新能源转换与控制技术考试习题

《新能源转换与控制技术》复习题（研 2014 级）

一、基本概念题

（ 1）什么是一次能源？什么是二次能源？两者的区别是什么？

一次能源（Primary energy）是指自然界中以原有形式存在的、未经加工转换的能量资源。又称天然能源。包括化石燃料（如原煤、原油、天然气等）、核燃料、生物质能、水能、风能、太阳能、地热能、海洋能、潮汐能等。一次能源又分为可再生能源和不可再生能源，前者指能够重复产生的天然能源，如太阳能、风能、水能、生物质能等，这些能源均来自太阳，可以重复产生；后者用一点少一点，主要是各类化石燃料、核燃料。20世纪70年代出现能源危机以来，各国都重视非再生能源的节约，并加速对再生能源的研究与开发。

二次能源是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源，包括电能、汽油、柴油、液化石油气，氢能等。二次能源又可以分为“过程性能源”和“合能体能源”，电能就是应用最广的过程性能源，而汽油和柴油是目前应用最广的合能体能源。二次能源亦可解释为自一次能源中，所再被使用的能源，例如将煤燃烧产生蒸气能推动发电机，所产生的电能即可称为二次能源。或者电能被利用後，经由电风扇，再转化成风能，这时风能亦可称为二次能源，二次能源与一次能源间必定有一定程度的损耗。

区别：

（ 2）风力异步发电机组的并网方式有哪几种？试作详细简述。

风力异步发电机组的并网方式主要有三种：直接并网、降压并网和通过晶闸管软并网。

1、直接并网

风力异步发电机组的直接并网的条件有两条：一是发电机转子的转向与旋转磁场的方向一致，即发电机的相序与电网的相序相同；二是发电机的转速尽可能接近于同步转速。其中第一条必须严格遵守，否则并网后，发电机将处于电磁制动状态，在接线时应调整好相序。第二条的要求不是很严格，但并网时发电机的转速与同步转速之间的误差越小，并网时产生的冲击电流越小，衰减的时间越短。风力异步发电机组直接并网的电路如图3－63所示，当风力机在风的驱动下起动后，通过增速齿轮将异步发电机的转子带到同步转速附近（一般为98%～100%）时，测速装置给出自动并网信号，通过自动空气开关完成合闸并网过程。

增速器

电网

风力机异步发电机

空气开关

2、降压并网是在发电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以降低并网时的冲击电流和电网电压下降的幅度，发电机稳定运行时，将接入的电阻等元件迅速从线路中切除，以免消耗功率。这种并网方式的经济性较差，适用于百千瓦级以上，容量较大的机组。

3、晶闸管软并网是在异步发电机的定子和电网之间通过每相串入一只双向晶闸管，通过控制晶闸管的导通角来控制并网时的冲击电流，从而得到一个平滑的并

网暂态过程，如图3－64所示。

电网增速器

异步发电机

风力机

晶闸管并网控制器

（ 3）详细简述能源的分类。

按来源分为3类：地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和

与原子核反应有关的能源。

①来自地球外部天体的能源（主要是太阳能）。

②地球本身蕴藏的能量。如原子核能、地热能等。

③地球和其他天体相互作用而产生的能量。如潮汐能。

按能源的基本形态分类，有一次能源和二次能源。前者即天然能源，指在自然界

现成存在的能源，如煤炭、石油、天然气、水能等。后者指由一次能源加工转换

而成的能源产品，如电力、煤气、蒸汽及各种石油制品等。

一次能源又分为可再生能源（水能、风能及生物质能）和非再生能源（煤炭、石油、天然气、油页岩等）。

二次能源则是指由一次能源直接或间接转换成其他种类和形式的能量资源，例如：电力、煤气、汽油、柴油、焦炭、洁净煤、激光和沼气等能源都属于二次能源。

（ 4）简述新能源及主要特征。

新能源是指传统能源之外的各种能源形式。它的各种形式都是直接或者间接地来

自于太阳或地球内部伸出所产生的热能。包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。

联合国开发计划署（UNDP）把新能源分为以下三大类：

①大中型水电；

②新可再生能源，包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能；

③穿透生物质能。

太阳能

（1）取之不尽，用之不竭。（2）在转换过程中不会产生危及环境的污染。（3）资源遍及全球，可以分散地、区域性地开采。（4）光伏发电是间歇性的。（5）光伏发电是静态运行。（6）光伏系统模块化。

