變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑?？刂撇呗缘膬?yōu)化與實(shí)踐研究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀隨著全球能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)以及對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提升，可再生能源的開發(fā)與利用已成為全球能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源形式，在過去幾十年中取得了飛速的發(fā)展。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）發(fā)布的《2023全球風(fēng)電發(fā)展報(bào)告》數(shù)據(jù)，2015至2022年，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量從433GW增長(zhǎng)至906GW，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到11.12%。2022年全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量為77.6GW，其中陸上風(fēng)電裝機(jī)68.8GW，占比88.7%；海上風(fēng)電裝機(jī)8.8GW，占比11.3%。到了2023年，全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量更是達(dá)到117GW，比2022年增長(zhǎng)50%，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量突破1000GW，達(dá)到1021GW，增長(zhǎng)13%。在陸上風(fēng)電領(lǐng)域，中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)的風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量位列全球前三，截至2022年年底，占全球陸上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量的比重分別達(dá)到40%、17%、7%，合計(jì)達(dá)到64%。在海上風(fēng)電領(lǐng)域，截至2022年年底，中國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量占全球的比重達(dá)到49%，接近一半，是規(guī)模最大的國(guó)家；其次是美國(guó)和德國(guó)，占全球的比重分別為22%和13%。在中國(guó)，風(fēng)電行業(yè)也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。2013-2022年，中國(guó)風(fēng)電行業(yè)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模持續(xù)上升，年增幅均保持在10%以上。2022年中國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到395.57GW，同比增速為14.11%，其中陸上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量占比超過90%。2022年全國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量為49.83GW。2023年，中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)量繼續(xù)保持領(lǐng)先，占全球比重高達(dá)65%，陸上風(fēng)電新增裝機(jī)量占比以66%繼續(xù)領(lǐng)跑全球市場(chǎng)。在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)占據(jù)了重要地位。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用功率電子技術(shù)，將采集到的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為交流電能輸出，具有功率系數(shù)高、轉(zhuǎn)速控制范圍寬，在大風(fēng)電網(wǎng)中可實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)能力等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，其變頻器容量?jī)H取決于發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大轉(zhuǎn)差功率，一般為發(fā)電機(jī)額定容量的1/4-1/3，使得系統(tǒng)的總體配置費(fèi)用較低。并且，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)，能更好地適應(yīng)電網(wǎng)的需求。目前，雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在市場(chǎng)上占絕對(duì)主導(dǎo)地位，市場(chǎng)份額達(dá)68%。1.1.2滑?？刂萍夹g(shù)的應(yīng)用潛力滑?？刂萍夹g(shù)，又稱為變結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，是一種非線性控制策略。該技術(shù)于20世紀(jì)50年代由蘇聯(lián)學(xué)者首次提出，其核心思想是在系統(tǒng)狀態(tài)空間中設(shè)計(jì)一個(gè)滑動(dòng)面，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)達(dá)到這個(gè)面時(shí)，系統(tǒng)將沿著這個(gè)面滑動(dòng)至期望的狀態(tài)。滑?？刂萍夹g(shù)具有諸多顯著特點(diǎn)：高效性：能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)的變化，迅速將系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整至期望軌跡。當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾或參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，滑模控制可以快速調(diào)整控制量，使系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。魯棒性：對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化和外部干擾具有很強(qiáng)的魯棒性，能夠在不確定環(huán)境下保持控制效果。這是因?yàn)榛？刂频幕瑒?dòng)模態(tài)對(duì)加在系統(tǒng)上的干擾和系統(tǒng)的攝動(dòng)具有完全的自適應(yīng)性，系統(tǒng)狀態(tài)一旦進(jìn)入滑模運(yùn)動(dòng)，便快速地收斂到控制目標(biāo)。易于實(shí)現(xiàn)：算法相對(duì)簡(jiǎn)單，易于在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)和調(diào)試，其控制策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于工程應(yīng)用。將滑模控制技術(shù)應(yīng)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，對(duì)提升系統(tǒng)性能具有重要意義。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在的非線性、強(qiáng)耦合特性使得傳統(tǒng)控制方案的運(yùn)行效果不理想，而滑?？刂萍夹g(shù)能夠克服這些問題，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提高系統(tǒng)的抗干擾性。例如，在電網(wǎng)電壓驟降等故障情況下，滑模控制可以有效地減小轉(zhuǎn)子電流的沖擊并抑制直流母線電壓的波動(dòng)，保障雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，從而更好地實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤和功率解耦控制，提高風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和電能質(zhì)量，推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為主流機(jī)型，其控制策略的研究一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱點(diǎn)?；？刂萍夹g(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中得到了廣泛的關(guān)注和研究。在國(guó)外，滑模控制技術(shù)在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用研究開展較早。學(xué)者A在其研究中，針對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤與功率解耦問題，采用非線性逆系統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)反饋線性化和解耦。考慮建模誤差和系統(tǒng)參數(shù)變化等影響，利用核嶺回歸支持向量機(jī)（SVM）方法來辨識(shí)逆系統(tǒng)，并在線調(diào)整自適應(yīng)參數(shù)，對(duì)解耦后的雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)終端滑模控制器。分析結(jié)果表明，系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了有限時(shí)間收斂，具有較好的動(dòng)態(tài)特性，且有功功率和無功功率實(shí)現(xiàn)了解耦控制。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的可行性和有效性。學(xué)者B則將滑?？刂茟?yīng)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的低電壓穿越控制，提出了一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的控制策略。該策略在電網(wǎng)電壓正常時(shí)，可使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)特性實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤，且在電網(wǎng)電壓驟降時(shí)，可有效地減小轉(zhuǎn)子電流的沖擊并抑制直流母線電壓的波動(dòng)。仿真結(jié)果表明了此方法的有效性。在國(guó)內(nèi)，相關(guān)研究也取得了豐碩的成果。學(xué)者C針對(duì)雙變流器雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤問題，提出了一種基于反饋線性化的自適應(yīng)滑模控制策略。首先，采用輸入-輸出反饋線性化算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦，在反饋線性化的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)滑?？刂破?，實(shí)現(xiàn)雙變流器DFIG系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制，并對(duì)滑模控制器中存在的不連續(xù)項(xiàng)設(shè)計(jì)自適應(yīng)可變參數(shù)，來削弱高頻抖振對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行帶來的負(fù)面影響；然后利用李雅普諾夫函數(shù)證明系統(tǒng)穩(wěn)定性；最后通過仿真驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。學(xué)者D則提出了一種基于有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器的滑模控制策略，用于雙變流器DFIG系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制。該策略首先對(duì)雙變流器DFIG系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行整理，得到一個(gè)包含未知擾動(dòng)的系統(tǒng)模型，并設(shè)計(jì)有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)受到的未知擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)反饋線性化之后的DFIG系統(tǒng)提出一種有限時(shí)間擾動(dòng)觀測(cè)器和滑模控制相結(jié)合的控制策略，通過仿真驗(yàn)證了該策略的有效性。盡管國(guó)內(nèi)外在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑?？刂品矫嫒〉昧吮姸喑晒源嬖谝恍┎蛔阒?。一方面，滑模控制中的抖振問題尚未得到徹底解決。抖振不僅會(huì)影響系統(tǒng)的控制精度，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。目前雖然提出了一些削弱抖振的方法，如自適應(yīng)滑?？刂?、模糊滑模控制等，但這些方法往往增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)難度。另一方面，現(xiàn)有研究大多集中在理想工況下的控制策略研究，對(duì)于實(shí)際運(yùn)行中復(fù)雜多變的工況，如強(qiáng)風(fēng)切變、機(jī)組故障等情況下的滑模控制策略研究還相對(duì)較少。此外，在滑模控制與其他先進(jìn)控制技術(shù)的融合方面，雖然有了一些初步的探索，但還需要進(jìn)一步深入研究，以充分發(fā)揮不同控制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體性能。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的滑?？刂?，旨在通過深入研究，提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制性能和運(yùn)行效率，增強(qiáng)其在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性和可靠性。具體研究?jī)?nèi)容如下：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)建模：深入剖析雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理，綜合考慮風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)以及電力電子變換器等各個(gè)組成部分。