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“十四五规划”中强调大力提升风电、光伏发电等新能源规模，争取非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右，风力发电亦成为我国实现“碳中和”目标的重要支撑。大容量陆上风机以及离岸距离远的海上风电机组具有故障率高、故障维修困难、故障停运损失大等特点，成本控制下的效益驱使使得整个风电行业重视风场的健康管理和风机的安全运维，因此高效、稳定、准确的故障监测和诊断方法成为风电技术领域国内外关注的重要课题。本书对于从事风力发电相关开发及研究的广大高校师生，特别是故障诊断技术领域内学习的研究生有一定的帮助。对于从事风力发电产品的生产设计、监测和运维管理的研究人员、工程技术人员，也是有重要的学习和参考借鉴意义。
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本书以风力发电机和叶轮为研究对象，详细介绍了双馈风力发电系统和永磁风力发电系统的基本理论、仿真模型和实验平台的构建方法、风力发电机和叶轮故障诊断的研究基础、机组大型化发展趋势下风速时空分布模型的建立和仿真、考虑风速时空分布的叶轮故障影响分析、考虑风速时空分布的风力发电机常见机电故障（如匝间短路、气隙偏心故障等）影响分析、海上风浪耦合下的风电机组故障诊断技术和考虑机组控制策略的风电机组故障诊断技术等，本书内容在一定程度上完善了大型风力发电机组的故障诊断理论体系。本书对于从事风力发电相关开发及研究的广大高校师生，特别是风电机组设计、故障诊断技术领域内学习的研究生有一定的帮助；对于从事风力发电产品的生产设计、监测和运维管理的研究人员、工程技术人员，也有重要的学习和参考价值。
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前言I目 录II第1章 绪 论11.1 背景及意义11.2 风力发电系统51.2.1 典型机组结构51.2.2 叶轮71.2.3 风力发电机111.2.4 机组相关控制策略151.3 本章小结17第2章 双馈风力发电系统建模设计及仿真182.1引言182.2风力机空气动力学模型182.2.1 风力机空气动力学理论182.2.2 叶片气动力学202.3 机械结构力学模型232.3.1 机舱塔座振动模型232.3.2 传动链模型262.4 双馈风力发电机及其控制模型282.4.1 DFIG数学模型282.4.2 DFIG机侧变流器控制策略292.4.3 DFIG网侧变流器控制模型322.5 双馈风电机组仿真模型验证分析342.5.1 阶跃风速仿真362.5.2无功功率阶跃仿真382.6 本章小结39第3章 永磁风力发电系统建模设计及仿真403.1 永磁风力发电系统403.2永磁风力发电机及控制模型403.2.1 PMSG的数学模型403.2.2 PMSG的并网运行控制423.3 永磁风电机组仿真模型验证分析493.3.1 恒定风速仿真503.3.2 阶跃风速下的仿真分析523.4 本章小结55第4章 风电机组实验平台设计564.1 引言564.2 实验平台设计564.2.1 实验平台系统配置564.2.2 发电机故障方案设计584.3 双馈风力发电机组故障模拟平台简介604.3.1 整体结构604.3.2 实验结果634.4 本章小结65第5章 等效风速建模及其空间分布665.1 引言665.2 等效风速建模665.2.1 风剪切675.2.2 塔影效应685.2.3 等效风速模型715.3 等效风速的空间分布735.3.1 仿真数据735.3.2 等效风速空间分布的数值模拟745.4 等效风速空间分布的参数影响分析775.4.1 叶轮半径R对Weq的影响775.4.2 塔筒高度H对Weq的影响795.4.3 塔筒半径a对Weq的影响795.4.4 悬垂距离x对Weq的影响805.4.5 风剪切指数α对Weq的影响815.4.6 叶片数目n对Weq的影响815.5 本章小结84第6章 风力发电机及叶轮故障诊断研究基础856.1引言856.2 风力发电机常见故障及机理856.3 风力发电机常用故障诊断方法876.4基于信号处理的诊断方法906.4.1气隙偏心故障906.4.2 匝间短路故障906.4.3 绕组不对称故障926.4.4 轴承故障926.4.5退磁故障936.5 叶轮故障及诊断研究基础936.5.1 叶轮不平衡故障936.5.2 叶轮其他故障966.6 本章小结96第7章 考虑风速时空分布的风力发电机故障分析977.1 引言977.2 等效风速模型977.2.1 等效风速模型的傅里叶拟合方法987.2.2 考虑湍流的等效风速模型1007.3 双馈发电机定子绕组故障分析1027.3.1 定子绕组匝间短路故障特征分析1037.3.2 定子绕组匝间短路故障仿真分析1057.3.3定子绕组匝间短路故障实验分析1117.3.4总结与讨论1147.4 双馈发电机转子绕组故障分析1147.4.1 