超级电容器的应用

1、超级电容器在太阳能能源系统中的应用
　　太阳能源的利用最终归结为太阳能利用和太阳光利用两个方面。太阳能发电分为光伏发电和光热发电，其中光伏发电就是利用光伏电池将太阳能直接转化为电能。光伏发电不论在转化效率、设备成本和发展前景尚都远远强于光热发电。自从实用型多晶硅的光伏电池问世以来，世界上就便开始了太阳能光伏发电的应用。
　　目前，太阳能光伏发电系统有三个发展方向：独立运行、并网型和混合型光伏发电系统。在独立运行系统中，储能单元一般是必须有的，它能将由日照时发出的剩余电能储存起来供日照不足或没有日照时使用。目前，国际光伏能源产业的需求开始由边远农村和特殊应用向并网发电与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已有补充能源向替代能源过渡。国内光伏能源系统仍主要是用在边远的无电地区和城市路灯、草坪灯、庭院灯、广告牌等独立光伏发电系统。通过蓄电池组构成的储能系统，能够熨平太阳光照强度波动导致的电能波动，还可以补偿电网系统中的电压骤降或突升，但是由于其充放电次数有限、大电流充放电时间较慢等因素，因此其使用寿命较短，成本较高。因此，在太阳能光伏发电系统中采用超级电容器组将使其并网发电更具有可行性。
　　2、超级电容器在风力发电系统应用分析
　　风力发电作为当前发展最快的可再生能源发电技术，具有广阔的应用前景。但是，风能是一种随机变化的能源，风速变化会导致风电机组输出功率的波动，对电网的电能质量会产生影响。
　　目前，风电有功功率波动多采用直接调节风力涡轮机运行状态的方法来平缓其输出功率，但是该方法的功率调节能力有限；无功功率波动通常采用并联静止无功补偿装置进行无功调节，但无功补偿装置无法平抑有功功率波动。通过附加储能设备，既可以调节无功功率、稳定风电场母线电压，又能在较宽范围内调节有功功率。而风力发电研究表明位于0.01Hz-1Hz的波动功率对电网电能质量的影响最大，平抑该频段的风电波动对电网电能质量的影响最大，平抑该频段风电波动采用较短时间的能量储存就可以达到目的，因此能够实现短时能量存储的小容量储能设备对风力发电的应用价值很高。超级电容器因其具有数万次以上的充放电循环寿命、大电流充放电特性，能够适应风能的大电流波动，它能在白天阳光充足或风力强劲的条件下吸收能量，在夜晚或风力较弱时放电，从而能够熨平风电的波动，实现更有效的并网。
　　3、超级电容器在新能源汽车发展中机遇
　　在新能源汽车领域，超级电容器（DHC-5R5D105T）可与二次电池配合使用，实现储能并保护电池的作用。通常超级电容器与锂离子电池配合使用，二者完美结合形成了性能稳定、节能环保的动力汽车电源，可用于混合动力汽车及纯电动汽车。锂离子电池解决的是汽车充电储能和为汽车提供持久动力的问题，超级电容器的使命则是为汽车启动、加速时提供大功率辅助动力，在汽车制动或怠速运行时收集并储存能量。超级电容器在汽车减速、下坡、刹车时可快速回收并存储能量，将汽车在运行时产生的多余的不规则的动力安全转化为电池的充电能源，保护电池的安全稳定运行；启动或加速时，先由电池将能量转移入超级电容器，超级电容器可在短时间内提供所需的峰值能量。
　　在国内涉足新能源汽车的厂商中，已有众多厂商选择了超级电容器与锂离子电池配合的技术路线。例如安凯客车的纯电动客车、海马并联纯电动轿车Mpe等车型采用了锂离子电池/超级电容器动力体系；厦门金龙旗下的厦门金旅生产的45辆油电混合动气公交车采用了720套全球领先的超级电容器厂商——美国MAXWELL公司的超级电容器模组，该45辆混合动力公交车于2008年下半年投入杭州运营，因节油效果明显受到赞誉。2009年4月22日，MAXWELL公司公告称收到了来自三家中国领先的运输巴士生产商总价值约1，350万美元的BOOSTCAP（R）超级电容器模组采购订单。MAXWELL公司预计，目前已有超过150辆混合动力巴士采用了该公司的超级电容器，到2009年底将达到1000辆以上。
　　4、智能分布式电网系统
　　4.1、超级电容器在智能电网中的应用研究分析