核能

特点：辐射大,利用率高,对技术要求高；

核能的利用存在的主要问题：（1）资源利用率低；

（2）反应后产生的核废料成为危害生物圈的潜在因素；

（3）反应堆的安全问题尚需不断监控及改进；

（4）核不扩散要求的约束；

（5）投资费用仍然比常规能源发电高；

海洋能

洋能指蕴藏于海水中的各种可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能。

（1）在海洋总水体中的蕴藏量巨大。（2）它具有可再生性。（3）海洋能有较稳定与不稳定能源之分。（4）海洋能属于清洁能源

（2）风能

四大优点是：

蕴量巨大；可以再生；分布广泛；没有污染。

三大弱点是：

1、密度低。

2、不稳定。

3、地区差异大。

生物质能

（1）可再生性

（2）低污染性

（3）广泛分布性

（4）生物质燃料总量十分丰富

地热能

地球内部热源可来自重力分异、潮汐磨擦、化学反应和放射性元素衰变释放的能量等。

取之不尽，用之不竭

氢能

在众多新能源中，氢能以其重量轻、无污染、热值高、应用面广等独特优点脱颖而出，将成为21世纪的理想能源。氢能可以作飞机、汽车的燃料，可以用作推动火箭动力。

（1）非常清洁,不会对环境产生任何污染

（2）它在快速释放能量时,破坏和形成的键相对来说很少,具有高的反应速率常数和较快的电极过程动力学,可以用电化学方法释放它的能量。

二、分布式能源有哪些主要特征？目前分布式发电形式中公认的最具有发展前途的两种形式是什么？并分析其原因。

分布式能源（distributed energy sources）是指分布在用户端的能源综合利用系统。一次能源以气体燃料为主，可再生能源为辅，利用一切可以利用的资源；二次能源以分布在用户端的热电冷（植）联产为主，其他中央能源供应系统为辅，实现以直接满足用户多种需求的能源梯级利用，并通过中央能源供应系统提供支持和补充；在环境保护上，将部分污染分散化、资源化，争取实现适度排放的目标。

1、高效性

由于分布式能源可用发电后工质的余热来制热、制冷，因此能源得以合理的梯级利用，可根据自己所需来向电网输电和购电，从而可提高能源的利用效率(可达60%～90%)。

由于其投资回报的周期较短，因此投资回报率高，可降低一次性的投资和成本的费用；靠近用户侧的安装可就近供电，因此可降低网损(包括输电和配电网的网损)。

2、环保性

采用天然气做燃料或以氢气、太阳能、风能为能源，可减少有害物的排放总量，减轻环保的压力；大量的就近供电减少了大容量远距离高电压输电线的建设，由此减少了高压输电线的电磁污染，也减少了高压输电线的线路走廊和相应的征地面积，减少了对线路下树木的砍伐。分布式能源系统由于实现了优质能源梯级合理利用，能效可达80%以上，超过燃煤火电机组一倍，SO2和固体废弃物排放几乎为零，温室气体（CO2）减少50%以上，NOx减少80%，TsP减少95%，占地面积与耗水量减少60%以上。

3、能源利用的多样性

由于分布式能源可利用多种能源，如洁净能源(天然气)、新能源(氢)和可再生能源(生物质能、风能和太阳能等)，并同时为用户提供电、热、冷等多种能源应用方式，因此是节约能源、解决能源短缺、能源危机和能源安全问题的一种很好的途径。

风力发电和光伏发电

风力是一种蕴藏丰富而又洁净的自然能源，没有环境污染问题。建造风力发电厂的费用低廉。利用风力发电不需火电所需的煤、石油等燃料或核电站所需的核材料即可产生电力，除常规保养外，没有其他任何消耗。风力发电技术已经成熟，市场前景广阔。

太阳能资源十分丰富，并且分布十分广泛，是极具发展潜力的可再生清洁能源。现在，全球环境污染以及资源短缺的问题已十分严峻，太阳能光伏发电的清洁、便利、安全等特点，使其成为全球最为关注和重点发展的产业。太阳能光伏有应用领域广、产品多样化、可适应多种需求的特点，并且改变了过去只能在电场发电的局限，可与建筑结合例如太阳能热水器、小型光伏系统、离网光伏系统等都可建在屋顶随着科学技术的发展太阳能电池及光伏系统的成随着科学技术的发展太阳能电池及光伏系统的成本持续下降。目前的研究趋势和目标是极力降低成本，使其不断向高效率、低成本的方向发展。

