第 1 章 緒 論
1.1 課題背景及意義
能源是人類生存和發展的重要物質基礎，人類的衣、食、住、行等方方面面都離不開能源。隨著社會的發展，能源的需求量越來越大，伴隨而來的是日益嚴重的能源危機。根據國際能源機構發布的統計數據，已探明的石油、天然氣和煤炭，其可開採的年限分別為 40 年、60 年和 200 年[1]。BP 公司在 2013 年 1 月發布的《2030世界能源展望》中預測，至 2030 年全世界人口預期達到 83 億，意味著將有 13 億新增世界人口需要新能源。石油、天然氣和煤炭等一次性能源的消費預計每年增長1.6%，到 2030 年全球能源消費量將增加 36%。《BP 世界能源統計年鑑 2013》中指出，2012 年，我國的石油儲量為 173 億桶，占世界總儲量的 1.0%，年產量為 15.2073億桶，消費不足 15 年。我國的天然氣儲量為 31000 億立方米，占世界總儲量的 1.7%，年產量為 1072 億立方米，消費不足 30 年。我國的煤炭儲量為 1145 億噸，占世界儲量的 13.3%，年產量為 18.25 噸，消費不足 70 年。總而言之，傳統能源正在走向枯竭。我國的地域遼闊，但各區域的能源分布不均衡，其中 80%的能源分布在西部和北部，而占總體 60%的消費主體卻在較發達的東南部地區。為了合理配置能源的開採利用，國家提出“北煤南運”、“西煤東運”、“西氣東輸”等政策，但是大規模、長距離的能源運輸也帶來了能源損失以及輸送建設投資成本，從而進一步加大能源的消費[2]。傳統化石能源的開發利用方便了我們的生活，但同時也造成了日益嚴重的環境污染。2013 年 1 月，全國至今已有 30 個省份出現霧霾天氣，為 1961 年以來同期最嚴重。10 月下旬，嚴重霧霾天氣侵襲東北地區，哈爾濱因霧霾強制停課，成為因霧霾導致停課的首個城市。12 月中上旬，在我國中東部地區出現大面積灰霾天氣，上海為降低霧霾進行限產限污，吉林和南京等多地地中小學停課[3]。就是由於利用傳統化石能源產生的。此外，全世界每年向大氣中排放的幾十億甚至幾百億噸 CO2、SO2、粉塵及有害氣體，更加致使生態環境惡化，造成“溫室效應”，氣候異常，海平面上升，自然災害增多等。新能源的開發已經刻不容緩。
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1.2 國內外風電發展現狀
到 2015 年，世界風力發電總裝機容量達 432.4GW。2015 年新增裝機容量 63GW，達歷史最高，風電產業呈現出快速發展的勢頭。2014 年海上風機的新增裝機容量為1.7GW，同比增長 5.77%，累計裝機 8.8GW，繼 2014 年後海上風電增長放緩，主要由於歐洲市場下滑。全球有 100 個國家在使用風力發電產生的電力，冰島成為第一百個國家[6]。圖1-1~3 為全球累計裝機容量、年新增裝機容量及年裝機容量增長率圖，可以從圖中看出全球累計裝機容量持續增長，年新增裝機容量率始終保持在 19%以上。其中 2015年，因總裝機容量較大，增長率為 17.2%。全球風力發電領域主要包括五個市場，即：中國，美國，德國，西班牙和印度。2015 年，這五個國家的總裝機容量為 312.635GW，約為世界總裝機容量的 72.3%，年新增裝機容量 50.488GW，占世界的 80.1%。中國和美國表現尤為突出，其中，中國占到總裝機容量的 33.6%，圖 1-4 給出風電總裝機容量占全球前十的國家。全球的風電產業呈現蓬勃發展的態勢，究其原因，一是傳統的化石能源正在走下枯竭，石油天然氣等價格不斷攀升，以及環境污染等原因促使新能源產業的急速發展。二是各國政府的政策導向。美國支持可再生能源發展已經形成了一攬子政策，其中有法規和約束性指標等管理方面政策，還有抵免稅收、直接補貼和金融支持等激勵方面政策。前者側重於為利用可再生能源發展開創新市場空間，後者則側重於利用可再生能源技術的產業化。以此來調動各方資金利用到可再生能源的積極性。我國新能源政策的基本內容是：堅持“節約優先、立足國內、多元發展、保護環境、科技創新、深化改革、國際合作、改善民生”的能源發展方針，推進能源生產和利用方式變革，構建安全、穩定、經濟、清潔的現代能源產業體系，努力以能源的可持續發展支撐經濟社會的可持續發展。我國的《十二五規劃綱要》提出：到 2015 年為止，中國非化石能源占能源消費比例達到 11.4%，單位生產總值能耗要比 2010 年降低 16%，單位生產總值碳排放要比 2010 年降低 17%，風電呈現一派欣欣向榮的局面[7,8]。據預測，到 2020 年風電將超過核電，成為世界第三大主要能源形勢[9]。
