本书系统地介绍了滑模容错控制理论在微电网中的应用。第1章介绍了研究背景及意义；第2章建立了微型燃气轮机部件级模型及优化T-S模糊模型；第3章基于非奇异终端滑模观测器对微型燃气轮机故障进行了鲁棒重构；第4章设计了孤岛模式下的微型燃气轮机发电系统容错控制器；第5章介绍了变桨距风力发电机建模；第6章和第7章分别介绍了风力发电机转速控制器和变桨距控制器设计；第8章介绍了永磁同步电机硬件实验平台；第9章和第10章分别介绍了光伏发电系统的MPPT控制策略和并网逆变器控制策略；第11章介绍了AC/DC变换器建模及控制系统设计；第12章介绍了微电网储能并网技术。 本书可作为电网技术、自动化技术、动力机械及工程和电气工程相关领域的参考用书，也可为工程技术人员、高等院校相关专业的教师、高年级本科生和研究生从事相关建模、控制及分析设计等工作提供指导。

前言 能源是人类赖以生存和发展的基础，在提高能源利用率的同时加强可再生能源的利用是解决经济社会快速发展与能源供应之间矛盾的重要手段。从环境保护和能源可持续的角度考虑，扩大可再生能源的发电比例是未来的发展趋势。但是与常规能源相比，可再生能源的稳定性和可靠性研究始终是重大课题和挑战。微电网技术的应用为充分利用可再生能源，获得稳定、高效的绿色电能提供了一种解决思路。微电网可以与大电网相互补充，改善供电质量。 微电网的概念由美国电力可靠性技术解决方案协会于1999年提出，随着世界主要国家和地区提出建设和发展智能电网，作为智能电网重要组成部分的微电网得到了广泛的认同和重视。微电网的优势包括但不限于：①可有效提高间歇式可再生能源利用率；②可降低配电网的损耗，提高配电网对分布式电源的接纳能力；③可提高电网的供电可靠性；④可用于解决偏远地区的用电问题。因此，微电网技术的相关研究和发展得到了国家各部委和社会各界的广泛关注与支持。 本书第1章分别对微型燃气轮机、变桨距风力发电机、光伏发电系统、储能系统及微电网的控制技术研究现状进行了总结；第2章至第4章介绍了微型燃气轮机建模及其控制策略研究；第5章至第8章介绍了风力发电机建模和相关控制器的设计与实验验证；第9 章和第10章介绍了光伏发电系统建模及其容错控制策略；第11章重点介绍了AC/DC变换器建模及控制系统设计的相关内容。储能系统在微电网中发挥着举足轻重的作用，包括提供短时供电、电力调峰、改善微电网的电能质量和提升分布式电源性能等。因此，储能系统的设计与控制得到了科研人员越来越多的关注。第12章简单地介绍了储能并网技术在微电网中的应用，但这是远远不够的，相信随着未来储能并网技术与信息化、智能化的不断融合，定能获得更加卓越且丰富的成果。 在微电网研究领域，编者所在的研究团队已经先后培养了近十位研究生，正是由于各位同学的辛勤付出和创新性工作，才促成了本书的问世。在这里向陈玉升、孟中祥、卢彬彬等同学表示衷心的感谢。同时，本书得到了国家自然科学基金（51876089）和南京航空航天大学研究生创新基地实验室开放基金（kfjj20170219、kfjj20190205）的大力资助。 本书涵盖了微电网中风、光、燃、储的相关内容，对于从事相关研究的工作者来说有一定参考价值。本书的编写过程历时两年，尽管编者把书稿的撰写看作一种责任，但更多的是感到一种压力。由于微电网相关的理论和技术涉及面较广，限于编者水平和条件，书中难免存在疏漏之处，真诚地恳请各位读者批评指正。 编 者 2023年1月

目录 第1章 绪论 1 1.1　研究背景及意义 1 1.2　微型燃气轮机发电系统容错控制研究现状 2 1.2.1 微型燃气轮机发电系统简介 2 1.2.2 微型燃气轮机发电系统建模 3 1.2.3 微型燃气轮机发电系统控制 4 1.3　变桨距风力发电机智能滑模容错控制研究现状 5 1.3.1 风力发电机转速控制 6 1.3.2 风力发电机变桨距控制 7 1.3.3 风力发电机容错控制 8 1.4　光伏发电系统滑模容错控制研究现状 9 1.5　微电网储能并网技术研究现状 11 1.5.1 微电网的概念 11 1.5.2 微电网容错控制 11 1.5.3 微电网储能技术 12 参考文献 13 第2章 微型燃气轮机部件级建模及优化T-S模糊模型拟合 20 2.1　引言 20 2.2　微型燃气轮机部件级模型 20 2.2.1 微型燃气轮机部件特性 