风能因其持续可再生、绿色环保等优点被广泛应用于发电,传统风电系统制造成本高、安装维护困难,对安装地点、环境有很高的要求。近年来,高空风能引起了许多科研工作者及公司的关注,相比于地表风能而言,高空风能稳定且强劲,可产生稳定的电能,而且高空风筝发电机系统建设成本较低,发电效率高于传统陆地风力涡轮机。本文以高空风筝发电机为研究对象,对其进行动力学建模及仿真。分析风筝装置在运行过程所沿轨迹并对其进行优化,以使风筝沿最优轨迹运行能达到最大发电量。主要内容包括以下几个方面:(1)对风筝发电机系统各个模块进行分析,并且研究其功能及发电过程。(2)建立基于拉格朗日运动方程的系统动力学模型,仿真得到风筝发电机系统并模拟高空风筝装置的运动轨迹,实时测量风筝运动轨迹相应参数。(3)在系统仿真的基础上,将风筝最大发电量问题表述为风筝在高空中的关键轨迹参数设计,如改变风筝运行过程中系绳长度、攻角、风筝面积的长宽比等参数。以系绳所受牵引力为参考标准,分析影响风筝运行过程中影响轨迹的参数。(4)分析风筝发电机系统中风筝装置运行轨迹的种类,选择开放式八字形轨迹为研究对象,对牵引阶段和回收阶段的目标函数进行分析并建立运行轨迹控制模型。采用Radau伪谱法对控制模型进行优化,得到风筝运行最优轨迹及相应参数。本文采用理论模拟的方法对风筝发电机模型及运动过程进行仿真,在不考虑风筝转向过程形变的基础上得出攻角、风筝面积的长宽比对发电过程的功率产生有较大影响,为风筝的选择及控制、轨迹的优化提供参考标准。引入点质量模型对风筝飞行轨迹进行设计,利用Radau伪谱法优化牵引阶段单个开放式八字形轨迹,得到高空风筝飞行最优参考轨迹。风筝沿最优轨迹飞行有助于提高发电周期的功率效率,实现高空风能发电经济效益最大化。