风能作为一种重要的可再生能源,其对于解决未来的能源危机具有重要的战略作用。近年来,全球风力发电机(风机)装机容量正稳步增长;同时,各国也从战略、政策上逐步推进风能在商用、民用场合的推广。风能因其随机性、不确定性以及不稳定性,使得针对风能的捕捉过程极具挑战;同时,风机的并网运行也会对电网本身造成一定的影响,比如系统频率调节能力下降、惯性缺失、稳定性降低、电能质量下降等问题。针对双馈风能转换系统存在的诸多控制以及运行问题,提出了若干滑模控制方法用于控制双馈风机,并分析了双馈风机并网运行机理,并提出了双馈风机并网运行时参与系统频率调节的虚拟惯量分配方法以及综合惯量以及下垂系数优化方案。主要研究内容如下:(1)分析了传统一阶滑模控制存在抖振现象的机理,发现抖振现象产生的主要原因是传统一阶滑模控制中控制输入含有不连续项,因而提出了一种改进型指数趋近率,其能够自适应地改变符号函数前的增益项,并能够在加快状态变量趋近速度的同时最大程度降低滑动模态上的抖振幅度;随后,将基于此改进型指数趋近率的滑模控制方法用于控制双馈风力发电机的输出有功及无功功率,其基于直接功率控制的控制方法,将输出有功及无功功率参考值与实际值之间的误差用于构造滑模面,并实现对输出功率的鲁棒控制。同时,通过Lyapunov函数法分析了受控系统的稳定性,并保证了受控系统的渐近稳定性。最后,通过四个仿真及实验算例验证了本方法的有效性以及对比传统一阶滑模控制的优越性。(2)提出了一种分数阶滑模控制方法用于双馈风机的直接功率控制,利用分数阶微积分将滑模面中的整数阶积分项替换为分数阶积分,并构造一种新型滑模面。此分数阶滑模面较传统滑模面的区别在于其需要通过Oustaloups递归逼近算法进行逼近,使得控制输入中最终不含有整数阶次的不连续函数,因而在原理上避免出现抖振现象。采用Lyapunov函数法进行稳定性分析,保证系统渐近稳定性。通过5个仿真以及实验算例验证了本方法的有效性及优越性。(3)提出了基于高阶滑模控制方法的双馈风机电网同步以及功率优化的系统控制方法。由于传统一阶滑模控制在原理上无法避免抖振现象,而分数阶滑模控制需要采用递归逼近算法逼近,二者都具有一定的缺陷。因而,有必要研究高阶滑模控制方法在双馈风机中的应用。其将原始控制输入的高阶导数项作为实际控制输入,因而在原理上避免了抖振现象的发生。首先采用高阶滑模控制方法控制双馈风机转子转速以及转子电流,并最优化双馈风机的功率提取;同时采用传统一阶滑模控制方法实现对双馈风机定子电压的网络同步。最后采用三组仿真算例验证了本方法的有效性。(4)提出了通过调节双馈风机的综合惯量以及下垂系数以优化风机群一次调频一致性。首先引进含大规模风机电力系统的二阶模型,并分析了其负荷-频率响应特性;随后分析了风机并网动态过程,提出了稳定裕度的概念并用于衡量风机承受系统频率跌落的能力;最后提出基于稳定裕度以及发电成本函数的风机一次调频最优化模型,其通过改变风机的综合惯量以及下垂系数用于降低风机发电成本,同时维持风机并网运行的稳定性。仿真算例验证了本方法的可行性。(5)提出了含大规模双馈风机电网中虚拟惯量的最优分配方案。通过分析双馈风力发电机的内部动态特性,提出了极限频率跌落以及稳定裕度的概念,并考虑全网风机稳定裕度一致性,提出稳定裕度一致性指标的最优化问题,并通过求解此最优化问题,较好地改善了含大规模双馈风机电力系统的频率稳定性。仿真算例验证了本方法的实用性以及可行性。