超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用

超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用

张国驹1,2,唐西胜2,齐智平2

(1.中国科学院研究生院,北京市100190; 2.中国科学院电工研究所,北京市100190)

摘要:由于微网中含有发电单元输出功率与负荷功率2组不相关随机变量,储能需要频繁吸收(发出)有功功率以维持微网的稳定运行,这对传统蓄电池储能的工作状况产生了较大的负面影响,缩短了其使用寿命。文中提出了适用于微网的超级电容器与蓄电池混合储能结构,采用统一建模方法进行了建模,并采用小信号分析方法推导了储能的稳定条件。针对该混合储能结构,采用多滞环调节控制策略提高了储能的灵活性与实用性。利用超级电容器功率密度高和循环寿命长的优点,通过控制双向DC/DC 变换器实现对蓄电池充放电过程的优化控制,可以避免蓄电池单独储能时的容量浪费,延长其使用寿命,提高储能的技术经济性。仿真和实验结果验证了所提出的混合储能结构及其控制策略的有效性。

关键词:微网;超级电容器;蓄电池;混合储能系统;多滞环调节控制

收稿日期:2009 11 12;修回日期:2010 04 10。

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009A A05Z210);国家自然科学基金资助项目(50777064);中国科学院知识创新工程方向性项目 适用于微网的分布式光伏电源关键技术研究与示范 。

0 引言

为整合分布式发电的优势,削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响,最大限度发挥分布式发电的技术经济性,2001年,美国威斯康星大学https://www.wendangku.net/doc/353422671.html,sseter 等人提出了微网的概念[1]。一个典型的微网由多种分布式发电单元、储能及负荷组成,并由一个中央能量管理单元负责微网内的发电调度。其中,储能对于微网的稳定控制、电能质量的改善和不间断供电具有非常重要的作用[2 3],是微网安全可靠运行的关键。铅酸蓄电池因技术成熟、成本较低而获得了广泛应用。

微网中,风电和太阳能光伏等分布式发电单元的输出功率具有间歇性和随机性的特点,而负荷的变化也具有随机性,这给微网的稳定运行带来了较大挑战。为了维持微网内部的瞬时能量平衡,储能往往需要频繁地吸收(发出)较大功率。频繁的大功率充放电和深度放电会造成铅酸蓄电池温度升高、正负极板上的活性物质脱落等现象,导致电池容量积累性亏损并在短时间内快速下降,严重影响电池的使用寿命[4 5]。

为了优化蓄电池的工作过程,延长其使用寿命,

文献[6]提出了超级电容器与蓄电池混合储能的思路,从理论上证明了混合储能可以充分利用蓄电池和超级电容器的互补特性,提高储能的功率输出能力,减少蓄电池的充放电次数从而延长其使用寿命。随后,在电动汽车[7]

、工程机械[8]

等领域都有混合储能的应用研究。文献[9 10]对混合储能应用于独立光伏等分布式发电系统进行了研究,结果表明,混合储能可以优化蓄电池的充放电过程,减少充放电小循环次数,延长蓄电池的使用寿命。基于以上研究,可以预见,超级电容器与蓄电池混合储能在应对微网中频繁快速的功率和能量变化方面具有很好的技术经济性,但目前尚无相关研究文献。

本文在分析微网稳定运行对储能需求的基础上,提出适用于微网的超级电容器与蓄电池混合储能结构,采用多滞环调节控制策略以提高储能的灵活性与实用性。在满足微网运行需求的前提下,混合储能结构能够延长蓄电池的使用寿命,提高储能的经济性。通过仿真和实验验证了所提出的混合储能结构及其控制策略的有效性。

1 应用于微网的混合储能结构

本文采用如图1所示的超级电容器与蓄电池混合储能结构。蓄电池组通过双向DC/DC 变换器与三相脉宽调制(PWM)变换器的直流母线相连;超级电容器组则直接与三相PWM 变换器的直流母线相连;三相PWM 变换器经升压变压器接入微网的交流母线,通过与微网之间的有功和无功功率交换实现系统的瞬时功率平衡和稳定控制。

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第34卷 第12期2010年6月25

日V o l.34 No.12June 25,2010

图1 应用于微网的混合储能系统结构

Fig.1 Structure of the hybrid energy storage system of

super capacitors and batteries in a microgrid

相比于其他超级电容器与蓄电池混合储能的拓

扑[6,9,11]

,图1所示拓扑可以充分利用超级电容器本身储存的能量,优化蓄电池的充放电过程;而且超级电容器直接接入直流母线,可以发挥其功率密度高的优势,提升混合储能单元的功率输出能力和响应速度。

2 混合储能单元的建模与分析

在建立超级电容器与蓄电池混合储能单元及其接入微网的模型时,考虑到双向DC/DC 变换器的开关频率远大于微网状态的变化速率,因此,在短时间内可以认为混合储能单元的直流母线功率恒定,等效为一个恒功率负载。

超级电容器虽然具有电容特性,但是由于其容量巨大,因而时间常数 较大,充放电周期长,在双向DC/DC 变换器的一个开关周期内,可以认为超级电容器的端电压不变,故把超级电容器等效为1个理想电压源与1个等效内阻串联。

在混合储能单元中,双向DC/DC 变换器是其能量管理的关键。本文采用了Buck/Boost 双向功率变换器(Buck/Boo st bi directional co nv erter,BBBC),其具有体积小、功率器件数量少、工作效率高[12]等优点。对于BBBC 的建模,可以采用Buck

和Bo ost 这2种工作状态独立建模的方式[13]

,也可以采用统一建模方式[14],本文采用统一建模方式。图1对应的超级电容器与蓄电池混合储能系统等效电路如图2所示。

设开关S 1或者D 1导通的时间为d,以电感电流i L 和理想电容电压u C 为状态变量,利用状态空

间平均法,可得状态方程如下:

L d i L d t

=V B -du C -R B i L

C d u C d

t =di L +V UC -u C R UC -u C R CPL

(1)

式中:R CPL 为恒功率负载,当负载功率为P 0时,有

R CPL =u 2

C /P 0。

图2 混合储能系统等效电路

Fig.2 Equivalent circuit of the hybrid energy

storage system

在稳态工作点(d 0,u C 0,i L 0)对状态方程进行线性化,可得控制!电感电流输出传递函数如下:

i ^L d ^=-sCu C 0+1R UC +1

R CPL

u C 0+s 2LC +s

1R U C +1R CPL L +R B C +?#di L 0

R B 1R UC +1R CPL

+d 2

(2)

对于恒功率负载R CPL ,假设在t 时刻混合储能

单元的输出功率为P 0,端电压为U ,则有[15]

:

R ^CPL =-R CPL =-U 2P 0

(3) 由此可得:

i ^L d ^=-sCu C 0+1R UC -P 0

u 2C 0

u C 0+s 2LC +s 1R U C -P 0u 2C 0L +R B C +

?#di L 0

R B 1R UC -P 0u 2C 0

+d 2

(4)

系统传递函数的极点为:

s =

-1R U C -P

0u 2C 0

L +R B C

?

