可再生能源发电技术课后习题供参习.docx

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可再生能源发电技术课后习题供参习

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袇

蚅第2章风力发电课后习题

袂2-1简述风的形成原因和不同级别风的特点。

莀答：

风是空气流动的结果。

地球表面被厚厚一层称为大气层的空气所包围，由于密度不同或气压不同造成空气对流运动，水平运动的空气就是风，空气流动形成的动能称为风能。

芈空气流动主要受到大气环流、季风环流和局部环流的共同影响。

不同风力等级的特点见P19页的蒲福风力等级。

莇

羅2-2常用的描述风能的参数有哪些？

莀答：

风速、风向、风频、风能以及风能的利用系数等等。

虿风速：

风强度的表示方法。

指单位时间内风的水平移动距离，从时间上看有瞬时风速和平均风速，用风速仪测量。

螄风向：

风吹来的方向，一般用风向仪来测风向。

蚄风频：

风向出现的频率。

蒀风能：

指风所具有的能量、动能，常用风压风功率等来表示。

肀风能利用系数：

表示风力机所捕获的功率与风功率之比，计算公式为Cp=P/Pair，它是一个小于1的系数。

蒆

蒂2-3试计算表2-2所列不同风速及面积上的风功率，以kW表示。

ρ=1.0kg/m3。

薀风功率

，已知：

半径r、ρ、速度v

蒀表2-2

羄

蒅

直径m

蚀

薇风速m/s功率kW

蚆5

芄10

螀50

羈100

莈5

肃1.23

衿4.91

荿122.72

袆490.87

袂15

罿33.13

螀132.54

薈3313.4

袅13254

罿25

羇153.4

肆613.59

蚄15340

聿61359

莈

螈

莃2-4以10m高度为基准，试分别计算20m和50m高度的风速增长系数，在指数公式中取α=0.14。

蒃答：

风速随高度变化的经验公式很多，通常采用以下指数公式，

，

蝿教材P21式（2-4）。

V为高度h处的风速，单位为m/s；v0为高度h0处的风速，单位为m/s，一般取10m；α为经验指数，本题中取α=0.14，（在开阔、平坦、稳定度正常的地区）。

膅风速增长系数为（h/h0）^α

蒆20m高度的风速增长速度为（20/10）^0.14=1.102

薃50m高度的风速增长速度为（50/10）^0.14=1.253

腿

袇2-5设风分别以5m/s和15m/s各吹1h（1小时），取空气密度ρ=1.0kg/m3。

膄试计算：

（1）2h（2小时）内的平均风速是多少？

（2）平均风功率密度是多少?

