電容儲能

argin: 5px 0px; line-height: 1.75em; font-size: 14px; font-family: sans-serif; text-indent: 2em;">技術(shù)介紹

電容儲能的機理為雙電層電容以及法拉第電容，其主要形式為超級電容儲能，超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的一種新型電化學(xué)儲能器件，它相比傳統(tǒng)電容器有著更高的能量密度，靜電容量能達(dá)千法拉至萬法拉級；相比電池有著更高的功率密度和超長的循環(huán)壽命，因此它兼具傳統(tǒng)電容器與電池的優(yōu)點，是一種應(yīng)用前景廣闊的化學(xué)電源。它主要是利用電極／電解質(zhì)界面電荷分離所形成的雙電層，或借助電極表面、內(nèi)部快速的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第“準(zhǔn)電容”來實現(xiàn)電荷和能量的儲存的。因此，超級電容器具有充電速度快、大電流放電性能好、超長的循環(huán)壽命、工作溫度寬等特點。超級電容儲能裝置主要由超級電容組和雙向DC／DC變換器以及相應(yīng)的控制電路組成。

機理類型

根據(jù)儲能機理的不同可以分為以下兩類：

雙電層電容

是在電極／溶液界面通過電子或離子的定向排列造成電荷的對峙而產(chǎn)生的。對一個電極／溶液體系，會在電子導(dǎo)電的電極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液界面上形成雙電層。當(dāng)在兩個電極上施加電場后，溶液中的陰、陽離子分別向正、負(fù)電極遷移，在電極表面形成雙電層；撤消電場后，電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負(fù)極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。這時對某一電極而言，會在一定距離內(nèi)（分散層）產(chǎn)生與電極上的電荷等量的異性離子電荷，使其保持電中性；當(dāng)將兩極與外電路連通時，電極上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)生電流，溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性，這便是雙電層電容的充放電原理。

法拉第準(zhǔn)電容

其理論模型是由Conway首先提出，是在電極表面和近表面或體相中的二維或準(zhǔn)二維空間上，電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸脫附和氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。對于法拉第準(zhǔn)電容，其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液離子與電極活性物質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。當(dāng)電解液中的離子（如H＋、OH－、K＋或Li＋）在外加電場的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極／溶液界面時，會通過界面上的氧化還原反應(yīng)而進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中，從而使得大量的電荷被存儲在電極中。放電時，這些進(jìn)入氧化物中的離子又會通過以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中，同時所存儲的電荷通過外電路而釋放出來，這就是法拉第準(zhǔn)電容的充放電機理。

技術(shù)線路

超級電容器儲能裝置的技術(shù)核心在于超級電容器組內(nèi)部的均壓拓?fù)浜涂刂撇呗砸约半p向DC／DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略。

超級電容器的串并聯(lián)

超級電容的單體額定電壓一般為2．3V，2．5V或2．7V，其電壓等級相對于其他儲能裝置是很低的。因此需對其串聯(lián)以提高超級電容器組的電壓等級，根據(jù)電路原理，電容越穿越小，在實際使用中，為了兼顧電壓等級與容量要求通常是對超級電容器串并聯(lián)來組成超級電容器組。

超級電容器常用串聯(lián)均壓電路

超級電容器串聯(lián)電壓均衡方法可以分成兩大類：一類是通過阻性器件消耗能量的方式，如穩(wěn)壓管法和開關(guān)電阻法；另一類是通過儲能器件進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移的方式，如DC／DC變換器法等。穩(wěn)壓管法和開關(guān)電阻法通過消耗能量達(dá)到電容器的電壓平衡，必然會降低超級電容器儲能系統(tǒng)的效率，而且當(dāng)超級電容器的充電電流較大時，采用穩(wěn)壓管或者開關(guān)電阻法將很難達(dá)到電壓均衡的要求，一方面大功率的阻性器件增大了體積，不便安裝，另一方面消耗的能量增加，溫度過高將給儲能系統(tǒng)帶來安全隱患，降低了系統(tǒng)的可靠性。此外，穩(wěn)壓管法和開關(guān)電阻法只能在充電的過程中實現(xiàn)電壓均衡，具有一定的局限性。能量轉(zhuǎn)移型電壓均衡方法采用儲能器件進(jìn)行電壓均衡，是目前超級電容器串聯(lián)電壓均衡技術(shù)的發(fā)展方向。

