智能微电网中的超级电容技术

尹馨

摘 要：当前在经济发展过程中仍然对传统的电网进行使用，但是由于其本身存在的一些问题，已经不适应社会发展的潮流，这为微电网的产生提供了有利的条件。所以文章主要是对超级电容器的定义、类型、组成方式以及其在智能微电网中的应用进行了具体的研究和阐述。

关键词：智能微电网；超级电容器；组成方式

中图分类号：U665.12 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）33-0052-02

前言

随着社会的不断发展，逐渐用更高的标准要求能源和电力供应的质量和可靠性，在传统大电网的供电方式使用中，一些问题和缺陷是无法避免的，在这样的背景下无法使这种需求得以满足，在这样的条件下产生了微电网，其不但可以将能耗降低，同时可以将系统的安全性和灵活性提升，所以微电网具有广阔的发展前景[1]。新型的储能器件之一就是超级电容器，其具有非常大的优势和发展空间，所以当前在微电网能量储存的相关工作中，超级电容器使用广泛。

1 超级电容器的定义

当前一种新型储能元件主要就是超级电容器，其介于传统的电容器和充电电池之间，几百万甚至上万法是其容量，而电池的功率仅仅是超级电容器的十分之一，其特点也非常多，如较广的工作温度范围、较长的循环寿命和环保等。双电层是超级电容器储能系统的基本结构，活性炭电极和电解质之间是空间分布式结构[2]。

超级电容器储能系统储存能量的方式主要是通过多组超级电容器利用电能场的形式储存能量，这样可以在缺少能量时，利用控制单元释放已经存储起来的能量，对补偿系统需要的有功和无功迅速的补充，从而使平衡和稳定控制电能的目标得以实现。在分布式发电的应用过程中可以充分体现出超级电容器本身的优点，这是其他储能方式无法比拟的。

2 超级电容器的类型

2.1 双电层电容器

电极和电解质共同形成的界面双层是双电容器进行能量储存工作的重要基础和前提，由于库仑力和原子间力的作用，当电极接触到电解液时，固液界之间会出现界面双层，界面双层是稳定的且具有相反的符号。多孔碳材料是其主要的电极材料，如活性炭和碳纳米管等都包括其中。电极材料的孔隙率对双层电容器容量的大小产生影响，即具有越高的孔隙率，则电极材料具有越大的比表面积，就会产生越大的双电层电容。但是2-50nm是电极材料孔径的大小，要想将材料的有效比面积不断提升只能通过提高孔隙率的方式来实现，从而可以将双电层电容量进一步提升。

2.2 赝电容器

在电极材料表面或体相的二维空间上使用赝电容器，高度可逆的化学吸附和还原反应等是在电活性物质的欠电位沉积的作用下发生的，从而使与电极充电电位有关的电容得以产生[4]。由于在体相中发生整个反应，所以这种体系具有最大的电容值，如吸附型准电容为2mF/cm2。氧化还原型电容器具有最大的容量值，一般2mF/cm2被认为是碳材料的比容，所以如果具有相同的体积或重量，双电层电容器的容量远远低于赝电容器的容量，甚至只有后者的百分之一。其中MnO2、H3PMo12O40和RuO2等这些过渡金属氧化物是金属氧化物超级电容器主要使用的电极材料。RuO2是超级电容器电极材料研究中最为成功的案例，700-760F/g是其在H2SO4电解液中的比容，但是其应用受到资源和价格的限制。

近几年逐渐发展起导电聚合物的电极材料。聚合物产品的电子导电率比较好，1-100S/cm是其典型的数值，其电化学氧化和还原结果一般用“p掺杂”和“n掺杂”来描述[5]。在电化学氧化和还原反应的帮助下，导电聚合物可以将正负电荷的中心引入到电子共轭聚合物链上，而且其能量的存储也是利用法拉第过程来实现的。但是当前其电化学n掺杂反应只有有限的导电聚合物能够完成，所以当前主要的研究工作是寻找具有优良掺杂性能的导电聚合物，从而可以将其充放电性能等不断提高。

3 超级电容器的组成方式

3.1 串联方式

由于超级电容器具有较低的单体工作电压，这对于应用工况电压需求的范围无法全面覆盖，所以只有通过串联多个单体使应用工况的电压需求得以满足。但是固定的差异性存在于单体电容器之间，这样对于不同的電容器无法将串联组件上的总电压均衡的分配，从而使电压分配不对称的状况得以出现。

