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吕洁：超级电容器在智能电网中的运用
发布时间：2014-04-22     来源： 北极星
本文摘要：　　　　2014年4月1日，以智能变配电与电能测量管理为主题的探讨会在国家会议中心举办。一直专注于超级电容器领域研究的美国麦克斯威中国区
　　
　　2014年4月1日，以智能变配电与电能测量管理为主题的探讨会在国家会议中心举办。一直专注于超级电容器领域研究的美国麦克斯威中国区大客户经理吕洁受邀参加这次研讨会并做演讲，以下为演讲内容：
 
　　吕洁：各位领导，各位来宾大家下午好。我是吕洁，今天主要讲一下我们用于智能电网辅助服务的超级电容器，也是和大家探讨，我们经验不是很多，有些示范项目在美国、中国。我们是专注做超级电容的，系统上涉猎的不是那么多，今天专家在这里，有不当的地方可以批评指正。
 
　　介绍一下我们公司的情况，比较有历史的一个公司，1969年，现在四百多人。我们公司做三种产品，超级容器只是一种，最近这几年在各个领域越来越广，公司比较重视超级电容这门技术。最早是1992年研发，大家听说时间并不长，进入中国是2007年，2008年有一个大规模的应用，风电和混合动力车领域。
 
　　简单介绍一下它的原理，有些储能的论坛我参加了，它不超级电容和非容储能归为物理储能，都是通过活性碳孔吸附正负粒子的动作形成充放点，所以说它的寿命比较长。之所以叫超级电容，是因为活性碳的展开面积特别大，我们把吸附面积做的非常大，所以叫超级电容。
 
　　它是一个物理储能，寿命比较长，十万到一百万次的充放电周期，15年左右。充放电响应速度比电池快，大家很熟悉这张图，不同的储能方式的一个比较。横向的是功率密度，纵向是能量密度，它的功率密度是锂电池传统的铅酸电池的数十倍，能量密度相对低很多，总的来说是功率型的储能元件。
 
　　它的一个制作过程其实很简单，是椰壳做成活性碳的粉末，压到里面做成单体的模块。里面有一些盐和溶液在里面，作用是提供正负离子。其实现在应用最多的是混合动力车和变桨控制系统。作用是混合动力减少排油气的排放，变桨是长时间的俯冲，需要大电流的时候偶尔放电。在欧洲应用的比较好，汽车排放要求比较高，所以说有一个启定系统，常规电源用电池，电池有一个问题是突然启动的时候整车电压有一个低落，这时候我们有一个暂态的电压支撑。
 
　　最后一个是电压稳定，我们做过最大功率是三兆瓦，这是我们合作伙伴做的，他是做系统集成的。在美国简单介绍一下太阳能示范的项目，电压稳定我们做一个模型，这是一个发电厂，这是一个用户端的大的起重机，在这种大的使用电机有一个开和关的动作，其实对电网是有一个电压的冲击。这个电压的冲击对这个发电机的响应速度有的时候不会足够快，作为及时的响应。
 
　　所以说这个时候就需要增加储能设备，来满足局部的电压波动，达到它的需求，换取发电机的响应时间。我刚刚讲到三兆瓦的项目在上海新港，它和大陆有一段距离，大桥连接，有很大的海底的电缆做一个电能的输送，里面的港机非常多，23台，切换和运行过程中对电网造成10到15秒的波动，我们的作用是避免这些波动。
 
　　因为充放电次数多，寿命比较长，在这个项目里设计方作为一个首选做这个应用，这是鸟瞰图。
 
　　这是我们的一个模块，外面做了一个箱体，126块，功率三兆瓦，储存是12.7千瓦时，放电时间平均是20秒，刚才讲它是一个功率性的储能元器件，时间比较短，恰恰因为时间短，功率大，用在这个场合比较合适。
 
　　刚才是一个工业领域的局部电网的稳定现在讲一下用户家电稳定的需求，刚才这是用户侧，现在把工业的需求变成常规家庭用电需求，这个是一个太阳能的电池板，配了一个1兆瓦平衡它波动的小型的发电厂。刚才是用户侧的港机，现在是太阳能的波动，一个是在发电侧，一个是在用户侧，这两个最后的结果都是对局部电压和频率做一个扰动。在广泛使用太阳能发电的地区，扰动会降低供电质量，对当地用户造成不利的影响。
 
