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超级电容器建模及其在能源互联网中的应用
超级电容器建模及其在能源互联网中的应用
JYoung_Dream
2016/4/23
超级电容器建模及其在能源互联网中的应用
摘要:
本文介绍了超级电容器的储能原理,综述了现有的各种超级电容器模型,分析了各种模型的特点和适用范围。
通过总结分析超级电容器的储能原理及相关模型,重点阐述了其在发展能源互联网中的作用。
1引言
近几年,以可再生能源、分布式发电、储能、电动汽车等为代表的新能源技术和以物联网、大数据、云计算、移动互联网等为代表的互联网技术发展迅猛,以“新能源+互联网”为代表的第三次工业革命正在世界范围内发生,成为各国新的战略竞争焦点。
能源互联网应运而生,它是能源和互联网深度融合的结果,是第三次工业革命的核心之一。
能源互联网是以电力系统为核心,以智能电网为基础,采用先进的信息和通信技术及电力电子技术等,最大限度地接入分布式可再生能源,以及促进电力网络、交通网络、天然气网络和信息网络的融合与协调巧制,实现能源的清洁、高效利用,实现能量流、物流和信息流的优化与协调运行。
能源互联网的概念中,电能储能技术占有核心位置。
新能源技术中,风力发电与太阳能发电对环境影响小,但是发电具有间歇性和随机性,发电功率受天气影响大。
发电的不确定性会给电网带来冲击。
电气化交通网络中交通工具的随机接入同样对电网造成冲击。
实现可再生能源强随机性发电的调度,改善可再生能源接入背景下的电网电能质量,缓冲交通工具随机接入的冲击均需要应用电能储能技术。
超级电容器是一种依靠双电层或氧化还原赝电容电荷储存电能的化学储能装置。
它具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围广等优点。
已在电力、交通运输、消费型电子产品、国防、通信、新能源汽车等诸多领域有着广泛应用。
近些年来,超级电容器备受各国关注。
据最新市场研究报告预测,全球超级电容器市场在2014—2020年复合年增长率为26.93%,市场规模有望超过120亿元[1]。
基于此,本文首先介绍超级电容器的储能原理,然后综述超级电容器储能模型,最后阐述超级电容器在能源互联网中的功用。
2超级电容器原理
超级电容器内部物理结构如图1所示。
其基本工作原理是将电荷存储于内部多孔电极和电解液形成的双电层内。
根据超级电容器使用的电极材料,电解液种类以及在储能过程中是否发生化学反应,可将超级电容器分为不同类型[1]。
若按其储能原理则可分为两类:
双电层电容器和赝电容器(法拉第赝电容)。
图1超级电容器物理结构图
(1)双电层电容器
双电层电容器是一种利用电极和电解质之间形成的界面双电层电容来存储能量的装置,其储能机理是双电层理论。
双电层理论最初在19世纪末由德国物理学家Helmhotz提出,后来经Gouy、Chapman和Stem根据粒子热运动的影响对其进行修正和完善,逐步形成了一套完整的理论,为双电层电容器奠定了理论基础。
双电层理论认为,当电极插入电解液中时,电极表面上的净电荷将从溶液中吸引部分不规则分配的带异种电荷的离子,使它们在电极-溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排列,形成一个电荷数量与电极表面剩余电荷数量相等而符号相反的界面层[2]。
双电层电容器是利用双电层机理实现电荷的存储和释放从而完成充放电的过程。
充电时电解液的正负离子聚集在电极材料/电解液的界面双层,以补偿电极表面的电子。
尤其是在充电强制形成离子双层时,会有更多带相反电荷的离子积累在正负极界面双层,同时产生相当高的电场,从而实现能量的存储。
放电时,随着两极板间的电位差降低,正负离子电荷返回到电解液中,电子流入外电路的负载,从而实现能量的释放。
如图2所示。
图2双电层电容器的充放电过程
(2)法拉第赝电容器
法拉第赝电容器是在电极表面或体相中的二维或准二维空间上,电极活性物质进行欠电位沉积,发生高度可逆的化学吸附脱附或氧化还原反应,产生与电极充电电位有关的电容。
法拉第赝电容可通过两种方式来存储电荷:
一种是通过双电层上的存储实现对电荷的存储;另一种是通过电解液中离子在电极活性物质中发生快速可逆的氧化还原反应而将电荷储存。
法拉第赝电容的产生过程虽然发生了电子转移,但不同于电池的充放电行为,其具有高度的动力学可逆性,且更接近于电容器的特性。
目前研究认为,法拉第赝电容的储能机理主要分为以下两部分[3]:
①表面吸脱附储能。