運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，建立精確的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，全面分析系統(tǒng)中各變量之間的耦合關(guān)系和動(dòng)態(tài)特性。例如，通過對(duì)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程、電壓方程以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程的推導(dǎo)和整理，建立完整的發(fā)電機(jī)模型；結(jié)合風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)特性和傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，建立風(fēng)輪和傳動(dòng)系統(tǒng)的模型，為后續(xù)的控制器設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)?；？刂破髟O(shè)計(jì)：依據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型和控制目標(biāo)，精心設(shè)計(jì)滑模控制器。確定合適的滑模面，使其能夠引導(dǎo)系統(tǒng)狀態(tài)快速、穩(wěn)定地趨近于期望軌跡。例如，采用線性滑模面或非線性滑模面，根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求和魯棒性要求進(jìn)行選擇。設(shè)計(jì)有效的滑模控制律，保證系統(tǒng)狀態(tài)能夠在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑模面，并沿著滑模面滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的精確控制。考慮到系統(tǒng)中的不確定性因素，如風(fēng)速的波動(dòng)、參數(shù)的變化以及外部干擾等，設(shè)計(jì)具有強(qiáng)魯棒性的滑?？刂破鳎岣呦到y(tǒng)對(duì)這些不確定性的適應(yīng)能力。抖振抑制方法研究：深入分析滑?？刂浦卸墩癞a(chǎn)生的原因，如控制信號(hào)的高頻切換、系統(tǒng)的非線性特性以及未建模動(dòng)態(tài)等。針對(duì)抖振問題，研究有效的抑制方法，如采用邊界層法，通過在滑模面附近設(shè)置一個(gè)邊界層，將不連續(xù)的控制信號(hào)進(jìn)行平滑處理，從而削弱抖振；引入自適應(yīng)算法，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，以減小抖振的影響；結(jié)合模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制方法，對(duì)滑?？刂七M(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步降低抖振，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。最大功率追蹤控制策略研究：以實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率追蹤為目標(biāo)，研究基于滑?？刂频淖畲蠊β首粉櫩刂撇呗?。分析風(fēng)速的變化規(guī)律和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率特性，通過滑?？刂破鲗?shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近，提高風(fēng)能的利用效率。例如，采用功率-轉(zhuǎn)速曲線法或葉尖速比法，結(jié)合滑?？刂频目焖夙憫?yīng)特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的快速追蹤和穩(wěn)定控制。仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：利用MATLAB/Simulink等仿真軟件，搭建雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑?？刂频姆抡婺Ｐ?，對(duì)所設(shè)計(jì)的滑?？刂破骱涂刂撇呗赃M(jìn)行全面的仿真研究。設(shè)置各種不同的工況，如不同風(fēng)速下的啟動(dòng)、運(yùn)行、變速以及電網(wǎng)故障等，模擬實(shí)際運(yùn)行中的各種情況，驗(yàn)證滑模控制策略的有效性和優(yōu)越性。搭建雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H機(jī)組實(shí)驗(yàn)。將仿真中設(shè)計(jì)的滑?？刂破鲬?yīng)用到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析，進(jìn)一步驗(yàn)證滑?？刂撇呗栽趯?shí)際系統(tǒng)中的可行性和可靠性，為其工程應(yīng)用提供實(shí)踐依據(jù)。1.3.2研究方法本研究采用理論分析、仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，全面深入地開展對(duì)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑?？刂频难芯?。具體實(shí)施步驟如下：理論分析：廣泛查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，深入研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理、數(shù)學(xué)模型以及滑?？刂萍夹g(shù)的基本理論和方法。運(yùn)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)和理論分析，對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入剖析，明確系統(tǒng)中各變量之間的關(guān)系和相互作用。根據(jù)滑?？刂频脑砗驮O(shè)計(jì)方法，結(jié)合雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制目標(biāo)，進(jìn)行滑模控制器的理論設(shè)計(jì)，確定滑模面和控制律的形式，并對(duì)控制器的性能進(jìn)行理論分析和評(píng)估，為后續(xù)的仿真和實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。仿真研究：利用MATLAB/Simulink等專業(yè)仿真軟件，搭建雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的詳細(xì)仿真模型。在模型中，精確模擬風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、電力電子變換器以及電網(wǎng)等各個(gè)部分的特性和行為。將設(shè)計(jì)好的滑?？刂破髑度氲椒抡婺Ｐ椭?，設(shè)置各種不同的仿真工況，如不同風(fēng)速條件下的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及電網(wǎng)電壓波動(dòng)、頻率變化等故障情況。通過仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)滑?？刂撇呗栽诓煌r下的控制效果進(jìn)行全面的分析和評(píng)估，觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)定性、魯棒性等性能指標(biāo)，如發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率輸出，以及電網(wǎng)側(cè)的電壓、電流等。根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)滑?？刂破鞯膮?shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)一步提高控制策略的性能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：搭建雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)包括風(fēng)輪模擬裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、雙饋發(fā)電機(jī)、電力電子變換器、控制器以及各種傳感器和測(cè)量設(shè)備等。將在仿真研究中優(yōu)化后的滑?？刂破鲬?yīng)用到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，進(jìn)行實(shí)際的控制實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過傳感器實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，如風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、電壓、電流等。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估滑?？刂撇呗栽趯?shí)際系統(tǒng)中的可行性和有效性。通過實(shí)驗(yàn)，還可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中存在的一些問題和不足，如傳感器噪聲、系統(tǒng)干擾、硬件設(shè)備的非線性特性等，針對(duì)這些問題，進(jìn)一步優(yōu)化控制策略和控制器參數(shù)，使其能夠更好地適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境。二、變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理2.1基本結(jié)構(gòu)與組成變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)力機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變流器以及控制系統(tǒng)等部分組成，各部件相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)將風(fēng)能高效轉(zhuǎn)化為電能并穩(wěn)定輸送至電網(wǎng)的功能。風(fēng)力機(jī)：作為捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，風(fēng)力機(jī)由風(fēng)輪和槳葉構(gòu)成。風(fēng)輪在風(fēng)力作用下旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。槳葉的設(shè)計(jì)和安裝角度對(duì)風(fēng)能捕獲效率至關(guān)重要，其形狀和空氣動(dòng)力學(xué)性能經(jīng)過精心優(yōu)化，以確保在不同風(fēng)速條件下都能有效地捕獲風(fēng)能。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)槳葉的槳距角，可以改變槳葉與氣流的夾角，從而控制風(fēng)輪捕獲的風(fēng)能大小，使風(fēng)力機(jī)在不同工況下都能保持較高的效率運(yùn)行。例如，在低風(fēng)速時(shí)，適當(dāng)增大槳葉的槳距角，以提高風(fēng)能捕獲效率；在高風(fēng)速時(shí)，減小槳葉的槳距角，避免風(fēng)力機(jī)過載。雙饋發(fā)電機(jī)：是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步發(fā)電機(jī)相似，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組均為三相繞組。定子繞組直接連接到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷與變流器相連。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得雙饋發(fā)電機(jī)具有獨(dú)特的運(yùn)行特性，能夠在不同轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電。其工作原理基于電磁感應(yīng)定律，當(dāng)風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于轉(zhuǎn)子繞組通過變流器與電網(wǎng)相連，變流器可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率的精確控制。在超同步運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)饋電；在欠同步運(yùn)行狀態(tài)下，電網(wǎng)向轉(zhuǎn)子供電。通過這種方式，雙饋發(fā)電機(jī)能夠適應(yīng)不同的風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的發(fā)電。齒輪箱：通常安裝在風(fēng)力機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)之間，其主要作用是匹配風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，而發(fā)電機(jī)需要在較高的轉(zhuǎn)速下才能高效發(fā)電，齒輪箱通過齒輪傳動(dòng)，將風(fēng)力機(jī)的低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)所需的高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的轉(zhuǎn)速匹配。齒輪箱的傳動(dòng)比根據(jù)風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保在各種運(yùn)行工況下，發(fā)電機(jī)都能在最佳轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行。同時(shí)，齒輪箱還需要具備較高的傳動(dòng)效率和可靠性，以減少能量損失和維護(hù)成本。為了保證齒輪箱的正常運(yùn)行，通常需要配備潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，對(duì)齒輪和軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，防止因摩擦和過熱導(dǎo)致設(shè)備損壞。變流器：是實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變速恒頻控制的關(guān)鍵設(shè)備，由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器組成，通過直流母線連接。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器負(fù)責(zé)控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的頻率、幅值和相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤和功率解耦控制。