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第 2 章 風力機基本理論及階次分析技術
2.1 風力機的分類及基本結構
風力機經過長時間的發展，已經形成了多種多樣的機型。按風機葉輪主軸安裝方向可分為水平軸風機和垂直軸風機；按照葉輪和主機在風向的相對位置可分為上風向和下風向風機；按偏航的控制模式形式可分為被動偏航與主動偏航；按照風輪槳葉結構可分為定槳距和變槳距風機；按驅動鏈傳動方式可分為有雙饋式風機和直驅型風機；按發電機型式可分為籠式異步發電機、雙饋異步發電機和永磁型同步發電機等。根據風機能否變槳和變速運行，業界將風機分為定槳定速風力機和變槳變速風力機兩大類。本文主要研究帶齒輪箱的變槳變速風力機。
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2.2 階次分析技術
在穩態工況下，通過對振動信號進行頻譜分析，能夠有效地揭示被分析信號整個被分析過程中包含的頻率成分，但無法反映振動信號中頻率與時間的關係。而風電機組經常處於變速工況，尤其低俗端需要採集較長時間的信號，若對長時間採集的振動信號仍然採用頻譜分析，會造成頻譜上峰值能量分散，出現譜線模糊的現象，而階次分析是解決變速工況下振動頻率信號分析較好的方法。階次分析的方法對振動信號進行重新採樣是關鍵之處。從轉速傳感器處可以得到葉輪等角度間隔所對應的時刻t。本章說明了現有主流風力發電機的結構原理，風力機作為複雜設備，應用先進的故障檢測技術進行故障分析和預警是十分必要的。階次分析是通過分析設備振動信號，判斷產生振動的源頭的技術。通過將振動頻譜的信號與旋轉部件的旋轉角度相結合，能夠生成振動信號與旋轉角度的函數關係，從而使振動信號分析更明確。
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第 3 章 主軸故障監測......14
3.1 引言........14
3.2 軸承故障判別基礎.....14
3.3 風力發電機組不平衡的本質..........15
3.4 主軸承故障分析實例........16
3.5 不平衡故障分析實例........19
第 4 章 齒輪箱故障監測.........22
4.1 引言........22
4.2 齒輪箱振源及齒輪失效形式..........22
4.3 齒輪、軸承故障中的信號調製......23
4.4 齒輪箱單點故障信號特徵.......25
4.5 時域分析、頻率分析及包絡分析.........294
4.6 齒輪箱故障分析實例........30
4.6.1 齒輪磨損故障.....30
4.6.2 齒輪箱軸承故障........32
第 5 章 發電機故障監測.........35
5.1 引言........35
5.2 發電機電氣故障.........35
5.3 轉子條故障分析實例........35
5.4 發電機軸承故障實例........38
第 5 章 發電機故障監測
5.1 引言
風力發電機的主要任務是將風能轉換為電能。在風力機的運行過程中，葉輪從獲取能量，通過齒輪箱將扭矩傳遞給發電機，從而實現能量的轉換。工業上風機通常使用異步電機。當異步電機發生故障的時候，輕則影響發電質量，重則損害電機本身，甚至可能發生重大的安全生產事故。為了保證發電機及其相關部件的安全運行，需要對發電機的運行狀態進行安全檢測。隨著“節能減排”政策的大力提倡和實行，風力發電機在大範圍內被廣泛應用。風力發電機在運行過程中轉速是隨風速不斷變化的，因此階次分析技術在風機的發電機故障檢測方面也具有重要的應用。風力機的發電機電氣故障是其常見故障之一，包括定子鬆動，疊片短路等。本章主要通過對電機轉子條的故障闡述階次分析的重要性。一般工頻供電條件下的異步電機轉子條故障診斷方法中，採用最多的是 MCSA故障診斷方法，因為 MCSA 故障診斷方法具有可做成非侵入式，易於與風機控制系統集成的優點，成為目前研究最多，應用最廣泛的方法。MCSA 故障診斷方診斷轉子條鬆動的方法是看轉子銅條通過頻率附近是否存在100Hz 邊頻帶。如果存在轉子銅條鬆動，轉子銅條通過頻率附近將會出現波峰(100Hz)，有時候即便你不知道轉子銅條的數量，如果你看到一個附近兩倍線頻頻帶的高頻振動，基本上就可以判斷有這類故障。