在电极表面的二维空间上,在外加电场的作用下,电解液中的阳离子从电解液中扩散到溶液/电极的界面上,在电极表面上实现了离子的吸附,从而存储电荷;将外加电场撤掉后,电极表面上吸附的离子发生了脱附,离子重新返回到电解液中,从而存储的电荷被释放出来。
②体相嵌入脱出储能。
溶液中的阳离子通过界面进入到电极活性物质的体相,发生氧化还原反应,从而表现出氧化还原赝电容。
3超级电容器建模研究
超级电容器作为一种新型的绿色储能元件,对其模型的研究可以更深入了解超级电容器的储能机理,更好的理解和预测超级电容器的储能特性,是超级电容器的电气性能仿真和优化设计等方面的一种重要研究手段。
普通电容器通常用RC串联电路模型表示,但是它不能准确的描述超级电容器的电气特性。
为了进一步了解超级电容器的储能过程,非常有必要建立一个能够精确反映超级电容器实际工作特性的模型,且其对超级电容器的合理使用、性能优化及系统仿真等研究领域具有重要的研究意义。
3.1超级电容器双电层模型
双电层模型是最早提出的超级电容器模型,它从超级电容器存储电荷的物理原理出发建立数学模型[4]。
主要包括三种模型:
Helmholtz双电层模型;Gouy和Chapman双电层模型;Stern和Grahame双电层模型。
3.1.1Helmholtz双电层模型
Helmholtz于1853年最先发现了在固体导体和液体离子导体界面的电容特性,并于1874年提出双电层模型。
Helmholtz认为电荷是均匀分布在电极和电解液界面的两端,如图3所示。
其双电层的表面电容由式
(1)计算
(1)
式中,为溶液介电常数;d为双电层的厚度。
由于电解液的导电性差,因而在电解液一侧的电荷不可能是均匀分布的。
根据该模型计算得到的电容值偏大。
但该模型用直观简单的方式表明了超级电容器的储能原理,是超级电容器经典的物理模型。
图3Helmholtz双电层模型
3.1.2Gouy和Chapman双电层模型
由于双电层模型的电容依赖于其端电压的变化,为描述这种关系Gouy于1910年提出了溶液侧电荷分散分布的模型,Chapman于1913年对该模型进行了详细的数学分析。
该模型考虑了电荷在电解液一侧的空间分布情况,该层也称为扩散层。
其模型结构图如图4所示。
该模型的双电层电容由式
(2)计算
(2)
式中,
是电解液离子化合价;
是元电荷;
是温度T下的热电势;
是热平衡时的离子浓度;
是表面电位。
根据该模型计算出的电容值仍比实际值偏大,其原因在于该模型将离子假设成点电荷,即可以无限接近电极电解液界面。
图4Gouy和Chapman双电层模型
3.1.3Stern和Grahame双电层模型
1924年,Stern在Gouy和Chapman双电层模型的基础上提出了改进模型,其结构图如图5所示。
Stern认为整个电极与溶液界面的双电层由紧密层和扩散层两部分构成,在静电作用和粒子热运动的作用下,溶液中的离子电荷一部分吸附在电极表面,形成紧密双电层,即双电层电容可以看作是由紧密层电容和扩散层电容串联构成。
Grahame于1947年进一步建立了金属-溶液界面模型,他将紧密层又细分为内Helmholtz层和外Helmholtz层两层。
该模型的双电层电容由式(3)计算
(3)
式中,
是紧密层电容;
是扩散层电容。
以上三种超级电容器双电层模型的作用主要是计算双电层电容值,这类模型不能反映超级电容器充放电过程的动态过程,因此不适用于对超级电容器进行动态特性分析和系统仿真的应用场合。
图5Stern双电层模型
3.2多孔电极传输线模型
超级电容器多孔电极和电解液构成的两相界面是空间分布的,因此超级电容器不能用一个电容器来描述,而需要用一个复杂的电阻和非线性电容构成的网络来描述超级电容器多孔电极。
传输线模型[5]模拟分布的双电层电容和电阻,其中每个孔可以等效成多个电容电阻分支的并联。
结合超级电容器的实际物理结构可以建立其多孔电极传输线模型,如图6所示。
该模型将超级电容器的两个多孔电极用两个传输线模型描述,正负电极之间由隔膜电阻连接。
该模型准确地描述了超级电容器的物理结构和工作原理,但是模型中的参数繁多,参数值的计算非常复杂,数学表达式繁冗,不方便实际应用,一般只用于理论分析。
图6多孔电极传输线模型
3.3等效电路模型
这类模型是实际应用最多的模型,其利用基本电路元件(电阻、电容和电感)来模拟超级电容器的工作特性,方法简单直观,便于分析计算及模型仿真。
超级电容器的等效电路模型主要有经典等效电路模型,梯形电路模型以及多分支RC参数模型。
3.3.1经典等效电路模型
