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1. 超級電容器
超級電容也稱為電化學電容， 它具有優(yōu)良的脈沖充放電和大容量儲能性能， 單體的容量目前已經(jīng)做到萬法拉級， 是一種介于靜電電容器與電池之間的新型儲能元件。 超級電容最大充放電性能由活性物質(zhì)表面的離子取向和電荷轉(zhuǎn)移速度控制， 因此可在短時間內(nèi)進行電荷轉(zhuǎn)移， 得到很高的放電比功率； 同時， 由于電極上沒有發(fā)生決定反應速度與限制電極壽命的活性物質(zhì)的相應變化， 因此它具有很好的循環(huán)壽命。與電池相比， 超級電容具有許多電池無法比擬的優(yōu)點。
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1） 具有非常高的功率密度。 超級電容器的功率密度可為電池的 10～ 100 倍， 可達到 10 kW/kg 左右， 可以在短時間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流。這個特點使得超級電容器非常適合用于短時間高功率輸出的場合。
2） 充電速度快。 超級電容器充電是雙電層充放電的物理過程或電極物質(zhì)表面的快速、 可逆的電化學過程， 可以采用大電流充電， 能在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過程， 是真正意義上的快速充電。 而蓄電池則需要數(shù)小時完成充電， 即使采用快速充電也需幾十分鐘。
3） 使用壽命長。 超級電容器充放電過程中發(fā)生的電化學反應具有很好的可逆性， 不易出現(xiàn)類似電池中活性物質(zhì)那樣的晶型轉(zhuǎn)變、 脫落、 枝晶穿透隔膜等引起的壽命終止的現(xiàn)象， 碳基電容器的理論循環(huán)壽命為無窮， 實際可達 100 000 次以上， 比電池高 10～ 100 倍。
4） 低溫性能優(yōu)越。 超級電容器充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進行,所以容量隨溫度的衰減非常小。 電池在低溫下容量衰減幅度卻可高達 70%。由于風力發(fā)電導致的電能質(zhì)量問題往往具有持續(xù)時間短， 出現(xiàn)頻繁的特點， 應用超級電容器作為儲能設(shè)備進行快速補償是理想的技術(shù)方案。 雖然目前超級電容器單位容量制造成本高于蓄電池， 但在短時間應用領(lǐng)域， 超級電容器的性能和綜合成本均優(yōu)于電池及其他儲能技術(shù)。
2. 雙向 DC － DC 變換器雙向 DC － DC 變換器是直流母線和超級電容器之間的一個周期性通斷的開關(guān)控制裝置， 它的作用是改變供給超級電容器的電壓， 實際上是作為一個電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)而工作的。 雙向 DC － DC 變換器是電流可反向流動的兩象限變換器， 當超級電容器組對外放電時， DC － DC 變換器處于升壓狀態(tài)， 而當對超級電容器組充電， 電流反向， DC － DC 變換器處于降壓狀態(tài)。非隔離型 Buck － Boost 雙向 DC － DC 變換器，結(jié)構(gòu)見圖 1。 該變換器具有器件數(shù)量少， 效率高和控制簡單等優(yōu)點。
超級電容器； VD1， VD2為防止超級電容器反極性充電的保護二極管； LSC 為斬波電感； S1， S2 為儲能系統(tǒng)的升降壓斬波 IGBT，其輸出連接于直流母線。當超級電容器放電時， S2、 VD2 與 LSC 構(gòu)成升壓斬波電路。 當 S2 處于通態(tài)時， 超級電容向電感 LSC 充電， 充電電流電流基本恒定為 I1， 同時電容 C 向負載供電， 電壓恒定在Ud。 設(shè)S2處于通態(tài)的時間為ton，此時 LSC 上積蓄電能為 UCI1ton。 當 S2 處于斷態(tài)時超級電容和電感 LSC 共同向負載供電。 設(shè) S 2 處于斷態(tài)的時間為 toff， 則此期間電感釋放的能量為（ Ud － UC）I1toff。由于周期T內(nèi)電感積蓄和釋放的能量相等，即UCI1ton＝（ Ud－ UC）I1toff （ 1）化簡得Ud＝（ T/toff）UC （ 2）通過此升壓斬波電路可以將超級電容器組電壓升至直流母線電壓， 并保持在規(guī)定的電壓值附近。