[科普中国]-电容储能

简介

电容储能的机理为双电层电容以及法拉第电容2，其主要形式为超级电容储能，超级电容器是介于传统电容器与电池之间的一种新型电化学储能器件，它相比传统电容器有着更高的能量密度，静电容量能达千法拉至万法拉级；相比电池有着更高的功率密度和超长的循环寿命，因此它兼具传统电容器与电池的优点，是一种应用前景广阔的化学电源。它主要是利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面、内部快速的氧化还原反应所产生的法拉第“准电容”来实现电荷和能量的储存的。因此，超级电容器具有充电速度快、大电流放电性能好、超长的循环寿命、工作温度宽等特点。超级电容储能装置主要由超级电容组和双向DC/DC变换器以及相应的控制电路组成。

电容储能的机理根据储能机理的不同可以分为以下两类2：

双电层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙而产生的。对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理3。

法拉第准电容其理论模型是由Conway首先提出，是在电极表面和近表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于法拉第准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。当电解液中的离子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是法拉第准电容的充放电机理。

电容储能的技术线路超级电容器储能装置的技术核心在于超级电容器组内部的均压拓扑和控制策略以及双向DC/DC变换器的拓扑结构与控制策略。

超级电容器的串并联超级电容的单体额定电压一般为2.3V,2.5V或2.7V，其电压等级相对于其他储能装置是很低的。因此需对其串联以提高超级电容器组的电压等级，根据电路原理，电容越穿越小，在实际使用中，为了兼顾电压等级与容量要求通常是对超级电容器串并联来组成超级电容器组。

超级电容器常用串联均压电路超级电容器串联电压均衡方法可以分成两大类4：一类是通过阻性器件消耗能量的方式，如稳压管法和开关电阻法；另一类是通过储能器件进行能量转移的方式，如DC/DC变换器法等。稳压管法和开关电阻法通过消耗能量达到电容器的电压平衡，必然会降低超级电容器储能系统的效率，而且当超级电容器的充电电流较大时，采用稳压管或者开关电阻法将很难达到电压均衡的要求，一方面大功率的阻性器件增大了体积，不便安装，另一方面消耗的能量增加，温度过高将给储能系统带来安全隐患，降低了系统的可靠性。此外，稳压管法和开关电阻法只能在充电的过程中实现电压均衡，具有一定的局限性。能量转移型电压均衡方法采用储能器件进行电压均衡，是目前超级电容器串联电压均衡技术的发展方向。

1、多飞渡电容器均压法

多飞渡电容器电压均衡法是利用多个容量很小的普通电容器作为中间储能单元，将电压高的超级电容器中的一部分能量向电压低的超级电容器中转移的一种电压均衡方法。

2、单飞渡电容器电压均衡法

单飞渡电容器电压均衡法，顾名思义，它是利用一个容量很小的普通电容器作为中间储能单元，将电压高的超级电容器中的能量向电压低的超级电容器中转移的一种电压均衡方法。

3、平均值电感储能电压均衡法

电感储能电压均衡方法是采用电感储能器件作为储能单元的一种电压均衡方法，一种称为平均值电感储能电压均衡法，另一种称为相邻比较式电感储能电压均衡法。

双向DC/DC变换器的拓扑结构作为储能元件通过并网变流器接入电网系统，超级电容接入并网变流器的直流母线有两种方式：一种是直接接到逆变器的直流母线；另一种是通过功率变换器接入直流母线。超级电容器通过串并联构成储能阵列，由于超级电容器在充放电过程中，其两端电压变化范围很大，因此必须通过功率变换器接入直流母线，使并网变流器向电网输送功率时，功率变换器能够提供恒定的直流母线电压。因此接入功率变换器后，具有超级电容电压等级要求低，利用率高等优点。针对超级电容储能器具有功率双象限流动进行储能和释能的特点，功率变换器必须采用电流能够双象限流动的变流器——双向DC/DC变流器。

双向DC/DC变流器按隔离和非隔离分为两类。

1、非隔离的半桥型双向DC/DC变流器

把非隔离的半桥型双向DC/DC变流器的功率二极管变为双向开关后具有同样的结构，构成非隔离的半桥型双向DC/DC变流器。

2、BUCK-BOOST双向DC/DC变流器

BUCK-BOOST双向DC/DC变流器其能量经过电感Lsc储存和传递，不适用于大功率场合应用。同半桥型双向DC/DC变流器一样，可以使电感电流工作于断续状态，但流过开关管的电流峰值会变大，优点是结构简单。

3、双全桥型的BUCK-BOOST的双向DC/DC变流器

双全桥型的BUCK-BOOST的双向DC/DC变流器，这种电路多应用于电源侧为电流源的大功率场合，由于全桥变换，各个功率器件的电压电流应力减小，同样的器件可以传输更大的功率，适合于大功率场合应用。

