风力发电已在全球范围内得到广泛开发和应用，是现如今装机容量增幅最大、发展最快的可再生新能源技术。双馈型风力发电机（DFIG）是目前采用交流并网方式的风电场中最主要的发电机之一。为使DFIG能更有效的应用于直流风电场，本文围绕DFIG的变流器系统结构，系统控制策略与保护，以及系统优化等三个方面展开研究。具体工作如下：
1）DFIG变流器系统结构研究
（1）针对传统变流器系统无法直接将DFIG接入直流电网的问题，本文在传统DFIG系统通过换流站方式实现直流并网方案的基础上，提出了一种定子侧和转子侧双可控型直流变流器系统方案，可直接将DFIG接入直流电网。该方案将换流站的可控整流桥及其滤波电路作为定子侧变流器，与DFIG的定子绕组直接连接，用于模拟电压和频率可调的交流电网；同时保留传统变流器系统的转子侧变流器并省去冗余的网侧变流器，转子侧变流器的直流侧直接与直流母线连接。
（2）为了进一步简化双可控型直流变流器系统结构、节省系统成本，提出了一种双可控改进型直流变流器系统。该方案省去了定子侧的滤波电路，此时简化的定子侧变流器主要用于实现对定子磁通或定子电流的控制。
（3）提出了一种基于电力电子变压器（SST）技术的可控型变流器系统。该方案具有传统变流器系统、SST和电力变压器等功能，其中SST的低压输入级变流器与DFIG的定子绕组连接成为定子侧变流器，同时保留了传统变流器系统的转子侧变流器并省去了冗余的网侧变流器，转子侧变流器的直流侧与SST的低压直流母线连接。该变流器系统的高压交流侧和高压直流侧可灵活方便地与交流和直流电网进行连接。
2）DFIG系统控制策略与保护研究　
（1）本文分别在定子和转子磁通定向坐标系下应用定转子协同的模型预测控制（MPC）策略，增强了转子侧变流器和定子侧变流器共同控制下的多输入、强耦合DFIG系统的暂态和稳态性能。系统状态方程中系统输入为转子和定子电压，系统状态量为磁通和电流，状态量耦合程度高。此时转子侧和定子侧变流器很难独立实现对DFIG进行控制，因而本文采用定子侧和转子侧变流器协同的方式控制DFIG；此外MPC采用磁通和电流预测相结合的方法，无需进行系统解耦，可在单周期内通过代价函数寻找最优的控制律对系统进行控制，并能保证系统在较大风速范围内具有良好的暂态和稳态性能。仿真和实验验证了所提控制策略的有效性和可行性。
（2）针对直流电网发生故障时DFIG系统的保护问题，本文提出了一种直流风电场过流过压保护方案。该方案可通过过流和过压保护支路保护DFIG系统，降低直流电网过流和过压故障的影响，同时过流和过压保护支路通过二极管有机的连接成一体，并通过两级控制策略实现不同功率等级下DFIG系统的保护功能。仿真验证了所提保护方案的有效性和可行性。
3）DFIG系统优化研究
（1）针对传统型DFIG系统在低风速运行时存在的风能利用率低的问题，本文提出了一种低风速运行优化方案。根据定子侧电压幅值和频率可调的特性，采用最大滑差角频率法调整系统定子频率和定子电压，使DFIG系统可以在低风速和正常风速下运行，由此拓展了风力机最大功率跟踪（MPPT）的范围，有效利用了低速风能。仿真和实验验证了所提方案的有效性和可行性。
（2）针对DFIG系统在中低转速运行过程中损耗较大的问题，本文提出了一种损耗优化方案。该方案在搭建的DFIG损耗模型基础上，根据所提系统中磁通和电流灵活可调的特性，以损耗最小为目标设计了最佳磁通和电流运行轨迹。仿真和实验验证了在中低转速或扭矩时该方案能有效降低DFIG的损耗。
（3）针对DFIG系统中由于齿轮箱传动系统所导致系统成本和损耗高的问题，本文在搭建的系统成本模型基础上，提出了以系统总体成本最低为目标，采用调整齿轮箱变比法进行系统成本优化的方案。该方案根据定子频率可调的特性降低了系统同步转速和转子转速，拓展了DFIG的运行范围，从而可选择低齿轮比齿轮箱传动系统以降低其成本和损耗；并根据系统磁通和电流可调的特性设计了系统最优目标跟踪轨迹，从而使得因齿轮比降低而增加的DFIG总电流最小。通过3　MW　DFIG系统的优化结果验证了所提方案的有效性，并在仿真和实验中验证了系统在低齿轮比下运行的可行性。