《新能源發(fā)電與控制技術(shù) 第4版》-顏文旭 習(xí)題及解答

習(xí)題與思考題—參考答案第1章1.1簡要說明我國的能源結(jié)構(gòu)。答：我國的能源結(jié)構(gòu)仍是以煤為主，煤多油、氣少是我國能源儲存結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，煤炭仍將是當(dāng)前和今后我國能源供給及消費(fèi)的最重要組成部分。以煤炭為主要能源且直接進(jìn)行燃燒，因燃燒不充分、燃燒工藝落后，造成環(huán)境污染嚴(yán)重、效率低下、浪費(fèi)驚人。隨著非化石能源在一次能源消費(fèi)占比的增加，我國的能源結(jié)構(gòu)在不斷優(yōu)化，可再生能源發(fā)電裝機(jī)比重不斷增長，連續(xù)穩(wěn)居全球前列。1.2說明我國能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，簡要解釋“雙碳目標(biāo)”是什么？答：我國能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略是以開源、節(jié)流、減排為重點(diǎn)，大力發(fā)展風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿?，不斷提高非化石能源消費(fèi)比重，調(diào)整優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，著力提高能源效率，推進(jìn)能源綠色發(fā)展?！半p碳目標(biāo)”即國家實(shí)現(xiàn)“二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，面對氣候變化問題要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。1.3簡述能源的基本特征以及新能源的主要特征。答：能源的基本特征是重要性及多樣性，無論是一次能源還是二次能源，能源是國民經(jīng)濟(jì)、工業(yè)生產(chǎn)及社會生活的基礎(chǔ)。新能源的主要特征是可持續(xù)發(fā)展的能源體系。包括①新能源體系，包括可再生能源（風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能、水能、海洋能）和地?zé)崮堋淠?、核能；②新能源利用技術(shù)，包括高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)。1.4說明分布式能源的主要特征。答：分布式能源的主要特征有：高效性、環(huán)保性、能源利用的多樣性、調(diào)峰作用、安全性和可靠性、減少國家輸配電投資、解決邊遠(yuǎn)地區(qū)供電。1.5簡述儲能技術(shù)及其主要形式有哪些。答：儲能技術(shù)主要是指能量的儲存技術(shù)，特別是電能的儲存。儲能技術(shù)可分為物理儲能、電化學(xué)儲能、電磁儲能和混合儲能。物理儲能包括抽水蓄能、飛輪儲能和壓縮空氣儲能。電化學(xué)儲能包括各類電池儲能。電磁儲能包括超級電容器儲能和超導(dǎo)儲能。混合儲能有氫熱儲能、水蓄熱儲能、熔融鹽儲能、相變儲能、電轉(zhuǎn)氣地質(zhì)儲能等。按應(yīng)用場景可分為電源側(cè)儲能、電網(wǎng)側(cè)儲能和用戶側(cè)儲能。1.6試說明新能源發(fā)電常用的控制方法有哪些？答：在新能源發(fā)電的電能變換中常用控制方法有：比例（PI）控制、比例諧振（PR）控制、重復(fù)控制、無差拍控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等。1.7試說明分布式能源控制中常用的控制策略有哪些？答：分布式能源控制策略有：恒壓頻（VF）控制策略、恒功率（PQ）控制策略、下垂（Droop）控制策略、虛擬同步發(fā)電（VSG）控制策略等。第2章2.1電力電子器件的驅(qū)動電路對整個(gè)電力電子裝置的影響有哪些？答：電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個(gè)裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動電路可使電力電子器件工作在比較理想的開關(guān)狀態(tài)，可縮短開關(guān)時(shí)間，減少開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有著重要意義。另外，對電力電子器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往就將近設(shè)在驅(qū)動電路中，或者通過驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)，這使得驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)更為重要。2.2電力電子器件過電壓保護(hù)和過電流保護(hù)各有哪些主要方法？答：過電壓保護(hù)主要方法有避雷器過電壓抑制、各種RC過電壓抑制、非線性元件過電壓抑制等方法；過電流保護(hù)主要方法有電路過流保護(hù)、快速熔斷器過流保護(hù)、快速斷路器過流保護(hù)和過流繼電器過流保護(hù)等方法。