第 1 章 绪 论
1.1 课题背景及意义
能源是人类生存和发展的重要物质基础，人类的衣、食、住、行等方方面面都离不开能源。随着社会的发展，能源的需求量越来越大，伴随而来的是日益严重的能源危机。根据国际能源机构发布的统计数据，已探明的石油、天然气和煤炭，其可开采的年限分别为 40 年、60 年和 200 年[1]。BP 公司在 2013 年 1 月发布的《2030世界能源展望》中预测，至 2030 年全世界人口预期达到 83 亿，意味着将有 13 亿新增世界人口需要新能源。石油、天然气和煤炭等一次性能源的消费预计每年增长1.6%，到 2030 年全球能源消费量将增加 36%。《BP 世界能源统计年鉴 2013》中指出，2012 年，我国的石油储量为 173 亿桶，占世界总储量的 1.0%，年产量为 15.2073亿桶，消费不足 15 年。我国的天然气储量为 31000 亿立方米，占世界总储量的 1.7%，年产量为 1072 亿立方米，消费不足 30 年。我国的煤炭储量为 1145 亿吨，占世界储量的 13.3%，年产量为 18.25 吨，消费不足 70 年。总而言之，传统能源正在走向枯竭。我国的地域辽阔，但各区域的能源分布不均衡，其中 80%的能源分布在西部和北部，而占总体 60%的消费主体却在较发达的东南部地区。为了合理配置能源的开采利用，国家提出“北煤南运”、“西煤东运”、“西气东输”等政策，但是大规模、长距离的能源运输也带来了能源损失以及输送建设投资成本，从而进一步加大能源的消费[2]。传统化石能源的开发利用方便了我们的生活，但同时也造成了日益严重的环境污染。2013 年 1 月，全国至今已有 30 个省份出现雾霾天气，为 1961 年以来同期最严重。10 月下旬，严重雾霾天气侵袭东北地区，哈尔滨因雾霾强制停课，成为因雾霾导致停课的首个城市。12 月中上旬，在我国中东部地区出现大面积灰霾天气，上海为降低雾霾进行限产限污，吉林和南京等多地地中小学停课[3]。就是由于利用传统化石能源产生的。此外，全世界每年向大气中排放的几十亿甚至几百亿吨 CO2、SO2、粉尘及有害气体，更加致使生态环境恶化，造成“温室效应”，气候异常，海平面上升，自然灾害增多等。新能源的开发已经刻不容缓。
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1.2 国内外风电发展现状
到 2015 年，世界风力发电总装机容量达 432.4GW。2015 年新增装机容量 63GW，达历史最高，风电产业呈现出快速发展的势头。2014 年海上风机的新增装机容量为1.7GW，同比增长 5.77%，累计装机 8.8GW，继 2014 年后海上风电增长放缓，主要由于欧洲市场下滑。全球有 100 个国家在使用风力发电产生的电力，冰岛成为第一百个国家[6]。图1-1~3 为全球累计装机容量、年新增装机容量及年装机容量增长率图，可以从图中看出全球累计装机容量持续增长，年新增装机容量率始终保持在 19%以上。其中 2015年，因总装机容量较大，增长率为 17.2%。全球风力发电领域主要包括五个市场，即：中国，美国，德国，西班牙和印度。2015 年，这五个国家的总装机容量为 312.635GW，约为世界总装机容量的 72.3%，年新增装机容量 50.488GW，占世界的 80.1%。中国和美国表现尤为突出，其中，中国占到总装机容量的 33.6%，图 1-4 给出风电总装机容量占全球前十的国家。全球的风电产业呈现蓬勃发展的态势，究其原因，一是传统的化石能源正在走下枯竭，石油天然气等价格不断攀升，以及环境污染等原因促使新能源产业的急速发展。二是各国政府的政策导向。美国支持可再生能源发展已经形成了一揽子政策，其中有法规和约束性指标等管理方面政策，还有抵免税收、直接补贴和金融支持等激励方面政策。前者侧重于为利用可再生能源发展开创新市场空间，后者则侧重于利用可再生能源技术的产业化。以此来调动各方资金利用到可再生能源的积极性。我国新能源政策的基本内容是：坚持“节约优先、立足国内、多元发展、保护环境、科技创新、深化改革、国际合作、改善民生”的能源发展方针，推进能源生产和利用方式变革，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系，努力以能源的可持续发展支撑经济社会的可持续发展。我国的《十二五规划纲要》提出：到 2015 年为止，中国非化石能源占能源消费比例达到 11.4%，单位生产总值能耗要比 2010 年降低 16%，单位生产总值碳排放要比 2010 年降低 17%，风电呈现一派欣欣向荣的局面[7,8]。据预测，到 2020 年风电将超过核电，成为世界第三大主要能源形势[9]。
.......
