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1. 超級(jí)電容器
超級(jí)電容也稱為電化學(xué)電容， 它具有優(yōu)良的脈沖充放電和大容量?jī)?chǔ)能性能， 單體的容量目前已經(jīng)做到萬(wàn)法拉級(jí)， 是一種介于靜電電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能元件。 超級(jí)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(shí)間內(nèi)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移， 得到很高的放電比功率； 同時(shí)， 由于電極上沒(méi)有發(fā)生決定反應(yīng)速度與限制電極壽命的活性物質(zhì)的相應(yīng)變化， 因此它具有很好的循環(huán)壽命。與電池相比， 超級(jí)電容具有許多電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn)。
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1） 具有非常高的功率密度。 超級(jí)電容器的功率密度可為電池的 10～ 100 倍， 可達(dá)到 10 kW/kg 左右， 可以在短時(shí)間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流。這個(gè)特點(diǎn)使得超級(jí)電容器非常適合用于短時(shí)間高功率輸出的場(chǎng)合。
2） 充電速度快。 超級(jí)電容器充電是雙電層充放電的物理過(guò)程或電極物質(zhì)表面的快速、 可逆的電化學(xué)過(guò)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(guò)程， 是真正意義上的快速充電。 而蓄電池則需要數(shù)小時(shí)完成充電， 即使采用快速充電也需幾十分鐘。
3） 使用壽命長(zhǎng)。 超級(jí)電容器充放電過(guò)程中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)具有很好的可逆性， 不易出現(xiàn)類(lèi)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(wú)窮， 實(shí)際可達(dá) 100 000 次以上， 比電池高 10～ 100 倍。
4） 低溫性能優(yōu)越。 超級(jí)電容器充放電過(guò)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(jìn)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(dá) 70%。由于風(fēng)力發(fā)電導(dǎo)致的電能質(zhì)量問(wèn)題往往具有持續(xù)時(shí)間短， 出現(xiàn)頻繁的特點(diǎn)， 應(yīng)用超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行快速補(bǔ)償是理想的技術(shù)方案。 雖然目前超級(jí)電容器單位容量制造成本高于蓄電池， 但在短時(shí)間應(yīng)用領(lǐng)域， 超級(jí)電容器的性能和綜合成本均優(yōu)于電池及其他儲(chǔ)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(jí)電容器之間的一個(gè)周期性通斷的開(kāi)關(guān)控制裝置， 它的作用是改變供給超級(jí)電容器的電壓， 實(shí)際上是作為一個(gè)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(dòng)的兩象限變換器， 當(dāng)超級(jí)電容器組對(duì)外放電時(shí)， DC － DC 變換器處于升壓狀態(tài)， 而當(dāng)對(duì)超級(jí)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(jiàn)圖 1。 該變換器具有器件數(shù)量少， 效率高和控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
超級(jí)電容器； VD1， VD2為防止超級(jí)電容器反極性充電的保護(hù)二極管； LSC 為斬波電感； S1， S2 為儲(chǔ)能系統(tǒng)的升降壓斬波 IGBT，其輸出連接于直流母線。當(dāng)超級(jí)電容器放電時(shí)， S2、 VD2 與 LSC 構(gòu)成升壓斬波電路。 當(dāng) S2 處于通態(tài)時(shí)， 超級(jí)電容向電感 LSC 充電， 充電電流電流基本恒定為 I1， 同時(shí)電容 C 向負(fù)載供電， 電壓恒定在Ud。 設(shè)S2處于通態(tài)的時(shí)間為ton，此時(shí) LSC 上積蓄電能為 UCI1ton。 當(dāng) S2 處于斷態(tài)時(shí)超級(jí)電容和電感 LSC 共同向負(fù)載供電。 設(shè) S 2 處于斷態(tài)的時(shí)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(jiǎn)得Ud＝（ T/toff）UC （ 2）通過(guò)此升壓斬波電路可以將超級(jí)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(dāng)向超級(jí)電容器組充電時(shí)， 通過(guò) S1、 VD1 與 LSC構(gòu)成降壓斬波電路。 當(dāng) S2 處于通態(tài)時(shí)， 直流母線向超級(jí)電容供電， 負(fù)載電壓 UC ＝ Ud， 當(dāng) t ＝ ton 時(shí)， 控制 S1 關(guān)斷， 負(fù)載電流經(jīng) VD1 續(xù)流， 負(fù)載電壓近似為零。 