第一部分 功率变流器系统 3
第一章 永磁同步变速风电机组的建模和控制 3
1.1 引言 4
1.2 永磁同步风电机组电力系统的动态模型 5
1.2.1 永磁同步发电机组 7
1.2.2 输电线 7
1.2.3 变压器 8
1.2.4 电缆 8
1.2.5 RL载荷 8
1.2.6 网侧变流器上的RL-滤波器 8
1.2.7 电压源型变流器控制器 9
1.3 无功功率的监控 11
1.4 案例研究 13
1.4.1 风速变化 13
1.4.2 本地载荷变化 13
1.4.3 无限母线中的压降 14
1.4.4 故障穿越研究 15
1.5 结论 17
1.6 未来工作 18
附录 18
第二章 双馈感应发电机组的高阶滑模控制 21
2.1 介绍 22
2.2 风电机组建模 23
2.2.1 风电机组模型 23
2.2.2 发电机组模型 24
2.3 双馈感应风电机组的控制 26
2.3.1 问题描述 26
2.3.2 高阶滑动模态控制设计 27
2.3.3 高增益观测器 29
2.3.4 高阶滑动模态速度观测器 33
2.4 使用FAST代码的仿真 37
2.4.1 测试条件 39
2.4.2 高阶滑模控制性能 39
2.4.3 高阶滑模控制性能（配有高增益观测器） 39
2.4.4 无传感器高阶滑模控制性能 41
2.4.5 高阶滑模控制故障不间断运行性能 42
2.5 结论 43
2.6 未来工作 43
附录 44
第三章 风力发电系统的最大功率点跟踪控制 47
3.1 简介 48
3.2 风电机组模型 49
3.3 最大功率点跟踪 51
3.4 风力发电系统模型 52
3.5 风电并入电网的控制策略 55
3.5.1 直流侧电压控制器设计 55
3.5.2 d轴电流控制器设计 57
3.5.3 q轴电流控制器设计 57
3.6 仿真 58
3.6.1 载荷电流的阶跃变化 59
3.6.2 源电压的阶跃变化 61
3.7 结论 62
第二部分 控制 69
第四章 整个工作范围内风电机组的增益调度H∞控制 69
4.1 简介 71
4.2 风电机组建模 72
4.3 目标与控制方案 74
4.4 H∞最优控制背景 78
4.5 风电机组控制设计 81
4.5.1 H∞最优变桨控制 81
4.5.2 抗饱和补偿 83
4.6 结果 84
4.7 结论 90
4.8 未来工作 90
第五章 用于减少风电机组载荷的鲁棒控制器设计 93
5.1 简介 95
5.2 风电机组一般控制概念 96
5.2.1 风电机组非线性模型 98
5.2.2 基本控制策略 99
5.3 鲁棒控制器设计 102
5.3.1 H∞鲁棒控制器设计 103
5.3.2 设计鲁棒控制器的闭环分析 114
5.4 GH Bladed软件仿真结果 117
5.5 总结 123
5.6 未来工作 125
第六章 海上风力发电机组建模、分析和控制的综合结果 131
6.1 简介 132
6.2 模型介绍 137
6.3 控制器设计 139
6.4 仿真结果 141
6.5 总结 148
6.6 未来工作 149
附录 149
第七章 可持续海上风电机组的容错控制策略 153
7.1 简介 155
7.2 容错控制系统的结构和方法 156
7.3 风电机组建模 158
7.4 风电机组气动特性与控制 163
7.5 某些故障影响调查 167
7.6 基于T-S模糊PMIO的传感器容错控制 168
7.6.1 仿真结果 174
7.7 结论 180
7.8 未来研究方向 181
第三部分 监测和故障诊断 189
第八章 风电机组叶片覆冰监测和主动除冰控制 189
8.1 简介 191
8.2 大气覆冰 193
8.3 感测与驱动背景：现有方法 193
8.3.1 覆冰感测 193
8.3.2 热驱动 195
8.4 叶片热力学 197
8.5 直接光学冰感测 199
8.6 分布式局部加热 202
8.7 实验装置 203
8.8 计算模型的实验验证 207
8.9 分布式加热器的布局优化 209
8.9.1 除冰性能评价指标 210
8.9.2 不同加热器布局的除冰性能比较 211
8.10 除冰的初步试验结果 215
8.10.1 分布式闭环控制试验 215
8.10.2 高强度脉冲调幅 217
8.11 结论 219
8.12 未来工作 220
第九章 风力发电机组叶片的结构健康监测 225
9.1 前言 227
9.2 基于振动的风力发电机组叶片损伤探测 229
9.2.1 旋转叶片的结构动态模型 229
9.2.2 损伤监测方法：主成分分析 231
9.2.3 数值例子 233
9.2.4 实验案例 237
9.3 基于高空间分辨率的DPP-BOTDA疲劳损坏监测 239
9.3.1 DPP-BOTDA原则 239
9.3.2 疲劳损伤监测测试 240
9.3.3 测试结果和讨论 244
9.4 使用PZT传感器在统计载荷情况下进行的损坏监测 248
9.4.1 实验描述 248
9.4.2 实验结果和讨论 249
9.4.3 基于分形理论的损坏监测方法和结果 251
9.5 结论和后续工作 253
第十章 风力发电机组中的传感器故障诊断 259
