矩阵变换器作为一种通用电源变换装置，可以方便实现n相到m相变换。该变换器能够产生可控的正弦输出电压和单位功率因数的输入电流；无中间储能环节、能量可双向传递一次变换、动态响应快；采用不同控制算法，可实现整流、逆变、变频、斩波等功能。因此，利用电力电子技术、计算机技术和控制理论的研究成果，开发一种对电网无污染、四象限运行的高质量交流变频电源，成为从事电力电子分析与控制学者研究的热点。　　风能作为一种可再生、洁净无污染能源，具有大规模开发利用价值。变速恒频风电机组采用交流励磁双馈发电机（DFIG），通过增速齿轮箱拖动运行。发电机定子和转子均为三相绕组，矩阵变换器作为交流励磁调节装置，位于发电机转子侧。当发电机转速低于同步转速时，定子发出恒频恒压交流电，矩阵变换器向转子提供交流励磁；当发电机转速高于同步转速时，定子、转子同时发出恒频恒压交流电，矩阵变换器能量反向流动；当发电机转速为同步转速时，矩阵变换器向转子提供直流励磁。可见，矩阵变换器励磁是实现双馈感应发电机变速恒频控制的关键，本文对矩阵变换器励磁的变速恒频风力发电系统及其相关技术进行了深入的研究。　　研究了矩阵变换器等效交-直-交变换结构，提出了矩阵变换器的双空间矢量调制策略改进方案，解决了矢量幅值波动问题、开关损耗问题和谐波抑制问题。矩阵变换器高频调制下最大电压增益为0.866，受输入相电流正弦品质限制，需根据负载要求进行折衷。采用时变电压调制比，理论上可以完全消除谐波分量，但电压增益略有减小。采用本文提出的改进空间矢量调制策略，电压增益可达到理论上的最大值，谐波分量随开关频率的升高而向高频偏移，便于滤波器滤除。　　针对矩阵变换器共模电压产生的机理及其抑制原则，分析了共模电压瞬时值的大小，波形及其谐波频谱，得出了矩阵变换器共模电压的本质特征，提出了一种中间值零矢量对称交替调制的优化矢量控制策略，大大降低了开关损耗和最大共模电压瞬时值，并使最大共模电压降低了33.37％，有效抑制了矩阵变换器共模电压的负面效应，仿真和实验结果验证了中间值零矢量对称交替调制控制策略的正确性和有效性。　　针对风力发电领域风能变化的不确定性，为了在低风速下能够最大程度地获取和转化风能，本文提出了一种新颖的三电平矩阵变换器拓扑结构，介绍了其工作原理。该变换器结构对称，能够升压和降压，谐波含量低，动态响应快，功率传输能力高。但该矩阵变换器开关器件多，开关损耗大，发热、温升问题严重，导致开关特性变差，关断时间延长，可能产生电磁干扰（EMI）。通过建立开关单元单相 PWM逆变器平均等效电路模型和开关损耗数学模型，提出了降低开关损耗和提高变换效率的控制策略，并通过仿真手段验证了控制策略的正确性和变换器输出电压的能控性。　　变速恒频风电系统综合了机械、控制和动力学知识，是一个多学科交叉的复杂机电能量转换系统。针对风力机传动装置的动态特性和机电能量转换与传递关系，研究了交流励磁变速恒频风电系统低风速时的转速控制策略和高风速时的功率控制策略，并通过仿真手段验证了直接转速控制策略和扰动调节控制策略线性化数学模型的有效性。　　本文在分析双馈感应发电机转子机械速d-q坐标系、定子同步速m-t坐标系下的数学模型及其定子磁链定向矢量控制的基础上，构建了双馈感应发电机有功和无功功率解耦控制的双闭环PI控制方案。包括双DSP和CPLD控制的主电路拓扑结构方案和矩阵变换器励磁的风力发电控制系统软、硬件设计方案。提出了系统主要参数选择的依据和驱动、保护电路的设计思想，介绍了系统的主要功能和控制流程。