智能電網(wǎng)中的超級電容技術(shù)

什么是超級電容

超級電容器(super capacitor)，又叫雙電層電容器(Electrical Double—Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容。是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能元件。其容量可達幾百至上萬法。功率是電池的l0倍以上，儲存能力比普通電容器高，具有工作溫度范圍廣、可快速充放電、循環(huán)壽命長、無污染、零排放等特點。

超級電容器儲能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。超級電容器多為雙電層結(jié)構(gòu)，其活性炭電極和電解質(zhì)之間是空間分布式結(jié)構(gòu)，可用多個電容器的串并聯(lián)描述超級電容器的特性。

在超級電容器組充放電過程中，端電壓范圍變化大，通常必須采用DC/DC變換器作為接口電路來調(diào)節(jié)超級電容器的儲能和釋能。DC/AC變換器可采用雙向DC/AC逆變器，或者采用AC/DC整流器及DC/AC逆變器。超級電容器儲能系統(tǒng)并聯(lián)在微電網(wǎng)中母線或者饋線上。

超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當能量緊急缺乏或需要時。再將存儲的能量通過控制單元釋放出來，準確快速補償系統(tǒng)所需的有功和無功，從而實現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制。超級電容器本身的優(yōu)點使得它在應(yīng)用于分布式發(fā)電時，在與其它儲能方式的互相競爭中勝出。

超級電容器分類介紹

一般認為超級電容器包括雙電層電容器和電化學電容器兩大類。

(1)雙電層電容器

雙電層電容器是通過電極與電解質(zhì)之間形成的界面雙層來存儲能量的新型元器件，當電極與電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力、原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的雙層電荷，稱為界面雙層。

雙電層電容器使用的電極材料多為多孔碳材料，有活性炭(活性炭粉末、活性炭纖維)、碳氣凝膠、碳納米管。雙電層電容器的容量大小與電極材料的孔隙率有關(guān)。通常，孔隙率越高，電極材料的比表面積越大，雙電層電容也越大。但不是孔隙率越高，電容器的容量越大。保持電極材料孔徑大小在2-50 nm 之間提高孔隙率才能提高材料的有效比表面積，從而提高電容。

(2)贗電容器原理

贗電容，也叫法拉第準電容，是在電極材料表面或體相的二維或準二維空間上，電活性物質(zhì)進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于反應(yīng)在整個體相中進行，因而這種體系可實現(xiàn)的最大電容值比較大，如吸附型準電容為2 000×10-6 F/cm2。對氧化還原型電容器而言，可實現(xiàn)的最大容量值則非常大，而碳材料的比容通常被認為是20×10-6 F/cm2，因而在相同的體積或重量的情況下，贗電容器的容量是雙電層電容器容量的10-100 倍。

目前贗電容電極材料主要為一些金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。金屬氧化物超級電容器所用的電極材料主要是一些過渡金屬氧化物，如：MnO2、V2O5、RuO2、IrO2、NiO、WO3、PbO2和Co3O4等金屬氧化物作為超級電容器電極材料，研究最為成功的是RuO2，在H2SO4電解液中其比容能達到700-760 F/g。但RuO2稀有的資源及高昂的價格限制了它的應(yīng)用。研究人員希望能從MnO2及NiO等金屬氧化物中找到電化學性能優(yōu)越的電極材料以代替RuO2。

用導(dǎo)電聚合物作為超級電容器的電極材料是近年來發(fā)展起來的。聚合物產(chǎn)品具有良好的電子電導(dǎo)率，其典型的數(shù)值為1-100 S/cm。一般將共軛聚合物的電導(dǎo)性與摻雜半導(dǎo)體進行比較，采用術(shù)語“p摻雜”和“n摻雜”分別用于描述電化學氧化和還原的結(jié)果。導(dǎo)電聚合物借助于電化學氧化和還原反應(yīng)在電子共軛聚合物鏈上引入正電荷和負電荷中心，正、負電荷中心的充電程度取決于電極電勢[9]。導(dǎo)電聚合物也是通過法拉第過程大量存儲能量。目前僅有有限的導(dǎo)電聚合物可以在較高的還原電位下穩(wěn)定地進行電化學n型摻雜,如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等?，F(xiàn)階段的研究工作主要集中在尋找具有優(yōu)良的摻雜性能的導(dǎo)電聚合物，提高聚合物電極的充放電性能、循環(huán)壽命和熱穩(wěn)定性等方面。

超級電容器的組成方式

常見的超級電容器有三種組成方式:串聯(lián)方式、并聯(lián)方式和串并混聯(lián)方式。串聯(lián)方式的超級電容器組件:由于超級電容器的單體工作電壓不高，不能覆蓋應(yīng)用工況的電壓需求范圍，需要將多個單體串聯(lián)來滿足應(yīng)用工況的電壓要求，但因單體電容器之間的固有差異，作用在串聯(lián)組件上的總電壓并不能均衡地分配給不同的電容器，它會導(dǎo)致電壓分配的不對稱。

