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  • 超級電容器在微電網中的應用
  • 2016-07-26 10:25:00分享到
摘要:隨著可再生能源發電技術的發展,能夠整合分布式電源的微電網是滿足日益增長的電力需求、節省投資和提高能源利用效率的一種有效途徑。儲能系統作為微電網必要的能量緩沖環節,其作用越來越重要。概述了超級電容器的特征和性能,分析了超級電容器儲能系統的結構和控制原理,并詳細闡述了其在微電網中的應用。基于超級電容器的儲能系統,不僅起到能量緩沖的作用,還能夠提供短時供電、緩沖微電網中負荷波動、均衡微電源輸出、改善微電網電能質量,并且對微電網的經濟性能有重要作用。

王鑫,郭佳歡,謝清華,黃偉

(華北電力大學電氣與電子工程學院,北京102206)



引言


當今社會對能源和電力供應的質量以及安全可靠性的要求越來越高,傳統的大電網供電方式由于其本身的缺陷已經不能滿足這種要求。能夠集成分布式發電的新型電網——微電網應運而生,它能夠節省投資、降低能耗、提高系統安全性和靈活性,是未來的發展方向。而作為微電網中必不可少的儲能系統,發揮著十分重要的作用。超級電容器作為一種新型的儲能器件,因為其無可替代的優越性,成為微電網儲能的首選裝置之一。


目前,在我國比較偏遠的山區,架設輸電線路的成本較高,而且即使架設了輸電線路,運行成本也較高,因此實現電氣化有一定的難度。如果利用風力或太陽能發電構建微電網,將電力轉化為超級電容器的電場能儲存起來,待需要時再將電場能轉換為電能供電是非常經濟的,而且不會對環境產生任何破壞。


對于我國大部分農村地區,電網可靠性往往不高,難免出現短時停電,然而提高可靠性需要的成本過高。可以在負荷集中區域建立微電網,在電力正常供應時通過超級電容器儲能系統將電力儲存起來,而在停電時由超級電容器儲能系統供電。即使在我國較發達的城市地區,超級電容器儲能系統也具有重要的作用。超級電容器儲能系統在電力充足時將電力儲存起來,而在電力供應不足時回饋給電網,保證電網負載始終是均衡的。同時,超級電容器儲能系統可以改善電能質量,取代目前使用的UPS,提高重要負載設備如通信設備、計算機和醫療設備等的供電可靠性。


由此可見,既經濟可靠又對環境友好的超級電容器儲能系統是大有市場前景的,研究超級電容器儲能系統在微電網中的應用也符合對環境保護的要求。太陽能、風能和燃料電池等無污染能源儲存在超級電容器中,適時提供電能,不需要投資大的發電站,也不需要復雜的輸送電網,是一種投資少、又能有效應用可再生能源的節能措施。


1超級電容器儲能


1.1超級電容器的特性


超級電容器(super capacitor),又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容,是介于傳統電容器和充電電池之間的一種新型儲能元件,其容量可達幾百至上萬法,比功率是電池的10倍以上,儲存能力比普通電容器高,具有工作溫度范圍廣、可快速充放電、循環壽命長、無污染、零排放等特點。


1)具有超高的容量。超級電容器的容量最大可做到上萬法拉,比同體積的電解電容器容量大2000~6000倍。


2)具有極高的功率密度。超級電容器的功率密度可達到18kW/kg左右,可以在短時間內放出幾百到幾千安的電流。這個特點使得超級電容器非常適合用于短時間高功率輸出的場合。


3)充放電速度快。超級電容器不產生化學反應,可以直接將電力貯存起來,充電所需的時間非常短。超級電容器充電可采用大電流充電,能在幾十秒到數分鐘內完成充電過程,是真正意義上的快速充電。而蓄電池則需要數小時完成充電,采用快速充電也需要幾十分鐘。
4)使用壽命長。超級電容器半永久性使用,無需更換。傳統的充電電池經過多次充電和放電后,電解液逐漸分解、材料變質,性能也隨之下降,用上幾年后大都需要更換。超級電容器充放電過程中發生的電化學反應都具有良好的可逆性,可反復進行充放電數十萬次以上,基本上無需更換。


