随着化石能源储量的不断减少,可再生能源的开发开始吸引各国的关注。风能作为海上和陆地上分布广易开发的可再生能源之一,成为了新能源领域研究的热点。为了提高单机发电容量并降低成本,风力机开始朝着大型化和轻质化发展,叶片更容易产生弹性变形,因此保证发电稳定性和结构可靠性成为当前风力发电的关键问题之一。风速的随机性和叶片弹性变形的不稳定性,会对风力机的气动性能产生不利影响,使叶片承受较大的疲劳载荷,对叶片造成疲劳损伤。针对上述问题,本文应用理论与数值模拟相结合的手段在分析掌握流体载荷和结构响应随环境参数变化的基础上,基于修正的PID控制算法实现了大型风力机功率稳定与降载的多目标优化控制。本文主要开展了以下几个方面的研究。基于修正的叶素动量理论,分别研究了塔影效应造成的气动性能随方位角的变化规律;剪切风速的变化对风轮转矩、推力等气动性能的影响;研究了阵风、湍流风等多种典型工况下的叶根和轮毂极限载荷和疲劳载荷特征,并应用雨流计数法分析获得等效疲劳载荷谱。对三维建模软件Solidworks进行二次开发,实现蒙皮腹板复杂结构叶片快速建模功能。基于气动特性分析所得极限载荷和疲劳载荷,应用有限元方法对风力机叶片分别进行了静强度分析、模态分析、屈曲分析以及疲劳分析,得到了叶片应力、应变和变形水平,并获得了最易发生失稳和疲劳破坏的位置。采用一种变增益PI变桨控制方法,使用Fortran语言编写了Bladed外部API接口程序,并应用此方法对湍流风作用时风力机在额定工况下的运行状况进行了仿真。通过与传统PID变桨控制效果对比,该方法响应速度更快,减小了变桨迟滞性造成的转速和功率波动。为了减小叶片载荷幅值和均值过大造成的疲劳损伤,同时保证输出功率的平稳型,采用了一种基于前馈控制的叶片载荷优化控制方法。在阶跃风、渐变风和湍流风三种风况下与传统PID变桨控制相对比,仿真结果表明:在这三种风况下采用的基于前馈控制的叶片载荷优化控制方法能很好的降低挥舞载荷的幅值和均值同时保证了输出功率的稳定,提高了使用寿命。