离网型风力发电机系统具有成本低、应用灵活、维护简便等优点,近年来被越来越多地应用于牧区、林区、通讯基站、气象站、海岛及边防哨所等场所,其重要性日益显现。然而传统发电机系统的特性与风力机的特性并不匹配,故当风速变化时系统无法自动地实现最大功率点跟踪(Maximum power point tracking,MPPT),致使风能利用率较低,因此离网型风力发电MPPT技术是当前业界的研究热点。现有MPPT技术通过DC-DC变换器等电控装置控制发电机系统的特性,使其与风力机特性相吻合,能够有效地实现MPPT。然而,电控装置中的电子器件在野外环境中很容易损坏,故电控MPPT方法的可靠性相对较低。因此,研究具有高可靠性的MPPT技术是离网型风电发展的迫切需要。在深入分析电控MPPT方法的机理的基础上,本文提出了基于无源自适应MPPT方法的离网型风力发电机系统方案:对发电机系统的本体结构进行特殊设计,使其特性吻合风力机特性,则无需使用电控装置系统就能够自动实现MPPT。由于省去了电控MPPT装置,该方法减少了系统中电子元件的数量,从而提高了系统在野外环境中的可靠性。本文开展的研究工作主要包含以下几个部分:通过分析传统MPPT方法的机理,提出了无源自适应MPPT方法,并分别用图示方法和数学方法分析了其原理,为无源自适应MPPT系统方案奠定了理论基础。在此基础上,采用增大漏电感的方法,提出了高漏电感型发电机(High-leakage-inductance generator,HLIG)系统方案,采用增大主电感的方法,提出了高主电感型发电机(High-main-inductance generator,HMIG)系统方案,这两种新型系统方案省略了电控装置,从而具有较高的可靠性。以双三相电压方程为基础,推导了HLIG和HMIG的电感计算公式,分别建立了HLIG系统和HMIG系统的数学模型,并推导了HLIG系统的两套绕组之间的电磁耦合量化关系,为新型发电机系统的设计及优化奠定了理论基础。采用迭代设计思路,分别提出了HLIG系统和HMIG系统的详细、完整的设计方法,同时以数学模型为基础,分别研究了HLIG系统和HMIG系统的双绕组匝数比和功率分配比的确定方法、极槽配合规律,以及HMIG系统双绕组槽数分配比的选取方法,得到了匝数比、功率分配比以及槽数分配比与设计指标之间的关系,为日后的实际设计及制造提供了理论支持。通过数学解析和有限元仿真计算,分析了HLIG系统和HMIG系统的输入功率特性、输出功率特性、铜损耗特性、铁损特性以及效率特性,并比较了HLIG系统和HMIG系统在这些特性上的异同,为新型发电机系统的优化及日后的技术改进奠定了基础。分别实验研究了HLIG系统和HMIG系统的静态、动态MPPT性能,并与采用爬山搜索法的发电机系统进行了对比,结果显示新型发电机系统的MPPT性能优于电控发电机系统。理论分析和实验研究表明,本文所提出的基于无源自适应MPPT方法的两种新型发电机系统无需使用电控装置就能够快速、准确地实现MPPT。由于省去了电控装置,新型发电机系统具有较高的可靠性,从而能够更好地适应野外环境。因此,新型发电机系统为解决离网型风力发电机系统的MPPT问题提供了新的、行之有效的方案。