由于风能利用率高,变速恒频技术已经成为大功率风力发电系统的主要形式。目前变速恒频风力发电机有两种基本类型:低速直驱永磁发电机和带多级增速机构的高速双馈发电机。本文对变速恒频风力发电机进行了理论分析和实验研究,主要包括以下几方面内容:1.从结构、性能、控制技术、可靠性和成本等方面,对比分析了具有相同功率而不同结构的低速直驱、中速半直驱和高速变速恒频风力发电机的性能特点和关键技术。2.分析了极数、槽数和相数对于直驱永磁风力发电机性能的影响,以及减小齿槽转矩和提高输出功率的极槽配合和极弧系数的选取方法。针对超大功率、低速直驱永磁风力发电机因尺寸过大而受到公路和铁路运输的限制,以及大直径多极电机内腔得不到充分利用的缺陷,提出了一种内外转子组合式直驱永磁风力发电机结构,并对一台5MW组合式直驱永磁风力发电机的运行特性进行了分析。3.基于场路耦合分析,设计了1.5MW和3MW直驱永磁风力发电机,并进行了发电机运行特性理论分析和实验研究。所设计的1.5MW直驱永磁风力发电机已在风电场实际运行近两年,验证所设计的直驱永磁风力发电机的可行性和实用性。4.为了克服传统双馈电机滑环和电刷需要定期维护的缺陷和提高风力发电机的可靠性,进行了无刷双馈电机在变速恒频风力发电系统中的应用基础研究。阐述了不同转子结构无刷双馈电机的磁场调制机理和性能特点,提出了一种低成本、高可靠性、易于制造的磁障转子无刷双馈电机结构。5.研制了磁障转子无刷双馈试验样机,进行了无刷双馈电机变速恒频发电运行特性的仿真分析和试验研究,验证了磁障转子无刷双馈电机作为变速恒频风力发电机的可行性。在此基础上,进行了大功率无刷双馈风力发电机的设计,通过对于发电机运行特性的场路耦合有限元分析,提出了一种磁障和笼型转子相结合的复合转子无刷双馈电机新结构,在相同的体积和运行条件下,可显著地提高发电机的输出功率。