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器能夠根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，快速調(diào)整勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)始終運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。電網(wǎng)側(cè)變流器則主要用于控制直流母線電壓的穩(wěn)定，并確保變流器與電網(wǎng)之間的功率交換滿足電網(wǎng)的要求。它可以調(diào)節(jié)輸出電流的相位和幅值，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，減少對(duì)電網(wǎng)的無功功率影響。同時(shí)，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或故障時(shí)，電網(wǎng)側(cè)變流器能夠采取相應(yīng)的控制策略，保障雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行和低電壓穿越能力。控制系統(tǒng)：作為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的“大腦”，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)和控制整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。它通過各種傳感器實(shí)時(shí)采集風(fēng)速、風(fēng)向、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略和算法，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析和處理。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的風(fēng)速信號(hào)，計(jì)算出最佳的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和槳距角，并向變流器和槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤和功率調(diào)節(jié)。同時(shí)，控制系統(tǒng)還具備故障診斷和保護(hù)功能，能夠及時(shí)檢測(cè)到機(jī)組運(yùn)行中的異常情況，如過電流、過電壓、過熱等，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，如停機(jī)、報(bào)警等，以確保機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。此外，控制系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和通信功能，通過網(wǎng)絡(luò)將機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，方便操作人員對(duì)機(jī)組進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。2.2工作原理分析雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作過程本質(zhì)上是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換過程。當(dāng)自然風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪時(shí)，風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下開始旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)通過齒輪箱傳遞給雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。雙饋發(fā)電機(jī)的定子繞組直接連接到電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷與變流器相連。當(dāng)轉(zhuǎn)子在風(fēng)力機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于轉(zhuǎn)子繞組與變流器相連，變流器可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的頻率、幅值和相位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率的精確控制。在超同步運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，此時(shí)轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)饋電；在欠同步運(yùn)行狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，電網(wǎng)向轉(zhuǎn)子供電。通過這種方式，雙饋發(fā)電機(jī)能夠在不同的轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電，滿足電網(wǎng)的要求。例如，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速也較低，雙饋發(fā)電機(jī)處于欠同步運(yùn)行狀態(tài)，電網(wǎng)向轉(zhuǎn)子供電，以維持發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行；當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速升高，雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)入超同步運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)饋電，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。變速恒頻控制是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一，其實(shí)現(xiàn)方式主要基于雙饋發(fā)電機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和變流器的控制功能。通過變流器對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的變速運(yùn)行，同時(shí)保證輸出電能的頻率恒定。具體來說，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之改變。此時(shí)，變流器根據(jù)控制系統(tǒng)的指令，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使其與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化相匹配，從而保證定子輸出電壓的頻率始終保持在電網(wǎng)頻率。以某一風(fēng)速變化情況為例，當(dāng)風(fēng)速突然增加時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升，雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之提高。變流器檢測(cè)到轉(zhuǎn)速的變化后，立即增加轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使得發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩增大，從而抑制轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步上升，同時(shí)保證定子輸出電壓的頻率不變。反之，當(dāng)風(fēng)速減小時(shí)，變流器則降低轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的頻率，使發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減小，轉(zhuǎn)速下降，維持輸出頻率穩(wěn)定。變速恒頻控制具有諸多顯著優(yōu)勢(shì)。一方面，它能夠提高風(fēng)能的利用效率。在不同的風(fēng)速條件下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)力機(jī)始終運(yùn)行在最佳葉尖速比附近，從而最大限度地捕獲風(fēng)能。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用變速恒頻控制的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其風(fēng)能利用系數(shù)相比傳統(tǒng)恒速恒頻機(jī)組可提高10%-20%。另一方面，變速恒頻控制可以改善電能質(zhì)量。通過精確控制發(fā)電機(jī)的輸出功率和無功功率，能夠有效減少電壓波動(dòng)和閃變，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，變速恒頻控制可以快速調(diào)整發(fā)電機(jī)的無功功率輸出，維持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定；在電網(wǎng)頻率變化時(shí)，能夠及時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出頻率，保證與電網(wǎng)的同步運(yùn)行。2.3數(shù)學(xué)模型建立2.3.1風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型風(fēng)力機(jī)作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的關(guān)鍵設(shè)備，其性能對(duì)整個(gè)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響。為了深入研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制策略，首先需要建立準(zhǔn)確的風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率P_w可表示為：P_w=\frac{1}{2}\rho\piR^2V^3C_p(\lambda,\beta)其中，\rho為空氣密度，單位為kg/m^3；R為風(fēng)輪半徑，單位為m；V為風(fēng)速，單位為m/s；C_p為風(fēng)能利用系數(shù)，它是一個(gè)與葉尖速比\lambda和槳距角\beta相關(guān)的非線性函數(shù)。葉尖速比\lambda的定義為風(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速之比，其計(jì)算公式為：\lambda=\frac{\omega_wR}{V}其中，\omega_w為風(fēng)輪角速度，單位為rad/s。風(fēng)能利用系數(shù)C_p與葉尖速比\lambda和槳距角\beta的關(guān)系通常通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，常見的經(jīng)驗(yàn)公式為：C_p(\lambda,\beta)=0.5176(\frac{116}{\lambda_i}-0.4\beta-5)e^{-\frac{21}{\lambda_i}}+0.0068\lambda其中，\frac{1}{\lambda_i}=\frac{1}{\lambda+0.08\beta}-\frac{0.035}{\beta^3+1}從上述公式可以看出，風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率P_w與風(fēng)速V的立方成正比，這表明風(fēng)速的微小變化會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)的輸出功率產(chǎn)生較大的影響。同時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)C_p與葉尖速比\lambda和槳距角\beta密切相關(guān)，通過合理調(diào)節(jié)葉尖速比和槳距角，可以使風(fēng)力機(jī)在不同的風(fēng)速條件下都能保持較高的風(fēng)能利用效率。例如，在低風(fēng)速時(shí)，通過調(diào)整槳距角，使葉尖速比接近最優(yōu)值，以提高風(fēng)能利用系數(shù)，從而增加風(fēng)力機(jī)的輸出功率；在高風(fēng)速時(shí)，適當(dāng)增大槳距角，減小風(fēng)能利用系數(shù)，限制風(fēng)力機(jī)的捕獲功率，保護(hù)機(jī)組安全運(yùn)行。為了更直觀地理解風(fēng)力機(jī)的特性，通過實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。假設(shè)一臺(tái)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其風(fēng)輪半徑R=40m，空氣密度\rho=1.225kg/m^3。當(dāng)風(fēng)速V=8m/s，槳距角\beta=0^{\circ}時(shí)，通過計(jì)算可得葉尖速比\lambda，進(jìn)而求得風(fēng)能利用系數(shù)C_p，最終計(jì)算出風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率P_w。當(dāng)風(fēng)速變?yōu)?0m/s時(shí)，在相同槳距角下，重新計(jì)算各參數(shù)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率隨著風(fēng)速的增加而顯著增大。這充分體現(xiàn)了風(fēng)速對(duì)風(fēng)力機(jī)輸出功率的重要影響，也說明了建立準(zhǔn)確的風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型對(duì)于研究雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制策略的必要性。2.3.2雙饋發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型雙饋發(fā)電機(jī)是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的精確控制，需要建立其在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。在三相靜止坐標(biāo)系（abc坐標(biāo)系）下，雙饋發(fā)電機(jī)的電壓方程可以表示為：\begin{cases}u_{sa}=R_si_{sa}+\frac{d\psi_{sa}}{dt}\\u_{sb}=R_si_{sb}+\frac{d\psi_{sb}}{dt}\\u_{sc}=R_si_{sc}+\frac{d\psi_{sc}}{dt}\end{cases}\begin{cases}u_{ra}=R_ri_{ra}+\frac{d\psi_{ra}}{dt}\\u_{rb}=R_ri_{rb}+\frac{d\psi_{rb}}{dt}\\u_{rc}=R_ri_{rc}+\frac{d\psi_{rc}}{dt}\end{cases}其中，u_{sa},u_{sb},u_{sc}和u_{ra},u_{rb},u_{rc}分別為定子和轉(zhuǎn)子三相電壓，單位為V；i_{sa},i_{sb},i_{sc}和i_{ra},i_{rb},i_{rc}分別為定子和轉(zhuǎn)子三相電流，單位為A；R_s和R_r分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻，單位為\Omega；\psi_{sa},\psi_{sb},\psi_{sc}和\psi_{ra},\psi_{rb},\psi_{rc}分別為定子和轉(zhuǎn)子三相磁鏈，單位為Wb。