蚃答：

平均风速为：

=（5+15）/2=10m/s

薀平均风功率密度为：

=

（1×53+1×153）=875w

莅或表示为：

其中n为风吹的时间，

羃平均风功率密度

=

=

（1×53+1×153）=875w

蚃

蚇

2-6根据图2-66所示，设风速为20m/s，

肇试计算下列条件下风力机的功率：

螂

（1）风力机转速为160r/min（曲线A）；

螂

（2）风力机运行在最大风能利用系数曲线上（曲线B）；

肈（3）风力机运行于600N·m的恒转矩曲线上（曲线C）；

薅（4）设风力机的额定风速未12.5m/s（图中曲线A、B、C的交点），试问该风力机的额定转矩、额定功率和额定转速各是多少？

螅答：

首先求

（1）

（2）（3）问题的风力机功率，然后求（4）问题（额定工况点）的转矩、功率、转速，称为额定转矩、额定功率、额定转速。

袂转速与角速度关系

，（n的单位r/min，除以60为每秒单位），有

，

葿功率

（1）

（2）芇风力机转速为160r/min（曲线A），点

（1）由图中插值：

风力机转速约为160r/min，转矩约为1500N·m，功率：

薄

=2×3.1416×1500×160/60=25133w

羂

（2）风力机运行在最大风能利用系数（曲线B），点

（2）由图中插值：

风力机转速约为240r/min时，转矩约为1400N·m，功率：

袀

=2×3.1416×1400×240/60=35186w

蚅（3）风力机运行于600N·m的恒转矩曲线上（曲线C），点（3）由图中插值：

风力机转速约为375r/min时，转矩约为600N·m，功率：

芃

=2×3.1416×600×375/60=23562w

肂（4）风力机运行于额定工况点（4），由图中插值：

额定转矩为600Nm，额定转速为160r/min，额定功率由下式求得：

肇

=2×3.1416×600×160/60=10053w。

蒇

肂

膂

蒈

袄2-7什么是贝兹极限？

其值是多少？

肅答：

贝兹理论是风力发电中关于风能利用效率的一条基本的理论。

贝兹理论：

理想情况下风能所能转换成电能的极限比值为16/27约为59.3%。

它由德国物理学家AlbertBetz于1919年提出。

膂2-8什么是风力机的失速？

袈答：

对于定速定桨距风力机，桨叶的桨距角β是固定不变的。

它利用叶片的气动特性，使其在高风速时产生失速来限制风力机功率。

当风速增大时，桨距角β不变，攻角α增大。

一旦攻角大于临界值，则叶片上侧气流分离，形成阻力，对应的阻力系数CD增大，而升力系数CL有所减小。

升力FL和阻力FD的改变，导致作用在叶片上的轴向推力FT增加，切向旋转力FR略有减小，结果是气动力矩和功率减小，称之为失速。

（P30、图2-20）、或用（P27、图2-15升力系数CL、阻力系数CD突然下降，失速时，升阻比CL/CD突然下降。

）

薆

袃2-9风力机分别运行在恒叶尖速比和恒转速，试说明其性能有何不同？

节答：

叶尖速比

，式中

为角速度、

R为风机半径。

风力机运行在恒叶尖速比时，即λ恒为常数，当风机风速变化的时候，风力机转速需随之变化，保证两者比值恒定，一般适用于风速小于额定风速的时候。

艿风力机运行在恒转速时，不管风速怎么变化，在到达额定功率以前，风力发电机组的转速要保持恒定。

风速大于额定风速时，通过主动失速或者变桨距调节，限制风轮从风中吸收风能，而使发电机保持恒定的输出功率。

肄2-10设风力机的叶尖速比λ=7时有最大风能利用系数Cpmax，试计算直径分别为5m、10m、50m和100m的风力机在风速为10m/s、20m/s和25m/s时的转子转速应为多少？

