（电力系统及其自动化专业论文）超级电容器串并联技术的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 超级电容器是一种很有发展前景的储能元件，但在串并联使用时会出现单体电压不 均衡的现象，进而会严重影响超级电容器的使用寿命。本文主要针对超级电容器串并联 后的单体电压均衡性展开研究。首先，通过实验测试了超级电容器的运行特性；其次， 分析和比较了超级电容器串联均压技术的主要方法，并在m u l t i s i m 环境下对实用的稳 压管法和开关电阻法进行了仿真验证；再次，在稳压管法和开关电阻法的基础上，设计 并实现了一种新的电压均衡电路基准电压法电压均衡电路，并且应用l a b v i e w 在实验室中做了一系列相关的电压均衡实验，验证了所设计的电压均衡电路的有效 性和实用性：最后，实现了电荷泵法的电压均衡电路，并将该电路与基准电压法均 压电路在硬件组成、均压场合和工作效率等方面进行了对比分析。 关键词：超级电容器，电容串并联储能，电压均衡 a b s t r a c t t h es u p e r - c a p a c i t o ri sak i n do fe n e r g ys t o r a g ee l e m e n tw h i c hh a sg r e a tp r o s p e c t sf o r d e v e l o p m e n t b u ta r e rs o m es u p e r - c a p a c i t o r sa r ec o n n e c t e di ns e r i e s p a r a l l e l ，t h ev o l t a g eo f e v e r ys u p e r - c a p a c i t o ri sn o tb a l a n c e d s oi tw i l la f f e c tt h el i f eo fs u p e r - c a p a c i t o r ss e r i o u s l y t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h eb a l a n c eo ft h ev o l t a g eo fe v e r ys u p e r - c a p a c i t o ra f t e rt h e ya le c o n n e c t e di ns e r i e s p a r a l l e l f i r s t l y , t h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fs u p e r - c a p a c i t o r si st e s t e d b yr e l a t e de x p e r i m e n t s s e c o n d l y , s e v e r a lv o l t a g eb a l a n c i n gm e t h o d sa 他a n a l y z e da n d c o m p a r e d ，a n dt h es t a b i l i v o l tm e t h o da n dt h es w i t c h i n gr e s i s t a n c em e t h o da r es i m u l a t e di n t h em u l t i s i ms o f t w a r e t h i r d l y , b a s e do nt h es t a b i l i v o l tm e t h o da n dt h es w i t c h i n gr e s i s t a n c e m e t h o d ，an e wk i n do fv o l t a g eb a l a n c i n gc i r c u i ti sd e s i g n e da n dr e a l i z e d , w h i c hi sc a l l e d r e f e r e n c ev o l t a g em e t h o d t h e nas e r i e so fr e l a t e dv o l t a g eb a l a n c i n ge x p e r i m e n t sa r ed o n e b yl a b v i e ws 0 1 a r ei n t h el a b ，w h i c hp r o v et h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a l i t yo ft h ev o l t a g e b a