第 2 章 风力机基本理论及阶次分析技术
2.1 风力机的分类及基本结构
风力机经过长时间的发展，已经形成了多种多样的机型。按风机叶轮主轴安装方向可分为水平轴风机和垂直轴风机；按照叶轮和主机在风向的相对位置可分为上风向和下风向风机；按偏航的控制模式形式可分为被动偏航与主动偏航；按照风轮桨叶结构可分为定桨距和变桨距风机；按驱动链传动方式可分为有双馈式风机和直驱型风机；按发电机型式可分为笼式异步发电机、双馈异步发电机和永磁型同步发电机等。根据风机能否变桨和变速运行，业界将风机分为定桨定速风力机和变桨变速风力机两大类。本文主要研究带齿轮箱的变桨变速风力机。
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2.2 阶次分析技术
在稳态工况下，通过对振动信号进行频谱分析，能够有效地揭示被分析信号整个被分析过程中包含的频率成分，但无法反映振动信号中频率与时间的关系。而风电机组经常处于变速工况，尤其低俗端需要采集较长时间的信号，若对长时间采集的振动信号仍然采用频谱分析，会造成频谱上峰值能量分散，出现谱线模糊的现象，而阶次分析是解决变速工况下振动频率信号分析较好的方法。阶次分析的方法对振动信号进行重新采样是关键之处。从转速传感器处可以得到叶轮等角度间隔所对应的时刻t。本章说明了现有主流风力发电机的结构原理，风力机作为复杂设备，应用先进的故障检测技术进行故障分析和预警是十分必要的。阶次分析是通过分析设备振动信号，判断产生振动的源头的技术。通过将振动频谱的信号与旋转部件的旋转角度相结合，能够生成振动信号与旋转角度的函数关系，从而使振动信号分析更明确。
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第 3 章 主轴故障监测......14
3.1 引言........14
3.2 轴承故障判别基础.....14
3.3 风力发电机组不平衡的本质..........15
3.4 主轴承故障分析实例........16
3.5 不平衡故障分析实例........19
第 4 章 齿轮箱故障监测.........22
4.1 引言........22
4.2 齿轮箱振源及齿轮失效形式..........22
4.3 齿轮、轴承故障中的信号调制......23
4.4 齿轮箱单点故障信号特征.......25
4.5 时域分析、频率分析及包络分析.........294
4.6 齿轮箱故障分析实例........30
4.6.1 齿轮磨损故障.....30
4.6.2 齿轮箱轴承故障........32
第 5 章 发电机故障监测.........35
5.1 引言........35
5.2 发电机电气故障.........35
5.3 转子条故障分析实例........35
5.4 发电机轴承故障实例........38
第 5 章 发电机故障监测
5.1 引言
风力发电机的主要任务是将风能转换为电能。在风力机的运行过程中，叶轮从获取能量，通过齿轮箱将扭矩传递给发电机，从而实现能量的转换。工业上风机通常使用异步电机。当异步电机发生故障的时候，轻则影响发电质量，重则损害电机本身，甚至可能发生重大的安全生产事故。为了保证发电机及其相关部件的安全运行，需要对发电机的运行状态进行安全检测。随着“节能减排”政策的大力提倡和实行，风力发电机在大范围内被广泛应用。风力发电机在运行过程中转速是随风速不断变化的，因此阶次分析技术在风机的发电机故障检测方面也具有重要的应用。风力机的发电机电气故障是其常见故障之一，包括定子松动，叠片短路等。本章主要通过对电机转子条的故障阐述阶次分析的重要性。一般工频供电条件下的异步电机转子条故障诊断方法中，采用最多的是 MCSA故障诊断方法，因为 MCSA 故障诊断方法具有可做成非侵入式，易于与风机控制系统集成的优点，成为目前研究最多，应用最广泛的方法。MCSA 故障诊断方诊断转子条松动的方法是看转子铜条通过频率附近是否存在100Hz 边频带。如果存在转子铜条松动，转子铜条通过频率附近将会出现波峰(100Hz)，有时候即便你不知道转子铜条的数量，如果你看到一个附近两倍线频频带的高频振动，基本上就可以判断有这类故障。
........
