超级电容器储能的应用_冷超

工程与技术
上海电力
2008 年第 1 期
两型一化 110 kV 龙湾变电站设计
曹林放1 , 叶
( 1. 上海电力设 计院有限公司 , 上海 摘
军1 , 徐
萍2
200122)
以上介绍的几种储能系 统, 在能量密度 ( E/ M) 、 功率密度 ( P / M ) 、 使用寿命和效率方面做了 比较 , 如表 1
储能方法 Sto rage M ethod 超级电容器储能 超导磁储能 蓄电池储能 飞轮储能
[ 5]
所示 :
[ 5]
表 1 各储能系统 的比较
能量密度 / W h kg - 1 2~ 5 < 1 30~ 200 5~ 50 功率密度 / W kg- 1 7 000~ 18 000 1 000 100~ 700 180~ 1 800
装置串联接在系统和负载之间 , 针对的是系 统的电压扰动。通过串 接变压器将补偿 电压叠 加到系统电 压上 , 以 消除 电压 跌落、 闪 变、 电压 谐波、 电压三相不平衡等电能质 量问题 , 使负荷 侧不受这些电压 扰动的影响。从这个角 度看和 动态电 压恢复 器 ( DVR) 的功能 是一样 的, 但是 两者还有区别。主要区 别在于本装置还 有一个 并联的整流 器为超 级电 容器 提供 能量 , 具有 储 能单元 , 使得装置可以连续 工作。通常 DVR 中 的能量是事先储 存好的 , DVR 工 作中不断 消耗 能量 , 能量 耗尽后 , DVR 停 止工作 , 然后由 专用
3
各储能系统的比较
3. 1 超导磁能存储系统 ( SMES Super conducting magnetic energy storage) 线圈放在接近零下 273 的低温环境 , 它的 电感量并不改变 , 但它的电阻会降到很小 , 接近 0 的水平, 成为超导体。闭合超导线圈一旦加入电 流, 这个电流会在线圈电路内循环流动 , 由于电阻 极小 , 所以没有损耗。在电源撤去后, 此电流不会 消失 , 可以长时间流动。如果将此电路内加一电 压, 电流即会上升 , 外 电压为 0, 电流恒定。如果 将此电流 逆变成 交流送 入电 网, 就 是超导 磁储 能[ 3] , 其原理如图 2 所示。缺点: 冷却费用高, 对 磁场环境、 电流强度很敏感。 3. 2 蓄电池储能( BESS Battery storage system) 蓄电池是最早的多次利用电源 , 由于其性质 和质量、 体积的关系在电力系统中没有受到重视。 80
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超级电容器储能的应用
现在上海 电网 已形 成 了黄 渡分 区、 泗泾 分 区、 南 桥分 区、 杨 高分区、 顾 路分区、 杨 行分区、 徐行分区 7 个分区 运行的格局。分层分 区运行 后, 分区间 电源分 布的 不平 衡和 电源 运行特 性 的差异将使部分分 区的动态无功 严重不足。目 前, 黄渡分区、 泗泾分 区、 杨高分 区、 徐行 分区将
图1 超级电容器工作原理图
传统物理电容中所储存的能量随外加电压的 升高而连续升高 , 直到电介质被击穿。而电池中 所储存的能量只与电池电动热成正比。可见 , 电 池适用于长时间低电流的供电需要, 而超级电容 79
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器适用于短时间大电流的放电。 2. 2 超级电容器的特点
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应用 2
并联补偿装置
装置并联在系统和负荷之间, 正常工作时, 先 将系统电压整流保存在超级电容器内。同时经过 逆变器将此直流逆变成交流电压, 通过变压器与 系统相连 , 输出与电网同频率的电压, 就像一个电 压型逆变器, 只不过其交流侧输出接的不是无源 负载 , 而是电网。原理图如图 6 所示。 如果所逆变的电压高于系统电压 , 则逆变器 就像一组电容器那样向系统提供无功功率 ; 如果 电压低于系统电压 , 它将消耗无功功率。由于具 有储能单元, 在配电系统发生供电电压中断时, 可 以向负荷短时供电。这样 , 不仅可以有效抑制负 荷扰动造成的电压波动 , 对提高系统的供电能力 和供电可靠性也有很好的作用。 81