1R UC -P 0u 2

C 0

L +R B C

2

-4LC R B

1R U C -P 0u 2

C

+d 2

02LC

(5)

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86!2010,34(12)

由此可得系统的稳定条件为:

1R U C -P 0u 2C 0

L +R B C >0R B 1R U C -P 0u 2C 0

+d 2

0>0

(6)

在实际系统中,只需满足:

P 0

0R U C

(7)就可以保证系统稳定。

采用本文第4节给出的仿真和实验验证参数,可得BBBC 工作于Boo st 状态和Buck 状态下开环

系统的控制!电感电流波特图分别如图3和图4所示。可以看出:当工作于Boost 状态时,相位裕量为90%;当工作于Buck 状态时,相位裕量为89.8%。

图3 BBBC 工作于Boost 状态时的控制 输出波特图Fig.3 Bode plots of BBBC working in Boost condition

图4 BBBC 工作于Buck 状态时的控制 输出波特图

Fig.4 Bode plots of BBBC working in Buck condition

3 混合储能单元的多滞环调节控制策略

超级电容器与蓄电池混合储能单元的能量管理主要取决于BBBC 的控制方案

,为了满足微网运行的功率与能量需求,并改善蓄电池的充放电过程,本文采用了多滞环调节控制策略。该控制策略可以根据系统实际情况,灵活多层次地设定蓄电池充放电电流及其相互之间的转换过程,具有较高的实际应用价值。

如图1所示,多滞环调节控制策略由多滞环电流给定计算单元和电流调节器2个部分组成。多滞环电流给定计算单元的控制逻辑由2个3模态滞环

组成,其输入是直流母线电容电压u C ,输出是电流

给定值i L _ref 和BBBC 的工作模式指令,如图5所示。

图5 电流给定计算单元

Fig.5 Reference current calculation block

电流给定计算单元首先根据u C 值确定i L _ref 值的正负,即处于滞环的哪个半区,然后结合当前BBBC 的工作模式k 确定下一拍的工作模式k +1,最后根据滞环曲线得到电流输出指令i L _ref ,并发送到电流调节器。电流调节器根据工作模式指令确定BBBC 的运行方式:当BBBC 运行于Buck 模式时,S 2的驱动封锁,S 1开关动作;当BBBC 运行于Boo st 模式时,S 1的驱动封锁,S 2开关动作。通过PI 调节器实现电感电流i L 对电流给定值i L _ref 的无静差跟踪控制。

4 仿真与实验验证

为验证混合储能单元及多滞环调节控制策略的有效性,本文基于M AT LAB/Simulink 建立了微网

仿真模型,如图6所示,并对微网的孤岛运行状态进行了仿真。微网仿真模型包括定桨距失速型异步风力发电机、配备励磁调节和转速控制的同步发电机、混合储能单元和负荷等。仿真参数如下:同步发电机容量30kVA,异步风力发电机容量15kVA,混合储能逆变器容量15kVA(蓄电池容量100A &h,额定电压240V;超级电容器电容15F,额定电压360V),负荷有功功率15kW 、无功功率20kvar 。

图6 微网仿真模型

Fig.6 Simulation model of a microgrid

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87!&绿色电力自动化& 张国驹,等 超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用

针对图6所示微网仿真模型的暂态仿真结果如图7

所示。

图7 微网暂态仿真结果

Fig.7 Transient simulation results f or the scene microgrid

从图7的仿真结果可以看出:蓄电池储能由于蓄电池本身的限制,输出功率有限,不能满足微网稳定运行时的功率需求,导致微网电压与频率的大幅波动;采用混合储能时,由于超级电容器的高功率密度特性,大幅度提高了混合储能单元的功率输出能力,有效实现了微网的瞬时功率平衡,提高了微网运行的稳定性。

为了充分验证本文所提出的混合储能系统的有效性,搭建了10kW 的混合储能实验平台,实验参数为:超级电容器电容20F,额定电压270V,内阻0.1 ;蓄电池额定电压120V,内阻0.5 ;双向DC/DC 变换器电感0.5mH ,开关频率10kH z 。

根据式(7)计算可得:

P 0

0.1

=900kW 可见混合储能系统能够稳定运行。

模拟微网运行过程中的状态变化,对混合储能单元的工作过程进行了控制,蓄电池的充放电电流设定为10A 和20A,实验结果如图8所示。

图8中:0s~38s 和463s~500s 时段,微网处于并网运行状态,混合储能单元与微网之间没有能量交换,处于待机状态;38s~463s 时段,微网处于孤岛运行状态。从图8可以看出,微网孤岛运行时,混合储能单元吸收(发出)的功率具有波动性大、峰值功率高的特点;超级电容器能够快速响应微网的功率变化,满足了微网的大部分功率需求;蓄电池则根据直流母线的状态和系统指令以分段恒流的方式充放电,其工作过程与蓄电池单独充放电相比得到

了优化。

图8 混合储能系统应用于微网的实验结果

Fig.8 Experim ental results of the hybrid energy storage

system for the scene microgrid

5 结语

储能对于实现微网内部能量的瞬时平衡、维持微网的稳定运行具有非常重要的作用。鉴于微网运行过程对蓄电池储能的不利影响,本文提出了适用于微网的超级电容器与蓄电池混合储能结构,并采用多滞环调节控制策略,提高了储能的灵活性与实用性。仿真和实验结果表明,本文所提出的混合储能结构能够充分利用超级电容器功率密度高和循环寿命长的优点,在满足微网运行过程中对储能需求的同时,可以实现对蓄电池充放电的灵活控制,优化蓄电池的工作过程,减少充放电循环次数,延长使用寿命,提高储能装置应用于微网的技术经济性。

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72 78.