结 论
本文的研究对象为基于阶次谱的风力机故障诊断技术，并进行了试验验证。根据世界和我国风电发展的现状，及风力机故障诊断领域研究现状，阐明了阶次分析技术在风力机故障诊断中的重要性。在对阶次分析技术的阐述下，根据风力机不同部件可能发生的故障类型进行了讨论并进行了相应的试验验证。风力的主轴承部分常见的故障类型为不平衡与轴承故障，齿轮箱主要为齿面故障以及轴承故障，发电机主要的为轴承与电气故障。通过各部件的频谱分析以及阶次分析的对比，证明阶次分析技术在风力机故障诊断领域的重要性。基于上述的工作，本文得出如下的结论：(1)阶次分析技术将等时间采样改变成了等角度采样，在风力机变速变工况运行过程中，有效的解决了频谱模糊带来的故障难以判别的问题，对于风力机的故障类型，故障等级判别具有极大的促进作用(2)在故障诊断过程中阶次分析技术一样具有其局限性，例如在主轴承不平衡的诊断过程中，需要结合频谱图甚至包络谱图进行故障的诊断。(3)阶次分析技术依然不能带来“完美”的谱图，同样存在某些模糊性，在故障诊断过程中需要尽量选取关键数据。如齿轮箱故障需要进行满足额定功率、额定风速的数据，这样谱图才最大的可能反应机组的故障特征。(4)介词分析技术是根据发电机的转速从而计算各个位置的阶次值，如果在实际的运行过程中，转速出现异常甚至没有采集到转速，则阶次频谱无法使用。这个时候反而频谱成为有效的故障甄别办法。
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参考文献（略）
1.1 课题背景及意义
能源是人类生存和发展的重要物质基础，人类的衣、食、住、行等方方面面都离不开能源。随着社会的发展，能源的需求量越来越大，伴随而来的是日益严重的能源危机。根据国际能源机构发布的统计数据，已探明的石油、天然气和煤炭，其可开采的年限分别为 40 年、60 年和 200 年[1]。BP 公司在 2013 年 1 月发布的《2030世界能源展望》中预测，至 2030 年全世界人口预期达到 83 亿，意味着将有 13 亿新增世界人口需要新能源。石油、天然气和煤炭等一次性能源的消费预计每年增长1.6%，到 2030 年全球能源消费量将增加 36%。《BP 世界能源统计年鉴 2013》中指出，2012 年，我国的石油储量为 173 亿桶，占世界总储量的 1.0%，年产量为 15.2073亿桶，消费不足 15 年。我国的天然气储量为 31000 亿立方米，占世界总储量的 1.7%，年产量为 1072 亿立方米，消费不足 30 年。我国的煤炭储量为 1145 亿吨，占世界储量的 13.3%，年产量为 18.25 吨，消费不足 70 年。总而言之，传统能源正在走向枯竭。我国的地域辽阔，但各区域的能源分布不均衡，其中 80%的能源分布在西部和北部，而占总体 60%的消费主体却在较发达的东南部地区。为了合理配置能源的开采利用，国家提出“北煤南运”、“西煤东运”、“西气东输”等政策，但是大规模、长距离的能源运输也带来了能源损失以及输送建设投资成本，从而进一步加大能源的消费[2]。传统化石能源的开发利用方便了我们的生活，但同时也造成了日益严重的环境污染。2013 年 1 月，全国至今已有 30 个省份出现雾霾天气，为 1961 年以来同期最严重。10 月下旬，严重雾霾天气侵袭东北地区，哈尔滨因雾霾强制停课，成为因雾霾导致停课的首个城市。12 月中上旬，在我国中东部地区出现大面积灰霾天气，上海为降低雾霾进行限产限污，吉林和南京等多地地中小学停课[3]。就是由于利用传统化石能源产生的。此外，全世界每年向大气中排放的几十亿甚至几百亿吨 CO2、SO2、粉尘及有害气体，更加致使生态环境恶化，造成“温室效应”，气候异常，海平面上升，自然灾害增多等。新能源的开发已经刻不容缓。
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1.2 国内外风电发展现状