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結 論
本文的研究對象為基於階次譜的風力機故障診斷技術，並進行了試驗驗證。根據世界和我國風電發展的現狀，及風力機故障診斷領域研究現狀，闡明了階次分析技術在風力機故障診斷中的重要性。在對階次分析技術的闡述下，根據風力機不同部件可能發生的故障類型進行了討論並進行了相應的試驗驗證。風力的主軸承部分常見的故障類型為不平衡與軸承故障，齒輪箱主要為齒面故障以及軸承故障，發電機主要的為軸承與電氣故障。通過各部件的頻譜分析以及階次分析的對比，證明階次分析技術在風力機故障診斷領域的重要性。基於上述的工作，本文得出如下的結論：(1)階次分析技術將等時間採樣改變成了等角度採樣，在風力機變速變工況運行過程中，有效的解決了頻譜模糊帶來的故障難以判別的問題，對於風力機的故障類型，故障等級判別具有極大的促進作用(2)在故障診斷過程中階次分析技術一樣具有其局限性，例如在主軸承不平衡的診斷過程中，需要結合頻譜圖甚至包絡譜圖進行故障的診斷。(3)階次分析技術依然不能帶來“完美”的譜圖，同樣存在某些模糊性，在故障診斷過程中需要儘量選取關鍵數據。如齒輪箱故障需要進行滿足額定功率、額定風速的數據，這樣譜圖才最大的可能反應機組的故障特徵。(4)介詞分析技術是根據發電機的轉速從而計算各個位置的階次值，如果在實際的運行過程中，轉速出現異常甚至沒有採集到轉速，則階次頻譜無法使用。這個時候反而頻譜成為有效的故障甄別辦法。
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參考文獻（略）
1.1 課題背景及意義
能源是人類生存和發展的重要物質基礎，人類的衣、食、住、行等方方面面都離不開能源。隨著社會的發展，能源的需求量越來越大，伴隨而來的是日益嚴重的能源危機。根據國際能源機構發布的統計數據，已探明的石油、天然氣和煤炭，其可開採的年限分別為 40 年、60 年和 200 年[1]。BP 公司在 2013 年 1 月發布的《2030世界能源展望》中預測，至 2030 年全世界人口預期達到 83 億，意味著將有 13 億新增世界人口需要新能源。石油、天然氣和煤炭等一次性能源的消費預計每年增長1.6%，到 2030 年全球能源消費量將增加 36%。《BP 世界能源統計年鑑 2013》中指出，2012 年，我國的石油儲量為 173 億桶，占世界總儲量的 1.0%，年產量為 15.2073億桶，消費不足 15 年。我國的天然氣儲量為 31000 億立方米，占世界總儲量的 1.7%，年產量為 1072 億立方米，消費不足 30 年。我國的煤炭儲量為 1145 億噸，占世界儲量的 13.3%，年產量為 18.25 噸，消費不足 70 年。總而言之，傳統能源正在走向枯竭。我國的地域遼闊，但各區域的能源分布不均衡，其中 80%的能源分布在西部和北部，而占總體 60%的消費主體卻在較發達的東南部地區。為了合理配置能源的開採利用，國家提出“北煤南運”、“西煤東運”、“西氣東輸”等政策，但是大規模、長距離的能源運輸也帶來了能源損失以及輸送建設投資成本，從而進一步加大能源的消費[2]。傳統化石能源的開發利用方便了我們的生活，但同時也造成了日益嚴重的環境污染。2013 年 1 月，全國至今已有 30 個省份出現霧霾天氣，為 1961 年以來同期最嚴重。10 月下旬，嚴重霧霾天氣侵襲東北地區，哈爾濱因霧霾強制停課，成為因霧霾導致停課的首個城市。12 月中上旬，在我國中東部地區出現大面積灰霾天氣，上海為降低霧霾進行限產限污，吉林和南京等多地地中小學停課[3]。就是由於利用傳統化石能源產生的。此外，全世界每年向大氣中排放的幾十億甚至幾百億噸 CO2、SO2、粉塵及有害氣體，更加致使生態環境惡化，造成“溫室效應”，氣候異常，海平面上升，自然災害增多等。新能源的開發已經刻不容緩。