l a n c i n gc i r c u i t sd e s i g n e d f i n a l l y , t h ec h a r g ep u m pm e t h o db a l a n c i n gc i r c u i ti sr e a l i z e d b e s i d e s ，t h ec h a r g ep u m pm e t h o db a l a n c i n gc i r c u i ta n dt h er e f e r e n c ev o l t a g em e t h o d b a l a n c i n gc i r c u i ta r ec o m p a r e di nt h ea s p e c t so fh a r d w a r es t r u c t u r e ，v o l t a g eb a l a n c i n g o c c a s i o n sa n de f f i c i e n c y z h a n gb i n ( e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i uj u n k e y w o r d s ：s u p e r c a p a c i t o r ，c a p a c i t o r ss e r i e s - p a r a l l e lc o n n e c t i o n ，e n e r g ys t o r a g e ， v o l t a g eb a l a n c i n g 一 ，l 气 一 华北电力大学硕士学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景及其意义l 1 2 国内外研究动态2 1 3 论文完成的主要工作3 第二章超级电容器的基本原理。5 2 1 储能技术的发展及其应用5 2 1 1 储能技术及其分类5 2 1 2 各种储能技术的特点比较。6 2 2 超级电容器的原理及其应用8 2 2 1 超级电容器的储能原理8 2 2 2 超级电容器的等效电路模型。9 2 2 3 超级电容器的性能特点1 0 2 2 4 超级电容器的一般应用l l 2 2 5 超级电容器在电力系统中的应用1 l 2 3 本章小结1 2 第三章超级电容器性能分析和实验测试1 3 3 1 引言13 3 2 超级电容器性能分析1 3 3 3 超级电容器性能的实验测试1 3 3 3 1 串联无电实验1 4 3 3 2 串联有电实验1 5 3 3 3 串并联无电实验。1 5 3 3 4 串并联有电实验1 6 3 4 实验结论1 7 3 5 本章小结l8 第四章超级电容器电压均衡方法的比较研究1 9 4 1 引言19 4 2 超级电容器电压均衡方法的研究1 9 4 2 1 稳压管法1 9 4 2 2 开关电阻法1 9 i i 华北电力大学硕士学位论文 4 2 3d c d c 变换器法2 0 4 2 4 带隔离变压器的d c d c 变换器法。2 0 4 2 5 飞渡电容器电压均衡法2 2 4 2 6 电感储能电压均衡法2 5 4 3 本章小结2 7 第五章超级电容器电压均衡方法的仿真分析2 8 5 1 引言2 8 5 2 基于m u l t i s i m 的超级电容器电压波形仿真2 8 5 2 1m u l t i s i m 软件简介2 8 5 2 2 仿真过程及分析2 9 5 3 本章小结3 3 第六章超级电容器串并联均压电路的设计与验证3 5 6 1 引言3 5 6 2 基准电压法的电压均衡电路3 5 6 2 1 基准电压法均压电路的设计与分析3 5 6 2 2 基准电压法电压均衡电路的实验分析3 7 6 3 电荷泵法的电压均衡电路4 3 6 3 1 电荷泵法电压均衡电路的工作原理。4 3 6 3 2 电压均衡电路的实验4 7 6 4 两种电压均衡电路的比较4 9 6 5 本章小结4 9 第七章总结与展望。5 0 7 1 全文总结5 0 7 2 工作展望51 参考文献。5 3 致 谢5 8 在学期间发表的学术论文和参加科研情况。5 9 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 能源是人类赖以生存的物质基础和社会发展进步的动力，自上世纪5 0 年代以 来，随着工农业生产的迅速发展和交通工具数量的增加，世界能源消耗速度急剧增 加，全球人口增长和经济增长对能源的需求日益加大。 能源危机的重要表现之一便是不断出现的电力紧张。为了更有效地利用能源、 节约电能、提高供电质量，在电力系统中设置分散的电能储存系统就变得非常有必 要。在电网系统中采用电能储存技术，可以在夜间离峰时段储存电能，将电力移至 白天使用，能够大幅度减少电力成本，提高电网的运行可靠性；在配电网中使用， 结合先进的电力电子技术，可以改善配电网电能质量和提高配电网的电压和频率的 稳定性。 