摘要：隨著全球變(biàn)暖的加(jiā)劇(jù)，經濟發展所(suǒ)帶來(lái)的環(huán)境(jìng)保護問題越來越突出(chū)，中(zhōng)國(guó)也(yě)相應地製定(dìng)了(liǎo)“碳達峰(fēng)，碳中(zhōng)和"目標(biāo)，發(fā)展清(qīng)潔(jié)能源(yuán)已是必要(yào)的途徑(jìng)
。近幾(jī)年(nián)，風(fēng)力(lì)發電機(jī)單機容(róng)量(liáng)不斷增加，安(ān)裝(zhuāng)地點也(yě)從陸上發(fā)展到(dào)了(liǎo)海(hǎi)上(shàng)，針對(duì)海(hǎi)上大容(róng)量風電機(jī)組(zǔ)提出(chū)了(liǎo)一種新的保(bǎo)護(hù)方(fāng)案，該保護方案是(shì)將弧光(guāng)傳(chuán)感(gǎn)器及(jí)電流測(cè)量綜合應(yīng)用於海上(shàng)風(fēng)力發電機的保(bǎo)護中去，提出(chū)了單判(pàn)據(jù)和雙判據(jù)方案(àn)，提高了(liǎo)海(hǎi)上風電機組運(yùn)行的(dí)安全性
。本(běn)文主(zhǔ)要通過對(duì)風力(lì)發電(diàn)技(jì)術的(dí)研究和(hé)分(fēn)析，進而對(duì)電(diàn)弧(hú)光(guāng)保(bǎo)護在風力(lì)發電(diàn)機(jī)中(zhōng)的(dí)應(yīng)用(yòng)進行(háng)幾點建(jiàn)議(yì)提出(chū)
。

關鍵詞：電(diàn)弧光(guāng)，保護，風力(lì)發電(diàn)機，應(yīng)用(yòng)

1. 風(fēng)力(lì)發(fā)電係(xì)統類型

1.1 依(yī)據機組容量(liáng)劃(huá)分

風(fēng)力發電係(xì)統如果是依照機(jī)組(zǔ)的容量進行(háng)劃分(fēn)，一般可以(yǐ)分為(wéi)四(sì)種類型，這四種類型的容量也(yě)存在(zài)一(yī)定的(dí)差異(yì)性
。第(dì)一(yī)種：小(xiǎo)型(xíng)機(jī)組(zǔ)
。這種(zhǒng)類(lèi)型的(dí)機組容量(liáng)一(yī)般在(zài)0.1～1kW
。第(dì)二種：中型(xíng)機(jī)組
。這(zhè)種(zhǒng)類(lèi)型(xíng)的機(jī)組(zǔ)容量一般(bān)在(zài)1～1000kW
。第三種：大(dà)型機組(zǔ)
。這(zhè)種類型(xíng)的機組(zǔ)容(róng)量一般(bān)在1～10MW
。第四種(zhǒng)：巨型機(jī)組
。這(zhè)種類型的(dí)機組(zǔ)容量(liáng)一般在10MW以(yǐ)上
。

1.2 依據發電機運(yùn)行特征(zhēng)及(jí)控(kòng)製(zhì)方式(shì)劃分

如果是(shì)依照發電機的(dí)運(yùn)行特(tè)征，或(huò)者是(shì)依(yī)照(zhào)發電(diàn)機的(dí)控製方(fāng)式(shì)，來(lái)進(jìn)行劃分，一(yī)般(bān)能(néng)夠分為(wéi)兩種(zhǒng)
。第一種是(shì)變(biàn)速恒頻風力發電係統
。這種係統的(dí)風(fēng)力(lì)機(jī)，其(qí)轉(zhuǎn)速一般是能夠進行調節的，並且(qiě)能夠(gòu)從一(yī)定程度上(shàng)合理(lǐ)利用風(fēng)能來(lái)提升(shēng)係統的發(fā)電率
。第二(èr)種是(shì)恒速(sù)恒頻(pín)風力發(fā)電係(xì)統
。這(zhè)種係統在(zài)當(dāng)今(jīn)時(shí)期(qī)使(shǐ)用的(dí)比較少，這一(yī)類(lèi)型(xíng)的係統雖(suī)然(rán)使用(yòng)起來(lái)比較便(biàn)捷(jié)，但(dàn)是，對於(yú)風(fēng)能的(dí)利(lì)用率(shuài)一般比較低，且(qiě)發(fā)電率往(wǎng)往(wǎng)也不(bù)高(gāo)，存在(zài)一定的(dí)不(bù)足
。

