【文章內(nèi)容簡介】 儲能與外界交換能量通過電動 /發(fā)電機系統(tǒng)。當(dāng)飛輪儲存能量時，飛輪儲能作為電動機運行，飛輪加速；當(dāng)飛輪釋放能量時，飛輪儲能作為發(fā)電機運行，飛輪減速。飛輪儲能一般應(yīng)用在系統(tǒng)調(diào)峰和對增加系統(tǒng)穩(wěn)定性方面 。但是由于飛輪系統(tǒng)的組成和控制相當(dāng)復(fù)雜，導(dǎo)致其造價較為昂貴，對材料要求較高，安全性和可靠性不穩(wěn)定。 超級電容器 (Super capacitors)是近幾十年來，國內(nèi)外發(fā)展起來的 一種介于常規(guī)電容器與化學(xué)電池二者之間的新型儲能元件。它具備傳統(tǒng)電容那樣的放電功率，也具備化學(xué)電池儲備電荷的能力。與傳統(tǒng)電容相比，具備達到法拉級別的超大電容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命，充放電循環(huán)次數(shù)可達十萬次以上，且不用維護；與化學(xué)電池相比，具備較高的比功率，且對環(huán)境無污染。因此，超級電容器是一種高效、實用、環(huán)保的能量存儲裝置，它優(yōu)越的性能得到各方的重視，目前發(fā)展十分迅速。 圖 11 幾種超級電容的外部結(jié)構(gòu) 本章小結(jié) 本章描述了現(xiàn)在社會隨著科技的發(fā)展，人們的生產(chǎn)和生活對電網(wǎng)電壓的質(zhì)量問題要求越來越高，于是電能質(zhì)量這一概念就被人提出。在最近的時間里， 補償裝置有 了很大的發(fā)展，除了傳統(tǒng)的并聯(lián)電容器、有載調(diào)壓變壓器、同步調(diào)相機等外，還有許多新興基于電力電子技術(shù)的補償裝置，極大地改善了電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。 各種電力電子器件對提高電網(wǎng)中電能的質(zhì)量起到了極大地作用，但是仍然 有各自的優(yōu)缺點 。 第 ７ 頁 2 超級電容器簡介 采用電化學(xué)雙電層原理的超級電容器 —— 雙電層電容器 （ Electric Double Layer Capacitor； EDLC） ,也叫 功率電容器（ Power Capacitor） ,是一種介于普通電容器和二次電池之間的一種新型儲能裝置。 超級電容器集高能量密度 、 高功率密度 、長壽命等特性于一身 , 具有工作溫度寬、可靠性高、可快速循環(huán)充放電和長時間放電等特點 ，被廣泛應(yīng)用作微機的備用電源、太陽能充電器、報警裝置、家用電器、照相機閃光燈和飛機的點火裝置等 , 尤其是在電動汽車領(lǐng)域中的開發(fā)應(yīng)用已引起舉世的廣泛重視 。 超級電容器的產(chǎn)生背景 1879年，亥姆霍茨 (Helmholtz)發(fā)現(xiàn)界面雙電層現(xiàn)象，提出了平板電容器的解釋模型，但直到 1957年 Becker獲得了雙電層電容器的專利，才使得超級電容器的產(chǎn)品化有了新的突破。到目前超級電容器已有 50多年的發(fā)展歷史，其間對于超級電容器的 研究主要集中在尋找電極活性物質(zhì)作為電極的研究上。今后人們將會繼續(xù)研究與開發(fā)新穎的電極材料、選擇合適的電解液、優(yōu)化電容器的組裝技術(shù) 。目前電極材料可以分為三類：第一類是碳材料；第二類是過渡金屬氧化物；第三類是導(dǎo)電聚合物材料。 實際上，后兩種物質(zhì)作電極的性能要優(yōu)于碳材料，但昂貴的貴金屬材料以及性能不穩(wěn)定的導(dǎo)電聚合物摻雜，使得后兩類超級電容器的研究多限于實驗室，短期內(nèi)不太可能進行商業(yè)化。此外，還有使用不同正負電極材料的非對稱型超級電容器 (也稱混合超級電容器或雜化超級電容器 )，其儲能能力大大增加 。 在超級電容器的 產(chǎn)業(yè)化上，最早是 1980年 NEC／ Tokin與 1987年松下三菱的產(chǎn)品。到 20世紀(jì) 90年代， Econd和 ELIT推出了適合于大功率啟動動力場合的電化學(xué)電容器。