2025年(风能工程师)风能与动力工程试题及答案

2025年(风能工程师)风能与动力工程试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.风力机捕获风能的理论最大值（贝茨极限）对应的风能利用系数为（）。A.0.35B.0.593C.0.72D.0.852.叶尖速比λ的定义为（）。A.风轮转速与风速的比值B.叶尖线速度与风速的比值C.叶片弦长与叶展的比值D.风轮扫掠面积与塔架高度的比值3.水平轴风力机的典型风轮叶片数为（）。A.1片B.23片C.56片D.8片以上4.双馈感应发电机（DFIG）的转子侧通常通过（）与电网连接。A.全功率变流器B.部分功率变流器C.直接并网D.变压器5.湍流强度的定义是（）。A.风速标准差与平均风速的比值B.风速最大值与最小值的差值C.风向变化角度的均方根D.风剪切指数的绝对值6.风力发电机组齿轮箱的主要作用是（）。A.提高发电机转速B.降低发电机转速C.稳定电压D.储存能量7.偏航系统的核心功能是（）。A.调节叶片桨距角B.跟踪风向使风轮正对来流C.控制发电机功率输出D.防止塔架振动8.现代大型风力机叶片的主流材料是（）。A.铝合金B.碳纤维复合材料C.玻璃纤维复合材料D.钢质结构9.风力机功率曲线是指（）。A.输出功率与风速的关系曲线B.输出功率与转速的关系曲线C.风能利用系数与叶尖速比的关系曲线D.叶片弯矩与风速的关系曲线10.变桨距控制的主要目的是（）。A.在低风速时提高风能捕获效率B.在高风速时限制功率输出C.降低塔架振动D.延长齿轮箱寿命二、多项选择题（每题3分，共15分，错选、漏选均不得分）1.影响风能资源评估的关键参数包括（）。A.年平均风速B.风切变指数C.空气密度D.湍流强度2.双馈感应发电机（DFIG）的特点包括（）。A.转子侧变流器容量仅为额定功率的20%30%B.可实现变速恒频发电C.需全功率变流器D.对电网电压波动敏感3.叶片气动设计的关键参数包括（）。A.弦长分布B.扭角分布C.翼型选择D.叶片材料密度4.风电场选址时需重点考虑的因素有（）。A.风能资源丰富度B.电网接入条件C.环境敏感区分布D.地质条件5.齿轮箱常见故障类型包括（）。A.齿轮齿面磨损B.轴承点蚀C.油液污染D.叶片结冰三、填空题（每题2分，共10分）1.风力机将风能转换为机械能的核心部件是__________。2.风功率密度的单位是__________（填写国际单位）。3.变流器的核心功能是实现__________与__________的转换（填写“交流”或“直流”）。4.风电场年发电量计算需基于__________曲线和__________数据（填写关键参数）。5.叶片结冰会导致__________系数下降，进而降低风力机输出功率。四、简答题（共30分）（一）封闭型简答题（每题5分，共15分）1.解释贝茨理论的前提假设和结论。2.说明变桨距控制与定桨距控制的主要区别。3.简述双馈感应发电机的工作原理。（二）开放型简答题（每题7.5分，共15分）4.分析低风速风电场中采用柔性塔架（如钢混塔架或桁架塔架）的优势与潜在风险。5.讨论智能运维系统在风电场中的应用场景及技术支撑（需至少列举3个场景）。五、应用题（共25分）（一）计算题（每题5分，共10分）1.某风场年平均风速为7.5m/s，空气密度1.225kg/m³，风切变指数0.14，计算10m高度处的风功率密度（保留两位小数）。（风功率密度公式：\(P_d=\frac{1}{2}\rhov^3\)）2.某台2MW风力发电机组的年有效小时数为2800h，风能利用系数平均值为0.38，计算其理论年发电量（单位：万kWh）。（二）分析题（7分）3.某风电场多台机组在风速12m/s时输出功率低于设计值，可能的原因有哪些？请从气动、电气、控制三个层面分析。（三）综合题（8分）4.设计一个海上风电场的电气主接线方案（30台5MW机组，离岸距离25km），需考虑哪些关键因素？并说明理由（至少列举4个因素）。参考答案一、单项选择题1.B2.B3.B4.B5.A6.A7.B8.C9.A10.B二、多项选择题1.ABCD2.ABD3.ABC4.ABCD5.ABC三、填空题1.风轮（或叶片）2.W/m²3.交流；直流（或直流；交流）4.功率；风速（或风资源）5.升力（或气动）四、简答题1.