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第1章　风能1

1.1　简介1

1.2　风能转换系统的现状与发展趋势1

1.2.1　风能转换系统技术上的问题1

1.2.2　风力机3

1.2.3　小功率风能转换系统4

1.2.4　风能转换系统的控制4

1.3　本书概要5

第2章　风能转换系统7

2.1　风能7

2.2　风能转换系统技术10

2.3　风力机的空气动力特性11

2.3.1　致动盘的概念11

2.3.2　风力机的性能13

2.4　传动链14

2.5　发电系统15

2.5.1　恒速WECS15

2.5.2　变速WECS17

2.6　混合发电系统中的风力发电机19

2.7　控制目标21

第3章　WECS的模型23

3.1　简介和问题陈述23

3.2　风力机的空气动力模型24

3.2.1　固定点风速模型24

3.2.2　风力机的特性29

3.2.3　基于风轮风速的转矩计算34

3.3　发电机模型37

3.3.1　感应发电机38

3.3.2　同步发电机42

3.4　传动装置模型44

3.4.1　刚性传动链44

3.4.2　柔性传动链46

3.5　电力电子变流器和电网模型46

3.6　线性化和特征值分析49

3.6.1　基于感应发电机的WECS49

3.6.2　基于同步发电机的WECS53

3.7　案例研究（1）：基于SCIG的WECS的降阶线性模型56

第4章　风力机控制系统58

4.1　控制目标58

4.2　主控制目标的物理基础58

4.2.1　主动变桨控制59

4.2.2　主动失速控制60

4.2.3　被动变桨控制60

4.2.4　被动失速控制61

4.3　WECS优化控制原则61

4.3.1　变速定桨距WECS实例61

4.3.2　定速变桨距WECS实例64

4.4　WECS的主工作策略65

4.4.1　变速定桨距WECS的控制65

4.4.2　变桨距WECS的控制70

4.5　混合标准的优化控制：能量效率-疲劳载荷74

4.6　整体运行的增益调度控制76

4.7　WECS中的发电机控制78

4.7.1　感应发电机的矢量控制78

4.7.2　永磁同步发电机的控制82

4.8　并网运行和电能质量评估控制系统83

4.8.1　电力系统稳定性83

4.8.2　电能质量87

第5章　基于能量效率准则的WECS优化控制设计方法90

5.1　问题陈述和现状90

5.1.1　非线性模型下的优化控制方法90

5.1.2　采用线性化模型的最优控制策略93

5.1.3　小结95

5.2　最大功率点跟踪（MPPT）策略96

5.2.1　问题陈述及文献回顾96

5.2.2　风速湍流在MPPT中的应用99

5.2.3　案例研究（2）：经典MPPTT与风速湍流作为搜索信号的MPPT103

5.2.4　小结106

5.3　PI控制107

5.3.1　问题陈述107

5.3.2　控制器设计108

5.3.3　案例研究（3）：2MW WECS优化控制中PI速度控制的应用110

5.3.4　案例研究（4）：6kV WECS优化控制中PI功率控制的应用112

5.4　开关控制113

5.4.1　控制器设计113

5.4.2　案例研究（5）117

5.5　滑模控制118

5.5.1　建模119

5.5.2　基于减轻机械负荷的能量优化119

5.5.3　案例研究（6）121

5.5.4　实时仿真结果122

5.5.5　小结124

5.6　反馈线性化控制125

5.6.1　WECS建模125

5.6.2　控制器设计127

5.6.3　案例研究（7）130

5.7　QFT鲁棒控制131

5.7.1　WECS建模132

5.7.2　基于QFT的控制设计132

5.7.3　案例研究（8）133

5.8　小结138

第6章　WECS多目标优化控制141

6.1　简介141

6.2　WECS的LQ控制141

6.2.1　问题陈述141

6.2.2　输入-输出方法142

6.2.3　案例研究（9）：R-S-T控制器在柔性耦合发电机WECS LQ控制中的应用144

6.3　WECS最优控制的频率分离原理146

6.3.1　WECS动态性能的频率分离原则146

6.3.2　优化控制结构和设计程序（2LFSP）147

6.3.3　滤波和风速估计的推算150

6.4　2LFSP在刚性耦合发电机WECS中的应用152

6.4.1　建模152

6.4.2　低频环稳态优化154

6.4.3　高频环LQG动态优化154

6.4.4　高频环LQ动态优化156

6.4.5　案例研究（10）158

6.4.6　整体实时仿真结果161

6.5　2LFPS在柔性耦合发电机WECS中的应用165

6.5.1　建模165

6.5.2　低频环稳态优化166

6.5.3　高频环动态优化167

6.5.4　案例研究（11）168

6.6　2LFSP有效性的小结170

6.7　多目标整体控制方案171

6.7.1　大功率风力发电机的控制目标171

6.7.2　多目标控制的整体最优化和频率分离原则172

6.7.3　WECS频率范围模型174

6.7.4　风速湍流部分的频谱特性175

6.7.5　WECS控制系统的开环带宽限制177

6.7.6　WECS的频率分离控制179

第7章　WECS控制结构的实验研究设备系统183

7.1　简介183

7.2　WECS的机电仿真器184

7.2.1　硬件在环（HIL）系统的原理184

7.2.2　设计HIL系统的具体过程186

7.2.3　WECS物理仿真器的构建187

7.2.4　WECS HIL仿真器的误差估计188

7.3　案例研究（12）：基于DFIG的WECS的HIL仿真器的构建192

7.3.1　对WECS仿真器的要求193

7.3.2　实时物理仿真器（RTPS）的构建193

7.3.3　研究物理系统（IPS）的构建和发电机控制196

7.3.4　WECS整体运行模拟198

7.4　小结200

第8章　结论201

附录203

附录A　案例研究中各WECS的特性203

附录B　理论背景和发展205

B.1　滑模控制205

B.2　反馈线性化控制206

B.3　QFT鲁棒控制210

附录C　图片、图表和实时影像215

参考文献221