本文以风电系统主传动链为研究对象,针对主传动链的五自由度载荷测试和额定风速以上时主传动链功率稳定性控制的实际需要,提出并研究了主传动链的五自由度载荷复现和功率平滑控制的新技术。论文的主要研究内容可分为如下两部分:风电系统主传动链的五自由度载荷复现技术第2章建立了风电系统的桨叶和轮毂坐标系,定义了主传动链五自由度载荷模型,并给出了主传动链五自由度载荷复现的原理和方案。首先,基于所搭建的旋转的桨叶坐标系和静止的轮毂坐标系,构建了主传动链五自由度载荷模型,包括三个正交方向的力分量和两个正交方向的弯矩分量。然后,提出了主传动链五自由度载荷复现的整体方案,将风轮等效成加载质量盘和主传动轴,并沿该盘的轴向和径向均布若干电液力加载器,通过控制各加载器的输出力来合成并再现五自由度载荷谱。同时,在满足质量和转动惯量等特性等价的基础之上,采用动态软惯量补偿和改进的粒子群优化算法,以风轮等效模型的结构和体积的尽量精简和最小化作为精度优化指标,在设计参数约束域内进行大范围的寻优以获得风轮等效模型(如主传动轴和加载盘)的最佳设计值。在此基础上,提出了基于附加虚拟载荷的矩阵式载荷分解与合成策略以及分组归类式的载荷分解与合成策略,以有效地获得各电液加载作动器的参考加载力。第3章构建了典型的右轴向单位加载器的机理模型,研究了其加载力动态特性并设计了相应的加载力反演控制器。典型的电液力加载作动器采用零开口四边滑阀控制非对称单出杆液压缸的形式。首先,从整体上,分析并建立了该电液力加载作动器的线性化加载力控制模型,并基于该线性化模型,采用比例积分控制器,分析研究了加载器的时域和频域动态特性,研究了主要液压参数对加载力动态特性的影响。在此基础上,考虑更多的非线性动态特性的细节,推导获得更加完善的加载器非线性模型,并针对该非线性模型,设计了相应的加载力反演控制器,以增强高频率、大幅值载荷波动情况下加载力控制的稳定性和载荷跟踪的精度。第4章设计了单腔加载作动器,并研究了其加载力控制特性。分别提出并设计了内压力反馈式和旁通压力阀控式的单腔加载器,以便针对单个加载油腔进行直接的加载力控制。分别构建了两种加载器的机理模型和状态空间模型,并针对旁通压力阀控式加载器,设计了鲁棒H∞控制器和鲁棒H∞滤波器,以降低其加载力控制的稳态误差,提高其加载力控制的精度、稳定性和抗干扰能力。在此基础上,对比研究了两种单腔加载器在加载力控制时的动态特性,对比分析了鲁棒H∞控制与常规的比例积分控制在加载力控制的精度和稳定性等方面的差异。第5章研究、设计并研制了某100kW风电机组的电液加载系统,给出了相关的设计、制造的细节,并进行了五自由度载荷复现的实验研究。该电液加载系统用于实时地复现100kW风电机组的五自由度载荷,并主要由机械结构部分、液压系统和电控系统等构成。在设计、加工并组装成该电液加载系统的样机之后,设计了五自由度载荷复现的现场实验方案,并分别针对单位加载器和五自由度载荷复现进行了相应的实验研究。风电系统主传动链的功率平滑控制技术第6章针对风电机组变桨距的实际特点,提出了基于比例阀控马达和电液数字马达变桨距系统的主传动链功率平滑控制技术。设计了比例阀控马达变桨距控制系统,阐述了变桨距控制的基本原理,并设计了电液行星锥齿马达变桨距机构,构建了系统变桨距控制的机理模型。为消除变桨距过程中的不确定性和干扰的影响,设计了自适应滑模变桨距控制器。同时,提出了电液数字马达变桨距控制技术,设计电液数字马达独立变桨距系统,进行了变桨距系统的参数设计和机理建模分析,并采用软件形式的前馈补偿方法以提高桨距角的跟踪控制的精度。为验证所提出的两种系统在变桨距控制的精度和主传动链功率稳定性控制等方面的性能,设计了额定功率为1.5MW的变速变桨距风电机组对比仿真模型,并进行了对比性的仿真实验研究。第7章提出并研究了基于无级增速的风电系统主传动链功率平滑控制技术。首先,设计了该无级增速型传动链,分析了该型传动链的转矩传递特性、变速比和传动效率,并基于粒子群优化算法进行传动链参数匹配的多目标最优化设计。然后,构建了该型传动链系统各主要部件的等效数学模型,并进行了详细的分析。在此基础上,提出了主传动链功率的协同控制策略,将所提出的无级增速控制与常规的变桨距控制相结合,以更加高效地稳定各种风况下风电系统的输出功率。