新能源发电与控制技术复习题.docx

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新能源发电与控制技术复习题

一、填空题

1.一次能源是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。

2.二次能源是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。

3.终端能源是指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消费的各种能源。

4.典型的光伏发电系统由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器和负载等组成。

5.光伏发电系统按电力系统终端供电模式分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。

6.风力发电系统是将风能转换为电能，由机械、电气和控制3大系统组合构成。

7.并网运行风力发电系统有恒速恒频方式和变速恒频方式两种运行方式。

8.风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。

9.风力同步发电机组并网方法有自动准同步并网和自同步并网。

10.风力异步发电机组并网方法有直接并网、降压并网和通过晶闸管软并网。

11.风力发电的经济型指标主要有单位千瓦造价、单位千瓦时投资成本、财务内部收益率、财务净现值、投资回收期和投资源利润率。

12.太阳的主要组成气体为氢80%和氦19%。

13.太阳的结构从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区、和太阳大气。

14.太阳能的转换与应用包括了太能能的采集、转换、储存、传输、与应用。

15.光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。

16.光伏发电系统主要由太阳电池板、控制器、和逆变器3大部分组成。

17.太阳电池主要有单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池、非晶硅太阳电池、碲化镉太阳电池、与铜铟硒太阳电池5种类型。

18.生物质能是绿色植物通过叶绿素将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量。

19.天然气是指地层内自然存在的以碳氢化合物为主体的可燃性气体。

20.燃气轮机装置主要由燃气轮机、压气机和燃烧室3部分组成。

21.自然界中的水体在流动过程中产生的能量，称为水能，它包括位能、压能和

动能3种形式。

22.水能的大小取决于两个因素：

河流中水的流量和水从多高的地方留下来。

二、简答题

1.简述能源的分类？

固体燃料、液体燃料、气体燃料、水能、核能、电能、太阳能、生物质能、风能、海洋能、地热能。

一次能源、二次能源，终端能源，可再生能源和非可再生能源，新能源与常规能源，商品能源与非商品能源。

2.什么是一次能源？

一次能源是指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。

3.什么是二次能源？

二次能源是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。

4.简述新能源及主要特征。

新能源是指技术上可行，经济上合理，环境和社会可以接受，能确保供应和替代常规化石能源的可持续发展能源体系。

广义的新能源包含两个方面：

1、新能源体系包括可再生能源和地热能，氢能，核能；2、新能源利用技术，包括高效利用能源，资源综合利用，替代能源，节能等。

5.从广义化概念讲，新能源利用主要包括哪3个方面的内容？

答：

①综合利用能源。

以提高能源利用效率和技能为目标，加快转变经济增长方式；

②替代能源。

以发展煤炭洁净燃烧技术和煤制油产业为目标，降低对石油进口的依赖；

③新能源转换。

大力发展以可再生能源为主的新能源利用体系，调整、优化能源结构。

5.简述分布式能源及主要特征。

由下列发电系统组成，这些系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：

高效地利用发电产生的废能生产热和电；现场端德可再生能源系统；包括利用现场废气、废热及多余压差来发电的能源循环利用系统。

特征：

高效性、环保性、能源利用的多样性、调峰作用、安全性和可靠性、减少国家输配电投资、解决边远地区供电。

6.简述风产生的原理。

风是地球上的一种自然现象，是太阳能的一种转换形式，它由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等原因引起的，大气是这种能源转换的媒介。

地球表面被大气层所包围，当太阳辐射能穿越地球大气层照射到地球表面时，太阳将地表的空气加温，空气受热膨胀后变轻上升，热空气上升冷空气横向切入，由于地球表面各处受热不同，使大气产生温差形成气压梯度，从而引起大气的对流运动，风是大气对流运动的表现形式。