张国驹(1984!),男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:微型电网的储能技术。E mail:zhangg uoju@mail.iee. https://www.wendangku.net/doc/353422671.html,

唐西胜(1975!),男,博士,副研究员,主要研究方向:电力系统稳定与控制、分布式电力与储能、微型电网。

齐智平(1958!),女,研究员,博士生导师,主要研究方向:分布式电力与储能、微型电网和智能电网。

Application of Hybrid Energy Storage System of Super capacitors and Batteries in a Microgrid

ZH A N G Guoj u,T A N G X isheng,QI Zhip ing

(Chinese A cademy of Sciences,Beijing100190,China)

Abstract:Because o f the uncertainties and significant fluctuat ions o f both po wer g ener atio n and consumption in a micr og rid,the lead acid batter y ener gy stor age sy stem(BESS)endures to o larg e fluctuatio ns in batter y charg e and discharg e currents to maintain the batter y lifetime.T his paper pr esents a hybrid ener g y stor age sy stem co mpo sed of super capacitor s and batteries. T he mat hematical mo del is given and its small sig nal stability criteria is also der ived.Based on the topolog y of the hybrid ener gy sto rag e system,the multi hy st eresis contr ol strateg y is adopted to impro ve the flex ibility and pr act icabilit y o f t he ener gy sto rag https://www.wendangku.net/doc/353422671.html,par ing the hybr id energ y sto rag e system with the BESS,it can be concluded that because of the hig h po wer density of the super ca pacito r and the o pt imized contr ol o f t he bi directional DC/DC convert er,some advantages can be attained.T hese include higher capacity usag e rate and reduction o f maint enance inter rupt ions and o per atio n costs.Both the simulatio n and ex perimental results ver ify the ex cellent perfo rmance o f the pro posed hybr id energ y sto rag e sy stem.

T his wo rk is jo intly suppo rted by the N ational H ig h T echno lo gy Research and Dev elopment P ro gr am of China(863 Pr og ram)(N o.2009A A05Z210),N atio na l N atural Science Foundat ion of China(N o.50777064),and K no w ledg e Inno vation Pr og ram of Chinese A cademy of Sciences.

Key words:m icrog r id;super capacitor;batter y;hy br id ener gy st orag e system;mult i hysteresis contr ol

立足行业鼓励创新面向应用

促进电力工业科技进步

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&绿色电力自动化&张国驹,等超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用

替代蓄电池的超级电容储能模块设计

替代蓄电池的超级电容储能模块设计 引言 电能是当代社会不可或缺的重要资源，而储能设备的优劣直接影响着电力设备的充分应用。近年来随着便携式设备、不间断电源系统以及电动车的大量开发使用，蓄电池的使用量日益增加。可充电蓄电池，特别是铅酸蓄电池凭借其价格低廉、性能稳定、没有记忆功能等卓越特点普遍应用在各行各业。但蓄电池受其先天条件的制约，存在着循环寿命差、高低温性能差、充放电过程敏感、深度放电性能容量恢复困难、环境污染的问题，传统蓄电池已经越来越无法满足人们对储能系统的要求。 超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件，也称为电化学电容。它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力[1，2],单体的容量目前已经做到万法拉级。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。自1957年美国人Becker发表第一篇关于超级电容的专利以来，超级电容的应用范围越来越广:在直流电气化铁路供电、UPS等应用方向进行研究，目前已开发出了50kVA和80kVA的实验样机[3]；利用超级电容器配合蓄电池作为辅助动力源，促进汽车的能源回收，提高能源利用率[4]，并出现了超级电容混合动力汽车[5]。随着超级电容性能的提升，它将有望在小功耗电子设备、新能源利用以及其他一些领域中部分取代传统蓄电池。 本文介绍了一种基于超级电容设计的用以替代12V蓄电池的超级电容模块，通过计算分析得出模块的组合结构、最佳充电电流范围、充电时间以及总的输出能量。该模块具有寿命长，不造成污染，功率和能量密度大等优点，具有很好的开发应用前景。 一、超级电容储能模块的设计 由于超级电容的放电不完全，存在最低工作电压，所以单体超级电容的能量为 ，其中C为超级电容的单体电容量，为单体超级电容充电 完成的电压值。 超级电容器单体储存能量有限且耐压不高，需要通过相应的串连并联方法扩容，扩大超级电容的使用范围。而通过相应的DC-DC芯片可以提高超级电容的最低工作电压。假设超级电容以m个串联，n组并联的方式构成。则每个超级电容的能量输出为 (1) 其中，为芯片的最低启动电压。故超级电容阵列的能量总输出为，为超级电容的总能量。 本文采用SU2400P-0027V-1RA超级电容，具有较高的功率比、能量比和较低的等效串联电阻（ESR（DC）=1mΩ）。为了构成替代12V蓄电池的超级电容模块，我们采用8

超级电容器与电池的优缺点对比

超级电容器比电池更好？ ◆ 超级电容器不同于电池，在某些应用领域，它可能优于电池。有时将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来，不失为一种更好的途径。 ◆ 超级电容器在其额定电压范围内可以被充电至任意电位，且可以完全放出。而电池则受自身化学反应限制工作在较窄的电压范围，如果过放可能造成永久性破坏。 ◆ 超级电容器的荷电状态（SOC）与电压构成简单的函数，而电池的荷电状态则包括多样复杂的换算。 ◆ 超级电容器与其体积相当的传统电容器相比可以存储更多的能量，电池与其体积相当的超级电容器相比可以存储更多的能量。在一些功率决定能量存储器件尺寸的应用中，超级电容器是一种更好的途径。 ◆ 超级电容器可以反复传输能量脉冲而无任何不利影响，相反如果电池反复传输高功率脉冲其寿命大打折扣。 ◆ 超级电容器可以快速充电而电池快速充电则会受到损害。 ◆ 超级电容器可以反复循环数十万次，而电池寿命仅几百个循环。 超级电容与电池拉平差距的机会? 尽管超级电容器的制作成本每年都在以低于10%的比例减少，但这项技术依然不能在运输行业和自然能源采集方面扩大生产规模。相比电池领域，超级电容器的技术过于落后，想要缩小两者在研发方面的差距，首要任务应解决如下问题： ■ 增加超级电容器生产厂商数量，通过市场竞争的手段刺激相关技术的研发; ■ 扩大高比功率超级电容器的生产规模，实现突破百万件的年生产量; ■将超级电容器当前的制造成本降低50%; ■ 拟定一个超级电容器可持续发展战略，主要针对更高效电极材料的探索。 要达到上述目标需要厂商对超级电容器市场有一个逐年上升的投资力度，主要用于在设备的研发和生产两方面。与此同时，政府扩大资金和技术支持也将起到至关重要的作用。 ————鸣曦电子

