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发布时间：2024-02-29 13:54:48 来源：zoty中欧体育全站 作者：中欧体育app下载官网
超级电容是一种介于传统电容和蓄电池之间的新型储能器件，其既具有电容器快速充放电的特性，又具备电池的储能特性。超级电容器的电容量达到法拉级别，是传统电容器的数百甚至上百万倍；同时超级电容器继承了传统电容器高功率密度、充放电时间短、宽温度范围、寿命长等优点，可反复循环使用，与其他储能技术相比效率更高、更环保，符合新能源的发展趋势。
超级电容最早是由通用电气在1957年发明的，但当时并没有得到商业化的应用。1966年，标准石油公司在钻井时偶然发现了双层电子电容。然而直到19世纪70年代末期，超级电容才被日本NEC公司首次商用化应用在电脑上，作为内存的备用电源。1990年，俄罗斯ECOND公司开始将超级电容用于柴油火车上作为发动机引擎，拓展了超级电容的使用范围。
电容和电池都是用于储能的，但是电池是通过化学反应来储存和释放能量，它包括正极和负极，当中充斥着电解液，并通过一个微穿孔分隔层隔开，只允许离子通过。当电池充放电的时候，离子在两块金属板之间进行不同方向的位移，在这个移动的过程中，电池热量上升、膨胀、最后收缩，这种化学反应不断减少了电池的寿命。电池的一个优点在于它有非常高的能量密度，因此可以存储大量的能量。
但电容不同，它不依赖于化学反应，因此它是以静电电荷的形式来存储能量。电容内的两块金属板之间安置了一个电介质，或叫绝缘体来分隔正负极区域所形成的正电荷和负电荷。正是这种结构使得其可以存储并迅速地释放能量，也就是静电电荷。它的一个优点是，假如一个3V的电容，在放置了15-20年之后，仍然具有3V的电压。而电池的电压却会逐年衰减。另外一个优点是，电容拥有比电池更高的能量输出能力，所以它能在短时内迅速地充放电。但缺点是，它们的能量密度非常低，因此，比较适合用于瞬时供电。
而超级电容则弥补了电池和电容的缺点。首先，超级电容中电介质的两侧充斥的是电解液，通电时电介质两侧聚集离子，形成双层电子结构。两个金属板之间的距离决定了超级电容的性能比普通电容、甚至电池更优。普通电容中，两个金属板之间的距离约为10-100微米，而超级电容中两个金属板的距离为一万分之一微米。距离的缩小意味着更大的电场，也就意味着更多的能量存储空间。同时，超级电容中金属板的碳涂层又增加了能量存储所需的表面积达10万倍，因此，和普通电容相比，所能存储的能量大大增加。
电池以长时间恒定的化学反应来提供电能，充电时间相对较长，对充电电流的特性要求比较苛刻。相反，电容的充电是通过加载在其两端的电压来完成的，充电速度在很大程度上取决于外部电阻。电池能够在较长一段时间内以基本恒定的电压输出电能。而电容的放电速度很快，输出电压呈指数规律衰减。
电池只能够在有限的充/放电次数内保持良好的工作状态，充/放电的次数取决于它们放电的程度。电容，尤其是超电容，可以反复充/放电达数千万次。(这也是超电容不同于电解化学的一个重要方面——它们不像电解化学的工作过程那样具有电极板充放电次数的限制。)
电池与电容的很多差异可以用Ragone图来形象地说明(如图2所示)。由于是双对数坐标图，放电时间可以表示为直线对角参数。
超级电容主要用于需要快速充放电循环的场景，而不是需要长期紧凑能量存储的场景，比如在汽车、公交车、有轨列车、起重机、电梯上，主要用于制动能量回收、短期能量存储以及突发情况下的电力传输。小一些的单体主要用于静态随机存储（SRAM）的电源备份。
汽车与风电是超级电容器的两大主要应用领域。汽车方面主要是有轨电车、电动汽车、混动汽车领域；在有轨电车行驶过程中，超级电容器可吸收列车制动产生的能量，避免大量电能的浪费，最多可回收80%的能量，能量利用效率高。超级电容器在电动车与混动车的启停系统中也能起到关键作用。
