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(diǎn)、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(chǔ)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(chǔ)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(diǎn)，使其越來越受到各國的重視，并已在多個(gè)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(shí)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(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器[4－5]、大規(guī)模電力儲(chǔ)能系統(tǒng)[6]、高壓變電站及開關(guān)站的電容儲(chǔ)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(jì)了一種基于超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器在設(shè)計(jì)時(shí)，直流側(cè)儲(chǔ)能單元采用超級電容，這種設(shè)計(jì)可以在電源電壓驟降時(shí)，利用超級電容快速放電特性補(bǔ)償?shù)潼c(diǎn)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(diǎn)、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(chǔ)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(diǎn)

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(chǔ)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(huì)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(gè)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(huì)迅速向電極移動(dòng)移動(dòng)，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(chǔ)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(diǎn)

超級電容器作為一種新型的儲(chǔ)能元件，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

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(shí)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)，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(shí)，超級電容的電壓會(huì)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(shí)，超級電容會(huì)有一個(gè)穩(wěn)定的電壓，且該電壓相較充放電結(jié)束時(shí)刻電壓值有個(gè)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(gè)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(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用于汽車、坦克等內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有：

1)作為儲(chǔ)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(chǔ)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(dòng)和電壓波動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)，利用其輸出(吸收)功率密度高的特點(diǎn)對分布式能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性進(jìn)行平滑，達(dá)到削峰填谷的效果。

3.1電容儲(chǔ)能式硅整流分合閘裝置

傳統(tǒng)斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)是CD－X型電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用直流電源提供動(dòng)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(huì)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(diǎn)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(shí)出現(xiàn)斷路器無法動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(dòng)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(chǔ)能裝置，并設(shè)計(jì)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(diǎn)調(diào)節(jié)器能夠快速平抑負(fù)荷的波動(dòng)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(chǔ)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(dòng)性勢必會(huì)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(chǔ)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(shí)間內(nèi)提供大功率的優(yōu)點(diǎn)，使得其在作為分布式能源的儲(chǔ)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(chǔ)能的風(fēng)電場功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點(diǎn)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(chǔ)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(dòng)，同時(shí)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(chǔ)能在獨(dú)立式光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，太陽電池在外界環(huán)境波動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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(shí)際工程中采用模型，如圖2所示：

超級電容器等效為一個(gè)理想電容器C與一個(gè)較小阻值的電阻(等效串聯(lián)阻抗RESR)相串聯(lián)，同時(shí)與一個(gè)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(shí)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(shí)間保持靜態(tài)儲(chǔ)能狀態(tài)時(shí)的靜態(tài)損耗即漏電流效應(yīng)。

超級電容器充放電時(shí)，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(shí)用模型可進(jìn)一步簡化為如圖3所示的模型，即一個(gè)理想電容器與一個(gè)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(chǔ)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(chǔ)存能量3.04Wh，選用1000只串聯(lián)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)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(dòng)地厲害，而綠色曲線則為儲(chǔ)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(diǎn)、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(chǔ)能式硅整流分合閘裝置中，作為儲(chǔ)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(dòng)和電壓波動(dòng)，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(chǔ)能系統(tǒng)，利用其輸出(吸收)功率密度高的特點(diǎn)平抑分布式能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)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(chǔ)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(yàn)證了超級電容做為儲(chǔ)能確實(shí)能夠?qū)Ψ植际桨l(fā)電功率起到削峰填谷的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳英放，李媛媛，鄧梅根.超級電容器的原理及應(yīng)用[J].電子元件和材料，2008，27(4)：6－9．

[2]楊盛毅，文方.超級電容器綜述[J].現(xiàn)代機(jī)械，2009，4：82－84.

[3]李霄，胡長生，劉昌金，等.基于超級電容儲(chǔ)能的風(fēng)電場功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(9)：86－90.

[4]尹忠東，朱永強(qiáng).基于超級電容儲(chǔ)能的統(tǒng)一負(fù)荷質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，21(5)：122－126.

[5]王云玲，曾杰，張步涵，等.基于超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(8)：58－62.

[6]國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)新技術(shù)前景研究項(xiàng)目咨詢組.大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2013，37(1)：3－8.

[7]范偉.超級電容器直流電源的研制及應(yīng)用[D].保定：華北電力大學(xué)，2007.

[8]林根德.超級電容在可再生能源系統(tǒng)中的應(yīng)用及評價(jià)[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[9]張燕萍.基于納米碳及其金屬氧化物復(fù)合電極的超級電容研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2010.

[10]王思杰，惠晶.混合儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏系統(tǒng)充電控制研究[J].電力電子技術(shù)，2012，46(1)：13－15.

[11]劉海波.電力電子變壓器控制策略研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.