2016年国内外超级电容行发展现状及未来趋势分析

2016年国内外超级电容行发展现状及未来趋势分析 一、超级电容的定义 超级电容又名电化学电容器，双电层电容器是通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。 二、超级电容有哪些特点 （1）充电速度快，充电几秒-几分钟就可充满； （2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1-50万次，远高于充电电池的充放电使用寿命； （3）功率密度高，可以快速存储释放电荷，可达300W/KG-5000W/KG，相当于电池电量的5-10倍； （4）大电流放电能力强，能量转换效率高，循环过程能量损失小，循环效率≥90%； （5）贮存寿命长，因为充电过程没有化学反应，电极材料相对稳定； （6）低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃，随着温度的降低，锂电池放电性能显著下降；（7）可靠性高。 缺点：成本高，功率密度较高，能量密度低。 法拉（farad），简称“法”，符号是F 1法拉是电容存储1库仑电量时，两极板间电势差是1伏特1F=1C/1V 1库仑是1A电流在1s内输运的电量，即1C=1A·S。 1法拉=1安培·秒/伏特 一个12伏14安时的电瓶放电量=14×3600×1/12=4200法拉（F），图中一个30000F的超级电容的电量相当于7个12伏14安时的电瓶放电量，够大吧。 三、超级电容的种类 按储存电能的机理，超级电容器可分为以下2种：包括双电层电容器和赝电容器。 四、超级电容的用途 超级电容可以广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的应用场景，在工业控制、风光发电、交通工具、智能三表、电动工具、军工等领域具有非常广阔的发展前景，特别是在部分应用领域具有非常大的性能优势。 1、电子设备最早应用：例如我们电脑的内存系统、照相机的闪光灯，音响设备后备存储电源。 2、汽车工业中：插电式混合动力汽车中超级电容主要和电池相配合形成智能启停控制系统。（1）超级电容可以迅速高效地吸收电动汽车制动产生的再生动能； （2）加速和爬坡时超级电容为智能启停控制系统电机提供电能，延长了电池的使用寿命。 3、大尺寸超级电容器可用在火车和地铁的刹车制动系统上，可以节省30%的能量。 4、超级电容轻轨列车 超级电容轻轨列车是一种新型电力机车。2012年8月10日，世界第一列超级电容轻轨列车在湖南省株洲市下线。这种新型电力机车最多能运载320人，不再需要沿途架设高压线，停站30秒钟就能快速充满电。列车充电后能高速驶向相距2公里左右的另一个站点，再上下客并充电，如此周而复始。 5、全球首创超级电容储能式现代电车

超级电容器原理及电特性

超级电容器原理及电特性 Principle & Electric characteristics of Ultra capacitor 辽宁工学院陈永真孟丽囡宁武 Chen Yongzhen Liao Ning Institute of Technology 摘要：叙述了超级电容器的基本结构和工作原理，比较全面地介绍了超级电容器的特点和在特定测试条件下的电特性，分析了如较大的ESR、发热等特殊电特性产生的原因，提出一些注意事项。 关键词：超级电容器 ESR 放电电流 Abstract:Basic structure & principle of ultra-capacitor are described in this paper. The characteristics about ultra-capacitor and electric characteristics in special measuring conditions are also introduced in detail. Some reasons of special electric characteristics are analyzed, such as big ESR and heat, at last some attentions are also put forward. Key words: ultra-capacitor ESR Discharging current 超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，随着它的问世，如何应用好超级电容器，提高电子线路的性能和研发新的电路、电子线路及应用领域是电力电子技术领域的科技工作者的一个热门课题。 1. 级电容器的原理及结构 1.1 超级电容器结构 图一为超级电容器的模型，超级电容器中，多孔化电极采用活性炭粉和活性炭和活性炭纤维，电解液采用有机电解质，如丙烯碳酸脂（propylene carbonate）或高氯酸四乙氨（tetraetry lanmmonium perchlorate）。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成的双电层中聚集的电容量c由下式确定： 其中ε是电解质的介电常数，δ是由电极界面到离子中心的距离，s是电极界 面的表面面积。 由图中可见，其多孔化电极是使用多孔性的活性碳有极大的表面积在电解液中吸 附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一 特性是介于传统的电容器与电池之间。电池相较之间，尽管这能量密度是5%或是更 少，但是这能量的储存方式，也可以应用在传统电池不足之处与短时高峰值电流之中。 这种超级电容器有几点比电池好的特色。 图1超级电容器结构框图 1.2 工作原理 超级电容器是利用双电层原理的电容器，原理示意图如图2。当外加电压加到 超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。 2.3 主要特点 由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点：

电池和超级电容器基础知识

一、电池基础知识 1、一次电池和充电电池有什么区别？ 电池内部的电化学性决定了该类型的电池是否可充，根据它们的电化学成分和电极的结构可知，真正的可充电电池的内部结构之间所发生反应是可逆的。理论上，这种可逆性是不会受循环次数的影响，既然充放电会在电极体积和结构上引起可逆的变化，那么可充电电池的内部设计必须支持这种变化，既然，一次电池仅做一放电，它内结构简单得多且不需要支持这种变化，因此，不可以将一次电池拿来充电，这种做法很危险也很不经济，如果需要反复使用，应有尽有选择真正的循环次数在1000次左右的充电电池，这种电池也可称为一次电池或蓄电池。 2、一次电池和二次电池还有其他的区别吗？ 另一明显的区别就是它们能量和负载能力，以及自放电率，二次电池能量远比一次电池高，然而他们的负载能力相对要小。 3、可充电便携式电池的优缺点是什么？ 充电电池寿命较长，可循环1000次以上，虽然价格比干电池贵，但如果经常使用的话，是比较划算的。充电电池的容量比同规格的碱锰电池或锌碳电池低，比如，他们放电较快。 另一缺点是由于他们几近恒定的放电电压，很难预测放电何时结束。当放电结束时，电池电压会突然降低。假如在照相机上使用，突然电池放完了电，就不得不终止。 但另一方面可充电电池能提供的容量比太部分一次电池高。 但Li-ion电池却可被广泛地用照相器材中，因为它容量高，能量密度大，以及随放电深度的增加而逐渐降低的放电电压。 4、充电电池是怎样实现它的能量转换？ 每种电池都具有电化学转换的能力，即将储存的化学能直接转换成电能，就二次电子（也叫蓄电池）而言（另一术语也称可充电使携式电池），在放电过程中，是将化学能转换成电能；而在充电过程中，又将电能重新转换成化学能。这样的过程根据电化学系统不同，一般可充放电500次以上，而我司产品li-ion可重复充放电1000次以上。Li-ion是一种新型的可充电便携式电池。它的额定电

