簡(jiǎn)述智能電網(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(wàn)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(cháng)、無(wú)污染、零排放等特點(diǎn)。

　　超級電容器儲能系統的基本結構如圖1所示。超級電容器多為雙電層結構，其活性炭電極和電解質(zhì)之間是空間分布式結構，可用多個(gè)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(guò)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(lái)調節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并聯(lián)在微電網(wǎng)中母線(xiàn)或者饋線(xiàn)上。

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

　　超級電容器分類(lèi)介紹

　　一般認為超級電容器包括雙電層電容器和電化學(xué)電容器兩大類(lèi)。

　?。?）雙電層電容器

　　雙電層電容器是通過(guò)電極與電解質(zhì)之間形成的界面雙層來(lái)存儲能量的新型元器件，當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，使固液界面出現穩定的、符號相反的雙層電荷，稱(chēng)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。

　?。?）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(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，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于反應在整個(gè)體相中進(jìn)行，因而這種體系可實(shí)現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(shí)現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(guò)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(jià)格限制了它的應用。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。

　　用導電聚合物作為超級電容器的電極材料是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的。聚合物產(chǎn)品具有良好的電子電導率，其典型的數值為1-100 S/cm。一般將共軛聚合物的電導性與摻雜半導體進(jìn)行比較，采用術(shù)語(yǔ)“p摻雜”和“n摻雜”分別用于描述電化學(xué)氧化和還原的結果。導電聚合物借助于電化學(xué)氧化和還原反應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］。導電聚合物也是通過(guò)法拉第過(guò)程大量存儲能量。目前僅有有限的導電聚合物可以在較高的還原電位下穩定地進(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)壽命和熱穩定性等方面。

　　超級電容器的組成方式

　　常見(jiàn)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，不能覆蓋應用工況的電壓需求范圍，需要將多個(gè)單體串聯(lián)來(lái)滿(mǎn)足應用工況的電壓要求，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 )導致電壓分配的不對稱(chēng)。

　　并聯(lián)方式的超級電容：以并聯(lián)方式建構的超級電容器組件可以輸出或接受很大的電流。在充電過(guò)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(gè)動(dòng)態(tài)的量，具有一定的分散性，使得調整電阻變化的控制電路極其復雜，難以實(shí)現逐點(diǎn)控制;在放電過(guò)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(guò)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(guò)程的電壓。故在本文所述的起重機新

　　型混合動(dòng)力系統中，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(xiàn)上、包含重要負荷的饋線(xiàn)上或者微電網(wǎng)的交流母線(xiàn)上。其中，前兩種可稱(chēng)為分布式儲能，最后一種叫做中央儲能。

　　當并網(wǎng)運行時(shí)，微電網(wǎng)內的功率波動(dòng)由大電網(wǎng)進(jìn)行平衡，此時(shí)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(shí)，中央儲能立即啟動(dòng)，彌補功率缺額。微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時(shí)負荷的波動(dòng)或者微電源的波動(dòng)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(dòng)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(xiàn)上，或者將儲能直接接入該微電源的直流母線(xiàn)上。

　　智能電網(wǎng)技術(shù)專(zhuān)題

　　1.提供短時(shí)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)與常規配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，稱(chēng)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(mǎn)足要求時(shí)，微電網(wǎng)將及時(shí)與電網(wǎng)斷開(kāi)從而獨立運行，稱(chēng)為孤網(wǎng)運行模式。微電網(wǎng)往往需要從常規配電網(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)模式轉換時(shí)，會(huì )有功率缺額，安裝儲能設備有助于兩種模式的平穩過(guò)渡。

　　2.用作能量緩沖裝置

　　由于微電網(wǎng)規模較小，系統慣性不大，網(wǎng)絡(luò )及負荷經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)就顯得十分嚴重，對整個(gè)微電網(wǎng)的穩定運行造成影響。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(huì )隨著(zhù)天氣變化等情況發(fā)生波動(dòng)。為了滿(mǎn)足峰值負荷供電，必須使用燃油、燃氣的調峰電廠(chǎng)進(jìn)行高峰負荷調整，由于燃料價(jià)格很高，這種方式的運行費用太昂貴。超級電容器儲能系統可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題，它可以在負荷低落時(shí)儲存電源的多余電能，而在負荷高峰時(shí)回饋給微電網(wǎng)以調整功率需求。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的能量。

　　3.改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量

　　儲能系統對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高起到了十分重要的作用。通過(guò)逆變器控制單元，可以調節超級電容器儲能系統向用戶(hù)及網(wǎng)絡(luò )提供的無(wú)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，非常適宜將其應用到微電網(wǎng)的電能質(zhì)量調節裝置中，用來(lái)解決系統中的一些暫態(tài)問(wèn)題，如針對系統故障引發(fā)的瞬時(shí)停電、電壓驟升、電壓驟降等問(wèn)題，此時(shí)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(jìn)行有功或無(wú)功補償，以穩定、平滑電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。

　　4.優(yōu)化微電源的運行

　　綠色能源如太陽(yáng)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(lái)存儲能量。由于這些能源產(chǎn)生的電能輸出可能無(wú)法滿(mǎn)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(shí)間內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(guò)渡作用。如利用太陽(yáng)能發(fā)電的夜間，風(fēng)力發(fā)電在無(wú)風(fēng)的情況下，或者其他類(lèi)型的DG單元正處維修期間，這時(shí)系統中的儲能就能起過(guò)渡作用。

　　在能源產(chǎn)生的過(guò)程是穩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(guò)將過(guò)剩的能量存儲在儲能裝置中，就可以在短時(shí)間內通過(guò)儲能裝置提供所需的峰值能量。