输出电能需与电网频率保持一致,是对各类并网风电系统的基本要求。迄今投运的并网变速恒频风电机组,主要依赖电力电子技术来实现变转速运行的风轮与恒定电网频率间的解耦。此类解决方案虽能满足当前风能利用产业的装备需求,但随着风电产业规模的扩大以及风电在电网中渗透率的明显增加,现有技术存在的问题日渐凸显:大功率变频设备带来的电压波动与电流谐波,降低了电能质量;低电压穿越能力不足,影响到风电系统运行的安全性与稳定性。此外,较高的控制难度、大功率变频设备的制造和维护成本也是亟待解决的技术难题。上述问题虽已引起高度关注,但因现役变速恒频风电系统的构成原理所限,尚难以有实质性突破,实际上已形成一定的技术瓶颈。因此,开发新型风力发电系统,使之满足日后风电产业的可持续发展要求,具有重要的理论价值和工程意义。在此背景下,基于成熟的机械传动与调速控制技术,采用同步发电机系统,国内外学者提出了一种“带有发电机前端调速装置”的变速恒频风电系统传动方案,并对此类方案的原理可行性进行了验证。本文以无变频器差动调速型并网风电系统为研究对象,对其关键问题,包括传动系统的配置形式与机械传动性能、调速电动机控制策略以及机组并网运行特性展开研究。旨在突破风轮变速输入、发电机恒速驱动的风电系统实时调速传动中的关键科学问题,为后期特大型风电装备的研制提供技术支撑。论文主要工作与成果包括:(1)差动调速型风电系统的传动特性研究通过分析调速装置在不同连接方式下的可调速区间,确定了差动调速型风电机组传动系统的基本配置形式,并对其传动特性开展了研究。提出了此种传动系统的调速幅度、功率分配比、传动效率等关键设计参变量的关系方程及分析方法;利用集中质量法,建立了传动系统的三轴动力学模型,推导了其动力学方程。初步构建起差动调速型风电系统传动方案设计的技术基础。(2)研究了适用于差动调速型风电系统调速电动机的转速控制策略为保证机组在随机变化的外部条件下,同步发电机输出电能频率与电网频率的一致性,针对差动调速系统中调速电动机的控制需求,提出了一种基于不连续投影的自适应鲁棒反步控制方法。此种方法可结合系统扩张状态观测器,由反馈鲁棒控制律保证其全局鲁棒性;且能够有效地处理风轮端输入载荷变化、系统参数不确定性以及电网端干扰等不利因素对调速电动机转速控制性能的影响,确保同步发电机的输出电能频率满足并网技术要求。搭建了差动调速型风电系统物理模拟试验平台,对所提出的带有扩张状态观测的自适应鲁棒反步控制方法的转速跟踪性能进行了试验验证。(3)研究了差动调速型风电系统的并网运行特性风电系统仿真分析软件是风电机组总体设计的必备工具。但以往此类仿真软件(如Bladed、HAWC等),主要面向带有变频器的主流机组而研发;对于本文所研究的差动调速型风电系统,因其传动结构具有多自由度、双向变速比的显著特征,现有软件缺乏必要的技术适用性。因此,基于本文对机组传动特性、三轴动力学建模以及调速控制策略的研究成果,在SIMULINK环境中,专门开发了一种用于差动调速型风电系统总体分析的仿真模型,可对机组能量转换传输机理、整体调速性能与功率消耗以及并网运行特性展开系统的研究。利用物理试验平台,对所提三轴动力学模型和仿真建模方法进行了原理验证。结果表明仿真模型的整体误差很小,满足实际应用要求。基于所搭建的总体分析仿真模型,参考国际电工委员会(IEC)标准,在正常湍流、极端湍流、极端运行阵风与方向变化的极端相干阵风模型等四种不同典型风况输入下,研究了差动调速型风电系统的调速性能与调速功率消耗等问题。研究结果表明:该型机组在不同风速下可保证输出电能频率满足国家标准要求;且由于去除了能耗较大的电力电子设备,其能量效率也有一定提升。为验证差动调速型风电系统的并网运行性能,对比分析了此种系统和两种现役主流风电机组(双馈型、直驱型)的输出电流谐波情况及不同电网电压脱落故障下的低压穿越能力。