智能电网中的超级电容技术

       什么是超级电容  
       超级电容器(super capacitor)，又叫双电层电容器(Electrical Double—Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容。是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能元件。其容量可达几百至上万法。功率是电池的l0倍以上，储存能力比普通电容器高，具有工作温度范围广、可快速充放电、循环寿命长、无污染、零排放等特点。  
       超级电容器储能系统的基本结构如图1所示。超级电容器多为双电层结构，其活性炭电极和电解质之间是空间分布式结构，可用多个电容器的串并联描述超级电容器的特性。  
       在超级电容器组充放电过程中，端电压范围变化大，通常必须采用DC/DC变换器作为接口电路来调节超级电容器的储能和释能。DC/AC变换器可采用双向DC/AC逆变器，或者采用AC/DC整流器及DC/AC逆变器。超级电容器储能系统并联在微电网中母线或者馈线上。  
       超级电容器储能系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时。再将存储的能量通过控制单元释放出来，准确快速补偿系统所需的有功和无功，从而实现电能的平衡与稳定控制。超级电容器本身的优点使得它在应用于分布式发电时，在与其它储能方式的互相竞争中胜出。  
       超级电容器分类介绍  
       一般认为超级电容器包括双电层电容器和电化学电容器两大类。  
       (1)双电层电容器  
       双电层电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件，当电极与电解液接触时，由于库仑力、分子间力、原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的双层电荷，称为界面双层。  
       双电层电容器使用的电极材料多为多孔碳材料，有活性炭(活性炭粉末、活性炭纤维)、碳气凝胶、碳纳米管。双电层电容器的容量大小与电极材料的孔隙率有关。通常，孔隙率越高，电极材料的比表面积越大，双电层电容也越大。但不是孔隙率越高，电容器的容量越大。保持电极材料孔径大小在2-50 nm 之间提高孔隙率才能提高材料的有效比表面积，从而提高电容。  
       (2)赝电容器原理  
       赝电容，也叫法拉第准电容，是在电极材料表面或体相的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。由于反应在整个体相中进行，因而这种体系可实现的最大电容值比较大，如吸附型准电容为2 000×10-6 F/cm2。对氧化还原型电容器而言，可实现的最大容量值则非常大，而碳材料的比容通常被认为是20×10-6 F/cm2，因而在相同的体积或重量的情况下，赝电容器的容量是双电层电容器容量的10-100 倍。  
       目前赝电容电极材料主要为一些金属氧化物和导电聚合物。金属氧化物超级电容器所用的电极材料主要是一些过渡金属氧化物，如：MnO2、V2O5、RuO2、IrO2、NiO、WO3、PbO2和Co3O4等金属氧化物作为超级电容器电极材料，研究最为成功的是RuO2，在H2SO4电解液中其比容能达到700-760 F/g。但RuO2稀有的资源及高昂的价格限制了它的应用。研究人员希望能从MnO2及NiO等金属氧化物中找到电化学性能优越的电极材料以代替RuO2。  
       用导电聚合物作为超级电容器的电极材料是近年来发展起来的。聚合物产品具有良好的电子电导率，其典型的数值为1-100 S/cm。一般将共轭聚合物的电导性与掺杂半导体进行比较，采用术语“p掺杂”和“n掺杂”分别用于描述电化学氧化和还原的结果。导电聚合物借助于电化学氧化和还原反应在电子共轭聚合物链上引入正电荷和负电荷中心，正、负电荷中心的充电程度取决于电极电势[9]。导电聚合物也是通过法拉第过程大量存储能量。目前仅有有限的导电聚合物可以在较高的还原电位下稳定地进行电化学n型掺杂,如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等。现阶段的研究工作主要集中在寻找具有优良的掺杂性能的导电聚合物，提高聚合物电极的充放电性能、循环寿命和热稳定性等方面。  
       超级电容器的组成方式  
