超级电容在风力发电系统中的应用

超级电容在风力发电系统中的应用

曲墅刘超陈旭

天津瑞源电气有限公司天津300308

摘要：在我国快速发展的过程中，能源的发展在不断的更新，从能源利用率最优化的角度出发，介绍了超级电容的发展、原理、结构、优势和一般的组成方式以及在风力发电中的应用现状及未来发展趋势。超级电容作为新能源中一种有较长发展前景的储能器件之一，对于平滑、缓冲不稳定电能的需求，改善电能质量具有重要意义。

关键词：超级电容；新能源；储能；风力发电

引言

发展低碳经济，利用可再生能源，实现可持续发展已经成为人类社会的普遍共识，而开发清洁的可再生能源资源是世界各国实现经济和社会可持续发展的重要战略。

1超级电容的发展

1.1超级电容发展

超级电容器作为一种新兴的储能元件，在诸多领域中均有应用：交通道路监控中的曝闪灯技术；为不稳定的电源提供备用能量；光伏发电储能；电梯升降等变频驱动系统；电动汽车中的动力电池；国防军事中的电磁弹射器，电磁炮；城市轨道交通制动能量回收；调节改善电网中动态电压变化。从小容量的特殊储能到大规模的电力储能，从单独储能到与蓄电池或燃料电池组成的混合储能，超级电容器都展示出了独特的优越性。

1.2超级电容的工作原理和结构

超级电容是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为如此，超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。根据储能机理的不同可以分为双电层电容和法拉第准电容两大类。

2超级电容在风力发电中的应用

2.1风力发电技术

与其他能源相比，风能是一种丰富清洁的可再生能源，具有分布广泛、可再生、蕴量巨大、无污染等优点。中国的风能分布面较广，储量很大。根据中国气象局第四次的风能资源普查结果显示，我国近海5～25m水深范围内的风能资源潜在开发量约为2亿kW，离地50m高的陆地上风能资源潜在开发量约为23.8亿kW。利用风能来进行发电开始于19世纪末期的丹麦，P.La-Cour教授开创了风能发电的先河。他发现转速高、叶片数较少的风机有较高的风能利用率。经过多年发展，风力发电技术已成为一种可大规模商业开发的再生能源发电技术。但风能是一种间歇性能源，风速的随机波动性会导致风电场输出功率的波动，从而会导致电力系统频率振荡。为抑制系统频率振荡，电力系统需采取频率调节、运行调度等一系列措施。此外，风电场的功率波动会影响所在电网的电能质量，引起电压波动与闪变，如何抑制风电场输出功率波动是目前风电并网运行中亟待解决的问题。目前，抑制风电场输出功率随机波动的可行方法是在风电场配置电力储能系统。但现有的化学储能系统大都是基于蓄电池充放电的形式，其工作效率偏低，不易实际应用。由于超级电容器具有功率密度大、循环寿命长、充放电效率高、高低温性能好等优点，可有效延长储能系统的运行时间、提高其经济性能以及功率输出能力。通过超级电容多个单体的串并联而组成的超级电容器储能系统在风力发电系统中有较广泛的应用。

2.2超级电容在风机变桨距系统中的应用

变桨距控制系统作为大型并网风电机组控制系统的核心部件，对机组安全、稳定、高效运行具有十分重要的作用。由于蓄电池成本较低，在变桨距控制系统中仍在大量应用并占据主要地位。但蓄电池存在一些难以克服的固有缺点：充电时间长，充、放电电流不能太大，在低温环境下容量会衰减。再加上间歇性工作强度大，常年的负荷，会导致自身使用寿命大打折扣。而且电池的维修和更换也是一笔不小的费用。由于超级电容的特性和优点，可以代替电池胜任此工作。虽然前期投入成本高，但是相比频繁维护和更换电池，费用还低廉一些，同时还可降低工作强度，因此它极为适合在风力发电机组这样的环境中工作。风力发电变桨距采用超级电容器储能系统主要为了使叶轮对电机的驱动功率能够满足电机的所能承受的状态，在不同的风速条件下设定其合适的变桨角度，以使发电机处于最优工作状态。风力发电变桨距采用超级电容器储能电源的基本工作原理为：平时，由风机产生的电能输入充电机，充电机为超级电容器储能电源充电，直至超级电容器储能电源达到额定电压。当需要为风力发电机组变桨距时，控制系统发出指令，超级电容器储能系统放电，驱动变桨距系统工作。2013年，美国Maxwell公司的超级电容与德国的PULS普尔时工控电源的超级电容充电电源PAS395相结合，运用到风力发电系统中，两者的完美搭配不仅使得风机变桨距系统更加稳定，也为整个移动储能领域带来了技术革新。

2.3超级电容在并网型风力发电系统中的应用

并网运行的风力发电可以得到大电网的补偿和支撑，成为了风力发电的主流。根据风电场接入电网的技术标准，要求风电场在外部电网发生故障时能够连续运行，如外部电网故障引起的风电场接入点的低电压不会使风电场退出运行，并且在风电场并网点电压发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够继续保持并网运行。超级电容储能系统在风力发电中多被用于大功率、短时间的平滑控制和电能质量高峰值的功率场合，在这种场合出现电压瞬间跌落或是瞬间受到干扰时，超级电容器储能系统能够提高供电的水平。

结语

我国风能资源丰富，东部和西部却不平均，大力发展电网，使能源利用均衡化，并在电网中采用超级电容储能的技术来提高电网的稳定性将会越来越普遍。目前，风力发电并网使用超级电容技术，我国的技术起步较早，现在还需要在一些细节方面加以完善。而风机变桨中使用超级电容的技术还有待提高，主要是进一步提高其使用寿命。随着高校和研究院的不断探索，我国在超级电容的材料制备和应用上的成就将会大大提高，但同时应注重降低制备成本和简化制备环节，向通用化、商业化靠近，让技术走出实验室，走入实际应用平台上。在政府的大力鼓励与支持下，将会孕育出一大批以生产风力发电中配套的超级电容为主的厂商和研发公司，并加速整个产业的发展，激烈的竞争将会使超级电容在风力发电系统中变得更加成熟。超级电容器凭借自身优越的低温使用性能、高充放电效率等显著特点，在未来有着巨大发展潜力。随着科技的不断更新进步，超级电容的发展将会向高可靠性和高性价比的趋势发展，未来在风力发电系统中将会得到更加广泛的应用。

参考文献：

[1]王云飞，尹忠东，申燕飞.超级电容储能系统在并网型风力发电系统中的应用[J].电气时代，2011（12）：102-103.

[2]屈伟平，林燕.智能微电网中的超级电容技术[J].上海电气技术，2009，4（2）：59-62.