从 1 GW/4 GWh 大规模构网型储能电站看霍尔电流传感器在储能系统中的关键作用-电子发烧友网

随着可再生能源逐渐取代大型化石燃料发电，但可再生能源的波动性容易对电网造成冲击，于是引入构网型储能技术稳定可再生能源电网。

12月6日，迄今为止全国最大甚至全球最大的构网型储能电站项目正式投运，该项目采用构网型技术，建设储能容量为1000兆瓦/4000兆瓦时（即 1 GW/4 GWh），直接接入500千伏阿荣旗站220千伏侧。该项目能显著提升当地风能和光伏发电消纳能力，每年对外输出绿色电力10.32亿度，可减少煤耗约3亿吨。那么，在这种大容量、高电压、快速动态响应的新型储能系统中，如何做电流监测呢？

构网型储能系统概况

什么是“构网型储能”

构网型储能（Grid-Forming Storage）是一种能‌自主构建并维持电网电压和频率稳定‌的先进储能技术，通过控制变流器产生恒定的交流电压源，从而获得类似同步发电机一样的运行特性。与依赖电网相位信息的“跟网型储能”不同，构网型储能不需要锁相环（PLL）同步，能够在弱电网或离网环境下独立工作，为电力系统提供电压和频率支撑，主动支撑电网安全，尤其适用于高比例新能源接入的电力系统。

构网型储能是构建“双高”新型电力系统的“刚需”，是解决新能源消纳、电网安全稳定运行的关键技术。

核心特点

电压源特性：本质是电压源，能独立设定和输出稳定电压与频率。
主动支撑：不被动跟随电网，而是主动提供惯量和电压支撑，提升系统强度。
孤岛运行：可脱离主网，在微电网或偏远地区独立供电。
虚拟同步机：等效于大型同步发电机，提供惯量和阻尼。

工作原理

‌虚拟同步发电机（VSG）技术‌：通过控制算法模拟同步发电机的惯性、阻尼特性，使储能系统像传统发电机一样稳定运行。‌
‌储能变流器（PCS）‌：作为核心硬件，实时调节有功和无功输出，毫秒级响应电网需求。

单级式储能PCS拓扑结构图‌‌

与传统“跟网型”储能的对比

跟网型（并网型）：依赖电网信号，被动适应，像“四肢”执行功率调节。
构网型：主动“创造”电网，像“心脏”维持生命体征，提供稳定基底。

构网型储能系统电流监测要求

构网型储能系统不是跟着电网走，而是给电网定规则，主动建立电网电压、频率、惯量支撑，响应速度远高于普通逆变器。因此，电流传感器的要求明显更高。

高精度

系统需实时监测电池充放电电流（用于SOC估算、过流保护等）和PCS输出电流（用于功率控制、谐波分析），测量精度直接影响系统决策和电网质量。例如，电池管理系统（BMS）中电流监测的典型精度需达到±1% @25℃，而磁通门技术甚至能实现0.01%的极高精度。

高频带宽 & 快速动态响应

构网型储能需应对电网的瞬时波动，电流传感器需具备‌快速响应能力‌（如跟踪时间≤5μs）和‌宽动态范围‌，以准确捕捉从几十mA到上千A的电流变化，满足从模块级监测到系统出口的全场景需求。

