超級(jí)電容器在微電網(wǎng)及分布式發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用

薛智文，周俊秀，韓穎慧

（華北電力大學(xué)數(shù)理系，河北 保定071003）

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求不斷攀升。諸如石油，煤礦，天然氣等不可再生化石燃料的消耗帶來了環(huán)境污染、全球變暖和能源短缺的問題。為了適應(yīng)發(fā)展需求，人們將目光轉(zhuǎn)向可再生的綠色環(huán)保新能源，如太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能等。然而，由于這些新能源具有不穩(wěn)定性，容易受到季節(jié)氣候、地理位置等不可控因素的影響。因此，需要利用高效環(huán)保的能源儲(chǔ)存裝置以提高可再生能源的利用率［1-2］。目前為止，電能在人類生活中有著不可或缺的地位，且基于電能的傳輸，儲(chǔ)存，轉(zhuǎn)化技術(shù)也相對(duì)成熟。故而將不穩(wěn)定的可再生資源轉(zhuǎn)化為電能后經(jīng)儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)再根據(jù)需求輸送到各地加以利用是目前最有效的方案［3-4］。而在各類電化學(xué)儲(chǔ)能裝置中，超級(jí)電容器（SC）借助其功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長以及穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)被大量研究，并且已不同程度地應(yīng)用于汽車和交通運(yùn)輸、國防和軍事、移動(dòng)電子產(chǎn)品、電力系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域［5-6］。

1 超級(jí)電容器的分類及其特性

超級(jí)電容器又稱電化學(xué)電容器，是指介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲(chǔ)能裝置，它既具有電容器快速充放電的特性，同時(shí)又具有電池的儲(chǔ)能特性。根據(jù)不同的儲(chǔ)能機(jī)理可分為雙電層電容器（Electrochemical Double-Layer Capacitor，簡稱“EDLC”）和贗電容器（Pseudocapacitor）。

1.1 雙電層電容器

雙電層電容器是通過靜電電荷分離，利用在電極和電解液固液界面形成的雙電層效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存［7］。如圖1所示，充電時(shí)，外加電路中的電子從正極轉(zhuǎn)移到負(fù)極，同時(shí)電解液中的正負(fù)離子分別擴(kuò)散到負(fù)極和正極，此時(shí)在極化電極與電解液的界面處的異性電荷相互吸引并定向排列，以電荷的形式儲(chǔ)存能量。放電時(shí)，電子從負(fù)載電路的負(fù)極流向正極，形成雙電層的正負(fù)離子由電極表面回到電解液中，整個(gè)體系回到充電前的初始狀態(tài)。由于整個(gè)過程屬于電荷的物理遷移過程，不涉及化學(xué)反應(yīng)，活性材料和電解液不會(huì)被消耗，因此雙電層電容器具有驚人的充放電循環(huán)壽命［8-9］。

由于雙電層電容與傳統(tǒng)電容器的儲(chǔ)能方式相近，因此可用公式（1）計(jì)算其電容值。

式（1）中，Q為吸附電量的大小，V為電勢(shì)窗口的大小，εr為電解液的介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，d為雙電層的厚度，A為電極的比表面積。

由于雙電層電容器的比表面積很大且雙電層厚度很小，因此其容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電容器。由式（1）可知，提高雙電層容量的關(guān)鍵是提高電極的比表面積或減小雙電層的厚度。實(shí)際應(yīng)用中，通常是選擇比表面積大，與電解液接觸面積大電極材料。目前為止，雙電層電容的電極材料主要是具有較大比表面積的碳材料，如，活性炭，石墨烯，碳納米管等。

1.2 贗電容器

贗電容器又稱法拉第準(zhǔn)電容器，利用電極表面或近表面上電活性材料的欠電位沉積，產(chǎn)生可逆的化學(xué)吸脫附或氧化還原反應(yīng)來儲(chǔ)存電荷［9-10］。如圖2所示，贗電容器儲(chǔ)存電荷過程包括以下兩個(gè)部分：1）電極表面產(chǎn)生的雙電層儲(chǔ)存電荷；2）電解液中的離子與電極的活性材料發(fā)生的氧化還原反應(yīng)儲(chǔ)存電荷。通常來說，贗電容器的電容值和能量密度均大于雙電層電容器，在相同電極面積下，一般為雙電層電容量的10～100倍。由于氧化還原反應(yīng)不如靜電作用迅速，因此贗電容器的充放電速度和功率密度比雙電層電容器低［11，12］。

