智能微電網中的超級電容技術

尹馨

摘 要：當前在經濟發展過程中仍然對傳統的電網進行使用，但是由于其本身存在的一些問題，已經不適應社會發展的潮流，這為微電網的產生提供了有利的條件。所以文章主要是對超級電容器的定義、類型、組成方式以及其在智能微電網中的應用進行了具體的研究和闡述。

關鍵詞：智能微電網；超級電容器；組成方式

中圖分類號：U665.12 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）33-0052-02

前言

隨著社會的不斷發展，逐漸用更高的標準要求能源和電力供應的質量和可靠性，在傳統大電網的供電方式使用中，一些問題和缺陷是無法避免的，在這樣的背景下無法使這種需求得以滿足，在這樣的條件下產生了微電網，其不但可以將能耗降低，同時可以將系統的安全性和靈活性提升，所以微電網具有廣闊的發展前景[1]。新型的儲能器件之一就是超級電容器，其具有非常大的優勢和發展空間，所以當前在微電網能量儲存的相關工作中，超級電容器使用廣泛。

1 超級電容器的定義

當前一種新型儲能元件主要就是超級電容器，其介于傳統的電容器和充電電池之間，幾百萬甚至上萬法是其容量，而電池的功率僅僅是超級電容器的十分之一，其特點也非常多，如較廣的工作溫度范圍、較長的循環壽命和環保等。雙電層是超級電容器儲能系統的基本結構，活性炭電極和電解質之間是空間分布式結構[2]。

超級電容器儲能系統儲存能量的方式主要是通過多組超級電容器利用電能場的形式儲存能量，這樣可以在缺少能量時，利用控制單元釋放已經存儲起來的能量，對補償系統需要的有功和無功迅速的補充，從而使平衡和穩定控制電能的目標得以實現。在分布式發電的應用過程中可以充分體現出超級電容器本身的優點，這是其他儲能方式無法比擬的。

2 超級電容器的類型

2.1 雙電層電容器

電極和電解質共同形成的界面雙層是雙電容器進行能量儲存工作的重要基礎和前提，由于庫侖力和原子間力的作用，當電極接觸到電解液時，固液界之間會出現界面雙層，界面雙層是穩定的且具有相反的符號。多孔碳材料是其主要的電極材料，如活性炭和碳納米管等都包括其中。電極材料的孔隙率對雙層電容器容量的大小產生影響，即具有越高的孔隙率，則電極材料具有越大的比表面積，就會產生越大的雙電層電容。但是2-50nm是電極材料孔徑的大小，要想將材料的有效比面積不斷提升只能通過提高孔隙率的方式來實現，從而可以將雙電層電容量進一步提升。

2.2 贗電容器

在電極材料表面或體相的二維空間上使用贗電容器，高度可逆的化學吸附和還原反應等是在電活性物質的欠電位沉積的作用下發生的，從而使與電極充電電位有關的電容得以產生[4]。由于在體相中發生整個反應，所以這種體系具有最大的電容值，如吸附型準電容為2mF/cm2。氧化還原型電容器具有最大的容量值，一般2mF/cm2被認為是碳材料的比容，所以如果具有相同的體積或重量，雙電層電容器的容量遠遠低于贗電容器的容量，甚至只有后者的百分之一。其中MnO2、H3PMo12O40和RuO2等這些過渡金屬氧化物是金屬氧化物超級電容器主要使用的電極材料。RuO2是超級電容器電極材料研究中最為成功的案例，700-760F/g是其在H2SO4電解液中的比容，但是其應用受到資源和價格的限制。

近幾年逐漸發展起導電聚合物的電極材料。聚合物產品的電子導電率比較好，1-100S/cm是其典型的數值，其電化學氧化和還原結果一般用“p摻雜”和“n摻雜”來描述[5]。在電化學氧化和還原反應的幫助下，導電聚合物可以將正負電荷的中心引入到電子共軛聚合物鏈上，而且其能量的存儲也是利用法拉第過程來實現的。但是當前其電化學n摻雜反應只有有限的導電聚合物能夠完成，所以當前主要的研究工作是尋找具有優良摻雜性能的導電聚合物，從而可以將其充放電性能等不斷提高。

3 超級電容器的組成方式

3.1 串聯方式

由于超級電容器具有較低的單體工作電壓，這對于應用工況電壓需求的范圍無法全面覆蓋，所以只有通過串聯多個單體使應用工況的電壓需求得以滿足。但是固定的差異性存在于單體電容器之間，這樣對于不同的電容器無法將串聯組件上的總電壓均衡的分配，從而使電壓分配不對稱的狀況得以出現。

