基于弧光原理的风力发电机保护软件设计.docx

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基于弧光原理的风力发电机保护软件设计

本科生毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

基于弧光原理的风力发电

机保护软件设计

学生姓名：

沈若松

学生学号：

201207010516

专业班级：

电自（5）

学院名称：

电气与信息工程学院

指导老师：

鲁文军

学院院长：

王耀南

20年月日

湖南大学

毕业设计（论文）原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的设计（论文）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

学生签名：

日期：

20年月日

毕业设计（论文）版权使用授权书

本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用设计（论文）的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计（论文）的复印件和电子版，允许设计（论文）被查阅和借阅。

本人授权湖南大学可以将本设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本设计（论文）。

本设计（论文）属于

1、保密，在年解密后适用本授权书。

2、不保密。

（请在以上相应方框内打“√”）

学生签名：

日期：

20年月日

导师签名：

日期：

20年月日

基于弧光原理的风力发电机保护软件设计

摘要

风是没有公害的能源之一，它取之不尽，用之不竭。

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

双馈异步风力发电机是目前应用最为广泛的风力发电机，已在国内大规模装设。

但是，风力发电机的保护却没有得到相应的重视，风力发电机内部短路故障时有发生。

发电机内部短路电流与短路性质和短路位置有很大关系，但一般都会造成弧光放电，此时如不及时切除故障，完全可能发展成直接短路直至烧毁发电机。

故本文针对风力发电机可能发生的弧光故障研发出新型弧光保护装置，通过照度传感器对其进行监控，在发生弧光故障时及时的将故障切除，减小对发电机组中设备的损坏。

另外加入温度和湿度传感器，对发电机的运行环境进行监控，并在上位机对系统进行仿真，仿真结果到达了预期的效果。

本课题的研究可用于双馈异步风力发电机的保护，具有实际意义。

关键词：

风力发电机；弧光保护；单片机；I2C总线

Basedontheprincipleofarcwindgeneratorprotectionsoftwaredesign

Abstract

Thewindisoneoftheenergywithoutpublicnuisance,itunlimited.Windpowerasakindofcleanrenewableenergy,moreandmoregettheattentionofthecountriesallovertheworld.Doubly-fedinductionwindgeneratoristhemostwidelyusedwindturbines,havebeenerectedinthedomesticlarge-scale.However,theprotectionofthewindturbineisdidn'tgettheattentionofthecorresponding,windgeneratorinternalshortcircuitfaultoccur.

Generatorinternalshortcircuitcurrenthasalottodowiththenatureofshortcircuitandshortcircuitposition,butgenerallycausearcdischarge,ifnottimelyremovaloffaults,atthistimemaydevelopintoadirectshortcircuitcompletelyuntiltheburninggenerators.Sothewindturbine,theauthorofthispaperthepossibilityofarcfaultdevelopednewarcprotectiondevice,throughtheilluminationsensortomonitorit,inthecaseofarcfaulttimelyfailureamputated,minimisingdamageingeneratingsetequipment.Addition,temperatureandhumiditysensortomonitorgeneratorrunningenvironment,andintheuppermachineonthesystemsimulation,realresultsreachtheexpectedeffect.

Thistopicresearchcanbeusedintheprotectionofdouble-fedinductionwindturbines,haspracticalsignificance.

Keywords:

