超级电容器在微电网及分布式发电技术中的应用

薛智文，周俊秀，韩颖慧

（华北电力大学数理系，河北 保定071003）

0 引言

随着现代社会的高速发展，人类对能源的需求不断攀升。诸如石油，煤矿，天然气等不可再生化石燃料的消耗带来了环境污染、全球变暖和能源短缺的问题。为了适应发展需求，人们将目光转向可再生的绿色环保新能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能等。然而，由于这些新能源具有不稳定性，容易受到季节气候、地理位置等不可控因素的影响。因此，需要利用高效环保的能源储存装置以提高可再生能源的利用率［1-2］。目前为止，电能在人类生活中有着不可或缺的地位，且基于电能的传输，储存，转化技术也相对成熟。故而将不稳定的可再生资源转化为电能后经储能装置存储再根据需求输送到各地加以利用是目前最有效的方案［3-4］。而在各类电化学储能装置中，超级电容器（SC）借助其功率密度高、充放电速度快、循环寿命长以及稳定性良好等优点被大量研究，并且已不同程度地应用于汽车和交通运输、国防和军事、移动电子产品、电力系统等诸多领域［5-6］。

1 超级电容器的分类及其特性

超级电容器又称电化学电容器，是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。根据不同的储能机理可分为双电层电容器（Electrochemical Double-Layer Capacitor，简称“EDLC”）和赝电容器（Pseudocapacitor）。

1.1 双电层电容器

双电层电容器是通过静电电荷分离，利用在电极和电解液固液界面形成的双电层效应来实现能量的储存［7］。如图1所示，充电时，外加电路中的电子从正极转移到负极，同时电解液中的正负离子分别扩散到负极和正极，此时在极化电极与电解液的界面处的异性电荷相互吸引并定向排列，以电荷的形式储存能量。放电时，电子从负载电路的负极流向正极，形成双电层的正负离子由电极表面回到电解液中，整个体系回到充电前的初始状态。由于整个过程属于电荷的物理迁移过程，不涉及化学反应，活性材料和电解液不会被消耗，因此双电层电容器具有惊人的充放电循环寿命［8-9］。

由于双电层电容与传统电容器的储能方式相近，因此可用公式（1）计算其电容值。

式（1）中，Q为吸附电量的大小，V为电势窗口的大小，εr为电解液的介电常数，ε0为真空介电常数，d为双电层的厚度，A为电极的比表面积。

由于双电层电容器的比表面积很大且双电层厚度很小，因此其容量远远高于传统电容器。由式（1）可知，提高双电层容量的关键是提高电极的比表面积或减小双电层的厚度。实际应用中，通常是选择比表面积大，与电解液接触面积大电极材料。目前为止，双电层电容的电极材料主要是具有较大比表面积的碳材料，如，活性炭，石墨烯，碳纳米管等。

1.2 赝电容器

赝电容器又称法拉第准电容器，利用电极表面或近表面上电活性材料的欠电位沉积，产生可逆的化学吸脱附或氧化还原反应来储存电荷［9-10］。如图2所示，赝电容器储存电荷过程包括以下两个部分：1）电极表面产生的双电层储存电荷；2）电解液中的离子与电极的活性材料发生的氧化还原反应储存电荷。通常来说，赝电容器的电容值和能量密度均大于双电层电容器，在相同电极面积下，一般为双电层电容量的10～100倍。由于氧化还原反应不如静电作用迅速，因此赝电容器的充放电速度和功率密度比双电层电容器低［11，12］。

虽然赝电容储存电荷的过程中发生了氧化还原反应，但它在充放电过程中所表现的特性却与双电层电容相似。因此，赝电容器的电容值可由公式（2）表示。

式（2）中，n为氧化还原反应中转移电子的平均数，F是法拉第常数，M是活性物质的摩尔质量，V是电势窗口的大小。赝电容的电极材料主要是金属氧化物，导电聚合物以及其他可以发生氧化还原反应的化合物（比如金属有机框架，金属氢氧化物等）。

图1 双电层电容器工作原理Fig.1 Schematic diagram of electric double layer capacitor

图2 赝电容器工作原理Fig.2 Schematic diagram of pseudocapacitor.

1.3 超级电容器的特性

超级电容器与其他储能器件相比（如表1 所示），具有以下优点［13］：

1）功率密度高；

2）充放电速度快，通常只需几秒到几百秒即可充满；

3）循环寿命长，其循环次数可达数十万次；

4）工作电压范围大，可在其额定电压范围内任意更改；

5）工作温度范围宽，可在零下40 ℃的低温环境下正常工作；

6）安全性能好且绿色环保。

表1 超级电容器与二次电池的性能比较Table 1 Performance comparison between supercapacitors and secondary batteries