雖然贗電容儲(chǔ)存電荷的過程中發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，但它在充放電過程中所表現(xiàn)的特性卻與雙電層電容相似。因此，贗電容器的電容值可由公式（2）表示。

式（2）中，n為氧化還原反應(yīng)中轉(zhuǎn)移電子的平均數(shù)，F(xiàn)是法拉第常數(shù)，M是活性物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，V是電勢(shì)窗口的大小。贗電容的電極材料主要是金屬氧化物，導(dǎo)電聚合物以及其他可以發(fā)生氧化還原反應(yīng)的化合物（比如金屬有機(jī)框架，金屬氫氧化物等）。

圖1 雙電層電容器工作原理Fig.1 Schematic diagram of electric double layer capacitor

圖2 贗電容器工作原理Fig.2 Schematic diagram of pseudocapacitor.

1.3 超級(jí)電容器的特性

超級(jí)電容器與其他儲(chǔ)能器件相比（如表1 所示），具有以下優(yōu)點(diǎn)［13］：

1）功率密度高；

2）充放電速度快，通常只需幾秒到幾百秒即可充滿；

3）循環(huán)壽命長，其循環(huán)次數(shù)可達(dá)數(shù)十萬次；

4）工作電壓范圍大，可在其額定電壓范圍內(nèi)任意更改；

5）工作溫度范圍寬，可在零下40 ℃的低溫環(huán)境下正常工作；

6）安全性能好且綠色環(huán)保。

表1 超級(jí)電容器與二次電池的性能比較Table 1 Performance comparison between supercapacitors and secondary batteries

2 電容器在微電網(wǎng)及分布式發(fā)電技術(shù)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)存在的靈活性差、局部事故易擴(kuò)散等問題推動(dòng)了智能電網(wǎng)的發(fā)展。智能電網(wǎng)結(jié)合大電網(wǎng)與分布式發(fā)電，能夠提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性并有效降低投資、能耗。作為智能電網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，以風(fēng)能、太陽能等可再生資源為基礎(chǔ)的分布式發(fā)電在大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)同樣存在著一些問題。因此，提出了微電網(wǎng)這一概念以提高分布式發(fā)電的效率。

2.1 微電網(wǎng)

微電網(wǎng)（Micro-Grid）也譯為微網(wǎng)，是指由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以并網(wǎng)運(yùn)行又可以離網(wǎng)孤島運(yùn)行，能夠?yàn)闊o法使用主電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)供給電能。因此，開發(fā)和研究微電網(wǎng)有利于分布式電源和可再生能源的大規(guī)模接入，對(duì)改變和完善供電結(jié)構(gòu)有著重要作用［14，15］。儲(chǔ)能裝置是微電網(wǎng)的重要組成部分，其作用有：1）提供短期功率補(bǔ)給；2）作為能量緩沖設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的“削峰填谷”；3）提高微網(wǎng)電能質(zhì)量，平抑微網(wǎng)內(nèi)功率波動(dòng)。確保微網(wǎng)運(yùn)行安全可靠、靈活高效［16-17］。因此對(duì)微電網(wǎng)中儲(chǔ)能裝置的研究不可忽視。

與其他儲(chǔ)能設(shè)備相比，SC 由于其功率密度大、充放電速度快，因此能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)提供短時(shí)供電。微電網(wǎng)存在并網(wǎng)運(yùn)行和孤網(wǎng)運(yùn)行兩種運(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，微電網(wǎng)中的功率波動(dòng)通過大電網(wǎng)得到平衡；當(dāng)電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時(shí)，微電網(wǎng)與電網(wǎng)斷開獨(dú)立運(yùn)行，SC 能夠快速為微電網(wǎng)供電以彌補(bǔ)電力短缺，保證兩種模式的平穩(wěn)過渡［18-20］。