超级电容器的经典等效电路模型[6]如图7所示,其中ESR是等效串联电阻,EPR是等效并联电阻,C是理想电容,该模型是超级电容器充放电过程的一阶近似。
在快速充放电和大功率应用场合,经典等效电路模型的精度较高。
该模型具有模型结构简单,参数辨识容易等优点,在实际储能系统设计和分析中应用最多。
但是在长时间充放电和静置的情况下,模型仿真精度不高。
图7超级电容器经典等效电路模型
3.3.2梯形电路模型
超级电容器梯形电路模型[7]如图8所示。
该模型采用RC网络的形式模拟超级电容器的分布参数特性,模型参数通过阻抗谱分析确定。
该模型在比较宽的频率范围内可以有比较高的拟合精度,其本质是对超级电容器的充放电曲线进行高次拟合,拟合的阶次可根据模型精度要求确定。
阶次越高,模型精度越高,但相应的模型参数也越多,参数辨识会很复杂。
文献[18]针对这类模型提出了根据超级电容器实际工作的频率范围进行模型降阶处理的方法。
根据该理论,如果超级电容器工作在低频场合,那么3阶模型就可以满足建模的精度要求。
图8超级电容器梯形电路模型
3.3.3多分支RC参数模型
多分支RC模型[8]的形式与梯形电路模型的形式相似,与梯形电路模型不同的是,该模型的每超级电容器储能特性1分支有不同的时间常数,即在充放电过程的不同时间段,每个分支单独起作用。
如2分支模型是由快速充放电分支和慢速充放电分支组成,其模型结构图如图9所示。
图中R1代表等效串联内阻;C1代表快速分支,主要描述超级电容在充放电时的外特性,且C1为可变电容器,考虑了电容和电压的依赖关系;R2和C2构成慢速分支,用来描述充放电结束后超级电容器内部电荷重分配现象。
此类模型分支数可以随仿真精度的提高而增加。
考虑到模型复杂度和仿真精度的矛盾,一般也采用3分支模型。
该模型的优点是考虑了电容和电压的依赖关系,比较好的描述了超级电容器内部电荷充分配的过程,但是模型的缺点也很明显,主要是每一分支的时间常数确定具有随意性,过分依赖于超级电容器的使用工况和操作者的实际经验[9],而且其建模思路是每个分支所起的作用绝对独立,这一假设与实际情况也不相符。
图9超级电容器二分支RC模型
由于超级电容器工作场合通常是低频,且高频时的电感参数值很小(通常为纳亨级),因此,以上介绍的三种等效电路模型均没有电感元件。
完整的等效电路模型需再串联一个电感。
3.4超级电容器频域模型
超级电容器的频域模型[10,11]是对超级电容器的频谱特性进行分析并建立其多孔阻抗特性随频率变化的模型,实验手段主要是采用阻抗谱分析方法。
典型的超级电容器频谱特性的奈奎斯特图如图10a所示。
由该图可以看出在低频段,谱图近似为一条垂线,即低频特性可以用一个理想电容等效;在中频段,谱图近似为一条45°的斜线,其反映了超级电容器多孔电极的复阻抗特性,在与实轴相交的地方可以用一个纯电阻来等效,在高频时,超级电容器会表现出电感特性。
根据以上分析可知,超级电容器的频域模型可由图10b表示。
该模型由三部分组成,其中电感
主要模拟超级电容器高频段的特性,其数量级一般为纳亨,通常可以忽略;
代表串联电阻,
代表多孔电极的复阻抗特性。
完整的频域模型数学表达式由(4)给出,其中
和
是多孔电极结构决定的阻容参数。
(4)
该模型在比较宽的频段内较精确地描述了超级电容器的频率响应特性,但是模型参数的获取需要专用的阻抗谱分析设备,且对应的数学表达式复杂,在时域仿真和动态特性分析计算时使用不便。
图10a超级电容器奈奎斯特图
图10b频域等效电路模型
3.5超级电容器智能模型
随着人工智能技术的不断发展,以神经网络和模糊逻辑为代表的处理不确定性和非线性问题的方法越来越多的应用于系统建模中。
由于超级电容器在充放电过程中表现出非线性特性,因此采用智能建模方法可以建立出更能精确描述其行为特性的模型。
其基本的建模思路是将超级电容器看成是一个黑箱,不考虑其内部的机理。
将实际系统的输入作为神经网络的输入,实际系统的输出作为神经网络的输出,通过多组实际的输入输出数据对神经网络进行训练得到最终的神经网络模型。
神经网络的最大优点是可以无限地逼近系统的非线性特性,从这点上说它是仿真超级电容器非线性特性的最佳模型。
此外在激励的作用下,它的输出就是系统的动态响应,因此可以直接用于系统分析。
目前已有学者提出基于神经网络以及结合模糊逻辑方法建立的超级电容器模型[12,13]。
但神经网络模型参数辨识复杂而且只适合应用在同一类型的超级电容器产品中,使用范围较窄,仍需要继续深入研究。
此外,模型没有明确的物理意义,以及训练数据量要求大,训练工作的时间长。
4超级电容器储能特点