7.简述风力发电机组的分类。

从风轮轴的安装形式上：

水平轴、垂直轴；按功率：

微型、小型、中型、大型；按运行方式：

独立运行、并网运行。

8.简述变速恒频风力发电系统的控制策略。

低于额定风速时，跟踪最大风能利用系数，以获得最大能量；高于额定风速时，跟踪最大功率，并保持输出功率稳定。

9.风力同步发电机组的并网条件有哪些？

波形相同、幅值相同、频率相同、相序相同、相位相同。

10.影响风力发电场发电量的因素主要有哪些？

风能资源；风力发电机的排列 ；发电机的选择；风力发电场的运行管理水平。

11.简述光伏发电系统的孤岛效应。

当分散的电源如光伏发电系统从原有的电网中断开后，虽然输电线路已经断开，但逆变器仍在运行，逆变器失去了并网赖以参考的公共电网电压，这种情况称之为孤岛效应

12.简述光伏发电系统的最大功率点跟踪控制。

实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工作状态下光伏阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗来满足最大功率输出的要求，使光伏系统可以运行于最佳状态

13.生物质能通常包括哪六个方面？

1）木材及森林废弃物；2）农作物及其废弃物；3）水生植物；4）油料植物；5）城市和工业有机废弃物；6）动物粪便。

14.利用生物质能主要有哪几种方法？

1）直接燃烧；物化转换；生化转换；植物油利用等方式。

15.简述我国发展和利用生物质能源的意义及发展。

1）拓宽农业服务领域、增加农民收入；2）缓解我国能源短缺、保证能源安全；3）治理有机废弃物污染、保护生态环境；4）广泛应用生物技术、发展基因工程。

2）发展：

高效直接燃烧设备和技术，薪材集约化综合开发利用，生物质能的利用，城市生活垃圾的开发利用，能源植物的开发；

16.简述我国生物质能应用技术主要哪几个方面发展？

1）高效直接燃烧技术和设备；2）薪材集约化综合开发利用；3）生物质能的液化、气化等新技术开发利用；4）城市生活垃圾的开发利用；5）能源植物的开发。

17.简述燃气轮机的工作原理。

压气机将空气压缩后送入燃烧室，再跟燃料混合后燃烧，产生大量的高温高压气体，高温高压燃气被送入封闭的轮机装置内，并膨胀，推动叶片使机轴转动。

18.小型燃气轮机发电的主要形式有哪几种？

1）简单循环发电；2）前置循环热电联产或发电；3）联合循环发电或热电联产；4）整体化循环；5）核燃联合循环；6）燃机辅助循环；7）燃气烟气联合循环；8）燃气热泵联合循环；燃料电池——燃气轮联合循环

19.我国水力资源有哪些特点？

1）水力资源总量较多，但开发利用率低；2）水力资源分布不均，与经济发展不匹配；3）大多数河流年内、年际径流分布不均；4）水力资源主要集中于大江大河，有利于集中开发和规模外送。

20.典型的水电站主要由哪几部分组成？

1）水工建筑物：

包括大坝，引水建筑物和泄水建筑物；2）水轮发电机组：

水轮机，发电机，主轴及控制系统等；3）厂房；4）变电所；输电线。

三、分析问答题

1.分析双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的工作原理。

图1双馈异步发电机变速恒频风力发电系统

发电机的定子直接接在电网上，转子绕组通过集电环经AC—AC或AC—DC—AC变频器与电网相连，通过控制转子电流的频率、幅值、相位和相序实现变速恒频控制。

为实现变速，当风速变化时，通过转速反馈系统控制发电机的电磁转矩，使发电机转子转速跟踪风速的变化，以获得最大风能。

为实现恒频输出，当转子的转速为n时，因定子电流的频率f1=pn/60+-f2，由变频器控制f2，以维持f1恒定。

当发电机转子转速低于同步速时，发电机运行在亚同步状态，此时定子向电网供电，同时电网通过变频器向转子供电，提供交流励磁电流；当发电机转子转速高于同步速时，发电机运行在超同步状态，定、转子同时向电网供电；当转子转速等于同步转速时，发电机运行在同步状态，f2=0，变频器向转子提供直流励磁，定子向电网供电，相当于一台同步发电机

