過去十余年來，為應(yīng)對化石能源短缺和環(huán)境污染等問題，風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展。自2012年開始，我國風(fēng)電總裝機(jī)容量一直處于世界領(lǐng)先地位，十余萬臺(tái)風(fēng)電機(jī)組矗立在全國各地，源源不斷地向電網(wǎng)注入綠色電力。新形勢下面對氣候變化與二氧化碳排放壓力，我國于2020年提出“30·60”雙碳目標(biāo)，即二氧化碳排放達(dá)到峰值的時(shí)間力爭控制在2030年前，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。風(fēng)能具有清潔、可再生等特點(diǎn)，將成為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的支柱能源之一。
風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)能到電能轉(zhuǎn)換的載體，受隨機(jī)風(fēng)載荷激勵(lì)、極端溫差等惡劣環(huán)境影響，其核心部件，如葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等，故障率較高。由于運(yùn)行于高空，地處風(fēng)資源豐富的偏遠(yuǎn)地區(qū)或海洋，風(fēng)電機(jī)組的檢修維護(hù)存在較大難度。風(fēng)電機(jī)組核心部件的故障會(huì)導(dǎo)致較長的停機(jī)時(shí)間，造成較大的發(fā)電量損失。
振動(dòng)監(jiān)測是發(fā)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)部件故障的有效手段，風(fēng)電機(jī)組這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜、遠(yuǎn)程集群運(yùn)行的設(shè)備對振動(dòng)監(jiān)測的需求更為強(qiáng)烈。結(jié)合風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行規(guī)律，振動(dòng)監(jiān)測、診斷與壽命預(yù)測技術(shù)可以輔助發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組早期故障，探明故障機(jī)理，預(yù)測核心部件的失效時(shí)刻，為風(fēng)電行業(yè)的預(yù)知檢修維護(hù)提供依據(jù)，對于避免更為嚴(yán)重的故障、降低風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)損失具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
然而，由于風(fēng)電機(jī)組自身特點(diǎn)，針對其進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測與精確故障診斷存在挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：①風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈由多組齒輪、軸承等部件組成，低速部件的各故障特征頻率之間、特征頻率與調(diào)制成分之間存在極為接近的情況，難以區(qū)分故障部件；②齒輪箱中各傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)頻率跨度大，高速級的振動(dòng)能量容易掩蓋低速齒輪或軸承的故障特征，低速部件的診斷存在困難；③風(fēng)電機(jī)組是典型的機(jī)電液一體化設(shè)備，運(yùn)行中的電氣特性可能干擾機(jī)械部件的故障特征提取，增加診斷難度；④風(fēng)電機(jī)組處于變速、變載荷運(yùn)行工況，準(zhǔn)確構(gòu)建排除載荷干擾的健康指標(biāo)用于壽命預(yù)測是目前的研究熱點(diǎn)。應(yīng)該講，風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測、故障診斷與壽命預(yù)測的研究涉及振動(dòng)機(jī)理、信號處理、工程優(yōu)化、機(jī)器學(xué)習(xí)等學(xué)科的交叉融合，既依托于學(xué)術(shù)前沿，又具有重要的工程價(jià)值。
目前，基于振動(dòng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（condition monitoring system，CMS）成為主流風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)配置，為本領(lǐng)域的研究提供豐富的數(shù)據(jù)來源，同時(shí)也反映出設(shè)備商與運(yùn)營企業(yè)對風(fēng)電機(jī)組故障診斷與壽命預(yù)測技術(shù)的重視。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十余年的積累，對風(fēng)電行業(yè)擁有了深刻的認(rèn)識，出版本書旨在探討風(fēng)電機(jī)組常見故障機(jī)理，分析不同部件故障特征提取與故障診斷的適用方法，給出核心部件的剩余使用壽命預(yù)測手段，為風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)檢修與預(yù)知維護(hù)提供參考。
得益于華北電力大學(xué)這座培養(yǎng)了眾多電力人才的高等學(xué)校，作者在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的研究與工程實(shí)施進(jìn)展順利，保證了本書內(nèi)容的豐富翔實(shí)。在風(fēng)電機(jī)組故障診斷方面，博士生李狀、張博、碩士生史秉帥、馬海飛等做了較多工作；在壽命預(yù)測方面，博士生黎曦琳、碩士生馬玉峰、張曉龍、黃乙珂等進(jìn)行了多種方法的嘗試，并取得了一些實(shí)際的應(yīng)用效果。感謝龍?jiān)措娏�集團(tuán)股份有限公司的陳鐵、華潤電力風(fēng)能有限公司的張陽陽與邵德偉、北京英華達(dá)電力電子工程科技有限公司的吳仕明與唐詩堯、山東中車風(fēng)電有限公司的劉海晨等為本書的研究所提供的素材及來自現(xiàn)場的眾多反饋驗(yàn)證。
本書各章節(jié)的安排如下：第1章論述了風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)，介紹了多種適用于風(fēng)電機(jī)組不同部件的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，并綜述了傳動(dòng)鏈的故障診斷方法，后提出風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)診斷與預(yù)測中的技術(shù)難點(diǎn)；第2章介紹了風(fēng)電機(jī)組的總體結(jié)構(gòu)、常見的傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)，分析了風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行控制原理，便于讀者對風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行過程具有宏觀的認(rèn)識；第3章是風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測的基礎(chǔ)，內(nèi)容包括傳動(dòng)鏈?zhǔn)�效原因，齒輪與軸承在故障狀態(tài)下的振動(dòng)機(jī)理與故障表征，不同結(jié)構(gòu)風(fēng)電齒輪箱中部件故障特征頻率，分析了風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈離線/在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)及相關(guān)參數(shù)，并介紹了國內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；第4章涵蓋風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈故障特征提取的多種方法，既涉及頻譜、包絡(luò)、倒頻譜等經(jīng)典技術(shù)，也包含應(yīng)對傳動(dòng)鏈診斷難題的相關(guān)算法和提高診斷效率的自適應(yīng)方法；第5章針對風(fēng)電機(jī)組部件眾多、故障多樣的問題，提出了無監(jiān)督學(xué)習(xí)的故障識別方法，在已知故障類別的基礎(chǔ)上識別新類，具有較高的工程價(jià)值；第6章以風(fēng)電機(jī)組中的軸承為對象，探討了軸承的健康指標(biāo)構(gòu)建方法和模型與數(shù)據(jù)結(jié)合的壽命預(yù)測方法，并通過實(shí)際風(fēng)電機(jī)組軸承剩余使用壽命數(shù)據(jù)予以驗(yàn)證。
本書內(nèi)容集中了作者在風(fēng)電機(jī)組故障診斷領(lǐng)域多年的研究成果，分析了大量的現(xiàn)場案例，可以為風(fēng)電場的實(shí)際運(yùn)維決策提供參考，也有助于研究者在本領(lǐng)域內(nèi)新思路、新方法的啟發(fā)。由于作者水平有限，書中難免存在不足之處，敬請讀者批評指正。

滕偉于北京前言