2.3在高壓變流裝置中，晶閘管串聯(lián)使用以提高耐壓，其均壓措施有哪些？答：靜態(tài)均壓措施：1.選用參數(shù)和特性盡量一致的器件；2.RP的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多；動態(tài)均壓措施包括：1.選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件；2.用并聯(lián)RDCD支路作動態(tài)均壓；3.采用門極強(qiáng)脈沖觸，可以顯著減小器件開通時(shí)間的差異。2.4換流方式有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？答：換流方式有4種：器件換流,利用全控器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流.全控型器件采用此換流方式.電網(wǎng)換流,由電網(wǎng)提供換流電壓,只要把負(fù)的電網(wǎng)電壓加到欲關(guān)斷的器件上即可.負(fù)載換流,由負(fù)載提供換流電壓,當(dāng)負(fù)載為電容性負(fù)載即負(fù)載電流超前于負(fù)載電壓時(shí),可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流.強(qiáng)迫換流,設(shè)置附加換流電路,給欲關(guān)斷的晶閘管施加反向電壓換流稱為強(qiáng)迫換流.通常是利用附加電容上的能量實(shí)現(xiàn)的,也稱電容換流.2.5什么是逆變失敗？如何防止逆變失??？答：逆變失?。耗孀冞\(yùn)行時(shí)，一旦發(fā)生換流失敗，外接的直流電源就會通過晶閘管電路形成短路，或者使變流器的輸出平均電壓和直流電動勢變?yōu)轫樝虼?lián)，由于逆變電路內(nèi)阻很小，形成很大的短路電流，稱為逆變失敗或逆變顛覆。防止逆變失敗的方法有：采用精確可靠的觸發(fā)電路；使用性能良好的晶閘管；保證交流電源的質(zhì)量；留出充足的換向裕量角β等。2.6造成逆變失敗的原因有哪些？答：觸發(fā)電路工作不可靠：觸發(fā)電路不能適時(shí)地，準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失，脈沖延遲等，致使晶閘管工作失常。晶閘管發(fā)生故障：在應(yīng)該阻斷期間，元件失去阻斷能力；或在應(yīng)該導(dǎo)通時(shí)刻，元件不能導(dǎo)通。換相的裕量角不足：存在重疊角或給逆變工作帶來不利的后果。交流電源發(fā)生異常現(xiàn)象：在逆變運(yùn)行時(shí)，可能出現(xiàn)交流電源突然斷電，缺相或電壓過低等現(xiàn)象。2.7試述脈沖寬度調(diào)制(PWM)基本原理。答：控制方式就是對逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。重復(fù)控制的優(yōu)缺點(diǎn)？答：重復(fù)控制由于利用擾動的重復(fù)性來逐周期地修正輸出波形，使系統(tǒng)既無需進(jìn)行多個(gè)變量的采樣，也不用很高的控制速度和很復(fù)雜的算法，就可達(dá)到很高的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。其優(yōu)勢在于軟硬件成本低廉，易于實(shí)施。重復(fù)控制的不足表現(xiàn)在動態(tài)響應(yīng)超過一個(gè)基波周期。2.9無差拍控制的優(yōu)缺點(diǎn)？答：無差拍控制突出的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，其缺點(diǎn)也十分明顯：無差拍控制效果取決于模型估計(jì)的準(zhǔn)確程度，實(shí)際上無法對電路模型做出非常精確的估計(jì)，而且系統(tǒng)模型隨負(fù)載不同而變化，系統(tǒng)魯棒性不強(qiáng)；其次，無差拍控制極快的動態(tài)響應(yīng)既是其優(yōu)勢，又導(dǎo)致了其不足，為了在一個(gè)采樣周期內(nèi)消除誤差控制器瞬態(tài)調(diào)節(jié)量較大，一旦系統(tǒng)模型不準(zhǔn)，很容易使系統(tǒng)輸出振蕩，不利于安全穩(wěn)定運(yùn)行。第3章3.1簡要說明風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電原理。答：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的原理是將風(fēng)中的動能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，以固定的電能頻率輸送到電網(wǎng)中。3.2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率調(diào)節(jié)的作用是什么？答：功率調(diào)節(jié)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一。