超级电容器( s u p e r - c a p a c i t o r 或u l t r a - c a p a c i t o r ) 也被称作双电层电容器 ( d o u b l e 1 a y e rc a p a c i t o r ) ，是2 0 世纪6 0 - 7 0 年代率先在美国出现，并在8 0 年代逐 渐走向市场的一种新兴的储能器件。超级电容器是介于传统电容器和充电电池之间 的一种新型储能装置，它利用电极和电解液之间形成的界面双电层电容来存储电 能，其容量可达几百至上千法拉。 目前，超级电容器已广泛应用在电动车领域、u p s 系统和备用电源领域、军事 领域、电力系统领域等很多领域。 在电力系统领域中，超级电容器已经应用于分布式发电系统、微电网、变配电 站直流系统、动态电压跌落装置和静止同步补偿器等诸多方面。 超级电容器之所以广泛应用于上述诸多的领域中，是因为它具有以下优点： ( 1 ) 超高电容量。容值范围一般在0 1 f 1 0 0 0 0f ，比同体积电解电容器相比较， 容量要高出数千倍。 ( 2 ) 充电速度快。可以在数秒至几分钟内达到其额定容量的9 5 以上。 ( 3 ) 功率密度高。功率密度是蓄电池的十倍以上，可以进行短路放电，在l s 内 将电压释放至1 2 ，产生几百至数千安培的峰值电流。 ( 4 ) 充放电效率高。损耗小，大电流能量循环效率9 0 。 ( 5 ) 循环使用寿命长。深度充放电循环使用次数可达l 5 0 万次。 ( 6 ) 工作温度范围宽。可在4 0 - - + 7 0 温度范围内工作，低温环境工作特性好。 ( 7 ) 免维护。长时间内放置不会对参数有影响。 ( 8 ) 检测方便。剩余电量可直接由e = l c u 2 计算得到。 2 1 华北电力大学硕士学位论文 虽然超级电容器凭着上述诸多优点广泛应用于很多领域，但是超级电容器也有 如下几个缺点： ( 1 ) 电压低。超级电容器额定电压一般只有1 - 3 v ，过压工作将会引起超级电容 器内部的电解质分解，从而使电容器损坏。因此，必须通过超级电容器串并联组合 构成超级电容器模块才能满足实际应用系统对电压和能量等级的需要。 ( 2 ) 两端电压随着充电和放电过程变化。超级电容器两端电压随着充电而上升， 随着放电而下降，所以超级电容器两端通常需要与一个d c d c 变换器相联，以保 持输出电压的稳定。 ( 3 ) 参数的不一致。同一型号规格的超级电容器在电压、内阻、容量等参数上 存在着不一致性，这主要是由制造过程中工艺和材质不均造成的，而在超级电容器 使用过程中，工作环境不同以及电压不均匀的积累又加剧了超级电容器的参数不一 致性。 超级电容器内部参数的不一致性，会导致超级电容器模块中单体电压的不均 衡，对超级电容器模块储能容量、使用寿命影响很大，限制了超级电容器的应用发 展。因此，研究超级电容器串并联的电压均衡技术对于超级电容器的使用寿命及其 应用发展有着非同寻常的意义。 1 2 国内外研究动态 美国、日本、韩国等国家一直致力于开发高比功率和高比能量的超级电容器。在超 级电容器的研究中，许多工作都是开发在各种电解液中有较高比能量的电极材料。目前 应用于超级电容器的材料主要有碳基材料、金属氧化物及水合物材料和导电聚合物材料 三种o i 。 国外研究超级电容器起步较早，技术相对比较成熟。它们均把超级电容器项目作为 国家级的重点研究和开发项目，提出了近期和中长期发展计划。俄罗斯的e s m a 公司是 生产无机混合型超级电容器的代表，然而，e s m a 公司目前还没有形成规模生产能力。此 外，俄罗斯的e l i t 公司、法国的s a f t 公司、美国的c o o p e r 公司、日本的n e c 公司和 松下公司也投入巨大资金对大容量超级电容器进行规模化生产的研列2 1 。 目前，国内厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州富辰公司、北京集星 公司、上海奥威公司、北京合众汇能科技有限公司等十多家。锦州富辰公司是国内最大 的超级电容器专业生产厂，主要生产纽扣型和卷绕型超级电容器。北京集星公司可生产 卷绕型和大型电容器。据称，国产超级电容器已占有中国市场6 0 - 7 0 的份额。北京合 众汇能科技有限公司主要开发与生产h c c 系列有机高电压型双电层超级电容器。上海奥 威科技开发有限公司开发的。车用超级电容器弦，在技术水平上较为先进。通过与国外 厂商产品对比，奥威产品与国外同类产品的电性能和物理性能较为接近，某些性能已经 2 ，1l 华北电力大学硕士学位论文 超过了国外同类产品。总体上看，该公司的产品已达到了同类产品的国际先进水平( 3 】。 