超級(jí)電容器也可作為微電網(wǎng)的能量緩沖裝置。由于微電網(wǎng)的負(fù)載始終在發(fā)生波動(dòng)，且微電網(wǎng)規(guī)模小系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力差，極易受到電網(wǎng)及負(fù)載波動(dòng)的影響。為了滿足峰值負(fù)載供應(yīng)，可用SC進(jìn)行峰值負(fù)荷調(diào)整。在負(fù)載低時(shí)儲(chǔ)存多余電能，負(fù)載高時(shí)反饋到微電網(wǎng)以滿足功率需求。此外，SC不僅能有效降低微電網(wǎng)中的瞬時(shí)功率擾動(dòng)，而且充分利用低負(fù)載時(shí)的電能，提高微網(wǎng)能量利用效率。Bharath K.R.等人［21］提出了一種將微電網(wǎng)與儲(chǔ)能結(jié)合的通雙向轉(zhuǎn)換器控制方法，如圖3 所示，兩個(gè)DC/DC 轉(zhuǎn)換器分別連接可再生能源（RES）和SC以及分布式電阻負(fù)載，各種分布式發(fā)電機(jī)為公共的直流總線供電，該總線與充當(dāng)浪涌電源的SC儲(chǔ)能系統(tǒng)相連，通過設(shè)計(jì)24 V下垂控制直流微電網(wǎng)，將SC的輸出電流與參考電流進(jìn)行比較、電感器電流與電感器可承受的標(biāo)準(zhǔn)電流比較后通過控制器控制，可以實(shí)現(xiàn)如果電網(wǎng)電壓大于24 V，SC 將會(huì)吸收電量，如果低于24 V，SC將會(huì)供電。從圖4可以明顯看出，在負(fù)載轉(zhuǎn)換過程中，SC 會(huì)暫時(shí)供電給電網(wǎng)。因此，該系統(tǒng)能夠在負(fù)荷突然變化時(shí)滿足電力需求，補(bǔ)償由于負(fù)載或電源瞬變而發(fā)生的功率振蕩。Sanjeev等［22］通過連接SC作為直流鏈路電容器，如圖5所示，在電源/負(fù)載的動(dòng)態(tài)波動(dòng)下平穩(wěn)調(diào)節(jié)總線電壓，相比圖6所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，消除了額外的轉(zhuǎn)換器和其他輔助元件，使直流母線電壓對(duì)所有模式的過渡更加嚴(yán)格，對(duì)該系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明，這種模式下的直流微電網(wǎng)可靠穩(wěn)定且更具經(jīng)濟(jì)效益。故而SC的引入可以改善微網(wǎng)功率質(zhì)量，并改善分布式發(fā)電機(jī)或分布式儲(chǔ)能元件的使用壽命，增加更多的成本效益。Zheng 等［23］在PSCAD 中建立了基于Goldwind微網(wǎng)工程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的微網(wǎng)模型。分析了微電網(wǎng)在系統(tǒng)故障狀態(tài)、有無SC 狀態(tài)下的暫態(tài)電能質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，分析了在傳輸方式下SC對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量的改善。通過仿真結(jié)果表明，儲(chǔ)能系統(tǒng)能顯著提高微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 建議的微電網(wǎng)配置示意圖Fig.3 Schematic diagram of proposed microgrid configuration

圖4 含有SC的整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)[21]Fig.4 Overall system response with supercapacitor[21]

圖5 Sanjeev等提出的改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The improved structure proposed by Sanjeev et al

圖6 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[22]Fig.6 Conventional structure[22]

此外，將SC與其他二次電池聯(lián)合應(yīng)用于微電網(wǎng)具有良好前景。比如SC 和鋰離子電池相結(jié)合的儲(chǔ)能系統(tǒng)，不僅具備SC超高功率密度和快速吸收釋放大功率電能的優(yōu)點(diǎn)，還表現(xiàn)出鋰離子電池超高的能量密度。早在2015 年，德國可再生能源系統(tǒng)開發(fā)商和分銷商FREQCON 開發(fā)出一套利用Maxwell 超級(jí)電容器和鋰離子電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)，并為住宅電網(wǎng)和工業(yè)電網(wǎng)提供電力。該系統(tǒng)能夠解決可再生能源高滲透率帶來的電力間歇性中斷問題。Arunkumar 等人［24］分析了電池-超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（HESS）在直流微電網(wǎng)中的功能。如圖7 所示，該系統(tǒng)通過兩個(gè)雙向升壓轉(zhuǎn)換器連接到負(fù)載，電池轉(zhuǎn)換器有充電和放電兩種工作模式，直流母線的任何穩(wěn)態(tài)缺陷將由電池提供?；谏龎鹤儞Q器不穩(wěn)定特性設(shè)計(jì)了雙向變換器，SC變換器具備基于直流母線瞬變的雙向功率特性。如果負(fù)載增加，由于電池需要更長的時(shí)間來放電，SC 將提供瞬態(tài)電源。同樣，如果負(fù)載減少，額外的電流將被SC 用于充電。轉(zhuǎn)換器使用了內(nèi)置內(nèi)部二極管的MOSFET 開關(guān)，這有助于它們?cè)趦蓚€(gè)方向上進(jìn)行導(dǎo)通。由于變換器的輸出電容并聯(lián)在負(fù)載上，因此可以認(rèn)為是單個(gè)電容。小信號(hào)模型結(jié)果表明，電池負(fù)責(zé)提供穩(wěn)態(tài)功率，而SC 則提供了瞬態(tài)功率。通過使用SC，減少了電池處理的瞬態(tài)電流，以此延長電池工作壽命。此外，該儲(chǔ)能系統(tǒng)可以改善整體負(fù)載性能。

