大型风力发电机组风能捕获广义跟踪控制技术_殷明慧，陈载宇，夏亚平，李群，邹云著_9787519835248

　　《大型风力发电机组风能捕获广义跟踪控制技术》主要针对大型风力发电机组，在介绍风力发电机组基本概念和数学模型的基础上，介绍了在复杂湍流风速环境下风能捕获跟踪控制的问题与难点，并围绕风力机跟踪性能提升、气动特性与风力机跟踪的关联协调、参考输入与风力机跟踪的关联协调以及基于能控度的风力机结构参数优化的技术路线，结合大量仿真分析和验证，系统论述了提升大型风力发电机组风能捕获的理论与方法。
　　《大型风力发电机组风能捕获广义跟踪控制技术》适合于从事风力发电机组控制系统研发、调试和运行的工程技术人员参考，也可作为高等院校从事风电研究的教师和研究生的参考用书。

　　能源是人类赖以生存和发展的驱动力，从蒸汽时代到电气时代，每一次能源方式的变革都标志着人类文明的进步。尽管全球的能源消费结构仍然以石油、煤炭、天然气等化石能源为主，但是随着全球能源危机、生态环境和气候变化等问题的日益显现，开发绿色低碳、高效清洁的新能源已成为世界各国共同的迫切需求与目标。
　　从十九世纪末风力发电机组的诞生，到今天风电产业的商业化、规模化运营，风力发电的优势在长期的探索与发展中逐步凸显，成为未来全球能源转型的主要方向之一。为了提升风电的市场竞争力，不仅要求风力发电机组向大容量、高可靠和智能化的方向发展，而且需要风电场建设向风况更复杂的低风速地区、环境更恶劣的海上区域拓展。这其中所面临的技术挑战制约着风力发电的发展、关系着能源变革的进程。本书正是聚焦大型风力发电机组在复杂湍流风速环境下的风能捕获问题，从气动、电气和控制多学科交叉融合的视角，对该问题进行了深入分析、系统论述和前瞻探索。
　　全书具体内容安排如下：
　　第1章梳理了风力发电技术的发展历史和未来趋势，介绍了风力发电机组的基本组成、主要类型和运行原理，并从机电动态和电磁动态两个时间尺度阐述了风力发电机组控制系统的结构和原理。
　　第2章介绍了适用于风能捕获跟踪控制研究的风速模型、气动模型和传动链模型，并且阐述了关注机电动态的风力发电机组复杂模型与简化模型。
　　第3章概述了变速风力发电机组的最大功率点跟踪原理，介绍了基于该原理的变速风力机气动设计方法与跟踪控制方法。围绕跟踪损失和跟踪失效问题，论述了湍流风速对大型风力机最大功率点跟踪效果的影响，并提炼出提升风力机风能捕获的三条技术路线。
　　第4章论述了基于提升风力机跟踪性能的风能捕获跟踪控制技术，即第一条技术路线。主要包括：基于增大不平衡转矩的改进方法、基于减小转矩增益的改进方法和基于自适应调整转矩增益的改进方法。
　　第5章论述了基于气动参数与风力机跟踪关联协调的风能捕获跟踪控制技术，即第二条技术路线。主要包括：基于来流风能分布的运行工况描述方法、协调风力机跟踪性能的翼型多攻角设计优化、叶片气动外形正设计方法和叶片气动外形逆设计方法。
　　第6章论述了基于参考输入与风力机跟踪关联协调的风能捕获跟踪控制技术，即第三条技术路线。主要包括：收缩跟踪区间和有效跟踪区间的提出，基于风能分布、神经网络和响应面模型的有效跟踪区间估计方法及相应的针对传统的最优转矩法的改进方法。
　　第7章论述了基于能控度优化风力机结构参数的风能捕获跟踪控制技术，在阐明状态能控度与跟踪控制效果内在关系的基础上，给出了基于参数摄动裕度能控度与能量能控度的风力机结构参数优化设计方法。
　　这些内容是对作者过往风电研究工作的梳理和总结。该研究源自国网江苏省电力有限公司于2008年设立的关于低风速风电的科技项目“风能综合利用及示范应用研究”（J2008093），并具体经历了四个阶段：
　　（1）发现低风速场景下传统最大功率点跟踪的跟踪失效现象，探索了发生机理。
　　2008～2011年期间，在时任江苏省电力试验研究院研究室主任李群博士负责的低风速风电机组研发过程中，当时负责跟踪控制策略研发的殷明慧博士发现：在某些低风速条件下，会出现无论使用怎样的跟踪控制策略，风力机都完全跟踪不上传统最优转速的现象。进一步研究表明，这是由于低风速风场普遍存在的风速湍流特性对风力机动态响应特性提出了更高的要求，但风轮尺寸大幅增大却严重降低了低风速风力机的动态响应性能，致使风力机跟踪性能与跟踪要求之间的矛盾加剧、从而造成经典最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking．MPPT）控制难以实现低风速风能高效率捕获的结果。这部分内容具体参见第3章。
　　（2）改进了低风速风力机MPPT控制策略，得出在目前技术条件下单纯依赖控制系统设计已很难进一步实质性地提高风能捕获效率的结论。这一方面的研究获得国家自然科学基金“复杂风场最大功率点跟踪控制的机理分析与设计”（61203129）资助。
　　这一研究集中在2012～2015年，相关工作主要是试图通过优化控制系统设计参数的传统方法解决（1）中提出的跟踪控制问题。研究发现：低风速场景下，尽管控制系统参数的优化设计可以部分提高风能捕获效率，但由于发电机容量和机组结构载荷的限制，仅仅通过该技术途径已经很难取得风能捕获效率的显著提升。在此期间攻读博士学位的张小莲博士、周连俊博士和陈载宇博士围绕提升跟踪性能问题先后取得的相关研究进展，为获得这一结论提供了可靠的理论分析与仿真实验依据。这部分内容具体参见第4章。
　　（3）开展了气动参数一跟踪控制一体化设计，以进一步突破低风速场景风能捕获效率瓶颈。相关研究先后获得“一体化设计新探索：系统的控制性设计、概念与方法”（61174038）和“受控对象结构与控制器一体化设计：低风速风机气动参数与MPPT控制的关联协调优化方法”（61673 213）两项国家自然科学基金资助。

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