目前，超级电容器凭借其诸多优点，已经应用于以下领域 4 1 - 6 1 ： ( 1 ) 税控机、税控加油机、真空开关、智能表、远程抄表系统、仪器仪表、数码 相机、掌上电脑、电子门锁、程控交换机、无绳电话等的时钟芯片、静态随机存贮器、 数据传输系统等微小电流供电的后备电源。 ( 2 ) 智能表( 智能电表、智能水表、智能煤气表、智能热量表) 电磁阀的启动电 源。 ( 3 ) 太阳能警示灯，航标灯等太阳能产品中代替充电电池。 ( 4 ) 手摇发电手电筒等小型充电产品中代替充电电池。 ( 5 ) 电动玩具电动机、语音i c 、l e d 发光器等小功率电器的驱动电源。 ( 6 ) 控制系统、机器人技术、电信领域、材料处理、电梯等。 ( 7 ) 作为固定线路电动汽车的主电源，提供短途行驶所需要的能量。 ( 8 ) 作为混合电动车的辅助动力电源，提供短时间大功率( 启动、爬坡、加速时) 并回收刹车能量，起到重要的功率平衡作用。 ( 9 ) 作为车辆、机械、船舶等大型机械设备中燃油发动机的辅助电源，形成油电 混合动力，使发动机始终工作在最佳的功率区间，大幅度降低燃油的消耗、减少有害气 体排放。 ( 1 0 ) 作为特种车辆和机械的低温起动电源。 ( 1 1 ) 作为电池型电动工具的主电源，提供驱动的能量。 ( 1 2 ) 作为太阳能、风能发电系统中的永久性蓄能装置，燃料电池功率输出系统等。 ( 1 3 ) 作为电站直流操作电源、高压环网功率补偿电源等。 虽然超级电容器应用范围很广泛，但是由于超级电容器参数的不一致性，将会导致 其串并联使用时会出现超级电容器单体电压不均衡的现象，这在很大程度上限制了超级 电容器的发展。为了解决这一问题，目前，超级电容器电压均衡技术主要有稳压管法、 开关电阻法、d c d c 变换器法、带隔离变压器的d c d c 变换器法、单飞渡电容器电压均 衡法、多飞渡电容器电压均衡法、平均值电感储能电压均衡法、相邻比较式电感储能电 压均衡法【7 l ，但是每一种方法都有其优点、缺点和适用场合。本文将在第四章对上述均 压方法进行详细的分析和比较。 1 3 论文完成的主要工作 超级电容器在生产过程中，由于制造工艺的缘故，生产出来的同型号的超级电 容器在容量和内阻等参数上不可能完全一致，导致超级电容器通过串并联组成超级 电容器模块后，在对其进行充放电的时候，超级电容器单体上的电压和电流不一致， 进而严重影响超级电容器的寿命及其进一步的应用。本文主要针对超级电容器串并 3u 华北电力大学硕士学位论文 联后的单体电压均衡性展开研究。为此，本文在较全面了解了超级电容器的原理、 等效电路模型以及产品生产状况等之后，完成了如下主要工作： 1 ) 通过实验测试了超级电容器的运行特性。 通过超级电容器串联无电实验、串联有电实验、串并联无电实验、串并联有电 实验，测试了超级电容器在串并联使用时的运行特性，实验结果与理论分析结论一 致，明确了超级电容器模块运行采用电压均衡技术的必要性。 2 ) 分析和比较了超级电容器串联均压技术的主要方法，并在m u l t i s i m 环境下 对实用的稳压管法和开关电阻法进行了仿真验证。 分析和比较了目前超级电容器的主要均压方法，包括稳压管法、开关电阻法、 d c d c 变换器法、带隔离变压器的d c d c 变换器法、飞渡电容器电压均衡法、电感 储能电压均衡法等，明确了各压均衡方法的特点、均衡原理、均衡效率和适用场合。 采用m u l t i s i m 仿真软件，分析比较了稳压管法和开关电阻法的均压效果。通 过对超级电容器串联组成的模块进行充电仿真，验证了稳压管法和开关电阻法的有 效性和实用性。 3 ) 在稳压管法和开关电阻法的基础上，设计并实现了一种新的电压均衡电路 基准电压法电压均衡电路，并且应用l a b v i e w 在实验室中做了一系列相关的电 压均衡实验，结果验证了所设计的电压均衡电路的有效性和实用性。 分析了基准电压法电压均衡电路的基本原理，通过两个超级电容器串联均压、 三个超级电容器串联均压、2 x 2 超级电容器模块串并联均压、3 x 3 超级电容器模块 串并联均压实验，验证了所设计的电压均衡电路的均压效果。 4 ) 实现了电荷泵法的电压均衡电路，并将该电路与基准电压法均压电路在硬 件组成、均压场合和工作效率等方面进行了对比分析。 4 ，j1 华北电力大学硕士学位论文 第二章超级电容器的基本原理 2 1 储能技术的发展及其应用 2 1 世纪的电力系统以绿色、高效、灵活、可靠作为建设目标。电力储存技术是 实现这一目标的重要措施之一。将储能技术应用于电力系统，不仅可以减小电力系 统负荷峰谷差，还可抑制电力系统振荡，从而提高系统运行的稳定性。在提高电能 质量和供电可靠性方面也可发挥重要的作用。随着新能源发电技术和新型发电方式 的发展，地区性发电和电能储存装置形成的分散电源会成为电力系统的重要组成部 分，电力系统的调度与控制模式也将发生变化。 目前，世界上多数国家的电力系统主要以石油、煤炭和液化天然气等化石燃料 为一次能源，火电机组所占比重很大。