蚂答：

叶尖速比

，

，故转子转速为n=λ

/2R

。

注意这里R为半径。

莂

直径

蚀风速转速

螆5m

蚅10m

蒁50m

螇100m

蒈10m/s

蒄4.46

薁2.22

膈0.44

羆0.22

芃20m/s

蚁8.92

蕿4.46

蚈0.90

羂0.44

螁25m/s

羀11.14

肆5.58

肅1.12

螁0.56

肇

袇2-11设某风力机具有以下参数：

额定功率为1000KW，额定风速为13m/s，塔高为60m，轮毂半径为1.5m，转子半径为30m，叶尖速比λ=6.3。

试计算：

螃

（1）在额定风速下叶尖和叶根的运动速度分别是多少？

（2）额定转矩是多少？

袁答：

（1）由λ=RΩ/V，得到旋转角速度Ω=λV/R=2.73，则叶尖运动速度为ΩR=81.9m/s，

薇叶根运动速度为ΩR=2.73*1.5=4.1m/s。

芅

（2）由P=TΩ，得到额定转矩T=P/Ω=366300Nm。

薂

羁2-12根据功率调节方式不同，风力机有哪几种主要类别？

主动失速型风力机与变浆风力机有何异同？

（P30-31）

羈答：

风力机有三种调节方式：

失速、主动失速和变桨距控制。

羇失速：

桨距角β不变，风速增大攻角α增大，叶片上侧气流分离，阻力系数增大，轴向推力FT增大，切向旋转力FR减小，气动力矩减小和功率减小，称之为失速控制。

薅主动失速：

就是在风速达到额定风速及以上时，通过人为地减小桨距角β，攻角α快速增加，使风力机加深失速，达到快速调节风力机功率的目的。

优点是：

功率调节性能好，控制简单（相对于后面的变桨距控制）；缺点是：

作用在转子水平面上的轴向推力FT增大，风力机气动载荷加重。

肁变桨距：

当风速大于额定风速后，可通过变桨距机构使叶片绕其轴线旋转，增大叶素弦线与旋转平面的夹角也就是桨距角β，减小攻角α，使风力机功率不变，此时升力系数减小，而阻力系数仍然维持在较小数值。

因此可以认为，控制器通过调节升力FT，使旋转切向力FR维持不变，从而保持了风力机的功率不变。

并由图2-22，作用在转子平面上的轴向推力FT减小。

因此，变桨控制不仅可控制风力机的功率恒定，而且可减小风力机的气动载荷。

优点：

功率调节性能好，气动载荷小；缺点：

需要复杂的控制机构，增加了风力发电系统的复杂性。

荿两者的差异：

调节方向不同；调节频率不同；轴向推力变化规律不同。

（P32的1）2）3））

蒅

莄2-13频率为50Hz的4极（2对）笼型异步电机，其运行转速范围是多少？

而对于双馈异步电机，则其运行转速范围又是多少？

为什么会不同？

膀

螀答:

鼠笼异步发电机旋转磁场：

n1=60f1/p=50×60/2=1500（P33式2-18及2-19）

膇取转差率最大为

5%，

膃即

，

芀由

，得到

，化简得：

袇

蚅得到最大的n=1575最小n=1425

袂

莀双馈异步发电机：

n1=60f1/p=50×60/2=1500转差率最大为30%

芈双馈异步发电机

（P37最大转差率约为0.3）

莇由

，得到

，化简得：

羅

莀得到最大的n=1950最小n=1050

蚀

螅2-14什么叫风力发电机变速恒频运行？

那些发电机属于变速恒频风力发电机？

蚅答：

风力发电机运行时，由于风速的变化是随机的，因此要求发电机在风速变化时，保持恒定的输出频率。

双馈异步发电机、低速永磁同步发电机、无刷双馈发电机都属于变速恒频的发电机。

蒁

肁2-15试比较双馈异步发电机和永磁同步风力发电机各有什么特点？

蒇答：

双馈异步发电机：

能连续变速运行；功率变换器容量较小，成本低；输出功率平滑，功率因数较高，电能质量较好，并网简单，无冲击电流；有电刷与集电环，存在机械磨损，可靠性较低；转子绕组中的功率双向流动，功率变换器结构及控制较为复杂；需要齿轮箱增速，可靠性较低。