2 电容器在微电网及分布式发电技术中的应用

传统电力系统存在的灵活性差、局部事故易扩散等问题推动了智能电网的发展。智能电网结合大电网与分布式发电，能够提高电力系统的稳定性和灵活性并有效降低投资、能耗。作为智能电网中的关键技术之一，以风能、太阳能等可再生资源为基础的分布式发电在大规模并网运行时同样存在着一些问题。因此，提出了微电网这一概念以提高分布式发电的效率。

2.1 微电网

微电网（Micro-Grid）也译为微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。该系统既可以并网运行又可以离网孤岛运行，能够为无法使用主电网的偏远地区供给电能。因此，开发和研究微电网有利于分布式电源和可再生能源的大规模接入，对改变和完善供电结构有着重要作用［14，15］。储能装置是微电网的重要组成部分，其作用有：1）提供短期功率补给；2）作为能量缓冲设备，实现对能量的“削峰填谷”；3）提高微网电能质量，平抑微网内功率波动。确保微网运行安全可靠、灵活高效［16-17］。因此对微电网中储能装置的研究不可忽视。

与其他储能设备相比，SC 由于其功率密度大、充放电速度快，因此能够为微电网提供短时供电。微电网存在并网运行和孤网运行两种运行模式。正常情况下，微电网与常规配电网并网运行，微电网中的功率波动通过大电网得到平衡；当电网故障或电能质量不满足要求时，微电网与电网断开独立运行，SC 能够快速为微电网供电以弥补电力短缺，保证两种模式的平稳过渡［18-20］。

超级电容器也可作为微电网的能量缓冲装置。由于微电网的负载始终在发生波动，且微电网规模小系统调节能力差，极易受到电网及负载波动的影响。为了满足峰值负载供应，可用SC进行峰值负荷调整。在负载低时储存多余电能，负载高时反馈到微电网以满足功率需求。此外，SC不仅能有效降低微电网中的瞬时功率扰动，而且充分利用低负载时的电能，提高微网能量利用效率。Bharath K.R.等人［21］提出了一种将微电网与储能结合的通双向转换器控制方法，如图3 所示，两个DC/DC 转换器分别连接可再生能源（RES）和SC以及分布式电阻负载，各种分布式发电机为公共的直流总线供电，该总线与充当浪涌电源的SC储能系统相连，通过设计24 V下垂控制直流微电网，将SC的输出电流与参考电流进行比较、电感器电流与电感器可承受的标准电流比较后通过控制器控制，可以实现如果电网电压大于24 V，SC 将会吸收电量，如果低于24 V，SC将会供电。从图4可以明显看出，在负载转换过程中，SC 会暂时供电给电网。因此，该系统能够在负荷突然变化时满足电力需求，补偿由于负载或电源瞬变而发生的功率振荡。Sanjeev等［22］通过连接SC作为直流链路电容器，如图5所示，在电源/负载的动态波动下平稳调节总线电压，相比图6所示的传统结构，消除了额外的转换器和其他辅助元件，使直流母线电压对所有模式的过渡更加严格，对该系统的测试结果表明，这种模式下的直流微电网可靠稳定且更具经济效益。故而SC的引入可以改善微网功率质量，并改善分布式发电机或分布式储能元件的使用寿命，增加更多的成本效益。Zheng 等［23］在PSCAD 中建立了基于Goldwind微网工程拓扑结构的微网模型。分析了微电网在系统故障状态、有无SC 状态下的暂态电能质量。在此基础上，分析了在传输方式下SC对暂态电能质量的改善。通过仿真结果表明，储能系统能显著提高微电网系统的稳定性。

图3 建议的微电网配置示意图Fig.3 Schematic diagram of proposed microgrid configuration

图4 含有SC的整个系统的响应[21]Fig.4 Overall system response with supercapacitor[21]

图5 Sanjeev等提出的改进结构图Fig.5 The improved structure proposed by Sanjeev et al

图6 传统的结构[22]Fig.6 Conventional structure[22]

此外，将SC与其他二次电池联合应用于微电网具有良好前景。比如SC 和锂离子电池相结合的储能系统，不仅具备SC超高功率密度和快速吸收释放大功率电能的优点，还表现出锂离子电池超高的能量密度。早在2015 年，德国可再生能源系统开发商和分销商FREQCON 开发出一套利用Maxwell 超级电容器和锂离子电池的储能系统，并为住宅电网和工业电网提供电力。该系统能够解决可再生能源高渗透率带来的电力间歇性中断问题。Arunkumar 等人［24］分析了电池-超级电容器混合储能系统（HESS）在直流微电网中的功能。如图7 所示，该系统通过两个双向升压转换器连接到负载，电池转换器有充电和放电两种工作模式，直流母线的任何稳态缺陷将由电池提供。基于升压变换器不稳定特性设计了双向变换器，SC变换器具备基于直流母线瞬变的双向功率特性。如果负载增加，由于电池需要更长的时间来放电，SC 将提供瞬态电源。同样，如果负载减少，额外的电流将被SC 用于充电。转换器使用了内置内部二极管的MOSFET 开关，这有助于它们在两个方向上进行导通。由于变换器的输出电容并联在负载上，因此可以认为是单个电容。小信号模型结果表明，电池负责提供稳态功率，而SC 则提供了瞬态功率。通过使用SC，减少了电池处理的瞬态电流，以此延长电池工作寿命。此外，该储能系统可以改善整体负载性能。

