新能源發電與控制技術復習題

、填空題

1.一次能源是指直接取自自然界沒有經過加工轉換的各種能量和資源。

2.二次能源是指由一次能源經過加工轉換以后得到的能源產品。

3.終端能源是指供給社會生產、非生產和生活中直接用于消費的各種能源。

4.典型的光伏發電系統由光伏陣列、蓄電池組、控制器、電力電子變換器和負載等組成。

5.光伏發電系統按電力系統終端供電模式分為獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統。

6.風力發電系統是將風能轉換為電能，由機械、電氣和控制3大系統組合構成。

7.并網運行風力發電系統有恒速恒頻方式和變速恒頻方式兩種運行方式。

8.風力機又稱為風輪，主要有水平軸風力機和垂直軸風力機。

9.風力同步發電機組并網方法有自動準同步并網和自同步并網。

10.風力異步發電機組并網方法有直接并網、降壓并網和通過晶閘管軟并網。

11.風力發電的經濟型指標主要有單位千瓦造價、單位千瓦時投資成本、財務內部收益率、

財務凈現值、投資回收期和投資源利潤率。

12.太陽的主要組成氣體為氫80%和氮19%。

13.太陽的結構從中心到邊緣可分為核反應區、輻射區、對流區、和太陽大氣。

14.太陽能的轉換與應用包括了太能能的采集、轉換、儲存、傳輸、與應用。

15.光伏發電是根據光生伏特效應原理，利月太陽電池將太陽光能直接轉化為電能。

16.光伏發電系統主要由太陽電池板、控制器、和逆變器3大部分組成。

17.太陽電池主要有單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池、非晶硅太陽電池、硫化鎘太陽電池、

與銅錮硒太陽電池5種類型。

18.生物質能是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉化為化學能而儲存在生物質內部的能

量。

19.天然氣是指地層內自然存在的以碳氫化合物為主體的可燃性氣體。

20.燃氣輪機裝置主要由燃氣輪機、壓氣機和燃燒室3部分組成。

自然界中的水體在流動過程中產生的能量，稱為水能，它包括位能、壓能和

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動能3種形式。

二、水能的大小取決于兩個因素：河流中水的流量和水從多高的地方留下來。

三、簡答題

1.簡述能源的分類？

固體燃料、液體燃料、氣體燃料、水能、核能、電能、太陽能、生物質能、風能、

海洋能、地熱能。一次能源、二次能源，終端能源，可再生能源和非可再生能源，新

能源與常規能源，商品能源與非商品能源。

什么是一次能源？

一次能源是指直接取自自然界沒有經過加工轉換的各種能量和資源。

什么是二次能源？

二次能源是指由一次能源經過加工轉換以后得到的能源產品。

2.簡述新能源及主要特征。

新能源是指技術上可行，經濟上合理，環境和社會可以接受，能確保供應和替代常

規化石能源的可持續發展能源體系。廣義的新能源包含兩個方面：1.新能源體系包括可

再生能源和地熱能，氫能，核能；2.新能源利用技術，包括高效利用能源，資源綜合利

用，替代能源，節能等。

5.從廣義化概念講，新能源利用主要包括哪3個方面的內容？

答：①綜合利用能源。以提高能源利用效率和技能為目標，加快轉變經濟增長方式;

