风力发电系统与控制技术

本书围绕风力发电系统的运行机理及相关控制问题，系统介绍了风能转化原理、风电机组特性与系统辨识、机组典型模块与控制系统、机组最大功率跟踪及变桨控制、机组载荷分析及独立变桨控制、机组的仿生智能监测控制，以及风电机组控制工程——整机部件与控制系统，融汇了系统搭建、算法设计、仿真实验诸方面内容。

第1章 绪论1
1.1 风电技术的研究意义1
1.1.1 能源现状概述1
1.1.2 发展风电的意义2
1.2 风电技术的研究现状3
1.2.1 风电现状总览3
1.2.2 风电发展趋势6
1.3 风电技术的研究内容7
1.3.1 基本问题及研究内容7
1.3.2 风电系统的控制技术9
第2章 风能转化原理15
2.1 风能特性15
2.2 风能预测19
2.3 叶轮空气动力学基本原理22
2.3.1 桨叶受力分析22
2.3.2 风能转换过程分析23
2.3.3 动力学特性参数24
2.4 叶轮空气动力学建模理论26
2.4.1 叶素—动量理论27
2.4.2 尾流模型28
2.4.3 稳态失速与动态失速29
第3章 风电机组特性与系统辨识31
3.1 典型风电机组及特性31
3.1.1 双馈风电机组31
3.1.2 直驱风电机组33
3.1.3 双馈与直驱的比较35
3.1.4 半直驱机组36
3.2 前端调速机组36
3.2.1 机组结构37
3.2.2 齿轮调速原理37
3.3 风电机组辨识原理39
3.3.1 辨识的作用39
3.3.2 典型的辨识方法39
3.4 基于风场数据的混合辨识方法40
3.4.1 辨识问题描述41
3.4.2 基于ERA的状态估计流程42
3.4.3 SEI与ERA混合估计算法43
3.4.4 数值算例及分析45
第4章 机组典型模块与控制系统49
4.1 机组典型模块49
4.1.1 叶轮49
4.1.2 驱动链50
4.1.3 发电机51
4.1.4 变桨模块53
4.2 定桨距风机控制53
4.2.1 定桨距风机机组特性54
4.2.2 定桨距风机控制系统55
4.3 变桨距风机控制58
4.3.1 变桨距风机机组特性58
4.3.2 变桨距风机控制系统60
第5章 机组最大功率跟踪及变桨控制63
5.1 基于转矩估计的非线性MPPT控制63
5.1.1 最大功率跟踪方案63
5.1.2 最大功率跟踪控制器设计64
5.1.3 最大功率跟踪曲线搜索66
5.1.4 最大功率跟踪方案仿真验证68
5.2 基于虚拟参数的PPB控制70
5.2.1 系统描述与建模70
5.2.2 面向PPB的误差转换72
5.2.3 面向PPB的虚拟参数控制器74
5.3 高风速区域的线性化与PI变桨控制78
5.3.1 各组件非线性建模78
5.3.2 非线性模型的线性化80
5.3.3 PI变桨控制器设计及仿真验证81
5.4 自适应容错变桨控制83
5.4.1 问题描述83
5.4.2 鲁棒容错控制85
5.4.3 鲁棒自适应容错控制86
5.4.4 基于神经网络的鲁棒自适应容错控制88
5.4.5 基于自适应容错控制的机组变桨92
第6章 机组载荷分析及独立变桨控制97
6.1 风电机组载荷97
6.1.1 机组载荷的标准97
6.1.2 机组载荷的分类98
6.1.3 极限载荷与疲劳载荷98
6.2 基于Bladed的载荷分析99
6.2.1 Bladed软件概述99
6.2.2 Bladed模块建模101
6.2.3 Bladed载荷模拟计算106
6.3 面向减载控制的独立变桨111
6.3.1 独立变桨距机构的建模111
6.3.2 鲁棒自适应独立变桨控制器设计113
6.3.3 改进的鲁棒自适应独立变桨控制器116
第7章 机组的仿生智能监测控制121
7.1 基于神经网络的独立变桨及最大功率跟踪121
7.1.1 基于神经网络的独立变桨控制121
7.1.2 基于神经网络的最大功率跟踪124
7.2 基于记忆的机组控制方法128
7.2.1 机组动力学建模128
7.2.2 基于记忆的控制器设计130
7.3 基于仿记忆的机组监测方法135
7.3.1 风机故障统计分析135
7.3.2 故障严重度分类及基本策略137
7.3.3 故障估计与仿记忆原理138
7.3.4 仿记忆监测控制结构140
第8章 风电机组控制工程——整机部件与控制系统145
8.1 风电整机系统部件145
8.1.1 风轮与塔架145
8.1.2 变桨系统147
8.1.3 偏航系统148
8.1.4 齿轮箱150
8.1.5 传动链152
8.1.6 电控系统153
8.1.7 测量信号传感器154
8.1.8 防雷系统155
8.1.9 液压单元156
8.1.10 保护配置158
8.1.11 测风仪及航空标志灯160
8.2 机组控制系统160
8.2.1 控制系统构成162
8.2.2 PLC主控制系统162
8.2.3 传感器与通信接口163
8.2.4 控制系统卡件设计164
8.2.5 安全性与设备环境165
第9章 风电机组控制工程——机组监测与运行维护167
9.1 风机状态监控系统167
9.2 风电机组运行维护173
9.2.1 基础与塔架维护173
9.2.2 叶片维护175
9.2.3 主轴与主齿轮维护177
9.2.4 偏航系统维护180
9.2.5 变桨系统维护182
9.2.6 液压制动系统维护185
9.2.7 发电机维护187
9.2.8 对腐蚀、磨损、裂纹的检查及补救187
9.2.9 人身安全指导188
附录：风力发电机组控制器国家标准189
第一部分：风力发电机组控制器技术条件（GB/T19069—2003）189
第二部分：风力发电机组控制器试验方法（GB/T19070—2003）208
参考文献217