4、双半桥型的BUCK-BOOST的双向DC/DC变流器

双半桥型的BUCK-BOOST的双向DC/DC变流器，其相对于全桥变流器，要求功率器件的电流容量大，而且其支撑电容要求比较高，适合于中功率高压应用。

储能电容的充电控制电路主电路为电压型、交直交能量转换方式的变频器，因整流与逆变电路之间有大容量电容的储能回路，因电容两端电压不能突变的特性，在上电初始阶段，电容器件形同“短路”，将形成极大的浪涌充电电流，会对整流模块很大的电流冲击而损坏，也会使变频器供电端连接的空气断路器因过流而跳闸。

常规处理方式，是在整流和电容储能回路之间串入充电了限流电阻和充电接触器（继电器），对电容充电过程的控制是这样的5：

变频器上电，先由充电电阻对电容进行限流充电，抑制了最大充电电流，随着充电过程的延伸，电容上逐渐建立起充电电压，其电压幅值达到530V的80%左右时，出现两种方式的控制过程，一为变频器的开关电源电路起振，由开关电源的24V输出直接驱动充电继电器，或由此继电器，接通充电接触器的线圈供电回路，充电接触器（继电器）闭合，当充电限流电阻短接，变频器进入待机工作状态。电容器上建立一定电压后，其充电电流幅度大为降低，充电接触器的闭合/切换电流并不是太大，此后储能电容回路与逆变电路的供电，由闭合的接触器触点供给，充电电阻被接触器常开触点所短接。二是随着电容上充电电压的建立，开关电源起振工作，CPU检测到由直流回路电压检检测电路送来电压幅度信号，判断储能电容的充电过程已经完毕，输出一个充电接触器动作指令，充电接触器得电闭合，电容上电充电过程结束。

部分变频器及大功率变频器，整流电路常采用三相半控桥的电路方式，即三相整流桥的下三臂为整流二极管，而上三臂采用三只单向可控硅，用可控硅这种“无触点开关”，代替了充电接触器。节省了安装空间，提高了电路的可靠性。

应用超级电容器储能系统已经广泛应用于电动汽车，风光发电储能，电力系统中电能质量调节，脉冲电源等2。

应用于电动汽车超级电容器用于混合电动汽车中，其应用原理图如图1所示，由于汽车在行驶过程中经常需要加速启动或减速刹车，由于加速电动机需要很大的启动电流，大的启动电流对不论是蓄电池还是燃料电池都会造成大的伤害；而汽车进行减速制动时，根据研究制动所需要的能量占驱动能量的50%。如果加入超级电容储能器对汽车启动加速和刹车减速进行能量管理，既可以降低对电动汽车中蓄电池或燃料电池的伤害，又可以回收多余的能量，延长电动汽车的行驶里程。

应用于风光发电储能太阳能和风能是最方便、最洁净的能源，目前普遍采用蓄电池作为贮能或缓冲装置，其存在的最大问题就是运行与维护费大、使用寿命短。超级电容器因其具有数万次以上的充放电循环寿命和完全免维护、高可靠性等特点，使得替换蓄驱动轴电动机发电机超级电容储能器输出机械能输入机械能放电充电电池成为一种必然趋势。超级电容器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，以维持系统平衡。风光发电系统结构如图2所示。

应用与电力系统超级电容储能系统在电力系统中的应用目前主要为电能质量调节。在现实的供电系统中，由于非线性负载的广泛应用及大型电机的突然启停，电网电压谐波会增加，出现波形畸变，电压瞬间跌落等问题，这会对需要高质量的供电设备造成伤害，为了提高供电质量，超级电容储能系统作为储能元件来改善电能质量已经被广泛应用，主要分为：动态电压恢复器（DVR），配电静止同步补偿器（D-STATCOM），统一电能质量调节器（UPQR），不间断电源（UPS）。如图3所示。

应用于脉冲电源移动通信基站、卫星通信系统、无线电通信系统以及军用装备，尤其是野战装备，大多不能直接由公共电网供电，而需要配置发电设备及储能装置。未来将引入激光武器、粒子束武器、微波武器、电磁炮等新概念武器的脉冲功率系统通过充电系统从电网吸收能量，如中等能量激光器和高功率微波武器需要100kW 到500kW 的脉冲电功率，并在毫秒数量级以内大功率释放脉冲电能，脉冲功率源技术的研究方向，往往是在追求如何产生更高的瞬时输出功率，提高效能。高功率电源的核心技术问题是研究高储能密度(kJ/kg)和高功率密度(kW/kg )的脉冲功率储能系统。超级电容器的高功率密度输出特性，可以满足这些系统对功率的要求。