②替代能源。以發展煤炭潔凈燃燒技術和煤制油產業為目標，降低對石油進口的依

賴；

3.③新能源轉換。大力發展以可再生能源為主的新能源利用體系，調整、優化能源結構。

4.簡述分布式能源及主要特征。

由下列發電系統組成，這些系統能夠在消費地點或很近的地方發電，并具有：高效地

利用發電產生的廢能生產熱和電；現場端德可再生能源系統；包括利用現場廢氣、

廢熱及多余壓差來發電的能源循環利用系統。

5.特征：高效性、環保性、能源利用的多樣性、調峰作用、安全性和可靠性、減少國家輸配電

投資、解決邊遠地區供電。

6.簡述風產生的原理。

風是地球上的一種自然現象，是太陽能的一種轉換形式，它由太陽輻射熱和地球自轉、公轉和地

表差異等原因引起的，大氣是這種能源轉換的媒介，地球表面被大氣層所包圍，當太陽輻射能穿

越地球大氣層照射到地球表面時，太陽將地表的空氣加溫，空氣受熱膨脹后變輕上升，熱空氣上

升冷空氣橫向切入，由于地球表面各處受熱不同，使大氣產生溫差形成氣壓梯度，從而引起大氣

的對流運動，風是大氣對流運動的表現形式。

7.簡述風力發電機組的分類。

8.從風輪軸的安裝形式上：水平軸、垂直軸；按功率：微型、小型、中型、大型；按運行方式:

