王鑫，郭佳歡，謝清華，黃偉

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206）

摘要：隨著可再生能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，能夠整合分布式電源的微電網(wǎng)是滿足日益增長的電力需求、節(jié)省投資和提高能源利用效率的一種有效途徑。儲能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，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(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制原理，并詳細(xì)闡述了其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用。基于超級電容器的儲能系統(tǒng)，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(wǎng)中負(fù)荷波動、均衡微電源輸出、改善微電網(wǎng)電能質(zhì)量，并且對微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性能有重要作用。

0引言

當(dāng)今社會對能源和電力供應(yīng)的質(zhì)量以及安全可靠性的要求越來越高,傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電方式由于其本身的缺陷已經(jīng)不能滿足這種要求。能夠集成分布式發(fā)電的新型電網(wǎng)——微電網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，它能夠節(jié)省投資、降低能耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性,是未來的發(fā)展方向。而作為微電網(wǎng)中必不可少的儲能系統(tǒng)，發(fā)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?yàn)槠錈o可替代的優(yōu)越性，成為微電網(wǎng)儲能的首選裝置之一。

目前，在我國比較偏遠(yuǎn)的山區(qū)，架設(shè)輸電線路的成本較高，而且即使架設(shè)了輸電線路，運(yùn)行成本也較高，因此實(shí)現(xiàn)電氣化有一定的難度。如果利用風(fēng)力或太陽能發(fā)電構(gòu)建微電網(wǎng)，將電力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電能供電是非常經(jīng)濟(jì)的，而且不會對環(huán)境產(chǎn)生任何破壞。

對于我國大部分農(nóng)村地區(qū)，電網(wǎng)可靠性往往不高，難免出現(xiàn)短時停電，然而提高可靠性需要的成本過高。可以在負(fù)荷集中區(qū)域建立微電網(wǎng)，在電力正常供應(yīng)時通過超級電容器儲能系統(tǒng)將電力儲存起來，而在停電時由超級電容器儲能系統(tǒng)供電。即使在我國較發(fā)達(dá)的城市地區(qū)，超級電容器儲能系統(tǒng)也具有重要的作用。超級電容器儲能系統(tǒng)在電力充足時將電力儲存起來，而在電力供應(yīng)不足時回饋給電網(wǎng)，保證電網(wǎng)負(fù)載始終是均衡的。同時，超級電容器儲能系統(tǒng)可以改善電能質(zhì)量，取代目前使用的UPS，提高重要負(fù)載設(shè)備如通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和醫(yī)療設(shè)備等的供電可靠性。

由此可見，既經(jīng)濟(jì)可靠又對環(huán)境友好的超級電容器儲能系統(tǒng)是大有市場前景的，研究超級電容器儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用也符合對環(huán)境保護(hù)的要求。太陽能、風(fēng)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(fā)電站,也不需要復(fù)雜的輸送電網(wǎng),是一種投資少、又能有效應(yīng)用可再生能源的節(jié)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(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能元件，其容量可達(dá)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(huán)壽命長、無污染、零排放等特點(diǎn)。

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(dá)到18kW/kg左右，可以在短時間內(nèi)放出幾百到幾千安的電流。這個特點(diǎn)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(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，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(shù)分鐘內(nèi)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(shù)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(tǒng)的充電電池經(jīng)過多次充電和放電后，電解液逐漸分解、材料變質(zhì)，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(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)都具有良好的可逆性，可反復(fù)進(jìn)行充放電數(shù)十萬次以上，基本上無需更換。

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

當(dāng)然，超級電容器也有其缺點(diǎn)。如果使用超級電容器不當(dāng)，會造成電解液泄漏等現(xiàn)象。超級電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中，高頻率的快速充放電會導(dǎo)致電容器內(nèi)部發(fā)熱，容量衰減，內(nèi)阻增加，在某些情況下會導(dǎo)致電容器性能崩潰。當(dāng)超級電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時，存在單體間的電壓均衡問題。單純的串聯(lián)會導(dǎo)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(dǎo)儲能以及飛輪儲能的性能比較。蓄電池技術(shù)成熟、價格低，但其循化壽命低、污染環(huán)境，即將被新型環(huán)保的儲能元件取代。飛輪儲能、超導(dǎo)儲能和超級電容器均為優(yōu)秀的儲能元件，是未來的發(fā)展方向，它們具有類似的特性，都可以應(yīng)用于微電網(wǎng)中。超導(dǎo)儲能、飛輪儲能可以用于快速補(bǔ)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(dǎo)儲能價格昂貴，除了超導(dǎo)本身的費(fèi)用外，維持低溫所需要的費(fèi)用也相當(dāng)可觀。而飛輪儲能受到轉(zhuǎn)速及機(jī)械強(qiáng)度的限制。