超级电容器储能技术及其应用

超级电容器储能技术及其应用 摘要：超级电容器是近年发展起来的一种新型储能元件，具有功率密度高、寿命长、无需维护及充放电迅速等特性。叙述了超级电容器的分类、储能原理和性能特点，介绍了超级电容器目前的应用领域及应用中需要关注的问题。 超级电容器，也叫电化学电容器，是20世纪60年代发展起来的一种新型储能元件。1957年，美国的Becker首先提出了可以将电容器用作储能元件，具有接近于电池的能量密度。1962年，标准石油公司(SOHIO)生产了一种工作电压为6V、以碳材料作为电极的电容器。稍后，该技术被转让给NEC电气公司，该公司从1979年开始生产超级电容器，1983年率先推向市场。20世纪80年代以来，利用金属氧化物或氮化物作为电极活性物质的超级电容器，因其具有双电层电容所不具有的若干优点，现已引起广大科研工作者极大兴趣。 1超级电容器的储能原理 超级电容器按储能原理可分为双电层电容器和法拉第准电容器。 1.1双电层电容器的基本原理 双电层电容器的基本原理是利用电极和电解质之间形成的界面双电层来存储能量的一种新型电子元件。当电极和电解液接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用，使固液界面出现稳定的、符号相反的两层电荷，称为界面双电层。这种电容器的储能是通过使电解质溶液进行电化学极化来实现的，并没有产生电化学反应，这种储能过程是可逆的。 1.2法拉第准电容器的基本原理 继双电层电容器后，又发展了法拉第准电容，简称准电容。该电容是在电极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，发生高度的化学吸脱附或氧化还原反应，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，而且包括电解液中离子在电极活性物质中由于氧化还原反应而将电荷储存于电极中。 2超级电容器的特性 超级电容器是介于传统物理电容器和电池之间的一种较佳的储能元件，其巨大的优越性表现为：①功率密度高。超级电容器的内阻很小，而且在电极/溶液界面和电极材料本体内均能实现电荷的快速储存和释放。②充放电循环寿命长。超级电容器在充放电过程中没有发生电化学反应，其循环寿命可达万次以上。③充电时间短。完全充电只需数分钟。④实现高比功率和高比能量输出。⑤储存寿命长。⑥可靠性高。超级电容器工作中没有运动部件，维护工作极少。⑦环境温

超级电容储能模块设计

超级电容储能模块设计 电能是当代社会不可或缺的重要资源，而储能设备的优劣直接影响着电力设备的充分应用。近年来随着便携式设备、不间断电源系统以及电动车的大量开发使用，蓄电池的使用量日益增加。可充电蓄电池，特别是铅酸蓄电池凭借其价格低廉、性能稳定、没有记忆功能等卓越特点普遍应用在各行各业。但蓄电池受其先天条件的制约，存在着循环寿命差、高低温性能差、充放电过程敏感、深度放电性能容量恢复困难、环境污染的问题，传统蓄电池已经越来越无法满足人们对储能系统的要求。 超级电容是近几年才批量生产的一种新型电力储能器件，也称为电化学电容。它既具有静电电容器的高放电功率优势又像电池一样具有较大电荷储存能力[1，2],单体的容量目前已经做到万法拉级。同时，超级电容还具有循环寿命长、功率密度大、充放电速度快、高温性能好、容量配置灵活、环境友好免维护等优点。自1957年美国人Becker发表第一篇关于超级电容的专利以来，超级电容的应用范围越来越广:在直流电气化铁路供电、UPS等应用方向进行研究，目前已开发出了50kVA和80kVA的实验样机[3]；利用超级电容器配合蓄电池作为辅助动力源，促进汽车的能源回收，提高能源利用率[4]，并出现了超级电容混合动力汽车[5]。随着超级电容性能的提升，它将有望在小功耗电子设备、新能源利用以及其他一些领域中部分取代传统蓄电池。 本文介绍了一种基于超级电容设计的用以替代12V蓄电池的超级电容模块，通过计算分析得出模块的组合结构、最佳充电电流范围、充电时间以及总的输出能量。该模块具有寿命长，不造成污染，功率和能量密度大等优点，具有很好的开发应用前景。 一、超级电容储能模块的设计 由于超级电容的放电不完全，存在最低工作电压，所以单体超级电容的能量为 ，其中C为超级电容的单体电容量，为单体超级电容充电完成的电压值。 超级电容器单体储存能量有限且耐压不高，需要通过相应的串连并联方法扩容，扩大超级电容的使用范围。而通过相应的DC-DC芯片可以提高超级电容的最低工作电压。假设超级电容以m个串联，n组并联的方式构成。则每个超级电容的能量输出为

超级电容直流储能系统

第一章前言 1.1课题背景 1.1.1超级电容直流储能系统的发展概况 由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重（尤其是在大、中城市），人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。已经进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究开发，取得了一定的成效。但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。而超级电容器以其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。正因为如此，世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地对超级电容器进行研究与开发。其中美国、日本和俄罗斯等国家不仅在研发生产上走在前面，而且还建立了专门地国家管理机构（如：美国的USABC、日本的SUN、俄罗斯的REVA等），制定国家发展计划，由国家投入巨资和人力，积极推进。就超级电容器技术水平而言，目前俄罗斯走在世界前面，其产品已经进行商业化生产和应用，并被第17届国际电动车年会（EVS—17）评为最先进产品，日本、德国、英国、法国、澳大利亚等国家也在急起直追，目前各国推广应用超级电容器的领域已相当广泛。在我国推广使用超级电容器，能够减少石油消耗，减轻对石油进口的依赖，有利于国家石油安全；有效地解决城市尾气污染和铅酸电池污染问题；有利于解决战车的低温启动问题。目前，国内主要有10余家企业在进行超级电容器的研发。 1.2 超级电容在国内外相关技术发展现状 1.2.1 国外超级电容的生产及发展状况 目前,在超级电容产业化方面，美国、日本、俄罗斯处于领先地位，几乎占据了整个超级电容市场。这些国家的超级电容产品在功率、容量、价格等方面各有自己的特点与优势。 1.2.2 国内超级电容的研究现状 1.2. 3 超级电容的应用研究现状 1.2.3.1 超级电容做混合型电动机车的启动或加速用辅助电源目前，大部分内燃机车、混合动力汽车、电动汽车、车辆低温启动、轨道车辆能量回收、航天航空、电动叉车、起重机 1.2.3.2 超级电容是方便可靠的储能设备超级电容放电速度快、体积小、重量轻，可以为众多电子产品和存储器提供电源或后备电源，同时又可以提供大功率的脉冲电流，可以满足通讯设备对电源的要求。手电筒、直流屏储能系统、应急照明灯储能系统 1.2.3.3 超级电容在电力系统中的应用超级电容在电力系统中的应用主要有以下两个方面： (1)提高供电质量在电力变配电所系统中，变配电设备主要是由直流电源装置直流屏来提供直流电源的。 (2)UPS系统和应急电源为了解决工厂车间因为停电而带来的经济损失，通常的储能设备是用UPS系统。 1.3.3.4 超级电容在军用领域有重要用途卫星等空间飞行器的电源大多是: (1)调节飞行器配电系统的电压电动飞行器配电系统直流线电压是270V，它