如今，Panasonic、 NEC、 EPCOS、 Maxwell、 Powerstor、 Evans， SAFT， Cap— xx， NESS等公司在超級電容器方面的研究均非?；钴S?？偟膩碚f，目前美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基本上都是雙電層電容器 。 超級電容 器 的原理 及分類 按采用的電極不同 ，超級電容器主要有 以下幾種類型： 碳基電極 電容器、 貴 金屬氧化物電極 電容器和 導(dǎo)電 聚合物電極 電容器等類型，現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的為碳基超級電容器。 按存儲電能的機理不同，超級電容器 可以分 為兩種類型， 一種是“雙電層電容器”(Double Layer Capacitor， DLC)，其電容的產(chǎn)生主要基于“電極 /電解液”上電荷分離所產(chǎn)生，如碳基電極電容器；另一種則被稱為“法拉第準(zhǔn)電容” (Faradic pseundo Capacitance)，由貴金屬或貴金屬氧化物電極等組成，其電容的產(chǎn)生是基于電活性離子在貴金屬表面發(fā)生欠電位沉積，或在貴金屬氧化物表面及體 相中發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的吸附電容，該類電容的產(chǎn)生機制與雙電層電容不同，并伴隨電荷傳遞的過程發(fā)生，通常具有更大的比容性 ，但由于貴金屬價格昂貴，因此此種電容一般用于軍事領(lǐng)域。 碳基超級電容器 (Double Layer Capacitor， DLC)是如今應(yīng)用最為廣泛的一種超級電容器，它 的電極材料由碳材料構(gòu)成 ， 使用有機電解液作為介質(zhì)，活性炭與電解液之間形成離子雙電層，通過極化電解液來儲能，能量貯存于雙電層和電極內(nèi)部， 電化學(xué)雙電層電容器的性能在很大程度上取決于碳材料的性質(zhì)，電極材料的表面積、粒徑分布、電導(dǎo)率、電化 第 ８ 頁 學(xué)穩(wěn)定性等因素都能影響電容器的性能。 其原理如圖 22所示。 圖 21 超級電容原理圖 當(dāng)用直流電源為超級電容器單體充電時 ， 電解質(zhì)中的正、負離子聚集到固體電極表面 ，形成“電極 /溶液”雙電層 ，用以貯存電荷。 雙電層厚度的形成 ， 依賴于電解質(zhì)的濃度和離子的尺寸 ， 其容量正比于電極表面積 ， 而與“電極 /溶液” 雙電層的厚度成反比； 其貯能量受電極材料表面積、多孔電極孔隙率和電解質(zhì)活度等因素的影響。 超級電容 器 的特點 超級電容器 作為一支新型的儲能元件， 具有以下顯著特點： （ 1）超級電容的電容量非常高（ ~50 000F），比同體積鉭、鋁電解電容器的電容量大 2 000~50 000 倍； （ 2）漏電流極小，具有電壓記憶功能，電壓保持時間長； （ 3）功率密度高，可作為功率輔助器，提供大電流； （ 4）充放電效率高，具有超長的自身壽命和循環(huán)壽命，充放電次數(shù)大于 10 萬次； （ 5）對過充放電有一定的承受能力，短時間的過電壓不會對其產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，能夠反復(fù)的、穩(wěn)定的充放電； （ 6）比蓄電池安全，短路狀態(tài)下，超級電容器不會發(fā)生爆炸； （ 7）溫度范圍寬 40℃ ~+70℃，而一般電池則只有 0℃ ~+60℃； （ 8）維護費用少，材料環(huán) 保， 無污染。 但是，目前超級電容器還在研究和發(fā)展階段，理所當(dāng)然的會有一些需要改進的方面，比如說能量密度較低，體積能量密度較差，和電解電容器相比，工作電壓較低，作為非水系電解液要求高純度、無水，并且非水系電解液對于裝配環(huán)境要求嚴(yán)格，造價較高。 鑒于其優(yōu)良特性，超級電容器非常適合在多種系統(tǒng)中應(yīng)用。 超級電容 器 的應(yīng)用 超級電容器作為大功率物理二次電源，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域用途十分廣泛：各發(fā)達國家都把超級電容的研究列為國家重點戰(zhàn)略研究項目。 