极端环境下的稳定性

传感器需在‌宽温范围‌（如-40℃~150℃）、‌强电磁干扰‌（如10kV/m）、‌高湿度/多尘‌（IP67防护等级）等复杂工况下保持稳定输出，确保数据可靠。

‌高隔离与安全性

高压直流系统要求传感器具备‌高隔离耐压‌（如4.8kV），保障人员安全和设备绝缘。同时，‌无插入损耗‌设计可避免影响系统效率。

宽量程与过载能力

量程范围：需覆盖从空载到2倍额定电流的宽范围，以应对构网型储能在故障穿越或暂态过载时的大电流工况（如1.5倍过载持续10秒）。

过载耐受：传感器需具备短时过载能力（如3倍额定电流持续1秒），避免在电网故障时损坏。

多维度监测需求

三相不平衡监测：构网型储能需独立支撑三相电压，因此需实时监测三相电流的幅值和相位差，确保输出电压的对称性。

谐波与直流分量：需监测电流中的谐波含量（如THD<3%）和直流分量，防止谐波注入电网或影响变流器安全。

宽频带监测：需覆盖0.1Hz～1kHz的宽频带，以识别电网的次同步振荡或高频噪声。

可靠性与冗余设计

冗余配置：关键节点（如并网点PCC）需采用双重或三重冗余的电流传感器，确保单一传感器故障时系统仍能稳定运行。

抗干扰能力：传感器需具备高共模抑制比（CMRR>120dB）和电磁兼容（EMC）设计，抵御变流器开关噪声和电网谐波干扰。

自诊断功能：需集成实时自检机制，如传感器断线、饱和或漂移检测，并触发保护动作。

与控制系统的协同

闭环控制：电流监测数据需直接接入构网控制器，作为虚拟同步机（VSG）或下垂控制的反馈信号，实现毫秒级响应。

故障穿越：在电网短路等故障时，需快速监测故障电流，支持低电压穿越（LVRT）或高电压穿越（HVRT）策略。

黑启动支持：在离网或黑启动场景下，需监测微电网内的电流变化，确保系统能自主建立电压和频率

技术选型建议‌：

传感器类型	优点	缺点	适用场景
霍尔电流传感器	宽频带、高精度、隔离测量	易受温漂影响，成本较高	高精度监测、宽量程应用
磁通门传感器	极高精度、低漂移	量程较小，响应速度慢	直流分量或小电流精密监测
罗氏线圈	无饱和、宽频带、高过载能力	需积分电路，易受干扰	暂态电流、故障录波
分流器	低成本、高精度	无隔离、功耗大	小容量系统或辅助监测

构网型储能的控制要求非常苛刻：

高频 PWM：16–48kHz
电流突变极快
故障穿越需亚毫秒级响应

因此传感器需要：

带宽 ≥100kHz（推荐 200kHz+）
响应时间 < 1–2 μs

传统分流器、低带宽霍尔、CT 很难满足。

高性能霍尔 ASIC 和闭环霍尔成为主流选择。

霍尔电流传感器在构网型储能中的典型应用

霍尔电流传感器在构网型储能系统中的应用涵盖多方面，主要有电流监测、保护、控制及故障诊断等多个环节。

1. PCS 主电流检测（高带宽 + 大电流）

如储能变流器PCS的交直流侧需实时监测大电流（如±5000A），以确保系统稳定运行。

霍尔传感器选型

闭环霍尔传感器：

量程：100A～2000A（或更高，如CM9A 5000A）。

精度：0.3%～1%（满足构网型储能的高精度要求）。

带宽：100kHz（捕捉高频暂态电流）。

响应时间：<1μs（满足毫秒级控制需求）。

技术优势

高隔离：原边与副边绝缘耐压≥6kV，确保安全。

宽量程：覆盖过载工况（如1.5倍额定电流）。

低温漂：适应户外储能的温度变化（-40°C～85°C）

2. 电池簇 / 分支电流检测（高精度 + 小电流）

构网型储能系统的电池簇需监测每个簇的充放电电流，以实现 SOC（荷电状态）估算和均衡控制。

霍尔传感器选型

闭环霍尔传感器（如芯森CR1A/CS1V系列）：
量程：50A～300A（适用于电池簇级监测）。
精度：0.5%～1%。
响应时间：<3μs。

技术优势

高精度：确保SOC估算的准确性。
低功耗：减少对电池管理系统（BMS）的影响。
冗余设计：多传感器并联，提高可靠性

3. DC/DC 回路电流检测（双向高频）

适用于光储、风储、变流单元等双向功率流场景：

要求带宽高
双向精度一致
不受 di/dt 干扰

4. 虚拟同步机（VSG）控制

构网型储能通过虚拟同步机（VSG）技术模拟同步发电机的惯量和调频特性。霍尔传感器用于监测：

有功/无功电流：实现下垂控制和频率支撑。
暂态电流：响应电网频率波动。

霍尔传感器选型

高精度闭环霍尔传感器（如芯森CM9A系列）：

精度：0.1%～0.5%。
带宽：10kHz～100kHz。

技术优势

高精度：确保VSG控制的准确性。
低延迟：实时响应电网频率变化。
抗干扰：抑制变流器开关噪声

霍尔传感器在构网型储能中的局限性及解决方案

局限性	解决方案
高频噪声干扰	采用差分设计或数字滤波抑制噪声。
温度漂移	选择低温漂传感器或增加温度补偿算法。
量程限制	采用多传感器并联或分段量程设计。
成本较高	在非关键回路使用开环霍尔传感器（如AN3V）降低成本。