384KWH集装箱微网储能技术研究方案

集装箱微网储能技术方案 2018.8.25

方案说明 本方案采用集装箱储能系统方案，该系统具有节约占地的优势。方案采用PCS储能系统构成充放电循环系统结构。系统配置一台100KW PCS负责系统的充放电管理工作，配备309只2V200AH蓄电池，合计储能容量132kwH。系统安装在集装箱内。

一、主要设备技术参数 1.1系统结构图 本系统主要部件包含蓄电池组和储能变流器两部分，通过储能变流器实现能量的储能与输出的调节。 1.1储能变流器 技术参数

直流侧 工作电压范围：500~800V 最大直流功率：110kW 最大直流电流：220A 交流侧 额定功率：100kW 最大交流功率：110kVA 最大交流电流：159A 最大总谐波失真：<3%（额定功率时） 额定电网电压：400V 允许电网电压范围：310~450V 额定电网频率：50Hz/60Hz 允许电网频率范围：45~55Hz/55~65Hz 额定功率因数：>0.99 隔离变压器：具备 功率因数可调范围：0.9（超前）~0.9（滞后） 独立逆变电压范围：400V±3%（三相四线） 独立逆变输出电压失真度：<3%（线性负载） 带不平衡负载能力：100% 独立逆变电压过渡变动范围：10%以内（电阻负载0?100%）效率 最大效率：97.3% 效率 最大效率：97.30% 常规数据 尺寸（宽×高×深）：806×1884×636mm 重量：750kg 运行温度范围：-30~+55℃ 停机自耗电：<40W 冷却方式：温控强制风冷 防护等级：IP21 相对湿度：0~95%，无冷凝 最高海拔：6000m（＞4000m需降额） 显示屏：触摸屏 调度通讯方式：RS485、Ethernet BMS通讯方式：RS485、CAN 通信协议：IEC104/Modbus TCP /Modbus RTU 证书：CGC、TüV

电动汽车中的超级电容

电动汽车中的超级电容 超级电容是一种电化学装置，是介于电池和普通电容之间的过渡部件。其充放电过程高度可逆，可进行高效率（0.85～0.98）的快速（秒级）充放电。其优点还包括比功率高、循环寿命长、免维护等。 以前由于超级电容的比能量过低，放电时间太短，难以应用于汽车领域。随着超级电容技术的迅速发展，目前成为汽车领域研究和应用的新热点。超级电容不仅适合用作汽车发动机起动、动力转向等子系统的辅助能源，而且还可以与电池、燃料电池等结合用作电动汽车的辅助能源，从而提高电池寿命，弥补燃料电池比功率不足，最大限度的回收制动能量等。总之，其在汽车领域有十分广阔的应用前景。 超级电容的原理与分类 准确的说，超级电容应该叫做电化学电容器（Electrochemical Capacitor）。它能提供比电解电容器更高的比能量，比电池更高的比功率和更长的寿命。 根据使用电极材料的不同可以把超级电容分为三类： 1、使用碳电极的双电层电容器(Double Layer Capacitor，DLC)如图1所示，可以把双电层超级电容看成是悬在电解质中的两个非活性多孔板，电压加载到两个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子。从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。 图1 双电层超级电容器 DLC本质上是一种静电型能量储存方式。所以双电层电容的大小与电极电位和比表面积的大小有关，因而常常使用高比表面积的活性碳作为双电层电容器的电极材料，从而增加电容量。例如，活性碳在经过特定的化学处理后，表面积可以达到1000m2/g，从而使单位重量的电容量可达100F/g，并且电容的内阻还能保持在很低的水平。碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。该类超级电容在汽车上应用也最为广泛。 2、使用金属氧化物电极的超级电容器，原来是指贵金属氧化物RuO2 、IrO2 作为电极的电容器。通过发生可逆的氧化/还原反应，使电荷在两个电极上发生转移的同时产生吸附电容。它与双电层电容的机理不同，称为法拉第赝电容(Faradaic pseudocapacitance)。与双电层电容器的静电容量相比，相同表面积下超电容器的容量要大10～100倍，因此可以制成体积非常小、容量大的电容器。但由于贵金属的价格高，主

超级电容器的研究进展

超级电容器的研究进展

超级电容器的研究进展 摘要：超级电容器是一种新型储能装置，它具有功率密度高、充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。近年来，各种新兴材料 的发展，为超级电容器电极材料的选取提供了更多的选择条件，促进了超级电 容器的快速发展。本文总结了超级电容器的特点，重点介绍了超级电容器的工 作原理、分类以及超级电容器的材料。并简要展望了超级电容器电极材料的发 展方向和前景。 关键词：超级电容器碳电极贵金属氧化物导电聚合物 Abstract: Super capacitor is a new type of energy storage device. It has the characteristics of high power density, short charging time, long service life, good temperature characteristics, energy saving and green environmental protection. In recent years, the development of a variety of new materials, for the selection of the super capacitor electrode materials to provide more options to promote the rapid development of the super capacitor. This paper summarizes the characteristics of the super capacitor, and introduces the working principle of the super capacitor, classification and the material of the super capacitor. And briefly discussed the developing direction of super capacitor electrode materials and prospect. Key words: Super capacitor Carbon electrode Precious metal oxide Conducting polymer 一、引言 超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹（1821～1894）提出的界面双 电层理论基础上的一种全新的电容器，又叫电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC)、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电

