风力机作为风电控制系统中的被控对象起着重要的作用。在水平轴风力机为主流的风电领域,垂直轴风力机仍凭借其噪音小、成本低以及运输方便等优势在分布式发电中起着重要作用。但由于垂直轴风力机研究缺乏一套完善研究方法使其在当前风电领域中理论分析与结构设计等方法不成熟,且存在着不易启动、风能利用率低、制动困难等缺陷而无法大规模发展。针对这些不足,本文设计了一台新型垂直轴风力机作为风电控制系统中的被控对象,使得控制策略能够更好的适用于被控对象,提高风电控制系统的能量转换效率。首先,针对传统垂直轴风力机存在的缺陷,本文设计了一种加装固定流线型导流板且升力型风轮为三层层叠式结构的新结构垂直轴风力机,弥补了传统垂直轴风力机存在的不足。对特定的NACA对称翼型进行气动性能分析得出垂直轴风力机的最佳叶尖速比应选择4,在最佳叶尖速比下计算得出垂直轴风力机的最佳安装角为4.33度,并使用MATLAB仿真计算验证了理论研究的有效性。其次,提出了用于计算垂直轴风力机风能利用系数的等效实度法。分析了叶片在360度圆周上的静态动力学特性及在各个方位角下叶片的转矩与功率,推导出垂直轴风力机的理想风能利用率为0.427。并基于叶素-动量理论建立了垂直轴风力机在自然风条件下的风能利用系数计算模型。通过MATLAB仿真计算验证了等效实度法与风能利用系数计算模型在风能利用系数分析上的一致性。最后,为了验证垂直轴风力机新结构的设计与气动性能分析的正确性,制作了一台用于实验的额定功率为100W的样机模型,通过多组实验验证了风力机新结构相比于传统垂直轴风力机效率的提升。并验证了风力机理论分析、MATLAB仿真计算与模型实验对垂直轴风力机研究的一致性。