簡述智能電網中的超級電容技術

　　什麼是超級電容

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/368634.htm

　　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。是介於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，具有工作溫度範圍廣、可快速充放電、循環壽命長、無汙染、零排放等特點。

　　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之間是空間分布式結構，可用多個電容器的串並聯描述超級電容器的特性。

　　在超級電容器組充放電過程中，端電壓範圍變化大，通常必須採用DC/DC變換器作為接口電路來調節超級電容器的儲能和釋能。DC/AC變換器可採用雙向DC/AC逆變器，或者採用AC/DC整流器及DC/AC逆變器。超級電容器儲能系統並聯在微電網中母線或者饋線上。

　　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，準確快速補償系統所需的有功和無功，從而實現電能的平衡與穩定控制。超級電容器本身的優點使得它在應用於分布式發電時，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，由於庫侖力、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。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，電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。由於反應在整個體相中進行，因而這種體系可實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發展起來的。聚合物產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行比較，採用術語「p摻雜」和「n摻雜」分別用於描述電化學氧化和還原的結果。導電聚合物藉助於電化學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於電極電勢［9］。導電聚合物也是通過法拉第過程大量存儲能量。目前僅有有限的導電聚合物可以在較高的還原電位下穩定地進行電化學n型摻雜，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。現階段的研究工作主要集中在尋找具有優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、循環壽命和熱穩定性等方面。

　　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：串聯方式、並聯方式和串並混聯方式。串聯方式的超級電容器組件：由於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範圍，需要將多個單體串聯來滿足應用工況的電壓要求，但因單體電容器之間的固有差異，作用在串聯組件上的總電壓並不能均衡地分配給不同的電容器，它會導致電壓分配的不對稱。

　　並聯方式的超級電容：以並聯方式建構的超級電容器組件可以輸出或接受很大的電流。在充電過程中，由串聯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複雜，難以實現逐點控制;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。

　　串並混聯的超級電容器組件：結合串聯和並聯方式的優點，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

　　型混合動力系統中，所用超級電容的組合方式採用串聯和並聯混合的連接組成方式。

　　超級電容器在微電網中的應用

　　微電網由微電源、負荷、儲能以及能量管理器等組成。儲能在微電網中發生作用的形式有：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的交流母線上。其中，前兩種可稱為分布式儲能，最後一種叫做中央儲能。

　　當併網運行時，微電網內的功率波動由大電網進行平衡，此時儲能處於充電備用狀態。當微電網由併網運行切換到孤網運行時，中央儲能立即啟動，彌補功率缺額。微電網孤網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並聯接在某饋線上，或者將儲能直接接入該微電源的直流母線上。

　　智能電網技術專題

　　1.提供短時供電

　　微電網存在兩種典型的運行模式：正常情況下，微電網與常規配電網併網運行，稱為併網運行模式;當檢測到電網故障或電能質量不滿足要求時，微電網將及時與電網斷開從而獨立運行，稱為孤網運行模式。微電網往往需要從常規配電網中吸收部分有功功率，因而微電網在從併網模式向孤網模式轉換時，會有功率缺額，安裝儲能設備有助於兩種模式的平穩過渡。

　　2.用作能量緩衝裝置

　　由於微電網規模較小，系統慣性不大，網絡及負荷經常發生波動就顯得十分嚴重，對整個微電網的穩定運行造成影響。我們總是期望微電網中高效發電機（如燃料電池）始終工作在它的額定容量下。但是微電網的負荷量並非整日保持不變，相反，它會隨著天氣變化等情況發生波動。為了滿足峰值負荷供電，必須使用燃油、燃氣的調峰電廠進行高峰負荷調整，由於燃料價格很高，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餘電能，而在負荷高峰時回饋給微電網以調整功率需求。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，而且採用超級電容器只需存儲與尖峰負荷相當的能量。

　　3.改善微電網的電能質量

　　儲能系統對微電網電能質量的提高起到了十分重要的作用。通過逆變器控制單元，可以調節超級電容器儲能系統向用戶及網絡提供的無功及有功，從而達到提高電能質量的目的。由於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的電能質量調節裝置中，用來解決系統中的一些暫態問題，如針對系統故障引發的瞬時停電、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衝，吸收或補充電能，提供有功功率支撐進行有功或無功補償，以穩定、平滑電網電壓的波動。

　　4.優化微電源的運行

　　綠色能源如太陽能、風能，往往具有不均勻性，電能輸出容易發生變化。這就需要使用一種緩衝器來存儲能量。由於這些能源產生的電能輸出可能無法滿足微電網峰值電能的需求，因此，可以採用儲能裝置在短時間內提供所需的峰值電能，直到發電量增大，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。如利用太陽能發電的夜間，風力發電在無風的情況下，或者其他類型的DG單元正處維修期間，這時系統中的儲能就能起過渡作用。

　　在能源產生的過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。通過將過剩的能量存儲在儲能裝置中，就可以在短時間內通過儲能裝置提供所需的峰值能量。