2.从广义化概念讲，新能源利用主要包括哪3个方面的内容？

综合利用能源。

以提高能源利用效率和技术为目标，加快转变经济增长方式。

 2）替代能源。

以发展煤炭洁净燃烧技术和煤制油产业为目标，降低对石油进口的依赖。

 3）新能源转换。

大力发展以可再生能源为主的新能源体系，调整、优化能源结构。

3.分析笼型异步发电机变速恒频风力发电系统的工作原理。

图2笼型异步发电机变速恒频风力发电系统

其定子绕组通过AC—DC—AC变频器与电网相连，变速恒频策略在定子电路中实现。

当风速变化时，发电机的转子转速和发电机发出的电能的频率随风速的变化而变化，通过定子绕组和电网之间的变频器将频率变化的电能转换为与电网频率相同的电能

4.分析同步发电机的变速恒频风力发电系统的工作原理。

（图3-44）

图3同步发电机变速恒频风力发电系统

为了解决风力发电机中的转子转速和电网频率之间的刚性耦合问题，在同步发电机和电网之间加入 AC—DC—AC变频器，可以使风力发电机工作在不同的转速下，省去调速装置。

而且可通过控制变频器中的电流或转子中的励磁电流来控制电磁转矩，以实现对风力机转速的控制，减小传动系统的应力，使之达到最佳运行状态。

其中Pw为风力机的输入功率；Pa为发电机的输入功率；If为励磁电流。

5.分析无刷双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统的工作原理。

图4无刷双馈异步变速恒频风力发电系统

磁场调制型无刷双馈异步发电机的定子中的功率绕组直接与电网相连，控制绕组通过变频器与电网相连。

P*和Q*分别为有功功率和无功功率的给定值，功率控制器根据功率给定与反馈值及频率检测信号按一定的控制规律输出频率和电流的控制信号。

其转子转速随风速的变化而变化，以保证系统运行在最佳工况下，提高风能转化的效率。

当发电机的转速变化时，由变频器来改变控制绕组的频率，以使发电机的输出频率与电网一致。

6.试分析大功率点跟踪控制（MPPT）的控制算法中扰动观察法的寻优过程，画出其控制流程。

图5扰动观察法实现MPPT的过程

根据光伏阵列工作时不间断地检测电压扰动量，即根据输出电压的脉动增量（+@U）的输出规律，测得阵列当前的输出功率Pd，而被储存的前一时刻输出功率被记忆为Pj，若Pd>Pj，则U=U+@U;若Pd

7.试分析大功率点跟踪控制（MPPT）的控制算法中增量电导法的实现过程。

图6增量电导法的MPPT控制算法流程

答：

由光伏阵列的P-U曲线可知，当输出功率P为最大时，即Pmax处的斜率为零，可得，整理可得，即为光伏阵列达到最大功率点的条件，即当输出电压的变化率等于输出瞬态电导的负值时，光伏阵列即工作于最大功率点。

增量电导法就是通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号，需要对光伏阵列的电压和电流进行采样。

Un,In为检测到光伏阵列当前电压、电流值，Ub,Ib为上一控制周期的采样值。

程序读进新值后先计算其与旧值之差，在判断电压差是否为零；若不为零，在判断式是否成立，若成立则表示功率曲线率为零，达到最大功率点；若电导变化量大于负电导值，则表示功率曲线斜率为正，Ur值将增加；反之Ur将减少。