一般情況下，風(fēng)發(fā)電機(jī)組在超過12~16m/s以后，由于機(jī)械強(qiáng)度與發(fā)電機(jī)、電力電子容量等物理器件性能的限制，必須降低風(fēng)輪的能量捕獲，使功率輸出仍然保持在額定值附近。這樣也同時(shí)限制了葉片承受的負(fù)荷和整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)受到的沖擊，從而保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)安全。3.3限制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率的主要因素有哪些？答：當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率可以表示為在實(shí)際工作過程中，系數(shù)Cp與風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速、以及風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)有關(guān)，一般情況下，CP=CP（β，λ）。其中λ為葉尖速比，即風(fēng)輪的葉尖速度與風(fēng)速之比，β為槳距角。故風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率主要受三個(gè)因素的影響，即：（1）、風(fēng)速：V（2）、槳距角：β（3）、葉尖速比：λ3.4變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)與定槳距失速風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)的根本區(qū)別是？答：變速恒頻風(fēng)電機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速被允許根據(jù)風(fēng)速情況在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)變化，從而使機(jī)組獲得最佳的功率輸出變現(xiàn)和控制特性。但定槳距失速控制系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的槳葉與輪轂是固定的，當(dāng)風(fēng)速變化是，槳葉的迎風(fēng)角度不能變化，風(fēng)力機(jī)的功率調(diào)節(jié)完全依靠葉片的氣動特性。3.5簡述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。答：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方法有兩種，一是自動準(zhǔn)同步并網(wǎng)，二是自同步并網(wǎng)。自動準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式優(yōu)點(diǎn)是在并網(wǎng)的瞬間不會產(chǎn)生沖擊電流，電網(wǎng)電壓不會下降，也不會對定子繞組和其他機(jī)械部件產(chǎn)生沖擊，缺點(diǎn)是實(shí)際工作場景下，控制與操作復(fù)雜、費(fèi)時(shí)。自同步并網(wǎng)方式優(yōu)點(diǎn)是在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)不需要對發(fā)電機(jī)的電壓和相角進(jìn)行調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，控制簡單，并且從原理上消除了不同步合閘的可能，缺點(diǎn)是，這種合閘后有電流沖擊和電網(wǎng)電壓的短時(shí)下降現(xiàn)象。3.6設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)控與運(yùn)維系統(tǒng)的意義是什么？答：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命通常是20年，但我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般需要穩(wěn)定運(yùn)行8年以上才能回收成本。對機(jī)組增加監(jiān)控與運(yùn)維系統(tǒng)有助于評估設(shè)計(jì)的優(yōu)劣和監(jiān)控機(jī)組的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，提高運(yùn)維效率。第4章4.1并網(wǎng)光伏電站的發(fā)電量主要與哪些因素有關(guān)？當(dāng)建造地點(diǎn)和容量確定后，如何提高光伏電站的發(fā)電量？答：(1)太陽輻射量。在太陽電池組件的轉(zhuǎn)換效率一定的情況下，光伏系統(tǒng)的發(fā)電量是由太陽的輻射強(qiáng)度決定的，太陽輻射量與發(fā)電量呈正相關(guān)關(guān)系。太陽的輻射強(qiáng)度、光譜特性是隨著氣象條件而改變的。