风力发电是可再生能源领域技术最成熟、最具规模开发条件和商业化前景的发电方式之一。海上风电具有风资源丰富、不占用土地资源、风电并网和消纳容易等优点,得到规模化发展,但是海上风电建设和运维成本高,鉴于海上风电运行维护的特殊性,对产品的可靠性和发电机部件的快速更换提出了更高的要求。增加单机容量、采用模块化设计,是降低海上风力风电度电成本(LCoE)的关键途径。但随着机组单机容量的增加,对其电传动系统的可靠性、模块化设计、高功率密度的电机设计等均提出了更高的要求。本文针对上述问题开展深入研究和分析,全文的主要内容如下:首先对典型风力发电的电气传动系统进行了可靠性分析,重点对永磁直驱模块化电传动系统在容错运行模式下电气传动系统的稳定性进行了研究。对比分析了四绕组和单绕组运行情况下的气隙磁密和转矩特性差异,在此基础上,提出了电传动系统容错运行的控制策略,经测试验证:该方法可以有效消除电机的6倍频振动,电机振动加速度由0.047g降低到0.025g。针对多极少槽模块化电机齿谐波引起的转子损耗和转矩脉动问题,构建了10极12槽单元电机电磁场计算模型,并以转子损耗和转矩脉动为目标,进行了拓扑结构优化,研究表明:采用转子铁心轭极间断开的结构能够有效降低转子损耗和转矩脉动,相比定子铁芯模块间增加间隙的方案,1次谐波降低约40%,转子铁心损耗降低约64%,平均电磁转矩增加8.9%,转矩脉动降低了49%。其次,针对永磁直驱风力发电机和变流器的协同设计,研究了不同整流模式对电气传动系统的影响,发现了被动整流方式的并联电容会因过补偿而导致的过电压现象;而可控整流方式可采用闭环控制策略灵活调节电机的转矩和端电压,并可根据设计需要实现功率因数校正。同时,研究了电机端口短路和变流器整流侧短路下的短路特性,结果表明:电机端口处两相短路或变流器整流侧的单个桥臂短路时,电机最大转矩增加到额定转矩的1.4倍,变流器整流侧单个桥臂短路时,短路电流最大,约为额定电流的3.8倍。此外,建立了永磁直驱风力发电机三维流体-热耦合计算模型,对10MW模块化电机的流场和热场进行了研究:绕组和铁心沿轴向的最高温度与最低温度的差仅为2.4K,而铁心和绕组之间的温差很小,仅为0.2K;16个径向通风道的流量分布差异较大,最大流量比最小流量高约34.7%。建立了电磁-流体-热多物理场耦合计算模型,实现了3.35MW模块化永磁直驱风力发电机原理样机优化设计,以电传动系统所要求的电压和电流限值为约束条件,完成了以损耗为优化目标下电机拓扑结构优化。同时对电机的通风冷却结构拓扑进行了优化,结果表明采用11k W的冷却风机较7.5k W的冷却风机的风量提高了约13%,绕组最高温度可降低5℃,说明通过增加冷却风机功率可降低电机绕组温升;在保持通风道数量和高度不变的条件下,通风槽钢径向宽度在35～40mm时,电机温升最小。建立了计及通风槽钢的永磁直驱风力发电机流体与传热数学模型,对36种不同结构的通风槽钢的流场和热场进行了分析,结果表明:与原设计方案相比,最优的方案绕组最高温度由102.6℃降低到91.4℃,降低了11.2K。通风冷却实验平台是实现高效通风冷却系统优化设计的关键,本文搭建了单绕组电机的通风冷却实验平台,对2种技术和工艺可行度高的通风槽钢方案开展实验测试,结果表明:优化后的通风槽钢可以使发电机温升降低3.9K。最后,为了验证10MW永磁直驱风力发电机设计方案的有效性,设计开发了一台3.35MW原理样机,并搭建了专用的全功率背靠背拖动测试台,对样机的空负载特性、噪音特性、振动特性和温升等关键参数进行了全面测试。试验结果表明:空载电压、负载电压、负载电流等参数与设计结果一致性较好;空、负载状态在不同转速下噪音在全转速范围内无异常;额定功率下电机温升为96.5K,永磁体的温升为48.4K,验证了所采用的多极少槽磁路拓扑、模块化结构和强迫通风冷却的技术等方案的准确性,为研制10MW及更大容量的风力发电机奠定了技术基础。