例如我国主要以燃煤机组为主，2 0 0 6 年燃煤 机组的容量占总装机容量的7 7 8 2 ，发电量占总发电量的8 3 1 7 【引。负荷的峰谷差 增大，给电网调峰带来了很大困难。为了解决调峰问题，除了对火电机组进行技术 改造外，还开发了多种以调峰为主要目标的储能技术，其中抽水蓄能技术已经得到 实际应用。 各种形式的储能电站可以在电网负荷低谷的时候作为负荷从电网获取电能充 电，在电网负荷峰值时刻改为发电机方式运行，向电网输送电能，这种方式有助于 降低系统输电网络的损耗，对负荷实施削峰填谷，从而获取经济效益。 储能装置用于电力调峰，需要装置具有较大的储能容量。显然，容量越大，制 造和控制越困难。但是，如果将储能装置用于系统稳定控制，就有可能采用小容量 的储能，通过快速的电能存取，实现较大的功率调节，快速地吸收“剩余能量 或 补充“功率缺额 ，从而提高电力系统的运行稳定性，目前的研究包括频率控制、 快速功率响应、黑启动等。 2 1 1 储能技术及其分类 能量存储技术可以提供一种简单的解决电能供需不平衡问题的办法。早在1 9 世 纪后期纽约市的直流供电系统中就已经有所应用，在研究前，有必要对各类能量存 储技术做出分类。文献对此还没有一致，甚至有不少错误的分法。文献 9 卜【1 3 】对此 做了较详细的分析。 能量是守衡的，其储存和释放要通过物理和化学变化来实现。这罩仅讨论能应 用于电力系统的储能方式。 按照其能量形式，可做如下分类： 5 华北电力大学硕+ 学位论文 储能 f ，r 抽水储能 l 机械能储能 压缩空气储能 物理储能l 飞轮储能 ir 磁场储能( 超导线圈储能) i 电磁场储能一 l 电场储能( 电容器储能) 双电层电容 能莲攀毒容 2 1 2 各种储能技术的特点比较 2 1 2 1 抽水储能电站【1 4 】【1 5 】 抽水储能电站是当前唯一能大规模解决电力系统峰谷困难的一种途径。它需要 高低两个水库并安装能双向运转的电动水泵机组即水轮发电机组。当电力系统处于 谷值负荷时让电动机带动水泵把低水库的水通过管道抽到高水库以消耗一部分电 能。当峰值负荷来临时，高水库的水通过管道使水泵和电动机逆向运转而变成水轮 机和发电机发出电能供给用户，由此起到削峰填谷的作用。这种方案的优点是：技 术上成熟可靠。其容量可以做得很大，仅受到水库库容的限制。缺点首先是建造受 到地理条件的限制，必须有合适的高低两个水库。 2 1 2 2 压缩空气储能【1 6 】 压缩空气储能系统把廉价的电力储存起来，供尖峰用电期使用。利用过剩的非 峰荷电带动压缩机，把地下的储气库充满空气。以后再把空气释放出来，推动透平 发电机发电。压缩空气储能很早就用于气动工具，但它的原理和抽水储能基本相同， 因此只要做到较大规模，就可以用于解决峰谷差问题的储能。这里最关键的难点是 找到合适的能储存压缩空气的场所，例如密封的山洞或废弃矿井等。 2 1 2 3 飞轮储能【1 7 】【1 8 1 在谷值负荷时，将多余电力输入电机，使其驱动飞轮加速，这大概需要几个小 时，例如从午夜到清晨。然后飞轮保持在高速下转动，到出现峰值负荷时，让飞轮 驱动电机作为发电机运行，使飞轮的动能变成电能供给电网。在这一过程中飞轮转 速下降，直到它的最高转速的一半左右。由于采用变速恒频的电力电子技术，输出 电能的频率可保持不变。同时，飞轮机组可以制成单元型，根据需要组合成更大功 率的装置，并安装在负荷附件。这样既可根据需要逐步扩展，又可避免输电损失。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 4 超导线圈储能( 磁场储能) 1 9 】- 【2 1 】 一 1 一一， 磁场储能就是在电感中充入电流时存储的磁场能，根据是e2 i u 这个经典公 式。磁场储能目前看好的是超导线圈储能。由于超导线圈在运行时没有电阻，因此 它的储能效率很高。同时它的电流密度远高于常规线圈，可以做到很高的储能密度。 另外它可以用极快的速度存入和放出电能，适合于在瞬变状态下，例如电力系统的 暂态过程下使用。它的缺点一是需要深冷设备，即使是高温超导线圈要在液氮温度 下运行。另外它与传统的储能设备相比，能量密度还是太小。在大电流运行下它的 电磁力对线圈本身所受应力也是一个问题。因此目前它的主要用途还在于改善电力 系统的动态稳定性，以充分发挥它的快速响应的优点。 2 1 2 5 超级电容储能( 电场储能) 口z 】 1 电场储能就是利用电容器储存电荷的能力来储存电能，根据是e = i c u 2 这个经 典公式。过去由于电容器的电容量太小，电容储能只能在弱电方面或高压脉冲技术 方面得到应用。随着超级电容器的出现，电容储能开始向能源领域进军。超级电容 器电容量很大，它的电介质具有极高的介电常数，因此可以在较小体积下制成以法 拉为单位的电容器，比一般电容量大了几个数量级。