【摘 要】
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沿着政策扶持、产能扩张、弃风限电、补贴退坡、平价上网的路径,风电行业经过快速发展,已经发展成为电力供应的重要一环。风电机组的发电效率也已成为风电竞争力的最大着力点。在额定风速下,通常采用最大功率点跟踪（MPPT）控制来调整风机状态以获取更多的风能。然而,自然界的风能具有随机不确定性,且随着单机大型化不断发展,风机大惯性和风电系统非线性引起的慢动态使得风机难以及时准确地响应随机风中的高湍流等风况的现
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沿着政策扶持、产能扩张、弃风限电、补贴退坡、平价上网的路径,风电行业经过快速发展,已经发展成为电力供应的重要一环。风电机组的发电效率也已成为风电竞争力的最大着力点。在额定风速下,通常采用最大功率点跟踪（MPPT）控制来调整风机状态以获取更多的风能。然而,自然界的风能具有随机不确定性,且随着单机大型化不断发展,风机大惯性和风电系统非线性引起的慢动态使得风机难以及时准确地响应随机风中的高湍流等风况的现象愈发严重。传统的最优转矩控制基于系统的稳态最优转矩-转速曲线,忽略了风轮动态特性与风速分布特性的影响。因此,当采用常规的MPPT方法进行控制时,难免存在一些跟踪缺陷。本文分别考虑动态跟踪过程和风速分布特性,对最大功率点跟踪控制策略进行了优化设计研究,以提高风电系统的动态响应性能和整体风能捕获效率。本文的研究主要有四部分:（1）小信号扰动下的风速-转速增益函数建模。通过对经典最大功率点跟踪控制算法的分析讨论,说明了常用于工程实践的最优转矩法的优势。以此为基础,建立了小信号扰动下的风速-转速传递函数增益模型,对传统MPPT控制策略下的相关跟踪缺陷问题加进行了说明。（2）考虑动态跟踪过程的MPPT转矩增益前馈设计。基于上述跟踪缺陷,分别考虑双质量块传动模型和单质量块传动模型,提出了考虑动态跟踪过程的转矩增益前馈控制设计方案,将加速转矩的变化作为前馈来调节电磁参考转矩,从而达到加快动态响应速度,提高能量捕获效率的效果。（3）考虑风速分布特性影响的全局控制策略。通过分析风速分布特性对MPPT动态跟踪性能的影响,说明了风速分布特性对风电机组动态和风能捕获效率的影响,对基于发电量最大的全局控制策略进行了讨论,给出了对应于不同风速特性指标下的两种控制方案,包括MPPT动态跟踪和恒转速跟踪。（4）基于转速PDF的MPPT控制律设计。根据随机概率密度函数（PDF）控制理论,提出了基于Fokker-Planck-Kolmogorov（FPK）方程的PDF控制设计的一般方法。以风场风速的统计特性为基础,将传统最优转矩控制与随机PDF控制设计相结合,提出了基于转速PDF的MPPT控制律,能够实现额定风速下的最大风能捕获,提高整体能量捕获效率并减小机械损失。综上,本文针对永磁直驱风力发电系统的最大功率点跟踪控制展开了优化研究,充分考虑动态跟踪过程与风速分布特性的影响,提出了针对性的解决方案,并在Matlab/Simulink中进行了仿真测试,验证了算法的有效性和合理性。
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