1.3 運行方(fāng)式(shì)分類

依(yī)照(zhào)風(fēng)力發電(diàn)的(dí)運行(háng)方式(shì)來進(jìn)行(háng)分類(lèi)，一(yī)般可以分為(wéi)兩種(zhǒng)類型
。首先，是並網(wǎng)型風(fēng)力(lì)發電(diàn)係統(tǒng)
。這種(zhǒng)係統和一般的發電模(mó)式相同，一般需要利用大電(diàn)網(wǎng)來提升(shēng)對風能的利用(yòng)率(shuài)
。其優(yōu)勢(shì)是費用(yòng)較低，在當(dāng)前這(zhè)一時期(qī)中(zhōng)是比較常見的(dí)
。其次(cì)，是(shì)離網(wǎng)型風力(lì)發電係統
。這(zhè)種發(fā)電係統(tǒng)一(yī)般(bān)是獨立運(yùn)行的，並(bìng)且(qiě)這一係(xì)統(tǒng)的(dí)容(róng)量比較小
。在(zài)一般的城鄉公路(lù)中(zhōng)會比較(jiào)常見此種係(xì)統
。

1. 弧光(guāng)保(bǎo)護原理

2.1電弧光(guāng)的產生

電弧光是氣(qì)體放電(diàn)的最終形式
。當圍繞(rào)氣體(tǐ)原子的電子被(bèi)電(diàn)離為等離(lí)子體(tǐ)後，稱為遊(yóu)離(lí)的(dí)自由(yóu)電子，並在外(wài)界因素或較(jiào)高電場作用下(xià)向外輻射電(diàn)磁波(bō)，這種(zhǒng)在放(fàng)電通道周圍向外輻射的電磁波就是(shì)電(diàn)弧(hú)光
。根據(jù)相關文(wén)獻，電(diàn)弧(hú)光(guāng)的能量主要集(jí)中在(zài)300～400nm的紫外(wài)光(guāng)波段和500～600nm的可(kě)見(jiàn)光波段(duàn)，中(zhōng)心波長分(fēn)別(bié)約為330nm和(hé)530nm，並且，電弧(hú)光具(jù)有(yǒu)在(zài)紫外光(guāng)波段的(dí)能(néng)量大(dà)於(yú)其(qí)在可(kě)見光能(néng)量(liáng)的(dí)趨(qū)勢
。

2.2弧(hú)光傳感器(qì)

弧光(guāng)傳感器是(shì)一(yī)種光(guāng)感應(yīng)元件(jiàn)
。當(dāng)發生(shēng)短路產生(shēng)弧(hú)光時，光的(dí)強度(dù)將突然(rán)增(zēng)加(jiā)，弧(hú)光傳(chuán)感器(qì)內(nèi)電(diàn)子元(yuán)件(jiàn)就會將光(guāng)信號(hào)轉換(huàn)為電(diàn)信(xìn)號，通過專(zhuān)用(yòng)光(guāng)纖將光信(xìn)號(hào)傳送給弧(hú)光采集單元或弧(hú)光(guāng)保(bǎo)護單(dān)元(yuán)，光電(diàn)轉(zhuǎn)換(huàn)在弧光(guāng)采集單(dān)元(yuán)或(huò)弧(hú)光(guāng)保(bǎo)護單元完(wán)成(chéng)，從(cóng)而(ér)對後續的(dí)動作作出(chū)判(pàn)據支(zhī)撐
。弧光傳感器應(yīng)具有(yǒu)抗幹擾(rǎo)能力(lì)強，光學計(jì)量精度準確(què)，可靠性高(gāo)等(děng)特(tè)點(diǎn)
。

