2025年《风力发电原理》考试复习题库附答案

2025年《风力发电原理》考试复习题库附答案一、单项选择题（每题2分，共40分）1.风力机将风能转换为机械能的核心部件是（）。A.齿轮箱B.发电机C.风轮D.塔架答案：C2.贝茨理论指出，理想风力机的最大风能利用系数为（）。A.59.3%B.45.2%C.65.8%D.72.1%答案：A（注：贝茨极限为16/27≈59.3%）3.下列哪种风轮类型属于升力型风力机？（）A.萨渥纽斯风轮B.达里厄风轮C.多叶片风轮D.荷兰式风轮答案：B（达里厄风轮依靠叶片升力驱动，萨渥纽斯为阻力型）4.双馈感应发电机（DFIG）的转子侧通过（）与电网连接。A.全功率变流器B.部分功率变流器C.直接耦合D.变压器答案：B（双馈发电机仅需处理转差功率，变流器容量为额定功率的20%-30%）5.风力机的叶尖速比λ定义为（）。A.风速与叶尖线速度的比值B.叶尖线速度与风速的比值C.风轮转速与同步转速的比值D.输出功率与输入风功率的比值答案：B6.水平轴风力机的偏航系统主要作用是（）。A.调节桨距角B.保持风轮正对风向C.支撑机舱重量D.吸收振动答案：B7.下列哪种发电机更适合直驱式风力发电系统？（）A.鼠笼式感应发电机B.双馈感应发电机C.永磁同步发电机D.绕线式感应发电机答案：C（直驱系统无需齿轮箱，永磁同步发电机低速高扭矩特性匹配需求）8.风功率密度的计算公式为（）。A.P=0.5ρAv²B.P=0.5ρAv³C.P=ρAv³D.P=ρAv²答案：B（风功率与风速三次方成正比）9.风力机的切入风速是指（）。A.风力机开始发电的最低风速B.风力机达到额定功率的风速C.风力机允许运行的最高风速D.风力机叶片开始变桨的风速答案：A10.下列哪项不是影响风能资源评估的关键参数？（）A.平均风速B.风速频率分布C.空气湿度D.风切变指数答案：C（空气密度受温度、气压影响，湿度对密度影响较小，非关键参数）11.变桨距控制的主要目的是（）。A.提高低风速时的风能捕获B.限制高风速时的输出功率C.降低塔架高度D.减少齿轮箱损耗答案：B（变桨通过调节桨叶角度，使高风速下功率保持额定值）12.风力发电系统的低电压穿越（LVRT）能力是指（）。A.电网电压降低时仍能保持并网运行B.系统内部电压波动时自我保护C.低风速下维持发电效率D.减少谐波对电网的影响答案：A13.下列哪种储能技术更适合风力发电的间歇性调节？（）A.铅酸电池B.抽水蓄能C.飞轮储能D.压缩空气储能答案：B（抽水蓄能容量大、持续时间长，适合风电场大规模储能）14.风力机的塔架振动主要由（）引起。A.齿轮箱噪声B.风轮不平衡力C.发电机电磁力D.变流器谐波答案：B（风轮旋转时的气动不平衡力是塔架振动的主要激励源）15.叶素-动量理论（BEM）结合了（）。A.动量守恒与叶素升阻力分析B.能量守恒与叶尖损失修正C.动量守恒与尾流旋转效应D.能量守恒与叶根强度校核答案：A（BEM理论通过动量定理计算轴向诱导速度，结合叶素的升阻力特性计算气动力）16.海上风电场相比陆上的优势不包括（）。A.风速更稳定B.土地资源限制小C.运维成本低D.湍流强度低答案：C（海上风电场受环境影响大，运维成本显著高于陆上）17.风力机的年发电量（AEP）计算需考虑（）。A.风速分布、机组效率、可用率B.叶片材料、塔架高度、变流器容量C.齿轮箱寿命、发电机温升、变桨速度D.电网频率、电压等级、传输距离答案：A（AEP主要与风能资源、机组能量转换效率及运行可靠性相关）18.下列哪种故障属于风力机机械故障？（）A.变流器IGBT损坏B.发电机绕组短路C.齿轮箱轴承磨损D.主控系统程序错误答案：C（齿轮箱轴承磨损属于机械部件失效）19.垂直轴风力机的主要缺点是（）。A.启动风速高B.无需偏航系统C.结构简单D.适合低风速区答案：A（垂直轴风力机依靠阻力或升力启动，启动转矩小，需更高风速）20.大规模风电并网对电网的主要影响是（）。A.提高电网频率稳定性B.增加有功功率储备C.引入间歇性功率波动D.降低谐波污染答案：C（风电出力受风速波动影响，可能导致电网功率波动）二、填空题（每题2分，共20分）1.风力机的基本组成包括风轮、机舱、______和基础。答案：塔架2.空气密度的标准值（15℃，1个标准大气压）约为______kg/m³。答案：1.2253.风力机的功率曲线描述了______与风速的关系。答案：输出功率4.叶尖速比λ=ωR/v，其中ω为风轮______，R为风轮半径，v为风速。答案：角速度（或旋转角速度）5.双馈感应发电机的定子绕组直接连接电网，转子绕组通过______与电网连接。答案：变流器6.风力机的制动系统分为机械制动和______制动。答案：气动（或空气动力）7.风电场的微观选址需考虑风资源分布、______和机组尾流影响。答案：地形条件（或地质条件）8.