獨立運行、并網運行。

9.簡述變速恒頻風力發電系統的控制策略。

10.低于額定風速時，跟蹤最大風能利用系數，以獲得最大能量；高于額定風速時,

跟蹤最大功率，并保持輸出功率穩定。

風力同步發電機組的并網條件有哪些？

波形相同、幅值相同、頻率相同、相序相同、相位相同。

影響風力發甩場發耳量的因素主要有哪些？

風能資源；風力發電機的排列；發電機的選擇；風力發電場的運行管理水平。

11.簡述光伏發電系統的孤島效應。

12.當分散的電源如光伏發電系統從原有的電網中斷開后，雖然輸電線路已經斷開,

但逆變器仍在運行，逆變器失去了并網賴以參考的公共電網電壓，這種情況稱之

為孤島效應

13.簡述光伏發電系統的最大功率點跟蹤控制。

14.實時檢測光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預測當前工作狀態下光伏陣列可能的

最大功率輸出，通過改變當前的阻抗來滿足最大功率輸出的要求，使光伏系統可以運行于最

佳狀態

生物質能通常包括哪六個方面？

1）木材及森林廢棄物；2）農作物及其廢棄物；3）水生植物；4）油料植物；5）城市和工業有機

廢棄物；6）動物糞便，

利用生物質能主要有哪幾種方法？

1）直接燃燒；物化轉換；生化轉換；植物油利用等方式。

15.簡述我國發展和利用生物質能源的意義及發展。

1）拓寬農業服務領域、增加農民收入；2）緩解我國能源短缺、保證能源安全；3）治

理有機廢棄物污染、保護生態環境；4）廣泛應用生物技術、發展基因工程。

發展：高效直接燃燒設備和技術，薪材集約化綜合開發利用，生物質能的利用，城市生活垃圾的

開發利用，能源植物的開發；

簡述我國生物質能應用技術主要哪幾個方面發展？

1）高效直接燃燒技術和設備；2）薪材集約化綜合開發利用；3）生物質能的液化、

氣化等新技術開發利用；4）城市生活垃圾的開發利用；5）能源植物的開發。

16.簡述燃氣輪機的工作原理。

17.壓氣機將空氣壓縮后送入燃燒室，再跟燃料混合后燃燒，產生大量的高溫高壓氣體，高溫高

壓燃氣被送入封閉的輪機裝置內，并膨脹，推動葉片使機軸轉動。

小型燃氣輪機發電的主要形式有哪幾種？

1）簡單循環發電；2）前置循環熱電聯產或發電；3）聯合循環發電或熱電聯產；4）

整體化循環；5）核燃聯合循環；6）燃機輔助循環；7）燃氣煙氣聯合循環；8）燃

氣熱泵聯合循環；燃料電池一一燃氣輪聯合循環

18.我國水力資源有哪些特點？

1）水力資源總量較多，但開發利用率低；2）水力資源分布不均，與經濟發展不匹配；3）大多數

河流年內、年際徑流分布不均；4）水力資源主要集中于大江大河，有利于集中開發和規模外送。

典型的水電站主要日哪幾部分組成？

1）水工建筑物：包括大壩，引水建筑物和泄水建筑物；2）水輪發電機組：水掄機，發電機，主

軸及控制系統等；3）廠房；4）變電所；輸電線。

四、分析問答題

1.分析雙饋異步發電機變速恒頻風力發電系統的工作原理。

圖I雙饋異步發電機變速恒頻風力發電系統

2.發電機的定子直接接在電網上，轉子繞組通過集電環經AC-AC或AC-DC-

AC變頻器與電網相連，通過控制轉子電流的頻率、幅值、相位和相序實現變速

恒頻控制。為實現變速，當風速變化時，通過轉速反饋系統控制發電機的電磁轉

矩，使發電機轉子轉速跟蹤風速的變化，以獲得最大風能。為實現恒頻輸出，當

轉子的轉速為n時，因定子電流的頻率fl=pn/60+-f2,由變頻器控制⑵以維持

fl恒定。當發電機轉子轉速低于同步速時，發電機運行在亞同步狀態，此時定子

向電網供電，同時電網通過變頻器向轉子供電，提供交流勵磁電流；當發電機轉

子轉速高于同步速時，發電機運行在超同步狀態，定、轉子同時向電網供電；當

轉子轉速等于同步轉速時，發電機運行在同步狀態，f2=0,變頻器向轉子提供直

流勵磁，定子向電網供電，相當于一臺同步發電機

從廣義化概念講，新能源利用主要包括哪3個方面的內容？

綜合利用能源。以提高能源利用效率和技術為目標，加快轉變經濟增長方式。2)替

代能源。以發展煤炭潔凈燃燒技術和煤制油產業為目標，降低對石油進口的依賴。3)

