微電網(wǎng)的自由轉換橋梁：超級電容器

超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當能量緊急缺乏或需要時。再將存儲的能量通過控制單元釋放出來，準確快速補償系統(tǒng)所需的有功和無功，從而實現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制。超級電容器本身的優(yōu)點使得它在應用于分布式發(fā)電時，在與其它儲能方式的互相競爭中勝出。

什么是超級電容

超級電容器(supercapacitor)，又叫雙電層電容器(ElectricalDouble—LayerCapacitor)、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能元件。其容量可達幾百至上萬法。功率是電池的l0倍以上，儲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、無污染、零排放等特點。

超級電容器儲能系統(tǒng)的基本結構如圖1所示。超級電容器多為雙電層結構，其活性炭電極和電解質之間是空間分布式結構，可用多個電容器的串并聯(lián)描述超級電容器的特性。

在超級電容器組充放電過程中，端電壓范圍變化大，通常必須采用DC/DC變換器作為接口電路來調節(jié)超級電容器的儲能和釋能。DC/AC變換器可采用雙向DC/AC逆變器，或者采用AC/DC整流器及DC/AC逆變器。超級電容器儲能系統(tǒng)并聯(lián)在微電網(wǎng)中母線或者饋線上。

超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當能量緊急缺乏或需要時。再將存儲的能量通過控制單元釋放出來，準確快速補償系統(tǒng)所需的有功和無功，從而實現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制。超級電容器本身的優(yōu)點使得它在應用于分布式發(fā)電時，在與其它儲能方式的互相競爭中勝出。

超級電容器分類介紹

一般認為超級電容器包括雙電層電容器和電化學電容器兩大類。

(1)雙電層電容器

雙電層電容器是通過電極與電解質之間形成的界面雙層來存儲能量的新型元器件，當電極與電解液接觸時，由于庫侖力、分子間力、原子間力的作用，使固液界面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號相反的雙層電荷，稱為界面雙層。

雙電層電容器使用的電極材料多為多孔碳材料，有活性炭(活性炭粉末、活性炭纖維)、碳氣凝膠、碳納米管。雙電層電容器的容量大小與電極材料的孔隙率有關。通常，孔隙率越高，電極材料的比表面積越大，雙電層電容也越大。但不是孔隙率越高，電容器的容量越大。保持電極材料孔徑大小在2-50nm之間提高孔隙率才能提高材料的有效比表面積，從而提高電容。

(2)贗電容器原理

贗電容，也叫法拉第準電容，是在電極材料表面或體相的二維或準二維空間上，電活性物質進行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。由于反應在整個體相中進行，因而這種體系可實現(xiàn)的最大電容值比較大，如吸附型準電容為2000×10-6F/cm2。對氧化還原型電容器而言，可實現(xiàn)的最大容量值則非常大，而碳材料的比容通常被認為是20×10-6F/cm2，因而在相同的體積或重量的情況下，贗電容器的容量是雙電層電容器容量的10-100倍。

目前贗電容電極材料主要為一些金屬氧化物和導電聚合物。金屬氧化物超級電容器所用的電極材料主要是一些過渡金屬氧化物，如：MnO2、V2O5、RuO2、IrO2、NiO、WO3、PbO2和Co3O4等金屬氧化物作為超級電容器電極材料，研究最為成功的是RuO2，在H2SO4電解液中其比容能達到700-760F/g。但RuO2稀有的資源及高昂的價格限制了它的應用。研究人員希望能從MnO2及NiO等金屬氧化物中找到電化學性能優(yōu)越的電極材料以代替RuO2。

用導電聚合物作為超級電容器的電極材料是近年來發(fā)展起來的。聚合物產品具有良好的電子電導率，其典型的數(shù)值為1-100S/cm。一般將共軛聚合物的電導性與摻雜半導體進行比較，采用術語“p摻雜” 和“n摻雜”分別用于描述電化學氧化和還原的結果。導電聚合物借助于電化學氧化和還原反應在電子共軛聚合物鏈上引入正電荷和負電荷中心，正、負電荷中心的充電程度取決于電極電勢[9]。導電聚合物也是通過法拉第過程大量存儲能量。目前僅有有限的導電聚合物可以在較高的還原電位下穩(wěn)定地進行電化學n型摻雜，如聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩等?，F(xiàn)階段的研究工作主要集中在尋找具有優(yōu)良的摻雜性能的導電聚合物，提高聚合物電極的充放電性能、循環(huán)壽命和熱穩(wěn)定性等方面。

超級電容器的組成方式

常見的超級電容器有三種組成方式：串聯(lián)方式、并聯(lián)方式和串并混聯(lián)方式。串聯(lián)方式的超級電容器組件：由于超級電容器的單體工作電壓不高，不能覆蓋應用工況的電壓需求范圍，需要將多個單體串聯(lián)來滿足應用工況的電壓要求，但因單體電容器之間的固有差異，作用在串聯(lián)組件上的總電壓并不能均衡地分配給不同的電容器，它會導致電壓分配的不對稱。

并聯(lián)方式的超級電容：以并聯(lián)方式建構的超級電容器組件可以輸出或接受很大的電流。在充電過程中，由串聯(lián)充電電阻保證單體之間的電壓分布，但超級電容器本身固有的充電電阻是一個動態(tài)的量，具有一定的分散性，使得調整電阻變化的控制電路極其復雜，難以實現(xiàn)逐點控制;在放電過程中，控制放電電阻，可獲得很高的輸出功率，但為了避免放電電流過大，保證許可的輸出功率，要適當控制組件的貯能量。