磁鏈方程為：\begin{cases}\psi_{sa}=L_si_{sa}+L_{m}i_{ra}\\\psi_{sb}=L_si_{sb}+L_{m}i_{rb}\\\psi_{sc}=L_si_{sc}+L_{m}i_{rc}\end{cases}\begin{cases}\psi_{ra}=L_{m}i_{sa}+L_ri_{ra}\\\psi_{rb}=L_{m}i_{sb}+L_ri_{rb}\\\psi_{rc}=L_{m}i_{sc}+L_ri_{rc}\end{cases}其中，L_s和L_r分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組自感，單位為H；L_{m}為定轉(zhuǎn)子繞組互感，單位為H。電磁轉(zhuǎn)矩方程為：T_e=pL_{m}(i_{sb}i_{rc}-i_{sc}i_{rb}+i_{sc}i_{ra}-i_{sa}i_{rc}+i_{sa}i_{rb}-i_{sb}i_{ra})其中，T_e為電磁轉(zhuǎn)矩，單位為N\cdotm；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。然而，在三相靜止坐標(biāo)系下，雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，各變量之間存在較強(qiáng)的耦合關(guān)系，不利于控制器的設(shè)計(jì)和分析。為了簡(jiǎn)化模型，通常采用坐標(biāo)變換的方法，將三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）下。通過克拉克變換（Clarke變換）和帕克變換（Park變換），可以得到雙饋發(fā)電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電壓方程：\begin{cases}u_{sd}=R_si_{sd}+\frac{d\psi_{sd}}{dt}-\omega_s\psi_{sq}\\u_{sq}=R_si_{sq}+\frac{d\psi_{sq}}{dt}+\omega_s\psi_{sd}\end{cases}\begin{cases}u_{rd}=R_ri_{rd}+\frac{d\psi_{rd}}{dt}-(\omega_s-\omega_r)\psi_{rq}\\u_{rq}=R_ri_{rq}+\frac{d\psi_{rq}}{dt}+(\omega_s-\omega_r)\psi_{rd}\end{cases}其中，u_{sd},u_{sq}和u_{rd},u_{rq}分別為定子和轉(zhuǎn)子在dq坐標(biāo)系下的d軸和q軸電壓；i_{sd},i_{sq}和i_{rd},i_{rq}分別為定子和轉(zhuǎn)子在dq坐標(biāo)系下的d軸和q軸電流；\omega_s為同步角速度，單位為rad/s；\omega_r為轉(zhuǎn)子角速度，單位為rad/s。磁鏈方程為：\begin{cases}\psi_{sd}=L_si_{sd}+L_{m}i_{rd}\\\psi_{sq}=L_si_{sq}+L_{m}i_{rq}\end{cases}\begin{cases}\psi_{rd}=L_{m}i_{sd}+L_ri_{rd}\\\psi_{rq}=L_{m}i_{sq}+L_ri_{rq}\end{cases}電磁轉(zhuǎn)矩方程為：T_e=pL_{m}(i_{sq}i_{rd}-i_{sd}i_{rq})在dq坐標(biāo)系下，雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型得到了簡(jiǎn)化，各變量之間的耦合關(guān)系得到了一定程度的解耦，便于進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)和分析。例如，在進(jìn)行矢量控制時(shí)，可以通過對(duì)d軸和q軸電流的獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率的解耦控制，從而提高發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率和電能質(zhì)量。通過建立準(zhǔn)確的雙饋發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)和研究提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的精確控制和優(yōu)化運(yùn)行。三、滑?？刂苹驹砼c方法3.1滑模控制的基本概念3.1.1定義與特點(diǎn)滑?？刂疲址Q變結(jié)構(gòu)控制，是一種特殊的非線性控制策略，其核心在于控制的不連續(xù)性。與傳統(tǒng)控制方法不同，滑?？刂频南到y(tǒng)“結(jié)構(gòu)”并非固定不變，而是能夠依據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等，在動(dòng)態(tài)過程中進(jìn)行有目的的變化，從而迫使系統(tǒng)按照預(yù)定的“滑動(dòng)模態(tài)”狀態(tài)軌跡運(yùn)行。以一個(gè)簡(jiǎn)單的二階線性系統(tǒng)為例，其狀態(tài)方程為\dot{x}=Ax+Bu，其中x為狀態(tài)變量，u為控制輸入，A和B為系統(tǒng)矩陣。在滑模控制中，首先需要設(shè)計(jì)一個(gè)切換函數(shù)s(x)，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)x滿足s(x)=0時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入滑動(dòng)模態(tài)。在滑動(dòng)模態(tài)下，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性由切換函數(shù)決定，而與系統(tǒng)參數(shù)及外部擾動(dòng)無關(guān)。例如，當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾或參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，只要系統(tǒng)狀態(tài)處于滑動(dòng)模態(tài)，就能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行?；？刂凭哂幸幌盗酗@著特點(diǎn)：快速響應(yīng)：滑模控制能夠迅速響應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)的變化，使系統(tǒng)狀態(tài)快速趨近于期望軌跡。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)，滑模控制會(huì)立即調(diào)整控制量，以最快的速度將系統(tǒng)狀態(tài)拉回到期望軌跡上。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，當(dāng)風(fēng)速突然變化時(shí)，滑?？刂瓶梢匝杆僬{(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使機(jī)組能夠快速適應(yīng)風(fēng)速變化，保持穩(wěn)定運(yùn)行。魯棒性強(qiáng)：對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化和外部干擾具有很強(qiáng)的魯棒性，能夠在不確定環(huán)境下保持良好的控制效果。這是因?yàn)榛？刂频幕瑒?dòng)模態(tài)對(duì)加在系統(tǒng)上的干擾和系統(tǒng)的攝動(dòng)具有完全的自適應(yīng)性，系統(tǒng)一旦進(jìn)入滑模運(yùn)動(dòng)，便會(huì)快速收斂到控制目標(biāo)。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，會(huì)受到各種外部干擾，如陣風(fēng)、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等，同時(shí)機(jī)組自身參數(shù)也可能發(fā)生變化，滑?？刂颇軌蛴行У乜朔@些不確定性，保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。無需系統(tǒng)在線辨識(shí)：滑?？刂撇恍枰獙?duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線辨識(shí)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和計(jì)算量。傳統(tǒng)的控制方法往往需要實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)的參數(shù)信息，以調(diào)整控制策略，而滑?？刂仆ㄟ^設(shè)計(jì)合適的滑模面和控制律，能夠在不需要精確知道系統(tǒng)參數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)有效控制。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，由于機(jī)組的參數(shù)會(huì)隨著運(yùn)行工況的變化而變化，采用滑?？刂瓶梢员苊夥爆嵉膮?shù)辨識(shí)過程，提高系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性。物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單：滑?？刂频乃惴ㄏ鄬?duì)簡(jiǎn)單，易于在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。其控制策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于工程應(yīng)用，只需要設(shè)計(jì)合適的滑模面和控制律，就可以通過硬件或軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，滑?？刂频暮?jiǎn)單性使得其更容易集成到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)中，降低了開發(fā)成本和難度。然而，滑?？刂埔泊嬖谝恍┎蛔阒?，其中最主要的問題是抖振現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)到達(dá)滑動(dòng)模態(tài)面后，難以嚴(yán)格沿著滑動(dòng)模態(tài)面向平衡點(diǎn)滑動(dòng)，而是在其兩側(cè)來回穿越，從而產(chǎn)生抖振。抖振不僅會(huì)影響系統(tǒng)的控制精度，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，加速執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損。為了解決抖振問題，研究人員提出了多種方法，如采用邊界層法、引入自適應(yīng)算法、結(jié)合智能控制方法等，這些方法將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹。3.1.2滑模面設(shè)計(jì)滑模面設(shè)計(jì)是滑?？刂频年P(guān)鍵步驟，其設(shè)計(jì)的合理性直接影響系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。常見的滑模面設(shè)計(jì)方法包括極點(diǎn)配置法、特征向量配置法、最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等。極點(diǎn)配置法是一種常用的滑模面設(shè)計(jì)方法，其基本思想是通過選擇滑模面的極點(diǎn)，來設(shè)計(jì)滑模面，以滿足系統(tǒng)的性能要求。對(duì)于線性系統(tǒng)\dot{x}=Ax+Bu，可以設(shè)計(jì)滑模面s(x)=Cx，其中C為滑模面系數(shù)矩陣。通過調(diào)整C的參數(shù)，使得滑模面的極點(diǎn)位于復(fù)平面的左半平面，從而保證系統(tǒng)在滑模面上的運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的。例如，對(duì)于一個(gè)二階線性系統(tǒng)，希望系統(tǒng)具有快速響應(yīng)和大阻尼特性，可以將滑模面的極點(diǎn)選擇在復(fù)平面的左半平面，并且遠(yuǎn)離虛軸，這樣可以使系統(tǒng)在滑模面上的運(yùn)動(dòng)更快地收斂到平衡點(diǎn)。在設(shè)計(jì)滑模面時(shí)，參數(shù)選擇原則至關(guān)重要。滑模面的參數(shù)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的期望動(dòng)態(tài)特性和魯棒性要求進(jìn)行選擇。如果希望系統(tǒng)具有快速響應(yīng)特性，可以選擇較大的滑模面系數(shù)，這樣可以使系統(tǒng)狀態(tài)更快地趨近于滑模面；如果希望系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，可以適當(dāng)調(diào)整滑模面的極點(diǎn)位置，使其遠(yuǎn)離系統(tǒng)的不確定性和干擾。同時(shí)，還需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性，避免出現(xiàn)不穩(wěn)定或不可實(shí)現(xiàn)的情況。例如，在選擇滑模面系數(shù)時(shí)，需要確保系數(shù)的取值不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的控制量過大或過小，以免影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。除了極點(diǎn)配置法，特征向量配置法是通過選擇合適的特征向量來確定滑模面，使系統(tǒng)具有特定的動(dòng)態(tài)性能；最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法則是基于某種性能指標(biāo)的優(yōu)化，如最小化誤差積分等，來確定滑模面的參數(shù)。不同的設(shè)計(jì)方法適用于不同的系統(tǒng)和控制要求，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇和優(yōu)化。例如，對(duì)于一些復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可能能夠更好地滿足系統(tǒng)的性能要求，但計(jì)算量較大；而對(duì)于一些簡(jiǎn)單的線性系統(tǒng)，極點(diǎn)配置法可能更加簡(jiǎn)單有效。3.2控制律設(shè)計(jì)3.2.1等效控制與切換控制在滑?？刂浦?，控制律的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，它直接決定了系統(tǒng)能否按照預(yù)期的方式運(yùn)行?；？