在电力领域，超级电容器主要作为馈线终端设备FTU 后备电源，或在微电网及公用电网内提供电压、频率和功率稳定化服务，以及在风光发电领域用于为变桨系统提供动力、平抑短期功率波动等服务。
线路有电时，DC/DC 电源模块为FTU 提供工作电源。当线路失电时，超级电容作为FTU 的后备电源，同时也为开关设备的电动分闸机构提供分闸电源。
用于调整微电网功率，以及提供微电网功率支撑。超级电容可以在负荷低落时储存电源的多余电能，而在负荷高峰时回馈给微电网以调整功率需求。针对系统故障引发的瞬时停电，电压骤升骤降等问题，利用超级电容提供快速功率缓冲，稳定、平滑电网电压波动。风力或太阳能发电构建的微电网非常需要超级电容作为稳定系统。
微电网通常由清洁和可再生能源供电。然而，大部分能源的产生并不是全天持续的，通常与需求不匹配。超级电容器可用于微电网储能，在需求高、电能瞬时下降时瞬间注入电能，在反向条件下进行储能。它们在这种情况下是有用的，因为微电网越来越多地产生直流电力，电容器可以在直流和交流应用中使用。超级电容器与化学电池配合使用效果最佳。由于其高充放电率，它们通过主动控制系统提供了一个即时的电压缓冲器，以补偿快速变化的电力负载。一旦电压被缓冲，它通过逆变器向电网提供交流电源。值得注意的是，超级电容器不能在交流电网中直接以这种形式提供频率校正。
当并网运行时，微电网内的功率波动由大电网进行平衡，此时储能处于充电备用状态。当微电网由并网运行切换到孤网运行时，中央储能立即启动，弥补功率缺额。微电网孤网运行时负荷的波动或者微电源的波动则可以由中央储能或者分布式储能平衡。其中，微电源的功率波动有两种平衡方式，将分布式储能和需要储能的微电源并联接在某馈线上，或者将储能直接接入该微电源的直流母线上。储能在微电网中发生作用的形式有:接在微电源的直流母线上、包含重要负荷的馈线上或者微电网的交流母线上。其中，前两种可称为分布式储能，最后一种叫做中央储能。在超级电容电池组充放电过程中，端电压范围变化大，通常必须采用DC / DC变换器作为接口电路来调节超级电容电池的储能和释能。DC / AC变换器可采用双向DC / AC逆变器，或者采用AC / DC整流器及DC / AC逆变器。超级电容器储能系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制单元释放出来，准确快速补偿系统所需的有功和无功，从而实现电能的平衡与稳定控制。
超级电容因其具有能在短时间内提供大功率的优点，使得其在作为分布式能源的储能系统上发挥出了优势。文献介绍了一种基于超级电容储能的风电场功率调节系统，该系统的特点是在风电场输出母线配置PCS，并将超级电容器组成容量较大的电容器组作为储能装置并联于PCS直流侧。通过变流器的控制，超级电容可以抑制风电场的有功波动，同时能调节无功从而稳定并网电压，提高风电场的电能质量。文献[10]对超级电容和蓄电池的混合储能在独立式光伏系统中的应用进行了实验研究，结果表明，太阳电池在外界环境波动较大的情况下，混合系统的功率输出平稳，且蓄电池仍能稳定充电，提高了系统的利用率，减小了蓄电池的循环次数，提高了蓄电池的使用寿命。
（2）提高储能装置的功率输出能力，降低内部损耗，增加放电时间，延长蓄电池使用寿命，缩小储能装置体积。提高供电系统的可靠性和经济性。
从蓄电池和超级电容器的特点来看，两者在技术性能上有很强的互补性。将超级电容器与蓄电池混合使用，将大大提高储能装置的性能。超级电容器与蓄电池并联，可以提高混合储能装置的功率输出能力、降低内部损耗、增加放电时间；可以减少蓄电池的充放电循环次数，延长使用寿命；还可以缩小储能装置的体积、改善供电系统的可靠性和经济性。