新能源轉換。大力發展以可再生能源為主的新能源體系，調整、優化能源結構。

3.分析籠型異步發電機變速恒頻風力發電系統的工作原理。

圖2籠型異步發電機變速恒頻風力發電系統

其定子繞組通過AC-DC-AC變頻器與電網相連，變速恒頻策略在定子電路中實

現。當風速變化時，發電機的轉子轉速和發電機發出的電能的頻率隨風速的變化而

變化，通過定子繞組和電網之間的變頻器將頻率變化的電能轉換為與電網頻率相同

的電能

4.分析同步發電機的變速恒頻風力發電系統的工作原理。（圖3-44）

圖3同步發電機變速恒頻風力發電系統

5.為了解決風力發電機中的轉子轉速和電網頻率之間的剛性耦合問題，在同步發

電機和電網之間加入AC—DC—AC變頻器，可以使風力發電機工作在不同的轉

速下，省去調速裝置。而且可通過控制變頻器中的電流或轉子中的勵磁電流來控

制電磁轉矩，以實現對風力機轉速的控制，減小傳動系統的應力，使之達到最佳

運行狀態。其中Pw為風力機的輸入功率；Pa為發電機的輸入功率；If為勵磁

電流。

6.分析無刷雙饋異步發甩機的變速恒頻風力發電系統的工作原理。

圖4無刷雙饋異步變速恒頻風力發電系統

7.磁場調制型無刷雙饋異步發電機的定子中的功率繞組直接與電網相連，控制繞組通過變頻

器與電網相連。P*和Q*分別為有功功率和無功功率的給定值，功率控制器根據功率給定與

反饋值及頻率檢測信號按一定的控制規律輸出頻率和電流的控制信號。其轉子轉速隨風速的

變化而變化，以保證系統運行在最佳工況下，提高風能轉化的效率。當發電機的轉速變化時,

由變頻器來改變控制繞組的頻率，以使發電機的輸出頻率與電網一致。

試分析大功率點跟蹤控制（MPPT）的控制算法中擾動觀察法的尋優過程，畫出其控制流程。

圖5擾動觀察法實現MPPT的過程

根據光伏陣列工作時不間斷地檢測電壓擾動量，即根據輸出電壓的脈動增量（+@U）

的輸出規律，測得陣列當前的輸出功率Pd,而被儲存的前一時刻輸出功率被記憶為

Pj,若Pd>Pj,則U=U+@U;若Pd<Pj,貝IIU=U—@Uo

9.答：由光伏陣列的P?U曲線可知，當輸出功率P為最大時，即Pmax處的斜率為零，可得，整

理可得，即為光伏陣列達到最大功率點的條件，即當輸出電壓的變化率等于輸出瞬態電導的

負值時，光伏陣列即工作于最大功率點。增量電導法就是通過比較光伏陣列的電導增量和瞬

間電導來改變控制信號，需要對光伏陣列的電壓和電流進行采樣。Un,In為檢測到光伏陣列

當前電壓、電流值,Ub,lb為上一控制周期的采樣值。程序讀進新值后先計算其與舊值之差,

在判斷電壓差是否為零；若不為零，在判斷式是否成立，若成立則表示功率曲線率為零，達

到最大功率點；若電導變化量大于負電導值，則表示功率曲線斜率為正,Ur值將增加；反之

Ur將減少。再來討論電壓差值為零的情況，這時可以暫不處理Ur,進行下一個周期的檢測,

直到檢測到電壓差值不為零。

下圖（圖5-4）所示為沼氣內燃機發電系統的典型工藝流程，試分析此工藝流程。

圖典型的沼氣內燃機發電系統的工藝流程

答：構成沼氣發電系統的主要設備有沼氣發電機組、消化池粗氣罐、供氣泵、沼氣

鍋爐、發電機和熱回收裝置。沼氣經脫硫器由貯氣罐供給燃氣發電機組，從而驅動與沼

氣內燃機相連接的發電機而產生電力。沼氣發電機組排出的冷卻水和廢氣中的熱量通過

熱回收裝置進行回收后，作為沼氣發生器的加溫熱源。從廢水處理廠出來的污泥進入一

次消化槽和二次消化槽，在消化槽中產生的沼氣首先經脫硫器進入球形貯氣罐，然后由

此輸送入沼氣發電裝置中。作為發電機組燃料的沼氣中甲烷的含量必須高于50%,不必

要進行二氧化碳的脫除，因為少量二氧化碳對發電機組有利，使其工作平穩，減少廢氣

中有毒物的含量。從發電裝置出來的廢沼氣進入熱交換器中，將熱量釋放出來，用來加熱

進行厭氧發酵的污泥，從而提高沼氣的發生率。

10.畫出垃圾焚燒發電控制的系統框圖，并分析其工作原理。

答：控制系統中的總協調控制器需要對垃圾焚燒全過程進行控制，包括控制方式的確定，并將逆

變器控制的方式下達逆變控制器，將燃燒狀態和要求下達燃燒控制器，起到整體的協調作用。逆

變控制器采集公司電網的電壓和相位等信號，并控制三相SPWM逆變器，實現同步并網，將發

動機所發出的交變電能換成與電網同頻率、同相位的交流電后，通過逆變匹配變壓器輸送到公共

供電網絡。而燃燒控制器采集相關的垃圾焚燒爐的溫度、鍋爐溫度與壓力、蒸汽輪機的轉速及工

作狀態，并控制焚燒爐排的進給速度，保持焚燒系統的穩定。

下圖（圖6-4）所示為微型燃氣發電機組控制與電源變換系統的總體結構，試分析介

紹其系統組成和工作原理。