圖7 超級(jí)電容器-電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)[24]Fig.7 Battery-supercapacitor HESS system[24]

Ebrahim 等人［25］設(shè)計(jì)了一種超級(jí)電容器-電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖8所示，通過對(duì)SC進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，根據(jù)離散傅里葉變換（DFT）方法分解風(fēng)力渦輪機(jī)（WT）輸出功率的頻率分量確定其尺寸，以減輕電池微循環(huán)。使用電源管理策略，使用過濾方法在電池和SC之間正確分配微網(wǎng)所需的功率。SC 被控制以補(bǔ)償WT 的生成功率中可用的高頻元件。通過使用這種方法，微循環(huán)從電池中去除，電池使用壽命延長，從長時(shí)間看來可以降低大量設(shè)備成本。

圖8 超級(jí)電容器-電池的電路拓?fù)浜臀⒕W(wǎng)連接示意圖[25]Fig.8 Battery-supercapacitor topology and grid connection[25]

Li 等人［26］還提出一種基于超級(jí)電容器儲(chǔ)能型模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，這種變換器的電路拓?fù)淙鐖D9所示，其回路與傳統(tǒng)MMC 結(jié)構(gòu)類似。該電路拓?fù)溆? 個(gè)共母線平行相單元組成，每個(gè)相單元分為上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由n個(gè)子模塊和1個(gè)橋臂電感串聯(lián)組成。其中：Udc為系統(tǒng)直流母線側(cè)電壓，ipa、ipb、ipc分別為各相上橋臂電流；ina、inb、inc分別為各相下橋臂電流；ica、icb、icc為MMC-SC輸出電流；Ua、Ub、Uc為輸出電壓。與傳統(tǒng)MMC 不同的是，此電路拓?fù)渲忻總€(gè)超級(jí)電容器通過雙向DC/DC 變換器并聯(lián)到每個(gè)子模塊SM 的直流端，子模塊采用半H 橋結(jié)構(gòu)，如圖10 所示。因此每個(gè)子模塊都可以作為一個(gè)分布式儲(chǔ)能單元具有吸收或釋放有功功率的能力。這種將上下橋臂電感的連接點(diǎn)作為交流輸出端的設(shè)計(jì)可以通過調(diào)節(jié)上下橋臂子模塊的投入數(shù)量實(shí)現(xiàn)交流電壓輸出。當(dāng)負(fù)載伴有有功功率沖擊時(shí)，MMC-SC便會(huì)立刻響應(yīng)系統(tǒng)的需求，控制儲(chǔ)能超級(jí)電容快速充/放電，從而維持子模塊電容電壓穩(wěn)定，提供暫態(tài)過程的有功功率補(bǔ)償。SC 通過雙向DC/DC變換器連接到MMC 中組成分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以將SC的儲(chǔ)能優(yōu)點(diǎn)和MMC的在大功率場景應(yīng)用的優(yōu)越性結(jié)合起來，能夠有效解決中、高壓系統(tǒng)中存在的頻繁有功沖擊的問題，也為微電網(wǎng)奠定了一定的基礎(chǔ)。

圖9 MMC-SC電路拓?fù)銯ig.9 Circuit topology of MMC-SC

圖10 子模塊電路拓?fù)鋄26]Fig.10 Circuit topology of sub-modules[26].