windturbine;Arcprotection;Singlechipmicrocomputer;TheI2Cbus

1绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1风力发电的发展

随着当今社会的不断发展，越来越多的能源与环境问题涌现出来。

以煤炭、天然气、石油等燃料作为能源的发电厂产生的温室效应是目前世界环境恶化的重要因素。

而核能发电因为核废料的处理问题，也不利于环境保护。

在可持续发展的要求下，风能作为一种无污染、无公害的可再生能源，在各种形式的能源中脱颖而出。

与传统发电形式相比，风力发电具有不消耗矿物质和水资源，减排CO2、SO2、NOx及烟尘污染物等各种优点，展现出巨大的潜力。

就全球而言，现已知世界总风能资源高达53万亿千瓦时，到2020年，世界电力需求预计为25万亿千瓦时/年，可再生的风能资源将比世界预期电力需求的2倍还多。

在联合国1995年所做的一份调查报告中，水能、风能、太阳能、生物质能等清洁能源的开发利用被认为是最有利于人类的，而这之中最经济的就是发展太阳能和风能。

风力发电产业前景被各国看好，欧洲国家更是其中的先驱。

德国最重视风电的发展，对风电发展做出了长远规划，并指出到了2050年实现风力发电量占到总用量的一半。

丹麦的风电业已满足全国用电需求的18%，法国、意大利、英国也都开始制定风电的长远规划并取得了成效。

至于美洲，美国的风电发展占居领先地位，预计到了2050年美国风电量能占总发电总量的10%[1]。

亚洲的风电也是发展迅速，以印度为例，其风电装机容量近乎中国的3.5倍，已经成为世界第四大风电国。

就我国来说，我国的风力资源也是非常丰富，实际可开发的风能储量2.53亿千瓦时[2]。

由于起步较晚，风电厂装机容量较小，虽在近年以年均20%的速度递增，但其容量仍只能占全国发电总容量的0.15%。

国内对风能的利用还难以形成有规模效益的产业，风力发电机组的制造和控制和欧美发达国家相比还有不小的差距，风电发展远未成熟。

不过风力发电已经被国家发改委确立为重点发展的可再生能源之一，并在近年的发展中取得不少突破。

根据规划，到2020年中国装机容量将达到3千万千瓦，其发展前景也是十分广阔。

因此，风力发电在成本不断降低和技术日趋成熟的情况下，已经成为电力系统所有新能源里相对增长最快的发电方式。

大力发展风力发电将有助于实现能源的安全和多元化、减少化石燃料造成的环境污染、替代核能，对生态环境保护、能源结构改善、可持续发展的促进有决定性作用。

1.1.2常用风力发电机组概述

目前市场上使用的风力发电技术分为恒速恒频（constantspeedconstantfrequency，CSCF）和变速恒频（variablespeedconstantfrequency，VSCF）两类。

恒速恒频系统使用同步发电机或感应发电机，当风速变化时，系统进行调节以保持风力机转速恒定，从而实现频率的恒定。

恒速恒频风力机的优点是投资少，结构简单，运行维护方便。

但它有着明显的缺点，如风能利用率低，风力发电机组直接与电网耦合，风电特性直接对电网产生影响等。

变速恒频是交流励磁变速恒频风电系统，采用绕线式异步电机，或者级联式无刷双馈电机。

它的优点是风能利用率高，降低了发电与电网之间的影响，更适应市场需求，缺点是含结构复杂，成本高，技术难度大等。

目前应用最广泛的风力发电机是这类中的双馈异步风力发电机（DFIG，Double-FedInductionGenerator）。

双馈异步风力发电机又可称之为交流励磁发电机，它的结构与绕线式异步电机类似，由定子绕组直连定频三相电网的绕线型异步发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。