(2)組件的傾斜角度。同一地區(qū)不同安裝角度的傾斜面輻射量不一樣，傾斜面輻射量可通過調(diào)整電池板傾角（支架采用固定可調(diào)式）或加裝跟蹤設(shè)備（支架采用跟蹤式）來增加。(3)組件的效率。太陽能光伏電池主流的材料是硅，硅材料轉(zhuǎn)化率的經(jīng)典理論極限是29%。而在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造的記錄是25%，2021年美國組件市場效率排名：隆基、阿特斯、晶澳、日升、賽拉弗、天合、尚德、英利、晶科。隆基和晶澳組件的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)21.50%和21.30%。(4)逆變器容量配比。逆變器容量配比指逆變器的額定功率與所帶光伏組件容量的比例。由于光伏組件的發(fā)電量傳送到逆變器，中間會有很多環(huán)節(jié)造成折減，且逆變器、箱變等設(shè)備大部分時(shí)間是沒有辦法達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的，因此，光伏組件容量應(yīng)略大于逆變器額定容量。(5)組合損失。組件串聯(lián)會由于組件的電流差異造成電流損失，組串并聯(lián)會由于組串的電壓差異造成電壓損失。為了減少組合損失，可以在電站安裝前嚴(yán)格挑選電流一致的組件串聯(lián)。組件的衰減特性盡可能一致。(6)組件遮擋。組件遮擋包括灰塵遮擋、積雪遮擋、雜草、樹木、電池板及其他建筑物等遮擋，遮擋會降低組件接收到的輻射量，影響組件散熱，從而引起組件輸出功率下降，還有可能導(dǎo)致熱斑。(7)組件功率衰減。組件功率的衰減是指隨著光照時(shí)間的增長，組件輸出功率逐漸下降的現(xiàn)象。組件衰減與組件本身的特性有關(guān)。其衰減現(xiàn)象可大致分為三類：破壞性因素導(dǎo)致的組件功率驟然衰減；組件初始的光致衰減和組件的老化衰減。目前萊拓選用的組件都是全球一線品牌，組件現(xiàn)行功率質(zhì)保25年。(8)線纜的電阻。光伏電站的線纜有嚴(yán)格的選型要求，和環(huán)境、走線、長度都有很密切的關(guān)系。(9)光伏連接器。很多光伏電站出現(xiàn)問題都是光伏連接器的問題，應(yīng)選用電阻小、精密度高的產(chǎn)品，并且安裝的時(shí)候要用專用的工具。(10)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。光伏發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)備故障停機(jī)直接影響電站的發(fā)電量，如逆變器以上的交流設(shè)備若發(fā)生故障停機(jī)，那么造成的損失電量將是巨大的。另外，設(shè)備雖然在運(yùn)行但是不在最佳性能狀態(tài)運(yùn)行，也會造成電量損失。4.2為什么太陽電池方陣應(yīng)盡量朝向赤道傾斜放置？答：讓太陽光盡量垂直照射太陽能電池，提高光照的利用率。4.3太陽能電池板的數(shù)學(xué)模型及等效電路模型是什么？答：太陽能電池等效電路，模擬電池及其負(fù)載系統(tǒng)的等效電路。以描述太陽能電池的工作狀態(tài)。在恒定光照下，處于工作狀態(tài)的太陽電池的光電流不隨工作狀態(tài)而變化，在等效電路中可看作為恒流源，把光照下的p-n結(jié)看作一個(gè)理想二極管和恒流源并聯(lián)，恒流源的電流即為光生電流，光電流一部分流經(jīng)外負(fù)載，在負(fù)載兩端建立起端電壓，反過來它又正向偏置于p-n結(jié)二極管，引起一股與光電流方向相反的暗電流。4.4光伏逆變器為什么需要MPPT控制？答：由于太陽能電池收到光強(qiáng)以及環(huán)境等外界因素的影響，其輸出功率是變化的，光強(qiáng)發(fā)出的電就多，帶MPPT最大功率跟蹤的逆變器就是為了充分的利用太陽能電池，使之運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。也就是說在太陽輻射不變的情況下，有MPPT后的輸出功率會比有MPPT前的要高，這就是MPPT的作用所在。4.5光伏并網(wǎng)逆變器除了基本逆變并網(wǎng)功能外還需要什么其他功能？答：(1)將光伏組串的1,000或1,500伏電壓調(diào)整為（交流）電網(wǎng)電壓：中國、歐洲低壓電網(wǎng)以標(biāo)準(zhǔn)220伏（單相電網(wǎng)）或400伏（三相電網(wǎng)）運(yùn)行，美國、日本和其他一些國家是110伏。(2)根據(jù)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的大小，逆變器可以中壓（從1到40kV）直接并網(wǎng)。電網(wǎng)電壓越高，調(diào)節(jié)逆變器交流電壓的變壓器就要越大。一些大型光伏地面電站使用大型逆變器和變電站以高壓（超過110千伏）供電。(3)將交流電頻率調(diào)整為電網(wǎng)頻率（同步）：中國、歐洲標(biāo)準(zhǔn)為50赫茲，美國和日本為60赫茲。(4)通過最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)優(yōu)化光伏組件串的發(fā)產(chǎn)量。