2.2 風(fēng)力發(fā)電

近年來，超級(jí)電容器作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，由于高效、低維護(hù)、少污染等優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電成為發(fā)展最快的可再生能源發(fā)電技術(shù)之一，能夠有效緩解能源枯竭和環(huán)境污染等問題。然而自然界中的風(fēng)是不可控的，時(shí)時(shí)刻刻處于波動(dòng)狀態(tài)的風(fēng)速影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率和與之相連的電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量［27-29］。而SC 在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中可以發(fā)揮如下作用：當(dāng)風(fēng)速較高，風(fēng)力發(fā)電多而電網(wǎng)負(fù)荷小時(shí)，SC 快速將電能儲(chǔ)存，在風(fēng)力發(fā)電少電網(wǎng)負(fù)荷較大時(shí)，則釋放電能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組工作以滿足電網(wǎng)需求［30］，并且能夠在風(fēng)力發(fā)電機(jī)狹小的有限空間內(nèi)工作，因此SC在實(shí)際應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

早在2016 年，中國國電集團(tuán)利用Maxwell 超級(jí)電容器模塊為風(fēng)電場儲(chǔ)能示范項(xiàng)目的主要核心元件，成功通過系統(tǒng)調(diào)試后成為第一個(gè)應(yīng)用于中國風(fēng)力發(fā)電場中的兆瓦級(jí)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了1 152個(gè)額定電壓為52 V，容量為130 F，運(yùn)行壽命長達(dá)20 a 的SC 模塊，總?cè)萘繛? MW×2 min，有效彌補(bǔ)了鋰電池在平抑風(fēng)電場瞬時(shí)大功率波動(dòng)方面的不足。

為了進(jìn)一步提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)中SC 的使用效率，Zhang等人［31］提出了一種基于超級(jí)電容器和電池復(fù)合儲(chǔ)能的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的功率控制策略，該方案可以抑制風(fēng)電功率波動(dòng)，并且滿足直驅(qū)風(fēng)力渦輪機(jī)與永磁同步發(fā)電機(jī)低電壓穿越的要求。利用這種控制策略，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率將會(huì)變得平滑，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也能夠在網(wǎng)側(cè)故障情況下降低嚴(yán)重的電網(wǎng)擾動(dòng)。該系統(tǒng)的電路拓?fù)淙鐖D11 所示，其中包括風(fēng)力渦輪機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）、三相二極管整流器、升壓電路、電壓源變換器（VSC）和通過兩個(gè)雙向DC/DC變換器分別與直流母線相連的電池/超電容器混合儲(chǔ)能組塊。在該系統(tǒng)中由于超電容器組功率容量大、充放電率高和壽命長，可以被用于平滑高頻成分。在電網(wǎng)故障時(shí)，還可以利用超級(jí)電容器組吸收因網(wǎng)側(cè)變流器輸入輸出功率不平衡而產(chǎn)生的直流母線較大的冗余功率來保持直流鏈路電壓恒定。該研究小組通過模擬仿真證明了該系統(tǒng)確實(shí)可以有效提高系統(tǒng)的整體效率。

圖11 基于超級(jí)電容器-蓄電池復(fù)合儲(chǔ)能的并網(wǎng)永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[31]Fig.11 Directly-driven wind generation system with the hybrid energy storage[31]

Doaa M.等人［32］利用超級(jí)電容器可以提高雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DFIG）中的穿越故障（FRT）性能，通過DC/DC 轉(zhuǎn)換器將SC 連接在直流鏈路上，并用PSCAD/EMTDC軟件進(jìn)行仿真，當(dāng)沒有SC接入時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓降至0.12 pu，這個(gè)值低于世界上大多數(shù)電網(wǎng)代碼［33］所規(guī)定的最低電壓水平，意味著渦輪機(jī)必須與電網(wǎng)斷開。然而，通過在直流鏈路上接入SC，可以清楚地看到發(fā)電機(jī)端子處的最大電壓降為0.27 pu，如圖12所示這時(shí)渦輪在故障情況下仍將連接到電網(wǎng)。DFIG 在故障時(shí)產(chǎn)生的線路電流如圖13 所示，在接入SC 后故障瞬間電流降低到?jīng)]有接入SC 最大電流的近70%。并且在故障清除后，它更快地返回其標(biāo)稱值。他們還對(duì)其產(chǎn)生的有功功率和無功功率進(jìn)行了研究，如圖14-圖15所示，在故障發(fā)生之前，DFIG的發(fā)電量為0.6 pu。故障發(fā)生后，有功功率降至約為零，說明故障結(jié)束時(shí)已無輸送功率。故障清除后，產(chǎn)生的有功功率開始增大，直至達(dá)到故障前值。使用SC 后對(duì)有功功率分布沒有顯著影響，但故障清除后的有功功率恢復(fù)到初始值的速度要比不使用SC時(shí)快。電網(wǎng)發(fā)生故障之前，無功功率測(cè)量值為零，0.1 s故障消除后，發(fā)電機(jī)吸收一定的無功功率，恢復(fù)正常運(yùn)行。在不使用SC 的情況下，這個(gè)量約為1.0 pu，在SC 接入后下降到只有0.4 pu 左右。因此，可以看出SC 對(duì)提高DFIG 的穿越故障性能和動(dòng)態(tài)性能有較好的效果。