2.3快速性保(bǎo)護

電(diàn)弧光(guāng)故障的危害程度(dù)取(qǔ)決(jué)於(yú)電弧(hú)光電(diàn)流(liú)的大小及切除時(shí)間長(cháng)短(duǎn)，電弧(hú)光(guāng)產生的能(néng)量(liáng)I2t與切除時間(jiān)T成(chéng)指(zhǐ)數(shù)規律快速上(shàng)升，如圖1所示
。從圖(tú)1可以看出(chū)，電弧(hú)燃燒持(chí)續時間(jiān)超過(guò)100ms，所(suǒ)釋放的(dí)能量開(kāi)始(shǐ)急劇增(zēng)加，接著各種故障效應會對開關設(shè)備的電纜，銅(tóng)排(pái)等造(zào)成(chéng)嚴重(zhòng)損壞(huài)，超過(guò)200ms，其能量(liáng)已達到(dào)櫃(guì)體燃燒(shāo)級別，所以保護動(dòng)作時間越快越(yuè)好(hǎo)
。要(yào)保證(zhèng)設(shè)備不受結(jié)構性(xìng)損(sǔn)傷(shāng)，必須盡量(liáng)縮(suō)短切(qiē)除(chú)時(shí)間(jiān)，根(gēn)據(jù)相(xiāng)關標準，純弧光(guāng)跳閘(zhá)時間小於10ms，帶電(diàn)流(liú)雙(shuāng)重判(pàn)據(jù)的(dí)動作時(shí)間(jiān)小於20ms
。

圖1電弧光(guāng)的危(wēi)害示意圖

3.弧光保(bǎo)護在風電中的應用(yòng)

風力發電(diàn)用電弧光保護(hù)裝置(zhì)安裝(zhuāng)在塔(tǎ)基控(kòng)製櫃(guì)內，主要由主(zhǔ)控單(dān)元和(hé)弧光(guāng)傳(chuán)感器(qì)等幾(jī)部分組成(chéng)，主控單元用於(yú)管理，控(kòng)製(zhì)整套(tào)電弧光保護係統(tǒng)，通過檢測弧(hú)光和電流增(zēng)量信號，並對收(shōu)到(dào)的單(dān)個信(xìn)號(hào)或2種(zhǒng)信號進行(háng)處(chǔ)理，判斷(duàn)，弧光傳感(gǎn)器(qì)安(ān)裝在(zài)中壓(yā)開關(guān)櫃及(jí)塔基變頻器內部
。在滿足跳(tiào)閘條件時(shí)，發出(chū)跳閘指令以切除(chú)故障(zhàng)
。弧光傳感(gǎn)器(qì)先將檢(jiǎn)測(cè)到(dào)的弧光信(xìn)號傳(chuán)輸(shū)給(gěi)弧光采(cǎi)集(jí)單元(yuán)，弧(hú)光采集(jí)單元再(zài)通過光纖信(xìn)號反(fǎn)饋給(gěi)主控單(dān)元(yuán)
。