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1.2 國內外風電發展現狀
到 2015 年，世界風力發電總裝機容量達 432.4GW。2015 年新增裝機容量 63GW，達歷史最高，風電產業呈現出快速發展的勢頭。2014 年海上風機的新增裝機容量為1.7GW，同比增長 5.77%，累計裝機 8.8GW，繼 2014 年後海上風電增長放緩，主要由於歐洲市場下滑。全球有 100 個國家在使用風力發電產生的電力，冰島成為第一百個國家[6]。圖1-1~3 為全球累計裝機容量、年新增裝機容量及年裝機容量增長率圖，可以從圖中看出全球累計裝機容量持續增長，年新增裝機容量率始終保持在 19%以上。其中 2015年，因總裝機容量較大，增長率為 17.2%。全球風力發電領域主要包括五個市場，即：中國，美國，德國，西班牙和印度。2015 年，這五個國家的總裝機容量為 312.635GW，約為世界總裝機容量的 72.3%，年新增裝機容量 50.488GW，占世界的 80.1%。中國和美國表現尤為突出，其中，中國占到總裝機容量的 33.6%，圖 1-4 給出風電總裝機容量占全球前十的國家。全球的風電產業呈現蓬勃發展的態勢，究其原因，一是傳統的化石能源正在走下枯竭，石油天然氣等價格不斷攀升，以及環境污染等原因促使新能源產業的急速發展。二是各國政府的政策導向。美國支持可再生能源發展已經形成了一攬子政策，其中有法規和約束性指標等管理方面政策，還有抵免稅收、直接補貼和金融支持等激勵方面政策。前者側重於為利用可再生能源發展開創新市場空間，後者則側重於利用可再生能源技術的產業化。以此來調動各方資金利用到可再生能源的積極性。我國新能源政策的基本內容是：堅持“節約優先、立足國內、多元發展、保護環境、科技創新、深化改革、國際合作、改善民生”的能源發展方針，推進能源生產和利用方式變革，構建安全、穩定、經濟、清潔的現代能源產業體系，努力以能源的可持續發展支撐經濟社會的可持續發展。我國的《十二五規劃綱要》提出：到 2015 年為止，中國非化石能源占能源消費比例達到 11.4%，單位生產總值能耗要比 2010 年降低 16%，單位生產總值碳排放要比 2010 年降低 17%，風電呈現一派欣欣向榮的局面[7,8]。據預測，到 2020 年風電將超過核電，成為世界第三大主要能源形勢[9]。
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第 2 章 風力機基本理論及階次分析技術
2.1 風力機的分類及基本結構
風力機經過長時間的發展，已經形成了多種多樣的機型。按風機葉輪主軸安裝方向可分為水平軸風機和垂直軸風機；按照葉輪和主機在風向的相對位置可分為上風向和下風向風機；按偏航的控制模式形式可分為被動偏航與主動偏航；按照風輪槳葉結構可分為定槳距和變槳距風機；按驅動鏈傳動方式可分為有雙饋式風機和直驅型風機；按發電機型式可分為籠式異步發電機、雙饋異步發電機和永磁型同步發電機等。根據風機能否變槳和變速運行，業界將風機分為定槳定速風力機和變槳變速風力機兩大類。本文主要研究帶齒輪箱的變槳變速風力機。
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2.2 階次分析技術
在穩態工況下，通過對振動信號進行頻譜分析，能夠有效地揭示被分析信號整個被分析過程中包含的頻率成分，但無法反映振動信號中頻率與時間的關係。而風電機組經常處於變速工況，尤其低俗端需要採集較長時間的信號，若對長時間採集的振動信號仍然採用頻譜分析，會造成頻譜上峰值能量分散，出現譜線模糊的現象，而階次分析是解決變速工況下振動頻率信號分析較好的方法。階次分析的方法對振動信號進行重新採樣是關鍵之處。從轉速傳感器處可以得到葉輪等角度間隔所對應的時刻t。本章說明了現有主流風力發電機的結構原理，風力機作為複雜設備，應用先進的故障檢測技術進行故障分析和預警是十分必要的。階次分析是通過分析設備振動信號，判斷產生振動的源頭的技術。通過將振動頻譜的信號與旋轉部件的旋轉角度相結合，能夠生成振動信號與旋轉角度的函數關係，從而使振動信號分析更明確。
