风力发电机的主要功能是将地表的风能转化为电能,从而实现低碳的能量转化过程。其中,叶片作为从外界吸收能量的主要部件,具有大展弦比、受力复杂、模态密集等特点,在复杂气动力的作用下,易出现共振、自激振动等现象从而导致结构的失效和破坏,因此,风力机叶轮系统的动力学特性受到世界范围内的广泛关注,这方面的研究对于提高风力机整体的安全性及降低制造成本,都具有重要应用价值和指导意义。同时,在掌握风力机叶轮系统的动力学特性基础上,优化叶片的变桨控制系统可以提高风力机的发电效率及可靠性,是大型风力发电机柔性叶片设计的关键问题。本文旨在研究风力发电机叶片、叶轮及控制系统的动力学问题。并对风力机叶片的力学模型、叶轮系统的进动和涡动、失速颤振以及风力机控制系统产生的自激振动依次展开分析,具体的研究内容如下:(1)研究变截面薄壁梁的弯扭耦合效应,根据达朗贝尔原理,构造结构的本构关系,利用Hamilton原理建立了弯扭耦合变截面薄壁梁的动力学微分方程,结合传递矩阵(TMM)以及微分变换(DTM)的思想,提出了传递微分变化法(TDTM),分别研究等截面弯扭耦合薄壁梁以及变截面弯扭耦合薄壁梁的自由振动和受迫振动问题。并将计算结果与实验进行比对,分析了微分变换法的计算效率。研究剪切中心位置改变,以及考虑截面翘曲位移对于固有频率产生的影响。(2)在变截面结构弯扭耦合效应研究的基础上,将风力机叶片简化成弯曲-弯曲-扭转耦合的变截面梁模型,通过Hamilton原理建立了叶片的动力学微分方程,研究了叶片由于旋转效应导致的拉伸力、离心力以及科氏力对于叶片固有频率的贡献,探讨了由科氏力造成的模态间的相位差和模态迁移现象。计算结果与实验和商业软件进行对比。(3)通过叶素动量理论计算了叶片非线性的气动性能以及扭转变形,获得了风力机叶片不同工作状态下的气动阻尼,研究了控制器使能状态以及停机掉电工况下,叶片发生失速颤振的条件,总结了风速、偏航对风角度、结构阻尼对于叶片失速颤振区间的影响。(4)研究了风力机三叶片叶轮的动态特性,建立了叶根坐标系、旋转轮毂中心坐标系、机舱坐标系间的相互转换关系。通过传递微分变换法研究了叶轮系统的模态,利用达朗贝尔原理计算了叶轮面内正进动和反进动的进动效应。通过简化弹性支承模型研究了叶轮系统的面外涡动。计算了叶轮系统在控制器使能以及停机状态下的气动阻尼以及颤振区间,研究了叶轮方位角和桨距角对于颤振发生区间的影响,提出避免停机颤振发生的解决办法。(5)分别建立风力发电机的扭矩控制以及变桨控制系统的动力学微分方程,研究了时间延迟对永磁直驱电机扭矩控制回路稳定性的影响。对非线性气动力进行摄动分析,通过非线性增益调度的方法研究了风力机变桨控制系统的转速控制策略。建立气动-弹性-控制耦合的变桨驱动系统的动力学微分方程,研究了当叶片产生偏离变桨轴的大变形时,控制器整定参数的偏差对系统鲁棒性的影响,以及自激振动的产生过程和机理。