风力发电是解决当前突出的能源和环境问题的有效手段,也是目前在技术成熟度和经济可行性方面最具竞争力的可再生能源,获得了全球范围内的持续资金投入和产业应用。我国积极优化能源格局,提倡分布式风力发电,就地发电、就地消耗,努力提高风能资源的利用水平。在此背景下,研究高发电效率和运行可靠性的风力发电系统是一项很有意义的工作。考虑到风力发电系统机电组件较高的故障率水平,以及强非线性、不确定和大扰动运行工作特点,应用可容错运行电机和非线性控制理论进行系统设计,以进一步提升整机工作性能,已成为风力发电技术研究领域的热点问题。本文针对采用容错永磁电机的可容错运行风力发电系统,开展数学建模与特性分析、容错电机设计,系统在正常态和故障态的发电功率控制、半实物仿真等方面的研究。主要内容包括:1.研究了风力发电系统的全风速范围功率控制策略。依据切入、额定和切出3种风速划分为4种模式,给出了MPPT运行模式和恒功率运行模式的工作要求及切换条件,采用扩张观测器估计实时气动转矩的方法,获取各模态切换指令角速度,仿真实验结果验证了该功率控制策略的正确有效性。2.研制基于Halbach阵列的四相六极结构容错永磁电机。建立了dq坐标系下简化和统一的永磁电机解耦数学模型,给出了采用含故障相补偿容错策略的FTPM磁场定向矢量控制系统结构,完成了电机电磁参数设计,通过Maxwell 2D/Simplorer场路仿真和原理样机实验,校验了电机本体良好的反电势正弦化输出,以及良好的故障容错能力和故障隔离能力。3.针对永磁电机dq轴电流内环不完全解耦和较强交叉耦合问题,提出了一种基于转矩观测器的永磁直驱风力发电系统MPPT反演控制。采用非线性干扰观测器(NDO)对风力机气动转矩进行估计,再在FOC解耦控制策略的框架下,通过构造虚拟控制量和Lyapunov函数,求取了dq轴电流解耦指令信号,并导出了实际的dq轴输入电压控制量ud和uq,通过与PID控制器的对比实验,验证了反演控制器设计的正确有效性。4.为了增强永磁直驱风力发电系统全风速发电功率外环对模型不确定、参数摄动、风速扰动的抑制能力,提出一种基于幂指数趋近律的全风况发电动态滑模功率控制策略。该控制策略以dq轴电流反演控制内环为基础,依据全风况工作区间发电的外环控制要求,设计含滑模切换函数幅值负反馈项的幂指数趋近律,并形成基于一阶积分环节输出的动态滑模控制量,对比实验验证了其提高发电控制的平滑性、精度和鲁棒性,以及有效抑制抖振的能力。5.针对执行器部分失效故障突发的不可预测的问题,在建立出一种基于广义扰动的风力发电系统角速度跟踪动态模型基础上,提出一种新的MPPT自适应主动容错控制方法。该容错控制律不依赖于系统模型参数和故障信息,采用基于偏差的非线性状态反馈,以及扰动项边界值的自适应在线实时估计方法,实现了对故障和扰动的快速有效补偿,将容错控制律输出的一次积分作为实际功率控制量,以进一步平滑发电调节过程,确保功率跟踪控制无静差。通过多策略对比实验,验证了所提方法对故障平抑的强鲁棒性和自适应。6.研制了一种基于Lab VIEW FPGA的风力发电MPPT快速控制原型半实物仿真系统。给出了控制原型的总体架构和开发流程,在Lab VIEW RT实时运行平台上,建立了风速、风力机和永磁发电机的实时仿真模型,以及MPPT快速控制原型。设计制作了不控整流串联升压变换结构的风力发电系统功率变换器,构建了NI-PXI半实物仿真系统。测试结果验证了该系统的高效、灵活、有效性。