這時(shí) LSC 的作用為使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。 負(fù)載電壓的平均值為UC＝ ton/ （ ton＋ toff）Ud＝（ ton/T）Ud （ 3）通過(guò)此降壓斬波電路可以將直流母線電壓降至超級(jí)電容器組端電壓來(lái)給超級(jí)電容組充電。 圖中 RSC很小， 計(jì)算時(shí)通常予以忽略。由于超級(jí)電容的電壓會(huì)隨著充放電過(guò)程而升降， 要求隨著超級(jí)電容器組電壓的不斷變化， 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié) IGBT 導(dǎo)通時(shí)間， 使得輸出的電壓保持穩(wěn)定。應(yīng)用超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)超級(jí)電容通過(guò)升降壓直流斬波變換器連接到直流母線上。 風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電壓、 頻率不穩(wěn)定的交流電能通過(guò)不控整流器變換為低壓直流， 再通過(guò)升壓斬波器變?yōu)楦邏褐绷鳌?超級(jí)電容的單體電容的耐壓很低， 一般低于 3 V， 因此實(shí)際應(yīng)用中要將大量的電容器串聯(lián)后使用， 以達(dá)到可用的電壓水平。當(dāng)電源側(cè)出現(xiàn)電壓降低或短時(shí)斷供時(shí)， 直流母線電壓就會(huì)隨之降低， 此時(shí)通過(guò)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的升壓斬波電路將超級(jí)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(shí)超級(jí)電容器向系統(tǒng)提供部分或全部功率。 當(dāng)電源功率突然增大或負(fù)荷突然變小時(shí)， 通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的降壓斬波電路對(duì)超級(jí)電容器充電， 吸收能量，使直流母線電壓降到規(guī)定值， 此時(shí)超級(jí)電容器儲(chǔ)存能量以備下次需要。 該拓?fù)涞目刂颇繕?biāo)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(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
20 世紀(jì) 80 年代中期以來(lái)， 風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入高速發(fā)展的時(shí)期。我國(guó)目前的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備多采用異步發(fā)電機(jī)，而異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)出有功功率的同時(shí)還要從系統(tǒng)吸收無(wú)功功率， 會(huì)給電網(wǎng)造成負(fù)擔(dān)。 另外， 風(fēng)速的不穩(wěn)定會(huì)引起風(fēng)電輸出電壓頻率的變化。異步發(fā)電機(jī)的使用還會(huì)使電網(wǎng)在發(fā)生大擾動(dòng)后引起暫態(tài)電壓失穩(wěn)。
因此， 研究并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性以及如何改善其運(yùn)行的穩(wěn)定性是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的重要問(wèn)題。儲(chǔ)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(lái)越重要， 儲(chǔ)能系統(tǒng)在系統(tǒng)中起穩(wěn)定作用。 適量的儲(chǔ)能可以在電網(wǎng)非正常運(yùn)行時(shí)起到過(guò)渡作用，使系統(tǒng)在負(fù)荷波動(dòng)較快和較大的情況下能夠有一個(gè)穩(wěn)定的電能輸出， 對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高也具有非常重要的作用。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制從而實(shí)現(xiàn)
其與大電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行， 可達(dá)到向電網(wǎng)提供削峰、應(yīng)急功率等作用。
超級(jí)電容器為一種新興的儲(chǔ)能元件， 其功率密度大， 儲(chǔ)能效率高， 安裝簡(jiǎn)易， 能夠適應(yīng)不同的環(huán)境而無(wú)需維護(hù)， 可以單獨(dú)儲(chǔ)能， 可以與其他儲(chǔ)能裝置混合儲(chǔ)能。 超級(jí)電容器將能量以電場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)， 當(dāng)能量緊急缺乏或需要時(shí)， 再將存儲(chǔ)的能量通過(guò)控制單元釋放出來(lái)， 可以對(duì)系統(tǒng)起到瞬時(shí)功率補(bǔ)償?shù)淖饔茫⒖梢栽诎l(fā)電中斷時(shí)作為備用電源，以提高供電的穩(wěn)定性和可靠性， 實(shí)現(xiàn)電能的平衡、穩(wěn)定控制。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由超級(jí)電容組件、 雙向D C － D C 變換器組成。
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