摘要：通过风况预警系统调节风电设备的转子三相交流励磁电流的频率、幅值和相位，可以保证风力发电机在任何风速和流量情况下始终处于最佳工况下运行，并能达到最高效率，提高电网运行的安全稳定性。如果采用现代化的矢量控制，还可以在调节电网有功功率和无功功率的同时，使发电机的控制达到快速响应。
       关键词：风电机组；  变频调速； 电网稳定
       最近几年受到关注的焦点就是风电设备与电网连接的连续性，特别是在电网电压扰动情况下，要避免风力发电中断时电网电压骤降和供电不足。采用变速风力发电对有功功率和无功功率进行控制可以解决这个问题。就像定子交流变频调速电动机那样，转子三相交流励磁变频调速发电机也将在全球普及，而且它们同样是得益于大功率电力电子元器件的飞速发展。我国也正在积极开发和 应用。哈电已自行开发成功了转子采用交流励磁变频调速、“恒频”发电的变速风电系统，建立了相关的专用试验台，研制了配套硬件和软件，已用于1.5 MW的机组上，现在正在用于2 MVA ~ 3 MVA 的大型风力发电机组上。开发和应用转子三相交流励磁、变频调速、定子仍然“恒频”发电的新技术以后，可使电力系统实现无功补偿、自动调频、跟踪最优工况、高效运行，同时还能提高电力系统的稳定性。这些优越性已被应用实践所证实。
       可调速发电机
       采用可调速的风力发电系统，通过变频调速可以实现自动调频运行，当风电设备用于比较小型的独立电网时，可使频率波动从 + 0.41 Hz   减小到 + 0.26 Hz  ；通过励磁系统进行调节，可以实现对于瞬时有功功率和无功功率的控制；通过转速优化可以实现负载范围的扩大；通过数字化微机处理，可以实现风电机组在各种运行工况下的最佳调节。风速较低时，风电系统的变流器可用来提高电压稳定性，实际上附加费用很少；风速较高时，需要大容量变流器，费用要多些。由于风电系统提供无功功率，可使输电电压波动保持在 ± 5 % 范围内。在低风速情况下，可使总的输出功率增加17  % ；同时还有助于延缓或防止电网电压骤降事故。采用经过不断改进 的变速风电 系统时，对电力系统稳定性的提高效果还要增加。
       由于实现了对转子（二次侧）励磁电流频率进行控制来调节机组转速，所以也被称为是“变频调速”，但是发电机的输出电流频率却是不变的（“恒频”输出）。这与普通的变频（调节定子一次侧的电流频率）调速电动机不同。采用交流励磁并通过转子进行变频调速时，可以通过调节转子励磁电流的频率、幅值和相位来保证发电机始终处于最佳工况下运行，达到高效和稳定，即使在风能状态不断变化情况下，也能使机组跟踪最优工况点，提高电力系统的稳定性。如果采用现代化的矢量控制，还可以在调节有功和无功功率的同时，使发电机的控制达到快速响应。一般情况下可使风电机组效率提高2．5 ％ ~ 4．5 。
       可调速风电系统的特殊设备是交流励磁系统和大容量集电环、电刷等，所以需要注意以下维护项目：（1）检查半导体元件触发灯；（2）更换变频器的控制元件和机组的电力电容器；(3)更换脱离子剂的离子交换树脂；（4）清洗变频器的冷却器；（5）更换电刷；（6）更换粉尘过滤器。
       过电压保护器
       采用变频调速的风电设备，需要配备变频器和转子保护设备以及较大的占地面积，所以造价较高，约为传统电机的1．2倍～1．65倍。用于风电设备调速的自动换相逆变器/变频器，由GTO （门极可关断晶闸管）、GCT（门极换流晶闸管）以及IEGT（增强栅极晶体管）元件组成。通常采用的负载换相循环变频器的结构简单、布置紧凑，能将电源频率直接转换为低频。但它不能调节电源功率因数，因而发电机和电源变压器的容量都要加大，而且还要多加谐波滤波器。自动换相逆变器/变频器由AC/DC 转换器、 DC 电路（带有电容器）和AC /DC   逆变器组成。AC / DC  转换器可以控制电源功率因数近似为1.0 。由此可以减小发电机和电源变压器的容量，也可以不需要谐波滤波器。      