這涉及始終將太陽能電壓的IV曲線和太陽能電池板中的電流保持在最大功率，從而保持發(fā)電量最大化。每一個(gè)組串可對應(yīng)逆變器單獨(dú)的MPP跟蹤器。(5)在電網(wǎng)不穩(wěn)定的情況下控制光伏發(fā)電陣列：光伏發(fā)電可以幫助穩(wěn)定不穩(wěn)定的電網(wǎng)。如果電網(wǎng)中的電力過多（會提高電壓和頻率），則光伏裝置將被從電網(wǎng)脫開。如果電壓或頻率太弱，光伏發(fā)電設(shè)施將滿負(fù)荷供電。如果與大型蓄電池結(jié)合使用，就可以更大程度地利用這種效果讓電網(wǎng)穩(wěn)定。(6)如果電網(wǎng)遭受短期或長期故障，逆變器還承擔(dān)切換任務(wù)。結(jié)合儲能設(shè)施，光伏發(fā)電可用作不間斷電源，這對于工商業(yè)應(yīng)用以及經(jīng)常受到風(fēng)暴、洪水或其他自然災(zāi)害影響的地區(qū)非常重要。(7)與儲能一起，逆變器可以優(yōu)化太陽能的自耗，從而僅將多余的電力反饋到電網(wǎng)中，或者控制一個(gè)完全獨(dú)立于公共電網(wǎng)、自給自足微型電網(wǎng)。(8)此外，智能逆變器允許直接使用來自太陽能發(fā)電的直流電，為儲能或電動汽車充電。4.6有一通信用離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，負(fù)載功率為150W,每天工作8h,蓄電池組放電深度DOD設(shè)計(jì)為60%，安全系數(shù)取1.2,為保證連續(xù)5個(gè)陰雨天負(fù)載仍能正常工作，需配備多大容批的蓄電池組？答：50004.7某太陽能路燈，燈泡負(fù)載功率為50W，工作電壓為12V,每晚開燈8h,蓄電池放電深度為50%，輸出回路效率為n2=0.9，該地區(qū)最長陰雨天為3天，假定陰雨天前蓄電池處于充滿狀態(tài)，為保證陰雨天負(fù)載正常工作，蓄電池組容量至少應(yīng)該為多少A·h?答：15004.8有一用戶購入150W光伏組件20塊和一臺3kW的并網(wǎng)逆變器，建造光伏用戶系統(tǒng)。組件最佳工作電壓為19.2V，開路電壓為23V，逆變器耐壓400V,MPPT工作范圍為170~300V。試問組件應(yīng)如何串、并聯(lián)才能達(dá)到安全、高效的設(shè)計(jì)目標(biāo)？答：串聯(lián)后并聯(lián)。4.9客戶要求光伏系統(tǒng)的輸出功率為180W,給12V的蓄電池充電。用125mmx125mm協(xié)電池片封裝成組件，每片電池的最佳工作電壓為0.48V,最佳工作電流為5.45A,封裝和連接線路的損耗為10%。試問：(1) 需要幾塊組件？如何連接？每塊組件由多少電池片組成？(2) 畫出簡易電氣連接圖，并標(biāo)出正、負(fù)極。答：（1）24塊；串聯(lián)（2）略4.10廣州地區(qū)的緯度為23.10°，方陣前有顆高度為10m的大樹，應(yīng)考慮其陰影的長度是多少？答：5m。4.11蘭州地區(qū)的緯度是北緯36.03°，方陣高度為1.6m,面積為3mx3m,朝向正南以傾角25°安裝，試求兩方陣之間的最小距離是多少？答：2m。第5章5.1相比于其他類型的清潔能源，氫能有何優(yōu)勢？答：氫能屬于不依賴化石燃料的儲量豐富的新的含能體能源，相比于其他類型的清潔能源具有燃燒性能好、發(fā)熱值高、耗損少、無污染、利用率高的優(yōu)勢。5.2常見的氫能燃料電池種類有哪些？答：燃料電池的種類很多，分類方式也不同，常用的分類方式是按電解質(zhì)性質(zhì)不同來區(qū)分，有堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池5種不同電解質(zhì)的燃料電池。5.3氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由哪些元素構(gòu)成？具有什么樣的特點(diǎn)？答：氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要由燃料供給及循環(huán)系統(tǒng)、空氣供給及循環(huán)系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。燃料及其循環(huán)系統(tǒng)和氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)主要是向燃料電池提供燃料和氧化劑；水/熱管理系統(tǒng)主要用來保證電池內(nèi)部的水平衡和熱平衡；控制系統(tǒng)則根據(jù)負(fù)載對電池功率的要求或隨電池工作條件(壓力、溫度、電壓等)的變化對反應(yīng)氣體的流量、壓力、水/熱循環(huán)系統(tǒng)的水流速等進(jìn)行控制保證電池正常有效地運(yùn)行。5.4如果你生活的地區(qū)所有電力或者單獨(dú)從風(fēng)能或太陽能獲取，試計(jì)算所需存儲的氫能容量。答：本題以江蘇無錫為例。無錫年用電量約為750億度，需要937.5萬噸煤。氫氣的熱值為1.43×10^5kJ/kg，煤的熱值為20908kJ/kg。若全用氫能提供，需要137.1萬噸氫氣。