随着不可再生能源的逐渐枯竭,可再生能源的利用已成为当今社会可持续发展的必须,是未来一个国家科技进步和社会科学发展的关键。风能资源在每个国家和地区都非常丰富,因此,许多国家特别是发达国家在风力发电领域取得了巨大突破,风力发电机组单机容量的并网运行已经从数十千瓦发展到兆瓦级。风力发电系统的控制和变频技术作为风力发电的关键技术也成为新能源研究的重要课题。本文旨在研究一种多电平矩阵变换器应用在风力发电系统中以达到变速恒频的良好控制效果,并改善电能质量。综合利用了矩阵变换器和多电平逆变器的优点,将传统的风力发电技术和多电平矩阵变换器(MMC)变频技术结合起来,构成新型的高效风力发电系统,既能提高风能利用率,又能降低输出电能谐波含量,大大改善了风力发电系统输送到用户电能的质量。本课题主要研究内容包括:首先,介绍了课题的研究意义、风力发电的现状、发展趋势、三种典型矩阵变换器的研究情况。接着,推导了永磁同步电机的数学模型及其等效电路,研究了变速恒频风力发电系统中常用的三种最大风能跟踪算法,最后提出了一种改进的爬山算法。其次,介绍了多电平矩阵变换器(MMC)的拓扑结构,详细分析了输入线电压两电平和输出线电压三电平空间矢量调制策略,在此基础上分析了输入、输出双线电压的联合控制策略,建立了相应的仿真模型,进行仿真研究,验证了这种双线电压空间矢量控制策略的可行性。还提出3相输入、1相输出的新型MMC拓扑和输出虚拟线电压3电平空间矢量调制,结合输入线电压2电平空间矢量调制,得到联合调制策略,并进行仿真验证。也对多电平矩阵变换器的开关损耗进行了详细分析,为进一步研究奠定了基础。最后,根据风力发电系统结构搭建了基于多电平矩阵变换器的风力发电仿真模型,将多电平矩阵变换器、风力机、永磁同步发电机等集成在一起,通过相应的控制技术,得到了不同风速下的仿真实验结果。实验结果表明系统能够在不同风速下稳定可靠地运行,能大大提高电能的质量,从而验证了多电平矩阵变换器应用于风力发电的可行性和优越性。本课题的应用前景非常看好,将为推动多电平矩阵变换器在风力发电系统中的应用奠定良好基础。