       当电力系统发生故障时，发电机的定子绕组中会产生三相不平衡电流或故障电流。同时在转子绕组中感应出高电压或大电流，会对转子绕组、相连的逆变器等造成严重损坏，所以必须装设过电压保护装置。由快速响应晶闸管组成的过电压保护装置可以短接转子三相绕组以以便保护发电机二次回路不产生过电压。
       风情预测系统
       采用变频调速的风电设备除了能够根据风况变化自动调解发电机转速、保持发电机始终处于最优工况下高效运行、使发电机的效率达到最佳值以外，如果控制系统采用d/q 轴矢量控制原理来调节有功功率和无功功率，还能使发电机的控制达到快速响应。这对保证电网稳定性非常有利，是常规机组做不到的。这就要求必须及时掌握天气预报，并与风情预警系统联网。“天有不测风云”已经过去。当今世界的众多气象卫星预报信息精确度，已经大为提高。
       平原地区风情预测
       由于风力发电量与风速立方成正比，即使很小的预测误差也会引起发电量很大的波动．所以必须精确预测．现在流体动态数值解析技术已经用于风况预测．近年来开发的线性风况预测模型已经被广泛应用，其特点是在流体力学基础方程式上使纳比－斯托克方程式线性化，并以此作为依据，再考虑到地形、地表面粗糙度对风速增减的影响，以及森林、建筑物等障碍物的遮蔽效果而进行线性评价，他能以很少时间实现风况预测．然而它是针对比较平坦地形的，对于多山地带的复杂地形，其预测精度就大为降低．
       多山地带风情预测
       为了解决多山地形复杂流场的预测，已经开发了以流体动态数值解析为基础的非线性风况预测模型，并使它与天气预报相结合，实现了快速预测，可以提前几分钟到一天的时间就能预报风力的发电量．它采用边界处理和大规模线性联立方程式的高速求解方法．针对几平方公里地域的风况预测，只用一台个人计算机即可在１小时内完成解析。
       预测精度的提高
       与采用线性预测方法时的预测误差为１４．２ ％相比，采用非线性预测方法则可使误差减小到４．９ ％，使预测精度大为提高．如果只采用地域气象模型，预测年间平均风速误差高达２５．４ ％，而采用非线性预测方法时，则可减小到３．５ ％．与线性预测结果相比，风电设备的实际利用率相差很大（２．６倍）；而采用非线性预测的结果，则与实际情况基本一致．
　　采用非线性预测模型时可大幅度提高预测精度。由于进行了三维程序解析，还进一步缩短了解析的时间．它能对标高为１０００ m 以上的山区，对季节性变化、日变化的风速进行高精度的预测，同时还能考虑到风速与大气温度的匹配．由于它采用雷诺平均模型对气流进行解析计算，从而使预测时间进一步缩短，并使预测精度进一步提高．
       现代化流体动态数值解析技术不仅已经用于风力发电量的预测、风轮机组的设计、强度评价、寿命预测以及实时管理等方面，它还用于风况、风速的预测以及气象领域，并提高了预测精确度。现在天气预报的解像度水平有很大提高：现阶段是５０km－５km，很快就要提高到１０km－１km．对台风等级和强度的风情预测精度也将大幅度的提高，再加上与先进的精确修正技术相结合，可以达到１m水平的实时气流模拟．
       结论：
       （1）  包括风速、风力、风向、流量等在内的风情，始终不断变化，导致风力发电的不稳定性。采用变频调速的风电设备能提高电网运行稳定性。
       （2） 采用现代化的风情预测系统，并使它与天气预报系统相互结合，可使风力发电系统的效率大幅度提高，确保电网运行安全可靠。
       （3） 采用高精度的矢量控制，还可以在调节电网有功功率和无功功率的同时，使发电机的控制达到快速响应。