贝茨理论的前提假设和结论前提假设：理想风力机（无摩擦、无限多叶片、气流无旋转、不可压缩流体）；风轮为均匀的“致动盘”，仅吸收动能而不改变气流静压；上下游气流速度均匀且平行于风轮轴线。结论：风力机最多只能捕获通过风轮扫掠面风能的59.3%（贝茨极限），即风能利用系数\(C_p\)的理论最大值为0.593。2.变桨距控制与定桨距控制的主要区别控制原理：变桨距控制通过调节叶片桨距角改变气动特性；定桨距控制叶片角度固定，依赖叶片自身失速特性限制功率。适用风速：变桨距在低风速时优化桨距角提高\(C_p\)，高风速时调节桨距限制功率；定桨距仅在高风速时通过失速被动限制功率。系统复杂度：变桨距需变桨执行机构（电机、伺服系统），成本高；定桨距结构简单，无变桨装置。功率稳定性：变桨距输出功率更平稳，定桨距在失速区功率波动大。3.双馈感应发电机的工作原理双馈感应发电机（DFIG）的定子直接接入电网，转子通过变流器与电网连接。当风轮驱动转子旋转时，转子转速变化会导致转子感应电动势频率变化。通过调节变流器输出的电流频率、幅值和相位，可补偿转子转速波动的影响，使定子输出频率稳定（50Hz），实现变速恒频发电。转子侧变流器仅处理转差功率（约为额定功率的20%30%），降低了变流器容量和成本。4.低风速风电场采用柔性塔架的优势与潜在风险优势：降低塔架成本：柔性塔架（如钢混组合塔、桁架塔）可通过增加高度提高轮毂处风速（风切变效应），但材料用量低于传统刚性钢塔。适应复杂地形：柔性结构对基础承载要求较低，适合地质条件差的区域。减少运输限制：分段式结构（如钢混塔的混凝土段）可降低长距离运输难度。潜在风险：振动问题：柔性塔架固有频率低，易与风轮旋转频率（1P）或叶片通过频率（3P）产生共振，需通过阻尼器或控制策略抑制。疲劳寿命：长期交变载荷下，塔架连接部位（如法兰、混凝土接缝）易出现疲劳裂纹。维护难度：高空部件（如阻尼器、传感器）检修成本高，需专用设备。5.智能运维系统的应用场景及技术支撑应用场景：故障预测：通过SCADA数据、振动传感器、温度传感器等，利用机器学习算法预测齿轮箱轴承、发电机绕组等部件的早期故障（如点蚀、绝缘老化）。优化检修计划：结合风资源预测（如数值天气预报）和设备健康状态，动态调整检修时间，避免高风速期停机损失。叶片状态监测：通过无人机巡检或激光雷达扫描，识别叶片表面裂纹、胶衣脱落等缺陷，指导及时修复。技术支撑：物联网（IoT）：实现传感器数据的实时采集与传输（如5G/边缘计算）。大数据分析：处理海量运行数据（如每台机组每秒100+个测点），提取故障特征。数字孪生：构建风电场虚拟模型，模拟不同运维策略的效果，辅助决策。五、应用题1.风功率密度计算已知：\(\rho=1.225\,\text{kg/m}^3\)，\(v=7.5\,\text{m/s}\)风功率密度公式：\(P_d=\frac{1}{2}\rhov^3\)代入计算：\(P_d=0.5\times1.225\times7.5^3=0.5\times1.225\times421.875=258.20\,\text{W/m}^2\)（保留两位小数）2.理论年发电量计算理论年发电量=额定功率×年有效小时数已知：额定功率2MW=2000kW，年有效小时数2800h计算：2000kW×2800h=5,600,000kWh=560万kWh3.风速12m/s时功率不足的可能原因分析气动层面：叶片表面污染（如积灰、昆虫附着）导致翼型升阻比下降；叶片结冰或前缘磨损（如风沙侵蚀）改变气动外形；变桨系统卡滞导致桨距角未处于最优位置。电气层面：发电机绕组绝缘老化导致内阻增大，损耗增加；变流器故障（如IGBT模块失效）导致功率转换效率降低；箱变分接头位置错误，输出电压偏差影响功率输出。控制层面：主控系统参数设置错误（如功率曲线校准偏差）；转速功率控制策略失效（如未按最优叶尖速比调节转速）；冗余保护触发（如振动超限导致降功率运行）。4.海上风电场电气主接线方案设计的关键因素机组容量与集电线路电压等级：30台5MW机组总容量150MW，单回35kV集电线路输送容量约50MW（经济电流密度限制），需3回35kV集电线路汇流至海上升压站。海缆选型与长度：离岸25km，需选择大截面铜芯海缆（如3×1200mm²）以降低电阻损耗；考虑潮汐、海流影响，需采用铠装电缆并埋深敷设。海上升压站配置：将35kV升至220kV