3.2 并联方式

超级电容器组件通过并联的方式可以对很大的电流进行输出或接受。在充电时，单体之间的电压分布是由串联充电电阻来保障的，但是其本身的充电电阻具有动态性和分散性，这样使电阻变化的调整和电路控制的复杂性加强。在放电时，较高的输出功率可以通过对放电电阻的控制来获取，但是为了对过大放电电流现象的避免，需要对组件的贮能量合理的控制。

3.3 串并混联

串并混联主要是将串联和并联方式的优点结合起来，对两种方式的不足进行避免，这样可以使用指定的电阻对电容器充电过程的电压合理控制。

4 智能微电网中超级电容器的应用

4.1 对短时供电进行提供

微电网中部分的有功功率需要从常规配电网中进行吸收，所以微电网在用孤网模式替换并网模式时，会有功率缺额的现象出现，这时储能设备的安装对其两种模式的转换具有一定的推动作用，将其平稳性大大提升。

4.2 在能量缓冲装置中的应用

微电网具有较小的规模和较小的系统惯性，所以其具有非常严重的网络和负荷波动，严重影响整个微电网运行的稳定性[6]。一般微电网高效发电机的额定容量下进行相应的工

作，但是由于微电网的负能量的波动会跟随天气变化等情况出现。为了使峰值负荷供电需求得以满足，要利用燃油和燃气等调峰电厂调整其高峰负荷，但是这种方式具有非常高的价格费用。超级电容器储能系统可以将这个问题合理的解决，其可以将电源的多余电能储存在负荷低落的过程中，这样可以在负荷高峰时进行使用，从而使微电网调整功率的需求得以满足。endprint

4.3 对电网的电能质量进行改善

储能系统在提升微电网电能质量的过程中发挥的作用是十分重要的，其可以使电能质量提升的目的得以实现[7]。较快的吸收速度和对大功率电能进行释放是超级电容器本身具有的优势，所以在微电网电能质量的调节装置中非常适合使用，其可以对系统故障引发的瞬时停电和电压骤降等这些系统中的暂态问题进行及时的解决，这时可以通过超级电容器对电能进行补充或者吸收，从而可以使电网电压的波动的稳定性和平滑性大大提升。

4.4 对微电源的运行进行优化

太阳能等这些绿色能源本身不具备均匀性，这样会改变输出的电能，这时能量需要一种缓冲器来存储。由于这些电能输出可能无法使微电网峰值电能的需求得以满足，所以可以将其需要的峰值电能在短时间内利用储能装置提升。直到其减少需求量为止。一定的过渡作用是系统中的储能在DG单元无法正常运行的状况下发挥的，为其正常运行提供保障。

5 結束语

由此可见，能源系统中功率密度和能量密度之间的矛盾可以通过超级电容器合理的解决。随着科技水平的进一步提升会逐渐实现家用储能系统的目标。由于超级电容器这个储能系统中一系列的优点，如较低的价格、安全可靠性较高以及较广的工作温度范围等，在微电网中应用，不但可以对电网的电能质量进行改善，同时可以对微电源的运行进行优化，从而可以推动经济的进一步发展。

参考文献：

[1]屈伟平，林燕.智能电网中的超级电容技术[J].电器工业，2012，11（01）：54-56.

[2]屈伟平，林燕.智能微电网中的超级电容技术[J].上海电气技术，

2013，22（04）：59-62.

[3]罗星，王吉红，马钊.储能技术综述及其在智能电网中的应用展望[J].智能电网，2014，25（03）：7-12.

[4]刘建戈.智能电网中分布式储能技术的现状与发展[J].电气时代，

2011，32（05）：30-32.

[5]本刊编辑部.智能电网、新能源需大容量储能技术[J].低压电器，

2012，18（08）：64-65.

[6]刘伟，康积涛，李珊，等.超级电容储能技术在分布式发电系统中的应用[J].华电技术，2010，32（09）：32-33+63+85.

[7]赵秀雅，王培红.超级电容储能技术在可再生能源发电中的应用[A].中国工程院能源与矿业工程学部、上海市中国工程院院士咨询与学术活动中心、上海市能源研究会.新形势下长三角能源面临的新挑战和新对策——第八届长三角能源论坛论文集[C].中国工程院能源与矿业工程学部、上海市中国工程院院士咨询与学术活动中心、上海市能源研究会，2011，31（12）：568-569.endprint