风力发电变桨用超级电容器的基本工作原理为，平时由风机产生的电能输入充电机，充电机为超级电容器充电。当需要为风力发电机组变桨时，超级电容器储能系统放电，驱动变桨系统工作。风力发电系统的投资加大将有望带动超级电容发展。目前风力发电主要的储能系统有蓄电池和超级电容器两种方案。蓄电池方案的不足体现在充放电特性不好，充电时间长，充电、放电电流不能太大；维护成本大，低温特性不好，循环寿命短，可靠性不强。超级电容器方案具有高效率、大电流放电、宽电压范围、宽温度范围、长循环寿命、免维护的优点，因此极为适合在风力发电机组这样的工况环境中工作。
根据中国电源行业协会发布的《2018 年储能产业应用研究报告》，截至2017 年底，全球投运的超级电容器项目规模约31.9MW，主要分布在美国、韩国和中国。应用场景统计分析，超级电容器储能电站主要参与电网调频辅助服务和输电支持，两者占超级电容器储能规模的100%和75%。中国超级电容器储能规模项目装机规模约4.9MW，整体规模较小。
目前光伏储能用的逆变器大部分是使用薄膜电容器设计方案，超级电容微储能装置可快速功率响应、主动抑制电网谐波、灵活调节无功、提高供电可靠性，助力电网运行更加安全可靠。
基于APF(Active Power Filter，电力有源滤波器)拓扑的电能质量调节器，其原理是在直流侧并联超级电容，利用其快速充放电性能达到补偿负荷的功率波动和电压波动的作用;
近年来，由于大量含有电力电子装置的非线性负载接入电网而导致了电网谐波水平逐年升高的问题和由交直流电弧炉、电弧焊机、工业轧机、绞车、电力牵引机车等大容量冲击性负荷的启动引起的电压暂降问题等负荷电能质量问题越来越受到人们的重视。提出了负荷质量调节器(Unified Load Quality Conditioner，ULQC)的概念，该调节器的主电路以并联型APF拓扑为基础，在直流母线上放置超级电容作为储能装置，并设计双管升降压斩波电路来控制超级电容，利用超级电容容量大充放电速度快的特点调节器能够快速平抑负荷的波动功率或突变功率，从而改善负荷的品质，到达提高电能质量的效果。
超级电容器可以作为阻尼器来稳定电力线的电压波动。风能和光伏系统的供应波动是由飓风或云引起的，超级电容器可以在几毫秒内缓冲。
1）航空。2005年，航空航天系统和控制公司Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH选择超级电容器为包括空客380在内的客机的门和疏散滑梯的应急执行机构提供动力。
2）军事。超级电容器的低内阻支持需要短期大电流的应用。最早的用途是用于坦克和潜艇中的大型发动机的电机启动(冷启动发动机，特别是柴油发动机)。超级电容缓冲电池，处理短电流峰值，减少循环和延长电池寿命。进一步需要高比功率的军事应用包括相控阵雷达天线、激光电源、军用无线电通信、航空电子显示器和仪器仪表、安全气囊部署和gps导航的备用电源。
3）汽车。丰田的Yaris Hybrid-R概念车使用超级电容器来提供阵阵动力。标致雪铁龙(PSA Peugeot) Citroën已经开始使用超级电容器作为其启停节油系统的一部分，该系统可以实现更快的初始加速。[113]的i-ELOOP系统在减速时将能量储存在超级电容器中，当发动机被启停系统停止时，该系统公共汽车/有轨电车[编辑] 麦克斯韦科技，一家美国超级电容器制造商，声称超过2万辆混合动力公共汽车使用这种设备来增加加速度，特别是在中国。广州,2014年,中国开始使用有轨电车供电与超级电容器充电的设备定位之间的rails 30秒,储存电力有轨电车运行长达4公里,足以到达下一站,在哪里可以重复循环。CAF还以ACR系统的形式为Urbos 3有轨电车提供超级电容器。
在启停系统中，汽车发动机多次启停，会大大缩短启停系统的电池寿命。如果配备一个小型的超级电容用以消除电池自身的功耗，可以减缓电池的衰老，同时有利于车辆节省油。
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