　　当今社会对能源和电力供应的质量以及安全可靠性的要求越来越高，传统的大电网供电方式由于其本身的缺陷已经不能满足这种要求。能够集成分布式发电的新型电网——微电网应运而生，它能够节省投资、降低能耗、提高系统安全性和灵活性，是未来的发展方向。电容作为微电网中必不可少的储能系统，发挥着十分重要的作用。超级电容器作为一种新型的储能器件，以其无可替代的优越性，成为微电网（Microgrid）储能的首选装置之一。微电网由微电源、负荷、储能以及能量管理器等组成。储能在微电网中发生作用的形式有：接在微电源的直流母线上、包含重要负荷的馈线上或者微电网的交流母线上。其中，前两种可称为分布式储能，最后一种叫做中央储能。当并网运行时，微电网内的功率波动由大电网进行平衡，此时储能处于充电备用状态。当微电网由并网运行切换到孤网运行时，中央储能立即启动，弥补功率缺额。微电网孤网运行时负荷的波动或者微电源的波动则可以由中央储能或者分布式储能平衡。其中，微电源的功率波动有两种平衡方式，将分布式储能和需要储能的微电源并联接在某馈线上，或者将储能直接接入该微电源的直流母线上。
　　1）提供短时供电
　　微电网存在两种典型的运行模式：正常情况下，微电网与常规配电网并网运行，称为并网运行模式；当检测到电网故障或电能质量不满足要求时，微电网将及时与电网断开从而独立运行，称为孤网运行模式。微电网往往需要从常规配电网中吸收部分有功功率，因而微电网在从并网模式向孤网模式转换时，会有功率缺额，安装储能设备有助于两种模式的平稳过渡。
　　2）用作能量缓冲装置
　　由于微电网规模较小，系统惯性不大，网络及负荷经常发生波动就显得十分严重，对整个微电网的稳定运行造成影响。我们总是期望微电网中高效发电机（如燃料电池）始终工作在它的额定容量下。但是微电网的负荷量并非整日保持不变，相反，它会随着天气变化等情况发生波动。为了满足峰值负荷供电，必须使用燃油、燃气的调峰电厂进行高峰负荷调整，由于燃料价格很高，这种方式的运行费用太昂贵。超级电容器储能系统可以有效地解决这个问题，它可以在负荷低落时储存电源的多余电能，而在负荷高峰时回馈给微电网以调整功率需求。超级电容器功率密度大、能量密度高的特性使它成为处理尖峰负荷的最佳选择，而且采用超级电容器只需存储与尖峰负荷相当的能量。
　　3）改善微电网的电能质量
　　储能系统对微电网电能质量的提高起到了十分重要的作用。通过逆变器控制单元，可以调节超级电容器储能系统向用户及网络提供的无功及有功，从而达到提高电能质量的目的。由于超级电容器可快速吸收、释放大功率电能，非常适宜将其应用到微电网的电能质量调节装置中，用来解决系统中的一些暂态问题，如针对系统故障引发的瞬时停电、电压骤升、电压骤降等问题，此时利用超级电容器提供快速功率缓冲，吸收或补充电能，提供有功功率支撑进行有功或无功补偿，以稳定、平滑电网电压的波动。
　　4）智能分布式电网系统超级电容器必不可少
　　从智能电网的未来发展趋势看，智能分布式电网系统将是未来电网系统的主流。而要实现智能分布式电网系统的构建，则必须具有分布式的储能装置和中央储能装置等缓冲设备。在能源产生过程不稳定的情况下，需要一个缓冲器来存储能量。在能源产生的过程是稳定的而需求是不断变化的情况下，也需要使用储能装置。燃料电池与风能或太阳能不同，只要有燃料，它就能够持续输出稳定的电能。然而，负荷需求随着时间的变化有很大的不同。如果没有储能装置，燃料电池就要做得很大以满足峰值能量需求，成本显得过高。通过将过剩的能量存储在储能装置中，就可以在短时间内通过储能装置提供所需的峰值能量。
　　在分布式电网系统中，电力系统的暂态冲击在所难免，而超级电容器的优越性能，使其可以降低暂态冲击对整个系统性能的影响。因此，在未来的智能分布式电网系统中，超级电容器组储能系统必不可少。
　　4.2、超级电容器在智能电网中的应用前景