三、影响风力发电厂发电量的主要因素有哪些？试作详细分析。

根据风能转换的原理，风力发电机组的功率输出主要取决根据风能转换的原理，风力发电机组的功率输出主要取决于风速，但除此以外，气压、气温和气流扰动等因素也显著地影响其功率输出。

1、叶尖扰流器的影响

当风力机正常运行时，在液压系统的作用下，叶尖扰流器与桨叶主体部分精密地合为一体，组成完整的桨叶，当风力机需要脱网停机时、液压系统按控制指令将扰流器释放并使之旋转，形成阻尼板，叶尖扰流器是风力发电机组的主要制动器，每次制动时都是它起主要作用

2、低温对零部件的影响

例如传动系统中的齿轮箱、主轴等，承受冲击载荷，这类零部件需重点防止低温时的脆性断裂，提高材料和机件的多次冲击抗力。

3、风力发电场的规模大小

风能资源丰富的地区人口稀少，负荷量小，电网结构相对薄弱，风电功率的注入改变了电网的潮流分布，对局部电网风力发电的原动力是不可控的，它是否处于发电状态以及出力的大小都决定于风速的状况，风速的不稳定性和间歇性决定了风电机组的出力也具有波动性和间歇性的特点。的节点电压产生较大的影响，成为制约风电场规模的重要问题

4、桨叶调节的影响，当气流流经上下翼面形状不同的叶片时，因突面的弯曲而使气流加速，压力较低；凹面较平缓面使气流速度缓慢，压力较高，因而产生升力。的调节上下翼面压力差减小，致使阻力激增，升力减少，造成叶片失速，从面限制了功率的增加。

5、风资源多少的影响

6、风力机叶片的影响

风力机叶片受污染后 , 叶片表面的污染物影响气流的流动性 , 并过早的造成涡流 , 一般情况下会降低和损失输出功率 ,

四、从广义化概念讲，新能源利用主要包括哪些方面的内容，试举例作详细介绍。

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。

风能：一、风力发电二、风力提水三、风力致热

风力发电——风力发电经历了从独立发电系统到并网系统的发展过程，风的动能→风轮的机械能→电能→其他（铡草、粉碎、清选、干燥……）

太阳能：1、平板型太阳能集热器2、聚光型太阳能集热器3、太阳能热水器4、太阳房

燃料电池发电——美国每年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许多最先进的技术。日本也大力开展燃料电池及发电技术的研究。加拿大、韩国及欧洲许多国家也在燃料电池的研究与应用上取得了很大进展。 生物质发电——巴西作为开发生物质能源的强国，2004年以甘蔗为原料生产的酒精出口量已达20亿L ；并宣布于2004年11月批准在石油、柴油中添加2%的生物柴油，此比例数年内还将提高到5%；优先在最贫困的东北部地区种植蓖麻原料，生产生物柴油，以实现保障能源供给和农民脱贫的双重目的。 核能发电——由燃气轮机、余热锅炉和核反应堆、蒸汽轮机共同组成的发电循环系统。 工作原理：通过燃气轮机排出的烟气再为热核反应堆输出蒸汽。 燃气发电——压气机(空压机）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膨胀,推动叶片使机轴转动。燃气轮机首先被用于飞机、火车和高速海轮的动力驱动中。 根据用户用能性质、资源配置等不同情况，由燃气管网将天然气、煤层气、地下气化气、生物沼气等一切可以利用的资源就近送达用户。由小型燃机、微型燃机、内燃机、外燃机等各种传统的和新型发电装置组成热电联产或分布式能源供给系统。 海洋能发电：潮汐能发电原理及应用 向水库注水； ② 等候，直至水库中的水到退潮，这样使库内外产生一定的水头； ③ 将水库中的水通过水轮机放入大海中，直到海水涨潮，海水水头降到最低工作点为止； ④ 第二次涨潮时重复以上工作步骤。 五、 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。

发电机功率

—

功率给定 +

转速给定+ —

发电机转速 功率

控制器 速度

控制器

节距 控制器 变距 机构 风轮 增速器 发电机

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。

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。

六、绘制太阳能电池的工作原理示意图，并分析其工作原理。

太阳能电池原理

太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应，将太阳辐射直接转换为电能。

所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，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。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半导体光伏效应的效率最高。