电容器储能同样具有快速充放 电能的优点，甚至比超导线圈更快。它不需要复杂的深冷设备，这些都是它的优点。 但超级电容器的电介质耐压很低，制成的电容器一般仅有几伏耐压。如果能把电压 提高，则储能将以平方的关系增长。这正是目前超级电容的研究方向。另外，由于 它的工作电压低，所以在实际使用中必须将多个电容器串联使用。这就要求增加充 放电的控制回路，使每个电容器能工作在最佳条件下。这也是需要研究的问题之一。 2 1 2 6 可充电电池储制日j 可充电电池储能也就是二次电池，近年来随着技术进步，将可充电电池用于大 规模储能也日见端倪。电池有多种类型，铅酸电池是人们最熟悉的一种可充电电池。 现在密封型免维护的铅酸电池已成为这类电池的主流。碱性电池中的镉镍电池现在 已被镍氢电池逐步取代。碱性电池比起铅酸电池有容量大，结构坚固，充放循环次 数多等优点，但其价格也贵得多。这就限制了它在能源领域中的应用。另一类性能 优异的电池是近年来出现的锂离子二次电池。它彻底解决了充放电的记忆效应，大 大方便了使用，在制造过程中基本上避免了对环境的污染，有绿色电池之称。 2 1 2 7 氢储能( 燃料电池) 2 4 】【2 5 】 氢储能的提出主要是受到燃料电池成功开发的影响。在能源供应中，燃料电池 目前已经达到了可供实际使用的阶段，只是它的发电成本太高，还无法与常规发电 7 华北电力大学硕士学位论文 技术相比。另外，氢的制备与储存仍是待解决的问题。不过，它具有无污染、无转 动部件等优点，这正是吸引人们努力去研究它的原因。 2 2 超级电容器的原理及其应用 2 2 1 超级电容器的储能原理 超级电容器是上个世纪中的后半个世纪发展起来的一种新型储能元件，它不仅 像静电电容一样具有很高的放电功率，而且又像电池一样具有很大的电荷储存能 力，这样使得超级电容器同时具备了这两种元件的特点。由于超级电容器的放电特 性与一般的电容更为接近，所以还称之为“电容”。到目前为止，超级电容器的名 称还没有统一的标准，如超级电容器、电化学电容器、超电容器、超大容量电容器、 双电荷层电容器、双电层电容器。但是无论怎么命名，从储电原理上，超级电容器 可以分为两大类。 ( 1 ) 双电层电容【2 6 】【2 7 】 顾名思义，双电层电容器是以电极双电层电容的机制来进行电荷储存的，它是 一种静电型的能量储存方式，隶属于物理储能。双电层电容器基于高比表面积的碳 材料与溶液间界面双电层原理的电容器。它可以用亥姆霍兹( h e l m h o t z ) 的双电层 模型来进行解释说明。这个模型认为超级电容器的电极表面的静电荷在溶液当中吸 附了一些不规则分配的离子，同时这些离子在电极溶液界面的溶液一侧离电极一 定距离排成一排，从而形成了电荷数量与电极表面剩余电荷符号相反且数量相等的 一个界面层，这个模型如图2 1 所示。因为其界面上存在着位垒，这两层电荷都不 能越过边界进行彼此中和，这样导致了充电界面由这两个电荷层组成，其中一层在 电极上，另外一层在溶液中，所以称之为双电层。 计竹计怍 - 无井电电压b 有爿 j a t u l t t t l g 由o + 由l ：充电状态正极电位巾o 由l ：充电状态负极电位 1 双电层2 电解液3 极化电极4 负载 图2 1 双电层电容的原理图 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 法拉第准电容【2 8 】【2 9 】 法拉第准电容也叫做电化学电容器，这个模型如图2 2 所示。它是以氧化还原 反应的机制来进行电荷储存的，隶属于化学储能。在充放电过程中，电极表面发生 会氧化还原反应。这种电容的储能方式不是物理储能，而是同电池一样发生了电荷 传递的电化学变化过程。但是其放电和充电的过程中会出现了以下的现象：第一， 其两极电位与电极上释放的惑施加的电荷几乎呈线性关系发生变化；第；，如果系 统电压随时间呈线性变化等= k ，那么可以产生几乎恒定的电流，= c 专= 似。 而且这个过程高度的可逆，且具有电容特征，所以也叫做电化学电容。法拉第准电 容不仅发生在电极的表面，而且可深入到电极的内部，从而可以获得比双电层电容 更高的能量密度和电容量。另外，在相同的电极面积下，法拉第准电容的电容量是 双电层电容量的1 0 1 0 0 倍。 l ! ! ! ! ! ! ! ! ； e笛 龟羹 国当 e 瓷 e o 唇 o 蕈 卜 bj 童 电位凡呵t 山& & e o e i ：充电状态正极电位e o e b ：充电状态负极电位 图2 2 法拉第准电容的原理图 双电层电容器的电极材料也不局限于碳材料，而且或多或少会有发生一些电化 学反应。现在超级电容器这个名称虽然己广泛采用，但是许多文献都没有对这些概 念进行严格地区分。 2 2 2 超级电容器的等效电路模型【3 0 】。【3 6 】 ( 1 ) 串联r c 模型 串联r c 电路是超级电容器模型中极为常见和简单的一种等效电路模型，这种 模型如图2 3 所示。