　　理想的供电电压应该是纯正弦波形，具有标称的幅值和频率。然而，由于供电电压的非理想性、线路的阻抗、供电系统所承受的各种扰动、负荷的时变性与非线性等，供电电压常常呈现各种各样的电能质量问题。电压型电能质量问题通常表现为幅值或波形的异常：电压暂降、三相不平衡、电压波动与闪变、谐波及频率变动等。在所有的这些电能质量问题中，电压暂降和电压短时中断对用电设备所造成的危害尤其严重，短短几个周期的电压暂降都可能严重影响设备的正常工作。在欧美发达国家，电压暂降一次的经济损失可以达到几百万美元，而电压短时中断的后果更加严重。目前，电压暂降已经上升为最重要的电能质量问题。在对电能质量的诸多问题投诉中，由电压暂降引起的用户投诉占总投诉量的80%以上，而由谐波、开关操作过电压等引起的电能质量问题投诉不到20%。换个角度考虑，电压暂降和短时中断之所以危害很大，就是因为很多用电设备对其太过敏感。降低设备对电压暂降和短时中断的敏感度，提高其抗扰动的能力，就可以让用户把损失降到最小，甚至可以完全避免由于电压暂降和短时中断所带来的损失。
　　目前，解决方法主要有加装UPS电源、多路供电、加装DVR（动态电压恢复器）等。在这几种措施中，大功率UPS的造价太高，多路供电也不能完全避免电压暂降和短时中断所造成的损失，DVR（动态电压恢复器）的研究在中国才刚刚起步。从提高负荷抗干扰的能力考虑，可以根据用户的需求来定制不同的装置，这就是所谓的用户电力技术。用户电力技术是20世纪90年代开发的新技术，是指把大功率电力电子技术和配电自动化技术综合起来，以用户对电力可靠性和电能质量要求为依据，为用户配置所需要的电力。这其中的主要产品有固态断路器+静态补偿器（STATCOM）、动态电压恢复器（DVR，DynamicVoltageRestorer）等，可以解决电压暂降、凸起、瞬时间断等配电系统扰动所引起的的各种问题。
　　当前针对电压补偿的技术产品主要有DVR（动态电压恢复器）和UPQC（统一电能质量控制器，动态电压恢复器（DVR）和有源滤波器（APF））。世界上第一台DVR（动态电压恢复器）装置由美国西屋公司研制成功，并于1997年8月在美国Duke电力公司投入运行。APF并联于线路，而DVR串联于线路，这样做的目的是APF专注于电流型电能质量问题的治理，而DVR则专注于电压型电能质量问题。两装置共用储能单元和能量接口，都可以单独运行实现其自身的功能。
　　目前的困难在于，传统的储能装置难以快速响应这种电能的暂态波动。而通过加入超级电容器组，就能够较为顺利的解决上述技术难题。因此，作为智能电网系统最核心端口的用户电能质量问题的解决，该设备具有广阔的市场前景。
　　5、分布式储能系统
　　5.1、电力储能系统的分类及主要作用
　　20世纪80年代以来，世界电力工业开始电力体制改革，其核心就是实现电力企业的私有化和构建竞争性电力市场。电力市场是电力系统中的发电、输电、供电、用电各部分组织协调运行并进行电力交易的综合体。
　　1992年，电力部正式提出建立国内的电力市场。随着中国电力体制改革的进一步深化，电力行业被重组为两大电网公司和五大发电公司，国家电力监管会正式挂牌运转，电力市场正在逐步形成。
　　电能作为商品，电能质量自然就成为其重要的特征参数。IEEE给出电能质量问题的一般解释为：在供电过程中导致电气设备出现误操作或故障损坏的任何异常现象。电能质量包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量，涉及到电压、频率、波形和三相平衡等方面的用电可靠性、连续性、可操作性等方面。
　　目前，美国西屋电气公司、德国西门子公司、日本三菱电气公司、瑞典ABB公司等各大电力设备制造商都制造出相应的产品。电压是电能质量的重要指标之一，影响电能质量的电压干扰，主要包括电压偏移、三相不平衡、电压波动与闪变、电压的谐波分量、电压跌落和瞬时断电等。
　　在提高电能质量的过程中，储能系统正起着越来越大的作用。根据容量大小的区别，储能系统的主要作用也各有不同。
　　（1）大型储能系统：主要用作电力网的可调节发电电源，对电力网进行控制和调节，如频率控制、备用容量控制、动态快速响应、削峰填谷调平负荷以及防止系统解列和瓦解等。
　　（2）中型储能系统：主要用于大功率远距离输变电系统，其主要功能有提高输电稳定性、维持电压稳定、抑制谐波、调节负荷等。
　　（3）小型储能系统：主要用于调节电能质量和提高供电可靠性，其主要功能有电压控制、抑制电压波动与闪变、抑制电压下跌、瞬时断电供电等。
　　6、超级电容在军用设备领域的应用
　　在移动通信基站、卫星通信系统、无线电通信系统中，都需要有较大的脉冲放电功率，而超级电容器所具有的高功率输出特性，可以满足这些系统对功率的要求。