答：系統主要由微型燃機、燃料增壓泵、中頻發電機、大功率變頻電源、蓄電池、

雙向DC-AC變換器、三相輸出隔離變壓器、自動控制系統和人機監控操作界面等環節

構成。

原理：在開機啟動階段，先斷開斷路器K2、使用戶負載與逆變電源變壓器一次側隔離，閉合斷

路器K1,將lOOkw三相DC-AC變換器的輸出和發動機相連，利用DC-AC變換器將蓄電池的

直流電逆變成三相中頻交流電啟動中頻發電機，此時發動機工作在電動狀態，驅動微型燃機渦輪

起動；lOOkw的三相主AC-DC變換器采用晶閘管可控整流模式，起動時控制系統將晶閘管觸發

延遲角a推到1800,使晶閘管處于截止狀態，lOOkw三相AC-DC變換器停止變換，蓄電池通過

雙向DC-AC變換器向lOOkw三相DC-AC變換器提供直流電源，由變換器把直流電逆變為

0?500Hz、400V的交流電，驅動發動機工作于電動運行模式，帶動微型燃機軟起動。起動結束后

K1斷開，發動機從電動狀態變為發電狀態，輸出500~1200Hz、400~900V的三相中頻交流電至

lOOkw三相DC-AC變換器；經AC-DC變換器可控整流為幅值恒定的直流電源，再經電容濾波

后，由lOOkw三相主DC-AC變換器將直流電壓逆變換為50Hz、400V的工頻電源；待完成起動

系統穩定工作后，K2閉合，主DC--AC逆變器通過三相隔離變壓器將50Hz、400V的工頻電能提

供給用戶負載或并入公共電網；此后，雙向DC-AC變換器從直流母線獲取電能向蓄電池充電,

蓄電池由放電轉為充電蓄能狀態，為下次起動儲備能量。

11.試分析潮汐能發電原理（圖87）。

高度

12.闡述電力系統中無功補償的作用及常用方法。

作用：1）減少電力損失,2）改善供電品質、提高功率因數；3）延長設備壽命。B.方法：1）

低壓個別補償。根據個別需要將單臺或多臺低壓無功補償設備分散地與用電設備并接；2）

低壓集中補償。將低壓無功補償設備通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側，根據低壓母

線上的無功負載直接控制無功補償設備的投切；3）高壓集中補償。指無功補償設備直接裝

在變電所6~10KV高壓母線上的補償方式。

1.繪制變槳距風力發電成組的控制系統框圖，并分析變槳距調節3個控制過程的基本

原理。

發電機功率

變槳距風力發電機組變槳距調節的3個控制過程：起動時的轉速控制，額定轉速以下（欠功率狀態）的不控制和

額定轉速以上（額定功率狀態）的恒功率控制。

a.起動時的轉速控制

變距風輪的槳葉在靜止時，槳距角B為90。，當風速達起動風速時，槳葉向0°方

向轉動，直到氣流對槳葉產生一定的攻角，風力機獲得最大的起動轉矩，實現風力發電

機的起動

b.額定轉速以下（欠功率狀態）的控制

為了改善低風速時的槳葉性能，近幾年來，在并網運行的異步發電機上，利用新技

術，根據風速的大小調整發電機的轉差率，使其盡量運行在最佳葉尖速比上，以優化功

率輸出。

c.額定轉速以上（額定功率狀態）的恒功率控制

當風速過高時.通過調整槳葉節距.改變氣流對葉片的攻角.使槳距角8向迎風面積減小的方向轉動一

個角度，B增大，功角a減小，如圖所示。從而改變風力發電機組獲得的空氣動力轉矩,使功率輸出保持在

額定值附近，這時風力機在額定點的附近具有較高的風能利用因數。

2.繪制太陽能電池的工作原理示意圖，并分析其工作原理。

太陽能電池的原理是基于半導體效應的光伏效應，將太陽輻射直接轉換為電能。所謂光伏效應是指物體在吸收光

能之后，其內部能傳導電流的載流子分布狀態和濃度發生變化，由此產生出電流和電動勢的效應。而且在這種發電過

程中，光伏電池本身不發生任何化學變化,也沒有機械磨損，因而在使用中無噪聲、無氣味，對環境無污染。當光照

射到pn結上時，產生電子-空穴對，在半導體內部P-N結附近生成的載流子沒有被復合而到達空間電荷區，受內部電

場的吸引，電子流入n區，空穴流入p區，結果使n區儲存了過剩的電子,p區有過剩的空穴。它們在p-n結附近形成與

勢壘方向相反的光生電場。光生電場除了部分抵消勢壘電場的作用外，還使p區帶正電，N區帶負電，在N區和P區之

間的薄層就產生電動勢，從而產生電能。

5.分析同步發電機的變速恒頻風力發電系統的工作原理。

答：為了解決風力發電機中的轉子轉速和電網頻率之間的剛性耦合問題，在同步發

電機和電網之間加入AC—DC—AC變頻器，可以使風力發電機工作在不同的轉速下，省

去調速裝置。而且可通過控制變頻器中的電流或轉子中的勵磁電流來控制電磁轉矩，以

實現對風力機轉速的控制，減小傳動系統的應力，使之達到最佳運行狀態，其中Pw為風

力機的輸入功率；Pa為