超级电容器储能系统研究开题报告.docx

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超级电容器储能系统研究开题报告

中北大学

毕业论文开题报告

学生姓名：

学号：

学院、系：

信息与通信工程学院电气工程系

专业：

电气工程及其自动化专业

论文题目：

超级电容器储能系统研究

指导教师:

2013年2月27日

毕业论文开题报告

1．结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：

文献综述

1.1课题研究背景及意义

超级电容器的发展始于20世纪60年代，起先被认为是一种低功率、低能量、长使用寿命的器件。

但到了20世纪90年代，由于混合电动汽车的兴起，超级电容器才受到广泛的关注并开始迅速发展起来。

现今，大功率的超级电容器被视作一种大功率物理二次电源，各发达国家都把对超级电容器的研究列为国家重点战略研究项目。

目前，超级电容器在电力系统中的应用越来越受到关注，如基于双电层电容储能的静止同步补偿器和动态电压补偿器等，国内外对他的研究和应用正在如火如荼地进行[1-2]。

与常规电容器不同的是它的容量可达到法拉级甚至千法拉级，且具有功率密度高，充放电速度快，寿命长，工作温度范围宽，可靠性高以及无污染等特点[3]。

超级电容器的出现填补了传统静电电容器和化学电源之间的空白，并以优越的性能及广阔的应用前景而受到了许多国家的重视。

由于超级电容器储能密度大，且能快速地吸收和释放能量，因而在光伏发电、风力发电等分布式发电系统中对提高电能质量的作用重大[4]。

当分布式发电系统出现电压波动、大电网短时间供电中断等情况时，超级电容器可快速充放电以改善负荷电压，从而保证系统的安全性和可靠性[5]。

1.2国内外发展现状

1.2.1国外发展现状

超级电容器作为一种很有应用前景的新型储能装置，在国外已有相当多的部门或机构在从事这方面的研究和创新，有部分公司还实现了产品的商业化。

目前，日本、美国和俄罗斯在这方面处于领先地位，几乎占据了整个超级电容器市场，这些国家的超级电容器产品在容量、功率和价格等方面各有自己的特点与优势，特别是日本，目前在全球的超级电容器生产总量中，日本本国生产占据了70％，如果算上日本在海外的生产厂家，其占有率超过90％，另外澳大利亚、印度以及欧共体中许多国家也在电化学超级电容器的研发和产业化方面展开了大量的工作[6-7]。

目前日本的Panasonic公司在小型超级电容器的研发和商业化方面处于领先地位，其3V1500F的超级电容器经过IdahoNationalEngineeringLaboratory检测，性能如下：

重量290g，体积693cm3，重量比能量3Wh/kg，体积比能量3.85Wh/L，等效串联内阻1.2mΩ，最大功率2.1W/kg（从3.0V放电至1.5V）。

美国PinnacleResearchInstitute（PRI）在军用超级电容器的研发和商业化方面处于领先地位,实验结果表明，当能量密度为0.6Wh/kg，RC时间常数为0.06S,95％放电的功率密度为2010W/kg，具有非常高的功率能力[8]。

美国的LosAlamosNationalLaboratory（LANL）在使用导电聚合物作为超级电容器活性材料的研究方面已经取得了进展。

LANL的研究涉及几种设计方案，目前他们的注意力集中在Ⅲ型电化学电容器上。

LANL已经制备并试验了1.9cm2的小型装置，其包装后的重量为0.25g。

0.2F装置在不同放电电流密度范围的放电性能结果表明，其电压与放电时间的关系比双层电容器更类似于电池，这归因于能量存储的准电容性。

目前原型装置的能量密度在1.8kW/kg稳定功率放电时，约为1Wh/kg。

LANL对导电聚合物的进一步研究目标是，改善性能并将其放大到大尺寸，计划未来的包装后装置能量密度，在4kW/kg恒功率放电时，为8Wh/kg。

俄罗斯的ESMA公司在大型的启动和牵引用超级电容器的研发和商业化方面处于领先地位，其主要开发的是混合型超级电容器，正极采用的是氧化镍电极，负极采用的是活性炭电极，电极的厚度比较大，电容为3000—15000F。

与其它类型的超级电容器相比较，该种混合电容器的性能非常类似于电池，在大部分应用中，充电和放电时间为10～30min，高效率放电时的峰值能量密度为300Wh/kg。

在使用氧化镍的装置中，用于充放电的能量密度取决于电压范围，工作电压为0.8—1.3V时能量密度1.5Wh/kg、工作电压为0.8—1.6V时能量密度为8—10Wh/kg。

ESMA公司研制的大型超电容已经用作莫斯科一条街道上往返行驶的公共汽车的动力电源，该公共汽车可以承载50人，每次充电时间15min，一次充电可以行驶20km，时速25km，已经稳定运行了4年[9]。

1.2.2国内发展现状

我国超级电容器的研究工作正式起步于80年代，当时在国外正处于称其为“goldcapacitors”阶段。

解放军防化研究所、电子工业部49所以及国内部分高校等都在积极地进行电化学超级电容器及其相关领域的研究工作。

目前国内对使用各种活性炭作为电极材料的超级电容器已经进行了一定的研究，并且有了小型商品问世。

对使用金属氧化物、氮化物、聚合物作为电极活性物质，借助法拉第“准电容”进行充放电反应的“超级电容器”的研究开发已经引起了我国科学工作者的关注。

大庆华隆电子有限公司是国内首家实现超级电容器产业化的公司，其产品有3．5V、5.5V、11.0V等系列：

2007年7月，北京金正平科技有限公司和石家庄开发区高达科技开发有限公司共同研究开发成功大功率超级电容器产品，其产品有14V、28V、42V、64V、96V等系列，并已开始批量生产，其技术水平已与俄罗斯相近。