1、多飛渡電容器均壓法

多飛渡電容器電壓均衡法是利用多個容量很小的普通電容器作為中間儲能單元，將電壓高的超級電容器中的一部分能量向電壓低的超級電容器中轉(zhuǎn)移的一種電壓均衡方法。

2、單飛渡電容器電壓均衡法

單飛渡電容器電壓均衡法，顧名思義，它是利用一個容量很小的普通電容器作為中間儲能單元，將電壓高的超級電容器中的能量向電壓低的超級電容器中轉(zhuǎn)移的一種電壓均衡方法。

3、平均值電感儲能電壓均衡法

電感儲能電壓均衡方法是采用電感儲能器件作為儲能單元的一種電壓均衡方法，一種稱為平均值電感儲能電壓均衡法，另一種稱為相鄰比較式電感儲能電壓均衡法。

雙向DC／DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

作為儲能元件通過并網(wǎng)變流器接入電網(wǎng)系統(tǒng)，超級電容接入并網(wǎng)變流器的直流母線有兩種方式：一種是直接接到逆變器的直流母線；另一種是通過功率變換器接入直流母線。超級電容器通過串并聯(lián)構(gòu)成儲能陣列，由于超級電容器在充放電過程中，其兩端電壓變化范圍很大，因此必須通過功率變換器接入直流母線，使并網(wǎng)變流器向電網(wǎng)輸送功率時，功率變換器能夠提供恒定的直流母線電壓。因此接入功率變換器后，具有超級電容電壓等級要求低，利用率高等優(yōu)點。針對超級電容儲能器具有功率雙象限流動進(jìn)行儲能和釋能的特點，功率變換器必須采用電流能夠雙象限流動的變流器——雙向DC／DC變流器。

雙向DC／DC變流器按隔離和非隔離分為兩類。

1、非隔離的半橋型雙向DC／DC變流器

把非隔離的半橋型雙向DC／DC變流器的功率二極管變?yōu)殡p向開關(guān)后具有同樣的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成非隔離的半橋型雙向DC／DC變流器。

2、BUCK－BOOST雙向DC／DC變流器

BUCK－BOOST雙向DC／DC變流器其能量經(jīng)過電感Lsc儲存和傳遞，不適用于大功率場合應(yīng)用。同半橋型雙向DC／DC變流器一樣，可以使電感電流工作于斷續(xù)狀態(tài)，但流過開關(guān)管的電流峰值會變大，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單。

3、雙全橋型的BUCK－BOOST的雙向DC／DC變流器

雙全橋型的BUCK－BOOST的雙向DC／DC變流器，這種電路多應(yīng)用于電源側(cè)為電流源的大功率場合，由于全橋變換，各個功率器件的電壓電流應(yīng)力減小，同樣的器件可以傳輸更大的功率，適合于大功率場合應(yīng)用。

4、雙半橋型的BUCK－BOOST的雙向DC／DC變流器

雙半橋型的BUCK－BOOST的雙向DC／DC變流器，其相對于全橋變流器，要求功率器件的電流容量大，而且其支撐電容要求比較高，適合于中功率高壓應(yīng)用。

充電控制電路

主電路為電壓型、交直交能量轉(zhuǎn)換方式的變頻器，因整流與逆變電路之間有大容量電容的儲能回路，因電容兩端電壓不能突變的特性，在上電初始階段，電容器件形同“短路”，將形成極大的浪涌充電電流，會對整流模塊很大的電流沖擊而損壞，也會使變頻器供電端連接的空氣斷路器因過流而跳閘。