这种发电机运用变频器实现它的交流励磁，转差功率由变频器供给，容量的需求大大减小。

频率恒定的对称三相电源激励定子绕组，频率可调的对称三相电源激励转子绕组，定转子之间的转差频率确定电机转速。

工作原理上，双馈异步电机与一般的异步电机基本一致。

不过二者之间也有区别，一般异步电机转子电流频率由电机转速决定，取决于转子短路条感应电势频率，而双馈异步电机转子绕组的频率可以随外加交流励磁电源供电的变化调节。

根据风力机的转速变化，发电系统可调节励磁电流的频率以实现恒频输出；通过改变励磁电流的幅值和相位还可独立调节发电机的有功、无功功率。

双馈式风力发电机系统结构图如图1．1。

图1.1双馈异步风力发电机的结构

1.2国内的研究现状

风力发电在近几年已得到大规模应用。

应用初期，因为风力发电机容量普遍较小，风力发电机均未配置专门的保护。

随着风力发电项目逐渐增多，风力发电机的容量也不断增大。

新增装机中2MW及以上容量的风力发电机逐渐成为主流，如双馈异步风力发电机单机容量普遍为2MW，最大的可以做到5MW甚至10MW。

在这种情况下，风力发电机的保护却没有得到重视。

以目前应用最多的2MW机组为例，发电机只在绕组内部预埋温度传感器，发电机如遇各种故障只能通过温度继电器保护来将其切除。

风力发电机大多数都装设在高原和沿海地区。

高原地区有绝缘条件差的特点，导致发电机发生绝缘击穿短路的概率大。

而沿海地区风力发电机的受潮情况也是相当严重。

在这些不良因素的影响下，一旦发电机发生外部短路，就会引起其内部绕组过流。

如果绕组发生内部相间或匝间短路、匝对地短路，而发电机是电源，内部故障情况无法通过外部电流测量正确反应，这使得发电机绕组有被烧毁的可能。

从近年来对电机制造企业考察调研的情况来看，风力发电机内部的短路故障时有发生，如相间短路，或是相对地短路都并不鲜见。

一旦故障发生，只能更换风力发电机绕组，不仅损失了发电量，还要承担高额的更换维修费用。

按照电力行业标准，发电机容量超过1MW，电动机容量超过2MW，必须配置差动保护。

而目前风力发电机因某些历史原因，未考虑配置复杂的保护，其中性点侧绕组也就没考虑引出，因此无法测量中性点侧的电流。

这也导致现有的双馈风力发电机无法配置差动保护。

而另一方面，现在的大型风力发电机变压器与发电机距离相当接近，有与发电机一起装在机舱内的，也有于塔基架处装设的。

电网局部故障发生频繁，如欠电压、过电压、电网尖峰、低频、高频、相不平衡、电网电压跌落以及电网电压、频率的波动等，因此大型风力发电机组一定要采取更有效的方式来进行保护。

综上所述，如何建立快速有效的风力发电机保护方式，是广大风力发电机开发研究者以及各个电机制造企业需要迫切解决的问题。

接下来将以DIFG为对象分析风力发电机短路故障的具体特点和其通常的保护方式。

1.3风力发电机故障特性分析

双馈风力发电机是目前应用最广的风力发电机组，故选其作为本节讨论对象。

并网运行的双馈风力发电机机组与基于异步发电机的定速风力发电机机组的短路特性有极大的差异，电机各相电流在短路故障发生瞬间发生突变，按指数规律衰减，达到稳态的短路状态，并维持运行。

双馈变速风力发电机机组模型中，双馈电机的转子只考虑励磁支路，所以短路电流的初值由定子绕组暂态电抗与其非周期电流的初值来决定，其短路电流依次根据定子绕组暂态时间常数与其时间常数按指数规律衰减。

当线路发生三相短路故障，双馈风力发电机在仅能提供瞬间性短路电流，而持续短路电流约等于0。

而当线路发生两相短路故障，双馈风力发电机却能提供很大的持续短路电流[3]。

若发生电力系统故障，即使与风机距离很远，也可能导致双馈风力发电机连接点处电压暂降。

电网电压暂降时，DFIG会产生电压和电流的振荡，降落的百分比越大，振荡越剧烈。

因定子和转子之间磁链耦合，电网电压的暂降会导致双馈电机定子绕组电流的增加，这电流也会涌入转子回路和功率电子变流器。

双馈发电机的传递函数有两个弱阻尼极点，它们的振荡频率接近于电网频率，如果双馈电机暴露于这些电网扰动的极点就会引起磁通振荡。

在扰动下，需增加转子电压以控制转子电流，当所需电压超过变流器的电压限制，就不能按需要控制电流。

这说明电压暂降会引起转子回路的高电流和高电压，严重时将导致转子侧的变流器过流或变流器直流侧的电容过压。

为了防止过压或是过流对转子侧的变流器造成危害，通常于转子侧安装撬杠保护电路来保护变流器，这种保护方法称为撬杠保护。

双馈风力发电机在故障时能提供短时故障电流。

因其撬杠保护十分灵敏，发生故障后快速动作，短接转子绕组，使变流器退出运行；而定子电压电流保护动作时间却相对较长，所以，故障切除前，风力发电机以接近于异步电机的方式来提供短路电流[4]。

风力发电机提供故障电流的时间和故障点位置相关。

若故障发生在风电场内，风力发电机感受到较大的冲击，风力发电机保护动作快速，使并网断路器跳开，风力发电机提供故障电流时间很短。

若故障点远离风电场，其距离风电场越远，风力发电机受到故障冲击越小，保护动作时间因此增加，风力发电机提供故障电流时间也变长[4]。

故双馈异步发电机提供故障电流持续时间的长度取决于保护的动作时间。

以前，并网风电厂容量较小，在发电机保护配置及其整定计算时普遍未考虑风电场影响，而是简单地将其作为一个负荷，或将风力发电机视作同步发电机处理，不考虑风力发电机提供的短路电流。

然而，随着风力发电机接入系统的规模越来越大，在电网故障时风力发电机会将向短路点提供一定的短路电流。

在此情况下，发电机保护配置及其整定计算受风电场的影响往往会出现偏差，实际运行时甚至可能引起保护装置误动[5][6]。

1.4课题的目的

从上述分析可以看出，由于风力发电机故障时的短路电流与同步发电机的故障电流不同，它们对风力发电机的继电保护产生不同的影响，对于保护措施的要求非常高，而常用的风力发电机保护方式由于第一章所述的历史原因，难以正确、可靠地动作，新型的弧光保护在这种情况下应运而生。