【CN209767213U】超级电容储能系统及基于超级电容储能系统电源管理系统【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920484704.9 (22)申请日 2019.04.11 (73)专利权人 国网浙江余姚市供电有限公司 地址 315400 浙江省宁波市余姚市体育场 路145号 专利权人 国网浙江省电力有限公司宁波供 电公司 (72)发明人 严文杰　施立　黄永钦　刘文建　 朱振洪　 (74)专利代理机构 杭州华鼎知识产权代理事务 所(普通合伙) 33217 代理人 项军 (51)Int.Cl. H02J 7/34(2006.01) H02J 7/00(2006.01) (54)实用新型名称 超级电容储能系统及基于超级电容储能系 统电源管理系统 (57)摘要 本实用新型涉及电源领域，尤其涉及超级电 容储能系统及基于超级电容储能系统电源管理 系统，包括若干个串联连接的超级电容器单元， 该系统还包括：连接在电源输出端的恒流限压充 电电路；若干个分别与各超级电容器单元连接的 输入电压均衡电路，所述输入电压均衡电路的输 入端连接恒流限压充电电路的输出端；以及一端 与各超级电容器单元输出端连接，另一端与负载 连接的的动态柔性输出电路。本实用新型在原有 串联超级电容器单元的基础增加恒流限压充电 电路、输入电压均衡电路、动态柔性输出电路以 及过压保护电路，以实现对各超级电容器单元进 行恒流恒压充电、各超级电容器单元两端的电压 达到均衡、 动态柔性均压输出以及过压保护。权利要求书2页 说明书7页 附图4页CN 209767213 U 2019.12.10 C N 209767213 U

超级电容器跟锂电池区别

超级电容器（Supercapacitors，ultracapacitor），又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors)，双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。 突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。 锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生，使用以下反应： Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应，放电。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展，现在锂电池已经成为了主流。

本质来说，超级电容器（双电层）是电容器。储能少。锂电是化学电池。储能多。超级电容具有大功率密度，锂离子电池具有大能量密度。 超级电容器与锂电池相同点都可以贮存能量，不同点是超级电容量瞬间充电瞬间放电。 超级电容器充放电都是物理过程，锂电池是化学过程。 越级电容的最大优势在瞬时大电流上，而电池的优势在适当电流的持续释放上，所以二者可以互补使用，例如在电动车的使用方面最佳方案就是结合使用的，电容主要用于启动时的瞬态高流。 超容的优势在于其储能过程是一个物理过程，功率密度大，电池在于其持续的放电能力，能量密度远大于超容。 超级电容器，分为双电层电容器和不对称的赝电容：双电层电容器的正负极都使用活性炭作为电极材料，利用起超大的比表面积来储存电荷，是一种物理过程;不对称的正极使用的是氧化物，利用氧化还原来储存电荷，负极和上述双电层电容器一样。锂离锂电池，正极材料氧化还原，负极是锂离子的嵌入和脱出。 超级电容器不同于电池，在某些应用领域，它可能优于电池。有时将两者结合起来，将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来，不失为一种更好的途径。

超级电容选用计算

二、超级电容的主要特点、优缺点 尽管超级电容器能量密度是蓄电池的5%或是更少，但是这种能量的储存方式可以应用在传统蓄电池不足之处与短时高峰值电流之中。相比电池来说,这种超级电容器有以下几点优势： 1.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极，与电解液接触的面积大大增加,根据电容量的计算公式,两极板的 表面积越大,则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过1F,它的出现使普通电容器的容量围骤然跃升了3～4个数量级，目前单体超级电容器的最大电容量可达5000F。 2.充放电寿命很长，可达500000次,或90000小时，而蓄电池的充放电寿命很难超过1000次;可以提供很高的放电电流，如2700F的超级电容器额定放电电流不低于950A,放电峰值电流可达1680A，一般蓄电池通常不能有如此高的放电电流，一些高放电电流的蓄电池在如 此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。 3.可以数十秒到数分钟快速充电，而蓄电池在如此短的时间充满电将是极危险的或是几乎不可能。 4.可以在很宽的温度围正常工作（-40℃～+70℃），而蓄电池很难在高温特别是低温环境下工作;超级电容器用的材料是安全和无毒的,而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池均具有毒性;而且,超级电容器可以任意并联使用来增加电容量,如采取均压措施后,还可以串联使用。 因此，可以用简短的词语总结出超级电容的优点： ● 在很小的体积下达到法拉级的电容量； ● 无须特别的充电电路和控制放电电路 ● 和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响； ● 从环保的角度考虑，它是一种绿色能源； ● 超级电容器可焊接，因而不存在象电池接触不牢固等问题。 缺点：

新能源储能系统及智能微网解决方案

新能源储能系统及智能微网解决方案1概述（略） 用电量统计： 应急用电部分： 大陆机电机房：总功率数为36kw，应急时间暂无统计，可按一般水平计算。 2项目具体设计 光伏系统 已建成140KW光伏电站，基本自发自用，只有周末用电量不大时，有余电上网。 3.3.1双向储能逆变器 根据现场实际需求，南楼北楼每天实时用电量为每小时最大300KWH，最小150KWH，应急36KW负荷，建议南北楼各增加一套储能系统，功率在100KW，系统选用双向储能逆变器三相100KW。 3.3.2储能蓄电池 按照数据统计计算，每月7万度电，最少每天用电量在2000KWH以上，光伏每天提供500KWH，建议储能系统蓄电池总共储能1000KWH，直流电压按照500V 设计，需要单体电池2V1000AH，共需要500只。（这个蓄电池容量可根据投资来设计）南楼500KWH蓄电池，北楼500KWH蓄电池，每个楼蓄电池数量2V1000AH,250只。 3.3.6交流配电柜 36KW负荷整体系统需要配置一套50KW的交流配电柜，用于应急系统馈线管理。 3.5 双向储能逆变器性能特点 1、专为智能电网、智能微网设计，接受电网调度； 2、可满足铅酸蓄电池、锂电、超级电容、钒电池等不同储能形式的接入，适用范围广；

3、双向逆变，恒功率充放电、恒流充放电、恒压充放电等多种电池充放电模式可选， 4、具有时间段工作模式设定功能，根据当地电网特点设置合理的工作方式； 5、具有市电接口和负载接口两路交流接口，实现并网运行及独立孤网运行； 6、完善的孤岛检测及并离网模式切换，当市电突然断电时，储能逆变器可自动无缝切换到离网工作模式，与大电网脱离，建立微电网独立运行； 7、RS485、以太网、CAN总线等多种通讯接口可选，实现远程监控； 8.选配智能电网主控系统，可与光伏并网逆变器、风力并网系统、潮汐发电系统、柴油发电机等多种能源方式实现互联，组成混合能源智能电网，可实现多种组网方式； 四、系统设备清单

