风力发电作为一种清洁的可再生能源利用方式,近年来在世界范围内获得了飞速的发展,其中变速恒频风力发电技术以其独特的优势,成为风电研究领域的主流。本文以国家自然科学基金项目(50677021)—大型变速风力发电混杂系统全工况优化运行控制策略研究”、教育部重点项目(105049)—大型风力发电机组先进控制相关技术研究和华北电力大学211工程三期重点建设项目—风力发电物理实验平台及软件仿真机的研制为依托,重点对变速恒频风力发电机组的风轮、发电机、变流器、传动链四大组成部分的建模与控制进行了研究,论文主要内容及研究成果如下：(1)运用叶素理论、涡流理论修正风速及权系数分配叶素的改进方法,建立了变桨距风力机机理模型,考虑到风剪和塔影效应对风力机模型进行了进一步修正,得到的新风力机模型不仅具有桨叶翼型适应性,而且提高了建模精度,更加符合实际情况。(2)分析了双馈风力发电机的工作原理、等值电路及稳态相量图。在此基础上,运用空间矢量理论建立了其空间矢量模型,分析了双馈风力发电机不同运行状态下定转子磁动势空间矢量的相位关系,揭示了其交流励磁的电磁本质。(3)详细分析了变速恒频双馈风力发电机组的运行区域和控制目标,重点阐述了并网控制、最大风能追踪控制和变桨距控制的原理及方法。给出了机组的仿真模型,并对其主要工况运行过程进行了仿真研究,得到了相应的运行曲线,为风力发电软件仿真机奠定了基础。(4)建立了双馈风力发电机变流器高频混杂模型,运用混杂自动机理论对变流器的PWM调制过程进行了分析,得到了状态变迁集、不变集等重要集合,为利用混杂系统理论分析电力电子线路提供了新思路。针对网侧变流器的控制,提出了一种基于转子电流空间矢量模值变化率(dAir/dt)的模糊自整定PID改进控制策略,仿真结果表明,该控制策略提高了变流器直流母线电压的鲁棒性。(5)以最小化稳态工作点附近的波动为优化目标,综合Kalman滤波器、状态反馈、最优控制等方法,设计了一种基于有效风速观测器的自适应增益调度LQG最优控制策略。经仿真实验证明,该控制策略不仅解决了风轮扫略面三维风速场有效风速观测问题,而且实现了风轮、传动链、发电机、变桨距等多系统协调优化控制,减小了传动链载荷,平滑了输出功率。(6)搭建了一套风力发电物理实验平台,给出了具体的软硬件设计方案,并且已经初步实现了风力机特性模拟功能,为开展变速恒频发电实验奠定了基础。