故本课题的目的在于的研究风力发电机的弧光保护和其软件设计，包括在在原理上阐述它的特点和优势，实现弧光保护硬件原理，和软件程序的编写。

本论文的研究工作安排如下：

（1）在查阅了多种文献和材料的基础上，了解弧光保护的原理，分析其比起传统保护方法的优势。

（2）简要设计硬件系统，完成硬件系统各个组成部分，包括电源、单片机、传感器等的选型。

（3）进行软件程序的设计。

包括熟悉I2C总线通信技术，串口及外部中断的使用，程序的设计与编写。

（4）对软件程序进行仿真，并对仿真结果进行分析。

2风力发电机的弧光保护及其特点

2.1弧光的产生和危害

2.1.1弧光放电的产生和原理

电弧是放电过程中发生的一种现象，两点间的电压超过其工频绝缘强度极限时就会发生。

当适当的条件出现时，一个携带着电流的等离子产生，直到电源侧的保护设备断开才会消失。

空气在通常条件是很好的绝缘体，但由于温度的升高或者其他外部因素的作用，其化学和物理特性发生改变时，它可能变成通电的导体。

空气被电离的同时，温度随之急剧上升产生电弧，这种放电称为弧光放电。

弧光放电产生的条件是小间隙和大电流，类似地，电路两相发生短路便可以产生电弧。

电弧被拉长和冷却，会导致维持它的必要条件缺失进而熄灭，如增加间隙或减小电流，电弧将会消失。

弧光放电一般不需要很高的电压，属于低电压大电流放电。

引起弧光放电的因素多种多样，经过对电厂的调研，主要包含以下几点：

（1）使用不良性能导电体；

（2）绝缘材料损坏（包括：

进水、裂痕、老化等）；（3）人或其他物品意外接触到带电物体；（4）操作过程失误或者设计或安装错误 ；（5）元件损坏，无良好的保养和维修设备；（6）过电压；（7）电网结构的改变（电缆应用增多、系统容量增大）。

