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随着经济的不断发展,社会对于能源的需求与日俱增,随着环境问题日益严重,可再生能源越来越受到关注,人们对于可再生能源的需求和要求也在不断提升。风能作为可再生能源中的一员,拥有巨大的潜能。将风能转化为电能,是风能利用的主要方式。风能资源大多远离负荷中心,大容量远距离输电适合采用直流系统,对于需要采用电缆并网的海上风电,也适合采用直流系统。因此,本文针对在风电场直流系统并网研究过程中遇到的问题,从风力发电机、直流输电系统、风电场集电系统电压控制、风电直流系统故障响应、故障穿越控制方法等各个方面开展工作,进行深入研究。本文的主要内容如下:(1)研究目前常用风力发电机的结构、功能和控制,包括双馈异步风力发电机(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)和永磁直驱风力发电机(Direct Driven Permanent Magnet Synchronous Generator,DD-PMSG),从风力发电机的结构入手,分析各个部分的数学模型,进一步分析其在正常状态下和故障状态下的数学模型和控制,详细推导其数学模型,设计在不同场合的控制方法,解释其运行原理和相应特性。在PSCAD/EMTDC平台上搭建双馈异步风力发电机和永磁直驱风力发电机详细仿真模型算例,进行相应研究。通过理论分析和模型仿真,明确风力发电机结构与功能,掌握风力发电机控制与保护。(2)研究风电场二电平 VSC-HVDC(Voltage Sourced Converter based High Voltage Direct Current Transmission,VSC-HVDC)直流并网系统,针对孤岛及海上风电场集电系统电压建立问题,提出有关二电平VSC风电场侧换流站针对风电场集电系统交流电压控制方法,有效建立风电场集电系统交流电压,适合用于风电并网。针对风电场二电平VSC-HVDC直流并网系统暂态响应问题,系统分别在风速变化、风电场集电系统故障、电网交流系统故障等一系列常见场景进行暂态特性分析,结合电网故障情形提出新型交互协调控制,有助于提高系统暂态特性和故障穿越能力。(3)研究风电场 MMC-HVDC(Modular Multilevel Converter based High Voltage Direct Current Transmission,MMC-HVDC)直流并网系统,针对孤岛及海上风电场集电系统电压建立问题,结合MMC具体运行特性,提出适用于MMC建立风电场集电系统交流电压控制方法,采用MMC电压直接控制方法,可用于风电并网,仿真结果验证所提适用于MMC建立风电场集电系统交流电压控制方法可以有效提供风电并网交流电压。针对风电场MMC-HVDC直流并网系统暂态响应问题,在风速变化、风电场集电系统故障、电网交流系统故障、直流单极接地故障等一系列常见场景进行暂态特性分析,系统也具有一定的故障穿越能力。(4)研究风电场 C-MMC-HVDC(MMC using Clamping Double Sub-Module based High Voltage Direct Current,C-MMC-HVDC)直流并网系统,针对这种新型风电场并网方式,根据C-MMC拓扑结构的特性,提出C-MMC用于风电直流并网的相应控制,包括风电场侧换流站WFC-MMC(Wind Farm Side C-MMC)中风电场集电系统电压控制和电网侧换流站GSC-MMC(Grid Side C-MMC)中直流电压控制。针对C-MMC处理直流故障的能力,进一步分析C-MMC闭锁机理,阐述其闭锁以及故障穿越方法和本质。针对风电场直流并网系统直流故障,提出通过C-MMC换流站闭锁、重启动、Crowbar技术配合一系列关键开关开断、导通,实现风电场直流并网系统直流故障穿越。详细说明如何在直流故障发生时期和故障结束后恢复时期有关C-MMC换流站、Crowbar技术以及关键位置开关的具体配合,有效提高风电直流并网系统的暂态稳定性,在保护风电直流系统同时,为电力系统稳定性增加保障。