风力发电清洁高效,可有效解决能源危机,近年来得到了大力发展。在风力发电系统中,需要储能结构去平抑能量的波动,解决风能波动性和间歇性带来的影响。相比于其他储能方式,压缩空气储能成本低、污染小、能量转换效率高,非常适合用于风电系统中。在风力压缩空气储能系统中,功率变换器是能量流动的桥梁,对系统的高效平稳运行有重要影响。本课题针对系统中的功率变换器进行了研究与设计,并对功率变换器不同工作模式实现了优化控制。首先,本文研究了风力压缩空气储能系统功率变换器的拓扑结构、工作模式和优化控制策略。通过分析功率变换器在系统中的作用,确定了连接风力机、直流微网和涡旋机的拓扑结构。在该拓扑结构的基础上,确定了功率变换器的工作模式:无负载模式、单PWM整流模式、双PWM整流模式、PWM整流逆变模式、卸荷保护模式。针对不同的工作模式,本文提出了相应的优化控制策略:对于风力机的控制,采用最大功率功率点跟踪(MPPT)控制策略,保证系统捕获的风能为当前风速下的最大值;对于涡旋机的控制,采用最大效率跟踪(MEPT)控制策略,保证涡旋机工作于高效区,提高系统整体运行效率;对于系统卸荷保护控制,采用母线电压和功率双重控制策略,既可以快速实现多余风能的卸荷,也避免了卸荷装置的频繁切入和切出。其次,为实现上述各工作模式的优化控制策略,本文提出了基于混杂切换模型的底层控制方法。该方法采用混杂切换理论对功率变换器及其负载(永磁同步电机)进行统一建模,并在此基础上设计了以成本函数最小作为控制目标的最优切换规则。在满足最优切换规则的条件下,功率变换器控制响应迅速,同传统的控制策略相比,混杂切换控制系统具有良好的动态性和稳定性。之后,对文中提出的功率变换器工作模式优化控制策略以及底层混杂切换控制方法进行了仿真验证。仿真结果表明:优化控制策略可有效实现风机MPPT控制以及涡旋机MEPT控制;混杂切换控制方法能够保证永磁同步电机平稳运行,在负载突变时可快速响应,系统具有良好的稳定性和动态性。仿真结果验证了理论分析,为实验提供了指导和支撑。最后,针对该课题实验平台的搭建进行了详细的阐述,包括硬件实验平台和控制系统软件设计。采用dSPACE作为控制器,利用其硬件在环调试功能完成了功率变换器各工作模式的验证,实验结果表明,本文中功率变换器的设计可满足风力压缩空气储能系统能量流动的需求,保证系统高效平稳运行。