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_Dream2016/4/23目录1引言...............................................................................................................................................12超级电容器原理............................................................................................................................13超级电容器建模研究....................................................................................................................33.1超级电容器双电层模型.....................................................................................................33.1.1Helmholtz双电层模型............................................................................................33.1.2Gouy和Chapman双电层模型..............................................................................43.1.3Stern和Grahame双电层模型...............................................................................43.2多孔电极传输线模型.........................................................................................................53.3等效电路模型.....................................................................................................................53.3.1经典等效电路模型..................................................................................................63.3.2梯形电路模型..........................................................................................................63.3.3多分支RC参数模型...............................................................................................63.4超级电容器频域模型.........................................................................................................73.5超级电容器智能模型........................................................................................................84超级电容器储能特点....................................................................................................................85超级电容器在能源互联网中的功用............................................................................................95.1电网电能质量调节.............................................................................................................95.2分布式新能源发电...........................................................................................................105.3微电网与分布式储能......................................................................................................106参考文献......................................................................................................................................111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）。2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；3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𝐶=𝜀𝑑（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。4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19