蒃永磁同步发电机：

没有增速齿轮箱或者采用一级增速齿轮箱，提高了可靠性；发电机与电网完全解耦；外形呈扁平的盘形；采用分数槽绕组；体积大。

薁

蒁2-16变速风力发电机组什么优点？

什么是变速风力发电机组的最大功率点跟踪控制？

羅答：

优点：

变速风力发电机能够根据风速的变化，在低风速时，保持最佳叶尖速比，实现最大功率点跟踪；当风速大于额定风速时，利用变桨技术可将输出功率稳定地控制在额定功率。

蒆最大功率点跟踪：

就是在风速小于额定风速时，采用适当的控制方法，使风力发电机保持有最佳的叶尖速比，有最大的风能利用系数。

蚁

薈2-17根据风速不同，变速风力发电机组有哪几个运行区间？

最大功率跟踪控制适用于哪个区间？

蚇答：

启动状态：

发电机转速从静止上升到切入风速。

此时，发电机没有工作，不需要控制

芅Cp恒定区：

也称变速运行区。

风力发电机组切入电网后运行在额定风速以下的区域。

在此区间，随着风速的变化，调整风力机转速，使叶尖速比保持最佳值，对应的风能利用系数等于最大值。

此区间适合用最大功率点跟踪控制。

螁转速恒定区：

由于受到旋转部件机械强度的限制，风力发电机组的转速有一个极限，在达到额定功率以前，风力发电机组的转速保持恒定。

罿功率恒定区：

风速高于额定风速时，风力发电机组受到机械和电气极限的制约，转速和功率维持在额定值，因此，该状态运行区域称为功率恒定区。

荿切出区：

当风速大于切出风速时，为保证风力发电机组的安全，需对机组进行制动减速，直至切出。

肄

袀2-18当风速大于额定风速时，如何控制风力发电机组的功率？

此时风能利用系数Cp随着风速的增大如何变化。

莀答：

风速大于额定风速时，可通过增大桨距角使Cp减小，降低转速，使叶尖速比减小，达到降低Cp的目的。

此时Cp随着风速的增大而减小。

袇

螃2-19什么是风力发电机的偏航？

偏航系统主要有哪些类型？

答：

风速的大小和风的方向随着时间不断变化，为保证风力机稳定工作，必须有一种装置使风力机随风向变化自动绕塔架中心线旋转，保持风力机与风向始终垂直，这桩装置叫做偏航系统，也叫迎风装置

偏航系统可以分为被动偏航系统和主动偏航系统。

小型风力机一般采用被动偏航系统，安装尾舵自然对风。

大型风力发电系统一般采用液压伺服机构或者齿轮构成的电机伺服机构来时风力机对风。

2-20什么是同步变浆？

什么是独立变浆？

各有什么优缺点？

答：

同步变桨：

在大型风力机中，一个风轮上的叶片的桨距角同步变化，即叶片的桨距角同时增大或同时减小。

任何时候他们的桨距角都相同。

独立变桨：

在传统的同步变桨距的基础上，给每个叶片叠加一个独立的浆距信号，使三个叶片具有不同的桨距角从而有不同的空气动力学特性，以补偿风的不均匀性引起的俯仰载荷和偏航载荷等。

2-21风力发电机组的单机容量为什么越来越大？

答：

风力发电机装机容量越来越大的原因：

增加风力机组发电量，减少对常规能源的依赖；降低风力发电机组的成本。

2-22与路上风电相比，海上风电有什么优缺点？

答：

海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，风速大且稳定，利用小时数较大。

同容量装机，海上比路上成本增加60%，电量增加50%以上。

2-23什么是风力发电机组的低电压穿越？

我国风力发电机组的低电压穿越的要求是什么？

答：

低电压穿越：

指由于电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风力发电机组能够不间断并网运行，并向电网提供一定无功功率，支持电网电压恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间。

我国的要求：

1.风力发电机组应具有在并网点电压跌至20%额定电压时能搞维持并网运行625ms的低电压穿越能力（P62）

2.风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风力发电机组应具有不间断并网运行的能力

3.在电网故障期间没有切出的风力发电机组，在故障清除后其有功功率应至少10%额定功率每秒的功率变化率恢复至故障前的状态。

2-24当风力发电机组的并网店电压跌落时，对双馈异步风力发电机组将产生什么影响？

在双馈异步风力发电机组和低速永磁风力发电机组中，哪一个低电压穿越能力更好？

答：

对于双馈异步电机，当并网点电压突然跌落时，导致定子电流增大；又由于故障瞬间磁链不能突变，定子磁链中将出现直流分量，在转子中感应出较大的电动势并产生较大的转子电流，导致转子电路中电压和电流大幅度增加。

定子、转子电流的大幅波动，会造成DFIG电磁转矩的剧烈变化，对风力机、齿轮箱等机械部件构成冲击，影响风力发电机组的运行和寿命。

永磁同步发电机：

电网点检的瞬间降落会导致输出功率的减小，二发电机的输出功率瞬时不变，导致直流母线电压上升，威胁到电力电子器件的安全。

永磁同步发电机的低电压穿越实现比双馈异步发电机的容易，因电网电压跌落时，发电机仍可以保持很好的电磁控制。

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