中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：超級(jí)電容器(super capacitor)，又叫雙電層電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黃金電容、法拉電容，是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲(chǔ)能元件[2]，其容量可達(dá)幾百至上萬(wàn)法，比功率是電池的10倍以上，儲(chǔ)存能力比普通電容器高，具有工作溫度范圍廣、可快速充放電、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、零排放等特點(diǎn)。
在微電網(wǎng)中，由負(fù)荷或者微電源導(dǎo)致的電能質(zhì)量問(wèn)題往往具有持續(xù)時(shí)間短、出現(xiàn)頻繁的特點(diǎn)。相比較而言，作為短期儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容器更為理想,因此，主要考慮超級(jí)電容器在微電網(wǎng)中的應(yīng)用。雖然目前超級(jí)電容器價(jià)格依然偏高，但隨著價(jià)格的逐漸下降，超級(jí)電容器作為一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲(chǔ)裝置，必然會(huì)成為理想的選擇。
一、提供短時(shí)供電
微電網(wǎng)存在兩種典型的運(yùn)行模式:正常情況下，微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行,稱為并網(wǎng)運(yùn)行模式;當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時(shí), 微電網(wǎng)將及時(shí)與電網(wǎng)斷開(kāi)從而獨(dú)立運(yùn)行, 稱為孤網(wǎng)運(yùn)行模式。微電網(wǎng)往往需要從常規(guī)配電網(wǎng)中吸收部分有功功率，因而微電網(wǎng)在從并網(wǎng)模式向孤網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)有功率缺額，安裝儲(chǔ)能設(shè)備有助于2種模式的平穩(wěn)過(guò)渡。
二、用作能量緩沖裝置
由于微電網(wǎng)規(guī)模較小，系統(tǒng)慣性不大，網(wǎng)絡(luò)及負(fù)荷經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)就顯得十分嚴(yán)重，對(duì)整個(gè)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。我們總是期望微電網(wǎng)中高效發(fā)電機(jī)(如燃料電池)始終工作在它的額定容量下。但是微電網(wǎng)的負(fù)荷量并非整日保持不變，相反，它會(huì)隨著天氣變化等情況發(fā)生波動(dòng)。為了滿足峰值負(fù)荷供電，必須使用燃油、燃?xì)獾恼{(diào)峰電廠進(jìn)行高峰負(fù)荷調(diào)整，由于燃料價(jià)格很高，這種方式的運(yùn)行費(fèi)用太昂貴。
超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題，它可以在負(fù)荷低落時(shí)儲(chǔ)存電源的多余電能，而在負(fù)荷高峰時(shí)回饋給微電網(wǎng)以調(diào)整功率需求。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微電網(wǎng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，其作用越來(lái)越重要。它不僅避免了為滿足峰值負(fù)荷而安裝的發(fā)電機(jī)組，同時(shí)充分利用了負(fù)荷低谷時(shí)機(jī)組的發(fā)電，避免了浪費(fèi)。
超級(jí)電容器功率密度大、能量密度高的特性使它成為處理尖峰負(fù)荷的最佳選擇，而且采用超級(jí)電容器只需存儲(chǔ)與尖峰負(fù)荷相當(dāng)?shù)哪芰?。若采用蓄電池?chǔ)能，需要存儲(chǔ)幾倍于尖峰負(fù)荷的能量。蓄電池曾經(jīng)廣泛用作儲(chǔ)能單元，但是在微電網(wǎng)中需要頻繁地進(jìn)行充、放電控制，這樣勢(shì)必會(huì)大大縮短蓄電池的使用壽命。
在含有如電梯、提升機(jī)、地鐵電站等惡性負(fù)荷的微電網(wǎng)中，配置超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元可以減少電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)的負(fù)面沖擊影響。在負(fù)載側(cè)有電動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)裝置等強(qiáng)負(fù)載系統(tǒng)中，當(dāng)大負(fù)載突然起動(dòng)時(shí)，一般都需要一個(gè)很大的瞬間電流，這時(shí)，如果電源能量不足，電源電壓將瞬間下降，從而使控制電路產(chǎn)生誤操作，如果增大電源容量，對(duì)于平常不需大電流的工作場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，顯然是一種浪費(fèi)。而在系統(tǒng)中增加大功率超級(jí)電容器就可用較小容量的電源驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載。
三、改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量
人們對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題日益關(guān)注。一方面，微電網(wǎng)作為電網(wǎng)要滿足負(fù)荷對(duì)供電質(zhì)量的要求，保證供電頻率以及電壓幅值變化、波形畸變率以及年停電次數(shù)等在一個(gè)很小的范圍內(nèi);另一方面，大電網(wǎng)對(duì)微電網(wǎng)作為整體的并入電網(wǎng)也提出了嚴(yán)格的要求，如負(fù)荷功率因數(shù)、電流諧波畸變率和最大功率等都有嚴(yán)格限制。
儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高起到了十分重要的作用。通過(guò)逆變器控制單元，可以調(diào)節(jié)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)向用戶及網(wǎng)絡(luò)提供的無(wú)功及有功，從而達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。由于超級(jí)電容器可快速吸收、釋放大功率電能，非常適宜將其應(yīng)用到微電網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置中，用來(lái)解決系統(tǒng)中的一些暫態(tài)問(wèn)題，如針對(duì)系統(tǒng)故障引發(fā)的瞬時(shí)停電、電壓驟升、電壓驟降等問(wèn)題，此時(shí)利用超級(jí)電容器提供快速功率緩沖，吸收或補(bǔ)充電能，提供有功功率支撐進(jìn)行有功或無(wú)功補(bǔ)償，以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。
對(duì)于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等不可控的微電源，發(fā)電機(jī)輸出功率產(chǎn)生的波動(dòng)會(huì)使電能質(zhì)量下降。該類電源與儲(chǔ)能裝置的結(jié)合是解決諸如電壓跌落、涌流和瞬時(shí)供電中斷等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的有效手段之一。
四、優(yōu)化微電源的運(yùn)行
綠色能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能，其能量來(lái)源本身的特性，決定了這些發(fā)電方式往往具有不均勻性，電能輸出容易發(fā)生變化。隨著風(fēng)力和太陽(yáng)光強(qiáng)度的變化，這些能源產(chǎn)生的電能輸出也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。這就需要使用一種緩沖器來(lái)存儲(chǔ)能量[13-14]。由于這些能源產(chǎn)生的電能輸出可能無(wú)法滿足微電網(wǎng)峰值電能的需求，因此，可以采用儲(chǔ)能裝置在短時(shí)間內(nèi)提供所需的峰值電能，直到發(fā)電量增大，需求量減少。
適量的儲(chǔ)能可以在DG單元不能正常運(yùn)行的情況下起過(guò)渡作用。如利用太陽(yáng)能發(fā)電的夜間，風(fēng)力發(fā)電在無(wú)風(fēng)的情況下，或者其他類型的DG單元正處維修期間，這時(shí)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能就能起過(guò)渡作用，其儲(chǔ)能的多少主要取決于負(fù)荷需求。
另外，在能源產(chǎn)生的過(guò)程是穩(wěn)定的而需求是不斷變化的情況下，也需要使用儲(chǔ)能裝置。燃料電池與風(fēng)能或太陽(yáng)能不同，只要有燃料，它就能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定的電能。然而，負(fù)荷需求隨著時(shí)間的變化有很大不同。如果沒(méi)有儲(chǔ)能裝置，燃料電池就要做得很大以滿足峰值能量需求，成本顯得過(guò)高。通過(guò)將過(guò)剩的能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中，就可以在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)儲(chǔ)能裝置提供所需的峰值能量。與燃料電池等高能量密度的物質(zhì)相結(jié)合，超級(jí)電容器能提供快速的能量釋放，滿足高功率需求，從而使燃料電池可以僅作為能量源使用。將超級(jí)電容器的強(qiáng)大性能和燃料電池結(jié)合起來(lái)，可以得到尺寸更小、重量更輕、價(jià)格更低廉的燃料電池系統(tǒng)。
五、提高微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的提供有重要意義：
1)大幅增加可再生能源的發(fā)電比例，緩解投資新的輸電、配電線路、以及新建發(fā)電廠的壓力，降低系統(tǒng)成本;
2)提供有效的備用容量，改善電力品質(zhì)(比發(fā)電機(jī)有更快的啟動(dòng)速度)，改善系統(tǒng)的可靠度、穩(wěn)定度;
3)提供有效的負(fù)載管理機(jī)制，降低尖峰時(shí)的供電成本，進(jìn)而降低電價(jià)，提供經(jīng)濟(jì)效益;
4)在電力市場(chǎng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠大幅避免中斷能源交易，以及預(yù)測(cè)錯(cuò)誤帶來(lái)的損失，進(jìn)而提供穩(wěn)定的電價(jià);
5)不可調(diào)度的DG發(fā)電單元如太陽(yáng)能、風(fēng)能等，受天氣等自然因素的影響比較大，DG單元擁有者不能制訂一定的發(fā)電規(guī)劃，但是有了能量?jī)?chǔ)存，就可以在特定的時(shí)間提供所需的電能，而不必考慮此時(shí)DG單元能夠發(fā)出多少電能，只需按照預(yù)先制定的發(fā)電規(guī)劃進(jìn)行發(fā)電。在電力市場(chǎng)的環(huán)境下，微電網(wǎng)與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，有了足夠的儲(chǔ)存電力，微電網(wǎng)成為可調(diào)度的單元，微電網(wǎng)擁有者可以根據(jù)不同情況向電力公司賣電，提供調(diào)峰和緊急功率支持等服務(wù)，獲取最大的經(jīng)濟(jì)效益。
結(jié)語(yǔ)
超級(jí)電容器的出現(xiàn)，解決了能源系統(tǒng)中功率密度與能量密度之間的矛盾。隨著超級(jí)電容器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它將逐步取代當(dāng)前需頻繁更換的蓄電池，且家用儲(chǔ)能系統(tǒng)也有可能得到實(shí)現(xiàn)。作為一種儲(chǔ)能巨大、充放電速度快、工作溫度范圍寬、工作可靠安全、無(wú)需維護(hù)保養(yǎng)、價(jià)格低廉的儲(chǔ)能系統(tǒng)，如能大量應(yīng)用于微電網(wǎng)中，必將推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。
