董均宇1，楊洋2，王雨3

(1.云南電網(wǎng)公司，昆明650051；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明650217；3.云南電網(wǎng)公司博士后及研究生工作站，昆明650217)

摘要：對超級電容的工作原理、運(yùn)行特點、充放電特性以及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了較全面的介紹，還利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建了超級電容的工程簡化模型，對超級電容用作儲能系統(tǒng)來平抑分布式光伏系統(tǒng)發(fā)電功率進(jìn)行了仿真。

1前言

超級電容器是介于化學(xué)電池與普通電容器兩者之間的一種新型儲能元件，由于它具備超大電容量、高功率密度、充放電速度快、轉(zhuǎn)換效率高、控制簡單、無污染、循環(huán)壽命長、使用溫度范圍寬等諸多優(yōu)點，使其越來越受到各國的重視，并已在多個領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[1－2]。

近年來，電力系統(tǒng)中的超級電容器運(yùn)用也越來越多，由于超級電容器可在短時間內(nèi)提供大功率輸出，根據(jù)這一特性，可以用來提高用電可靠性和改善電能質(zhì)量，例如將超級電容用來平抑分布式能源發(fā)電功率[3]、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器[4－5]、大規(guī)模電力儲能系統(tǒng)[6]、高壓變電站及開關(guān)站的電容儲能式硅整流分合閘裝置中的直流電源[7]等。

文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種基于超級電容器儲能系統(tǒng)的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器在設(shè)計時，直流側(cè)儲能單元采用超級電容，這種設(shè)計可以在電源電壓驟降時，利用超級電容快速放電特性補(bǔ)償?shù)潼c無功功率，達(dá)到維持負(fù)荷電壓穩(wěn)定的目的。

以下對超級電容的工作原理、運(yùn)行特點、充放電特性以及在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了較全面的介紹，還利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建了超級電容的工程簡化模型，對超級電容用作儲能系統(tǒng)來平抑分布式光伏系統(tǒng)發(fā)電功率進(jìn)行了仿真。

2超級電容器的原理和特點

2.1超級電容器原理

超級電容器主要是由電極、電解質(zhì)、隔膜、引線和封裝材料等組成。按存儲能量的機(jī)理不同可分為雙電層電容(Electric double layer capacitor，EDLC)和贗電容(Pesudocapacitor，也叫法拉第準(zhǔn)電容)[8－9]。

雙電層電容的機(jī)理是插入電解質(zhì)溶液中的金屬電極上的靜電荷會吸引電解液中的極性相反的離子，并在電極/溶液界面形成一個剩余電荷數(shù)量相等的界面層。當(dāng)在正負(fù)電極上施加電壓后，在電場的作用下電解液中的陰、陽離子會迅速向電極移動移動，在電極表面形成雙電層，它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的極化電荷相似，從而產(chǎn)生電容效應(yīng)。

贗電容是電活性物質(zhì)在電極材料表面或體相的二維或準(zhǔn)二維空間上發(fā)生欠電位沉積，進(jìn)行高度可逆的氧化/還原或吸附/脫附化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于氧化/還原或吸附/脫附反應(yīng)，電荷存儲不僅包括雙電層還包括電極內(nèi)部，這就大大提升了贗電容的容量。相同電極面積下，雙電層電容的容量僅有贗電容的1%～10%。

2.2超級電容器特點

超級電容器作為一種新型的儲能元件，具有如下優(yōu)點：

1)超高的容量。相同體積情況下，超級電容的容量可以比電解電容器大幾千倍。

2)高功率密度。超級電容器能在很短的時間內(nèi)輸出高達(dá)幾百甚至幾千安的電流，相比同體積的電池而言，其功率密度達(dá)10倍以上，對于短時間需要大功率輸出的場合，超級電容器非常適合。

3)循環(huán)壽命長，充放電效率高。由于超級電容器的充放電過程只有電荷的轉(zhuǎn)移，屬于物理過程，其間沒有化學(xué)反應(yīng)。這一特點使得超級電容器的放電循環(huán)次數(shù)達(dá)到10萬次以上，且充放電速度是同體積蓄電池的100倍以上。

4)可以承受短時間內(nèi)的過電壓，對過充、過放承受能力較強(qiáng)。

5)溫度范圍寬，達(dá)–40℃～+70℃(一般電池是－20℃～+60℃)，且無污染，免維護(hù)。

當(dāng)然超級電容也有一些缺點，例如：能量密度偏低，漏電流較大，單體工作電壓低等。

2.3充放電特性

為了研究超級電容的充放電特性，采用單體超級電容來做充放電特性測試實驗，采樣間隔為1s，其中的單體超級電容選用的是邁凱嘉華新能源公司的UCPY3000F，其電容容量為3000F，額定電壓為2.7V，充放電特性如圖1所示。