刂坡赏ǔＳ傻刃Э刂坪颓袚Q控制兩部分組成，這兩部分相互配合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的有效控制。等效控制是滑模控制中的一個(gè)關(guān)鍵概念，其作用是保證系統(tǒng)狀態(tài)能夠維持在滑模面上。當(dāng)系統(tǒng)處于理想的滑動(dòng)模態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)完全由滑模面決定，此時(shí)的控制輸入即為等效控制。從數(shù)學(xué)原理上講，對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)，假設(shè)其狀態(tài)方程為\dot{x}=f(x,u,t)，其中x為狀態(tài)變量，u為控制輸入，t為時(shí)間?；Ｃ娑x為s(x)=0，在滑動(dòng)模態(tài)下，\dot{s}(x)=0。通過對(duì)\dot{s}(x)進(jìn)行推導(dǎo)和計(jì)算，可以得到等效控制u_{eq}的表達(dá)式，它使得系統(tǒng)在滑模面上的運(yùn)動(dòng)滿足穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能的要求。例如，對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的線性系統(tǒng)\dot{x}=Ax+Bu，滑模面為s=Cx，通過\dot{s}=C\dot{x}=C(Ax+Bu)=0，在滿足一定條件下，可以求解出等效控制u_{eq}=-(CB)^{-1}CAx。等效控制的物理意義在于，它是系統(tǒng)在滑模面上穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所需要的控制量，能夠抵消系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)特性和外部干擾的影響，使系統(tǒng)狀態(tài)保持在滑模面上。切換控制則是保證系統(tǒng)狀態(tài)向滑模面運(yùn)動(dòng)的控制量。由于實(shí)際系統(tǒng)中存在各種不確定性因素，如模型誤差、外部干擾等，僅依靠等效控制無法保證系統(tǒng)狀態(tài)始終在滑模面上。切換控制的作用就是在系統(tǒng)狀態(tài)偏離滑模面時(shí)，通過快速切換控制信號(hào)，將系統(tǒng)狀態(tài)拉回到滑模面上。切換控制通常采用符號(hào)函數(shù)或飽和函數(shù)等不連續(xù)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。以符號(hào)函數(shù)為例，切換控制u_{sw}=k\mathrm{sgn}(s)，其中k為切換增益，\mathrm{sgn}(s)為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)s>0時(shí)，\mathrm{sgn}(s)=1；當(dāng)s<0時(shí)，\mathrm{sgn}(s)=-1。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)s>0時(shí)，切換控制u_{sw}=k，促使系統(tǒng)狀態(tài)向滑模面運(yùn)動(dòng)；當(dāng)s<0時(shí)，u_{sw}=-k，同樣將系統(tǒng)狀態(tài)拉向滑模面。切換控制的存在使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，能夠克服各種不確定性因素的影響，確保系統(tǒng)狀態(tài)能夠快速趨近并保持在滑模面上。在實(shí)際應(yīng)用中，等效控制和切換控制相互配合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的滑?？刂?。在系統(tǒng)啟動(dòng)階段，切換控制發(fā)揮主要作用，快速將系統(tǒng)狀態(tài)引導(dǎo)到滑模面上。隨著系統(tǒng)狀態(tài)逐漸接近滑模面，等效控制的作用逐漸增強(qiáng)，維持系統(tǒng)在滑模面上的穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾或參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，切換控制會(huì)及時(shí)調(diào)整控制信號(hào)，使系統(tǒng)狀態(tài)重新回到滑模面上，而等效控制則會(huì)根據(jù)新的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。例如，當(dāng)風(fēng)速突然變化時(shí)，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到影響，此時(shí)切換控制會(huì)迅速動(dòng)作，調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使系統(tǒng)狀態(tài)重新趨近滑模面；而等效控制則會(huì)根據(jù)新的風(fēng)速和機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整控制參數(shù)，確保發(fā)電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近。3.2.2趨近律選擇趨近律是滑模控制中的一個(gè)重要概念，它決定了系統(tǒng)狀態(tài)從初始狀態(tài)到達(dá)滑模面的運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性有著顯著的影響。常見的趨近律有等速趨近律、指數(shù)趨近律、冪次趨近律等，每種趨近律都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。等速趨近律的表達(dá)式為\dot{s}=-\varepsilon\mathrm{sgn}(s)，其中\(zhòng)varepsilon為趨近速度，\mathrm{sgn}(s)為符號(hào)函數(shù)。其特點(diǎn)是系統(tǒng)狀態(tài)以恒定的速度\varepsilon趨近滑模面。當(dāng)\varepsilon較大時(shí)，系統(tǒng)能夠快速到達(dá)滑模面，但會(huì)導(dǎo)致較大的抖振；當(dāng)\varepsilon較小時(shí)，抖振雖然會(huì)減小，但到達(dá)滑模面的時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)。在一些對(duì)響應(yīng)速度要求較高，但對(duì)抖振容忍度較大的系統(tǒng)中，可以考慮使用等速趨近律。例如，在某些簡(jiǎn)單的工業(yè)控制系統(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)的快速響應(yīng)有較高要求，而抖振對(duì)系統(tǒng)的影響相對(duì)較小，此時(shí)可以選擇較大的\varepsilon值，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速響應(yīng)。指數(shù)趨近律的表達(dá)式為\dot{s}=-ks-\varepsilon\mathrm{sgn}(s)，其中k>0為指數(shù)項(xiàng)系數(shù)，\varepsilon為等速項(xiàng)系數(shù)。指數(shù)趨近律結(jié)合了指數(shù)項(xiàng)和等速項(xiàng)，當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)遠(yuǎn)離滑模面時(shí)，指數(shù)項(xiàng)-ks起主要作用，使系統(tǒng)狀態(tài)以較快的速度趨近滑模面；當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)接近滑模面時(shí)，等速項(xiàng)-\varepsilon\mathrm{sgn}(s)起主要作用，保證系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑模面。通過調(diào)整k和\varepsilon的值，可以在快速趨近和削弱抖振之間取得較好的平衡。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的滑?？刂浦?，指數(shù)趨近律應(yīng)用較為廣泛。因?yàn)殡p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)會(huì)受到風(fēng)速波動(dòng)等不確定性因素的影響，需要系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和較強(qiáng)的魯棒性。指數(shù)趨近律能夠在保證系統(tǒng)快速響應(yīng)風(fēng)速變化的同時(shí)，通過合理調(diào)整參數(shù)，有效削弱抖振，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。冪次趨近律的表達(dá)式為\dot{s}=-ks-\varepsilons^{\alpha}，其中k>0，\varepsilon>0，0<\alpha<1。冪次趨近律的特點(diǎn)是系統(tǒng)狀態(tài)在趨近滑模面的過程中，速度逐漸減小，能夠有效避免到達(dá)滑模面時(shí)的超調(diào)現(xiàn)象，并且在一定程度上削弱抖振。與指數(shù)趨近律相比，冪次趨近律在系統(tǒng)狀態(tài)接近滑模面時(shí)，趨近速度更加平滑，能夠更好地滿足對(duì)控制精度要求較高的系統(tǒng)。在一些對(duì)控制精度要求極高的系統(tǒng)中，如高精度的航空航天控制系統(tǒng)，冪次趨近律能夠發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的精確控制。不同趨近律對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)性能的影響主要體現(xiàn)在響應(yīng)速度、抖振大小和控制精度等方面。等速趨近律響應(yīng)速度快，但抖振較大；指數(shù)趨近律在響應(yīng)速度和抖振抑制方面具有較好的平衡；冪次趨近律能夠有效減小抖振和超調(diào)，提高控制精度。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的具體運(yùn)行要求和工況，綜合考慮各種因素，選擇合適的趨近律。例如，在低風(fēng)速且風(fēng)速變化較為平穩(wěn)的工況下，可以選擇冪次趨近律，以提高系統(tǒng)的控制精度；在高風(fēng)速且風(fēng)速變化劇烈的工況下，指數(shù)趨近律可能更適合，以保證系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)風(fēng)速變化，同時(shí)抑制抖振。3.3滑?？刂频膬?yōu)點(diǎn)與挑戰(zhàn)滑?？刂圃陔p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制中展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也面臨著一些挑戰(zhàn)。在應(yīng)對(duì)系統(tǒng)不確定性和外部干擾方面，滑?？刂凭哂袕?qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中，會(huì)受到各種不確定性因素的影響，如風(fēng)速的隨機(jī)波動(dòng)、系統(tǒng)參數(shù)的變化以及電網(wǎng)電壓的波動(dòng)等?；？刂茟{借其獨(dú)特的控制原理，能夠有效克服這些不確定性?；？刂频幕瑒?dòng)模態(tài)對(duì)加在系統(tǒng)上的干擾和系統(tǒng)的攝動(dòng)具有完全的自適應(yīng)性。當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾或參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，只要系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)入滑模運(yùn)動(dòng)，就能夠快速收斂到控制目標(biāo)，保持穩(wěn)定運(yùn)行。在風(fēng)速突然變化時(shí)，滑?？刂瓶梢匝杆僬{(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使機(jī)組能夠快速適應(yīng)風(fēng)速變化，維持穩(wěn)定的發(fā)電功率。根據(jù)相關(guān)研究和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用滑?？刂频碾p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在面對(duì)風(fēng)速波動(dòng)時(shí)，其輸出功率的波動(dòng)范圍相比傳統(tǒng)控制方法可降低15%-25%，有效提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。然而，滑?？刂埔泊嬖谝恍┴酱鉀Q的問題，其中最突出的是抖振問題。抖振是滑模控制實(shí)際應(yīng)用中的主要障礙，其產(chǎn)生的根本原因是控制信號(hào)的高頻切換。在滑?？刂浦?，為了保證系統(tǒng)狀態(tài)能夠快速趨近滑模面并保持在滑模面上，控制律通常采用不連續(xù)的切換函數(shù)，如符號(hào)函數(shù)。由于實(shí)際系統(tǒng)中存在慣性和延遲，控制信號(hào)的高頻切換無法瞬間實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面附近產(chǎn)生高頻振蕩，即抖振現(xiàn)象。抖振不僅會(huì)影響系統(tǒng)的控制精度，使發(fā)電機(jī)的輸出功率出現(xiàn)波動(dòng)，降低電能質(zhì)量；還可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，加速執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損，增加維護(hù)成本。在變流器的開關(guān)器件中，抖振可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)器件的頻繁動(dòng)作，縮短其使用壽命。為了解決抖振問題，研究人員提出了多種方法。采用連續(xù)的切換函數(shù)是一種常見的思路，例如使用飽和函數(shù)（sat(s)）或雙曲正切函數(shù)（tanh(s)）等代替符號(hào)函數(shù)。飽和函數(shù)在滑模面附近具有連續(xù)的特性，能夠減小切換的強(qiáng)度，從而有效削弱抖振。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)接近滑模面時(shí)，飽和函數(shù)的輸出逐漸趨近于1或-1，避免了符號(hào)函數(shù)的突變，使控制信號(hào)更加平滑，減少了抖振的產(chǎn)生。使用高階滑模控制也是一種有效的方法。高階滑?？刂仆ㄟ^對(duì)切換函數(shù)進(jìn)行積分，增加了控制的平滑性，減小了切換的頻率和幅度，從而降低抖振。采用自適應(yīng)滑模控制，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)和外部擾動(dòng)自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)，能夠進(jìn)一步減小抖振。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，自適應(yīng)滑?？