再来讨论电压差值为零的情况，这时可以暂不处理Ur，进行下一个周期的检测，直到检测到电压差值不为零。

8.下图（图5-4）所示为沼气内燃机发电系统的典型工艺流程，试分析此工艺流程。

图典型的沼气内燃机发电系统的工艺流程

答：

构成沼气发电系统的主要设备有沼气发电机组、消化池粗气罐、供气泵、沼气锅炉、发电机和热回收装置。

沼气经脱硫器由贮气罐供给燃气发电机组，从而驱动与沼气内燃机相连接的发电机而产生电力。

沼气发电机组排出的冷却水和废气中的热量通过热回收装置进行回收后，作为沼气发生器的加温热源。

从废水处理厂出来的污泥进入一次消化槽和二次消化槽，在消化槽中产生的沼气首先经脱硫器进入球形贮气罐，然后由此输送入沼气发电装置中。

作为发电机组燃料的沼气中甲烷的含量必须高于50%，不必要进行二氧化碳的脱除，因为少量二氧化碳对发电机组有利，使其工作平稳，减少废气中有毒物的含量。

从发电装置出来的废沼气进入热交换器中，将热量释放出来，用来加热进行厌氧发酵的污泥，从而提高沼气的发生率。

画出垃圾焚烧发电控制的系统框图，并分析其工作原理。

答：

控制系统中的总协调控制器需要对垃圾焚烧全过程进行控制，包括控制方式的确定，并将逆变器控制的方式下达逆变控制器，将燃烧状态和要求下达燃烧控制器，起到整体的协调作用。

逆变控制器采集公司电网的电压和相位等信号，并控制三相SPWM逆变器，实现同步并网，将发动机所发出的交变电能换成与电网同频率、同相位的交流电后，通过逆变匹配变压器输送到公共供电网络。

而燃烧控制器采集相关的垃圾焚烧炉的温度、锅炉温度与压力、蒸汽轮机的转速及工作状态，并控制焚烧炉排的进给速度，保持焚烧系统的稳定。

9.下图（图6-4）所示为微型燃气发电机组控制与电源变换系统的总体结构，试分析介绍其系统组成和工作原理。

图微型燃气发电机组控制与电源变换系统的总体结构

答：

系统主要由微型燃机、燃料增压泵、中频发电机、大功率变频电源、蓄电池、双向DC--AC变换器、三相输出隔离变压器、自动控制系统和人机监控操作界面等环节构成。

原理：

在开机启动阶段，先断开断路器K2、使用户负载与逆变电源变压器一次侧隔离，闭合断路器K1，将100kw三相DC--AC变换器的输出和发动机相连，利用DC--AC变换器将蓄电池的直流电逆变成三相中频交流电启动中频发电机，此时发动机工作在电动状态，驱动微型燃机涡轮起动；100kw的三相主AC--DC变换器采用晶闸管可控整流模式，起动时控制系统将晶闸管触发延迟角a推到1800，使晶闸管处于截止状态，100kw三相AC--DC变换器停止变换，蓄电池通过双向DC--AC变换器向100kw三相DC--AC变换器提供直流电源，由变换器把直流电逆变为0~500Hz、400V的交流电，驱动发动机工作于电动运行模式，带动微型燃机软起动。

起动结束后K1断开，发动机从电动状态变为发电状态，输出500~1200Hz、400~900V的三相中频交流电至100kw三相DC--AC变换器；经AC--DC变换器可控整流为幅值恒定的直流电源，再经电容滤波后，由100kw三相主DC--AC变换器将直流电压逆变换为50Hz、400V的工频电源；待完成起动系统稳定工作后，K2闭合，主DC--AC逆变器通过三相隔离变压器将50Hz、400V的工频电能提供给用户负载或并入公共电网；此后，双向DC--AC变换器从直流母线获取电能向蓄电池充电，蓄电池由放电转为充电蓄能状态，为下次起动储备能量。

10.试分析潮汐能发电原理（图8-1）。

图潮汐过程线

11.阐述电力系统中无功补偿的作用及常用方法。

A、作用：

1）减少电力损失，2）改善供电品质、提高功率因数；3）延长设备寿命。

B、方法：

1）低压个别补偿。

根据个别需要将单台或多台低压无功补偿设备分散地与用电设备并接；2）低压集中补偿。

将低压无功补偿设备通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，根据低压母线上的无功负载直接控制无功补偿设备的投切；3）高压集中补偿。

指无功补偿设备直接装在变电所6~10KV高压母线上的补偿方式。

1、绘制变桨距风力发电机组的控制系统框图，并分析变桨距调节3个控制过程的基本原理。

变桨距风力发电机组变桨距调节的3个控制过程：

起动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）的不控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。

a.起动时的转速控制　

变距风轮的桨叶在静止时，桨距角β为90º，当风速达起动风速时，桨叶向0º方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力发电机的起动

b.额定转速以下（欠功率状态）的控制

为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。

c.额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制

当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，使桨距角β向迎风面积减小的方向转动一个角度，β增大，功角α减小，如图所示。