从第一章的叙述可以得知，装设在高原和沿海地带的风力发电机绝缘条件差，元件极容易受潮，且风力发电机容量在近年来不断增大，导致电网结构改变频繁。

故风力发电机若发生短路故障，产生持续的短路大电流，一般都造成弧光放电。

2.1.2弧光放电的危害

形成弧光放电的方式主要是电弧性短路起火。

如将两电极接触之后再拉开建立电弧，则维持这10mm长的电弧只需要20V电压。

也就是说只需先接触，之后又分开，就很可能产生局部高温的电弧而成为火源。

在发电设备方面，弧光对设备的损害与其持续的时间有很大的关系，当弧光时间超过100ms时，弧光产生的能量指数级别上升。

即使是小电流故障也能产生弧光，当发生非经属性短路故障时，故障电流可能很小，但如不及时切除故障，完全可能发展成直接短路直至烧毁发电机。

对于一些重要的发电厂，若电弧光没得到及时处理，或是处理不当，还将导致更严重的后果。

其可能点燃发电机组内器件，使绝缘物质燃烧，金属熔化飞溅，甚至引起火灾、爆炸，大面积烧毁配电设备，破坏直流系统，造成重大经济损失。

2.2弧光保护概述

当发电机组产生电弧，可通过三种不同的设计理念保护操作人员和设备的安全：

（1）改良设备机械结构，使之能承受电弧（被动保护）。

（2）给设备安装限制内部电弧效应的装置（主动保护）。

（3）给设备安装限流断路器。

这三种方案（可联合使用）已在电气工业领域内得到快速发展，并为一些主要的开关控制柜制造商所使用。

其中限制内部电弧效应的装置是一种主动保护装置，其内部含有机电与电子装置，通过安装限电弧装置，监测内部出现的故障电弧，比被动保护装置更加复杂。

现我们也可以借鉴开关柜的经验，将其运用到风力发电机组的保护中。

主动保护有两种常见的方法，一是使用压力传感器进行监测，二是使用弧光传感器进行监测。

第一种方法采用压力传感器作弧光探测单元，压力波是装置内发生电弧事故的效应之一，它在电弧出现10-15毫秒后出现，可安装一些压力传感器探测压力峰值。

当内部压力达到某个设定值时，弧光监测装置发出指令，控制开关器件动作。

但是要确定电弧在设备内产生的过压值并非易事，故这种方法的应用并不广泛。

第二种方法则是由于电弧现象会产生强烈光辐射的特点，运用弧光传感器探测弧光。

当弧光监控系统探测到故障，会给断路器发出动作信号。

这种方法非常符合风力发电机的故障特点，保护系统根据弧光检测和过流检测原理，动作快、可靠性高，可以有效保护发电机内部弧光故障和外部短路过流。

当风力发电机发生绕组内部短路时，通过弧光检测能迅速判断出故障并发出跳闸信号。

当风力发电机发生外部短路时，利用常规电流保护的保护功能即可。

运用第二种方法，风力发电机弧光保护内部故障的动作时间为7～10毫秒，远快于各种传统保护方式，能将故障损失降到最低，为快速处理事故，恢复供电创造条件。

2.3本章小结

本章主要介绍了弧光放电的原理和危害、弧光保护的原理和弧光保护对于风力发电机保护的优势。

说明风力发电机组一旦发生故障，出现短路电流，则基本都会发生弧光放电。

若电弧不得到及时处理，还会带来极其严重的后果。

提出能够克服这些问题的新型弧光保护，特别是运用弧光传感器监测电弧的方法，动作快、可靠性高，完全符合风力发电机组的需求。

3弧光保护的硬件方案

弧光保护装置需要具备这两个功能：

一是通过单片机串口与上位机通信；二是对照度传感器设置上限阀值，当传感器检测到光强超过该阀值时，系统能控制对应继电器吸合。

这些功能需要合理的硬件和软件设计来共同实现，其中硬件结构是软件程序的基础，本章主要是简要介绍总体硬件方案，阐述各个硬件模块的功能及选型。

3.1总体硬件结构

本保护装置采取全数字化设计，采用四路照度传感器（ISL29023）、四路温度传感器（LM75A）、四路温湿度传感器（SHT21）、四路开关量输入和四路继电器输出（无源触点）。

这之中，温度、照度和温湿度传感器在实际使用中只需接三路，剩下一路备用。

调试是四路继电器输出的作用，作用于硬件系统的调试的有三路，单片机接收到上位机发送的指令时，根据相应的指令使这三路继电器动作；当传感器检测到超设定阀值光强时，剩下一路动作。

其主控部分选用STCl1L60XE单片机，其电源部分选用AC-DC隔离电源，使输入输出都能实现隔离，而传感器和主机通讯选用I2C数字接口，且使隔离扩展加入，有效将通讯距离延长，使通讯可靠性提高，与上位机接口部分则配置RS-232接口、USB接口和CAN接口，可以任选其一实现通讯[7]。

本文的上位机即指PC，在PC上运行串口调试软件，用于调试系统。

该保护系统使用MCU的I／O口模拟I2C总线，并通过带有I2C接口的传感器对环境中的温度、照度以及湿度进行采集，实现单片机和传感器间的I2C总线通信。

通过单片机串口与上位机之间的连接，连接时以8位的拨码开关选择需求的接口，在设置拨码开关为00000011时，选择RS．232接口进行通信；为00001100时，选择CAN接口通信；在设置为00110000时，选择USB接口通信。

并应用上位机串口调试软件调试系统。

系统重点是监测环境照度数据，如果照度值超越设定上限阀值便会产生中断信号来控制继电器吸合。

3.2硬件模块及其选型简述

系统的硬件主要包括电源模块，单片机模块，I2C总线扩展模块，与上位机接口模块以及传感器模块。

硬件主要结构框图如图3．1所示。

图3．1硬件结构框图

3.2.1电源模块

电源模块负责给系统的各个模块提供匹配且稳定的电源。

采用ZY0012GD．5W作为总的AC-DC电源，并与之配合使用数种隔离电源以减少外部交流信号的干扰，同时将匹配的电压向各个模块提供。

3.2.2单片机模块

单片机模块为系统核心模块，采用STCl1L60XE单片机来作主控制器负责管理并控制这个系统。

因STC单片机无I2C总线接口，本系统利用单片机P0.0和P0.1管脚以模拟I2C总线，来实现其和各个传感器间数据通信；并选择P3．0和P3．1管脚作单片机和上位机间串口通信发送与接收的端口；利用P3．2管脚作外部中断的请求源，在光强超设定阀值令CPU对中断请求作出相应；P2．0~P2．3管脚则是对应这四路继电器的输出管脚。

3.2.3I2C总扩展模块

I2C总线扩展模块用于增加I2C接口数量，延长I2C总线通信距离。

以I2C总线扩展模块来扩展总线，并令传感器接I2C总线，能使系统的模块化设计变得方便。

该模块的总线扩展器件为PCA9545A，能使总线从一路扩展到四路。

传感器