　　我们这些数据在美国正在合作的项目数据，这是加州用太阳能的一个情况。2020年的目标可再生能源到33%的比例，现在太阳能不到5%，2020年10%。
 
　　这个是太阳能在24小时周期里面的一个曲线，中国的时候是最多的，早上和晚上会有一个减少。针对太阳能的使用比例增加，它就为了抑制太阳能波动和变化，它需要在发电侧做一些所谓的辅助市场上购买一些调节功率，才能响应调节太阳能波动的需求。比如说这是常规的发电，这是提前一天预订的调峰的功率，它还有一个更高峰值的需求。如果需求满足不了的话，电压会有一个迅速的降低，会产生一些跳闸的现象等等。
 
　　加州的运营商每天在市场上采购300到600千瓦来维持比例。
 
　　即使太阳比较多，但是乌云对发电影响比较大，一片乌云过来的话，在分钟内造成大功率的影响，使发电电压跌落，40%的变化很正常。这边有一个统计，99%的情况是在负35到正38的一个变化区间。
 
　　太阳能的比重增大，就造成了电网的压力。这里做一个模型，就是满足太阳能调峰，稳压的小型电厂，调整是五分钟。这里是一个用户，这个是太阳能，这个是发电厂对它功率变化的响应。电能质量满足不了，负荷会跳闸，五分钟后重置。这个模型我们推出的结论是太阳能占总的发电比20%以上，电网就变的很不稳定。这个时候我们就加了一个储能的系统在里面，储能系统在里面，这是一个储能的系统，做一个辅助它对电压的平滑。
 
　　这个模型显示20秒的储能，其实能把太阳能发电比例提升到40%。这个不是说储能的时间越长，太阳能的使用率越高，在这里可以看到，你即使做到90秒的储能，大概是八九十使用太阳能的比例，不是说时间的增长和比例的增长成正比的，20秒40%的效率相当于是最高的。
 
　　这是使用能量储存系统之后的太阳能输出，黑色是能量储存之前，这个是之后作为一个平滑。为什么说用超级电容在这里面比较合适，我们算了一下它的充放电的周期，如果按30秒的储能，夏天一天会完成8.6个完整的充放周期，很多地方是浅充浅放，要换算成8.6个完整的充放周期。结合我们产品寿命的曲线和特性，其实它可以接近20年使用寿命。
 
　　超级电容和其他的比较，这是从两个角度比较超级电容和电池其他元器件在电网中的一个性能，这个是时间和能量密度，这个是超容，几十秒之内放电的效率比较高，如果放电上千秒的话，在这里其实已经停止了，相反锂电池的话，时间延长，每放出来的能量比较多，能量密度比较大，我们放几十秒就完成了。这是能量密度，然后这个是时间寿命，我们寿命是一百万次，其他的元器件几百次、上千次。所以说同样20秒的储能，超电容要比电池小2到3倍，因为要满足大电流的放电，用电容一个就够了，体积就点小了。它的寿命比电池要长很多，可以和太阳能设备保持一致的寿命，20年。
 
　　刚才是一个原理的介绍，其实我们和加州做的项目规模不大，只有30千瓦，是在圣地亚哥分校加州大学做的，二期项目更大一些。
 
　　太阳能之外我们也在探超电容在风电和其他新能源的应用，这是简单的原理图，太阳能和风力发电。原理和刚才的差不多，做一个电压波动的平滑。这个图里能看出来，这是超电容和钠硫电池，和电池一起合作完成这个任务，能量密度比较大，长时间的削峰平谷完成，短时间的用我们超电容完成。这是简单的超电容和其他技术的比较，下面是超电容，其实是时间上的比较，秒级三分钟、20分钟、八天、3个星期，每个时间段针对时间长度不同储能继续，有的是生物能、水力发电等等，超电容是秒级和，最多三分钟的时间。
 
　　这张图是主能源设备，完成两个任务，一个是峰值功率需求，一个是持续功率需求，几个串并联就很多，要满足它的放电时间和功率。这是刚才的一个变化图，这是峰值功率，这是长时间的功率需求，这是储能源。比如说电池、电机一些其他的技术。这是超级电容，峰值功率不需要它来应付，我们来做就可以了，把它的体积缩小减少串并联。
 
　　就像我介绍的，在其他工业领域超电容用的比较广泛了，也是经过市场考验了它的质量和性能，在辅助服务商我们刚刚开始做这个市场。但是我们通过一些示范项目，已经证明它可以有效的来平滑局部电网对电压的波动，包括太阳能，包括风能。他和其他的元器件比是它的功率比较大，储能时间相对短，有些用对了场合利用它的高功率短时间充放电的性能，比电池的方案要小两到三倍。有些场合需要能量和功率，和电池简单的并联可以对系统和体积上的优化。
 
　　再就是它的寿命，因为它是物理储能，没有化学，与太阳能、风能相当的储能设备。最后希望和大家有机会合作，在系统层面上做一点事情，谢谢。
关键词：电容器 电网 智能

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