圖12 有和沒有使用超級(jí)電容器的三相故障期間雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)端子處的電壓Fig.12 Voltage at the DFIG terminal during a three-phase fault with and without using supercapacitor

圖13 有和沒有使用超級(jí)電容器的三相故障期間雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電流Fig.13 Stator current of the DFIG during a three-phase fault with and without using supercapacitor

圖14 有和沒有使用超級(jí)電容器的三相故障期間雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率響應(yīng)Fig.14 Active power response of the DFIG during a three-phase fault with and without using supercapacitor

圖15 有和沒有使用超級(jí)電容器的三相故障期間雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功功率響應(yīng)[32]Fig.15 Reactive power response of the DFIG during a three-phase fault with and without using supercapacitor[32]

Nissan等人［34］將超級(jí)電容器安裝在基于永磁同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)能系統(tǒng)上，如圖16 所示。經(jīng)過接入SC 和不接入SC的模擬測(cè)試，結(jié)果表明，SC的接入與否對(duì)電源側(cè)和網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形沒有太大影響，但是在測(cè)試有功功率和無功功率的過程中兩者表現(xiàn)的情況開始不一樣，接入SC 的情況中，電流波動(dòng)明顯小于不接入SC的情況，因此與不使用SC的情況相比，在風(fēng)能系統(tǒng)中添加SC可以改善系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能，并使系統(tǒng)在故障條件下更加穩(wěn)定，受到風(fēng)切變和塔影效應(yīng)的影響更小。

圖16 基于永磁同步發(fā)電機(jī)的超級(jí)電容風(fēng)能系統(tǒng)模型[34]Fig.16 Proposed model for permanent magnetic synchronous generator based wind energy systems with supercapacitor[34]

超級(jí)電容器在Yan等人［35］提出的基于變功率點(diǎn)跟蹤和SC 儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略中也扮演著重要的角色，SC參與系統(tǒng)一次調(diào)頻配置如圖17 所示，SC 經(jīng)過雙向DC-DC 變換器與雙饋風(fēng)電機(jī)組的直流側(cè)母線電容相連接。其中Ps、Pr和Pg分別為定子側(cè)向電網(wǎng)輸出的功率、為風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)子流向轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的功率和網(wǎng)側(cè)變流器流向負(fù)載的功率，Pscss儲(chǔ)能裝置提供的補(bǔ)償功率，Q表示存儲(chǔ)的實(shí)際電荷量。這種通過在雙饋風(fēng)電機(jī)組直流側(cè)母線電容上添加儲(chǔ)能裝置，相比于傳統(tǒng)的超速減載控制，其風(fēng)能利用率、輸出功率都會(huì)大幅度提高，且傳統(tǒng)控制的減載率越大，該調(diào)頻控制的發(fā)電效益提高得越明顯。但需要考慮實(shí)際超級(jí)電容模組的成本和放電效率等問題，因此設(shè)計(jì)一套最高放電效率下成本最低的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置是有必要的，這為儲(chǔ)能裝置在新能源機(jī)組滲透率逐漸加大的背景下提出了新的應(yīng)用思路。

2.3 太陽能光伏發(fā)電

圖17 雙饋風(fēng)電機(jī)組的儲(chǔ)能配置示意圖[35]Fig.17 Energystorage configurationof doubly-fed induction generator[35]

由于含量豐富、無污染、可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)，太陽能成為極具潛力的可再生能源之一。太陽能發(fā)電包括光伏發(fā)電和太陽熱能發(fā)電。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要分為獨(dú)立系統(tǒng)，并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)三類。其中，獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指不與常規(guī)電力系統(tǒng)相連的孤立發(fā)電系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)完全依靠太陽能轉(zhuǎn)化得來的能量運(yùn)作。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換鏈少，能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛關(guān)注［36］。但太陽輻照度具有不穩(wěn)定性，光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行成為一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。因此，有必要加設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，在儲(chǔ)能設(shè)備中，電池是一種具有更高儲(chǔ)能密度的有前途的解決方案，但是典型的鉛酸電池、鋰離子電池、鎳鎘電池等儲(chǔ)能設(shè)備存在一些不可避免的問題，比如工作壽命短，維護(hù)費(fèi)用高，環(huán)境不友好，不能提供瞬時(shí)大功率電能［37］。而SC的引入令這些問題迎刃而解。