3.2 并聯方式

超級電容器組件通過并聯的方式可以對很大的電流進行輸出或接受。在充電時，單體之間的電壓分布是由串聯充電電阻來保障的，但是其本身的充電電阻具有動態性和分散性，這樣使電阻變化的調整和電路控制的復雜性加強。在放電時，較高的輸出功率可以通過對放電電阻的控制來獲取，但是為了對過大放電電流現象的避免，需要對組件的貯能量合理的控制。

3.3 串并混聯

串并混聯主要是將串聯和并聯方式的優點結合起來，對兩種方式的不足進行避免，這樣可以使用指定的電阻對電容器充電過程的電壓合理控制。

4 智能微電網中超級電容器的應用

4.1 對短時供電進行提供

微電網中部分的有功功率需要從常規配電網中進行吸收，所以微電網在用孤網模式替換并網模式時，會有功率缺額的現象出現，這時儲能設備的安裝對其兩種模式的轉換具有一定的推動作用，將其平穩性大大提升。

4.2 在能量緩沖裝置中的應用

微電網具有較小的規模和較小的系統慣性，所以其具有非常嚴重的網絡和負荷波動，嚴重影響整個微電網運行的穩定性[6]。一般微電網高效發電機的額定容量下進行相應的工

作，但是由于微電網的負能量的波動會跟隨天氣變化等情況出現。為了使峰值負荷供電需求得以滿足，要利用燃油和燃氣等調峰電廠調整其高峰負荷，但是這種方式具有非常高的價格費用。超級電容器儲能系統可以將這個問題合理的解決，其可以將電源的多余電能儲存在負荷低落的過程中，這樣可以在負荷高峰時進行使用，從而使微電網調整功率的需求得以滿足。endprint

4.3 對電網的電能質量進行改善

儲能系統在提升微電網電能質量的過程中發揮的作用是十分重要的，其可以使電能質量提升的目的得以實現[7]。較快的吸收速度和對大功率電能進行釋放是超級電容器本身具有的優勢，所以在微電網電能質量的調節裝置中非常適合使用，其可以對系統故障引發的瞬時停電和電壓驟降等這些系統中的暫態問題進行及時的解決，這時可以通過超級電容器對電能進行補充或者吸收，從而可以使電網電壓的波動的穩定性和平滑性大大提升。

4.4 對微電源的運行進行優化

太陽能等這些綠色能源本身不具備均勻性，這樣會改變輸出的電能，這時能量需要一種緩沖器來存儲。由于這些電能輸出可能無法使微電網峰值電能的需求得以滿足，所以可以將其需要的峰值電能在短時間內利用儲能裝置提升。直到其減少需求量為止。一定的過渡作用是系統中的儲能在DG單元無法正常運行的狀況下發揮的，為其正常運行提供保障。

5 結束語

由此可見，能源系統中功率密度和能量密度之間的矛盾可以通過超級電容器合理的解決。隨著科技水平的進一步提升會逐漸實現家用儲能系統的目標。由于超級電容器這個儲能系統中一系列的優點，如較低的價格、安全可靠性較高以及較廣的工作溫度范圍等，在微電網中應用，不但可以對電網的電能質量進行改善，同時可以對微電源的運行進行優化，從而可以推動經濟的進一步發展。

參考文獻：

[1]屈偉平，林燕.智能電網中的超級電容技術[J].電器工業，2012，11（01）：54-56.

[2]屈偉平，林燕.智能微電網中的超級電容技術[J].上海電氣技術，

2013，22（04）：59-62.

[3]羅星，王吉紅，馬釗.儲能技術綜述及其在智能電網中的應用展望[J].智能電網，2014，25（03）：7-12.

[4]劉建戈.智能電網中分布式儲能技術的現狀與發展[J].電氣時代，

2011，32（05）：30-32.

[5]本刊編輯部.智能電網、新能源需大容量儲能技術[J].低壓電器，

2012，18（08）：64-65.

[6]劉偉，康積濤，李珊，等.超級電容儲能技術在分布式發電系統中的應用[J].華電技術，2010，32（09）：32-33+63+85.

[7]趙秀雅，王培紅.超級電容儲能技術在可再生能源發電中的應用[A].中國工程院能源與礦業工程學部、上海市中國工程院院士咨詢與學術活動中心、上海市能源研究會.新形勢下長三角能源面臨的新挑戰和新對策——第八屆長三角能源論壇論文集[C].中國工程院能源與礦業工程學部、上海市中國工程院院士咨詢與學術活動中心、上海市能源研究會，2011，31（12）：568-569.endprint