面对传统化石类能源日益枯竭和环境污染等问题，世界各主要经济体都在关注可再生能源的开发与利用。风能的开发与利用已成为各国学者研究的热点。其中，海上风电因具有不占用陆上土地资源、无污染、风速平稳且利用率高等优点，近年来得到迅猛发展。因此，发展海上风电对促进我国实施节能减排和能源多样化战略，实现社会可持续发展等方面具有重要的意义。　　随着海上风电机组安装、制造技术不断地进步与成熟，其单机容量不断得到提升，海上风电场规模随之扩大，并逐渐向远离陆地、风能资源更加密集的近海甚至深海发展。由于海上风电场独特的地理位置，海上风电的远距离输送及并网问题已成为制约海上风电发展的关键因素之一。　　近年来，以电压源型换流器(voltage-source-converter,VSC)和脉宽调制(pulse-width modulation,PWM)等技术为基础的柔性高压直流输电(high-voltage direct current transmission,HVDC)系统，具有单独对有功、无功功率快速调节，向弱交流系统甚至无源网络提供高质量电力的功能特征，以及较高的经济价值和优良的环保性能。如何将这种新型的柔性直流输电系统(VSC-HVDC)用于海上风电的输送、并网等，已引起国内外工业界和学术界广泛的关注，并对此开展了深入的研究工作。随着大功率电力电子器件和控制技术的发展，该系统的造价、运行和维护费用逐步降低，其传输容量和电压等级逐步提高。因此，VSC-HVDC正逐步替代传统输电并网方式，成为连接海上风电场和陆上电网的首选。到目前为止，只有为数不多的几家企业和研究机构掌握了VSC-HVDC核心技术，并在世界范围内投入商业化应用。2011年5月，我国在上海南汇风电场建成了亚洲首条VSC-HVDC输电示范工程，此后，在大连、广东南澳、浙江舟山等地已规划、建设多个VSC-HVDC示范工程，但许多工程实际问题尚需进一步开展深入研究。　　本文从VSC-HVDC系统的拓扑结构、数学模型等方面展开分析研究，以VSC-HVDC系统中换流器的控制策略作为研究重点，采用经典控制理论与现代控制方法，分别研究VSC-HVDC工程实际中常用的两电平、三电平以及多电平拓扑换流器的控制策略，并基于MATLAB软件环境进行数字仿真分析，验证本文所提控制策略的正确性与可行性。最后，再结合二极管钳位型(neural point clamped,NPC)三电平换流器组成的两端VSC-HVDC实验系统，通过实验进一步验证了所提控制策略的有效性。论文主要内容如下:　　(1)针对VSC-HVDC实际工程应用中常见的两电平、二极管中性点钳位型(NPC)三电平以及模块化多电平换流器的拓扑结构，分析、推导对应的状态平均模型和开关函数暂态模型，并建立海底输电电缆的等效数学模型。由于VSC-HVDC系统换流器的控制是论文研究的重点，故将海上风电场和风电机组等效为可控电压源模型。同时，通过分析对比，引入合理的基值系统，建立VSC-HVDC系统的标幺值数学模型，为后续主电路参数设计及控制算法的研究奠定基础。　　(2)研究了VSC-HVDC系统交流侧连接电抗器和直流侧电容器等主回路元件参数的整定，以及建立VSC-HVDC系统数字仿真模型。提出了数字预测电流控制方法，解决了VSC-HVDC系统采用传统 PI调节器双闭环矢量控制其电流暂态响应慢且存在稳态误差等问题，通过局部线性化改进了VSC电流内环响应，可在当前采样时刻快速准确地预测下一采样时刻的参考电流值，使得三相输入电流能够快速跟踪参考给定、消除系统静态误差和离散误差。　　(3)VSC-HVDC系统的非线性控制策略研究。针对VSC-HVDC系统具有的多输入多输出、强耦合、非线性特征，以及工程应用中存在诸多不确定因素，如：温度、磁芯饱和、谐波频率、老化、风能的间歇性等，往往会引起连接电抗器、变压器、直流侧电容器等元件参数偏离设计初始值，导致系统的运行点发生改变，甚至出现控制失效现象。对此，提出两种非线性控制策略：(i)采用基于微分几何理论的输入输出反馈线性化方法构建内环控制器，用于对非线性、耦合的输入控制变量进行反馈解耦，达到线性化控制的目的；同时，外环控制器采用零动态误差设计方法，可精确控制外环被控对象。控制系统具有响应速度快、全局稳定等特点。(ii)为了降低不确定性对系统控制性能的影响，功率内环采用滑模控制，根据趋近律算法设计滑模控制器，使得控制系统对负载以及参数的扰动具有很强的鲁棒性。针对滑模控制中存在的系统颤振现象，提出采用PID神经网络(PIDNN)在线训练的方法对趋近律参数整定进行全局优化，并结合李雅普诺夫函数分析控制系统的全局稳定性，仿真验证了该控制算法的可行性及有效性。　　(4)针对海上风电VSC-HVDC系统PIDNN控制器权重参数选择过程中存在的问题，提出一种基于限制竞争小生境混沌变异的改进粒子群算法。在小生境技术中引入限制竞争淘汰机制，使其具有良好的全局寻优能力，配合改进的帐篷映射混沌变异算法，可获得局部精细遍历性能。解决了粒子群算法早熟收敛和搜索精度低等问题，同时最大程度地平衡了粒子群算法在解空间内的探索和发现能力，使得PIDNN控制器参数取得全局最优，在VSC-HVDC系统中取得了良好的控制效果。　　(5)设计了多电平空间矢量调制方法，该方法简单易行，其特点为能够适用于模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)的空间矢量调制，并据此原理推广至任意相数、任意电平换流器的调制。这种方法能通过简单的变换，将常用的两电平空间矢量调制技术拓展到多电平拓扑中去，以相对较低的开关频率实现了准正弦波电压波形输出。为了抑制 MMC子模块电压波动所带来的输出功率振荡，以及增加冗余子模块耗尽情况下系统的安全域度，提出了一种基于零序分量注入的方法，增加了系统控制自由度。同时，对基于MMC的VSC-HVDC系统构建了一种预测直接功率控制方法，该方法设计过程简单、易于数字信号处理器实现，降低了采样、计算延时所带来的影响，可实现有功、无功功率的无静差控制。　　(6)采用两端背靠背(back-to-back,BTB)方式，设计并搭建了NPC三电平拓扑的VSC-HVDC30kVA小容量实验系统。该实验系统具有有功、无功单独可控，直流母线电压、交流电压可调节的功能，可用于模拟海上风电场通过VSC-HVDC向岸上交流电网输电，实验结果验证了硬件平台的正确性、系统控制策略的有效性。该实验系统的软、硬件设计方法为其它拓扑结构和控制算法的实验验证提供了参考，为构建实际大容量VSC-HVDC系统奠定了基础。