基本介紹
- 中文名：電容儲能
- 外文名：Capacitor energy storage
- 特點：清潔、環保、多次使用
- 類型：電能儲存技術
- 領域：能源
- 學科：電氣工程
技術介紹,機理類型,雙電層電容,法拉第準電容,技術線路,充電控制電路,套用,
技術介紹
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，超級電容器是介於傳統電容器與電池之間的一種新型電化學儲能器件，它相比傳統電容器有著更高的能量密度，靜電容量能達千法拉至萬法拉級；相比電池有著更高的功率密度和超長的循環壽命，因此它兼具傳統電容器與電池的優點，是一種套用前景廣闊的化學電源。它主要是利用電極/電解質界面電荷分離所形成的雙電層，或藉助電極表面、內部快速的氧化還原反應所產生的法拉第“準電容”來實現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變換器以及相應的控制電路組成。
機理類型
根據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生的。對一個電極/溶液體系，會在電子導電的電極和離子導電的電解質溶液界面上形成雙電層。當在兩個電極上施加電場後，溶液中的陰、陽離子分別向正、負電極遷移，在電極表面形成雙電層；撤消電場後，電極上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩定，在正負極間產生相對穩定的電位差。這時對某一電極而言，會在一定距離內(分散層)產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二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸脫附和氧化還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。對於法拉第準電容，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發生的氧化還原反應。當電解液中的離子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加電場的作用下由溶液中擴散到電極/溶液界面時，會通過界面上的氧化還原反應而進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，這些進入氧化物中的離子又會通過以上氧化還原反應的逆反應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，這就是法拉第準電容的充放電機理。
技術線路
超級電容器儲能裝置的技術核心在於超級電容器組內部的均壓拓撲和控制策略以及雙向DC/DC變換器的拓撲結構與控制策略。
超級電容器的串並聯
超級電容的單體額定電壓一般為2.3V,2.5V或2.7V，其電壓等級相對於其他儲能裝置是很低的。因此需對其串聯以提高超級電容器組的電壓等級，根據電路原理，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並聯來組成超級電容器組。
超級電容器常用串聯均壓電路
超級電容器串聯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，如穩壓管法和開關電阻法；另一類是通過儲能器件進行能量轉移的方式，如DC/DC變換器法等。穩壓管法和開關電阻法通過消耗能量達到電容器的電壓平衡，必然會降低超級電容器儲能系統的效率，而且當超級電容器的充電電流較大時，採用穩壓管或者開關電阻法將很難達到電壓均衡的要求，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帶來安全隱患，降低了系統的可靠性。此外，穩壓管法和開關電阻法只能在充電的過程中實現電壓均衡，具有一定的局限性。能量轉移型電壓均衡方法採用儲能器件進行電壓均衡，是目前超級電容器串聯電壓均衡技術的發展方向。
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採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變換器的拓撲結構
作為儲能元件通過併網變流器接入電網系統，超級電容接入併網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。超級電容器通過串並聯構成儲能陣列，由於超級電容器在充放電過程中，其兩端電壓變化範圍很大，因此必須通過功率變換器接入直流母線，使併網變流器向電網輸送功率時，功率變換器能夠提供恆定的直流母線電壓。因此接入功率變換器後，具有超級電容電壓等級要求低，利用率高等優點。針對超級電容儲能器具有功率雙象限流動進行儲能和釋能的特點，功率變換器必須採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變流器的功率二極體變為雙向開關後具有同樣的結構，構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變流器其能量經過電感Lsc儲存和傳遞，不適用於大功率場合套用。同半橋型雙向DC/DC變流器一樣，可以使電感電流工作於斷續狀態，但流過開關管的電流峰值會變大，優點是結構簡單。
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，這種電路多套用於電源側為電流源的大功率場合，由於全橋變換，各個功率器件的電壓電流應力減小，同樣的器件可以傳輸更大的功率，適合於大功率場合套用。
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，其相對於全橋變流器，要求功率器件的電流容量大，而且其支撐電容要求比較高，適合於中功率高壓套用。
充電控制電路
主電路為電壓型、交直交能量轉換方式的變頻器，因整流與逆變電路之間有大容量電容的儲能迴路，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，會對整流模組很大的電流衝擊而損壞，也會使變頻器供電端連線的空氣斷路器因過流而跳閘。
常規處理方式，是在整流和電容儲能迴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，其電壓幅值達到530V的80%左右時，出現兩種方式的控制過程，一為變頻器的開關電源電路起振，由開關電源的24V輸出直接驅動充電繼電器，或由此繼電器，接通充電接觸器的線圈供電迴路，充電接觸器（繼電器）閉合，當充電限流電阻短接，變頻器進入待機工作狀態。電容器上建立一定電壓後，其充電電流幅度大為降低，充電接觸器的閉合/切換電流並不是太大，此後儲能電容迴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，開關電源起振工作，CPU檢測到由直流迴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束。
部分變頻器及大功率變頻器，整流電路常採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體，而上三臂採用三隻單向可控矽，用可控矽這種“無觸點開關”，代替了充電接觸器。節省了安裝空間，提高了電路的可靠性。
套用
超級電容器儲能系統已經廣泛套用於電動汽車，風光發電儲能，電力系統中電能質量調節，脈衝電源等。
套用於電動汽車
超級電容器用於混合電動汽車中，其套用原理圖如圖1所示，由於汽車在行駛過程中經常需要加速啟動或減速剎車，由於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；而汽車進行減速制動時，根據研究制動所需要的能量占驅動能量的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，又可以回收多餘的能量，延長電動汽車的行駛里程。
套用於風光發電儲能
太陽能和風能是最方便、最潔淨的能源，目前普遍採用蓄電池作為貯能或緩衝裝置，其存在的最大問題就是運行與維護費大、使用壽命短。超級電容器因其具有數萬次以上的充放電循環壽命和完全免維護、高可靠性等特點，使得替換蓄驅動軸電動機發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力強勁的條件下吸收能量，在夜晚或風力較弱時放電，以維持系統平衡。風光發電系統結構如圖2所示。
套用與電力系統
超級電容儲能系統在電力系統中的套用目前主要為電能質量調節。在現實的供電系統中，由於非線性負載的廣泛套用及大型電機的突然啟停，電網電壓諧波會增加，出現波形畸變，電壓瞬間跌落等問題，這會對需要高質量的供電設備造成傷害，為了提高供電質量，超級電容儲能系統作為儲能元件來改善電能質量已經被廣泛套用，主要分為：動態電壓恢復器（DVR），配電靜止同步補償器（D-STATCOM），統一電能質量調節器（UPQR），不間斷電源（UPS）。如圖3所示。
套用於脈衝電源
移動通信基站、衛星通信系統、無線電通信系統以及軍用裝備，尤其是野戰裝備，大多不能直接由公共電網供電，而需要配置發電設備及儲能裝置。未來將引入雷射武器、粒子束武器、微波武器、電磁炮等新概念武器的脈衝功率系統通過充電系統從電網吸收能量，如中等能量雷射器和高功率微波武器需要100kW 到500kW 的脈衝電功率，並在毫秒數量級以內大功率釋放脈衝電能，脈衝功率源技術的研究方向，往往是在追求如何產生更高的瞬時輸出功率，提高效能。高功率電源的核心技術問題是研究高儲能密度(kJ/kg)和高功率密度(kW/kg )的脈衝功率儲能系統。超級電容器的高功率密度輸出特性，可以滿足這些系統對功率的要求。