到 2015 年，世界风力发电总装机容量达 432.4GW。2015 年新增装机容量 63GW，达历史最高，风电产业呈现出快速发展的势头。2014 年海上风机的新增装机容量为1.7GW，同比增长 5.77%，累计装机 8.8GW，继 2014 年后海上风电增长放缓，主要由于欧洲市场下滑。全球有 100 个国家在使用风力发电产生的电力，冰岛成为第一百个国家[6]。图1-1~3 为全球累计装机容量、年新增装机容量及年装机容量增长率图，可以从图中看出全球累计装机容量持续增长，年新增装机容量率始终保持在 19%以上。其中 2015年，因总装机容量较大，增长率为 17.2%。全球风力发电领域主要包括五个市场，即：中国，美国，德国，西班牙和印度。2015 年，这五个国家的总装机容量为 312.635GW，约为世界总装机容量的 72.3%，年新增装机容量 50.488GW，占世界的 80.1%。中国和美国表现尤为突出，其中，中国占到总装机容量的 33.6%，图 1-4 给出风电总装机容量占全球前十的国家。全球的风电产业呈现蓬勃发展的态势，究其原因，一是传统的化石能源正在走下枯竭，石油天然气等价格不断攀升，以及环境污染等原因促使新能源产业的急速发展。二是各国政府的政策导向。美国支持可再生能源发展已经形成了一揽子政策，其中有法规和约束性指标等管理方面政策，还有抵免税收、直接补贴和金融支持等激励方面政策。前者侧重于为利用可再生能源发展开创新市场空间，后者则侧重于利用可再生能源技术的产业化。以此来调动各方资金利用到可再生能源的积极性。我国新能源政策的基本内容是：坚持“节约优先、立足国内、多元发展、保护环境、科技创新、深化改革、国际合作、改善民生”的能源发展方针，推进能源生产和利用方式变革，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系，努力以能源的可持续发展支撑经济社会的可持续发展。我国的《十二五规划纲要》提出：到 2015 年为止，中国非化石能源占能源消费比例达到 11.4%，单位生产总值能耗要比 2010 年降低 16%，单位生产总值碳排放要比 2010 年降低 17%，风电呈现一派欣欣向荣的局面[7,8]。据预测，到 2020 年风电将超过核电，成为世界第三大主要能源形势[9]。
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第 2 章 风力机基本理论及阶次分析技术
2.1 风力机的分类及基本结构
风力机经过长时间的发展，已经形成了多种多样的机型。按风机叶轮主轴安装方向可分为水平轴风机和垂直轴风机；按照叶轮和主机在风向的相对位置可分为上风向和下风向风机；按偏航的控制模式形式可分为被动偏航与主动偏航；按照风轮桨叶结构可分为定桨距和变桨距风机；按驱动链传动方式可分为有双馈式风机和直驱型风机；按发电机型式可分为笼式异步发电机、双馈异步发电机和永磁型同步发电机等。根据风机能否变桨和变速运行，业界将风机分为定桨定速风力机和变桨变速风力机两大类。本文主要研究带齿轮箱的变桨变速风力机。
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2.2 阶次分析技术
在稳态工况下，通过对振动信号进行频谱分析，能够有效地揭示被分析信号整个被分析过程中包含的频率成分，但无法反映振动信号中频率与时间的关系。而风电机组经常处于变速工况，尤其低俗端需要采集较长时间的信号，若对长时间采集的振动信号仍然采用频谱分析，会造成频谱上峰值能量分散，出现谱线模糊的现象，而阶次分析是解决变速工况下振动频率信号分析较好的方法。阶次分析的方法对振动信号进行重新采样是关键之处。从转速传感器处可以得到叶轮等角度间隔所对应的时刻t。本章说明了现有主流风力发电机的结构原理，风力机作为复杂设备，应用先进的故障检测技术进行故障分析和预警是十分必要的。阶次分析是通过分析设备振动信号，判断产生振动的源头的技术。通过将振动频谱的信号与旋转部件的旋转角度相结合，能够生成振动信号与旋转角度的函数关系，从而使振动信号分析更明确。
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第 3 章 主轴故障监测......14
3.1 引言........14