其中，c 是理想电容，e s r 是等效串联电阻。在超级电容器的 充电和放电的过程中，e s r 是一个很重要的参数，它不仅代表了超级电容器内部等 效的发热损耗，而且在向负载放电过程中将随着放电电流的大小变化引起不同的电 压降，因此，这个等效串联电阻对超级电容器的最大放电电流有所约束。但是这个 串联r c 电路模型只考虑到了超级电容器的瞬时动态响应，并不能完全符合超级电 容器的电气特性，因此在复杂的系统中并不适用。但是，这个模型结构非常简单， 9 华北电力大学硕士学位论文 在进行超级电容器储能模块的充电和放电过程的分析和计算的时候显得非常方便， 并且生产超级电容器的厂商都会给出这两个参数的数值，因此采用这个模型在分析 和计算时非常方便，同时也不需要进行很复杂的超级电容器的参数识别。 e s rc c 一卜_ 一 图2 - 3 串联r c 模型 因此，在不影响分析效果的情况下，经常采用这种电路模型。在本文进行各种 电压均衡电路仿真分析时，超级电容器模型均采用这种r c 电路模型。 ( 2 ) 改进的串联r c 电路模型 改进过的串联r c 电路模型是在串联r c 电路模型的基础上，并联了一个等效 电阻e p r 来表示超级电容器的漏电流效应，其中e p r 是影响超级电容器长期储能 的一个重要参数，其模型如图2 - 4 所示。这个模型可以反映出超级电容器的基本的 物理特性，这也是到目前为止在各种文献中引用比较多的一种模型。 c 图2 - 4 改进过的串联r c 模型 2 2 3 超级电容器的性能特点 与电池相比，超级电容器具有许多优点：【3 7 】【4 0 】 ( 1 ) 功率密度高。超级电容器的功率能量比值比普通蓄电池高很多。其功率密度 可为电池的1 0 1 0 0 倍。可以在很短的时间内放出几百到几千安培的大电流。这个特 点使得超级电容器很适合用于在短时间内输出高功率的场合。 ( 2 ) 充电速度快。超级电容器充放电是快速、可逆的电化学过程，超级电容器充 电时可采用大电流充电，能在几十秒至几分钟内完成充电过程，这样充电是真正意 义上的快速充电。超级电容器的电压与电流不互相关联，这就意味着在任何荷电状 态值处，都可以以满电流方式对超级电容器进行放电。 ( 3 ) 循环寿命长。超级电容器在充放电过程中发生的电化学反应是可逆的，它不 易出现类似电池中的活性物质的晶型转变、脱落、枝晶穿透隔膜等引起的寿命终止 等现象，超级电容器循环寿命可达1 0 万次以上，它比电池高了1 0 1 0 0 倍。 ( 4 ) 充放电效率高。因为超级电容器的内阻很小，一般只有几毫欧，因此超级电 1 0 f 11】 华北电力大学硕士学位论文 容器的充电过程与放电过程基本上是可逆的，充放电效率高达9 0 以上。 ( 5 ) 低温性能优越。因为超级电容器充放电过程中发生的电荷转移绝大部分是在 电极活性物质表面进行的，因此其容量随温度的衰减非常小。而电池在低温下容量 衰减幅度却高达7 0 以上。 ( 6 ) 控制简单。因为超级电容器的电量大小可以由电压高低来反映，因此超级电 容器电量的控制可以通过其电压控制来实现。 ( 7 ) 绿色环保。因为超级电容器使用的材料为无污染材料，所以它是绿色环保产 品。 2 2 4 超级电容器的一般应用 超级电容器由于其广阔的应用前景和市场，必将发展成为一个新兴的高新技术 产业：世界各国都投入了大量的人力、物力和财力对超大容量电容器进行了研制。 到目前为止，美国、日本、俄罗斯等国家在超大容量电容器产业化方面处于非常领 先的地位，几乎占据了整个超大容量的超级电容器的市场。超级电容器主要有如下 的应用： ( 1 ) 作为固定线路电动汽车的主电源，提供短途行驶所需要的能量； ( 2 ) 作为燃料电池电动车的辅助动力电源，与燃料电池主电源形成混合动力，提 供瞬间大功率( 启动、爬坡、加速时) 并回收刹车能量，起到重要的功率平衡作用； ( 3 ) 作为车辆、机械、船舶等设备中燃油发动机的辅助电源，形成油电混合动力， 大幅度降低燃油的消耗、提高发动机峰值功率并减少有害气体排放； 【4 ) 作为电池型电动工具的主电源，提供短时驱动的能量； ( 5 ) 在电子电器( 汽车音响、仪器仪表、家用电器、手机、电脑、数码相机) 中作为备用电池或主电池。 2 2 5 超级电容器在电力系统中的应用 变电站及开关站使用的绝大多数是电磁操动开关机构，专门配有电容储能式硅 整流分合闸装置作为分合闸操作、控制、保护用的直流电源。但是，电容储能式装 置的电解电容容量有限、可靠性差。文献 4 1 研究表明，超级电容器保证了分闸能 量供应的绝对可靠，同时保留了传统电容储能式硅整流分合闸装置的优点。 u p s 往往是在电网断电或电网电压瞬时跌落最初的几秒、几分钟起决定作用， 蓄电池在这段时间提供电能。由于蓄电池自身的缺点( 需定期维护、寿命短) ，使u p s 在运行中需时刻注意蓄电池的状态。