3.1總體(tǐ)結構(gòu)設計

在風(fēng)力發(fā)電(diàn)機(jī)箱變高壓(yā)側，低壓側，變(biàn)頻器(qì)內(nèi)部分別單(dān)一(yī)布(bù)置弧光傳感器(qì)，稱(chēng)之為(wéi)單(dān)判據；若在布置(zhì)弧(hú)光傳感器的同(tóng)時，一(yī)並在(zài)變(biàn)頻器內部(bù)布置(zhì)測(cè)量電流(liú)的互感器，弧光(guāng)裝置主控(kòng)單元將接(jiē)收(shōu)到(dào)的(dí)弧(hú)光(guāng)傳感(gǎn)器信號(hào)及(jí)電(diàn)流的增(zēng)量信號同時進(jìn)行判(pàn)斷(duàn)，任(rèn)意一相電流的(dí)增(zēng)量(liáng)以(yǐ)及弧光傳感(gǎn)器信(xìn)號被觸發，則弧(hú)光(guāng)主控單元向(xiàng)中壓開(kāi)關櫃(guì)發送切(qiē)除指(zhǐ)令(líng)，使風力發電(diàn)機快(kuài)速切除(chú)電(diàn)網，這(zhè)種方式(shì)稱之(zhī)為雙(shuāng)判據
。

3.2電流監測

采用電流互(hù)感(gǎn)器(qì)實(shí)現(xiàn)對變(biàn)頻器內(nèi)進(jìn)綫或(huò)出(chū)綫(xiàn)電(diàn)流的(dí)測量，電(diàn)流(liú)互感器主(zhǔ)要是用來將交(jiāo)流電路(lù)中的大(dà)電流(liú)轉(zhuǎn)換為一(yī)定比例的小(xiǎo)電流（中(zhōng)國(guó)的國家標準(zhǔn)為5A），以(yǐ)供測量和(hé)繼電(diàn)保護之用；同時使(shǐ)測量，保護(hù)和控(kòng)製裝置與高(gāo)電(diàn)壓(yā)隔離
。在(zài)使(shǐ)用時(shí)，它的原綫圈應與(yǔ)待(dài)測(cè)電流(liú)的負載綫路(lù)相串聯(lián)，副(fù)邊綫圈則與電(diàn)阻接成閉合(hé)回路(lù)，工作原(yuán)理同變壓器(qì)類似(sì)，但(dàn)具體選型需(xū)要區(qū)分是(shì)為了用於(yú)測量(liáng)還(huán)是(shì)為了用於(yú)保護
。保(bǎo)護設備(bèi)要根據(jù)被測綫(xiàn)路(lù)特點(diǎn)選型(xíng)，最(zuì)後主(zhǔ)要從電(diàn)流比和容量(liáng)考(kǎo)慮選擇合(hé)適的參數
。風力(lì)發(fā)電機電流檢(jiǎn)測(cè)裝置(zhì)放(fàng)置在(zài)中壓(yā)開關(guān)櫃櫃(guì)體進綫(xiàn)電(diàn)纜(lǎn)處，共安(ān)裝(zhuāng)有(yǒu)3個電流互感(gǎn)器，分別測量(liáng)A相，B相，C相電流(liú)，電流(liú)互(hù)感器(qì)將(jiāng)測量到(dào)的電流(liú)值傳送(sòng)給弧(hú)光主(zhǔ)控單元(yuán)
。

3.3主控單元功能設計

弧(hú)光(guāng)裝(zhuāng)置的主(zhǔ)控(kòng)單元(yuán)除了完(wán)成(chéng)弧光(guāng)傳(chuán)感(gǎn)器和電(diàn)流(liú)互感器(qì)的(dí)信號邏輯(jí)處(chǔ)理之外(wài)，還應(yīng)滿(mǎn)足(zú)以(yǐ)下(xià)功能(néng)：①具有自(zì)檢功(gōng)能(néng)，包(bāo)括裝(zhuāng)置(zhì)硬(yìng)件(jiàn)故障，軟件故障，弧(hú)光傳感器(qì)異(yì)常等自檢(jiǎn)，當裝(zhuāng)置檢測到(dào)本(běn)身(shēn)故(gù)障時，發出告警(jǐng)信(xìn)號(hào)，同時閉(bì)鎖(suǒ)整套保(bǎo)護(hù)；②具備運行，裝置(zhì)異常等(děng)狀態(tài)指(zhǐ)示；③具有(yǒu)時間(jiān)，定值，配置，采集(jí)量(liáng)，動作等信息顯示，並(bìng)有(yǒu)事(shì)件記錄(lù)，操(cāo)作(zuò)記錄(lù)查詢功能(néng)；④通訊功(gōng)能，支持(chí)RS485，以太(tài)網，滿(mǎn)足(zú)MODBUS規(guī)約或IEC60870-5-103，104通訊規(guī)約等
。