10.1 简介 261
10.2 统计变化监测/隔离算法 262
10.2.1 故障监测 262
10.2.2 监测/隔离算法 264
10.2.3 实际问题 265
10.3 个别信号监测 267
10.3.1 过度噪声 267
10.3.2 应用于增量编码器故障 268
10.4 基于硬件冗余的故障监测与隔离 271
10.4.1 残差生成 271
10.5 根据解析冗余进行故障监测与隔离 272
10.5.1 平衡三相系统建模 272
10.5.2 残差生成 274
10.5.3 风力驱动的双馈感应发电机组（简称DFIG）定子电压传感器和定子电流传感器的故障监测与隔离 277
10.6 结论 286
10.7 未来工作 286
第十一章 针对漂浮式风力发电机组的叶片变桨系统故障进行结构载荷分析 291
11.1 引言 293
11.2 风力发电机组 298
11.2.1 参考风力发电机组 298
11.2.2 工作区 299
11.2.3 风力发电机组控制 299
11.2.4 变桨系统 302
11.3 故障 303
11.3.1 传感器故障 304
11.3.2 变桨系统故障 305
11.4 仿真设置 306
11.4.1 环境条件 306
11.4.2 故障情况 307
11.5 结果讨论与分析 310
11.5.1 性能指标 310
11.5.2 叶片桨距偏移故障 311
11.5.3 叶片桨距增益故障 313
11.5.4 致动器性能退化 313
11.5.5 致动器卡死 314
11.5.6 致动器失控 316
11.6 总结 320
第四部分 减振 327
第十二章 使用调质阻尼器控制风力发电机组塔架振动 327
12.1 简介 328
12.2 塔架振动 329
12.2.1 风载荷 329
12.2.2 地震载荷 330
12.2.3 土壤-结构交互作用 333
12.3 减振方法 336
12.3.1 叶片变桨控制系统和制动系统 337
12.3.2 阻尼器 337
12.3.3 调质阻尼器 338
12.3.4 调谐液体阻尼器 339
12.4 带调质阻尼器的基准风电机组 342
12.4.1 基准风电机组的系统特性 343
12.4.2 一般仿真参数 344
12.4.3 仿真结果 344
12.5 结论 357
12.6 未来工作 358
第十三章 风力发电机组的半主动控制系统 361
13.1 简介 362
13.2 半主动控制策略的基本理念 363
13.3 实验设置 364
13.3.1 电子设备与传感器 365
13.4 磁流变阻尼器 369
13.5 控制算法 372
13.5.1 闭合环路特征结构选择（CLES）算法 376
13.5.2 双变量（2VAR）算法 380
13.6 实验活动及其结果 381
13.6.1 极端风况载荷工况下的半主动控制 383
13.6.2 停机载荷案例的半主动控制 385
13.7 结论 388
第五部分 研究/教学测试平台 393
第十四章 风力发电机组最佳设计和协调控制教研用风电场实验室测试台架 393
14.1 前言 393
14.2 系统说明 394
14.2.1 风力发电机组说明 395
14.2.2 风电场说明 401
14.2.3 数据采集与监视控制系统（SCADA） 401
14.2.4 微型智能电网 401
14.2.5 风力资源设备 403
14.3 风力发电机组的建模 403
14.3.1 风力发电机组的功率曲线 403
14.3.2 基于叶片数量的发电量 404
14.3.3 风轮转速与转矩，桨距角和风速变化的动力学 405
14.4 系统识别 410
14.4.1 风轮转速与桨距角的传递函数F2（S） 410
14.4.2 风轮转速与电磁转矩传递函数F3（S） 412
14.4.3 风轮转速与风速传递函数F1（S） 413
14.5 控制系统的设计 414
14.5.1 风轮转速控制系统 414
14.5.2 功率/转矩控制系统 417
14.6 教研试验 418
14.6.1 叶片数量、空气动力学和发电机组效率的影响 418
14.6.2 变桨系统在风轮转速控制中的应用 419
14.6.3 独立风电机组的最大功率点跟踪 422
14.6.4 6叶片风轮风电机组Cp/λ特征的估算 423
14.6.5 6叶片风电机组风轮的功率曲线 423
14.6.6 风电场的拓扑结构和对功率效率的影响 425
14.7 结论 426
14.8 未来工作 427
第十五章 风电机组硬件在环仿真控制系统测试仿真装置 429
15.1 简介 430
15.2 HIL测试平台设置 431
15.2.1 FAST（风电机组仿真器） 431
15.2.2 Arduino微控制器板 432
15.2.3 设置 434
15.3 陆地参考风电机组 435
15.4 风力建模 435
15.5 控制策略 436
15.5.1 基线转矩控制器 436
15.5.2 颤动转矩控制 436
15.5.3 变桨控制 438
15.6 HIL结果 438
15.6.1 正常状态 438
15.6.2 故障状态 439
15.7 结论 441
附录 441