新能源发电与控制技术复习题完整版.pdf

新能源发电与控制技术 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 自动准同期并网 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 晶闸管软并网 。 11. 太阳的主要组成气体为 氢 和 氦 。 12. 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 。 13. 太阳能的转换与应用包括了太能能的 采集 、转换 、 储存 、运输 与 应用 。 14. 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。 15. 光伏发电系统主要由 太阳电池组件 ，中央控制器、充放电控制器、逆变器 和 蓄电池、 蓄能元件及辅助发电设备 3 大部分组成。 16. 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。 17. 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。 18. 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。 19. 燃气轮机装置主要由 燃烧室 、 压气机 和 轮机装置 3 部分组成。 二、简答题 1. 简述能源的分类？ 答：固体燃料、液体燃料、气体燃料、水力、核能、电能、太阳能、生物质能、风能、海洋能、地 热能、核聚变能。还可以分为：一次能源、二次能源、终端能源，可再生能源、非可再生能源，新能源、 常规能源，商品能源、非商品能源。 2. 什么是一次能源？ 所谓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,它包括：原煤、原油、天然 气、油页岩、核能、太阳能、水力、风力、波浪能、潮汐能、地热、生物质能和海洋温差能等等. 3. 什么是二次能源？ 由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品,称为二次能源,例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴 油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等. 4. 简述新能源及主要特征。 答：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。新能源的关键是准对传统能源利用方式的先进性和替代性。广义化的新能源体系 主要包涵两个方面:、新能源体系包括可再生能源和地热能，氢能，核能；、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。 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：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； 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； 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。 6. 简述分布式能源及主要特征。 答：分布式能源定义为：发电系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：高效的利用发电 产生的废能生产热和电；现场端的可再生能源系统；包括利用现场废气、废热以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。 7. 简述风产生的原理。 答：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。 8. 简述风力发电机组的分类。 从风轮轴的安装形式上可分为水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组两种； 按风力发电机的功率 来分可分为四种，分别为微型、小型、中型、和大型风力发电机组；按运行方式来分可分为独立运行和并 网运行两种方式的风力发电机组。 9. 简述变速恒频风力发电系统的控制策略。 答：变速恒频风力发电系统的基本控制策略一般确定为：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。 10. 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。 11. 影响风力发电场发电量的因素主要有哪些？ 答：影响发电量的因素主要有：风电场的风能资源；风电场风力发电机的排列应合理；发电 机的选型；风力发电场的运行管理水平。 12. 简述光伏发电系统的孤岛效应。 答：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。 13. 简述光伏发电系统的最大功率点跟踪控制。 答：最大功率点跟踪控制（MPPT）是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 可以运行于最佳工作状态。 14. 生物质能通常包括哪六个方面？ 答：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。 15. 利用生物质能主要有哪几种方法？ 答：1、直接燃烧方式；2、物化转换方式；3、生化转换方式；4、植物油利用方式。 16. 简述我国发展和利用生物质能源的意义。 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； 意义：拓宽农业服务领域、增加农民的收入，缓解我国能源短缺、保证能源安全，治理有机废弃物污 染、保护生态环境，广泛应用生物技术、发展基因工程。 17. 简述我国生物质能应用技术主要哪几个方面发展？ 答：1、高校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。 18. 简述燃气轮机的工作原理。 答：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。 19. 小型燃气轮机发电的主要形式有哪几种？ 答：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；9、燃料电池 燃气轮机联合循环。 三、分析问答题 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，桨距角为 90，当风速达起动风速时，桨叶向 0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 向迎风面积减小的方向转动一 个角度，增大，功角 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。 3. 分析双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的工作原理。 图双馈异步发电机变速恒频风力发电系统：P105。图 3-58 答：工作原理可概括：发电机的定子直接连接在电网上，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 了实现变速，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/60f2，由变频 器控制转子电流的频率 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。 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 同步发电机变速恒频风力发电系统：P102 图 3-54 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 ACDCAC 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。 无刷双馈异步变速恒频风力发电系统图 P106 图 3-59 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。 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。 PP139 4-26 图扰动观察法实现 MPPT 的过程 答：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 PdPj，则 U=U+U；若 Pd-I/U? Ur-UUrUr+UUr dI=0? dI 0? Ur-UUrUr+UUr Ub=Un Ib=In 结束 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。 储 气 沼气 沼气 热水冷水 污泥消化池加热蒸 排气 给水泵 消音器 交流发电 冷 却 供 气 污泥投入 软水池 沼气发动 消 化 沸热锅炉 沼气锅炉 蒸汽平衡箱 给水预热 蒸汽送出 典型的沼气内燃机发电系统的工艺流程图 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。 9. 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。 10. 下图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。 微型燃气发电机组控制与电源变换系统的总体结构图 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 0500Hz、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 5001200Hz、400900V 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。 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