文献 4 2 1 研究了在数据保护的备份系统中，需 u p s 提供的时间相对较短，这时超级电容的优势尤为明显，其输出电流可以几乎没 有延时地上升到数百安培，而且充电速度快，可以在数分钟内实现能量存储，所以 一l r i 届 华北电力人学硕+ 学位论文 在下次电源故障时又可以起用。尽管超级电容器的储能所能维持的时间很短，但当 储能时间约在l m i n 时，有无可比拟的优势，具有5 0 万次循环不需护理，使u p s 真 正实现免维护。 文献 4 3 】提出了基于双电层电容储能的静止同步补偿器( s t a t c o m ) ，可用来改 善分布式系统的电压质量，特别是在3 0 0 - - 5 0 0 k w 功率等级，将逐渐替代传统的超 导储能。经济方面，同等容量的双电层电容储能同超导储能装置费用相差无几，但 双电层几乎不需运行费用，而超导储能则需相当的制冷费用。 文献 4 4 】介绍了超级电容器在光伏发电中的应用。超级电容器可以在仅高于其 漏电流状态下充电，即使在阴天光伏电池也能对超级电容器充电，提高了光伏发电 和微弱电流充电的有效性。2 0 0 5 年，由中国科学院电工所承担的“8 6 3 项目“可 再生能源发电用超级电容器储能系统关键技术研究”通过专家验收。该项目完成了 用于光伏发电系统的3 0 0 w h l k w 超级电容器储能系统的研究开发。 变频调速器对电压十分敏感，而由于电网各种故障和操作会出现瞬时低电压现 象，利用超级电容器快速充放电的特性，可以实现变频器低电压的跨越，保证变频 调速器的正常运行。2 0 0 5 年美国加利福尼亚建造了一台4 5 0 k w 超级电容器储能装 置，用以减小9 5 0 k w 风力发电机组向电网输送功率的波动。在新加坡，a b b 公司 利用超级电容器储能的d v r 装置安装在4 m w 的半导体工厂，该装置可以实现 1 6 0 m s 的低电压跨越。 超级电容器单体的电压低，模块化的也不超过1 0 0 v ，不能直接用于电力系统。 可以采用两种方式提高电压等级：将超级电容器直接串联提高电压等级；文献 4 5 】 将超级电容器模块连接b o o s td c d c 变换器，然后经过逆变器与电网连接，为了实 现更高的电压等级，还可以在逆变器与电网问a n 升压变压器 4 6 】。第一种方式存 在均压的问题，升压范围有限，通常采用第二种方式实现储能和供电。 目前，超级电容器大多用于高峰值功率、低容量的场合，随着超级电容器材料 的研发，功率密度和能量密度的不断提高，在电力系统中的应用范围将更加广阔。 2 3 本章小结 本章回顾了储能技术的发展及其应用，并对各种储能技术进行了分析和对比， 然后阐述了超级电容器的储能原理。按照储能原理，超级电容器可以分为双电层电 容和法拉第准电容，随后介绍了它常用的两个等效电路模型。最后介绍了超级电容 器的性能特点，对于其他储能技术而言有着很大的优势，超级电容器正是凭借着这 些诸多的优点，已经广泛应用于军事、公交车、电力系统等诸多领域。 1 2 -111l a 华北电力大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章超级电容器性能分析和实验测试 现在全世界范围内已经有很多生产和研发超级电容器的厂商，国内从事大容量 超级电容器研发的厂家共有5 0 多家，然而，能够批量生产并达到实用化水平的厂 家只有1 0 多家，其中包括北京集星公司、上海奥威公司、锦州百纳公司、锦州富 辰公司等。超级电容器凭借着诸多的优点已经广泛应用在军事、公交车、电力系统 等诸多领域，可谓是风光无限。为了进一步在电力系统储能和控制等领域中开发和 应用超级电容器，本文首先来分析和验证超级电容器的性能。 3 2 超级电容器性能分析 下面以北京集星公司生产的s u 0 0 2 0 e 一0 0 2 7 v - 1 c a 型超级电容器单体为例，分 析超级电容器的工作性能。 根据厂家提供的参数资料，该超级电容器额定电压为2 7 v ，在2 5 时其标称容 量是2 0 f ，电容偏差率为1 0 2 0 。这就意味着：标称容量为2 0 f 的超级电容器， 其实际的电容量在1 8 2 4 f 这个范围内，即使型号完全相同的超级电容器单体，其 实际的参数也很难一致；当周围环境温度不是2 5 时，即使偏差率为0 ，其容量也 有可能不是2 0 f 。同型号超级电容器单体实际参数的不一致性主要是由制造过程中 工艺和材质不均造成的，不同的环境温度同样会影响参数的大小。 此外，超级电容器单体的额定电压都很低，一般为l 一3 v ，只有通过超级电容 器单体串并联形成方阵以后才能应用于公交车、军事领域、电力系统等高电压和大 电流的领域。 在给经串并联后组成的超级电容器模块充电时，由u = 善= 兰可知，当流过每 个超级电容器单体上的电流i 相同时，u 和c 成反比。但由于同种型号的超级电容 器的电容量c 不完全相同，