能源是人類賴以生存和發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，從蒸汽時(shí)代到電氣時(shí)代，每一次能源方式的變革都標(biāo)志著人類文明的進(jìn)步。盡管全球的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍然以石油、煤炭、天然氣等化石能源為主，但是隨著全球能源危機(jī)、生態(tài)環(huán)境和氣候變化等問(wèn)題的日益顯現(xiàn)，開發(fā)綠色低碳、高效清潔的新能源已成為世界各國(guó)共同的迫切需求與目標(biāo)。
　　從十九世紀(jì)末風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的誕生，到今天風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化、規(guī)模化運(yùn)營(yíng)，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)在長(zhǎng)期的探索與發(fā)展中逐步凸顯，成為未來(lái)全球能源轉(zhuǎn)型的主要方向之一。為了提升風(fēng)電的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，不僅要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向大容量、高可靠和智能化的方向發(fā)展，而且需要風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)向風(fēng)況更復(fù)雜的低風(fēng)速地區(qū)、環(huán)境更惡劣的海上區(qū)域拓展。這其中所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)制約著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展、關(guān)系著能源變革的進(jìn)程。本書正是聚焦大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在復(fù)雜湍流風(fēng)速環(huán)境下的風(fēng)能捕獲問(wèn)題，從氣動(dòng)、電氣和控制多學(xué)科交叉融合的視角，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了深入分析、系統(tǒng)論述和前瞻探索。
　　全書具體內(nèi)容安排如下：
　　第1章梳理了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷史和未來(lái)趨勢(shì)，介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本組成、主要類型和運(yùn)行原理，并從機(jī)電動(dòng)態(tài)和電磁動(dòng)態(tài)兩個(gè)時(shí)間尺度闡述了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理。
　　第2章介紹了適用于風(fēng)能捕獲跟蹤控制研究的風(fēng)速模型、氣動(dòng)模型和傳動(dòng)鏈模型，并且闡述了關(guān)注機(jī)電動(dòng)態(tài)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組復(fù)雜模型與簡(jiǎn)化模型。
　　第3章概述了變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率點(diǎn)跟蹤原理，介紹了基于該原理的變速風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法與跟蹤控制方法。圍繞跟蹤損失和跟蹤失效問(wèn)題，論述了湍流風(fēng)速對(duì)大型風(fēng)力機(jī)最大功率點(diǎn)跟蹤效果的影響，并提煉出提升風(fēng)力機(jī)風(fēng)能捕獲的三條技術(shù)路線。
　　第4章論述了基于提升風(fēng)力機(jī)跟蹤性能的風(fēng)能捕獲跟蹤控制技術(shù)，即第一條技術(shù)路線。主要包括：基于增大不平衡轉(zhuǎn)矩的改進(jìn)方法、基于減小轉(zhuǎn)矩增益的改進(jìn)方法和基于自適應(yīng)調(diào)整轉(zhuǎn)矩增益的改進(jìn)方法。
　　第5章論述了基于氣動(dòng)參數(shù)與風(fēng)力機(jī)跟蹤關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)的風(fēng)能捕獲跟蹤控制技術(shù)，即第二條技術(shù)路線。主要包括：基于來(lái)流風(fēng)能分布的運(yùn)行工況描述方法、協(xié)調(diào)風(fēng)力機(jī)跟蹤性能的翼型多攻角設(shè)計(jì)優(yōu)化、葉片氣動(dòng)外形正設(shè)計(jì)方法和葉片氣動(dòng)外形逆設(shè)計(jì)方法。
　　第6章論述了基于參考輸入與風(fēng)力機(jī)跟蹤關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)的風(fēng)能捕獲跟蹤控制技術(shù)，即第三條技術(shù)路線。主要包括：收縮跟蹤區(qū)間和有效跟蹤區(qū)間的提出，基于風(fēng)能分布、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和響應(yīng)面模型的有效跟蹤區(qū)間估計(jì)方法及相應(yīng)的針對(duì)傳統(tǒng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩法的改進(jìn)方法。
