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基于直流汇集、高压直流输电系统的海上风电技术是解决远距离大型海上风电场并网问题的最有效方案之一。大型永磁同步发电机+三电平变换器技术具有结构简单、效率高、故障率低、耐压高、容量大等优势;同时也具备了大规模工程应用基础,是解决大型海上风电机组接入高压直流汇集电网的切实有效装备,是符合风力发电系统发展趋势的先进技术方案。本文针对额定电压3k V额定容量5MW的永磁同步发电机、三电平AC/DC变换器和模块化三电平DC/DC变换器关键技术开展研究工作,主要研究工作及创新点如下。1)大型海上风电机组交流输出电压高,传统两电平变换器的耐压和容量无法满足其并网要求。为了解决这个问题,本文提出了一种基于三电平AC/DC、DC/DC技术的额定电压3k V额定容量5MW永磁同步风电机组接入±35k V直流电网的变换器。设计了直流汇集电网、高压直流输电系统电压等级,模块化DC/DC变换器输入、输出电压等级,子模块个数,变压器变比、重要器件型号等关键参数的计算方法,以及系统的基本控制方案等。所提出的方法简单、有效,并能够推广应用到额定容量5MW以上大型海上风电机组当中。2)在控制二极管钳位型三电平变换器钳位电容电压时,空间矢量调制策略具有较大的局限性,虚拟空间矢量调制策略是解决这个问题的最有效方式。但是传统虚拟空间矢量调制策略中的虚拟矢量幅值不灵活,限制了它对钳位电容电压的控制能力。针对这个问题,本文研究了正、负小矢量在虚拟小矢量中的比重,中矢量在虚拟中矢量中的比重以及虚拟矢量幅值与钳位电容电压差之间的关系,进而提出了一种变虚拟矢量幅值虚拟空间矢量调制策略。在该调制策略基础上研究了调制系数、虚拟中矢量幅值与线电压谐波、共模电压之间的关系。研究结果表明,在所提出的调制策略中,当虚拟中矢量幅值与传统中矢量幅值的比值等于调制系数时,线电压谐波最小。此外,传统虚拟空间矢量调制策略是本文所提调制策略的特殊形式。所提出的调制策略既适用于整流器,又适用于逆变器;既适用于单位功率因素运行状态,又适用于非单位功率因素运行状态。基于MATLAB/SIMULINK的仿真实验证明了本文所提出的改进虚拟空间矢量调制及其控制策略的正确性和有效性。3)传统基于爬山法的最大风能捕获算法中,爬山法步长计算方法的精度低。为了解决这个问题,本文在直驱永磁同步发电机基本控制策略基础上提出了一种基于估计风速与改进最优梯度变步长爬山法的最大风能捕获控制策略。该控制策略首先采用高增益观测器得到风机机械转矩观测值,然后基于该机械转矩观测值和Newton-Raphson方法在线计算得到有效风速估计值,最后根据估计风速与所提出的改进最优梯度变步长爬山法得到发电机转速给定值。所提出的爬山法具有步长计算方法简单、精确、可靠、稳定性高且能够捕获更多的风能等优点。与此同时,使虚拟中矢量幅值与转速满足一定的关系,可以达到优化发电机交流侧线电压谐波的目的。基于MATLAB/SIMULINK的仿真实验证明了本文所提算法的正确性和有效性。4)传统全桥三电平DC/DC变换器钳位电容电压控制系统无法满足不同工况的要求,且钳位电容电压无法自平衡。针对这个问题,本文研究了全桥三电平DC/DC变换器的开关状态与钳位电容充放电、全桥三电平逆变器输出电压等之间的关系,进而提出了一种中间电平电压调制及其钳位电容电压控制策略。所提出的策略能够实现钳位电容电压自平衡。此外,相比于传统钳位电容电压抗扰策略,所提出的抗扰方案具有更小的静态误差和更强的控制能力。全桥三电平DC/DC变换器两个占空比的优化控制是该变换器高效运行的关键,但是传统占空比优化控制方法效果差。因此,本文研究了全桥三电平DC/DC变换器两个占空比与FBTL逆变器输出电压谐波损耗、变换器传输功率之间的关系,进而提出了一种占空比优化控制策略。该策略能够使变换器单位功率产生的FBTL逆变器输出电压谐波最小。5)输入并联输出串联模块化DC/DC变换器传统输入、输出电压环并联型的控制策略可靠性低,且两个电压环之间的定量关系不明确。针对这个问题,本文提出了一种输入电压外环输出电压内环串联型双电压闭环控制策略。小信号模型是分析设计DC/DC变换器控制系统的关键。传统DC/DC变换器建模方法复杂,难度大。因此,本文详细分析了全桥三电平DC/DC变换器输入、输出特性,进而建立了其小信号数学模型,并推导得到了相关传递函数。基于所建立的模型,本文采用根轨迹、波特图等方法对所提出的串联型双电压闭环控制系统进行了详细分析设计。相比于传统DC/DC变换器模型与控制策略,本文所提出的模型及其串联型双电压闭环控制策略具有更好的控制效果,且便于基于经典控制理论的输入、输出电压环的协同设计。基于MATLAB/SIMULINK的仿真实验证明了本文所提出的模型及其控制策略的正确性和有效性。6)在MATLAB/SIMULINK平台上,搭建了一台基于模块化DC/DC技术的额定电压3k V额定容量5MW的永磁同步风电变换器及其控制系统并进行了充分的仿真实验。在风速不变、风速阶跃变化、风速斜坡规律变化、风速二次规律变化、风速随机变化时,对所设计系统的关键变量波形进行了详细记录与分析,仿真结果验证了本文所提出的大型永磁同步风电机组直流并网系统拓扑结构及其控制策略的正确性和有效性。