从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。

2、绘制太阳能电池的工作原理示意图，并分析其工作原理。

太阳能电池的原理是基于半导体效应的光伏效应，将太阳辐射直接转换为电能。

所谓光伏效应是指物体在吸收光能之后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。

而且在这种发电过程中，光伏电池本身不发生任何化学变化，也没有机械磨损，因而在使用中无噪声、无气味，对环境无污染。

当光照射到pn结上时，产生电子--空穴对，在半导体内部P-N结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内部电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。

它们在p-n结附近形成与势垒方向相反的光生电场。

光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，从而产生电能。

5.分析同步发电机的变速恒频风力发电系统的工作原理。

答：

为了解决风力发电机中的转子转速和电网频率之间的刚性耦合问题，在同步发电机和电网之间加入AC—DC—AC变频器，可以使风力发电机工作在不同的转速下，省去调速装置。

而且可通过控制变频器中的电流或转子中的励磁电流来控制电磁转矩，以实现对风力机转速的控制，减小传动系统的应力，使之达到最佳运行状态。

其中Pw为风力机的输入功率；Pa为发电机的输入功率；If为励磁电流。

5.分析无刷双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统的工作原理。

答：

磁场调制型无刷双馈异步发电机的定子中的功率绕组直接与电网相连，控制绕组通过变频器与电网相连。

图中P*和Q*分别为有功功率和无功功率的给定值；功率控制器根据功率给定与反馈值及频率检测信号按一定的控制规则输出频率和电流的控制信号。

无刷双馈发电机的转子的转速随风速的变化而变化，以保证系统运行在最佳工况下，提高风能转化的效率。

当发电机的转速变化时，由变频器来改变控制绕组的频率，以使发电机的输出频率与电网一致。

11、什么是光伏阵列并网系统的孤岛效应？

目前检测孤岛效应的方法有哪些？

简要描述其中一种检测方法的原理。

当分散的电源如光伏发电系统从原有的电网中断开后，虽然输电线路已经断开，但逆变器仍在运行，逆变器失去了并网赖以参考的公共电网电压，这种情况称之为孤岛效应。

孤岛效应的产生可能会使电网的重新连接变得复杂，且会对电网中的元件产生危害。

为了解决这个问题，目前已经有多种方案提出，在孤岛效应比较明显的场合已经基本上得到解决。

但当孤岛效应不是很明显时，现有的方法有可能无法判断出发电站与负载之间功率的失配，因而孤岛问题仍是一个未彻底解决的问题。

利用功率调节器可以实现对孤岛的检测和对电压的自动调整功能，当出现剩余功率逆潮流时，由于系统阻抗高，并网点的电压会升高，甚至可能超过电网的规定值。

为避免这种情况，功率调节器设有两种电压自动调整功能：

①超前相位无功功率控制，电网提供超前电流给功率调节器，抑制电压升高，这种控制方式会使功率调节器的视在功率在调节时增加，变换效率略微降低；②输出功率控制，当超前相位无功功率控制对电压升高的抑制达到临界值时，系统电压转由输出功率控制，限制功率调节器的输出功率，使电压升高，这种方式使光伏阵列的发电功率利用率有所降低。

图给出辨识孤岛效应的计算流程。

该计算流程在对每个支路的输入电压和电流进行采样之后，计算得到频率的改变值，并与整定频率进行比较，只有当频率变化小于整定值时才进行进一步的判断。

将频率变化量符号的变化次数与频率变化次数与整定值进行比较，当符号的变化次数大于整定值时，则得出发生孤岛效应的结论，并使控制器发出指令使光伏阵列逆变系统与公共电网分离

为了能够主动检测孤岛效应，可以在逆变控制器中加入能够产生微小不平衡的正弦波形的电路。

如果控制器的参考正弦波中存在一个微小的不对称，则会在逆变器的电流输出中产生同样大小的畸变。

在正常运行情况下，这种畸变是可以忽略的；然而一旦孤岛效应发生，这种畸变可以通过检测很容易地辨识出来，亦即采用合适的畸变作为有效辨识孤岛效应的指示器。