智能電網(wǎng)中的超級(jí)電容技術(shù)

什么是超級(jí)電容

超級(jí)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(chǔ)能元件。其容量可達(dá)幾百至上萬法。功率是電池的l0倍以上，儲(chǔ)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(diǎn)。

超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。超級(jí)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(gè)電容器的串并聯(lián)描述超級(jí)電容器的特性。

在超級(jí)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(jí)電容器的儲(chǔ)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(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在微電網(wǎng)中母線或者饋線上。

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

超級(jí)電容器分類介紹

一般認(rèn)為超級(jí)電容器包括雙電層電容器和電化學(xué)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(chǔ)能量的新型元器件，當(dāng)電極與電解液接觸時(shí)，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(hào)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?xì)饽z、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(zhǔn)電容，是在電極材料表面或體相的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)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(gè)體相中進(jìn)行，因而這種體系可實(shí)現(xiàn)的最大電容值比較大，如吸附型準(zhǔn)電容為2 000×10-6 F/cm2。對(duì)氧化還原型電容器而言，可實(shí)現(xiàn)的最大容量值則非常大，而碳材料的比容通常被認(rèn)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(jí)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(jí)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(dá)到700-760 F/g。但RuO2稀有的資源及高昂的價(jià)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(xué)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(jí)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(jìn)行比較，采用術(shù)語“p摻雜”和“n摻雜”分別用于描述電化學(xué)氧化和還原的結(jié)果。導(dǎo)電聚合物借助于電化學(xué)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(fù)電荷中心，正、負(fù)電荷中心的充電程度取決于電極電勢(shì)[9]。導(dǎo)電聚合物也是通過法拉第過程大量存儲(chǔ)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(jìn)行電化學(xué)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(jí)電容器的組成方式

常見的超級(jí)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(jí)電容器組件:由于超級(jí)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(gè)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(huì)導(dǎo)致電壓分配的不對(duì)稱。

并聯(lián)方式的超級(jí)電容:以并聯(lián)方式建構(gòu)的超級(jí)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(jí)電容器本身固有的充電電阻是一個(gè)動(dòng)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(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)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(dāng)控制組件的貯能量。

串并混聯(lián)的超級(jí)電容器組件:結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)方式的優(yōu)點(diǎn)，避免兩種方式各自不足。每個(gè)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(jī)新

型混合動(dòng)力系統(tǒng)中，所用超級(jí)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(jí)電容器在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

微電網(wǎng)由微電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能以及能量管理器等組成。儲(chǔ)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(fù)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(chǔ)能，最后一種叫做中央儲(chǔ)能。

當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)內(nèi)的功率波動(dòng)由大電網(wǎng)進(jìn)行平衡，此時(shí)儲(chǔ)能處于充電備用狀態(tài)。當(dāng)微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換到孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，中央儲(chǔ)能立即啟動(dòng)，彌補(bǔ)功率缺額。微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)負(fù)荷的波動(dòng)或者微電源的波動(dòng)則可以由中央儲(chǔ)能或者分布式儲(chǔ)能平衡。其中，微電源的功率波動(dòng)有兩種平衡方式，將分布式儲(chǔ)能和需要儲(chǔ)能的微電源并聯(lián)接在某饋線上，或者將儲(chǔ)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(shí)供電

微電網(wǎng)存在兩種典型的運(yùn)行模式：正常情況下,微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，稱為并網(wǎng)運(yùn)行模式;當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，微電網(wǎng)將及時(shí)與電網(wǎng)斷開從而獨(dú)立運(yùn)行，稱為孤網(wǎng)運(yùn)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(shí)，會(huì)有功率缺額，安裝儲(chǔ)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(fù)荷經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)就顯得十分嚴(yán)重，對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。我們總是期望微電網(wǎng)中高效發(fā)電機(jī)(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(fù)荷量并非整日保持不變，相反,它會(huì)隨著天氣變化等情況發(fā)生波動(dòng)。為了滿足峰值負(fù)荷供電，必須使用燃油、燃?xì)獾恼{(diào)峰電廠進(jìn)行高峰負(fù)荷調(diào)整，由于燃料價(jià)格很高，這種方式的運(yùn)行費(fèi)用太昂貴。超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地解決這個(gè)問題，它可以在負(fù)荷低落時(shí)儲(chǔ)存電源的多余電能，而在負(fù)荷高峰時(shí)回饋給微電網(wǎng)以調(diào)整功率需求。超級(jí)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(fù)荷的最佳選擇，而且采用超級(jí)電容器只需存儲(chǔ)與尖峰負(fù)荷相當(dāng)?shù)哪芰俊?/p>

3.改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量

儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)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(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)向用戶及網(wǎng)絡(luò)提供的無功及有功，從而達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。由于超級(jí)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(duì)系統(tǒng)故障引發(fā)的瞬時(shí)停電、電壓驟升、電壓驟降等問題，此時(shí)利用超級(jí)電容器提供快速功率緩沖，吸收或補(bǔ)充電能，提供有功功率支撐進(jìn)行有功或無功補(bǔ)償，以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。

4.優(yōu)化微電源的運(yùn)行

綠色能源如太陽能、風(fēng)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(chǔ)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(chǔ)能裝置在短時(shí)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(chǔ)能可以在DG單元不能正常運(yùn)行的情況下起過渡作用。如利用太陽能發(fā)電的夜間，風(fēng)力發(fā)電在無風(fēng)的情況下，或者其他類型的DG單元正處維修期間，這時(shí)系統(tǒng)中的儲(chǔ)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(chǔ)能裝置。通過將過剩的能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中，就可以在短時(shí)間內(nèi)通過儲(chǔ)能裝置提供所需的峰值能量。