5)環境溫度對正常使用影響不大。使用溫度范圍廣,低溫性能優越,可達-40~+85℃。而電池僅為0~+40℃。


當然,超級電容器也有其缺點。如果使用超級電容器不當,會造成電解液泄漏等現象。超級電容器不可應用于高頻率充放電的電路中,高頻率的快速充放電會導致電容器內部發熱,容量衰減,內阻增加,在某些情況下會導致電容器性能崩潰。當超級電容器進行串聯使用時,存在單體間的電壓均衡問題。單純的串聯會導致某個或幾個單體電容器過壓,從而損壞這些電容器,整體性能受到影響。


1.2與其它儲能元件的比較


表1是超級電容器與蓄電池、超導儲能以及飛輪儲能的性能比較。蓄電池技術成熟、價格低,但其循化壽命低、污染環境,即將被新型環保的儲能元件取代。飛輪儲能、超導儲能和超級電容器均為優秀的儲能元件,是未來的發展方向,它們具有類似的特性,都可以應用于微電網中。超導儲能、飛輪儲能可以用于快速補償,但其功率密度比超級電容器低得多,效果要差一些。和其他儲能方式相比,超導儲能價格昂貴,除了超導本身的費用外,維持低溫所需要的費用也相當可觀。而飛輪儲能受到轉速及機械強度的限制。



在微電網中,由負荷或者微電源導致的電能質量問題往往具有持續時間短、出現頻繁的特點。相比較而言,作為短期儲能裝置,超級電容器更為理想,因此,主要考慮超級電容器在微電網中的應用。雖然目前超級電容器價格依然偏高,但隨著價格的逐漸下降,超級電容器作為一種高效、實用、環保的能量存儲裝置,必然會成為理想的選擇。

 

2超級電容器運行及控制原理

2.1超級電容器儲能系統的結構

超級電容器儲能系統的基本結構如圖1所示。超級電容器多為雙電層結構,其活性炭電極和電解質之間是空間分布式結構,可用多個電容器的串并聯描述超級電容器的特性。



在超級電容器組充放電過程中,端電壓范圍變化大,通常必須采用DC/DC變換器作為接口電路來調節超級電容器的儲能和釋能。DC/AC變換器可采用雙向DC/AC逆變器,或者采用AC/DC整流器及DC/AC逆變器。超級電容器儲能系統并聯在微電網中母線或者饋線上。

超級電容器儲能系統利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來,當能量緊急缺乏或需要時,再將存儲的能量通過控制單元釋放出來,準確快速補償系統所需的有功和無功,從而實現電能的平衡與穩定控制。超級電容器本身的優點使得它在應用于分布式發電時,在與其它儲能方式的互相競爭中勝出。

2.2超級電容器在微電網中的運行

圖2是微電網的一種典型的結構圖。由圖2可以看出,微電網由微電源、負荷、儲能以及能量管理器等組成。儲能在微電網中發生作用的形式有:接在微電源的直流母線上、包含重要負荷的饋線上或者微電網的交流母線上。其中,前兩種可稱為分布式儲能,最后一種叫做中央儲能。



當并網運行時,微電網內的功率波動由大電網進行平衡,此時儲能處于充電備用狀態。當微電網由并網運行切換到孤網運行時,中央儲能立即啟動,彌補功率缺額。微電網孤網運行時負荷的波動或者微電源的波動則可以由中央儲能或者分布式儲能平衡。其中,微電源的功率波動有2種平衡方式,即將分布式儲能和需要儲能的微電源并聯接在某饋線上,或者將儲能直接接入該微電源的直流母線上。

 

2.3超級電容器的控制原理


對超級電容器的控制主要體現在DC/DC變換器、DC/AC變換器的控制上。近年來,變換器控制技術發展迅速,由最早的開環控制發展到輸出電壓瞬時反饋控制,由模擬控制逐漸發展到全數字控制。當前的數字控制方法有數字PID控制、狀態反饋控制、模糊控制以及神經網絡控制等。其中,數字PID控制方法是工程實踐中應用最廣泛的控制方法。