20 2.2.2 微型燃气轮机部件级模型求解 23 2.3　基于类高斯隶属度函数的微型燃气轮机T-S模糊模型 27 2.3.1 T-S模糊模型建模原理 27 2.3.2 微型燃气轮机T-S模糊模型建模方法 27 2.4　模型仿真分析 29 2.4.1 微型燃气轮机部件级模型仿真分析 29 2.4.2 优化T-S模糊模型精度验证 30 2.5　本章小结 30 第3章 基于非奇异终端滑模观测器的微型燃气轮机执行机构故障鲁棒重构 31 3.1　引言 31 3.2　系统描述及线性变换 32 3.3　自适应非奇异滑模观测器设计 33 3.4　观测器误差稳定性证明 34 3.5　故障重构仿真分析 38 3.5.1 渐变故障重构 40 3.5.2 突变故障重构 41 3.5.3 周期性故障重构 41 3.6　本章小结 43 第4章 孤岛模式下的微型燃气轮机发电系统容错控制 44 4.1　引言 44 4.2　微型燃气轮机发电系统仿真模型 44 4.3　微型燃气轮机控制系统设计 46 4.3.1 基于加速度及温度保护的微型燃气轮机控制原理 46 4.3.2 基于模糊规则和目标函数的微型燃气轮机转速控制器设计 47 4.4　包含加速度保护及温度保护的微型燃气轮机自适应容错控制器设计 48 4.4.1 基于改进ICA算法的微型燃气轮机容错控制原理 48 4.4.2 微型燃气轮机执行机构故障类型 49 4.4.3 改进ICA算法流程及研究 49 4.5　微型燃气轮机发电系统在孤岛模式下的逆变器V/f控制 51 4.5.1 电压型PWM逆变器模型分析 51 4.5.2 电压型PWM逆变器电压/电流双环控制器设计 52 4.6　微型燃气轮机发电系统仿真分析 53 4.6.1 改进ICA算法性能测试 53 4.6.2 微型燃气轮机加减速控制仿真分析 54 4.6.3 孤岛模式下的微型燃气轮机发电系统输出电压仿真分析 54 4.7　本章小结 56 参考文献 57 第5章 变桨距风力发电机系统建模 58 5.1　引言 58 5.2　风力发电机的工作原理及控制要求 58 5.2.1 最大功率跟踪阶段 59 5.2.2 恒功率运行阶段 59 5.3　风力发电机风速特性分析 59 5.3.1 风切变效应 60 5.3.2 塔影效应 61 5.3.3 湍流风模型 62 5.4　风力发电机空气动力学理论 63 5.4.1 风轮动量理论 63 5.4.2 风轮叶素理论 65 5.4.3 风轮空气动力学特性 66 5.5　变桨距风力发电机系统模型建立 67 5.5.1 风速模型 67 5.5.2 传动系统模型 69 5.5.3 永磁同步电机模型 70 5.5.4 变桨距执行机构模型 71 5.5.5 独立变桨距风力发电机载荷模型 71 5.6　本章小结 75 参考文献 75 第6章 风力发电机转速控制 76 6.1　引言 76 6.2　滑模变结构控制 76 6.2.1 滑模变结构控制的系统描述 76 6.2.2 滑模变结构控制的数学描述 78 6.2.3 滑模变结构控制的三个基本要素 79 6.2.4 高阶滑模控制 80 6.3　基于新型几何扇区二阶积分滑模的智能转矩控制器设计 81 6.3.1 风力发电机的不确定性模型 81 6.3.2 新型几何扇区二阶积分滑模控制器设计 82 6.3.3 改进的变速灰狼优化算法 85 6.3.4 仿真分析 89 6.4　基于风速估计的无传感器智能二阶积分滑模控制器设计 93 6.4.1 永磁同步电机的不确定性数学模型 93 6.4.2 二阶积分滑模控制器设计 94 6.4.3 无传感器控制策略设计 97 6.4.4 仿真分析 100 6.5　本章小结 107 参考文献 107 第7章 风力发电机变桨距控制 109 7.1　引言 109 7.2　模型预测控制 109 7.3　基于自适应非奇异终端滑模观测器的载荷预测控制策略 109 7.3.1 独立变桨距风力发电机数学模型 110 7.3.2 载荷预测控制器设计 110 7.3.3 仿真分析 119 7.4　基于自适应状态反馈滑模控制的容错控制器设计 122 7.4.1 风力发电机线性化模型 123 7.4.2 自适应状态反馈控制器设计 123 7.4.3 仿真分析 128 7.5　本章小结 133 参考文献 133 第8章 