4風力(lì)發電(diàn)機(jī)組的控製

4.1定槳(jiǎng)距控製技(jì)術(shù)

定槳距(jù)控製技術(shù)要求在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備(bèi)的輪轂上固(gù)定(dìng)好葉片(piàn)，如果(guǒ)葉(yè)片出現失速(sù)，便可以對(duì)功率的(dí)最大(dà)值進行控製(zhì)，以(yǐ)實(shí)現風力發(fā)電(diàn)質(zhì)量(liáng)控製(zhì)的目(mù)的(dí)，而(ér)這(zhè)便是定(dìng)槳(jiǎng)距(jù)風力發(fā)電機(jī)的工作(zuò)原(yuán)理
。該(gāi)項(xiàng)技術來(lái)自丹麥(mài)風(fēng)力發電(diàn)機組(zǔ)技術，運用的是(shì)槳葉(yè)翼(yì)型失速理論(lùn)，能夠使氣流(liú)攻角在額(é)定的風速上促(cù)使機械設備(bèi)達到特定(dìng)值，渦流便(biàn)可以在(zài)槳葉(yè)表麵(miàn)出現，而且可降(jiàng)低效(xiào)率，以實現限製功(gōng)率(shuài)的目的(dí)
。定槳距(jù)控(kòng)製技術已經被世界(jiè)上(shàng)諸多(duō)先(xiān)進的(dí)製造(zào)商(shāng)所使用，生(shēng)產(chǎn)出很多大型的風電發電(diàn)機組(zǔ)設備，在(zài)行(háng)業內的(dí)使用(yòng)率(shuài)高(gāo)達(dá)70%
。

4.2變(biàn)槳距控製(zhì)技(jì)術

變(biàn)槳距(jù)控(kòng)製技(jì)術(shù)所具備(bèi)的變(biàn)槳距(jù)風電機組(zǔ)調節功(gōng)能，實現途(tú)徑是(shì)縱(zòng)向(xiàng)軸(zhóu)心葉(yè)片(piàn)的變(biàn)化結(jié)果[6-8]
。關(guān)於這(zhè)一(yī)領域，可以對Vestas公司的(dí)風(fēng)力(lì)機(jī)進(jìn)行研(yán)究
。該(gāi)技(jì)術調節階(jiē)段(duàn)分為(wéi)三個階段(duàn)：（1）第一個階段(duàn)是(shì)開機運行
。變槳距風電(diàn)機組的風力機如(rú)果正處於運行狀(zhuàng)態(tài)，對於定槳(jiǎng)葉節距(jù)角計(jì)算(suàn)將逐(zhú)漸展開(kāi)，此時(shí)需要(yào)將節(jié)距(jù)角(jiǎo)進(jìn)行調整(zhěng)，如(rú)果(guǒ)已經達(dá)到(dào)了0.5倍額定(dìng)轉速(sù)，則(zé)需要全(quán)麵(miàn)調(tiáo)整節距角(jiǎo)，使其處(chǔ)於合(hé)適(shì)的角度位(wèi)置，這(zhè)樣(yàng)才能(néng)夠(gòu)使(shǐ)風力機(jī)處(chǔ)於可(kě)控(kòng)的轉速(sù)狀態(tài)，完成(chéng)並(bìng)網發(fā)電功能
。（2）進入到第二(èr)階段，此(cǐ)時風(fēng)速低(dī)於額定(dìng)風(fēng)速，其功(gōng)率輸(shū)出取決(jué)於槳葉的氣動(dòng)性能(néng)
。根據風速(sù)的大(dà)小(xiǎo)，調整發(fā)電(diàn)機轉(zhuǎn)差(chà)率(shuài)，使其(qí)盡(jìn)量運行在最佳葉(yè)尖速比(bǐ)，以優化功(gōng)率(shuài)輸出
。（3）進入到第三(sān)階(jiē)段，功率如(rú)果能夠與(yǔ)額定(dìng)功率保(bǎo)持一(yī)致(zhì)，係統將(jiāng)逐漸開始(shǐ)穩(wěn)定的運(yùn)行(háng)，這個(gè)時候要(yào)對輸出功率(shuài)進(jìn)行調節，如(rú)果(guǒ)輸出(chū)功(gōng)率大於(yú)額定功(gōng)率(shuài)，則(zé)需要對(duì)槳葉(yè)節(jié)距角(jiǎo)進行調整(zhěng)
。一般而(ér)言(yán)，如(rú)果風(fēng)力(lì)發電(diàn)機(jī)組容量超過(guò)了(liǎo)750kW則可以使用(yòng)變槳距調節技術(shù)，如果不足(zú)750kW，則可(kě)以(yǐ)使用(yòng)定槳距失(shī)速調節技(jì)術
。