　　另外，激光武器也需要大功率脉冲电源，若为移动式的，就必须有大功率的发电机组或大容量的蓄电池，其重量和体积会使激光武器的机动性大大降低。超级电容器可以高功率输出并可在很短时间内充足电，是用于激光武器的最佳电源。另外，超级电容器还可以用于战术性武器（电磁炸弹）中，作为炸弹发电机（FCC）的核心部件。
　　7、在城市轨道交通中应用研究分析
　　与道路、航空等交通方式相比，轨道交通运输具有运量大、定时、安全、环保、节能等显著优点。在全球倡导保护环境、防止地球温暖化的今天，轨道交通的环保、节能的优点已越来越受到人们的重视，今后应大力发展轨道公共交通已成为世界各国的共识。
　　从20世纪80年代开始，随着电力电子技术的飞速发展，交流牵引传动技术开始在轨道交通车辆上得到应用，并迅速得到普及。轨道交通车辆采用交流传动技术后，再生制动成为列车常用制动时的主要制动方式，由于再生制动能量可供相同供电区间内的其他力行状态的列车利用，这就进一步降低了列车的运行能耗，使轨道交通在节能运行方面的优势越发突出。然而，再生制动的前提是线路上必须有足够的负载来吸收再生能量，否则就容易造成再生制动的列车受电弓电压升高超过允许值，引发主电路断开，导致再生制动失效的现象发生。近年，随着2次电池、飞轮、超级电容（EDLC）、超导等储能技术的发展，如何利用储能技术来解决列车制动失效、改善列车受电弓电压、节约列车运行能量等问题得到世界轨道交通界的广泛关注。
　　目前国内外常采用在地面牵引变电所内设置再生制动能量吸收装置解决该问题，其中电阻耗能型吸收装置应用较为普遍，该装置仅将制动能量消耗，未将能量加以利用，且只解决了网压升高问题却没有考虑网压下降的问题。若采用储能装置将制动能量储存起来，并在列车起动取流时将所储存能量释放至电网，减少直流电网电流，则网压波动问题将迎刃而解。
　　储能装置的储能方式有多种，如飞轮储能、蓄电池储能及超级电容器储能等。通过各种储能方式的比较，提出车载超级电容储能装置来解决以上问题。考虑到列车制动能量较大，而超级电容组的吸收能力有限，因此为保证网压稳定，采用以电容吸收为主，电阻消耗为辅的吸收方案。该储能装置若能成功应用到城市轨道交通中，在合理解决网压波动问题的基础上，必能创造出巨大的经济效益，因此对城市轨道交通储能装置的研究具有十分重要的现实意义。
　　8、超级电容在运动控制领域的应用
　　在现代高层建筑中，电梯的耗能仅次于空调。以往的电梯采用机械制动的方法，将这部分能量以热的形式散发掉，这不但浪费，而且多余热量使机房温度升高，增加散热的负担和成本。如果能够回收多余的动能及势能，电梯系统真正消耗的能量就只限于电能转换中的损耗和机械损耗，其中主要包括变频器、牵引电机及其机械损耗。
　　因此，在电梯设计、配置中最迫切需要解决的问题是要全面考虑节能措施。采用节能环保型电梯是未来节能建筑领域的必然趋势。通过分析电梯系统的运动特性，我们可以发现节能的方向：电梯在升降过程结束时，经常会有制动刹车，产生巨大的制动电流，这是可以回收的；另外，在建筑高层，电梯和电梯使用者都具有很大的势能，也可以进行回收。由于超级电容器具有大电流充放电等优良的特性，可在电梯系统中作为能量回收装置回收能量。
　　超级电容器还可以应用于建筑领域的通风、空调、给排水系统中，作为启动装置。另外，超级电容器还可以应用于电站、变流以及铁路系统中，包括电磁阀门控制系统、配电屏分合闸、铁路的岔道控制装置等。
　　作为能源最大消耗者之一的港口机械设备，港口机械如场桥、岸桥中的吊具载运货物上升时需要很大的能量，而下降时自动产生的势能很大，这部分势能在传统机械设备中没有得到合理利用。除了在固定港口机械设备中，在流动机械中也同样存在上述问题。通过采用超级电容器，能够实现上升过程中的制动能量回收，下降过程中的势能回收。
　　超级电容器能用作飞机上柴油机启动系统工作电源的辅助电源，能提供飞机发动机瞬间所需的冲击大电流，另外还可以解决422系列电源车启动飞机瞬间功率不足的问题，从而在启动瞬间对直流电源车发电系统尤其是内燃机具有很大的保护作用。
　　总之，超级电容器能用于优化主要的运动控制系统的暂态响应性能，实现节能的目标。