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目前,风电机组正向高效率、高稳定性目标发展,机组效率主要由风轮气动效率和运行时的控制策略两方面决定。为了进一步提高机组风能转换效率及稳定性,开展了针对风电机组气动效率及控制策略的研究。针对目前被广泛应用的传统叶素动量(Blade Element Momentum,BEM)理论无法用于计算有锥角风力机气动特性的问题,在传统BEM理论基础上,提出了引入锥角β的BEM修正模型,并应用修正后的β-BEM模型对NACA0012翼型1.5 MW风电机组风轮锥角进行优化。结果表明引入一定锥角后,能够使风能利用系数得到进一步提高。针对目前风电机组风轮攻角设计及控制策略普遍采用航空器理论中的“最大升阻比”理论,而实际风轮与航空器在结构和能量转换方式上均不相同的问题,提出并证实了使机组获得最大风能利用系数的“最佳攻角”大于“最大升阻比攻角”。首先给出了对攻角优化的微分模型,之后进行最佳攻角的算例分析,最后分析了风轮锥角以及变风况条件下的转矩控制对最佳攻角的影响。结果表明采用最佳攻角后,风能利用系数得到显著提高。针对传统最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制策略没有考虑回归路径对输出功率的影响,提出一种基于最优回归路径的改进MPPT控制策略。在传统MPPT控制基础上,引入变桨控制,实现风电机组在MPPT过程中对工作点回归路径的优化,应用β-BEM修正模型结合二次搜索算法实时确定桨距角参考值,最终使机组在MPPT过程中输出功率最大化。针对风速阶跃减小、阶跃增大以及湍流风三种工况对回归路径进行优化,结果表明,优化后风力机输出功率得到提高。针对发电机输出功率波动现象,设计一种非线性模型预测控制(Nonlinear Model Predictive Control,NMPC)控制器,通过将扰动信息引入非线性模型预测控制器的最优控制策略中,降低塔筒、叶片的载荷和变桨频率,提高机组输出功率的稳定性。结果表明采用NMPC控制器能够在极端连续阵风工况和湍流风工况下有效抑制输出功率波动。