中文摘要：

在超大功率（单机功率5MW以上）海上风电系统中通过直驱多相永磁同步发电机和串联式多电平整流器可以将风电机组的直流母线电压等级提高到10kV，进而直接通过该母线将风能从海上输送到陆地上的集中变流站，这是本项目提出的超大功率海上风电变换新方案。新方案采用10kV直驱高压电机，省掉了体积庞大和笨重的变速箱及升压变压器，不仅大大减轻了机舱的重量、节省了成本、提高了效率，并且简化了传统全功率变流器背靠背的结构，在机舱内省掉了电网侧逆变器，而把中间直流环节作为输电母线直接延伸到陆地，这些改进对于海上风电要求的高可靠性和低平均维护时间具有重要意义。本文详细讨论了新方案中需要研究的几个关键的技术问题（1）直驱低速多相高压永磁同步发电机的优化设计；（2）串联多电平整流器和网侧逆变器单元的拓扑结构选择及参数的优化设计；（3）单个机组的变速控制策略及其实现方案；（4）多机组并联系统的动态建模和故障穿越技术。

结论摘要：

降低风力发电成本的一个重要措施是不断提高风电机组的单机容量并不断改善其平均无故障时间（MTBF）。目前国际上正在开展10MW超大型风力发电系统的研究，直驱永磁同步发电机+全功率变流器技术方案受到普遍重视。但是在超大功率场合，必须研究新型的中高压发电机和变流器技术。本项目提出了基于直驱多相永磁同步发电机+高压直流母线（HVDC）的无升压变压器风电变换技术方案，并从下面几个方面对所提出的技术思想进行了研究 首先，研究了多相永磁同步发电机的优化设计问题。提出了多相永磁同步发电机的优化设计方法，并建立了发电机的结构模型、磁路模型和有限元验证模型，研制了一台功率等级为3.5kW的12相永磁直驱同步发电机实验样机。测试表明本项目所提出的多相永磁同步发电机的结构模型和电磁设计模型是正确的，优化设计方法是有效的。 其次，研究了发电机和电网侧新型大容量变流器的拓扑结构、调制方式以及中点平衡控制方法。提出了利用多相发电机串联单极性Vienna整流器作为发电机侧高压变流器的技术思想，利用Vienna整流器的鲁棒性来改善发电机组的MTBF。对于岸上变电站中的高压逆变器，提出了利用多相变压器串联3L-NPC VSI逆变器的高效率技术方案。为了有效克服传统3L-NPC VSI的中点电位在低功率因数和低开关频率下的失衡问题，提出了具有飞跨电容辅助桥臂的四桥臂的3L-NPC VSI的拓扑结构，并比较了各种平衡控制策略的有效性。另外，提出了一种新型的五电平back-to-back中压变流器拓扑结构。新拓扑可以有效简化传统五电平back-to-back变流器的结构，另外又比较简单的实现了电容中点的平衡控制。 第三，对新型风电机组的变速控制技术进行了研究。由于新型方案中主要采用单极性Vienna整流器，因此传统基于同步发电机磁场定向的思想并不适用，本项目提出了基于发电机相电流矢量定向的单位功率因数控制方法，实现了对多相永磁同步发电机的变速控制，仿真和实验验证了这种控制策略的有效性。 第四，研究了包含混合连接变流器的风电机组的低电压穿越技术，利用风力涡轮机的惯性可以有效存储电网电压跌落时的过剩能量，在电网电压跌落时，发电机侧变流器从变速控制模式转入直流母线电压抑制模式，利用风力涡轮机的升速有效抑制直流母线的电压的升高。仿真验证了这种控制策略的有效性。