永磁同步电机硬件实验平台 134 8.1　引言 134 8.2　实验平台的硬件结构 134 8.2.1 PICkit 3编程器介绍 135 8.2.2 dsPICDEM MCLV开发板介绍 135 8.2.3 永磁同步电机无传感器磁场定向控制结构 137 8.3　实验平台软件设计 138 8.3.1 MPLAB X IDE介绍 138 8.3.2 实时数据监视器RTDM 140 8.4　基于改进级联观测器的永磁同步电机分数阶积分滑模控制器 143 8.5　基于无传感器智能二阶积分滑模的永磁同步电机控制 154 8.6　本章小结 157 第9章 光伏发电系统MPPT控制策略 158 9.1　引言 158 9.2　光伏电池模型及其输出特性研究 158 9.2.1 光伏电池的工作原理介绍 158 9.2.2 光伏电池建模与仿真分析 159 9.3　DC/DC变换电路及其MPPT控制策略 162 9.3.1 DC/DC变换电路参数设计 162 9.3.2 MPPT控制策略设计 163 9.3.3 仿真分析 169 9.4　本章小结 171 参考文献 171 第10章 光伏并网逆变器控制策略研究 172 10.1　引言 172 10.2　光伏并网逆变器的拓扑结构及控制策略 172 10.3　电流滞环跟踪控制 174 10.3.1 电流滞环跟踪控制原理 174 10.3.2 电流滞环跟踪控制仿真模型及参数设计 175 10.3.3 仿真分析 175 10.4　基于分数阶PI调节器的双环控制 177 10.4.1 分数阶PID控制原理 177 10.4.2 基于分数阶PI调节器的双环控制原理 180 10.4.3 基于分数阶PI调节器的双环控制仿真模型及参数设计 181 10.4.4 仿真分析 183 10.5　基于PR调节器的双环控制 184 10.5.1 基于PR调节器的双环控制原理 184 10.5.2 基于PR调节器的双环控制仿真模型及参数设计 185 10.5.3 仿真分析 186 10.6　基于滑模理论的双环控制 187 10.6.1 基于滑模理论的双环控制原理 187 10.6.2 基于滑模理论的双环控制仿真模型及参数设计 190 10.6.3 仿真分析 190 10.7　本章小结 191 参考文献 191 第11章 AC/DC变换器建模及控制系统设计 193 11.1　引言 193 11.2　基于有源滤波器的自耦变压整流器及控制设计 193 11.2.1 自耦变压整流器工作原理分析 193 11.2.2 基于有源滤波器的自耦变压整流器拓扑结构设计 196 11.2.3 基于有源滤波器的自耦变压整流器控制系统设计 198 11.2.4 基于有源滤波器的自耦变压整流器仿真结果分析 200 11.3　基于VIENNA整流器的高压直流母线电压稳定性研究 201 11.3.1 VIENNA整流器 201 11.3.2 基于模糊终端滑模控制的VIENNA整流器研究 203 11.3.3 基于干扰观测器的VIENNA整流器控制研究 210 11.4　本章小结 214 参考文献 215 第12章 基于分布式能源的微电网储能并网技术研究 217 12.1　引言 217 12.2　直流微电网及并网逆变器模型分析 218 12.2.1 基于微型燃气轮机及风力发电机发电系统的直流微电网仿真平台 218 12.2.2 并网逆变器的数学模型 220 12.2.3 储能系统建模 220 12.3　电网并网控制器设计 222 12.3.1 并网点功率控制 222 12.3.2 积分滑模控制律设计 223 12.4　微电网容错控制策略设计 223 12.4.1 基于滑模观测器的微电网故障重构 223 12.4.2 滑模观测器设计 224 12.4.3 观测器误差稳定性分析 225 12.5　仿真分析（一） 226 12.5.1 直流侧电压仿真 226 12.5.2 交流侧输出电压电流谐波分析 226 12.5.3 电流突变故障重构仿真 228 12.5.4 有功及无功功率容错控制仿真 228 12.6　交直流混合供电系统设计 229 12.7　高压交直流母线稳定特性研究 230 12.8　交流母线的稳态特性研究 231 12.9　仿真分析（二） 235 12.10　本章小结 236 参考文献 237