3.2 轴承故障判别基础.....14
3.3 风力发电机组不平衡的本质..........15
3.4 主轴承故障分析实例........16
3.5 不平衡故障分析实例........19
第 4 章 齿轮箱故障监测.........22
4.1 引言........22
4.2 齿轮箱振源及齿轮失效形式..........22
4.3 齿轮、轴承故障中的信号调制......23
4.4 齿轮箱单点故障信号特征.......25
4.5 时域分析、频率分析及包络分析.........294
4.6 齿轮箱故障分析实例........30
4.6.1 齿轮磨损故障.....30
4.6.2 齿轮箱轴承故障........32
第 5 章 发电机故障监测.........35
5.1 引言........35
5.2 发电机电气故障.........35
5.3 转子条故障分析实例........35
5.4 发电机轴承故障实例........38
第 5 章 发电机故障监测
5.1 引言
风力发电机的主要任务是将风能转换为电能。在风力机的运行过程中，叶轮从获取能量，通过齿轮箱将扭矩传递给发电机，从而实现能量的转换。工业上风机通常使用异步电机。当异步电机发生故障的时候，轻则影响发电质量，重则损害电机本身，甚至可能发生重大的安全生产事故。为了保证发电机及其相关部件的安全运行，需要对发电机的运行状态进行安全检测。随着“节能减排”政策的大力提倡和实行，风力发电机在大范围内被广泛应用。风力发电机在运行过程中转速是随风速不断变化的，因此阶次分析技术在风机的发电机故障检测方面也具有重要的应用。风力机的发电机电气故障是其常见故障之一，包括定子松动，叠片短路等。本章主要通过对电机转子条的故障阐述阶次分析的重要性。一般工频供电条件下的异步电机转子条故障诊断方法中，采用最多的是 MCSA故障诊断方法，因为 MCSA 故障诊断方法具有可做成非侵入式，易于与风机控制系统集成的优点，成为目前研究最多，应用最广泛的方法。MCSA 故障诊断方诊断转子条松动的方法是看转子铜条通过频率附近是否存在100Hz 边频带。如果存在转子铜条松动，转子铜条通过频率附近将会出现波峰(100Hz)，有时候即便你不知道转子铜条的数量，如果你看到一个附近两倍线频频带的高频振动，基本上就可以判断有这类故障。
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结 论
本文的研究对象为基于阶次谱的风力机故障诊断技术，并进行了试验验证。根据世界和我国风电发展的现状，及风力机故障诊断领域研究现状，阐明了阶次分析技术在风力机故障诊断中的重要性。在对阶次分析技术的阐述下，根据风力机不同部件可能发生的故障类型进行了讨论并进行了相应的试验验证。风力的主轴承部分常见的故障类型为不平衡与轴承故障，齿轮箱主要为齿面故障以及轴承故障，发电机主要的为轴承与电气故障。通过各部件的频谱分析以及阶次分析的对比，证明阶次分析技术在风力机故障诊断领域的重要性。基于上述的工作，本文得出如下的结论：(1)阶次分析技术将等时间采样改变成了等角度采样，在风力机变速变工况运行过程中，有效的解决了频谱模糊带来的故障难以判别的问题，对于风力机的故障类型，故障等级判别具有极大的促进作用(2)在故障诊断过程中阶次分析技术一样具有其局限性，例如在主轴承不平衡的诊断过程中，需要结合频谱图甚至包络谱图进行故障的诊断。(3)阶次分析技术依然不能带来“完美”的谱图，同样存在某些模糊性，在故障诊断过程中需要尽量选取关键数据。如齿轮箱故障需要进行满足额定功率、额定风速的数据，这样谱图才最大的可能反应机组的故障特征。(4)介词分析技术是根据发电机的转速从而计算各个位置的阶次值，如果在实际的运行过程中，转速出现异常甚至没有采集到转速，则阶次频谱无法使用。这个时候反而频谱成为有效的故障甄别办法。
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参考文献（略）
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