变速恒频风力发电系统通过调节______使风轮保持最佳叶尖速比。答案：转速（或风轮转速）9.风力机的主要气动损失包括叶尖损失、______和轮毂损失。答案：叶根损失10.海上风电的基础形式主要有单桩基础、导管架基础和______基础。答案：吸力筒（或浮式）三、简答题（每题5分，共30分）1.简述贝茨理论的假设条件及实际应用中的修正因素。答案：贝茨理论假设：①理想流体（无粘性、不可压缩）；②风轮为无限多叶片的理想致动盘；③尾流为均匀轴向流动，无旋转；④风轮前后压力差仅由动能变化引起。实际修正因素包括：叶尖损失（叶片有限导致尾流收缩）、尾流旋转（消耗部分能量）、空气粘性（产生阻力）、风轮偏航（风向变化导致效率降低）。2.比较水平轴与垂直轴风力机的优缺点。答案：水平轴优点：风能利用系数高（可达0.45以上），技术成熟，适合大规模发电；缺点：需偏航系统对风，塔架高度高，启动转矩小。垂直轴优点：无需对风，结构紧凑，适合低风速或复杂地形；缺点：风能利用系数低（通常0.3以下），启动风速高，叶片受力复杂易疲劳。3.说明变速恒频风力发电的核心原理及优势。答案：核心原理：通过调节风轮转速，使叶尖速比保持最佳值（λopt），从而在变风速下最大化风能捕获；同时利用变流器控制发电机输出频率，使其与电网频率（50Hz）一致。优势：①低风速时提高风能利用系数；②高风速时通过变桨控制平滑功率输出；③减少机械应力（转速可波动）；④改善电能质量（输出频率稳定）。4.分析风轮叶片的气动设计要点。答案：设计要点：①翼型选择：根部采用厚翼型（高强度），叶尖采用薄翼型（高升阻比）；②扭角分布：从根到尖逐渐减小，使各叶素处气流攻角接近最佳值；③弦长分布：根部弦长较大（承载弯矩），叶尖弦长较小（减少阻力）；④考虑雷诺数影响（不同叶高处风速不同，雷诺数变化）；⑤叶尖形状优化（减少叶尖涡损失）。5.简述风力机齿轮箱的常见故障及预防措施。答案：常见故障：齿轮磨损（齿面点蚀、胶合）、轴承失效（疲劳剥落、润滑不良）、油液污染（颗粒杂质导致磨损加剧）、箱体振动（不对中或不平衡）。预防措施：定期油液检测（颗粒度、含水量）、优化润滑系统（采用循环过滤）、安装振动监测传感器（早期故障预警）、控制齿轮加工精度（减少啮合冲击）、合理设计增速比（避免过载）。6.说明风电场并网时需考虑的电能质量问题及解决方法。答案：电能质量问题：①电压波动（风速突变导致功率波动）；②谐波污染（变流器开关产生谐波）；③频率偏差（风电占比高时系统惯性降低）。解决方法：①安装动态无功补偿装置（如SVG）稳定电压；②变流器采用多电平拓扑或PWM控制降低谐波；③风电机组参与一次调频（通过储能或转子动能释放）；④优化风电场输出功率平滑控制（结合储能系统）。四、计算题（每题8分，共16分）1.某水平轴风力机风轮直径D=120m，空气密度ρ=1.225kg/m³，当风速v=10m/s时，若风能利用系数Cp=0.45，求风轮捕获的机械功率（结果保留两位小数）。解：风轮扫风面积A=π(D/2)²=π×60²≈11309.73m²风功率P_wind=0.5ρAv³=0.5×1.225×11309.73×10³≈6.92×10⁶W机械功率P_mech=P_wind×Cp=6.92×10⁶×0.45≈3.11×10⁶W=3.11MW答案：3.11MW2.某直驱永磁同步风力发电机额定转速n=15r/min，风轮半径R=50m，额定风速v_r=12m/s，求额定工况下的叶尖速比λ（π取3.14）。解：风轮角速度ω=2πn/60=2×3.14×15/60≈1.57rad/s叶尖线速度u=ωR=1.57×50≈78.5m/s叶尖速比λ=u/v_r=78.5/12≈6.54答案：6.54五、论述题（每题12分，共24分）1.论述大型海上风电机组的关键技术挑战及应对策略。答案：关键技术挑战及策略：①海上环境严酷：盐雾腐蚀、台风、波浪载荷导致结构疲劳。应对：采用耐腐蚀材料（如双相不锈钢）、优化塔架-基础耦合设计（如吸力筒基础）、增加防腐涂层（热喷涂铝）。②大功率传动系统：直驱发电机体积大（重量超千吨），运输安装困难。应对：研发轻量化永磁材料（如高矫顽力钕铁硼）、采用模块化设计（分舱运输）、发展浮式风电技术（降低基础重量）。③海上运维成本高：受海况限制，检修窗口期短。应对：安装智能监测系统（如光纤光栅传感器）、开发无人巡检技术（无人机/水下机器人）、预配冗余部件（关键设备备用模块）。④并网技术复杂：远距离海底电缆传输损耗大，需高压直流（HVDC）输电。应对：采用VSC-HVDC技术（可独立控制有功/无功）、建设海上换流站（减少陆地端设备压力）。2.结合“双碳”目标，分析风力发电技术的发展趋势。答案：发展趋势：①大功率化：单机容量向15MW以上迈进（降低单位千瓦成本），叶片长度超120m（提高扫风面积）。②智能化：引入数字孪生技术（实时模拟机组状态）、AI控制算法（预测性维护）、智能群