       常见的超级电容器有三种组成方式:串联方式、并联方式和串并混联方式。串联方式的超级电容器组件:由于超级电容器的单体工作电压不高，不能覆盖应用工况的电压需求范围，需要将多个单体串联来满足应用工况的电压要求，但因单体电容器之间的固有差异，作用在串联组件上的总电压并不能均衡地分配给不同的电容器，它会导致电压分配的不对称。  
       并联方式的超级电容:以并联方式建构的超级电容器组件可以输出或接受很大的电流。在充电过程中，由串联充电电阻保证单体之间的电压分布，但超级电容器本身固有的充电电阻是一个动态的量，具有一定的分散性，使得调整电阻变化的控制电路极其复杂，难以实现逐点控制;在放电过程中，控制放电电阻，可获得很高的输出功率，但为了避免放电电流过大，保证许可的输出功率，要适当控制组件的贮能量。  
       串并混联的超级电容器组件:结合串联和并联方式的优点，避免两种方式各自不足。每个电容器均指定一电阻控制其充电过程的电压。故在本文所述的起重机新 
型混合动力系统中，所用超级电容的组合方式采用串联和并联混合的连接组成方式。  
       超级电容器在微电网中的应用  
       微电网由微电源、负荷、储能以及能量管理器等组成。储能在微电网中发生作用的形式有：接在微电源的直流母线上、包含重要负荷的馈线上或者微电网的交流母线上。其中，前两种可称为分布式储能，最后一种叫做中央储能。  
       当并网运行时，微电网内的功率波动由大电网进行平衡，此时储能处于充电备用状态。当微电网由并网运行切换到孤网运行时，中央储能立即启动，弥补功率缺额。微电网孤网运行时负荷的波动或者微电源的波动则可以由中央储能或者分布式储能平衡。其中，微电源的功率波动有两种平衡方式，将分布式储能和需要储能的微电源并联接在某馈线上，或者将储能直接接入该微电源的直流母线上。  
       智能电网技术专题  
       1.提供短时供电  
       微电网存在两种典型的运行模式：正常情况下,微电网与常规配电网并网运行，称为并网运行模式;当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微电网将及时与电网断开从而独立运行，称为孤网运行模式。微电网往往需要从常规配电网中吸收部分有功功率，因而微电网在从并网模式向孤网模式转换时，会有功率缺额，安装储能设备有助于两种模式的平稳过渡。  
       2.用作能量缓冲装置  
       由于微电网规模较小，系统惯性不大，网络及负荷经常发生波动就显得十分严重，对整个微电网的稳定运行造成影响。我们总是期望微电网中高效发电机(如燃料电池)始终工作在它的额定容量下。但是微电网的负荷量并非整日保持不变，相反,它会随着天气变化等情况发生波动。为了满足峰值负荷供电，必须使用燃油、燃气的调峰电厂进行高峰负荷调整，由于燃料价格很高，这种方式的运行费用太昂贵。超级电容器储能系统可以有效地解决这个问题，它可以在负荷低落时储存电源的多余电能，而在负荷高峰时回馈给微电网以调整功率需求。超级电容器功率密度大、能量密度高的特性使它成为处理尖峰负荷的最佳选择，而且采用超级电容器只需存储与尖峰负荷相当的能量。  
       3.改善微电网的电能质量  
       储能系统对微电网电能质量的提高起到了十分重要的作用。通过逆变器控制单元，可以调节超级电容器储能系统向用户及网络提供的无功及有功，从而达到提高电能质量的目的。由于超级电容器可快速吸收、释放大功率电能，非常适宜将其应用到微电网的电能质量调节装置中，用来解决系统中的一些暂态问题，如针对系统故障引发的瞬时停电、电压骤升、电压骤降等问题，此时利用超级电容器提供快速功率缓冲，吸收或补充电能，提供有功功率支撑进行有功或无功补偿，以稳定、平滑电网电压的波动。  
       4.优化微电源的运行  
       绿色能源如太阳能、风能，往往具有不均匀性，电能输出容易发生变化。这就需要使用一种缓冲器来存储能量。由于这些能源产生的电能输出可能无法满足微电网峰值电能的需求，因此，可以采用储能装置在短时间内提供所需的峰值电能，直到发电量增大，需求量减少。适量的储能可以在DG单元不能正常运行的情况下起过渡作用。如利用太阳能发电的夜间，风力发电在无风的情况下，或者其他类型的DG单元正处维修期间，这时系统中的储能就能起过渡作用。  
       在能源产生的过程是稳定的而需求是不断变化的情况下，也需要使用储能装置。通过将过剩的能量存储在储能装置中，就可以在短时间内通过储能装置提供所需的峰值能量。