雙向DC/DC變換器實現直流低壓側超級電容器組與直流高壓側之間的能量轉換。DC/DC變換器的控制目標不能簡單設定為維持儲能電容器直流高壓側電壓恒定,同時還須滿足超級電容器的功率限制,其控制框圖如圖3所示。



DC/AC變換器目前存在多種控制方式。文獻[9]提出一種采用dq0坐標的穩態模型,在此基礎上設計了PI控制器,實現了有功功率和無功功率的同時獨立調節。文獻[10]采用基于同步旋轉坐標系的前饋補償閉環控制,能有效地抑制電壓暫降問題。文獻[11]提出基于模糊-規則的智能控制系統,利用預測的風電功率,儲能裝置的效果及交流電壓的測量,用來調節、整定功率水平,實現對微電源運行的優化。

3超級電容器在微電網中的應用

3.1提供短時供電

微電網存在兩種典型的運行模式:正常情況下,微電網與常規配電網并網運行,稱為并網運行模式;當檢測到電網故障或電能質量不滿足要求時,微電網將及時與電網斷開從而獨立運行,

稱為孤網運行模式。微電網往往需要從常規配電網中吸收部分有功功率,因而微電網在從并網模式向孤網模式轉換時,會有功率缺額,安裝儲能設備有助于2種模式的平穩過渡。

3.2用作能量緩沖裝置

由于微電網規模較小,系統慣性不大,網絡及負荷經常發生波動就顯得十分嚴重,對整個微電網的穩定運行造成影響。我們總是期望微電網中高效發電機(如燃料電池)始終工作在它的額定容量下。但是微電網的負荷量并非整日保持不變,相反,它會隨著天氣變化等情況發生波動。為了滿足峰值負荷供電,必須使用燃油、燃氣的調峰電廠進行高峰負荷調整,由于燃料價格很高,這種方式的運行費用太昂貴。

超級電容器儲能系統可以有效地解決這個問題,它可以在負荷低落時儲存電源的多余電能,而在負荷高峰時回饋給微電網以調整功率需求。儲能系統作為微電網必要的能量緩沖環節,其作用越來越重要。它不僅避免了為滿足峰值負荷而安裝的發電機組,同時充分利用了負荷低谷時機組的發電,避免了浪費。

超級電容器功率密度大、能量密度高的特性使它成為處理尖峰負荷的最佳選擇,而且采用超級電容器只需存儲與尖峰負荷相當的能量。若采用蓄電池儲能,需要存儲幾倍于尖峰負荷的能量。蓄電池曾經廣泛用作儲能單元,但是在微電網中需要頻繁地進行充、放電控制,這樣勢必會大大縮短蓄電池的使用壽命。
在含有如電梯、提升機、地鐵電站等惡性負荷的微電網中,配置超級電容器儲能單元可以減少電力驅動系統對微電網的負面沖擊影響。在負載側有電動機或傳動裝置等強負載系統中,當大負載突然起動時,一般都需要一個很大的瞬間電流,這時,如果電源能量不足,電源電壓將瞬間下降,從而使控制電路產生誤操作,如果增大電源容量,對于平常不需大電流的工作場合來說,顯然是一種浪費。而在系統中增加大功率超級電容器就可用較小容量的電源驅動較大的負載。

3.3改善微電網的電能質量

人們對電能質量問題日益關注。一方面,微電網作為電網要滿足負荷對供電質量的要求,保證供電頻率以及電壓幅值變化、波形畸變率以及年停電次數等在一個很小的范圍內;另一方面,大電網對微電網作為整體的并入電網也提出了嚴格的要求,如負荷功率因數、電流諧波畸變率和最大功率等都有嚴格限制。