基于SC 的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠及時(shí)釋放或者吸收光照或者負(fù)荷波動(dòng)所帶來的功率缺額或功率過剩，維持光伏發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定，因此SC在光伏發(fā)電系統(tǒng)中大受歡迎。例如，Cabrane等人［38］提出了一種超級(jí)電容器和電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，如圖18所示，系統(tǒng)包括光伏板，可收集受天氣波動(dòng)影響的可變能量；該光伏板連接在聲壓轉(zhuǎn)換器上，中間有MPPT控制算法參與，可識(shí)別最大功率工作點(diǎn)。雙向降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，用于將電池和超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（HHSS）連接到直流母線，其中電池設(shè)計(jì)用于存儲(chǔ)光伏能量，之后可根據(jù)需求使用，SC 用于提供和吸收具有快速動(dòng)態(tài)的顯著能量。實(shí)驗(yàn)組通過給光伏板一定的光照來模擬自然情況下的光照波動(dòng)，這時(shí)觀察到兩種情況的電流變化如圖19 所示，在沒有SC接入的系統(tǒng)中電池電流表現(xiàn)出明顯的峰值，而接入SC 的系統(tǒng)，由于使用能量分配和能源管理策略，電池電流峰值將不再顯著，而形成一個(gè)指數(shù)形式的緩慢變化過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，同電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，在光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)中加入SC 可以消除電池的峰值電流，降低電池的壓力，延長電池的使用壽命，從而可以降低新系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)成本。

圖18 含有超級(jí)電容器的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)示意圖Fig.18 Schematic diagram of photovoltaic energy storage system containing supercapacitors

圖19 有SCs和無SCs的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真結(jié)果比較[38]Fig.19 Comparison of simulation results of photovoltaic energy storage system with supercapacitors and without supercapacitors[38]

Yang等人［39］也提出了一種用基于超級(jí)電容器的光伏微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能控制方案，該方案所設(shè)計(jì)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可在并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種模式下有效使用。相比于之前的儲(chǔ)能裝置只能以一種模式運(yùn)行的設(shè)計(jì)提高了適用性，如圖20所示，PV為光伏板模塊，L和S、D1構(gòu)成升壓電路，蓄電池用作能量存儲(chǔ)元件，Lb與S1b、S2b組成雙向DC/DC 電路，Cdc為直流母線側(cè)的穩(wěn)壓電容器，SC 為超級(jí)電容器儲(chǔ)能元件，電感Lsc與S1s、S2s構(gòu)成雙向DC/DC電路，RLoad為微網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載，T1～T6構(gòu)成電壓源轉(zhuǎn)換器，L1、L2與Cf構(gòu)成LCL 濾波電路，公共耦合點(diǎn)（Point of CommonCoupling，PCC）控制著微網(wǎng)與電網(wǎng)的連接，Zg為網(wǎng)側(cè)阻抗。蓄電池和SC與雙向DC/DC電路構(gòu)成了混合儲(chǔ)能模塊，調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)，保持微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

此方案設(shè)計(jì)允許當(dāng)系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，SC可快速補(bǔ)償可再生能源和負(fù)載功率的隨機(jī)變化引起的瞬態(tài)功率波動(dòng)，蓄電池處理緩慢變化的平均功率波動(dòng)，快速恢復(fù)直流母線電壓穩(wěn)定。在并網(wǎng)模式時(shí)，針對(duì)暫態(tài)過程中微電網(wǎng)輸入功率和負(fù)載的變化，在傳統(tǒng)并網(wǎng)的電壓電流雙閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)中加入蓄電池和SC 電流控制環(huán)，利用蓄電池調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流的平均分量，且根據(jù)SC快速充放電特性，補(bǔ)償了由蓄電池系統(tǒng)因響應(yīng)慢而引起的誤差功率和瞬態(tài)功率波動(dòng)，提高了直流母線電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；并網(wǎng)運(yùn)行下通過加入蓄電池組和超級(jí)電容器的電流控制環(huán)來抑制并網(wǎng)電流的脈動(dòng)，從而提高微網(wǎng)的并網(wǎng)電能質(zhì)量。

圖20 光伏微網(wǎng)混合儲(chǔ)能電路整體結(jié)構(gòu)圖[39]Fig.20 Overall structure diagram of photovoltaic microgrid hybrid energy storage circuit[39]