　　第7章論述了基于能控度優(yōu)化風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的風(fēng)能捕獲跟蹤控制技術(shù)，在闡明狀態(tài)能控度與跟蹤控制效果內(nèi)在關(guān)系的基礎(chǔ)上，給出了基于參數(shù)攝動(dòng)裕度能控度與能量能控度的風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
　　這些內(nèi)容是對(duì)作者過(guò)往風(fēng)電研究工作的梳理和總結(jié)。該研究源自國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司于2008年設(shè)立的關(guān)于低風(fēng)速風(fēng)電的科技項(xiàng)目“風(fēng)能綜合利用及示范應(yīng)用研究”（J2008093），并具體經(jīng)歷了四個(gè)階段：
　�。�1）發(fā)現(xiàn)低風(fēng)速場(chǎng)景下傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤的跟蹤失效現(xiàn)象，探索了發(fā)生機(jī)理。
　　2008～2011年期間，在時(shí)任江蘇省電力試驗(yàn)研究院研究室主任李群博士負(fù)責(zé)的低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組研發(fā)過(guò)程中，當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)跟蹤控制策略研發(fā)的殷明慧博士發(fā)現(xiàn)：在某些低風(fēng)速條件下，會(huì)出現(xiàn)無(wú)論使用怎樣的跟蹤控制策略，風(fēng)力機(jī)都完全跟蹤不上傳統(tǒng)最優(yōu)轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象。進(jìn)一步研究表明，這是由于低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)普遍存在的風(fēng)速湍流特性對(duì)風(fēng)力機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性提出了更高的要求，但風(fēng)輪尺寸大幅增大卻嚴(yán)重降低了低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，致使風(fēng)力機(jī)跟蹤性能與跟蹤要求之間的矛盾加劇、從而造成經(jīng)典最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking．MPPT）控制難以實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速風(fēng)能高效率捕獲的結(jié)果。這部分內(nèi)容具體參見第3章。
　�。�2）改進(jìn)了低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)MPPT控制策略，得出在目前技術(shù)條件下單純依賴控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已很難進(jìn)一步實(shí)質(zhì)性地提高風(fēng)能捕獲效率的結(jié)論。這一方面的研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金“復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制的機(jī)理分析與設(shè)計(jì)”（61203129）資助。
　　這一研究集中在2012～2015年，相關(guān)工作主要是試圖通過(guò)優(yōu)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的傳統(tǒng)方法解決（1）中提出的跟蹤控制問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)：低風(fēng)速場(chǎng)景下，盡管控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以部分提高風(fēng)能捕獲效率，但由于發(fā)電機(jī)容量和機(jī)組結(jié)構(gòu)載荷的限制，僅僅通過(guò)該技術(shù)途徑已經(jīng)很難取得風(fēng)能捕獲效率的顯著提升。在此期間攻讀博士學(xué)位的張小蓮博士、周連俊博士和陳載宇博士圍繞提升跟蹤性能問(wèn)題先后取得的相關(guān)研究進(jìn)展，為獲得這一結(jié)論提供了可靠的理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)依據(jù)。這部分內(nèi)容具體參見第4章。
　�。�3）開展了氣動(dòng)參數(shù)一跟蹤控制一體化設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步突破低風(fēng)速場(chǎng)景風(fēng)能捕獲效率瓶頸。相關(guān)研究先后獲得“一體化設(shè)計(jì)新探索：系統(tǒng)的控制性設(shè)計(jì)、概念與方法”（61174038）和“受控對(duì)象結(jié)構(gòu)與控制器一體化設(shè)計(jì)：低風(fēng)速風(fēng)機(jī)氣動(dòng)參數(shù)與MPPT控制的關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)優(yōu)化方法”（61673 213）兩項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金資助。