在微電網(wǎng)中，由負(fù)荷或者微電源導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題往往具有持續(xù)時間短、出現(xiàn)頻繁的特點(diǎn)。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(wǎng)中的應(yīng)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(shí)用、環(huán)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(yùn)行及控制原理

2.1超級電容器儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

超級電容器儲能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。超級電容器多為雙電層結(jié)構(gòu)，其活性炭電極和電解質(zhì)之間是空間分布式結(jié)構(gòu)，可用多個電容器的串并聯(lián)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(diào)節(jié)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(tǒng)并聯(lián)在微電網(wǎng)中母線或者饋線上。

超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當(dāng)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(zhǔn)確快速補(bǔ)償系統(tǒng)所需的有功和無功，從而實(shí)現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制。超級電容器本身的優(yōu)點(diǎn)使得它在應(yīng)用于分布式發(fā)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(wǎng)中的運(yùn)行

圖2是微電網(wǎng)的一種典型的結(jié)構(gòu)圖。由圖2可以看出，微電網(wǎng)由微電源、負(fù)荷、儲能以及能量管理器等組成。儲能在微電網(wǎng)中發(fā)生作用的形式有：接在微電源的直流母線上、包含重要負(fù)荷的饋線上或者微電網(wǎng)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(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行時，微電網(wǎng)內(nèi)的功率波動由大電網(wǎng)進(jìn)行平衡，此時儲能處于充電備用狀態(tài)。當(dāng)微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換到孤網(wǎng)運(yùn)行時，中央儲能立即啟動，彌補(bǔ)功率缺額。微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行時負(fù)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(lián)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(xiàn)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(shù)發(fā)展迅速，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)展到全數(shù)字控制。當(dāng)前的數(shù)字控制方法有數(shù)字PID控制、狀態(tài)反饋控制、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。其中，數(shù)字PID控制方法是工程實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的控制方法。

雙向DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)直流低壓側(cè)超級電容器組與直流高壓側(cè)之間的能量轉(zhuǎn)換。DC/DC變換器的控制目標(biāo)不能簡單設(shè)定為維持儲能電容器直流高壓側(cè)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(xiàn)[9]提出一種采用dq0坐標(biāo)的穩(wěn)態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了PI控制器，實(shí)現(xiàn)了有功功率和無功功率的同時獨(dú)立調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[10]采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的前饋補(bǔ)償閉環(huán)控制，能有效地抑制電壓暫降問題。文獻(xiàn)[11]提出基于模糊-規(guī)則的智能控制系統(tǒng)，利用預(yù)測的風(fēng)電功率，儲能裝置的效果及交流電壓的測量，用來調(diào)節(jié)、整定功率水平，實(shí)現(xiàn)對微電源運(yùn)行的優(yōu)化。

3超級電容器在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1提供短時供電

微電網(wǎng)存在兩種典型的運(yùn)行模式：正常情況下，微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,稱為并網(wǎng)運(yùn)行模式；當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時,微電網(wǎng)將及時與電網(wǎng)斷開從而獨(dú)立運(yùn)行,

稱為孤網(wǎng)運(yùn)行模式。微電網(wǎng)往往需要從常規(guī)配電網(wǎng)中吸收部分有功功率，因而微電網(wǎng)在從并網(wǎng)模式向孤網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換時，會有功率缺額，安裝儲能設(shè)備有助于2種模式的平穩(wěn)過渡。

3.2用作能量緩沖裝置

由于微電網(wǎng)規(guī)模較小，系統(tǒng)慣性不大，網(wǎng)絡(luò)及負(fù)荷經(jīng)常發(fā)生波動就顯得十分嚴(yán)重，對整個微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。我們總是期望微電網(wǎng)中高效發(fā)電機(jī)（如燃料電池）始終工作在它的額定容量下。但是微電網(wǎng)的負(fù)荷量并非整日保持不變，相反，它會隨著天氣變化等情況發(fā)生波動。為了滿足峰值負(fù)荷供電，必須使用燃油、燃?xì)獾恼{(diào)峰電廠進(jìn)行高峰負(fù)荷調(diào)整，由于燃料價格很高，這種方式的運(yùn)行費(fèi)用太昂貴。