基于超级电容的储能原理,显然其储能过程是可逆的,可实现能量的快速释放,往往可以反复充放电至数十万次。
且能够按照电容器外形、大小的不同,基于超级电容的建模分析,可以对其进行配置及装配成组,已达到许多特定应用,满足系统对功率、能量和电压的需求。
超级电容的出现,填补了传统电容器和电池间的空白,弥补了二次电池低比功率、充放电慢、安全性和过充放电损坏及传统电容器的低容量等缺点。
具体来说,超级电容器作为一种新型的储能元件,具有如下优点[1]:
(1)超高的容量。
相同体积情况下,超级电容的容量可以比电解电容器大几千倍。
(2)高功率密度。
超级电容器能在很短的时间内输出高达几百甚至几千安的电流,相比同体积的电池而言,其功率密度达10倍以上,对于短时间需要大功率输出的场合,超级电容器非常适合。
(3)循环寿命长,充放电效率高。
由于超级电容器的充放电过程只有电荷的转移,属于物理过程,其间没有化学反应。
这一特点使得超级电容器的放电循环次数达到10万次以上,且充放电速度是同体积蓄电池的100倍以上。
(4)可以承受短时间内的过电压,对过充、过放承受能力较强。
(5)免维护、高可靠性,报废后不产生环境污染。
因此,超级电容器储能模式是需要快速充放电、高可靠性和长循环寿命的应用的理想选择,可广泛应用于新能源发电,微电网系统控制及电网电能质量调节等。
5超级电容器在能源互联网中的功用
能源互联网是以电力系统为核心,以智能电网为基础,采用先进的信息和通信技术及电力电子技术等,最大限度地接入分布式可再生能源,以及促进电力网络、交通网络、天然气网络和信息网络的融合与协调巧制,实现能源的清洁、高效利用,实现能量流、物流和信息流的优化与协调运行。
其主要内容有:
①能源向可再生能源转换;②建筑物发电接入;⑤部发展储能技术;④利用互联网技术转变电网;⑤将交通流转化为电动、插电或燃料电池车辆。
这种分布式发电,随机用电和网络互联的复杂网络一体化体系符合我国城乡的分布特点,因此能量互联网是我国电力系统发展的主要方向。
能源互联网的发展给电网稳定性提出了新的要求。
能源互联网的概念中,电能储能技术占有核心位置。
新能源技术中,已经投入市场使用的发电技术主要有风力发电和太阳能发电。
风力发电与太阳能发电对环境影响小,但是发电具有间歇性和随机性,发电功率受天气影响大。
发电的不确定性会给电网带来冲击。
电气化交通网络中交通工具的随机接入同样对电网造成冲击。
实现可再生能源强随机性发电的调度,改善可再生能源接入背景下的电网电能质量,缓冲交通工具随机接入的冲击均需要应用电能储能技术。
在这种背景下,电能储能技术的发展成为-种必然的趋势。
规模化储能系统的应用可以促进能量互联网技术的发展,增加可巧生能源在电网构成中的比率,具有保护环境,提高电网稳定性,促进形成储能技术新兴市场,扩大新能源技术应用市场等形成新经济增长点的重大经济意义。
鉴于超级电容在储能上如第4节所述的优点,在超级电容储能基础上将会形成新一代的电网电能存储与电能质量调节设备。
这种设备将起到改善电网电能质量,降低新能源发电随机性造成电网波动的作用。
超级电容储能系统的研究开发与推广使用必将提高新能源在电网中应用的比例,减少火力发电在电网中的应用,具有降低污染、提高空气质量的积极社会意义,还具有带动电力电子技术与控制技术学科发展的积极作用。
相关技术的研究开发与推广使用还具有促进储能与电能质量调节设备市场发展,促进新能源发电市场发展的重大经济意义。
5.1电网电能质量调节
大量含有电力电子装置的非线性负载接人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。
文献[14]提出了负荷质量调节器的概念,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。
为克服传统的统一电能质量调节器无法实现系统电源电压深度跌落和短时中断的补偿功能的缺点,文献[15]提出一种新型统一电能质量调节器,它加入了双向晶闸管、超级电容储能和双向DC-DC变换器模块,仿真和实验结果证实该方案可较全面、有效地解决电能质量问题。
5.2分布式新能源发电
随着越来越多的分布式能源接入电网,分布式能源如风电、光伏等的发电功率具有的随机性和波动性势必会给电网运行、调度、控制等方面带来负面的影响。
为此,储能技术的发展成为解决此问题的有效手段。
特别地,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发电系统上发挥出了优势。