第6章6.1其他形式的新能源發(fā)電主要有哪些？答：就本教材而言，所述的其他形式新能源發(fā)電有以下方式：生物質(zhì)能發(fā)電、水力發(fā)電、海洋能發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、核能發(fā)電等。6.2生物質(zhì)能的形式有哪些，如何有效利用？答：生物質(zhì)能是可再生能源，其原料通常包括6個(gè)方面：①木材及森林工業(yè)廢棄物；②農(nóng)作物及其廢棄物；③水生植物；④油料植物；⑤城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物；⑥動物糞便。生物質(zhì)能的形式主要有：1.森林能源及其廢棄物；2.農(nóng)作物及其副產(chǎn)物；3.禽畜糞便；4.生活垃圾。有效利用生物質(zhì)能，即生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化技術(shù)，可采用直接燃燒方式、物化轉(zhuǎn)換方式、生化轉(zhuǎn)化方式和植物油利用方式等4大類。6.3生物質(zhì)能發(fā)電的形式有哪些？答：生物質(zhì)發(fā)電的形式主要有：直接燃燒發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)。6.4核能有哪幾種類型？答：核能主要有兩種，即核裂變能和核聚變能。6.5簡述水能與水力發(fā)電的原理。答：自然界中的水體在流動過程中產(chǎn)生的能量稱為水能，包括位能、壓能和動能三種形式。水力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能計(jì)算公式為式中P——發(fā)電機(jī)的輸出功率（kW）；Q——流量（m3/s），單位時(shí)間內(nèi)流過水輪機(jī)水的體積；H——水頭（m），水輪機(jī)做功用的有效水頭，為水輪機(jī)進(jìn)出口斷面的總水位差；η——電廠的效率（包括水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的總效率）；9.81——流速和水頭轉(zhuǎn)換為kW?h的一個(gè)常數(shù)。6.6海洋能發(fā)電有哪幾種形式？答：海洋能源通常指海洋中所蘊(yùn)藏的可再生自然能源，主要為潮汐能、海流能、波浪能、海洋溫差能和海洋鹽差能等。更廣義的海洋能源還包括海洋上空的風(fēng)能、海洋表面的太陽能以及海洋生物質(zhì)能等。6.7.地?zé)崮馨l(fā)電的方式有哪幾種？答：地?zé)崮苁莵碜缘厍蛏钐幍目稍偕鸁崮?。地?zé)崮馨l(fā)電有蒸汽型地?zé)岚l(fā)電、熱水型地?zé)岚l(fā)電兩種類型。第7章7.1請根據(jù)分布式能源相關(guān)的知識回答以下問題：（1）什么是分布式能源以及為什么要發(fā)展分布式能源技術(shù)？（2）分布式能源具有哪些特征？（3）例舉出分布式能源的一個(gè)應(yīng)用方向，并做出簡要分析。答：（1）分布式能源也叫分布式資源，是一種能源的分布式應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶端的能源綜合利用，相對于傳統(tǒng)的集中供電方式而言，它將冷-熱-電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量（數(shù)kW至數(shù)十MW）、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨(dú)立地輸出冷、熱、電能的系統(tǒng)。分布式能源無疑是解決我國資源有限問題的關(guān)鍵技術(shù)之一，是緩解我國嚴(yán)重缺電局面、保證可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施的有效途徑之一，符合能源戰(zhàn)略安全、電力安全以及我國天然氣發(fā)展戰(zhàn)略的需要，可緩解環(huán)境、電網(wǎng)調(diào)峰的壓力，能夠提高能源利用效率。（2）分布式能源的特征：分布式能源分布安置于需求側(cè)的能源梯級利用，是一種以可再生能源為主體的資源綜合利用系統(tǒng)；分布式能源是以資源、環(huán)境效益最大化確定方式和容量的系統(tǒng)，根據(jù)終端能源利用效率最優(yōu)化確定規(guī)模；分布式能源是一種采用需求應(yīng)對式設(shè)計(jì)和模塊化配置的新型能源系統(tǒng)，將用戶多種能源需求以及資源配置狀況進(jìn)行系統(tǒng)整合優(yōu)化等。（3）分布式能源的其中一個(gè)應(yīng)用方向?yàn)榉植际侥茉崔D(zhuǎn)換設(shè)備及裝置，其中以太陽能發(fā)電系統(tǒng)為代表，它是用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，并與其他能源利用方式和載體進(jìn)行整合，將太陽熱發(fā)電與沼氣利用整合，將光伏電池與建筑材料整合，利用光導(dǎo)纖維與照明技術(shù)整合等。7.2電能的存儲方式有哪些？飛輪儲能技術(shù)屬于哪種存儲方式？請畫出飛輪儲能的原理圖并做簡要分析。