1996年歐共體制定了超級電容器的發(fā)展計劃，日本“新陽光計劃”中列出了 超級電容器的研制，美國能源部及國防部也制定了發(fā)展超級電容器的研究計劃 。我國從 80年代開始研究超級電容器，北京有色金屬研究總院、 第 ９ 頁 錦州電力電容器有限責(zé)任公司、北京科技大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京理工大學(xué)等也陸續(xù)開展超級電容器相關(guān)研究工作。 2021年，中國科學(xué)院電工所完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的 300 Wit／ 1 kW超級電容器儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。 2021年 8月，世界首條超級電容公交商業(yè)示范線在上海率先啟動 ， 上海振華港機利用超級電容器作為輪胎式集裝箱龍門起重機儲能裝置實現(xiàn)了綠色，取得良好效果。 2021年 8月，北京理 工大學(xué)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的純電動動力系統(tǒng)應(yīng)用到北京奧運用電動客車中。雖然針對超級電容器研究成果頗豐，但整體來看，我國的研究與應(yīng)用水平明顯落后于世界先進水平。目前超級電容器正逐漸步入成熟期，市場越來越大，有越來越多的公司聚焦到生產(chǎn)超級電容器上。超級電容器主要應(yīng)用于以下幾個方面： (1) 超級電容器在便攜式儀器儀表中如驅(qū)動 微電機、繼電器、電磁閥中可以替代電池工作， 它可以避免由于瞬間負載變化而產(chǎn)生的誤操作； (2)應(yīng)用在 500A以下的，主要作為主供電的后備電源。在數(shù)字調(diào)頻音響系統(tǒng)、可編程消費電子產(chǎn)品、洗衣機等中作為 CMOS、 RAM、 IC的時鐘電源并在測量儀器、自動控制模塊等中提供高溫 85℃條件下系統(tǒng)時鐘電源； (3)超級電容器技術(shù)還可應(yīng)用在移動無線通訊設(shè)備中。這些設(shè)備往往采用脈沖的方式保持聯(lián)絡(luò)，由于超級電容器的瞬時充放電能力強，可以提供的功率大，因此在這一領(lǐng)域的應(yīng)用也非常廣闊。 (4)在眾多大型石化、電子、紡織等企業(yè)的重要電力系統(tǒng)特別是在大功率系統(tǒng)上的瞬態(tài)穩(wěn)壓穩(wěn)流，超級電容器是幾乎不可替代的器件。另外，芯片企業(yè)在選址時考慮電力的波動也是一個非常重要的環(huán)節(jié) ,而超級電容器系統(tǒng)則可以完全解決這個問題； (5)超級電容器在短 時 UPS系統(tǒng)、電磁操作機構(gòu)電源、太陽能電源系統(tǒng)、汽車防盜系統(tǒng)、汽車音響系統(tǒng)等系統(tǒng)上也具有不可替代的作用。在風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，由于風(fēng)力與太陽能的不穩(wěn)定性，會引起蓄電池反復(fù)頻繁充電，導(dǎo)致壽命縮短，超級電容器可以吸收或補充電能的波動，解決這一問題； (6)超級電容器在電動汽車、混合燃料汽車和特殊載重車輛方面也有著巨大的應(yīng)用價值和市場潛力。作為電動汽車和混合動力汽車的動力電源，可以單獨使用超級電容器或?qū)⑵渑c蓄電池聯(lián)用。這樣，超級電容器在用作電動汽車的短時驅(qū)動電源時，可以在汽車啟動和爬坡時快速提供大電流從而 獲得大功率以提供強大的動力；在正常行駛時由蓄電池快速充電；在剎車時快速存儲發(fā)電機產(chǎn)生的瞬時大電流，回收能量，從而減少電動汽車對蓄電池大電流放電的限制，延長蓄電池的循環(huán)使用壽命，提高電動汽車的實用性； (7)超級電容器在電動助力車市場上的應(yīng)用也正在擴展。電動助力車上的蓄電池由于其充放電電流要求苛刻，能量難以進行瞬時回收，而超級電容器非常容易滿足這些要求。