常規(guī)處理方式，是在整流和電容儲能回路之間串入充電了限流電阻和充電接觸器（繼電器），對電容充電過程的控制是這樣的：

變頻器上電，先由充電電阻對電容進(jìn)行限流充電，抑制了最大充電電流，隨著充電過程的延伸，電容上逐漸建立起充電電壓，其電壓幅值達(dá)到530V的80％左右時，出現(xiàn)兩種方式的控制過程，一為變頻器的開關(guān)電源電路起振，由開關(guān)電源的24V輸出直接驅(qū)動充電繼電器，或由此繼電器，接通充電接觸器的線圈供電回路，充電接觸器（繼電器）閉合，當(dāng)充電限流電阻短接，變頻器進(jìn)入待機工作狀態(tài)。電容器上建立一定電壓后，其充電電流幅度大為降低，充電接觸器的閉合／切換電流并不是太大，此后儲能電容回路與逆變電路的供電，由閉合的接觸器觸點供給，充電電阻被接觸器常開觸點所短接。二是隨著電容上充電電壓的建立，開關(guān)電源起振工作，CPU檢測到由直流回路電壓檢檢測電路送來電壓幅度信號，判斷儲能電容的充電過程已經(jīng)完畢，輸出一個充電接觸器動作指令，充電接觸器得電閉合，電容上電充電過程結(jié)束。

部分變頻器及大功率變頻器，整流電路常采用三相半控橋的電路方式，即三相整流橋的下三臂為整流二極管，而上三臂采用三只單向可控硅，用可控硅這種“無觸點開關(guān)”，代替了充電接觸器。節(jié)省了安裝空間，提高了電路的可靠性。

應(yīng)用

超級電容器儲能系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動汽車，風(fēng)光發(fā)電儲能，電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，脈沖電源等。

應(yīng)用于電動汽車

超級電容器用于混合電動汽車中，其應(yīng)用原理圖如圖1所示，由于汽車在行駛過程中經(jīng)常需要加速啟動或減速剎車，由于加速電動機需要很大的啟動電流，大的啟動電流對不論是蓄電池還是燃料電池都會造成大的傷害；而汽車進(jìn)行減速制動時，根據(jù)研究制動所需要的能量占驅(qū)動能量的50％。如果加入超級電容儲能器對汽車啟動加速和剎車減速進(jìn)行能量管理，既可以降低對電動汽車中蓄電池或燃料電池的傷害，又可以回收多余的能量，延長電動汽車的行駛里程。

應(yīng)用于風(fēng)光發(fā)電儲能

太陽能和風(fēng)能是最方便、最潔凈的能源，目前普遍采用蓄電池作為貯能或緩沖裝置，其存在的最大問題就是運行與維護(hù)費大、使用壽命短。超級電容器因其具有數(shù)萬次以上的充放電循環(huán)壽命和完全免維護(hù)、高可靠性等特點，使得替換蓄驅(qū)動軸電動機發(fā)電機超級電容儲能器輸出機械能輸入機械能放電充電電池成為一種必然趨勢。超級電容器在白天陽光充足或風(fēng)力強勁的條件下吸收能量，在夜晚或風(fēng)力較弱時放電，以維持系統(tǒng)平衡。風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

應(yīng)用與電力系統(tǒng)

超級電容儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用目前主要為電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。在現(xiàn)實的供電系統(tǒng)中，由于非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用及大型電機的突然啟停，電網(wǎng)電壓諧波會增加，出現(xiàn)波形畸變，電壓瞬間跌落等問題，這會對需要高質(zhì)量的供電設(shè)備造成傷害，為了提高供電質(zhì)量，超級電容儲能系統(tǒng)作為儲能元件來改善電能質(zhì)量已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，主要分為：動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR），配電靜止同步補償器（D－STATCOM），統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQR），不間斷電源（UPS）。如圖3所示。

應(yīng)用于脈沖電源

移動通信基站、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、無線電通信系統(tǒng)以及軍用裝備，尤其是野戰(zhàn)裝備，大多不能直接由公共電網(wǎng)供電，而需要配置發(fā)電設(shè)備及儲能裝置。未來將引入激光武器、粒子束武器、微波武器、電磁炮等新概念武器的脈沖功率系統(tǒng)通過充電系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收能量，如中等能量激光器和高功率微波武器需要100kW 到500kW 的脈沖電功率，并在毫秒數(shù)量級以內(nèi)大功率釋放脈沖電能，脈沖功率源技術(shù)的研究方向，往往是在追求如何產(chǎn)生更高的瞬時輸出功率，提高效能。高功率電源的核心技術(shù)問題是研究高儲能密度（kJ／kg）和高功率密度（kW／kg ）的脈沖功率儲能系統(tǒng)。超級電容器的高功率密度輸出特性，可以滿足這些系統(tǒng)對功率的要求。