答：電力儲能技術(shù)可從能量存儲方式角度可分為機(jī)械儲能方式、電磁儲能方式、電化學(xué)儲能方式，飛輪儲能技術(shù)是一種機(jī)械儲能方式，飛輪儲能的原理圖如下所示，外部輸入的電能通過電力電子裝置驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)從而帶動飛輪旋轉(zhuǎn)將電能儲存為機(jī)械能；當(dāng)需要釋放能量時(shí)，飛輪帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將動能變換為電能，電力電子裝置將對輸出電能的頻率和電壓進(jìn)行變換以滿足負(fù)載的要求。7.3請從技術(shù)成熟度、能量密度以及儲能持續(xù)時(shí)間角度比較抽水蓄能、超級電容儲能以及鋰電池蓄能三者的優(yōu)缺點(diǎn)。答：從技術(shù)成熟度上看，抽水蓄能技術(shù)已經(jīng)能在小時(shí)級實(shí)現(xiàn)幾百M(fèi)W的儲能，而超級電容儲能和鋰電池蓄能則停留在示范工程階段，且功率等級遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抽水蓄能。從能量密度來看，抽水蓄能和超級電容儲能比較接近，而鋰電池蓄能遠(yuǎn)大于前兩者，因此鋰電池蓄能可以節(jié)省大量土地空間。從儲能持續(xù)時(shí)間來看，超級電容儲能持續(xù)時(shí)間較短，鋰電池蓄能持續(xù)時(shí)間一般，而抽水蓄能最長可以達(dá)到幾個(gè)月，儲能持續(xù)時(shí)間優(yōu)勢最明顯。7.4什么是微電網(wǎng)？微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比有哪些優(yōu)勢？答：微網(wǎng)是一種由負(fù)荷和微源組成的系統(tǒng)，可以同時(shí)向負(fù)荷提供電能和熱量，微網(wǎng)內(nèi)的微源主要由電力電子裝置負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換，并提供必要的控制，微網(wǎng)相對于上層的大電網(wǎng)表現(xiàn)為單一的可控單元，并可同時(shí)滿足用戶對電能質(zhì)量和供電安全等方面的要求。微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比具有的優(yōu)勢：微網(wǎng)內(nèi)微源形式和儲能裝置的多樣化；微網(wǎng)作為一個(gè)整體的系統(tǒng)，通過PCC與大電網(wǎng)單點(diǎn)連接，相對于大電網(wǎng)是單一的可控單元，從而有效解決了分布式發(fā)電系統(tǒng)中大量能源形式單獨(dú)并網(wǎng)對配電網(wǎng)帶來的負(fù)面影響；微網(wǎng)中的微源配置有先進(jìn)的電力電子接口，使得微網(wǎng)可以有多種運(yùn)行狀態(tài)，并可以在各狀態(tài)之間靈活切換。7.5請根據(jù)微網(wǎng)相關(guān)的知識回答以下問題：（1）直流微網(wǎng)與交流微網(wǎng)相比具有哪些優(yōu)點(diǎn)？（2）直流微網(wǎng)為什么會產(chǎn)生環(huán)流問題？請簡要分析解決環(huán)流問題的方法。（3）電壓閃變或電壓跌落可能會使整個(gè)直流微網(wǎng)系統(tǒng)的崩潰，請問采取什么措施可以防止電壓閃變或電壓跌落？答：（1）和交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)不需要對電壓的相位和頻率進(jìn)行跟蹤，可控性和可靠性大大提高，因而更加適合DER與負(fù)載的接入。理論上，直流微網(wǎng)僅需一級變流器便能方便地實(shí)現(xiàn)與DER和負(fù)載的連接，具有更高轉(zhuǎn)化效率；同時(shí)，直流電在傳輸過程中不需要考慮配電線路的渦流損耗和線路吸收的無功能量，線路損耗得到降低。（2）根據(jù)變流器的并聯(lián)特性可知，各并聯(lián)模塊對外表現(xiàn)為電壓源特性時(shí)，由于配電線纜上存在阻抗壓降，各節(jié)點(diǎn)電壓存在差異，很有可能導(dǎo)致各并聯(lián)電壓源之間產(chǎn)生環(huán)流。為了控制母線電壓的穩(wěn)定和避免環(huán)流的產(chǎn)生，需要對并聯(lián)在直流母線上的等效電壓源變換電路進(jìn)行均流控制。微網(wǎng)中常用的均流法有主從并聯(lián)方法和外特性下垂并聯(lián)方法。（3）為了防止電壓閃變或電壓跌落，常用超級電容、飛輪儲能或超導(dǎo)儲能等快速充、放電的裝置對系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行管理。7.6直流微網(wǎng)容易產(chǎn)生電弧、火災(zāi)隱患等安全問題，請根據(jù)直流微網(wǎng)保護(hù)相關(guān)的知識回答以下問題：（1）直流微網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循哪些原則？（2）在直流微網(wǎng)中，熔斷器、斷路器以及多功能接線板與插頭的應(yīng)用場合分別是哪些？