传统行业采用计算机 管理及新的控 制技术的应 用, 对电能质量敏感的负荷所占比重越来越大 , 这 就意味着信息社会不仅依赖于电力供应 , 而且更 需要新的特殊性的电力供应。如何提高电能质量 已成为当今世界各国研究的一个热门问题。无功 功率不平衡引起的供电电压方面的问题 , 包括电 压波动和闪变、 电压波形畸变、 三相不平衡等 , 以 及电力系统故障、 操作等引起的电压凹陷、 电压凸 起等问题较为广泛。为了解决这些问题 , 需要补 偿无功功率和提供有功功率, 因此需要储能装置。 近年来, 各种储能装置在解决电能质量方面的问 题都在发展中。本文介绍了超级电容器这一高能 量密度的新器件, 对于超级电容器储能和飞轮储 能、 蓄电池储能、 超导磁储能做了比较, 给出了超 级电容器储能系统在解决电能质量问题的应用。
图4
超级电容器系统原理图
的设备 为其 充电。所以 DVR 一 般不 能连续 工 作。而本装置可以连续工 作。由 于超级电 容器 的高功率密度 , 可以快速地释放 能量 , 迅 速地对 电压 进 行 补 偿 , 实 时 性 很 好。 原 理 图 如 图 5 所示。
效率 /% > 95 90 80~ 85 90~ 95
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不同程度的存在 动态无功不足的 问题。因此在 电网无功电压的关键控 制节点安装补偿 装置势 在必行。超级电容器储 能可以作为串联 补偿装 置, 也可以作为并联补偿装置接 入系统 , 以下将 分别介绍。
图3 飞轮储能系统原理图
4. 1
应用 1
串联补偿装置
解决。由于飞轮速度很快 , 需要密度小 , 许用应力 大的特殊材料, 而且还要加强系统运行的安全和 可靠性。 3. 4 超级电容器储能( SC- Super Capacitor) 用超级电容器储能, 它的能量是通过逆变器 释放出来。由于它的充电电压可达 400 V 以上, 所以可以通过整流装置直接对超级电容器充电。 整个控制过程很简单 , 其原理如图 4 所示。
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引言
随着信息产业和新技术产业的飞速发展以及
过程中的氧化还原反应所交换的电荷量乘以电池 两电极之间的电压如式: E= Q V 其转移有关的电化学反应过程。 ( 2) 传统物理电容由电极和电介质构成, 储 存的电能来源于电荷 Q 在两块极板上的分离 , 两 块极板被真空 ( 相对介电常数为 1) 或一层介电物 质( 相对介电常数 ) 所隔离。 C = Q/ U = S / d 大面积 S 或减少介质厚度 d 。 ( 3) 超级电容器填补了电池和传统的物理电 容之间的空白。由于不存在介质, 系统为达到电 化学的平衡, 电荷在电极和电解质的界面之间自 发的分配形成阴阳离子的界面, 从而达到保存能 量的目的。能获得大的比电容是因为极板为活性 炭, 它具有极大的有效表面积 S 。工作原理图如 图 1[ 1] 所示: ( 2) ( 1)
( 1) 电容量很大, 电容量达 2 300 F 的超级电 容器
[ 2]
。 ( 2) 和普通电容器相比 , 具有很高的能量密
度, 是普通电容的 10~ 100 倍, 一般可达 20~ 70 MJ/ m 3 。 ( 3) 漏电流极小 , 具有电压记忆功能 , 电压保 持时间长 , 因为只有电荷的吸附与解吸附, 不存在 电荷转移。 ( 4) 充放电性能好 , 且无需限流和充放电控 制回路, 不受充电电流限制 , 可快速充电, 通常几 十秒。 ( 5) 储存和使用寿命长 , 维修费用很小。 ( 6) 使用温 度范围 广, 可 达 - 40~ + 85 。 而电池仅为 0~ + 40 。 ( 7) 比蓄电池安全, 如果短路的话, 超级电容 器不会爆炸。 超级电容器在军用、 民用均有很广泛的应用。 比如可作微机的备用电源或小型装置如玩具、 报 警器、 信号灯等的一次电源; 安培级大电流放电超 级电容器可单独或与蓄电池一起构成电源系统, 既可作启动电源且可作小型负载的驱动电源, 尤 其是在电动车辆方面的应用越来越多 ; 在小型移 动通信 装 置 如 GM S 和 蜂 窝 电 话 中 应 用 也 很 普遍。