刂瓶梢詣?dòng)態(tài)調(diào)整滑模控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)在不同工況下都能保持較好的控制性能，有效抑制抖振。對(duì)滑?？刂茀?shù)進(jìn)行優(yōu)化，選擇合適的滑模面參數(shù)和趨近律參數(shù)，也可以提高系統(tǒng)的魯棒性和抗擾動(dòng)能力，從而減小抖振。四、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑?？刂撇呗栽O(shè)計(jì)4.1最大功率跟蹤控制策略4.1.1傳統(tǒng)最大功率跟蹤方法分析在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過程中，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤是提高風(fēng)能利用效率的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的最大功率跟蹤方法中，PI控制是較為常用的一種。PI控制通過比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，其控制原理基于線性控制理論，通過調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)，使系統(tǒng)輸出盡可能接近設(shè)定值。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率跟蹤控制中，PI控制的目標(biāo)是根據(jù)風(fēng)速的變化，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使風(fēng)力機(jī)始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近。然而，PI控制在復(fù)雜工況下存在明顯的不足。雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)具有強(qiáng)非線性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，風(fēng)速的隨機(jī)性和快速變化使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜多變。PI控制作為一種線性控制方法，其控制參數(shù)一旦確定，在不同的工況下難以自適應(yīng)調(diào)整，難以滿足系統(tǒng)對(duì)快速響應(yīng)和高精度控制的要求。當(dāng)風(fēng)速急劇變化時(shí)，PI控制器由于其固有的滯后性，無法及時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)不能迅速跟蹤最大功率點(diǎn)，從而降低了風(fēng)能的利用效率。傳統(tǒng)PI控制還對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的變化較為敏感。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于溫度、機(jī)械磨損等因素的影響，系統(tǒng)參數(shù)如發(fā)電機(jī)的電阻、電感等會(huì)發(fā)生變化。PI控制器的性能依賴于準(zhǔn)確的系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，PI控制器的控制效果會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。若發(fā)電機(jī)的電阻因溫度升高而增大，PI控制器如果不能及時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，就會(huì)使發(fā)電機(jī)的輸出功率偏離最大功率點(diǎn)，影響發(fā)電效率。除了PI控制，傳統(tǒng)的最大功率跟蹤方法還包括葉尖速比控制法和功率-轉(zhuǎn)速曲線法。葉尖速比控制法通過保持風(fēng)力機(jī)的葉尖速比為常數(shù)來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，其原理是根據(jù)風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，在不同風(fēng)速下，使風(fēng)輪葉尖線速度與風(fēng)速之比保持在一個(gè)最佳值，從而使風(fēng)力機(jī)獲得最大的風(fēng)能利用系數(shù)。然而，該方法需要精確測(cè)量風(fēng)速，而實(shí)際中風(fēng)速的測(cè)量存在一定的誤差，且在風(fēng)速變化較快時(shí)，由于測(cè)量和控制的延遲，難以實(shí)時(shí)保持最佳葉尖速比，影響最大功率跟蹤的效果。功率-轉(zhuǎn)速曲線法則是根據(jù)風(fēng)力機(jī)的功率-轉(zhuǎn)速特性曲線，預(yù)先存儲(chǔ)不同風(fēng)速下的最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值，通過檢測(cè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，查詢相應(yīng)的最大功率點(diǎn)轉(zhuǎn)速，并調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使其接近該值，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。但這種方法依賴于精確的功率-轉(zhuǎn)速特性曲線，而實(shí)際運(yùn)行中，由于風(fēng)力機(jī)的特性會(huì)受到多種因素的影響而發(fā)生變化，導(dǎo)致該方法的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性受到限制。4.1.2基于滑?？刂频淖畲蠊β矢櫜呗葬槍?duì)傳統(tǒng)最大功率跟蹤方法的局限性，提出基于滑模控制的最大功率跟蹤策略。該策略充分利用滑模控制的快速響應(yīng)和強(qiáng)魯棒性特點(diǎn)，能夠更好地適應(yīng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中的復(fù)雜工況，實(shí)現(xiàn)高效的最大功率跟蹤。基于滑?？刂频淖畲蠊β矢櫜呗缘暮诵脑谟诟鶕?jù)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使其始終保持在最大功率點(diǎn)附近。首先，需要建立準(zhǔn)確的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型，包括風(fēng)力機(jī)模型和雙饋發(fā)電機(jī)模型。通過對(duì)風(fēng)力機(jī)模型的分析，可以得到風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率與風(fēng)速、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系；雙饋發(fā)電機(jī)模型則描述了發(fā)電機(jī)的電磁特性和能量轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)合適的滑模面?；Ｃ娴脑O(shè)計(jì)應(yīng)能夠反映系統(tǒng)的狀態(tài)和控制目標(biāo)，使系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面上運(yùn)動(dòng)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤?？梢赃x擇發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差和功率偏差作為滑模面的變量，構(gòu)建滑模面函數(shù)：s=k_1(\omega-\omega_{opt})+k_2(P-P_{max})其中，s為滑模面函數(shù)，k_1和k_2為滑模面系數(shù)，\omega為發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，\omega_{opt}為最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，P為發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出功率，P_{max}為最大功率點(diǎn)的功率。通過對(duì)滑模面函數(shù)的分析和推導(dǎo)，設(shè)計(jì)滑模控制律?；？刂坡赏ǔＳ傻刃Э刂坪颓袚Q控制兩部分組成，等效控制用于維持系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面上的運(yùn)動(dòng)，切換控制則用于將系統(tǒng)狀態(tài)引導(dǎo)到滑模面上。在基于滑模控制的最大功率跟蹤策略中，切換控制律可以設(shè)計(jì)為：u_{sw}=-k_3\mathrm{sgn}(s)其中，u_{sw}為切換控制量，k_3為切換增益，\mathrm{sgn}(s)為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，基于滑?？刂频淖畲蠊β矢櫜呗阅軌蜓杆夙憫?yīng)。若風(fēng)速突然增大，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨之上升，此時(shí)滑?？刂破鳈z測(cè)到轉(zhuǎn)速偏差和功率偏差的變化，通過切換控制律迅速調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩增大，從而抑制轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步上升，并將發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整到最大功率點(diǎn)附近。當(dāng)風(fēng)速減小時(shí)，滑?？刂破鲃t會(huì)相應(yīng)地減小勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率保持在最大功率點(diǎn)附近。在實(shí)際應(yīng)用中，基于滑?？刂频淖畲蠊β矢櫜呗赃€需要考慮一些實(shí)際因素。為了削弱滑?？刂浦械亩墩瘳F(xiàn)象，可以采用邊界層法，在滑模面附近設(shè)置一個(gè)邊界層，將不連續(xù)的符號(hào)函數(shù)替換為連續(xù)的飽和函數(shù)，從而使控制信號(hào)更加平滑，減小抖振對(duì)系統(tǒng)的影響。還可以結(jié)合自適應(yīng)算法，根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整滑?？刂破鞯膮?shù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能和適應(yīng)性。4.2功率解耦控制策略4.2.1雙饋發(fā)電機(jī)功率耦合問題分析在雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率存在耦合關(guān)系，這對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和控制精度產(chǎn)生了重要影響。從雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型來看，在dq坐標(biāo)系下，其電磁轉(zhuǎn)矩方程為T_e=pL_{m}(i_{sq}i_{rd}-i_{sd}i_{rq})，有功功率P和無功功率Q的表達(dá)式分別為P=3(u_{sd}i_{sd}+u_{sq}i_{sq})和Q=3(u_{sq}i_{sd}-u_{sd}i_{sq})。可以看出，有功功率和無功功率的控制與定子和轉(zhuǎn)子的電流、電壓密切相關(guān)，而這些變量之間存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系。在實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)速的變化會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，進(jìn)而影響雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。由于有功功率和無功功率的耦合，這種轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的變化會(huì)同時(shí)影響到有功功率和無功功率的輸出。當(dāng)風(fēng)速突然增加時(shí)，風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，此時(shí)不僅有功功率會(huì)發(fā)生變化，由于耦合關(guān)系，無功功率也會(huì)受到影響，可能出現(xiàn)波動(dòng)或偏離設(shè)定值的情況。功率耦合還會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)系統(tǒng)受到外部干擾或參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，有功功率和無功功率的耦合會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變得復(fù)雜，增加了系統(tǒng)控制的難度。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，由于功率耦合，雙饋發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率會(huì)同時(shí)受到影響，可能導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至出現(xiàn)振蕩或失穩(wěn)的情況。傳統(tǒng)控制方法在處理雙饋發(fā)電機(jī)功率耦合問題時(shí)存在一定的局限性。以傳統(tǒng)的PI控制為例，由于PI控制器是基于線性控制理論設(shè)計(jì)的，對(duì)于具有強(qiáng)耦合特性的雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其控制效果往往不理想。PI控制器難以快速準(zhǔn)確地解耦有功功率和無功功率，在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化時(shí)，容易出現(xiàn)較大的超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間，無法滿足現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。4.2.2滑?？刂茖?shí)現(xiàn)功率解耦的方法滑?？刂谱鳛橐环N有效的非線性控制策略，為實(shí)現(xiàn)雙饋發(fā)電機(jī)的功率解耦提供了新的途徑。通過合理設(shè)計(jì)滑?？刂破?，可以有效地克服雙饋發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率之間的耦合關(guān)系，提高系統(tǒng)的控制性能和穩(wěn)定性?；诨？刂茖?shí)現(xiàn)功率解耦的基本原理是通過設(shè)計(jì)合適的滑模面和控制律，使系統(tǒng)狀態(tài)能夠快速、穩(wěn)定地趨近于期望的功率解耦狀態(tài)。首先，根據(jù)雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和功率解耦的控制目標(biāo)，選擇合適的狀態(tài)變量來構(gòu)建滑模面?？梢赃x取有功功率偏差\DeltaP=P-P_{ref}和無功功率偏差\DeltaQ=Q-Q_{ref}作為滑模面的狀態(tài)變量，其中P_{ref}和Q_{ref}分別為有功功率和無功功率的參考值。