟な取り付け | 低周波/直流には無効、積分回路が必要 | ブリッジ臂過電流保護、故障検出 |
| 分流器+絶縁増幅 | オームの法則+絶縁 | 精度高、帯域幅極めて広い | 電力損失あり、強絶縁設計が必要、大電流には不向き | 小電流またはコスト敏感なDFIG励磁回路 |
高信頼性が要求される主電力回路では、閉ループホール方案はその総合的な性能特性から広く採用されています。その貫通形構造は大断面導体の集積を容易にし、追加の放熱設計が不要なため、風力発電コンバータにおいて優れた工学的適合性を有します。
但し、注意すべき点は、「万能な方案はない」ということです。例えば、過電流保護のみ必要なブリッジ臂の位置では、ロゴウスキーコイルがその抗飽和特性から優位性を持つ可能性があります。一方、ピッチ制御モーターなどの補助システムでは、開ループホールや集積IC方案がよりコストパフォーマンスに優れます。
CM9A HOOシリーズ
芯森 CHIPSENSE
電流センサー
製品モデル
CM9A 1500 H00
CM9A 3500 H00
CM9A 5000 H00
当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剛環（補償）電流センサー
◆ 一次側と二次側は絶縁
◆ 原材料はUL94-V0準拠
◆ 優れた直線性
◆ 優れた精度
◆ 低温ドリフト
◆ 挿入損失なし
◆ 適合規格:
IEC 60664-1:2020
IEC 61800-5-1:2022
IEC 62109-1:2010
産業応用分野
◆ 風力発電インバーター
◆ AC可変速駆動、サーボモーター
◆ 無停電電源装置（UPS）
◆ 直流モーター駆動用静止形コンバータ
◆ スイッチング電源（SMPS）
◆ 溶接機電源
◆ バッテリー管理
◆ 風力発電用コンバータ
◆ 試験・計測機器
安全使用上の注意
センサーの使用はIEC 61800-5-1規格に従わなければなりません。
センサーは、使用説明書の要求に従い、適用規格と安全要求を満たす電子または電気設備内に設置されなければなりません。
五、結語：感知精度が制御の上限を決める
電流検出はコンバータ内では「脇役」ではありますが、システム全体の性能限界に深く影響します。風力発電機がより大電力、高効率、強力な系統支援能力へと進化するにつれ、基礎となるセンシング技術への要求は一層厳しくなるでしょう。
電力電子エンジニアにとって、異なるセンシング技術の物理原理、ノイズ感応点、故障モードを理解することは、複雑な動作条件下で合理的な選定を行うための鍵となります。将来において、帯域幅、温度ドリフト、寿命、コストの間で如何にバランスを取るかは、依然として持続的な探求の価値がある方向です。