伴随着电力电子技术的蓬勃兴起,发电机及其能量交换装置的功能更加成熟。风力发电机的功率转换水平已经从基本的千瓦级跨越到了兆瓦级,尤其是随着海上风电的蓬勃兴起,研究高压大容量的风力发电机已经成为当今乃至今后风力发电技术进步的新热点之一。现在,高压风力发电系统多由下面的组合方式构成:一种采用高压风力发电机、高压变流器组合;一种采用低压风力发电机、低压变流器、变压器组合。由于高压变流器存在造价高、系统结构繁复、控制系统要求高等缺点,大容量发电机普遍采用第二种组合方式。但是随着发电机容量的扩大,发电机定子端较低的输出电压会导致机端输出电流升高,这不仅需要载流量更大的电缆与铜排,并且使风力发电机的生产工艺变得更为复杂。另外,定子端电压较低,在并入电网前一般需要两个甚至多个变压器进行升压,而在网侧变流器在与电网相连之前也需要增加一个降压变压器为其提供电源支撑,这些无疑都增加了系统的制造成本与运行成本。为解决高压风力发电机存在的难题,本文主要研究工作和创新点如下:(1)在双馈风力感应电机(DFIG)的结构和工作原理的基础上,提出了一款新型内馈式转子励磁高压风力发电机(Internally Fed Rotor Excitation Generator—IFREG)。该风力发电机定子设有两套同槽布线的定子绕组,一套是高压定子主绕组,输出端可直接连接大电网,输出恒频恒幅的交流高电压;另一套是低压定子辅助绕组,连接定辅侧PWM变流器,通过直流母线、转子侧PWM变流器可以向发电机输入励磁电流,解决了内馈式转子励磁高压发电机在风速与负载情况都发生变化时,所需要的励磁电流调节问题。通过相应的励磁启动控制策略、柔性并网控制策略以及稳态运行控制策略,IFREG可以有效保持其定子端感应电压频率、幅值的恒定,取消或减少变压器的数量,有效地降低系统的成本。(2)根据课题要求设计了一台6kV、440kW样机,并采用有限元方法对其在空载、负载状况下进行了亚同步、同步和超同步有限元仿真实验,从原理上检验了 IFREG在变速恒频(VSCF)领域的可行性。(3)系统地推导了 IFREG发电系统在abc和dq坐标下的数学模型;提出了IFREG的励磁启动方式及其控制策略。根据其数学模型搭建了 IFREG的Matlab模型,并对离网状况下IFREG在不同转速下进行了仿真分析,仿真结果与有限元仿真结果基本相同,验证了所搭建数学模型的准确性。仿真结果还表明:在离网状态下,处于不同风速情况下的内馈式转子励磁高压风力电机可以定子端获得频率幅值稳定的高电压输出。(4)研究了内馈式转子励磁高压风力发电系统在电网电压稳定状态下定辅侧PWM变流器的数学模型,探讨了定辅侧PWM变流器的双闭环控制策略,并在此控制策略的基础上提出了一种基于励磁启动电源的定辅侧变流器功率补偿控制策略。推导了 IFREG发电系统在电网电压稳定状态下转子侧变流器的运行机理,在此基础上提出了不同于普通双馈风力发电机的基于定子磁链定向的矢量控制方法和最大风能追踪控制策略。(5)提出了与IFREG系统相匹配的并网控制程序与控制策略。建立了 IFREG在网侧电压恒定状况下的仿真模型,对IFREG发电系统励磁启动性能、柔性并网性能、负载稳态运、有功无功解耦控制和最大风能追踪能力进行了仿真分析。(6)为了验证IFREG在变速恒频发电中的运行特性,研制了 440kW、6kV内馈式转子励磁高压风力发电样机,并搭建了系统实验平台。完成了一套可为内馈式转子励磁高压风力发电系统中电力电子开关器件进行供电的多路高压隔离供电系统。在实验平台上开展了励磁启动性能、柔性并网性能、负载稳态运行、有功无功解耦控制实验,实验结果与仿真结果相符合,证明了 IFREG及其发电系统的可行性以及文中所提控制策略的正确性。