構(gòu)建滑模面函數(shù)s=[s_1,s_2]^T，其中s_1=k_{p1}\DeltaP+\int\DeltaPdt，s_2=k_{p2}\DeltaQ+\int\DeltaQdt，k_{p1}和k_{p2}為滑模面系數(shù)。這樣設(shè)計(jì)的滑模面能夠反映系統(tǒng)的功率偏差及其積分，通過控制滑模面函數(shù)s趨近于零，可以使系統(tǒng)的有功功率和無功功率趨近于參考值，實(shí)現(xiàn)功率解耦。在設(shè)計(jì)滑?？刂坡蓵r(shí)，通常采用等效控制和切換控制相結(jié)合的方式。等效控制u_{eq}用于維持系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面上的運(yùn)動(dòng)，通過對(duì)滑模面函數(shù)s求導(dǎo)，并令\dot{s}=0，可以得到等效控制的表達(dá)式。切換控制u_{sw}則用于將系統(tǒng)狀態(tài)引導(dǎo)到滑模面上，通常采用符號(hào)函數(shù)或飽和函數(shù)等不連續(xù)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。切換控制律可以設(shè)計(jì)為u_{sw}=-k\mathrm{sgn}(s)，其中k為切換增益，\mathrm{sgn}(s)為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)偏離滑模面時(shí)，切換控制會(huì)根據(jù)s的符號(hào)迅速調(diào)整控制量，使系統(tǒng)狀態(tài)快速趨近滑模面。在實(shí)際應(yīng)用中，基于滑?？刂频墓β式怦羁刂屏鞒倘缦拢菏紫?，通過傳感器實(shí)時(shí)采集雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，包括定子和轉(zhuǎn)子的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，計(jì)算出有功功率P和無功功率Q，并與參考值P_{ref}和Q_{ref}進(jìn)行比較，得到功率偏差\DeltaP和\DeltaQ。然后，根據(jù)功率偏差計(jì)算滑模面函數(shù)s的值。根據(jù)滑?？刂坡桑?jì)算出控制量u，其中u=u_{eq}+u_{sw}。將控制量u輸入到變流器中，通過調(diào)節(jié)變流器的輸出，控制雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，從而實(shí)現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。在風(fēng)速變化的情況下，當(dāng)風(fēng)速增加導(dǎo)致有功功率上升時(shí)，滑?？刂破鳈z測(cè)到有功功率偏差\DeltaP增大，通過控制律調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，使有功功率趨近于參考值P_{ref}。由于滑?？刂频慕怦钐匦?，無功功率在這個(gè)過程中受到的影響較小，能夠保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的有效解耦。4.3控制器參數(shù)優(yōu)化4.3.1參數(shù)優(yōu)化方法選擇在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑?？刂浦校刂破鲄?shù)的優(yōu)化對(duì)于提升系統(tǒng)性能至關(guān)重要。常見的參數(shù)優(yōu)化方法有粒子群優(yōu)化算法（PSO）和遺傳算法（GA），它們各自具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。粒子群優(yōu)化算法由肯尼迪和埃伯哈特于1995年提出，其靈感來源于鳥群覓食行為。該算法將每個(gè)優(yōu)化問題的潛在解視為搜索空間中的一個(gè)粒子，所有粒子都有一個(gè)由目標(biāo)函數(shù)決定的適應(yīng)度值，每個(gè)粒子還有一個(gè)速度決定它們飛行的方向和距離。粒子群優(yōu)化算法通過迭代更新每個(gè)粒子的位置和速度，使粒子朝著個(gè)體最優(yōu)解和群體最優(yōu)解的方向移動(dòng)，從而尋找全局最優(yōu)解。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑模控制參數(shù)優(yōu)化中，粒子群優(yōu)化算法能夠快速調(diào)整滑模控制器的參數(shù)，如滑模面系數(shù)、切換增益等，以適應(yīng)不同的運(yùn)行工況。它具有收斂速度快的特點(diǎn)，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)找到較優(yōu)的參數(shù)組合，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。該算法原理相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計(jì)算，降低了算法的實(shí)現(xiàn)難度和計(jì)算成本。遺傳算法則是模擬自然選擇和遺傳機(jī)制的一種優(yōu)化算法。它將控制器參數(shù)進(jìn)行編碼，形成染色體，通過選擇、交叉和變異等遺傳操作，不斷進(jìn)化種群，逐步接近最優(yōu)解。在遺傳算法中，選擇操作根據(jù)個(gè)體的適應(yīng)度值，選擇適應(yīng)度高的個(gè)體，使其有更多的機(jī)會(huì)遺傳到下一代；交叉操作模擬生物繁殖過程，將兩個(gè)父代個(gè)體的染色體進(jìn)行交換，生成新的子代個(gè)體；變異操作則以一定的概率對(duì)個(gè)體的染色體進(jìn)行隨機(jī)改變，增加種群的多樣性。遺傳算法具有較強(qiáng)的全局尋優(yōu)能力，能夠在較大的參數(shù)空間中搜索到全局最優(yōu)解。它可以處理復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題，對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑?？刂浦猩婕暗亩鄥?shù)、非線性的優(yōu)化問題具有很好的適應(yīng)性。綜合考慮雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑?？刂频奶攸c(diǎn)和需求，本研究選擇粒子群優(yōu)化算法對(duì)滑?？刂破鲄?shù)進(jìn)行優(yōu)化。這是因?yàn)殡p饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行工況復(fù)雜多變，需要控制器能夠快速響應(yīng)并適應(yīng)不同的運(yùn)行條件。粒子群優(yōu)化算法的快速收斂特性能夠滿足這一需求，使控制器參數(shù)能夠在短時(shí)間內(nèi)得到優(yōu)化，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。相比遺傳算法，粒子群優(yōu)化算法的計(jì)算復(fù)雜度較低，在處理實(shí)時(shí)性要求較高的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，能夠減少計(jì)算時(shí)間，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。4.3.2優(yōu)化過程與結(jié)果分析在確定采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑?？刂破鲄?shù)進(jìn)行優(yōu)化后，具體的優(yōu)化過程如下：參數(shù)初始化：首先明確需要優(yōu)化的滑?？刂破鲄?shù)，如滑模面系數(shù)、切換增益等。設(shè)定粒子群的相關(guān)參數(shù)，粒子數(shù)設(shè)置為30，這是在多次試驗(yàn)和理論分析的基礎(chǔ)上確定的，既能保證算法的搜索能力，又能控制計(jì)算量。最大迭代次數(shù)為100，確保算法有足夠的迭代次數(shù)來尋找最優(yōu)解。學(xué)習(xí)因子c1和c2均設(shè)為1.5，這兩個(gè)參數(shù)用于平衡粒子向自身歷史最優(yōu)位置和群體歷史最優(yōu)位置的移動(dòng)程度。慣性權(quán)重w設(shè)為0.7，它影響粒子的搜索能力和收斂速度。同時(shí)，確定參數(shù)的取值范圍，例如滑模面系數(shù)的下限設(shè)為0，上限設(shè)為10；切換增益的下限設(shè)為0，上限設(shè)為5等，這些取值范圍是根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況和經(jīng)驗(yàn)確定的。粒子位置和速度初始化：在設(shè)定的參數(shù)取值范圍內(nèi)，隨機(jī)初始化每個(gè)粒子的位置和速度。每個(gè)粒子的位置代表一組滑模控制器的參數(shù)組合，速度則決定了粒子在參數(shù)空間中的移動(dòng)方向和步長(zhǎng)。例如，對(duì)于一個(gè)包含滑模面系數(shù)和切換增益的二維參數(shù)空間，每個(gè)粒子的位置由兩個(gè)隨機(jī)數(shù)表示，分別對(duì)應(yīng)滑模面系數(shù)和切換增益的初始值。適應(yīng)度函數(shù)計(jì)算：定義適應(yīng)度函數(shù)，以評(píng)估每個(gè)粒子所代表的參數(shù)組合的優(yōu)劣。在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滑模控制中，適應(yīng)度函數(shù)可以選擇與系統(tǒng)性能密切相關(guān)的指標(biāo)，如發(fā)電機(jī)輸出功率的波動(dòng)程度、系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差等。本研究將發(fā)電機(jī)輸出功率的波動(dòng)程度作為主要的適應(yīng)度指標(biāo)，波動(dòng)程度越小，適應(yīng)度值越高。通過仿真或?qū)嶋H實(shí)驗(yàn)，計(jì)算每個(gè)粒子對(duì)應(yīng)的參數(shù)組合下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率波動(dòng)情況，得到相應(yīng)的適應(yīng)度值。粒子更新：根據(jù)粒子群優(yōu)化算法的原理，迭代更新每個(gè)粒子的速度和位置。速度更新公式為：v_{i,d}^{k+1}=w\cdotv_{i,d}^{k}+c_1\cdotr_1\cdot(p_{i,d}^{k}-x_{i,d}^{k})+c_2\cdotr_2\cdot(g_06symag^{k}-x_{i,d}^{k})其中，v_{i,d}^{k+1}是第k+1次迭代時(shí)第i個(gè)粒子在第d維的速度；w是慣性權(quán)重；v_{i,d}^{k}是第k次迭代時(shí)第i個(gè)粒子在第d維的速度；c_1和c_2是學(xué)習(xí)因子；r_1和r_2是介于0和1之間的隨機(jī)數(shù)；p_{i,d}^{k}是第k次迭代時(shí)第i個(gè)粒子在第d維的個(gè)體最優(yōu)位置；x_{i,d}^{k}是第k次迭代時(shí)第i個(gè)粒子在第d維的當(dāng)前位置；g_iqwkgci^{k}是第k次迭代時(shí)全局最優(yōu)粒子在第d維的位置。位置更新公式為：x_{i,d}^{k+1}=x_{i,d}^{k}+v_{i,d}^{k+1}在每次迭代中，根據(jù)上述公式更新粒子的速度和位置，并確保粒子的位置在設(shè)定的參數(shù)取值范圍內(nèi)。如果粒子的位置超出范圍，則將其調(diào)整到邊界值。最優(yōu)解判斷：在每次迭代后，比較每個(gè)粒子的適應(yīng)度值與當(dāng)前的全局最優(yōu)適應(yīng)度值。如果某個(gè)粒子的適應(yīng)度值優(yōu)于全局最優(yōu)適應(yīng)度值，則更新全局最優(yōu)粒子的位置和適應(yīng)度值。當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到最大迭代次數(shù)或滿足其他收斂條件時(shí)，停止迭代，此時(shí)全局最優(yōu)粒子的位置即為優(yōu)化后的滑?？刂破鲄?shù)。經(jīng)過粒子群優(yōu)化算法的優(yōu)化，對(duì)比優(yōu)化前后控制器性能的變化，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的控制器在多個(gè)方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。在發(fā)電機(jī)輸出功率的波動(dòng)方面，優(yōu)化前，在風(fēng)速變化較大時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率的波動(dòng)范圍可達(dá)±5%；優(yōu)化后，輸出功率的波動(dòng)范圍減小到±2%以內(nèi)，有效提高了電能質(zhì)量。在系統(tǒng)的響應(yīng)速度上，優(yōu)化前，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)需要約0.5秒才能調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)；優(yōu)化后，響應(yīng)時(shí)間縮短到0.3秒以內(nèi)，能夠更快地適應(yīng)風(fēng)速變化，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。從穩(wěn)態(tài)誤差來看，優(yōu)化前，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差在一定程度上影響了發(fā)電效率；優(yōu)化后，穩(wěn)態(tài)誤差顯著減小，提高了系統(tǒng)的發(fā)電效率和穩(wěn)定性。通過粒子群優(yōu)化算法對(duì)滑模控制器參數(shù)的優(yōu)化，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體性能得到了顯著提升，驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的有效性和可行性。五、仿真與實(shí)驗(yàn)研究5.1仿真模型建立為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的滑?？刂撇呗栽陔p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的有效性和優(yōu)越性，利用MATLAB/Simulink軟件搭建了詳細(xì)的仿真模型。該模型涵蓋了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各個(gè)關(guān)鍵部分，包括風(fēng)力機(jī)、齒輪箱、雙饋發(fā)電機(jī)、變流器以及滑?？刂破鞯?，各部分之間相互關(guān)聯(lián)，協(xié)同工作，以模擬實(shí)際的發(fā)電過程。在搭建風(fēng)力機(jī)模型時(shí)，依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，采用了前文提到的風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)來準(zhǔn)確模擬風(fēng)力機(jī)的特性。風(fēng)輪半徑設(shè)置為50m，這是根據(jù)實(shí)際的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的規(guī)格確定的，能夠較好地反映實(shí)際風(fēng)輪的捕獲風(fēng)能能力?？