风力发电技术2012级试题(精)

风力发电技术2012级试题1.对于三相理想交流电机，当定子电流分别为：1）,,120sin2120sin2sin201011twIitwIitwIicba求合成空间磁动势，并分析其变化轨迹有何规律？2）三相定子电流为（6k+1）次谐波，电机转速为rw（rad/s），求合成磁动势及切割转子电角速度。解：1）设定子绕组的有效匝数是Ns。三相定子电流在空间处的合成磁势为：coscos120cos120oossasbscsFNiii；整理后，有)sin(223)(1tIFs，故其变化轨迹按正弦规律变化。2）定子电流为（6k+1）次谐波，则,,120)16(sin2120)16(sin2)16(sin201011twkIitwkIitwkIiscsbsa三相定子电流在空间处的合成磁势为：coscos120cos120oossasbscsFNiii；有，此时))16sin((223)(1tkIFs。切割转子的电角速度为：rs1带入数据：rsk1)16(。2.列写dq0坐标系下双馈感应发电机组定、转子电压方程和转子运动方程，并给出方程可解条件，给出定子发出功率，转子消耗功率表达式，并按此分析转速与转子绕组功率流向关系。3.解：定转子电压方程：11////sdssdsdsqsqssqsqsdrdrrdrdsrqrqrrqrqsrduRiddtuRiddtuRiddtuRiddt转子运动方程：dq同步旋转坐标系下的转子运动方程为：()prmeJNdTTdtTTe应该按下式计算：sdsqsqsdpeiiNT23；可解条件：Tm为原动机输出机械力矩，设为已知；定子绕组与电网连接，二相定子电压认为已知；二相转子电压由电机运行要求给定。因此，总的方程数与变量数平衡，可以求数值解。定子发出功率：213322ssdsdsqrqssmrdsqrqsdPuiuiRiLiiii转子吸收功率：23322rrdrdrqrqrrsmrdsqrqsdPuiuiRiLiiii当转子转速小于同步速，即s＝1-r0时，Pr0，此时转子绕组需要从外部电源吸收电功率；而当转子转速等于同步速，即s＝0时，转子绕组从外部电源吸收的电功率全部转化为转子绕组损耗；当转子转速大于同步速，即s0时，转子绕组则向外部电源传输电功率。3.给出恒速恒频、变速恒频、变速变频风电机组电气原理示意图，并简述其工作原理。答：1）恒速恒频电气原理示意图：风力机~齿轮箱鼠笼式感应发电机电网恒速恒频式（ConstantSpeedConstantFrequency,CSCF）风力发电系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组产生的交流电能的频率恒定，发电机组的运行转速变化范围很小，近似恒定；通常该类风力发电系统中的发电机组为鼠笼式感应发电机组。2）变速恒频电气原理示意图：风力机~齿轮箱电网双馈感应式异步发电机背靠背四象限变流器ACDCDCAC变速恒频式（VariableSpeedConstantFrequency,VSCF）风力发电系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组定子发出的交流电能的频率恒定，而发电机组的运行转速变化；通常该类风力发电系统中的发电机组为双馈感应式异步发电机组。3）变速变频电气原理示意图：风力机DCACDCAC背靠背四象限变流器~电网永磁同步发电机变速变频式（VariableSpeedVariableFrequency,VSVF）风力发电系统，其特点是在有效风速范围内，发电机组定子侧产生的交流电能的频率和发电机组转速都是变化的，因此，此类风力发电系统需要串联电力变流装置才能实现联网运行。通常该类风力发电系统中的发电机组为永磁同步发电机组。4.何谓风电机组低电压穿越？试述其必要性和技术要求。低电压穿越（LVRT），指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持低电压穿越并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。必要性：若风电场不具备低电压穿越能力，电力系统发生扰动故障导致大量风电机组被切除时，系统潮流会发生严重转移；电网电压和频率均受到影响，不利于系统稳定运行。为维持电力系统的安全稳定运行和保证风电场并网安全，对风电场提出低电压穿越要求是必要的。