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。

七、MPPT 在光伏发电系统中的含义是什么？针对 MPPT 在理论上的实现方法和实际中的典型实现方法的不同，分别分析其基本原理

光伏阵列的最大功率点控制

最大功率点控制(MPPT)是通过对光伏阵列的功率环进行控制，实现光伏阵列的最大功率输出，同时实现对光伏电池板的温度补偿，使系统具有较好的稳态性能。

为使光伏阵列所产生的直流电源逆变成交流电后向公共电网并网供电，就必须对逆变器的输出波形实时跟踪控制，使逆变器的输出电压波形、幅值及相位等与公共电网的一致，实现无扰动平滑并网供电

主要的控制策略有瞬时比较PWM控制方式、定时比较PWM控制方式、三角波比较PWM控制方式和瞬时值反馈控制方式等。

1)瞬时比较PWM控制方式

瞬时比较PWM控制方式又称电流滞环PWM，(CHB—PWM)控制，它的工作原理是把电流实际值与参考电流相比较，其偏差通过电流滞环的比较器，产生相应的开关信号，驱动逆变器主开关器件的导通与关断，从而实现对输出电流的控制。这种方法硬件电路简单，电流响应快，电流跟踪误差范围固定，但逆变器开关器件的开关频率是变化的，在电流值小的时候固定的滞环宽度会使电流的相对误差加大，而在电流大的时候又可能使功率器件的开关频率过高，导致损耗增大，甚至损坏器件。

(2)定时比较PWM控制方式

定时比较PWM控制是利用一个定时控制的比较器，在每个时钟周期对电流误差进行判断，产生相应的控制信号，改变逆变器的主开关器件的通断状态，从而实现对输出电流的控制。这种方法硬件也比较简单，主开关器件的开关频率是固定的，且不超过时钟频率的一半，其缺点是输出电流的误差不是固定的

(3)三角波比较PWM控制方式

三角波比较PWM控制是将电流误差值经过比例积分放大器处理后与三角波进行比较，利用相交点产生相应的on-off控制信号，改变逆变器主开关器件的通断状态，从而使电流误差为最小。这种方法电流误差最小，控制精度较高，但硬件较复杂，电流响应比瞬时值比较方式慢，且输出包含载波频率段的高次谐波。 (4)瞬时值反馈控制方式

瞬时值反馈控制是通过负反馈，使输出电流的反馈量(实际值)更加接近给定量(参考值)，同时抑制原开环系统参数变化或扰动所引起的偏差。这种方法可以消除由于死区因素而引起的波形畸变，但主开关器件的工作频率比较高，要求采样频率不能过高。

八、简述风光互补发电系统的结构与特点，绘制风光混合系统的结构图，并简述其工作原理。

风光互补发电系统是由风力发电、太阳能电池发电、储能设备组成的；其系统能量输出是由风力发电机组发电和光伏发电共同提供的，即系统是以风能和太阳能作为动力源泉，系统的特点由风能与太阳能的特点决定。

风光互补发电系统主要由以下几部分子系统构成：风力发电机组和光伏电板组成的发电系统；蓄电池按照串并排行组成的蓄能系统；电缆、整流器、逆变器、开关等组成电量传输系统；控制器、电压电流检测器等组成的控制系统；交流电器、直流电器组成的负载系统。

特点：取之不尽、用之不竭，使用方便，环境污染小，能量密度低，间歇性，不稳定性和不可控性。风力发电机组是风光储互补发电系统的核心设备之一，其作用是对风能进行吸收和转化，最终输出电能

太阳能电池是将辐射到其表面光能转换为电能的设备，是太阳能发电的核心器件。在独立运行的独立运行的风电系统多采用蓄电池蓄能的方式。逆变器是风光储互补发电系统的电能变换设备，是将直流电变换为交流电的设备。其工作原理是利用半导体功率开关器件的开通与关断，实现直流电变换为交流电的一种电力电子设备

风光互补发电系统的实物示意图见

风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和

光伏发电系统联合向负载供电三种方式。

九、绘制基于可再生能源的分布式发电系统结构图，并作详细的原理分析说明。

十、绘制沼气燃料电池的工作原理示意图，说明其结构组成，分析其工作原理。

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。

十一、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4-47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。

十二、绘制微型燃气轮发电机组的电能变换与控制的结构框图，分析其结构组成和工作原理。

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。

十三、为什么说微型燃气轮机热电联产代表了21 世纪能源利用的潮流？

对驱动电流的要求。