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超级电容器储能的应用
冷
摘
超, 江启人, 傅
坚
200063)
( 上海市电力公司 超高压输变电公司 , 上海
要 : 随着科技 的迅猛发展 , 各种新设备新器 件不断出现 , 尤其是计算机设 备、 微电 子设备以及电力电 子设
备等敏感负荷的不断增加 , 使得电力用户对电能 质量的要求日益提高。为了提高电网的电能质量需要注入一 定的功率来解决由无功功率冲击、 电力系统故障 等引起的电压方面的问题。这必然需要具有储能系统来提供 能量。文章介绍了超级电容器这一新型能源器件。超级电容器兼有常规电容器功率密度大、 充电电池能量密 度高的优点 , 可以快速充放电、 寿命长 , 是高效 实用的 储能元 件。将超级 电容器 储能系 统与其 他储能 系统 相 比 , 分析了其特点和在改善电能质量方面的应用 。 关键词 : 超级电容器 ; 双层电容器 ; 储能系统 中图分类号 : T M 934 2 文献标识码 : B
放电过程就是一个与电极反应物电子得失及
由式 ( 2) 所示, 若想获得较大的电容量必须增
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超级电容器原理
超级电容器中双电层电容器是近年来出现的
一种新型能源器件, 与常规电容器不同 , 其容量可 达到法拉级甚至数千法拉。 2. 1 超级电容器的储能机理与电池和传统物理 ( 电介质) 电容的比较 ( 1) 电池以电化学能的形式储存能量。电化 学能在电池的两个极板的界面处通过电化学反应 发生转化。电池所存储的能量 E 等于电池放电
图2 超导磁储能系统原理图
随着电力电子技术的发展 , 使蓄电池的直流形式 的电能可以转变成交流电并入电网或供应交流用 户。现在一般用蓄电池储能可以解决电力系统高 峰负荷时的电能需求 , 有时也用蓄电池储能来协 助无 功补偿装置, 有利于抑 制电压波动和闪变。 然而蓄电池的充电电压不能太高, 要求充电器具 有稳压和限压功能。蓄电池的充电 电流不能过 大, 要求充电器具有稳流和限流功能, 所以它的充 电回路也比较复杂。 缺点 : 电池受充放电 电流的 限制, 充 电时间 长, 一般为十几小时 , 充放次数仅数百次, 因此限 制了使用寿命 ; 如果过度充电或短路容易爆炸, 不 如超级电容器安全 ; 由于在蓄电池中使用了铅等 有害金属 , 会造成环境污染。 3. 3 飞轮储能 ( FW- Fly wheel) [ 4] 早在 20 世纪 50 年代就有人提出了利用高速 旋转的飞轮来存储能量 , 并将其用于电动汽车的 设想。由于当时技术条件的限制, 虽进行了多年 的研究, 但一直未取得突破性的进展。90 年代以 来, 由于在 3 个方面取得了突破, 给飞轮储能技术 带来了新的希望。一是超导磁悬浮技术研究进展 很快 , 配合真空技术 , 把电机的摩擦损耗何风损耗 降到了最低限度。二是高强度的碳素纤维合成材 料的出现 , 大大增加了动能储量。 飞轮储能与外界交换能量通过电动/ 发电机 系统。当飞轮储存能量时 , 飞轮储能作为电动机 运行 , 飞轮加速; 当飞轮释放能量时 , 飞轮储能作 为发电机运行 , 飞轮减速。飞轮储能系统原理如 图 3 所示 , 飞轮储能一般应用在系统调峰和对增 加系统稳定性方面。 缺点 : 一般飞轮储能系统要包括飞轮本体、 电 动机 / 发电机、 磁性轴承、 电力转换器和低温系统 等, 可见系统的组成和控制相当复 杂, 造价也很 高。大功率的飞轮储能要降低飞轮功耗 , 目前普 遍采用的高温超导磁轴承尚有一系列技术难点要
使用寿命 > 10 6 106 103 106
图5
串联补偿装置的原理图
4. 2 由表 1 可见 , 由于功率密度高 , 超级电容器储 能可以在短时迅速放出能量, 而且使用寿命长 , 效 率高。在这几个方面, 优于其他的储能系统。而 且, 超级电容器的充电方式比起其他的储能系统 来说简单多了, 控制也相对容易。