并聯(lián)方式的超級電容:以并聯(lián)方式建構(gòu)的超級電容器組件可以輸出或接受很大的電流。在充電過程中，由串聯(lián)充電電阻保證單體之間的電壓分布，但超級電容器本身固有的充電電阻是一個動態(tài)的量，具有一定的分散性，使得調(diào)整電阻變化的控制電路極其復(fù)雜，難以實現(xiàn)逐點控制;在放電過程中，控制放電電阻，可獲得很高的輸出功率，但為了避免放電電流過大，保證許可的輸出功率，要適當控制組件的貯能量。

串并混聯(lián)的超級電容器組件:結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)方式的優(yōu)點，避免兩種方式各自不足。每個電容器均指定一電阻控制其充電過程的電壓。故在本文所述的起重機新

型混合動力系統(tǒng)中，所用超級電容的組合方式采用串聯(lián)和并聯(lián)混合的連接組成方式。

超級電容器在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

微電網(wǎng)由微電源、負荷、儲能以及能量管理器等組成。儲能在微電網(wǎng)中發(fā)生作用的形式有：接在微電源的直流母線上、包含重要負荷的饋線上或者微電網(wǎng)的交流母線上。其中，前兩種可稱為分布式儲能，最后一種叫做中央儲能。

當并網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)內(nèi)的功率波動由大電網(wǎng)進行平衡，此時儲能處于充電備用狀態(tài)。當微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行切換到孤網(wǎng)運行時，中央儲能立即啟動，彌補功率缺額。微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時負荷的波動或者微電源的波動則可以由中央儲能或者分布式儲能平衡。其中，微電源的功率波動有兩種平衡方式，將分布式儲能和需要儲能的微電源并聯(lián)接在某饋線上，或者將儲能直接接入該微電源的直流母線上。

智能電網(wǎng)技術(shù)專題

1.提供短時供電

微電網(wǎng)存在兩種典型的運行模式：正常情況下,微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，稱為并網(wǎng)運行模式;當檢測到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時，微電網(wǎng)將及時與電網(wǎng)斷開從而獨立運行，稱為孤網(wǎng)運行模式。微電網(wǎng)往往需要從常規(guī)配電網(wǎng)中吸收部分有功功率，因而微電網(wǎng)在從并網(wǎng)模式向孤網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換時，會有功率缺額，安裝儲能設(shè)備有助于兩種模式的平穩(wěn)過渡。

2.用作能量緩沖裝置

由于微電網(wǎng)規(guī)模較小，系統(tǒng)慣性不大，網(wǎng)絡(luò)及負荷經(jīng)常發(fā)生波動就顯得十分嚴重，對整個微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成影響。我們總是期望微電網(wǎng)中高效發(fā)電機(如燃料電池)始終工作在它的額定容量下。但是微電網(wǎng)的負荷量并非整日保持不變，相反,它會隨著天氣變化等情況發(fā)生波動。為了滿足峰值負荷供電，必須使用燃油、燃氣的調(diào)峰電廠進行高峰負荷調(diào)整，由于燃料價格很高，這種方式的運行費用太昂貴。超級電容器儲能系統(tǒng)可以有效地解決這個問題，它可以在負荷低落時儲存電源的多余電能，而在負荷高峰時回饋給微電網(wǎng)以調(diào)整功率需求。超級電容器功率密度大、能量密度高的特性使它成為處理尖峰負荷的最佳選擇，而且采用超級電容器只需存儲與尖峰負荷相當?shù)哪芰俊?/p>

3.改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量

儲能系統(tǒng)對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高起到了十分重要的作用。通過逆變器控制單元，可以調(diào)節(jié)超級電容器儲能系統(tǒng)向用戶及網(wǎng)絡(luò)提供的無功及有功，從而達到提高電能質(zhì)量的目的。由于超級電容器可快速吸收、釋放大功率電能，非常適宜將其應(yīng)用到微電網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置中，用來解決系統(tǒng)中的一些暫態(tài)問題，如針對系統(tǒng)故障引發(fā)的瞬時停電、電壓驟升、電壓驟降等問題，此時利用超級電容器提供快速功率緩沖，吸收或補充電能，提供有功功率支撐進行有功或無功補償，以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓的波動。

4.優(yōu)化微電源的運行

綠色能源如太陽能、風能，往往具有不均勻性，電能輸出容易發(fā)生變化。這就需要使用一種緩沖器來存儲能量。由于這些能源產(chǎn)生的電能輸出可能無法滿足微電網(wǎng)峰值電能的需求，因此，可以采用儲能裝置在短時間內(nèi)提供所需的峰值電能，直到發(fā)電量增大，需求量減少。適量的儲能可以在DG單元不能正常運行的情況下起過渡作用。如利用太陽能發(fā)電的夜間，風力發(fā)電在無風的情況下，或者其他類型的DG單元正處維修期間，這時系統(tǒng)中的儲能就能起過渡作用。

在能源產(chǎn)生的過程是穩(wěn)定的而需求是不斷變化的情況下，也需要使用儲能裝置。通過將過剩的能量存儲在儲能裝置中，就可以在短時間內(nèi)通過儲能裝置提供所需的峰值能量。