风力发电是国家能源安全的重要保障。作为极具开发前景的可再生能源，风能开发在我国得到高速发展。国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》，到2025年和2030年，非化石能源消费比重将分别达到20%与25%左右；行动方案提出，全面推进风电、太阳能发电大规模开发和高质量发展，坚持陆海并重，推动风电协调快速发展，完善海上风电产业链，鼓励建设海上风电基地。到2030年，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。风力发电是国家能源安全的重要保障。作为极具开发前景的可再生能源，风能开发近几年在我国得到高速发展。风电装备大型化的发展趋势，如12MW风电叶片长达100余米，重30多吨。大尺度导致零部件变形和载荷不均匀度增加，加之阵风、起停、低电压穿越等产生的瞬时极端载荷高达设计载荷的3倍，导致传动系统接触界面稳定性恶化，损伤更易发生，故障导致的停机时间已占设计机时的25.6%；风场一般位于空旷的野外或海上，数百吨的动力传动系统处于百米高的塔架上，维护费用高达风电装备总收入的20-25%。因此亟需开展风电机组、复合材料叶片的状态监测与故障诊断研究。
风电机组故障诊断与复材损伤检测 - 陈 雪峰
(1) 风电增速传动系统健康监测与诊断
针对增速传动系统联轴器不对中、轴承损伤、齿轮微点蚀等典型故障，振动传递路径复杂、故障响应信号微弱等特点，揭示振动传递规律，优化传感器配置；研究早期损伤微弱信号特征增强识别与变速运行非平稳信号特征提取理论，提出级联发生或同时发生的复合故障解耦与特征分离方法，实现传动系统健康监测。(图1，2)
图1 风电增速齿轮箱模拟试验台
图2 SQI行星传动试验台
(2) 大型复合材料
针对大型复合材料叶片分层、脱粘、断裂等损伤，其破坏形式复杂、诊断困难的特点，研究通用单胞模型多尺度建模方法、损伤检测方法及损伤弹性波传播机理，分析其多模式混叠现象，揭示不同损伤弹性波响应特征，建立损伤深度位置的定量诊断方法；研究基于植入式光纤复合材料叶片损伤智能监测方法，实现风电装备叶片设计与监测一体化。（图3，4）
图3 复合材料压电晶体测试系统及应力波
图4 复合材料光纤光栅测试系统
(3) 风电装备减载与安全运行优化控制
针对非稳态强输入风载、电压波动对传动系统的大幅反向冲击等问题，探索冲击载荷在传动系统的再分配机制，研究风电装备转矩控制与变桨控制的相互作用稳定性机理与最佳协调控制方法，研究风电装备超容工况下的减载优化控制方法，实现风电装备减载安全运行。
项目：国家自然科学基金重点项目“大型风电装备故障机理分析与诊断”，总经费320万元
国家自然科学基金“复合材料结构全信息健康监测方法研究”
国家自然科学基金创新群体“机械装备诊断基础研究”
合作单位：清华大学、国电、东汽、张北风场等
论文：
(1) Li J, Chen X, Du Z, et al. A new noise-controlled second-order enhanced stochastic resonance method with its application in wind turbine drivetrain fault diagnosis[J]. Renewable Energy, 2013, 60: 7-19.
(2)Xuefeng Chen, Zhibo Yang, Xingwu Zhang, Zhengjia He. Modeling of wave propagation in one-dimension structures using B-spline wavelet on interval finite element. Finite Elements in Analysis and Design, 2012,51:1-9.
(3) 陈雪峰, 李继猛, 程航, 等. 风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究与进展[J]. 机械工程学报, 2011, 47(9): 45-52.
(4) 陈雪峰，郭艳婕. 风电装备振动监测与诊断，科学出版社，2016.
(5) Yinghong Li, Xuefeng Chen, Jin Zhou, et al. A review of high-velocity impact on fiber-reinforced textile composites: Potential for aero engine applications. International Journal of Mechanical System Dynamics. 2022;2(1):50-64.
(创新港)