（3）直流微網(wǎng)的母線故障與支路故障兩者的優(yōu)先級誰高？兩者分別需要采取什么保護(hù)措施？答：（1）微網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的準(zhǔn)則：可靠性、靈敏度、性能要求、經(jīng)濟(jì)性、簡潔性。（2）熔斷器在直流系統(tǒng)中的應(yīng)用包括機(jī)車、采礦、蓄電池的保護(hù)等。直流微網(wǎng)可利用熔斷器作為后備式的保護(hù)設(shè)備；為了避免交流系統(tǒng)中出現(xiàn)過大的瞬時(shí)短路電流和減少斷路器的誤動作，需要采用快速的斷路設(shè)備，如真空斷路器、混合型斷路器、緩沖型斷路器和固態(tài)開關(guān)等進(jìn)行滅?。欢喙δ芙泳€板與插頭適合于供電電壓較高、帶大功率負(fù)載的場合使用。7.7請根據(jù)功率因數(shù)的相關(guān)知識回答以下問題：（1）什么是功率因數(shù)？功率因數(shù)與哪些變量有關(guān)？（2）試推導(dǎo)功率因數(shù)與總諧波含量之間的關(guān)系。（3）請列舉出功率因數(shù)校正的方法。答：（1）功率因數(shù)是指交流輸入有功功率與輸入視在功率的比值。功率因數(shù)PF由電流失真系數(shù)γ和基波電壓、基波電流相移因數(shù)cosΦ決定。（2）略。（3）附加無源濾波器；采用PWM高頻整流；附加有源功率因數(shù)校正器APFC。7.8PCS的數(shù)學(xué)模型分為哪幾種？分別適用于什么場景？答：三相VSC的一般數(shù)學(xué)模型可采用以下兩種形式：采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型；采用占空比描述的一般數(shù)學(xué)模型。采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型是對VSC開關(guān)過程的精確描述，較適用于VSC的波形仿真。采用占空比描述的VSC低頻數(shù)學(xué)模型非常適合于控制系統(tǒng)分析，并可直接用于控制器設(shè)計(jì)。7.9微電網(wǎng)的運(yùn)行模式有哪兩種？如何實(shí)現(xiàn)兩者之間的平滑切換？答：微電網(wǎng)具有離網(wǎng)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種模式，對于以儲能作為組網(wǎng)電源的微電網(wǎng)，儲能系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際情況在離網(wǎng)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種模式之間切換，在控制方式上主要體現(xiàn)為PCS從并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的PQ控制方式轉(zhuǎn)至離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的V/f控制方式，以及從離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的V/f控制方式轉(zhuǎn)至并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的PQ控制方式，使微電網(wǎng)內(nèi)其他分布式電源和負(fù)荷持續(xù)運(yùn)行。7.10請從功率調(diào)度能力、容量、效率等技術(shù)參數(shù)以及空氣污染排放量的角度分析各個(gè)分布式能源實(shí)用化發(fā)電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。答：從功率調(diào)度能力上看，光伏陣列發(fā)電是四者中唯一沒有功率調(diào)度能力的，因此其能量利用效率最低，從容量上看，光伏陣列發(fā)電最低，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電和微型渦輪發(fā)電較高，可見現(xiàn)有的發(fā)電主要還是依靠內(nèi)燃機(jī)發(fā)電和微型渦輪發(fā)電，從效率上看，燃料電池發(fā)電最高，光伏陣列發(fā)電最低，因此光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)電量很低，只能作為輔助發(fā)電技術(shù)，從空氣污染排放量的角度來看，內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、微型渦輪發(fā)電、燃料電池發(fā)電都會消耗一定的不可再生資源，產(chǎn)生一定的空氣污染，而光伏陣列發(fā)電產(chǎn)生的污染為零，因此光伏陣列發(fā)電將有助于減少碳排放，緩解夏季高峰時(shí)刻用電的緊張局面。第8章8.1純電動汽車和混合動力汽車各有何優(yōu)缺點(diǎn)？答：純電動汽車的特點(diǎn)是無排放、不依賴汽油，但是由于蓄電池的能量密度和功率密度比汽油或柴油低很多，因此純電池電動汽車的連續(xù)行駛里程有限。雖