可再生能源发电技术课后习题

1、第2章风力发电课后习题2-1简述风的形成原因和不同级别风的特点。答：风是空气流动的结果。地球表而被厚厚一层称为大气层的空气所包用，由于密度不同或 （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。 空气流动主要受到人气环流、季风环流和局部坏流的共同影响。不同风力等级的特点见 P19页的蒲福风力等级。2-2常用的描述风能的参数有哪些？答：风速、风向、风频、风能以及风能的利用系数等等。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。风向：风吹来的方向，一般用风向仪来测风向。风频：风向出现的频率。风能：指风所具有的能量、

2、动能，常用风压风功率等来表示。风能利用系数：表示风力机所捕获的功率与风功率Z比，计算公式为cp=p/p.ir,它是一 个小于1的系数。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。p =1.0kg/m3 风功率P = ipAv3 = p-Tl V ,已知：半径r、p、速度v表2-2直径m风速kW5105010051.234.91122.72490.871533.13132.543313.41325425153.4613.5915340613592-4以10m 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 Q =0.14.答：风速随高度变化的经验公式很务

3、，通常采用以卜指数公式，v = v0 （力0）,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： a为经验指数，本题中取a =0.14,（在开阔、平坦、稳定度正常 的地区）。风速増长系数为（h/hd Aa20m高度的风速增长速度为（20/10）914=1.10250m高度的风速増长速度为（50/10）914=1.2532-5设风分别以5m/s和15m/s各吹lh （1小时），取空气密度p =1.0kg/m试计算：（l）2h （2小时）内的平均风速是多少？ （2）平均风功率密度是多少？答：平均风速为：V = （5+15）/2=

4、10m/s2平均风功率密度为：P = P盟農（1X53+1X153） =875w或表示为：其中n为风吹的时间，平均风功率密度p氓器ip说二磊（1X53+1X153） =875w 2-6根据图2-66所示，设风速为2Om/s,试计算卜列条件卜风力机的功率:（1）风力机转速为160r/min （曲线A）：（2）风力机运行在最人风能利用系数曲线上（曲线B）；（3）风力机运行于600Nm的恒转矩曲线上（曲线C）：（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？答：首先求（1）（2） （3）问题的风力机功率，然后求（4）

5、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。转速与角速度关系G = 2/m, （n的单位r/min,除以 60为每秒单位），有Q = 2Trn/60,功率 P=TQ=2#Tn/60（1）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1500Nm,功率：P = TQ = 2#Tn / 60=2X3.1416X1500X160/60=25133w 风力机运行在最人风能利用系数（曲线B）,点（2）由图中插值：风力机转速约为 240r/min时，转矩约为1400Nm,功率：P=TQ=2#Tn/60=2X3.1416

6、X1400X240/60=35186w 风力机运行于600N - m的恒转矩曲线上（曲线C）,点（3）由图屮插值：风力机转 速约为375r/min时，转矩约为600Nm,功率：P=TQ= 2#Tn/60 =2 X 3.1416 X 600 X 375/60=23562w（4）风力机运行于额定工况点（4）,由图屮插值：额定转矩为600Nm,额定转速为 1601/miii ,额定功率由下式求得：P=TQ=2#Tn/60 =2X3.1416X600X 160/60=10053w 2-7什么是贝兹极限？其值是多少?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 卜风能所能

7、转换成电能的极限比值为16/27约为59 3%o它由德国物理学家Albeit Betz T 1919年提出。2-8什么是风力机的失速？答：对丁定速定桨距风力机，桨叶的桨距角B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。为风速增人时，桨距角B不变，攻角Q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6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215升力系数Cl、阻力系数Cd突然卞降

8、，失速时，升阻比CL/CD突然下降。）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？答：叶尖速比入=RQ/u,式中Q为角速度、U为风速、R为风机半径。风力机运行在恒 叶尖速比时，即入恒为常数，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。凤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。2-10设风力机的叶尖速比入=7时有最大风能利用系数试计算EL径分别为5m.10m.50m和10