隨著分布式并網(wǎng)光伏逆變器總功率的增加，光伏系統(tǒng)帶來的功率波動(dòng)將變得嚴(yán)重，甚至影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為了緩解這一問題，Xiong 等人［40］將SC 加入到逆變器中（如圖21 所示），使之承擔(dān)無功有功功率，補(bǔ)償有功功率波動(dòng)，由于SC比電池更適應(yīng)快速充電和放電操作，因此它似乎更適合在此類系統(tǒng)中使用。在圖21（a）所示的系統(tǒng)中，所有光伏模塊串聯(lián)起來形成一條長串，這有助于獲得相對(duì)較高的直流電壓，但因只能使用統(tǒng)一的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制，因此會(huì)造成效率損失。如果級(jí)聯(lián)H橋（CHB）光伏逆變器對(duì)每個(gè)光伏電池應(yīng)用超級(jí)電容器，電路拓?fù)鋵⒆兊眠^于復(fù)雜和昂貴。而圖21（b）所示的系統(tǒng)為超級(jí)電容器使用額外的直流交流轉(zhuǎn)換器。這時(shí)超級(jí)電容器的兩階段轉(zhuǎn)換將降低效率。此外，直流-交流轉(zhuǎn)換器應(yīng)使用高壓器件，并且只有少量輸出電平和大量的諧波。為了解決前面提到的設(shè)計(jì)缺陷，該實(shí)驗(yàn)組提出了如圖21（c）所示的方案，通過H橋逆變器將SC依次連接到逆變器的交流輸出側(cè)，由于SC 僅使用一個(gè)H 橋逆變器連接到系統(tǒng)，并且所有H 橋都使用低壓設(shè)備，因此整個(gè)逆變器將會(huì)有多個(gè)輸出電平，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在SC 容量足夠的情況下，該方案能有效地消除串聯(lián)光伏逆變器的功率波動(dòng)。

圖21 有超級(jí)電容的光伏發(fā)電系統(tǒng)Fig.21 Structuresof PV systemwithsupercapacitor

Wu 等人［41］也設(shè)計(jì)了一種包含SC 的控制系統(tǒng)，如圖22 所示，該控制電路包括光伏發(fā)電模塊、最大功率點(diǎn)跟蹤轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、超級(jí)電容器組和微控制器。在該系統(tǒng)中，將10組由6個(gè)并聯(lián)的超級(jí)電容器串聯(lián)組成27 V，30 F的超級(jí)電容器組。針對(duì)光伏發(fā)電，進(jìn)行了SC 的充電和放電測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)SC 的初始電壓為19.6 V 時(shí)，正常工作的光伏系統(tǒng)在電壓下充滿電，充電時(shí)間約為76 s。如果光伏系統(tǒng)中發(fā)生臨時(shí)電源中斷，SC 仍能夠?yàn)樨?fù)載提供能量，保持負(fù)載約49 s。因此SC 作為儲(chǔ)能裝置控制系統(tǒng)，可以有效地改善間歇發(fā)電輸出和電壓不穩(wěn)定的問題，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，并且保證供電的連續(xù)性，可減少偶然故障引起的斷電現(xiàn)象。

圖22 包含超級(jí)電容器的控制系統(tǒng)原理圖[41]Fig.22 Schematic diagram of the control system including the supercapacitor[41]

3 結(jié)語

綜上所述，作為一種安全環(huán)保的新型儲(chǔ)能設(shè)備，超級(jí)電容器具有充放電速度快、功率密度大、工作壽命長、工作溫度范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn)。且超級(jí)電容器能夠?yàn)槲㈦娋W(wǎng)提供短期能量，大大提升電能質(zhì)量，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓并平衡功率。在可再生能源發(fā)電技術(shù)中，它不僅充當(dāng)備用電源，維持系統(tǒng)與大電網(wǎng)的功率保持一致，還能夠在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)對(duì)風(fēng)速、光照或負(fù)荷的變動(dòng)，維持發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定。此外，將超級(jí)電容器和電池結(jié)合也能夠在電網(wǎng)技術(shù)中發(fā)揮優(yōu)良的性能，同時(shí)還可以減少了投資成本。隨著超級(jí)電容器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，能量密度會(huì)進(jìn)一步提高，它將逐步取代需要頻繁更換的蓄電池，并且家用儲(chǔ)能系統(tǒng)也大有可能會(huì)實(shí)現(xiàn)。加上電網(wǎng)技術(shù)和智能互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，區(qū)塊鏈技術(shù)也將參與其中，未來電能使用交易將會(huì)更加便捷、更加人性化。