城轨列车超级电容储能系统仿真分析

城轨列车超级电容储能系统仿真分析 【摘要】本文针对城市轨道交通中再生制动能量吸收系统展开了研究。文中主要探讨了超级电容储能系统的控制策略，针对系统的储能模式进行了建模与仿真，定性分析了仿真结果，提出了安全可靠的控制策略，对城轨列车超级电容储能系统的实际应用具有一定的指导和借鉴意义。 【关键词】超级电容；再生制动能量；能量管理 Abstract：In this paper，the charging and discharging control strategies of the super capacitor energy storage system has been discussed.First，through the super capacitor energy storage system for analysis，the corresponding mathematical models，and propose a super capacitor charging and discharging control strategy.Secondly，the paper has simulated the V oltage change of the grid by Matlab/Simulink simulation platform and super capacitor energy storage system which provides a theoretical guidance and application basis for the practical engineering. Key Words：Ultra-Capacitor；Regenerating energy；Energy management 1.引言 在全球倡导节约能源、保护环境的今天，轨道交通节能、环保的优点越来越受到人们的重视，大力发展城市轨道交通已成为世界各国的共识。城市轨道交通由于其运输量大，启、制动频繁，采用再生制动方式的电制动，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更加突出。同时，使用再生制动方式，列车产生的再生能量全部回馈到直流母线并供给同一供电区间内的其他车辆使用，节能的同时，也进一步降低了车辆运行的维护工作量，提高了车辆的运行可靠性[1]。 再生制动能量吸收装置主要由电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型等几种方案[2]。超级电容具有充放电速度快、功率密度高、工作温度范围宽、环保无污染、使用寿命长等优点，非常适合应用于城市轨道列车再生制动能量的吸收装置中。 2.超级电容储能系统 本文以城市轨道交通再生制动地面式超级电容储能系统（Ultra-Capacitor Energy Storage System）为研究对象。其基本结构如图1所示[3]。主要由两部分组成：一是超级电容器组；二是能量变换装置双向DC-DC变换器。当地面式超级电容器组附近有列车制动或减速时，直流电网电压升高，经双向DC-DC变换器，超级电容器组吸收再生制动电能；当附近有列车启动或加速时，直流电网电压下降，超级电容器组释放存储的能量，经双向DC-DC变换器提供给列车使用。

超级电容器的发展与应用

常州信息职业技术学院 学生毕业设计（论文）报告 系别：电子与电气工程学院 专业：微电子技术 班号：微电071 学生姓名：徐天云 学生学号：0706033131 设计（论文）题目：超级电容器的发展与应用指导教师：刘民建 设计地点：常州信息职业技术学院起迄日期：2009.7.1—2009.8.20

毕业设计（论文）任务书 专业微电子信技术班级微电071姓名徐天云 一、课题名称：超级电容器的发展与应用 二、主要技术指标：额定容量、额定电压、额定电流、最大存储能量、能量密度、功率密度、使用寿命、循环寿命、等效串联电阻、漏电流等技术指标 三、工作内容和要求：本文先从普通电容器入手，进而引出超级电容器的产生。从而以此为基础，阐释了超级电容器的构造、定义、以及工作原理。接着从超级电容器的性能技术介绍其使用特点和注意事项，然后又介绍了超级电容器的发展与现状以及其在生产生活中的应用。最后还进行其以后发展的广阔前景。 四、主要参考文献：[1]夏熙、刘洪涛，一种正在发展的储能装置—超电容器（2）[J]电池工业，2004，9（4）：181-188； [2]钟海云，李荐，戴艳阳，等，新型能源器件—超级电容器研究发展最新动态[J]电源技术，2004，25（5）：367-370； [3]薛洪发，超大容器器在铁路运输生产中的应用[J]中国铁路2000（5）：52.。 学生（签名）2009年6 月26 日 指导教师（签名）2009年6 月26 日 教研室主任（签名）2009年6 月27 日 系主任（签名）2009年6 月28 日

毕业设计（论文）开题报告 设计（论文）题目 一、选题的背景和意义： 超级电容器发展始于20世纪60年代，起先被认为是一种低功率、低能量、长使用寿命的器件。但到了20世纪90年代，由于混合电动汽车的兴起，超级电容器才受到广泛的关注并迅速发展起来。现今，大功率的超级电容器被视为一种大功率物理二次电源，各发达国家都把对超级电容器的研究列为国家重点战略研究项目。目前，超级电容器在电力系统中的应用越来越受到关注。此外，超级电容器还活跃在电动汽车、消费类电子电源、军事、工业等高峰值功率场合。 二、课题研究的主要内容： 主要介绍了超级电容器的构造、定义以及其工作原理，还阐释了超级电容器的特点和使用注意事项，以及超级电容器的发展与现状。最后介绍了超级电容器在生产生活中的应用。 三、主要研究（设计）方法论述： 通过查阅书籍了解超级电容器的基本概念等信息，结合以前所学的电子专业知识认真研究课题。借助强大的网络功能，借鉴前人的研究成果更好的帮助自己更好地理解所需掌握的内容。通过与老师与同学的讨论研究，及时地发现问题反复地检查修改最终完成

超级电容器储能

表4.4 锂电池技术参数表 由表4.4可见，LiB 1在额定电压、能量密度、充放电倍率的技术参数上均优于其他2种锂离子电池，除此之外，LiB 1锂离子电池属于角型叠层式电池、基于印刷技术的集成式电极、铝基外壳激光焊接、具有纵向层叠、横向传热、寿命长、自动化生产工艺路线成熟、电池一致性好，热应力小。最重要是在电池中已内嵌入单体电池管理单元，能有效防止电池串联成组出现的许多技术问题。除此之外，考虑到本项目为国家风储一体化示范项目，对储能电池性能要求较高，因此本项目推荐采用LiB 1锂离子电池作为储能电池。 表5.5 仿真计算结果对比表

本项目希望风电场1min和10min出力变化遵守率均能达到90%以上，从表5.5可以看出，储能系统功率为6.5MW，搭载锂离子电池容量为1.63MWh时可以满足要求。 图5.1是锂离子电池运行容量推移图，从图中可以看出，随着时间的推移，电池容量逐渐减小，因此在初期配置电池容量时，因考虑此种因素，初期配置电池容量应该大于设计容量。考虑到风电场20年运行期，初期搭载电池的容量为计算容量的163%，即2.65MWh。 除此之外，6.5MW/2.65MWh储能系统还可以使风电场的上网电能品质满足《风电场接入电网技术规定》和《风电场功率预测预报管理暂行办法》的部分要求。 整个系统由6套1MW和1套0.5MW储能模块组成，每1MW通过一台升压变压器与风电场35kV母线相连，共需要6台35kV /1000kVA变压器、1台35kV /500kVA变压器及相应的配电装置。 1MW模块技术参数 （1）额定容量：1MW(15分钟) （2）搭载电池容量：408kWh（8块电池串成1组，23组串成1串，12串并联） （3）额定电压：AC 300V (三相) （4）系统效率：大于90% （5）周围温度：-30～+40℃ （6）海拔：约1500m （7）主要设备 ①PCS（Power Conditioning System）：2台