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

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(fù)荷的最佳選擇，而且采用超級電容器只需存儲與尖峰負(fù)荷相當(dāng)?shù)哪芰俊Ｈ舨捎眯铍姵貎δ埽枰鎯妆队诩夥遑?fù)荷的能量。蓄電池曾經(jīng)廣泛用作儲能單元，但是在微電網(wǎng)中需要頻繁地進(jìn)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(jī)、地鐵電站等惡性負(fù)荷的微電網(wǎng)中，配置超級電容器儲能單元可以減少電力驅(qū)動系統(tǒng)對微電網(wǎng)的負(fù)面沖擊影響。在負(fù)載側(cè)有電動機(jī)或傳動裝置等強(qiáng)負(fù)載系統(tǒng)中，當(dāng)大負(fù)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(chǎn)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(fèi)。而在系統(tǒng)中增加大功率超級電容器就可用較小容量的電源驅(qū)動較大的負(fù)載。

3.3改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量

人們對電能質(zhì)量問題日益關(guān)注。一方面，微電網(wǎng)作為電網(wǎng)要滿足負(fù)荷對供電質(zhì)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(shù)等在一個很小的范圍內(nèi)；另一方面，大電網(wǎng)對微電網(wǎng)作為整體的并入電網(wǎng)也提出了嚴(yán)格的要求，如負(fù)荷功率因數(shù)、電流諧波畸變率和最大功率等都有嚴(yán)格限制。

儲能系統(tǒng)對微電網(wǎng)電能質(zhì)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(diào)節(jié)超級電容器儲能系統(tǒng)向用戶及網(wǎng)絡(luò)提供的無功及有功，從而達(dá)到提高電能質(zhì)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(yīng)用到微電網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置中，用來解決系統(tǒng)中的一些暫態(tài)問題，如針對系統(tǒng)故障引發(fā)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(bǔ)充電能，提供有功功率支撐進(jìn)行有功或無功補(bǔ)償，以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓的波動。

對于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等不可控的微電源，發(fā)電機(jī)輸出功率產(chǎn)生的波動會使電能質(zhì)量下降。該類電源與儲能裝置的結(jié)合是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時供電中斷等動態(tài)電能質(zhì)量問題的有效手段之一。

3.4優(yōu)化微電源的運(yùn)行

綠色能源如太陽能、風(fēng)能，其能量來源本身的特性，決定了這些發(fā)電方式往往具有不均勻性，電能輸出容易發(fā)生變化。隨著風(fēng)力和太陽光強(qiáng)度的變化，這些能源產(chǎn)生的電能輸出也會發(fā)生相應(yīng)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(chǎn)生的電能輸出可能無法滿足微電網(wǎng)峰值電能的需求，因此，可以采用儲能裝置在短時間內(nèi)提供所需的峰值電能，直到發(fā)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(yùn)行的情況下起過渡作用。如利用太陽能發(fā)電的夜間，風(fēng)力發(fā)電在無風(fēng)的情況下，或者其他類型的DG單元正處維修期間，這時系統(tǒng)中的儲能就能起過渡作用，其儲能的多少主要取決于負(fù)荷需求。

另外，在能源產(chǎn)生的過程是穩(wěn)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(fēng)能或太陽能不同，只要有燃料，它就能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定的電能。然而，負(fù)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(nèi)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(zhì)相結(jié)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(qiáng)大性能和燃料電池結(jié)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(tǒng)。

3.5提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益

儲能系統(tǒng)的應(yīng)用，對微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的提供有重要意義：

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

2）提供有效的備用容量，

改善電力品質(zhì)（比發(fā)電機(jī)有更快的啟動速度），改善系統(tǒng)的可靠度、穩(wěn)定度；

3）提供有效的負(fù)載管理機(jī)制，降低尖峰時的供電成本，進(jìn)而降低電價，提供經(jīng)濟(jì)效益；

4）在電力市場中，

儲能系統(tǒng)能夠大幅避免中斷能源交易，以及預(yù)測錯誤帶來的損失，進(jìn)而提供穩(wěn)定的電價；

5）不可調(diào)度的DG發(fā)電單元如太陽能、風(fēng)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(fā)電規(guī)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(fā)出多少電能，只需按照預(yù)先制定的發(fā)電規(guī)劃進(jìn)行發(fā)電。在電力市場的環(huán)境下，微電網(wǎng)與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，有了足夠的儲存電力，微電網(wǎng)成為可調(diào)度的單元，微電網(wǎng)擁有者可以根據(jù)不同情況向電力公司賣電，提供調(diào)峰和緊急功率支持等服務(wù)，獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。

4結(jié)語

超級電容器的出現(xiàn)，解決了能源系統(tǒng)中功率密度與能量密度之間的矛盾。隨著超級電容器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它將逐步取代當(dāng)前需頻繁更換的蓄電池，且家用儲能系統(tǒng)也有可能得到實(shí)現(xiàn)。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(hù)保養(yǎng)、價格低廉的儲能系統(tǒng)，如能大量應(yīng)用于微電網(wǎng)中，必將推動技術(shù)進(jìn)步，取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。