技术要求：1）风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时，能够维持并网运行625ms的低电压穿越能力；2）风电场电压在发生跌落后，3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保证并网运行；3）风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。5.何谓风电功率预测？从预测时间尺度划分，主要有哪几类风电功率预测？其主要价值是什么？风电场功率预测是指以风电场的历史功率、历史风速、地形地貌、数值天气预报、风电机组运行状态等数据建立风电场输出功率的预测模型，以风速、功率或数值天气预报数据作为模型的输入，结合风电场机组的设备状态及运行工况，得到风电场未来的输出功率，预测时间尺度包括短期预测和超短期预测。风电功率预测的核心价值：达到风力发电可预测、风电并网可调控目标：对风力发电的输出功率进行预测是缓解电网调峰、调频压力、降低电力系统备用容量以提高电网接纳能力的有效手段；通过实施风电功率预测系统，还可以达到以下作用：降低电力系统旋转备用容量、提高系统运行经济性；改善电力系统调峰能力，增加风电并网容量，提高风能利用率；优化风电场运营管理水平，合理安排检修计划，改善风电运行企业的经济效益。6.某双馈感应风力发电机组的风速（Vm）-功率（Pm）-发电机组转速（r）的特性如下表所示，其发电机组同步转速为1500rpm，额定功率Pe=850kw，定子线电压为690V，试回答以下问题：1）估算当风速Vm=7m/s时发电机组稳态时定转子侧输出功率Ps和Pr；2）风速Vm=3m/s，8m/s，15m/s时，转子电流交变频率分别是多少赫兹？3）该发电机组绕组极对数是多少？4）风速15m/s时，忽略各种损耗，当定子侧功率因数为1时，试估算双馈感应发电机组定子电流有效值？解：1)双馈感应式发电机功率具有如下关系：remsPsPsP；本题中Pm为定子发出功率减去转子消耗功率的输出功率。即有：mrsppp；同时转差率s为：11=2/15；Vm=7m/s时，Pm=242.7kw。综上：srmrssppkwppp7.242解得：kwpkwprs3.372802)由12sff有：Vm=3m/s，r=900rpm，n1=1500rpm，则4.01500900150011nnsr则Vm=3m/s时，hzf2050*4.02；同理：Vm=8m/s，15m/s时，hzhzf4;023)11116060nfnnfnpp代入数据得：2150050*60pn4)111cos3IUpem，依题：1cos,69011VU,忽略各种损耗后有：sempp由1）有风速15m/s时，0.787emsppkw。故AvkwUPIem56.6581*690*30.787cos3111某双馈感应风力发电机组的风速-功率特性表Vm（m/s）3456789Pm(kw)9.731.278.4148.2242.7368.8525.3r(rpm)90095010001080130015001609Vm（m/s）10111213141516-21Pm(kw)695.0796.6835.9846.8849.3850.0850.0r(rpm)16131616161716181619162016207.你如何理解风电联网对电网的影响？答：1.风电机组联网运行对电能质量的影响：风速变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风电功率的波动和风电机组的频繁启停；风机的杆塔遮蔽效应使风电机组输出功率存在周期性的脉动。功率的变化将会使电网频率在一定范围波动，影响电网中频率敏感负荷的正常工作。风电功率的波动势必会引起电压的变化，另外，风电机组中的电力电子控制装置如果设计不当，将会向电网注入谐波电流，引起电压波形发生不可接受的畸变，并可能引发由谐振带来的潜在问题。2.风电机组联网运行对电网稳定性的影响：风力发电会提高电网的静态稳定性，降低动态稳定性。风力机组起动时，感应电机会吸收大量的无功功率，如果没有足够的无功补偿，将会导致节点电压跌落。风力机组输出变化着的功率直接导致了节点电压的波动，如果机组的容量超过一定范围，那么它所引起的电压波动将很大，超出电网运行的允许范围。异步电机作为发电机运行时，滑差越大并网时冲击电流有效值也就越大。风电场并网瞬间将会造成电网电压的大幅度下跌，从而影响接在同一电网上的其他电器设备的正常运行，甚至会影响到整个电网的稳定与安全。