5安(ān)科瑞 ARB5係列弧(hú)光保護(hù)的原理及(jí)係統組成

弧(hú)光(guāng)保護裝(zhuāng)置通(tōng)過(guò)弧光+電(diàn)流突(tū)變量雙重判據(jù)或(huò)弧(hú)光(guāng)單判(pàn)據啟動(dòng)保護，其動作(zuò)時(shí)間(jiān)為

弧(hú)光單(dān)判據(jù)動作時間≤7ms；弧光(guāng)+電流雙判據時(shí)間≤20ms
。

ARB5係(xì)列弧光保護(hù)裝置由ARB5-M主控(kòng)單(dān)元，ARB5-E擴展單(dān)元(yuán)，ARB5-S弧(hú)光(guāng)探頭，弧(hú)光光(guāng)纖(xiān)以(yǐ)及(jí)尾纖等(děng)配件(jiàn)構成(chéng)
。

7，結語(yǔ)

電(diàn)弧光產品(pǐn)在風(fēng)力發電(diàn)機(jī)上的應(yīng)用才(cái)剛剛(gāng)起步(bù)，能(néng)夠較好地(dì)對(duì)風力發(fā)電機中的(dí)電弧光及(jí)過流現(xiàn)象進(jìn)行及時告(gào)警(jǐng)和切斷斷(duàn)路(lù)器保護，有(yǒu)效(xiào)地(dì)避(bì)免(miǎn)了風力發電(diàn)機起火等嚴重事故，後續可以(yǐ)結合(hé)氣溶膠等(děng)相關(guān)的(dí)消防係統(tǒng)產品，進行更加(jiā)*的(dí)保(bǎo)護
。

參(cān)考(kǎo)文獻(xiàn)：

1. 王海，電(diàn)弧光保護(hù)在(zài)風力發電(diàn)機(jī)中(zhōng)的應用研究

2. 劉立忠(zhōng)，柴衛軍，鄭(zhèng)小翠.基於(yú)電子傳感技(jì)術的低壓(yā)開關(guān)櫃弧(hú)光(guāng)保(bǎo)護(hù)方(fāng)法［J］.自動化(huà)與儀(yí)表，2020，35（12）：98-102.

[3]安科瑞企(qǐ)業微電網設(shè)計與應(yīng)用(yòng)手冊2020.06版．

[4]安科(kē)瑞(ruì)用(yòng)戶(hù)變(biàn)電(diàn)站(zhàn)變(biàn)配(pèi)電監(jiān)控解決方(fāng)案(àn)2021.10