超級電容器在電動助力車起動、加速與爬坡時對系統(tǒng)進行能源補充，并在剎車時完全回收能量，提高系統(tǒng)性能。 本章小結(jié) 本章主要介紹了超級電容的產(chǎn)生背景、原理、 特點以及應(yīng)用范圍。從基本上講解了超級電容這一新型的電網(wǎng)補償裝置的原理及發(fā)展，其優(yōu)良的性能是它迅速成為了現(xiàn)在研究的一個熱點。 第 １０ 頁 3 超級電容器儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制技術(shù) 超級電容 器 的等效電路模型 超級電容的基本結(jié)構(gòu)包括： 集電板、電極、電解質(zhì)和隔離膜 。 超級電容的儲能原理基于多孔材料“電極 /溶液”界面的雙電層結(jié)構(gòu) ， 從阻抗角度分析 ， 等效電路為一般的 RC電路，其等效電路如圖 25所示。其中， EPR為等效并聯(lián)內(nèi)阻， ESR為等效串聯(lián)內(nèi)阻， C為等效容抗， L為等效感抗。 EPR主要影響超級電容的漏電流，從而影響超 級電容的長期儲能性能， EPR通常很大，可以達到幾萬歐姆，所以漏電流非常小。 L代表超級電容器的感性成分，他是與工作頻率有關(guān)的分量 。 圖 31 超級電容的等效電路模型 超級電容器儲能系統(tǒng)基本理論 隨著 社會的發(fā)展和科技的進步 ， 各行各業(yè)對于生產(chǎn)過程和產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，這也就使得它們對于電能質(zhì)量的要求也越來越高，從而使得各種各樣的電能質(zhì)量控制裝置不斷接入配電系統(tǒng)之中 。對于這些裝置，不僅要求其輸出電壓 穩(wěn)定可靠，而且要求其輸出電壓正弦度好，動態(tài)響應(yīng)速度快。經(jīng)過一段時間的研究 ，其控制技術(shù)得到了不斷的發(fā) 展，由最早的開環(huán)控制發(fā)展到輸出電壓瞬時反饋控制，由模擬控制逐漸發(fā)展到了全數(shù)字控制 ，性能有了極大的提高 。 而如今，變流技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點就是逆變器的數(shù)字控制方法，并且出現(xiàn)了多種逆變器離散化的控制方法，主要包括數(shù)字 PID控制、狀態(tài)反饋控制、無差拍控制、重復(fù)控制、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。這其中，最常用的方法是 PID。 控制 與其它控制方法相比， PID算法具有如下優(yōu)點： PID算法蘊涵了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息，可以使控制過程快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)，具有良好的控制效果； PID控制算法在設(shè)計過程中不過分依 賴系統(tǒng)參數(shù)，因此系統(tǒng)參數(shù)的變化對控制效果的影響很小，控制的適應(yīng)性好，有較強魯棒性； PID算法簡單明了，已經(jīng)形成了一套完整的設(shè)計和參數(shù)調(diào)整方法。但是，數(shù)字 PID控制算法也不可避免的會有一些局限性。一方面是系統(tǒng)的采樣量化誤差降低了算法的分辨率，使得 PID調(diào)節(jié)器的控制精度變差；另一方面，采樣和計算延時使得被控系統(tǒng)成為一個具有純時間滯后的系統(tǒng)，造成了 PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計困難，穩(wěn)定域減小。隨著高速信號處理器 DSP及高速 A/D的出現(xiàn)，才使得數(shù)字 PID技術(shù)有了進一步應(yīng)用。 第 １１ 頁 超級電容器儲能控制系統(tǒng) 主電路 眾所周知，電 壓、頻率、波形和三相平衡是影響電壓質(zhì)量問題的四個主要方面，其中包括用電的可靠性、穩(wěn)定性和連續(xù)性，電網(wǎng)系統(tǒng)要求盡量易于操作，合理利用和節(jié)約能源以