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第 3 章 主軸故障監測......14
3.1 引言........14
3.2 軸承故障判別基礎.....14
3.3 風力發電機組不平衡的本質..........15
3.4 主軸承故障分析實例........16
3.5 不平衡故障分析實例........19
第 4 章 齒輪箱故障監測.........22
4.1 引言........22
4.2 齒輪箱振源及齒輪失效形式..........22
4.3 齒輪、軸承故障中的信號調製......23
4.4 齒輪箱單點故障信號特徵.......25
4.5 時域分析、頻率分析及包絡分析.........294
4.6 齒輪箱故障分析實例........30
4.6.1 齒輪磨損故障.....30
4.6.2 齒輪箱軸承故障........32
第 5 章 發電機故障監測.........35
5.1 引言........35
5.2 發電機電氣故障.........35
5.3 轉子條故障分析實例........35
5.4 發電機軸承故障實例........38
第 5 章 發電機故障監測
5.1 引言
風力發電機的主要任務是將風能轉換為電能。在風力機的運行過程中，葉輪從獲取能量，通過齒輪箱將扭矩傳遞給發電機，從而實現能量的轉換。工業上風機通常使用異步電機。當異步電機發生故障的時候，輕則影響發電質量，重則損害電機本身，甚至可能發生重大的安全生產事故。為了保證發電機及其相關部件的安全運行，需要對發電機的運行狀態進行安全檢測。隨著“節能減排”政策的大力提倡和實行，風力發電機在大範圍內被廣泛應用。風力發電機在運行過程中轉速是隨風速不斷變化的，因此階次分析技術在風機的發電機故障檢測方面也具有重要的應用。風力機的發電機電氣故障是其常見故障之一，包括定子鬆動，疊片短路等。本章主要通過對電機轉子條的故障闡述階次分析的重要性。一般工頻供電條件下的異步電機轉子條故障診斷方法中，採用最多的是 MCSA故障診斷方法，因為 MCSA 故障診斷方法具有可做成非侵入式，易於與風機控制系統集成的優點，成為目前研究最多，應用最廣泛的方法。MCSA 故障診斷方診斷轉子條鬆動的方法是看轉子銅條通過頻率附近是否存在100Hz 邊頻帶。如果存在轉子銅條鬆動，轉子銅條通過頻率附近將會出現波峰(100Hz)，有時候即便你不知道轉子銅條的數量，如果你看到一個附近兩倍線頻頻帶的高頻振動，基本上就可以判斷有這類故障。
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結 論
本文的研究對象為基於階次譜的風力機故障診斷技術，並進行了試驗驗證。根據世界和我國風電發展的現狀，及風力機故障診斷領域研究現狀，闡明了階次分析技術在風力機故障診斷中的重要性。在對階次分析技術的闡述下，根據風力機不同部件可能發生的故障類型進行了討論並進行了相應的試驗驗證。風力的主軸承部分常見的故障類型為不平衡與軸承故障，齒輪箱主要為齒面故障以及軸承故障，發電機主要的為軸承與電氣故障。通過各部件的頻譜分析以及階次分析的對比，證明階次分析技術在風力機故障診斷領域的重要性。基於上述的工作，本文得出如下的結論：(1)階次分析技術將等時間採樣改變成了等角度採樣，在風力機變速變工況運行過程中，有效的解決了頻譜模糊帶來的故障難以判別的問題，對於風力機的故障類型，故障等級判別具有極大的促進作用(2)在故障診斷過程中階次分析技術一樣具有其局限性，例如在主軸承不平衡的診斷過程中，需要結合頻譜圖甚至包絡譜圖進行故障的診斷。(3)階次分析技術依然不能帶來“完美”的譜圖，同樣存在某些模糊性，在故障診斷過程中需要儘量選取關鍵數據。如齒輪箱故障需要進行滿足額定功率、額定風速的數據，這樣譜圖才最大的可能反應機組的故障特徵。(4)介詞分析技術是根據發電機的轉速從而計算各個位置的階次值，如果在實際的運行過程中，轉速出現異常甚至沒有採集到轉速，則階次頻譜無法使用。這個時候反而頻譜成為有效的故障甄別辦法。
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