风能被广泛应用于发电领域。我国风电机组并网容量正在逐年增加,大容量风电机组并网运行必然会对电力系统稳定性产生影响。目前,对风电机组的研究主要围绕着直驱永磁机组和双馈机组。前端调速式风电机组采用同步发电机直接并网,具有独立的无刷励磁系统,保证了发电机输出电压的稳定,提高了电力系统的稳定性和电能质量。励磁控制系统的性能直接影响着风电机组以及电力系统的运行。因此,针对前端调速式风电机组的无刷励磁控制进行研究,能够积极推动我国风电技术的发展。本文在阐述了前端调速式风力发电机结构组成、运行原理的基础上,重点对同步发电机的基本结构及工作原理进行研究。在理想条件下,分别建立三相坐标和两相坐标下的同步发电机数学模型。对无刷励磁系统的结构和工作原理进行研究,建立无刷励磁系统的数学模型。针对直接并网型同步风力发电机励磁系统非线性、时变性及风力发电机运行工况多变等特点,采用了一种基于粒子群优化的同步风力发电机励磁系统的变论域模糊PID控制方法,实现了同步风力发电机励磁系统在全工况下的自适应控制,提高了发电机端电压的调节精度和运行的稳定性。仿真结果表明,基于粒子群优化的变论域模糊PID控制在动态性能和稳态性能上优于PID控制,验证了该方法的正确性。由于无刷励磁系统中的交流励磁机是一个惯性环节,较大时间常数会对控制产生时滞影响,针对这一问题,本文采用一种灰色预测模糊PID励磁控制方法,提高了控制系统的响应速度,实现快速励磁。通过发电机的派克方程建立GM(1,1)预测模型,采集发电机端的输出电压作为GM(1,1)预测模型的输入,预测出发电机电压的变化趋势。实现提前预测,超前控制。仿真结果表明,基于灰色预测模糊PID励磁控制在超调量和调节时间上优于变论域模糊PID控制,验证了该方法的有效性。针对电网故障条件下可能导致同步发电机转子失步,甚至引起电力系统发生低频振荡的问题,本文在单励磁调节作用的基础上,增加双模糊PSS(Power System Stabilizer,电力系统稳定器)作为附加励磁控制,并对复合励磁控制进行仿真研究,分析三相短路故障情况下发电机的运行特性,仿真结果表明,电力系统稳定器可以在电网故障情况下为系统提供阻尼,有效抑制电力系统低频振荡,提高了电力系统稳定性。