可再生能源發(fā)電技術(shù)課后習(xí)題

-7什么是貝茲極限？其值是多少？答：貝茲理論是風(fēng)力發(fā)電中關(guān)于風(fēng)能利用效率的一條基本的理論。貝茲理論：理想情況下風(fēng)能所能轉(zhuǎn)換成電能的極限比值為16/27約為59.3%。它由德國(guó)物理學(xué)家AlbeitBetz于1919年提出。2-8什么是風(fēng)力機(jī)的失速？答：對(duì)于定速定槳距風(fēng)力機(jī)，槳葉的槳距角B是固定不變的。它利用葉片的氣動(dòng)特性，使其在高風(fēng)速時(shí)產(chǎn)生失速來限制風(fēng)力機(jī)功率。當(dāng)風(fēng)速增人時(shí)，槳距角0不變，攻角a增人。一旦攻角人于臨界值，則葉片上側(cè)氣流分離，形成阻力，對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)Cd增人，而升力系數(shù)Cl有所減小。升力Fl和阻力Fd的改變，導(dǎo)致作用在葉片上的軸向推力Ft增加，切向旋轉(zhuǎn)力Fr略有減小，結(jié)果是氣動(dòng)力矩和功率減小，稱之為失速°（P30、圖2-20）、或用（P27、圖2-15升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd突然下降，失速時(shí)，升阻比CL/CD突然下降。）2-9風(fēng)力機(jī)分別運(yùn)行在恒葉尖速比和恒轉(zhuǎn)速，試說明其性能有何不同？答：葉尖速比入=RQ/“，式中Q為角速度、"為風(fēng)速、R為風(fēng)機(jī)半徑。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在恒葉尖速比時(shí)，即入恒為常數(shù)，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速變化的時(shí)候，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速需隨之變化，保證兩者比值恒定，一般適用于風(fēng)速小于額定風(fēng)速的時(shí)候。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)速時(shí)，不管風(fēng)速怎么變化，在到達(dá)額定功率以前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速要保持恒定。風(fēng)速人于額定風(fēng)速時(shí)，通過主動(dòng)失速或者變槳距調(diào)節(jié)，限制風(fēng)輪從風(fēng)中吸收風(fēng)能，而使發(fā)電機(jī)保持恒定的輸出功率。2-10設(shè)風(fēng)力機(jī)的葉尖速比入=7時(shí)有最人風(fēng)能利用系數(shù)Cpmax,試計(jì)算直徑分別為5m>10m.50m和100m的風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速為10m/s.20m/s和25m/s時(shí)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速應(yīng)為多少？答：葉尖速比入=Rfl/v,Q=2mi,故轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為nJv/2Rir°注意這里R為半徑。風(fēng)跡、^速5m10m50m100m10m/s4.462.220.440.2220m/s8.924.460.900.4425m/s11.145.581.120.562-11設(shè)某風(fēng)力機(jī)具有以下參數(shù)：額定功率為1000KW,額定風(fēng)速為13m/s,塔高為60m,輪轂半徑為1.5m,轉(zhuǎn)子半徑為30m,葉尖速比入=6.3。試計(jì)算：（1）在額定風(fēng)速下葉尖和葉根的運(yùn)動(dòng)速度分別是多少？（2）額定轉(zhuǎn)矩是多少？答:⑴由入二RQ/V,得到旋轉(zhuǎn)角速度。二入V/R二2.73,則葉尖運(yùn)動(dòng)速度為QR=81.9m/s,葉根運(yùn)動(dòng)速度為QR=2.73*1.5=4.1m/So（2）由P二TQ,得到額定轉(zhuǎn)矩T=P/0=3663OONmo

2-12根據(jù)功率調(diào)節(jié)方式不同，風(fēng)力機(jī)有哪幾種主要類別？主動(dòng)失速型風(fēng)力機(jī)與變漿風(fēng)力機(jī)有何異同？（P30-31〉答：風(fēng)力機(jī)有三種調(diào)節(jié)方式：失速、主動(dòng)失速和變槳距控制。失速：槳距角0不變，風(fēng)速增人攻角a增大，葉片上側(cè)氣流分離，阻力系數(shù)增大，軸向推力Ft增人，切向旋轉(zhuǎn)力Fr減小，氣動(dòng)力矩減小和功率減小，稱之為失速控制。主動(dòng)失速：就是在風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速及以上時(shí)，通過人為地減小槳距角0,攻角Q快速増加，使風(fēng)力機(jī)加深失速，達(dá)到快速調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)功率的目的。優(yōu)點(diǎn)是：功率調(diào)節(jié)性能好，控制簡(jiǎn)單（相對(duì)于后面的變槳距控制）；缺點(diǎn)是：作用在轉(zhuǎn)子水平面上的軸向推力Ft增大，風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)載荷加重。變槳距：當(dāng)風(fēng)速人于額定風(fēng)速后，可通過變槳距機(jī)構(gòu)使葉片繞其軸線旋轉(zhuǎn)，增犬葉素弦線與旋轉(zhuǎn)平面的夾角也就是槳距角B,減小攻角a,使風(fēng)力機(jī)功率不變，此時(shí)升力系數(shù)減小，而阻力系數(shù)仍然維持在較小數(shù)值。因此可以認(rèn)為，控制器通過調(diào)節(jié)升力FT,使旋轉(zhuǎn)切向力FR維持不變，從而保持了風(fēng)力機(jī)的功率不變。并由圖2-22,作用在轉(zhuǎn)子平面上的軸向推力FT減小。因此，變槳控制不僅可控制風(fēng)力機(jī)的功率恒定，而且可減小風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷。優(yōu)點(diǎn)：功率調(diào)節(jié)性能好，氣動(dòng)載荷?。蝗秉c(diǎn)：需要復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)，增加了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性。兩者的差異：調(diào)節(jié)方向不同；調(diào)節(jié)頻率不同；軸向推力變化規(guī)律不同o（P32的1）2）3））2-13頻率為50Hz的4極（2對(duì)）籠型異步電機(jī)，其運(yùn)行轉(zhuǎn)速范IM是多少？而對(duì)于雙饋異步電機(jī)，則其運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍又是多少？為什么會(huì)不同？答:鼠籠異步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：nl=60fl/p=50X60/2=1500答:鼠籠異步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：nl=60fl/p=50X60/2=1500（P33式2-18及2-19）取轉(zhuǎn)差率最人為±5%,n=q刊snj=1500+|5%xl500|得到最人的n=1575最小n=1425雙饋異步發(fā)電機(jī)：nl=60fl/p=50X60/2=1500轉(zhuǎn)差率最人為30%雙饋異步發(fā)電機(jī)忖=1500-111500=30%（P37最人轉(zhuǎn)差率約為0.3）,得到卜時(shí)=卜］一卅，雙饋異步發(fā)電機(jī)忖=1500-111500=30%（P37最人轉(zhuǎn)差率約為0.3）,得到卜時(shí)=卜］一卅，化簡(jiǎn)得：ni-n=±|sni|n=珂+|sni|=1500+|30%x1500得到最人的n=1950最小n=10502-14什么叫風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行？那些發(fā)電機(jī)屬于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)？答：風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)速的變化是隨機(jī)的，因此要求發(fā)電機(jī)在風(fēng)速變化時(shí)，保持恒定的輸出頻率。雙饋異步發(fā)電機(jī)、低速永磁同步發(fā)電機(jī)、無刷雙饋發(fā)電機(jī)都屬于變速恒頻的發(fā)電機(jī)。2-15試比較雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)各有什么特點(diǎn)？答：雙饋異步發(fā)電機(jī)：能連續(xù)變速運(yùn)行；功率變換器容量較小，成本低；輸出功率平滑，功率因數(shù)較高，電能質(zhì)屋較好，并網(wǎng)簡(jiǎn)單，無沖擊電流；有電刷與集電環(huán)，存在機(jī)械磨損，可靠性較低：轉(zhuǎn)子繞組中的功率雙向流動(dòng)，功率變換器結(jié)構(gòu)及控制較為復(fù)雜；需要齒輪箱增速，可靠性較低。永磁同步發(fā)電機(jī)：沒有增速齒輪箱或者采用一級(jí)增速齒輪箱，提高了可靠性；發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)完全解耦；外形呈扁平的盤形；采用分?jǐn)?shù)槽繞組；體積大。2-16變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組什么優(yōu)點(diǎn)？什么是變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大功率點(diǎn)跟蹤控制？答：優(yōu)點(diǎn)：變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠根據(jù)風(fēng)速的變化，在低風(fēng)速時(shí)，保持最佳葉尖速比，實(shí)現(xiàn)最人功率點(diǎn)跟蹤；當(dāng)風(fēng)速人于額定風(fēng)速時(shí)，利用變槳技術(shù)可將輸出功率穩(wěn)定地控制在額定功率。最人功率點(diǎn)跟蹤：就是在風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持有最佳的葉尖速比，有最大的風(fēng)能利用系數(shù)。2-17根據(jù)風(fēng)速不同，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有哪幾個(gè)運(yùn)行區(qū)間？最大功率跟蹤控制適用于哪個(gè)區(qū)間？答：?jiǎn)?dòng)狀態(tài)：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從靜止上升到切入風(fēng)速。此時(shí)，發(fā)電機(jī)沒有工作，不需要控制Cp恒定區(qū)：也稱變速運(yùn)行區(qū)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切入電網(wǎng)后運(yùn)行在額定風(fēng)速以下的區(qū)域。在此區(qū)間，隨著風(fēng)速的變化，調(diào)整風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速，使葉尖速比保持最佳值，對(duì)應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)等于最大值。此區(qū)間適合用最大功率點(diǎn)跟蹤控制。轉(zhuǎn)速恒定區(qū)：由于受到旋轉(zhuǎn)部件機(jī)械強(qiáng)度的限制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速有一個(gè)極限，在達(dá)到額定功率以前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速保持恒定。功率恒定區(qū)：風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到機(jī)械和電氣極限的制約，轉(zhuǎn)速和功率維持在額定值，因此，該狀態(tài)運(yùn)行區(qū)域稱為功率恒定區(qū)。