文献[16]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[17]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。
5.3微电网与分布式储能
微电网又称作微网,是能源互联网的基本组成部分,一般由一组微电源、负荷、储能系统和控制装置组成。
微网是一个既可与外部电网并网运行,又可以孤立运行的自治系统。
由于微网系统能够促进分布式电源与可再生能源的大规模接入,是发展能源互联网的关键技术之一。
然而,电源总供给功率和负荷往往难以时刻达到供需平衡,这就需要由储能系统通过吸收或释放能量以弥补系统能量的盈余或不足。
利用储能设备一方面可以在离网及并网运行时稳定电压和调整频率,达到安全、可靠供电的目的;另一方面,在接入分布式电源和向负荷供给高质量的电能时能够平衡系统功率。
因此,微网的正常运行离不开储能技术,尤其在电能的二次分配及可再生能源的利用领域[18]。
超级电容功率密度大、充放电速度快,在改善微网电能质量方面具有电池不可比拟的优势。
方面,超级电容器能够为微网“并网运行”和“孤岛运行”两种模式之间的切换提供短时供电,避免供电波动;另一方面,在输出功率变化较大的可再生能源的并网方面,超级电容器能够有效降低电网中的短时间(小于1min)功率扰动。
除此之外,当微网中存在电梯、地铁站等大负荷站点时,超级电容器的加入也可以缓解其启动电流对电网的冲击。
文献[19]提出了应用于微电网的超级电容器储能系统,分析了其基本结构,建立适用的控制模型,并针对不同应用场合进行了仿真试验。
仿真结果表明,超级电容器储能系统可以有效地解决微电网的电能质量问题。
文献[20]为了解决微网中可再生能源的波动问题,以光伏发电、柴油发电机、蓄电池及超级电容器组成的微网为例,用频域方法分析了超级电容器在微网并网运行中的作用。
基于给定的各分布式电源及其控制系统模型,从最大可控扰动频率、光伏发电最大准入容量以及全频段扰动抑制的角度,分析了超级电容器在微网运行中的作用。
仿真和实证结果证明:
超级电容器能提高微网中可控扰动频率,提高光伏发电准入容量,并对全频段扰动都有抑制作用。
此外,如果将超级电容器整合于传统的蓄电池(如铅酸电池),还可以大幅提高蓄电池的使用寿命,有望广泛应用于未来的电网储能系统。
例如传统的铅酸电池,在高倍率充放电时其寿命会发生大幅衰减,当将超级电容器整合于铅酸电池内部时,频繁的高倍率充放电电流主要由超级电容器提供,这样可以有效地延长铅酸蓄电池的使用寿命。
6参考文献
[1]RudgeA,DaveyJ,RaistrickI,etal.Conductingpolymersasactivematerialsinelectrochemicalcapacitors[J].JournalofPowerSources,1994,47(1–2):
89-107.
[2]余丽丽,朱俊杰,赵景泰.超级电容器的现状及发展趋势[J].自然杂志,2015,37(3):
188-196.
[3]MathieuToupin†,ThierryBrousse,†‡A,DanielBélanger†.ChargeStorageMechanismofMnO2ElectrodeUsedinAqueousElectrochemicalCapacitor[J].ChemistryofMaterials,2004,16(16):
3184-3190.
[4]康维[加].电化学超级电容器--科学原理及技术应用(精)[M].化学工业出版社,2005.
[5]ItagakiM,SuzukiS,ShitandaI,etal.Impedanceanalysisonelectricdoublelayercapacitorwithtransmissionlinemodel[J].JournalofPowerSources,2007,164
(1):
415-424.
[6]CulturaAB,SalamehZM.Performanceevaluationofasupercapacitormoduleforenergystorageapplications[C]//PowerandEnergySocietyGeneralMeeting-ConversionandDeliveryofElectricalEnergyinthe21st.2008:
1-7.
[7]DougalRA,GaoL,LiuS.Ultracapacitormodelwithautomatic
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