随着世界能源紧缺问题的突出,风电系统的运行效率越来越受到关注。针对低风速下的最大风能捕获MPPT(Maximum Power Point Tracking)技术一直是风力发电系统研究的热点问题。本文的研究对象为永磁同步风力发电系统,其中包括直驱式永磁风力发电系统和半直驱式永磁风力发电系统。在此研究对象基础上,本文对风能MPPT算法进行了全面的研究。针对现有的MPPT控制策略在模型参数不确定、风速随机变化、外界环境扰动的背景下存在的暂态跟踪性能较差、跟踪方向错误、在操作点附近振荡等问题给出了详细的分析和解决方案。扰动观测法具有结构简单、实时性高、易于数字控制器实现的特点。本文基于扰动观测法的概念,提出了一种具有滑模结构特点的鲁棒型控制器设计方法。在此设计方法的基础上,本文设计了三种鲁棒型控制器:扰动观测控制器(第三章内容)、MPPT控制器(第四章内容)和速度控制器(第四章内容),并对上述三种控制器进行了李亚普洛夫可收敛性证明。由于前面三种控制器的设计均是基于整数阶理论,本文在传统的滑模控制中引入分数阶微积分算子,在此基础上设计一种应用于风能MPPT控制的分数阶滑模控制器,该控制器能利用分数阶微积分算子的遗传特性和记忆性进一步提高系统的控制品质和综合性能。本文的主要研究内容包括:1)扰动观测控制器(第三章内容)引入了电压斜率检测机制,用以快速检测风速的剧烈变化信息,并将此信息传递给扰动观测控制器的观测环节,解决了传统爬山算法在风速快速剧烈变化时搜索方向错误的问题,提高风电系统的风能捕获效率;此外,在风速急剧下降时,该检测机制也能防止风电系统出现失速的问题。由于本文设计的扰动观测器具有滑模的特性,所以该控制器具有良好的鲁棒性能,增强了系统在外界发生强扰动情形下的暂态稳定性。通过MATLAB/simulink仿真验证了电压斜率检测机制的有效性;在与传统爬山算法的比较过程中,仿真验证了扰动观测控制器在风能MPPT中良好的暂态性能和较高的风能捕获效率。2)在研究传统最大功率跟踪曲线的基础上,本文推导出一种新型最优功率常数曲线(第四章内容)。与传统最优跟踪曲线不同的是,最优功率常数曲线是一条具有固定值的直线,因此最优功率常数曲线简化了风电系统MPPT控制策略的设计难度,提高了系统的稳定性。根据本文提出的最优功率常数曲线,通过本文设计的鲁棒型MPPT控制器和速度控制器(第四章内容)来实现风能的最大功率跟踪控制。通过MATLAB/simulink软件对基于上述两个控制器的改进型最大功率跟踪控制策略与传统的爬山算法、PI控制器、改进型爬山算法在系统模型参数不确定、复杂外界环境干扰的情形下做了全面的比较分析。在模拟永磁同步风力发电系统的实验平台上,对本文设计的基于鲁棒型控制器的最大功率控制策略进行了实验验证。3)本论文采用Riemann-Liouville分数阶微积分定义设计了一种分数阶滑模控制器(第五章内容),并对此进行了李亚普洛夫稳定性证明。通过构造考虑齿轮间隙非线性的风力机传动链两质量模块模型,来验证本文设计的分数阶滑模控制器的强鲁棒性和良好的暂态性能。在仿真环节,本文给出了分数阶滑模控制器的参数调节方法;并在模型参数不确定的情况下,对分数阶滑模控制器和PI控制器的暂态性能、稳态性能、捕获风能的效率几个方面进行了全面的仿真研究,以说明分数阶滑模控制器良好的暂态性能和鲁棒性能。