风力发电已经成为解决化石能源危机及环境污染的重要途径,越来越受到世界各国的重视。由于低速永磁直驱式风机具有机械损耗小,运行效率高、能量密度大、维护成本低等优点,逐渐得到广泛应用。随着风力发电机组装机容量的不断扩大,并网风力发电系统对电网稳定性的影响日益显著。为维持电网的安全稳定运行,并网风力发电系统的可靠性及不间断运行能力得到广泛关注。研究表明,在风力发电系统中,功率变换环节尤其是变流器中的电力电子功率开关及其驱动电路是最易发生故障的薄弱环节,严重制约其并网运行的可靠性。因此,本文以直驱式低速永磁同步风力发电系统作为研究对象,针对系统中电力电子器件发生故障导致的并网侧变流器或机侧变流器一相桥臂失效这一最常见的故障工况展开了详细研究,提出将故障后的变流器重构为三相四开关拓扑,实现变流器的容错运行及风力发电系统的不间断并网发电。为保证故障后永磁风力发电系统容错运行的性能,本文以理论分析和实验验证为手段,深入、系统地分析了容错型三相四开关拓扑应用于永磁风力发电系统中的行为特征,提出一系列优化手段,减小电力电子器件故障对永磁风力发电系统的不利影响,实现故障后的不脱网、不间断运行。本文的研究重点主要分为两部分:一部分主要关注并网侧变流器故障后的不脱网运行及可靠性改善;另一部分则详细介绍了机侧变流器故障后发电机驱动系统的性能优化。论文的主要研究内容和贡献有:1.针对容错运行的三相四开关并网变流器,本文提出一种非正交坐标变换方法,并推导出变流器在非正交坐标系下的数学模型,给出了相应的控制器设计方法。同时,本文推导出一种基于非正交坐标变换的改进型空间矢量调制方法,可以抑制电容中性点电压波动造成的三相四开关并网变流器并网电流畸变。2.本文提出以并网电流三相纹波值、共模电压及电容电流应力作为衡量容错型三相四开关并网变流器运行可靠性的关键指标,探讨了三种常用的等效零矢量合成方法对三相电流纹波、共模电压及电容电流性能的影响,并将有效值计算方法应用于分析零矢量合成方法与三个关键指标的关系。通过理论计算和实验研究,证明零矢量合成方法对提高容错型三相四开关并网变流器的运行可靠性具有至关重要的作用。3.针对机侧变流器故障后的情况,建立了考虑电容电压波动时的容错型三相四开关机侧变流器的数学模型。通过理论分析,综合考虑永磁发电机的转速、电磁转矩等工作状态,提出了一种容错机侧变流器的新型线性调制区域判断方法。同时,为避免中性点电压偏置对线性调制范围的影响,本文提出一种转速自适应的中性点电压控制方法,可以快速消除发电机动态过程中的中性点电压偏置。4.本文针对容错运行的永磁同步发电机输出转矩性能展开分析,揭示出三相四开关变流器驱动永磁发电机产生转矩脉动的特有原因,并提出相应的解决方案。首先,对机侧变流器的矢量调制算法进行电容电压补偿,消除电容电压周期性波动造成的转矩二倍频脉动。其次,本文揭示出功率开关的导通压降会引起永磁发电机的低频转矩脉动,并根据理论分析结果提出一种补偿调制策略,有效抑制功率开关导通压降造成的低频转矩脉动。最后,分析了不同零矢量合成方法对高频转矩脉动的影响,并以此为依据提出一种新型的混合矢量调制策略,最大程度地抑制高频转矩脉动。