儲能系統對微電網電能質量的提高起到了十分重要的作用。通過逆變器控制單元,可以調節超級電容器儲能系統向用戶及網絡提供的無功及有功,從而達到提高電能質量的目的。由于超級電容器可快速吸收、釋放大功率電能,非常適宜將其應用到微電網的電能質量調節裝置中,用來解決系統中的一些暫態問題,如針對系統故障引發的瞬時停電、電壓驟升、電壓驟降等問題,此時利用超級電容器提供快速功率緩沖,吸收或補充電能,提供有功功率支撐進行有功或無功補償,以穩定、平滑電網電壓的波動。

對于風力發電、光伏發電等不可控的微電源,發電機輸出功率產生的波動會使電能質量下降。該類電源與儲能裝置的結合是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時供電中斷等動態電能質量問題的有效手段之一。

3.4優化微電源的運行

綠色能源如太陽能、風能,其能量來源本身的特性,決定了這些發電方式往往具有不均勻性,電能輸出容易發生變化。隨著風力和太陽光強度的變化,這些能源產生的電能輸出也會發生相應的變化。這就需要使用一種緩沖器來存儲能量。由于這些能源產生的電能輸出可能無法滿足微電網峰值電能的需求,因此,可以采用儲能裝置在短時間內提供所需的峰值電能,直到發電量增大,需求量減少。

適量的儲能可以在DG單元不能正常運行的情況下起過渡作用。如利用太陽能發電的夜間,風力發電在無風的情況下,或者其他類型的DG單元正處維修期間,這時系統中的儲能就能起過渡作用,其儲能的多少主要取決于負荷需求。


另外,在能源產生的過程是穩定的而需求是不斷變化的情況下,也需要使用儲能裝置。燃料電池與風能或太陽能不同,只要有燃料,它就能夠持續輸出穩定的電能。然而,負荷需求隨著時間的變化有很大不同。如果沒有儲能裝置,燃料電池就要做得很大以滿足峰值能量需求,成本顯得過高。通過將過剩的能量存儲在儲能裝置中,就可以在短時間內通過儲能裝置提供所需的峰值能量。與燃料電池等高能量密度的物質相結合,超級電容器能提供快速的能量釋放,滿足高功率需求,從而使燃料電池可以僅作為能量源使用。將超級電容器的強大性能和燃料電池結合起來,可以得到尺寸更小、重量更輕、價格更低廉的燃料電池系統。

 

3.5提高微電網的經濟效益

儲能系統的應用,對微電網經濟效益的提供有重要意義:

1)大幅增加可再生能源的發電比例,緩解投資新的輸電、配電線路、以及新建發電廠的壓力,降低系統成本;

2)提供有效的備用容量,

改善電力品質(比發電機有更快的啟動速度),改善系統的可靠度、穩定度;

3)提供有效的負載管理機制,降低尖峰時的供電成本,進而降低電價,提供經濟效益;

4)在電力市場中,

儲能系統能夠大幅避免中斷能源交易,以及預測錯誤帶來的損失,進而提供穩定的電價;

5)不可調度的DG發電單元如太陽能、風能等,受天氣等自然因素的影響比較大,DG單元擁有者不能制訂一定的發電規劃,但是有了能量儲存,就可以在特定的時間提供所需的電能,而不必考慮此時DG單元能夠發出多少電能,只需按照預先制定的發電規劃進行發電。在電力市場的環境下,微電網與電網并網運行,有了足夠的儲存電力,微電網成為可調度的單元,微電網擁有者可以根據不同情況向電力公司賣電,提供調峰和緊急功率支持等服務,獲取最大的經濟效益。

4結語

超級電容器的出現,解決了能源系統中功率密度與能量密度之間的矛盾。隨著超級電容器技術的進一步發展,它將逐步取代當前需頻繁更換的蓄電池,且家用儲能系統也有可能得到實現。作為一種儲能巨大、充放電速度快、工作溫度范圍寬、工作可靠安全、無需維護保養、價格低廉的儲能系統,如能大量應用于微電網中,必將推動技術進步,取得更大的經濟效益。 
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