转子绕组故障特征分析1157.4.2 转子绕组故障仿真分析1197.4.3 实验研究1267.4.4 总结与讨论1287.5 双馈发电机气隙偏心故障分析1297.5.1 气隙偏心故障特性分析1297.5.2 仿真验证及数据分析1337.5.3 实验验证及数据分析1367.5.4 总结与讨论1387.6 永磁风力发电机故障分析1387.6.1 等效风速模型与发电机耦合关系分析1397.6.2 永磁风力发电机绕组不对称故障影响分析1407.6.3 永磁风力发电机绕组与叶轮复合故障影响分析1407.6.4 仿真及数据分析1427.6.5 总结与讨论1467.7 本章小结147第8章 叶轮故障下发电机特性分析1488.1 引言1488.2 叶轮质量不平衡机理分析1488.3 质量不平衡故障下双馈风力发电机特性分析1518.3.1 DFIG工作原理1518.3.2 发电机定、转子电流分析1518.4 质量不平衡故障谐波频率提取方法1538.4.1 MUSIC算法基本原理1538.4.2 改进MUSIC算法1558.4.3 MMUSIC算法仿真分析1568.5 叶轮质量不平衡故障仿真分析1578.6 质量不平衡实验分析1618.7 叶轮气动不对称故障1638.8 叶轮气动不对称机理分析1648.9 气动不对称故障下双馈风力发电机特性分析1668.10 气动不对称故障仿真分析1678.10.1 气动载荷计算1678.10.2 恒定风速下仿真分析1708.10.3 随机风速下仿真分析1748.11 本章小结177第9章 考虑风速时空分布的叶轮故障分析1799.1 引言1799.3 风速时空分布对双馈机组叶轮故障的影响分析1799.3.1 双馈风力发电机组叶轮故障特征分析1809.3.2 双馈风力发电机组叶轮故障仿真分析1829.3.3 风速分布参数的影响分析1869.4 风速时空分布对永磁机组叶轮故障的影响分析1899.4.1 永磁风力发电机组叶轮故障特征分析1899.4.2 永磁风力发电机组叶轮故障仿真分析1919.4.3 不同叶轮不平衡程度仿真1929.4.4 风速分布参数的影响分析1939.5 本章小结196第10章 海上风电机组风浪耦合下的气动特性及故障影响分析19710.1 引言19710.2 基本理论19810.3 仿真平台和方法19910.4 仿真结果分析20410.5 故障特征影响分析20910.6 本章小结210第11章 控制策略对故障特征影响及谐波抑制研究21111.1 引言21111.2 最大风能追踪控制21111.2.1 风力发电机组运行区域21111.2.2 最大风能追踪控制原理21211.2.3最佳功率-转速曲线MPPT控制的两种模式21411.3 最佳功率-
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前言 “十四五”规划中强调大力提升风电、光伏发电等新能源规模，争取非化石能源占能源消费总量比重提高到20%左右，风力发电已成为我国实现“碳中和”目标的重要支撑。大容量陆上风机以及离岸距离远的海上风电机组具有故障率高、故障维修困难、故障停运损失大等特点，成本控制下的效益驱使使得整个风电行业重视风场的健康管理和风机的安全运维，因此高效、稳定、精确的故障监测和诊断方法成为风电技术领域国内外关注的重要课题。 随着风机大型化发展，尤其是海上风机，塔筒高度和叶片长度不断增加，叶片和传动系统的柔性也不断提升，这使得叶轮扫掠面内各点的风速差异及变化增大。这些因素不仅影响了风机气动载荷还会造成电力系统波动等影响。但是，当前较少有文献研究风速时空分布参数（包括风剪切、塔影效应等）等因素对机组故障特征的影响。本书针对当前风力发电机组，尤其是海上风电机组，不断大型化发展趋势，从叶轮扫掠面内的风速变化差异及其对机组载荷的影响出发，重点分析考虑风速时空分布参数影响的叶轮和风力发电机故障特征分析及故障诊断方法，旨在建立健全风力发电机组完善的故障诊断理论体系，为风机安全、稳定运行提供一定理论基础。 本书共计11章，第2、3章分别论述了双馈风力发电系统和永磁风力发电系统的基本理论、建模及仿真方法；第4-11章重点论述了风力发电机和叶轮故障诊断技术，其中第4章风力发电机组实验平台设计，第5章等效风速建模及其空间分布，第6章风力发电机及叶轮故障诊断研究基础，第7章风力发电机故障诊断技术，第8-9章叶轮质量不平衡、气动不对称故障诊断技术，第10章海上风浪耦合下的风电机组故障诊断技术，第11章考虑不同控制策略的风电机组故障诊断技术。 本书对于从事风力发电相关开发及研究的广大高校师生，特别是风电机组设计、故障诊断技术领域内学习的研究生有一定的帮助。对于从事风力发电产品的生产设计、监测和运维管理的研究人员、工程技术人员，也有重要的学习和参考借鉴意义。由于编者水平所限，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请广大读者批评指正。 作者
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