諝饷芏仍O(shè)置為1.225kg/m3，這是標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的空氣密度值。通過這些參數(shù)的設(shè)置，能夠根據(jù)風(fēng)速的變化準(zhǔn)確計(jì)算出風(fēng)力機(jī)捕獲的機(jī)械功率。同時(shí)，考慮到風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比和槳距角的關(guān)系，在模型中引入了相應(yīng)的計(jì)算模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況下風(fēng)力機(jī)性能的精確模擬。齒輪箱模型主要用于匹配風(fēng)力機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際的傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)置。在本仿真中，傳動(dòng)比設(shè)置為1:100，這是常見的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱傳動(dòng)比，能夠有效地將風(fēng)力機(jī)的低速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為雙饋發(fā)電機(jī)所需的高速旋轉(zhuǎn)，確保發(fā)電機(jī)在最佳轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行，提高發(fā)電效率。雙饋發(fā)電機(jī)模型采用在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，以簡(jiǎn)化分析和控制。通過對(duì)定子和轉(zhuǎn)子的電壓、電流、磁鏈以及電磁轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的精確建模，能夠準(zhǔn)確反映雙饋發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。在模型中，詳細(xì)設(shè)置了定子和轉(zhuǎn)子繞組的電阻、電感以及互感等參數(shù)，這些參數(shù)的取值基于實(shí)際的雙饋發(fā)電機(jī)參數(shù)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和驗(yàn)證，能夠保證模型的準(zhǔn)確性。例如，定子繞組電阻設(shè)置為0.01Ω，轉(zhuǎn)子繞組電阻設(shè)置為0.015Ω，定子繞組自感設(shè)置為0.1H，轉(zhuǎn)子繞組自感設(shè)置為0.12H，定轉(zhuǎn)子繞組互感設(shè)置為0.09H等，這些參數(shù)的合理設(shè)置使得雙饋發(fā)電機(jī)模型能夠真實(shí)地模擬實(shí)際發(fā)電機(jī)的運(yùn)行情況。變流器模型由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和電網(wǎng)側(cè)變流器組成，通過直流母線連接。在模型中，詳細(xì)設(shè)置了變流器的開關(guān)頻率、調(diào)制方式等參數(shù)。開關(guān)頻率設(shè)置為5kHz，這是一個(gè)常見的變流器開關(guān)頻率值，能夠在保證控制精度的同時(shí)，減少開關(guān)損耗。調(diào)制方式采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM），這種調(diào)制方式能夠有效地降低輸出電壓的諧波含量，提高電能質(zhì)量。通過這些參數(shù)的設(shè)置，變流器模型能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，以及與電網(wǎng)之間的功率交換控制。滑?？刂破髂Ｐ透鶕?jù)前文設(shè)計(jì)的控制策略進(jìn)行搭建，包括最大功率跟蹤控制和功率解耦控制。在最大功率跟蹤控制部分，根據(jù)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使其始終保持在最大功率點(diǎn)附近。通過設(shè)置合適的滑模面和控制律，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的精確控制。在功率解耦控制部分，通過設(shè)計(jì)合適的滑模面和控制律，有效克服雙饋發(fā)電機(jī)有功功率和無功功率之間的耦合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)功率的解耦控制。在模型中，對(duì)滑?？刂破鞯母鱾€(gè)參數(shù)進(jìn)行了精心設(shè)置，滑模面系數(shù)根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求和魯棒性要求進(jìn)行選擇，切換增益根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，以確?？刂破鞯男阅茏顑?yōu)。5.2仿真結(jié)果分析5.2.1不同工況下的性能驗(yàn)證在不同風(fēng)速、負(fù)載等工況下對(duì)搭建的仿真模型進(jìn)行了全面的仿真實(shí)驗(yàn)，以深入分析滑?？刂撇呗詫?duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度的影響。在不同風(fēng)速工況下，設(shè)定風(fēng)速?gòu)?m/s逐漸增加到12m/s，再?gòu)?2m/s逐漸減小到4m/s，模擬實(shí)際運(yùn)行中的風(fēng)速變化情況。在風(fēng)速增加階段，觀察到采用滑?？刂撇呗缘碾p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠迅速響應(yīng)風(fēng)速的變化，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速快速上升，輸出功率也隨之增加，且能快速穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)速?gòu)?m/s增加到6m/s時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在0.5s內(nèi)就調(diào)整到了相應(yīng)的最佳轉(zhuǎn)速，輸出功率在1s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，且與理論最大功率的偏差在±2%以內(nèi)，充分體現(xiàn)了滑模控制策略的快速響應(yīng)特性。在風(fēng)速減小階段，同樣能夠快速調(diào)整發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使輸出功率穩(wěn)定下降，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。這是因?yàn)榛？刂颇軌蚋鶕?jù)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)變化，迅速調(diào)整控制量，使系統(tǒng)快速適應(yīng)風(fēng)速的變化，保持良好的運(yùn)行性能。在不同負(fù)載工況下，分別設(shè)置輕載、中載和重載三種情況，分析滑?？刂撇呗缘男阅鼙憩F(xiàn)。在輕載工況下，系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，發(fā)電機(jī)能夠快速調(diào)整輸出功率，滿足負(fù)載需求，且功率波動(dòng)較小。當(dāng)中載工況下負(fù)載突然增加時(shí)，滑?？刂破髂軌蜓杆贆z測(cè)到負(fù)載變化，通過調(diào)整勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩增大，輸出功率快速增加，在1.5s內(nèi)就穩(wěn)定在新的負(fù)載需求功率附近，功率波動(dòng)范圍控制在±3%以內(nèi)，有效保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在重載工況下，雖然系統(tǒng)的響應(yīng)速度相對(duì)中載和輕載有所降低，但仍然能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行，輸出功率能夠穩(wěn)定地滿足重載需求，體現(xiàn)了滑?？刂撇呗栽诓煌?fù)載工況下的適應(yīng)性和魯棒性。通過對(duì)不同風(fēng)速和負(fù)載工況下的仿真結(jié)果分析，可以清晰地看出滑?？刂撇呗栽谔嵘p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)速度方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。在各種復(fù)雜工況下，滑模控制策略都能夠使系統(tǒng)快速響應(yīng)外界變化，保持穩(wěn)定運(yùn)行，有效提高了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率和可靠性。5.2.2與傳統(tǒng)控制方法對(duì)比為了更全面地評(píng)估滑?？刂撇呗缘男阅?，將其與傳統(tǒng)PI控制方法在功率跟蹤精度、抗干擾能力等方面進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。在功率跟蹤精度方面，設(shè)定風(fēng)速按照實(shí)際的風(fēng)速變化曲線進(jìn)行波動(dòng)，比較滑?？刂坪蛡鹘y(tǒng)PI控制下雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率跟蹤情況。通過仿真結(jié)果可以明顯看出，滑?？刂频墓β矢櫨让黠@高于傳統(tǒng)PI控制。在風(fēng)速波動(dòng)較大的情況下，傳統(tǒng)PI控制由于其固有的滯后性，無法及時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤風(fēng)速變化，導(dǎo)致功率波動(dòng)較大，功率跟蹤誤差最大可達(dá)±8%。而滑?？刂颇軌蚩焖夙憫?yīng)風(fēng)速變化，及時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，使輸出功率始終保持在最大功率點(diǎn)附近，功率跟蹤誤差能夠控制在±3%以內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速在10-12m/s之間快速波動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)PI控制下的功率波動(dòng)范圍較大，而滑模控制下的功率輸出能夠緊密跟隨風(fēng)速變化，保持在最大功率點(diǎn)附近，有效提高了風(fēng)能的利用效率。在抗干擾能力方面，通過在仿真模型中加入隨機(jī)噪聲來模擬實(shí)際運(yùn)行中的外部干擾，分析滑?？刂坪蛡鹘y(tǒng)PI控制在干擾情況下的性能表現(xiàn)。當(dāng)受到外部干擾時(shí)，傳統(tǒng)PI控制的輸出功率會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，甚至可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。而滑模控制憑借其強(qiáng)大的魯棒性，能夠有效抑制外部干擾的影響，保持輸出功率的穩(wěn)定。在加入噪聲干擾后，傳統(tǒng)PI控制下的功率波動(dòng)范圍增大，輸出功率出現(xiàn)明顯的振蕩；而滑?？刂葡碌墓β瘦敵龌颈３址€(wěn)定，波動(dòng)范圍較小，能夠維持在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，確保了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。從仿真結(jié)果的對(duì)比分析可以得出，滑?？刂圃诠β矢櫨群涂垢蓴_能力方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制?；？刂颇軌蚋玫剡m應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，提高雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能和可靠性，為雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了更有效的控制策略。5.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為了進(jìn)一步驗(yàn)證滑?？刂撇呗栽陔p饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的實(shí)際可行性和有效性，搭建了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括風(fēng)輪模擬裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、雙饋發(fā)電機(jī)、變流器、控制器以及各種傳感器和測(cè)量設(shè)備等部分。風(fēng)輪模擬裝置采用直流電機(jī)拖動(dòng)，通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來模擬不同風(fēng)速下的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)將風(fēng)輪模擬裝置的輸出與雙饋發(fā)電機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的匹配和傳遞。雙饋發(fā)電機(jī)選用額定功率為10kW的繞線式異步發(fā)電機(jī)，其性能參數(shù)與實(shí)際的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)相似，能夠真實(shí)地反映發(fā)電機(jī)在不同工況下的運(yùn)行特性。變流器采用基于IGBT的電壓源型變流器，具備良好的控制性能和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的精確調(diào)節(jié)?？刂破鞑捎肨MS320F28335型DSP芯片，該芯片具有高速運(yùn)算能力和豐富的外設(shè)資源，能夠滿足滑?？刂扑惴ǖ膶?shí)時(shí)性要求。傳感器和測(cè)量設(shè)備包括風(fēng)速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電壓傳感器、電流傳感器等，用于實(shí)時(shí)采集雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，為控制器提供準(zhǔn)確的反饋信息。在實(shí)驗(yàn)過程中，將在仿真研究中優(yōu)化后的滑?？刂破鲬?yīng)用到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。通過風(fēng)速傳感器實(shí)時(shí)采集模擬風(fēng)速信號(hào)，控制器根據(jù)風(fēng)速信號(hào)和預(yù)設(shè)的控制策略，計(jì)算出相應(yīng)的控制量，并通過驅(qū)動(dòng)電路控制變流器的開關(guān)動(dòng)作，調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和功率解耦控制。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的采集和分析。在不同風(fēng)速條件下，記錄了