從圖1中可以看出：

1)當(dāng)對超級電容充放電時，超級電容的電壓會不斷變化，且充放電電流越大，電壓變化的斜率越大，充放電循環(huán)也就越快，相應(yīng)的充放電功率也就越大。

2)當(dāng)充放電停止時，超級電容會有一個穩(wěn)定的電壓，且該電壓相較充放電結(jié)束時刻電壓值有個小幅度的降低，這是超級電容器電極－電解質(zhì)的電阻性質(zhì)所引起的。

3在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

超級電容具有很多優(yōu)良的特性并在航天特種、電力系統(tǒng)、交通、電力電子等多個領(lǐng)域成功的應(yīng)用。如作為后備電源應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，作為電啟動系統(tǒng)應(yīng)用于汽車、坦克等內(nèi)燃發(fā)動機(jī)。其中，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有：

1)作為儲能裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)電容器應(yīng)用在高壓變電站及開關(guān)站的電容儲能式硅整流分合閘裝置中；

2)基于APF(Active Power Filter，電力有源濾波器)拓?fù)涞碾娔苜|(zhì)量調(diào)節(jié)器，其原理是在直流側(cè)并聯(lián)超級電容，利用其快速充放電性能達(dá)到補(bǔ)償負(fù)荷的功率波動和電壓波動的作用；

3)用于光伏、風(fēng)力發(fā)電等分布式能源發(fā)電以及微網(wǎng)的儲能系統(tǒng)，利用其輸出(吸收)功率密度高的特點對分布式能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動性進(jìn)行平滑，達(dá)到削峰填谷的效果。

3.1電容儲能式硅整流分合閘裝置

傳統(tǒng)斷路器操動機(jī)構(gòu)是CD－X型電磁操動機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用直流電源提供動作所需能量。目前直流電源主要采用蓄電池，但是常年使用的蓄電池會出現(xiàn)內(nèi)阻增大、容量下降等問題，進(jìn)而導(dǎo)致功率輸出能力變差，這些缺點使得蓄電池直流電源無法在所有工況下保證分合閘所需要的能量，可能在故障時出現(xiàn)斷路器無法動作的情況，可靠性較差。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于超級電容儲能技術(shù)的新型直流電源，將超級電容和蓄電池配合使用，克服了傳統(tǒng)CD－X型電磁操動機(jī)構(gòu)的直流電源存在的充電機(jī)不能正常運(yùn)行，并且無法修復(fù)、蓄電池?fù)p壞嚴(yán)重等問題。

3.2負(fù)荷電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器

近年來，由于大量含有電力電子裝置的非線性負(fù)載接入電網(wǎng)而導(dǎo)致了電網(wǎng)諧波水平逐年升高的問題和由交直流電弧爐、電弧焊機(jī)、工業(yè)軋機(jī)、絞車、電力牽引機(jī)車等大容量沖擊性負(fù)荷的啟動引起的電壓暫降問題等負(fù)荷電能質(zhì)量問題越來越受到人們的重視。文獻(xiàn)[4]提出了負(fù)荷質(zhì)量調(diào)節(jié)器(Unified Load Quality Conditioner，ULQC)的概念，該調(diào)節(jié)器的主電路以并聯(lián)型APF拓?fù)錇榛A(chǔ)，在直流母線上放置超級電容作為儲能裝置，并設(shè)計雙管升降壓斬波電路來控制超級電容，利用超級電容容量大充放電速度快的特點調(diào)節(jié)器能夠快速平抑負(fù)荷的波動功率或突變功率，從而改善負(fù)荷的品質(zhì)，到達(dá)提高電能質(zhì)量的效果。

3.3分布式能源的儲能系統(tǒng)

