可再生能源的利用已被纳入许多国家的发展战略中，各国相继制定了超前的可再生能源发展目标，大规模的可再生能源系统被并入传统电网中。风电被视为最为成熟的可再生能源技术，在当今的电力系统中占有较大比重。由于驱动风机转动的风速具有随机性、间歇性等特点，风电机组的运行控制方式与传统的同步发电机明显不同。本文深入研究了风力发电系统的建模、控制与并网问题，在以下两个方面做出了原创性研究:(1)先进控制理论在风机桨距角控制系统中的应用研究;(2)风电系统惯性响应对电网频率的支撑作用。
　　1.针对风电系统机电暂态特性的混合模型建立。风力发电系统是一个复杂的机电、电磁耦合系统，传统的建模方法无法准确反映系统内部的机电耦合过程。本文基于先进的FAST风机仿真器，建立了新型的Ⅲ型、Ⅳ型风电机组仿真模型。该混合模型的空气动力学和机械系统动态过程由FAST描述，电气部分采用旋转坐标系下的发电机和换流器控制模型。仿真分析以一台实际的600kW风机CART3为原型，应用了实际系统的空气动力学和几何参数，能够揭示风机运行中复杂的机电暂态特性。仿真结果验证了风电系统的变速运行规律，机械负荷呈现周期性变化。该仿真模型能对实际风机的现场测试提供可靠的技术支持。
　　2.风机桨距系统的扰动抑制和自适应控制研究。桨距角控制器设计的优劣可对风机机械部件的疲劳损耗产生重要影响。在现代风机容量增加、结构柔性提高的趋势下，基于多自由度风机模型的先进控制理论研究是国际前沿课题。本文首先分析并改进了一种扰动抑制控制(DAC)算法，该方法基于内模原理，能为控制系统提供较强的抗扰能力，改善风机主动结构控制的效果。针对传统DAC算法中风速扰动无法完全抵消的问题，本文提出将带有扰动项的系统线性模型嵌入到Hamilton-Jacobi-Bellman(HJB)等式中，通过最优控制理论推导出能够有效抑制扰动的前馈控制，解决系统中与风速有关的不确定性问题。另一方面，考虑到风机系统中与空气动力学有关的非线性，线性的桨距控制器无法在各种工况下给出理想的转速控制效果。当运行点严重偏离理想位置时，闭环系统的稳定性也无法保证。本文提出了一种基于模型参考自适应控制(MRAC)的桨距系统设计，解决风机线性模型参数变化的问题。所设计的控制器融合了模型参考控制和控制器的参数自适应，使闭环系统的响应特性始终与参考模型一致。此外，考虑到系统中的风速扰动，该方法在MRAC的参数自适应中引入了死区特性，进一步增强了控制器的鲁棒性。
　　3.基于风力发电机转矩极限的惯性控制策略研究。现代风力发电系统通过背靠背的电力电子换流器与传统大电网解耦，在电网频率急剧变化时无法提供与同步发电机相似的惯性响应。本文首次提出了一种考虑风力发电机转矩极限的惯性控制策略，使风电机组在电网频率故障下能够最大化其频率支撑作用，同时保证风电设备内发电机、换流器的安全可靠运行。仿真结果表明，本文提出的先进控制方法可有效改善电力系统的频率稳定性，相比于传统的惯性控制方法，具有更强的频率调节效果。此外，仿真中分析了风电系统机械负荷的变化情况，结果表明惯性响应可减小转子平面外(out-of-plane)负荷，而塔架side-to-side方向和传动轴上的机械负荷明显增加。
　　4.基于风电-储能系统协调控制的惯性响应策略研究。风电系统在结束频率支持后，一般需加速运行以重新恢复转子动能。针对风机减载运行对电网造成的二次频率扰动(SFD)，本文提出了一种新颖的储能系统与风电系统的协调控制方案，显著增强了风电机组的虚拟惯性响应、改善了风电场的频率调节效果。其中，基于超级电容的储能系统直接部署在风机换流器的直流侧，通过风机的网侧换流器(GSC)实现储能系统的充、放电控制，并分析了保证换流器PMW操作可靠性的储能系统容量设计。此外，给出了一种基于状态反馈的阻尼控制方法，极大地缓解了风机惯性响应过程中传动轴与塔架的振荡。
　　5.基于硬件在环技术的实时仿真平台研发。硬件在环(HIL)是一种先进的半实物仿真技术，在可再生能源系统的并网研究中，可验证待测试物理设备对虚拟系统的响应。在本文的HIL仿真平台中，由一台实时仿真器(DRTS)模拟大型电力系统的暂态过程，通过风机监控系统(SCADA)与DRTS间的通信线路，实时观测了实际风电设备对虚拟电网的调频效果。该闭合仿真回路中首次包含了实际的工业级风机平台CART3，风机物理控制器中的惯性控制通过快速原型化技术实现，避免了复杂的实施与调试过程。实验结果对研究风电系统参与电网的短时频率调节具有重要意义，所设计的仿真平台可用于其他风机辅助控制的暂态研究中。