當向超級電容器組充電時， 通過 S1、 VD1 與 LSC構(gòu)成降壓斬波電路。 當 S2 處于通態(tài)時， 直流母線向超級電容供電， 負載電壓 UC ＝ Ud， 當 t ＝ ton 時， 控制 S1 關(guān)斷， 負載電流經(jīng) VD1 續(xù)流， 負載電壓近似為零。 這時 LSC 的作用為使負載電流連續(xù)且脈動小。 負載電壓的平均值為UC＝ ton/ （ ton＋ toff）Ud＝（ ton/T）Ud （ 3）通過此降壓斬波電路可以將直流母線電壓降至超級電容器組端電壓來給超級電容組充電。 圖中 RSC很小， 計算時通常予以忽略。由于超級電容的電壓會隨著充放電過程而升降， 要求隨著超級電容器組電壓的不斷變化， 實時調(diào)節(jié) IGBT 導通時間， 使得輸出的電壓保持穩(wěn)定。應用超級電容儲能系統(tǒng)的風力發(fā)電系統(tǒng)超級電容通過升降壓直流斬波變換器連接到直流母線上。 風力發(fā)電產(chǎn)生的電壓、 頻率不穩(wěn)定的交流電能通過不控整流器變換為低壓直流， 再通過升壓斬波器變?yōu)楦邏褐绷鳌?超級電容的單體電容的耐壓很低， 一般低于 3 V， 因此實際應用中要將大量的電容器串聯(lián)后使用， 以達到可用的電壓水平。當電源側(cè)出現(xiàn)電壓降低或短時斷供時， 直流母線電壓就會隨之降低， 此時通過超級電容儲能系統(tǒng)的升壓斬波電路將超級電容的升至需要的直流母線電壓， 并保持在規(guī)定的電壓值附近， 此時超級電容器向系統(tǒng)提供部分或全部功率。 當電源功率突然增大或負荷突然變小時， 通過儲能系統(tǒng)的降壓斬波電路對超級電容器充電， 吸收能量，使直流母線電壓降到規(guī)定值， 此時超級電容器儲存能量以備下次需要。 該拓撲的控制目標就是使直流母線電壓穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)， 減小并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊。
20 世紀 80 年代中期以來， 風力發(fā)電進入高速發(fā)展的時期。我國目前的風力發(fā)電設(shè)備多采用異步發(fā)電機，而異步發(fā)電機運行時發(fā)出有功功率的同時還要從系統(tǒng)吸收無功功率， 會給電網(wǎng)造成負擔。 另外， 風速的不穩(wěn)定會引起風電輸出電壓頻率的變化。異步發(fā)電機的使用還會使電網(wǎng)在發(fā)生大擾動后引起暫態(tài)電壓失穩(wěn)。
因此， 研究并網(wǎng)風電場的運行特性以及如何改善其運行的穩(wěn)定性是風力發(fā)電技術(shù)中的重要問題。儲能系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的能量緩沖環(huán)節(jié)， 其作用越來越重要， 儲能系統(tǒng)在系統(tǒng)中起穩(wěn)定作用。 適量的儲能可以在電網(wǎng)非正常運行時起到過渡作用，使系統(tǒng)在負荷波動較快和較大的情況下能夠有一個穩(wěn)定的電能輸出， 對配電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高也具有非常重要的作用。通過對儲能系統(tǒng)的控制從而實現(xiàn)
其與大電網(wǎng)的并網(wǎng)運行， 可達到向電網(wǎng)提供削峰、應急功率等作用。
超級電容器為一種新興的儲能元件， 其功率密度大， 儲能效率高， 安裝簡易， 能夠適應不同的環(huán)境而無需維護， 可以單獨儲能， 可以與其他儲能裝置混合儲能。 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， 可以對系統(tǒng)起到瞬時功率補償?shù)淖饔?，并可以在發(fā)電中斷時作為備用電源，以提高供電的穩(wěn)定性和可靠性， 實現(xiàn)電能的平衡、穩(wěn)定控制。超級電容儲能系統(tǒng)的優(yōu)點超級電容儲能系統(tǒng)主要由超級電容組件、 雙向D C － D C 變換器組成。
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