但从整体来看，我国在超级电容器领域仍明显落后于世界先进水平。

我国非常重视超级电容器的发展，在国家公布的“863”科技计划——电动汽车专项中把超级电容器做为一个重点项目进行研究开发[10-12]。

总之，超级电容器是一种新型的绿色能源，其应用领域非常广泛，具有巨大的发展潜力和发展前景。

目前电动汽车的开发正在世界各地如火如荼地展开，而作为我国支柱产业的汽车工业要想飞速发展，免受国外冲击，必须采取措施加大开发力度与深度，尤其要加速车载电源的发展，而超级电容器正是混合型电动车的首选电源之一。

电动汽车对超级电容器的性能（如能量密度和功率密度等）提出了更高的要求，同时也给超级电容器提供了广阔的应用市场并蕴藏着巨大的利润。

1.3本课题相关理论综述

在提高电能质量的过程中，储能系统正起着越来越大的作用。

根据容量大小的区别，储能系统的主要作用也各有不同。

大型储能系统主要用作电力网的可调发电电源，对电力网进行控制和调节，如频率控制、备用容量控制、动态快速响应、削峰填谷调平负荷以及防止系统解列和瓦解等。

中型储能系统主要适用于大功率远距离输变电系统。

其主要功能有提高输电稳定性、维持电压稳定、抑制谐波、调节负荷等。

小型储能系统则用来调节电能质量和提高供电可靠性，其主要功能有电压控制、抑制电压波动与闪变、抑制电压下跌、瞬时断电供电等[15-17]。

超级电容器具有以下特点：

⑴电容量很大，1995年报道了电容量达2300F的超级电容器。

⑵和普通电容器相比，具有很高的能量密度。

是普通电容的10～100倍，一般可达

20～70MJ/m3[13]。

⑶漏电流极小，具有电压记忆功能，电压保持时间长[14]。

⑷充放电性能好，且无需限流和充放电控制回路，不受充电电流限制，可快速充

电，通常几十秒[18]。

⑸储存和使用寿命长，维修费用很小。

⑹使用温度范围广，可达－40℃～＋85℃。

而电池仅为0℃～＋40℃[19]。

⑺比蓄电池安全，如果短路的话，超级电容器不会爆炸[20]。

参考文献：

[1]胡毅，陈轩恕，杜砚等．超级电容器的应用与发展［J］.电力设备，2008，9

（1）:

19-22．

[2]王云玲，曾杰，张步涵等.基于超级电容储能系统的动态电压调节器［J］.电网技术,2007,31（8）:

58-61．

[3]张方华,朱成花,严仰光.双向DC-DC变换器的控制模型[J].中国电机工程学报，2005,25（11）:

46-49．

[4]劳斯佳，尹忠东，单任仲.超级电容器储能控制技术研究[J].技术，2009，33（4）:

269-272.

[5]钟海云，李荐，戴艳阳，等．新型能源器件——超级电容器研究发展最新动态[J]．电源技术，2001，25（5）：

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[6]于尔铿，谢开，韩放等.电力市场概述.电力技术，1995,3（19）:

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[7]李海东.超级电容器模块化技术的研究［D］．北京：

中国科学院，2006．

[8]孙树勤，林海雪.干扰性负荷的供电[M].北京：

中国电力出版社，1999

[9]林海雪.电力系统的三相不平衡[M].北京：

中国电力出版社，2000

[10]陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京：

机械工业出版社1998.1～26

[11]张慧妍，齐智平，韦统振．超级电容器储能直流变换器的设计［J］．电气应用，2006，25（12）:

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[12]王东．超级电容器储能系统电压均衡的研究［D］.大连:

大连理工大学，2008．

[13]唐西胜，齐智平.超级电容器蓄电池混合电源［J］．电源技术，2006（11）:

68-71.

[14]李莼，钟辉，钟海云，等.超级电容器应用设计［J］.电源技术，2004（6）:

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[l7]APSakisMeliopeulos，FanZhang．Powersystemharmomcstateestimation[J]．IEEETrans．onPowerDelivery，1994，9（3）：

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[20]DuganRC，MegranghanMF，BentyHW.ElectricalPowerSystemsQuality.

NewYork：

McGraw-Hill，1996.

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

2.1本课题要解决的问题

针对超级电容器在放电时电压不断下降，不宜直接对负载供电，通常需要在超级电容器和负载之间加入功率变换环节这个问题，分析双向DC/DC变换器的理论，建立超级电容器储能系统的直流变换模型，对不同的功率流向采用不同的控制方法，并进行仿真与实验验证，从而可提高超级电容器的能量利用率。

2.2本课拟采用的研究手段

超级电容器储能系统主电路主要包括三部分：

整流单元、储能单元和逆变单元。

整流单元采用三相全桥整流器，给超级电容器充电以及为逆变单元提供直流电能。

逆变单元采用IGBT组成的三相电压型逆变器，通过变压器与电网相联。

其工作原理框图如下：

超级电容器储能系统工作原理图

超级电容器储能系统并联在系统和负荷之间，电网通过整流器将交流电转换成直流电，再通过双向变换器（DC-DC）给超级电容器充电。

当储能系统向外供电时，双向交换器充当放电器，通过IGBT逆变器将直流侧电压转换成与电网同频率的交流电压通过变压器将能量输送回电网或负荷。

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指导教师意见：

指导教师：

年月日

所在系审查意见：

系主任：

年月日