9、0m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？答：叶尖速比入=RO/v, Q=2n,故转子转速为z入v /2Rm注意这里R为半径。风翅、速5m10m50m100m10 m/s4.462.220.440.2220 m/s8.924.460.900.4425 m/s11.145.581.120.562-11设某风力机貝启以卜参数：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,叶尖速比入=6.3。试计算：（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？答:由X=RQ/V，得到旋转角速度Q=A

10、V/R=2.73,则叶尖运动速度为QR=81 9m/s , 叶根运动速度为QR=2.73*1.5=4.1 m/So（2）由 P二TQ,得到额定转矩 T=P/Q=366300Nmo2-12根据功率调节方式不同，风力机有哪儿种主要类别？主动失速型风力机与变浆风力机 有何异同？（P30-31）答：风力机有三种调节方式：失速、主动失速和变桨距控制。失速：桨距角卩不变，风速增大攻角Q增大，叶片上侧气流分离，阻力系数增大，轴向 推力Ft增人，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。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B，攻角a快速 增加，使风力机加深失速，达到

11、快速调节风力机功率的目的。优点足：功率调节性能好， 控制简单（相対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斤増 大，风力机气动载荷加重。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，増人叶索弦 线与旋转平而的夹角也就是桨距角B，减小攻角C1 ,使风力机功率不变，此时升力系数 减小，而阴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11对减小 风力机的气动载荷。优点：功率调节性能好，气动载

12、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。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） 2-13频率为50Hz的4极（2对）笼型异步电机，英运行转速范用是多少？而对于双馈异步 电机，则其运行转速范用又是多少？为什么会不同？答:鼠笼异步发电机旋转磁场：nl=60fl/p=50X60/2=1500 （P33式2-18及2-19） 取转差率最大为5% ,I】=心干卜斗| = 1500年|5%x 1500（得到最人的n=1575最小n=1425双馈异步发电机：nl=60fl/p=50X60/2=1500转差率瑕人为30% 双馈异步发电机|s|

13、= 1500-11 =30%I I 1cnn1500（P37最大转差率约为0.3）由 lSl = |nin n| * 得到|slli| = |ni_n|f 化简得：珂一n = |snj 11 = 1+1811 = 1500 + p0%xl500|得到最大的n=195O最小n=10502-24什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？答：风力发电机运行时，由于风速的变化足随机的，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。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待点？答：双馈异

14、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，电能质最较好，并网简单，无冲击电流；有电刷与集电坏，存在机械磨 损,nJ汹性枚低:转/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。永磁同步发电机：没冇增速齿轮箱或者采用-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；体枳大。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故大功率点跟踪控制？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， 实现最人功率点跟踪；当风速人于额定风速时，利用变桨技术可将输

15、出功率稳定地控制在额 定功率。最人功率点跟踪：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。2-17根据风速不同，变速风力发电机组有哪几个运行区间？故人功率跟踪控制适用于哪个 区间？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卜的区域。在 此区间，随着风速的变化，调整风力机转速，使叶尖速比保持鍛佳值，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。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，

16、在 达到额定功率以前，风力发电机组的转速保持恒定。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。切出区：当凤速人于切出风速时，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。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 风速的増大如何变化。答：风速人于额定风速时，可通过增人桨距角使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。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：风速的人小和风的方向随看时间不断变

17、化，为保证风力机稳疋工作，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，也叫迎风装直偏航系统町以分为被动偏航系统利主动偏航系统。小型风力机一般采用被动偏航系统, 安装尾舵自然対风。人型风力发电系统一般采用液床伺服机构或者齿轮构成的电机伺服 机构來时风力机对风。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：在人型风力机中，一个风轮上的叶片的桨距角同步变化，即叶片的桨距 角同时增人或同时减小。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 个叶片貝有不同的桨

18、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 仰载荷和偏航載荷等。2-21风力发电机组的单机容量为什么越來越大？答：风力发电机装机容最越来越人的原因：增加风力机组发电最，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，処速大且稳定，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，在一定电床 跌落的范鬧内，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的低电乐穿越能力(P62)2. 凤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