隨著越來越多的分布式能源接入電網(wǎng)，分布式能源如風(fēng)電、光伏等的發(fā)電功率具有的隨機(jī)性和波動性勢必會給電網(wǎng)運(yùn)行、調(diào)度、控制等方面帶來負(fù)面的影響。為此，儲能技術(shù)的發(fā)展成為解決此問題的有效手段。特別地，超級電容因其具有能在短時間內(nèi)提供大功率的優(yōu)點，使得其在作為分布式能源的儲能系統(tǒng)上發(fā)揮出了優(yōu)勢。文獻(xiàn)[3]介紹了一種基于超級電容儲能的風(fēng)電場功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點是在風(fēng)電場輸出母線配置PCS，并將超級電容器組成容量較大的電容器組作為儲能裝置并聯(lián)于PCS直流側(cè)。通過變流器的控制，超級電容可以抑制風(fēng)電場的有功波動，同時能調(diào)節(jié)無功從而穩(wěn)定并網(wǎng)電壓，提高風(fēng)電場的電能質(zhì)量。文獻(xiàn)[10]對超級電容和蓄電池的混合儲能在獨立式光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明，太陽電池在外界環(huán)境波動較大的情況下，混合系統(tǒng)的功率輸出平穩(wěn)，且蓄電池仍能穩(wěn)定充電，提高了系統(tǒng)的利用率，減小了蓄電池的循環(huán)次數(shù)，提高了蓄電池的使用壽命。

為了說明超級電容對光伏發(fā)電的有功功率平抑作用，本文還利用Matlab/Simulink搭建了配有超級電容儲能的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，對其進(jìn)行了仿真研究。

4光伏發(fā)電有功平抑仿真

4.1超級電容簡化模型

因超級電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難描述其動態(tài)特性，目前的模型都有局限性，且為了便于研究，本文采用了實際工程中采用模型，如圖2所示：

超級電容器等效為一個理想電容器C與一個較小阻值的電阻(等效串聯(lián)阻抗RESR)相串聯(lián)，同時與一個較大阻值的電阻(等效并聯(lián)阻抗REPR)相并聯(lián)的結(jié)構(gòu)。C表征超級電容的容量；RESR表示內(nèi)部發(fā)熱損耗，同時對大電流起約束作用；REPR主要表征超級電容的自放電現(xiàn)象，反映的是超級電容器長時間保持靜態(tài)儲能狀態(tài)時的靜態(tài)損耗即漏電流效應(yīng)。

超級電容器充放電時，表示靜態(tài)損耗的并聯(lián)等效電阻REPR通常被忽略，這樣上述圖2所示的實用模型可進(jìn)一步簡化為如圖3所示的模型，即一個理想電容器與一個阻值較小的并聯(lián)電阻RESR相串聯(lián)。

4.2仿真模型

文中在Matlab/Simulink的基礎(chǔ)上，采用圖3所示的超級電容簡化模型搭建以超級電容為儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率電壓、電流分別為為283.2V和35.32A，額定容量為10kW，而超級電容的參數(shù)采用UCPY3000F的參數(shù)，單體電容容量3000F，額定電壓2.7V，等效串聯(lián)電阻為0.32mΩ，儲存能量3.04Wh，選用1000只串聯(lián)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能系統(tǒng)。

對光伏發(fā)電有功功率平抑的仿真結(jié)果如下所示：

如圖4所示為輻照度快速變化的曲線，圖5中藍(lán)色曲線為對應(yīng)的光伏發(fā)電曲線，可知光伏發(fā)電功率隨輻照度波動地厲害，而綠色曲線則為儲能系統(tǒng)對其的補(bǔ)償功率，由圖可知兩者功率恰好互補(bǔ)，使得平抑后的功率曲線如圖6所示始終能維持在光伏發(fā)電系統(tǒng)的額定輸出功率左右。由仿真結(jié)果可知，超級電容對光伏發(fā)電能達(dá)到削峰填谷、平抑輸出的作用。

5結(jié)束語

文中先對超級電容的工作原理、運(yùn)行特點、充放電特性作了介紹，然后講述了超級電容在電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用：

代替電容器應(yīng)用在高壓變電站及開關(guān)站的電容儲能式硅整流分合閘裝置中，作為儲能裝置；以APF(Active Power Filter，電力有源濾波器)拓?fù)錇榛A(chǔ)，并聯(lián)在其直流側(cè)，利用本身的快速充放電來補(bǔ)償負(fù)荷的功率波動和電壓波動，起到負(fù)荷電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的作用；用于分布式能源的儲能系統(tǒng)，利用其輸出(吸收)功率密度高的特點平抑分布式能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動性等。為了說明對分布式能源發(fā)電的平抑作用，還利用Matlab/Simulink仿真軟件搭建了的超級電容的簡化模型，對超級電容用作儲能系統(tǒng)來平抑分布式光伏系統(tǒng)發(fā)電功率進(jìn)行了仿真，結(jié)果驗證了超級電容做為儲能確實能夠?qū)Ψ植际桨l(fā)電功率起到削峰填谷的作用。

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