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。

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。

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

前言I
目 录II
第1章 绪 论1
1.1 背景及意义1
1.2 风力发电系统5
1.2.1 典型机组结构5
1.2.2 叶轮7
1.2.3 风力发电机11
1.2.4 机组相关控制策略15
1.3 本章小结17
第2章 双馈风力发电系统建模设计及仿真18
2.1引言18
2.2风力机空气动力学模型18
2.2.1 风力机空气动力学理论18
2.2.2 叶片气动力学20
2.3 机械结构力学模型23
2.3.1 机舱塔座振动模型23
2.3.2 传动链模型26
2.4 双馈风力发电机及其控制模型28
2.4.1 DFIG数学模型28
2.4.2 DFIG机侧变流器控制策略29
2.4.3 DFIG网侧变流器控制模型32
2.5 双馈风电机组仿真模型验证分析34
2.5.1 阶跃风速仿真36
2.5.2无功功率阶跃仿真38
2.6 本章小结39
第3章 永磁风力发电系统建模设计及仿真40
3.1 永磁风力发电系统40
3.2永磁风力发电机及控制模型40
3.2.1 PMSG的数学模型40
3.2.2 PMSG的并网运行控制42
3.3 永磁风电机组仿真模型验证分析49
3.3.1 恒定风速仿真50
3.3.2 阶跃风速下的仿真分析52
3.4 本章小结55
第4章 风电机组实验平台设计56
4.1 引言56
4.2 实验平台设计56
4.2.1 实验平台系统配置56
4.2.2 发电机故障方案设计58
4.3 双馈风力发电机组故障模拟平台简介60
4.3.1 整体结构60
4.3.2 实验结果63
4.4 本章小结65
第5章 等效风速建模及其空间分布66
5.1 引言66
5.2 等效风速建模66
5.2.1 风剪切67
5.2.2 塔影效应68
5.2.3 等效风速模型71
5.3 等效风速的空间分布73
5.3.1 仿真数据73
5.3.2 等效风速空间分布的数值模拟74
5.4 等效风速空间分布的参数影响分析77
5.4.1 叶轮半径R对Weq的影响77
5.4.2 塔筒高度H对Weq的影响79
5.4.3 塔筒半径a对Weq的影响79
5.4.4 悬垂距离x对Weq的影响80
5.4.5 风剪切指数对Weq的影响81
5.4.6 叶片数目n对Weq的影响81
5.5 本章小结84
第6章 风力发电机及叶轮故障诊断研究基础85
6.1引言85
6.2 风力发电机常见故障及机理85
6.3 风力发电机常用故障诊断方法87
6.4基于信号处理的诊断方法90
6.4.1气隙偏心故障90
6.4.2 匝间短路故障90
6.4.3 绕组不对称故障92
6.4.4 轴承故障92
6.4.5退磁故障93
6.5 叶轮故障及诊断研究基础93
6.5.1 叶轮不平衡故障93
6.5.2 叶轮其他故障96
6.6 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97
7.1 引言97
7.2 等效风速模型97
7.2.1 等效风速模型的傅里叶拟合方法98
7.2.2 考虑湍流的等效风速模型100
7.3 双馈发电机定子绕组故障分析102
7.3.1 定子绕组匝间短路故障特征分析103
7.3.2 定子绕组匝间短路故障仿真分析105
7.3.3定子绕组匝间短路故障实验分析111
7.3.4总结与讨论114
7.4 双馈发电机转子绕组故障分析114
7.4.1 转子绕组故障特征分析115
7.4.2 转子绕组故障仿真分析119
7.4.3 实验研究126
7.4.4 总结与讨论128
7.5 双馈发电机气隙偏心故障分析129
7.5.1 气隙偏心故障特性分析129
7.5.2 仿真验证及数据分析133
7.5.3 实验验证及数据分析136
7.5.4 总结与讨论138
7.6 永磁风力发电机故障分析138
7.6.1 等效风速模型与发电机耦合关系分析139
7.6.2 永磁风力发电机绕组不对称故障影响分析140
7.6.3 永磁风力发电机绕组与叶轮复合故障影响分析140
7.6.4 仿真及数据分析142
7.6.5 总结与讨论146
7.7 本章小结147
第8章 叶轮故障下发电机特性分析148
8.1 引言148
8.2 叶轮质量不平衡机理分析148
8.3 质量不平衡故障下双馈风力发电机特性分析151
8.3.1 DFIG工作原理151
8.3.2 发电机定、转子电流分析151
8.4 质量不平衡故障谐波频率提取方法153
8.4.1 MUSIC算法基本原理153
8.4.2 改进MUSIC算法155
8.4.3 MMUSIC算法仿真分析156
8.5 叶轮质量不平衡故障仿真分析157
8.6 质量不平衡实验分析161
8.7 叶轮气动不对称故障163
8.8 叶轮气动不对称机理分析164
8.9 气动不对称故障下双馈风力发电机特性分析166
8.10 气动不对称故障仿真分析167
8.10.1 气动载荷计算167
8.10.2 恒定风速下仿真分析170
8.10.3 随机风速下仿真分析174
8.11 本章小结177
第9章 考虑风速时空分布的叶轮故障分析179
9.1 引言179
9.3 风速时空分布对双馈机组叶轮故障的影响分析179
9.3.1 双馈风力发电机组叶轮故障特征分析180
9.3.2 双馈风力发电机组叶轮故障仿真分析182
9.3.3 风速分布参数的影响分析186
9.4 风速时空分布对永磁机组叶轮故障的影响分析189
9.4.1 永磁风力发电机组叶轮故障特征分析189
9.4.2 永磁风力发电机组叶轮故障仿真分析191
9.4.3 不同叶轮不平衡程度仿真192
9.4.4 风速分布参数的影响分析193
9.5 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197
10.1 引言197
10.2 基本理论198
10.3 仿真平台和方法199
10.4 仿真结果分析204
10.5 故障特征影响分析209
10.6 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211
11.1 引言211
11.2 最大风能追踪控制211
11.2.1 风力发电机组运行区域211
11.2.2 最大风能追踪控制原理212
11.2.3最佳功率-转速曲线MPPT控制的两种模式214
11.3 最佳功率-