切出區(qū)：當(dāng)風(fēng)速大于切出風(fēng)速時(shí)，為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全，需對(duì)機(jī)組進(jìn)行制動(dòng)減速，直至切出。2-18當(dāng)風(fēng)速人于額定風(fēng)速時(shí)，如何控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率？此時(shí)風(fēng)能利用系數(shù)Cp隨著風(fēng)速的增大如何變化。答：風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，可通過增大槳距角使Cp減小，降低轉(zhuǎn)速，使葉尖速比減小，達(dá)到降低Cp的目的。此時(shí)Cp隨著風(fēng)速的增大而減小。2-19什么是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航？偏航系統(tǒng)主要有哪些類型？答：風(fēng)速的人小和風(fēng)的方向隨著時(shí)間不斷變化，為保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定工作，必須有一種裝置使風(fēng)力機(jī)隨風(fēng)向變化自動(dòng)繞塔架中心線旋轉(zhuǎn)，保持風(fēng)力機(jī)與風(fēng)向始終垂直，這樁裝置叫做偏航系統(tǒng)，也叫迎風(fēng)裝置偏航系統(tǒng)町以分為被動(dòng)偏航系統(tǒng)和主動(dòng)偏航系統(tǒng)。小型風(fēng)力機(jī)一般采用被動(dòng)偏航系統(tǒng),安裝尾舵自然對(duì)風(fēng)。人型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用液壓伺服機(jī)構(gòu)或者齒輪構(gòu)成的電機(jī)伺服機(jī)構(gòu)來時(shí)風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)。2-20什么是同步變漿？什么是獨(dú)立變漿？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：同步變槳：在大型風(fēng)力機(jī)中，一個(gè)風(fēng)輪上的葉片的槳距角同步變化，即葉片的槳距角同時(shí)增大或同時(shí)減小。任何時(shí)候他們的槳距角都相同。獨(dú)立變槳：在傳統(tǒng)的同步變槳距的基礎(chǔ)上，給每個(gè)葉片疊加一個(gè)獨(dú)立的漿距信號(hào)，使三個(gè)葉片具有不同的槳距角從而有不同的空氣動(dòng)力學(xué)特性，以補(bǔ)償風(fēng)的不均勻性引起的俯仰載荷和偏航載荷等。2-21風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量為什么越來越大？答：風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容屋越來越人的原因：增加風(fēng)力機(jī)組發(fā)電量，減少對(duì)常規(guī)能源的依賴；降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本。2-22與路上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電有什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域，風(fēng)速大且穩(wěn)定，利用小時(shí)數(shù)較大。同容量裝機(jī)，海上比路上成本增加60%,電量增加50%以上。2-23什么是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越？我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越的要求是什么？答：低電壓穿越：指由于電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，在一定電壓跌落的范闈內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行，并向電網(wǎng)提供一定無功功率，支持電網(wǎng)電壓恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間。我國(guó)的要求：1?風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具冇在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)能搞維持并網(wǎng)運(yùn)行625ms的低電壓穿越能力（P62）風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)具有不間斷并網(wǎng)運(yùn)行的能力在電網(wǎng)故障期間沒有切出的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，在故障清除后其有功功率應(yīng)至少10%額定功率每秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的狀態(tài)。2-24當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)店電壓跌落時(shí)，對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將產(chǎn)生什么影響？在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和低速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，哪一個(gè)低電壓穿越能力更好？答：對(duì)于雙饋異步電機(jī)，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓突然跌落時(shí)，導(dǎo)致定子電流增人；又由于故障瞬間磁鏈不能突變，定子磁鏈中將出現(xiàn)直流分量，在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出較人的電動(dòng)