图7 超级电容器-电池混合储能系统[24]Fig.7 Battery-supercapacitor HESS system[24]

Ebrahim 等人［25］设计了一种超级电容器-电池混合储能系统，如图8所示，通过对SC进行适当的设计，根据离散傅里叶变换（DFT）方法分解风力涡轮机（WT）输出功率的频率分量确定其尺寸，以减轻电池微循环。使用电源管理策略，使用过滤方法在电池和SC之间正确分配微网所需的功率。SC 被控制以补偿WT 的生成功率中可用的高频元件。通过使用这种方法，微循环从电池中去除，电池使用寿命延长，从长时间看来可以降低大量设备成本。

图8 超级电容器-电池的电路拓扑和微网连接示意图[25]Fig.8 Battery-supercapacitor topology and grid connection[25]

Li 等人［26］还提出一种基于超级电容器储能型模块化多电平变换器（modular multilevel converter，MMC）的分布式储能系统，这种变换器的电路拓扑如图9所示，其回路与传统MMC 结构类似。该电路拓扑由3 个共母线平行相单元组成，每个相单元分为上下两个桥臂，每个桥臂由n个子模块和1个桥臂电感串联组成。其中：Udc为系统直流母线侧电压，ipa、ipb、ipc分别为各相上桥臂电流；ina、inb、inc分别为各相下桥臂电流；ica、icb、icc为MMC-SC输出电流；Ua、Ub、Uc为输出电压。与传统MMC 不同的是，此电路拓扑中每个超级电容器通过双向DC/DC 变换器并联到每个子模块SM 的直流端，子模块采用半H 桥结构，如图10 所示。因此每个子模块都可以作为一个分布式储能单元具有吸收或释放有功功率的能力。这种将上下桥臂电感的连接点作为交流输出端的设计可以通过调节上下桥臂子模块的投入数量实现交流电压输出。当负载伴有有功功率冲击时，MMC-SC便会立刻响应系统的需求，控制储能超级电容快速充/放电，从而维持子模块电容电压稳定，提供暂态过程的有功功率补偿。SC 通过双向DC/DC变换器连接到MMC 中组成分布式储能系统，可以将SC的储能优点和MMC的在大功率场景应用的优越性结合起来，能够有效解决中、高压系统中存在的频繁有功冲击的问题，也为微电网奠定了一定的基础。

图9 MMC-SC电路拓扑Fig.9 Circuit topology of MMC-SC

图10 子模块电路拓扑[26]Fig.10 Circuit topology of sub-modules[26].

2.2 风力发电

近年来，超级电容器作为风力发电系统的储能系统已经得到广泛应用，由于高效、低维护、少污染等优点，风力发电成为发展最快的可再生能源发电技术之一，能够有效缓解能源枯竭和环境污染等问题。然而自然界中的风是不可控的，时时刻刻处于波动状态的风速影响着风力发电机组的输出功率和与之相连的电力系统的电能质量［27-29］。而SC 在风力发电系统中可以发挥如下作用：当风速较高，风力发电多而电网负荷小时，SC 快速将电能储存，在风力发电少电网负荷较大时，则释放电能驱动发电机组工作以满足电网需求［30］，并且能够在风力发电机狭小的有限空间内工作，因此SC在实际应用中具有明显优势。

早在2016 年，中国国电集团利用Maxwell 超级电容器模块为风电场储能示范项目的主要核心元件，成功通过系统调试后成为第一个应用于中国风力发电场中的兆瓦级超级电容器储能系统。该系统利用了1 152个额定电压为52 V，容量为130 F，运行寿命长达20 a 的SC 模块，总容量为1 MW×2 min，有效弥补了锂电池在平抑风电场瞬时大功率波动方面的不足。

为了进一步提高风力发电机中SC 的使用效率，Zhang等人［31］提出了一种基于超级电容器和电池复合储能的直驱风电系统的功率控制策略，该方案可以抑制风电功率波动，并且满足直驱风力涡轮机与永磁同步发电机低电压穿越的要求。利用这种控制策略，风力发电机输出功率将会变得平滑，风力发电系统也能够在网侧故障情况下降低严重的电网扰动。该系统的电路拓扑如图11 所示，其中包括风力涡轮机、永磁同步发电机（PMSG）、三相二极管整流器、升压电路、电压源变换器（VSC）和通过两个双向DC/DC变换器分别与直流母线相连的电池/超电容器混合储能组块。在该系统中由于超电容器组功率容量大、充放电率高和寿命长，可以被用于平滑高频成分。在电网故障时，还可以利用超级电容器组吸收因网侧变流器输入输出功率不平衡而产生的直流母线较大的冗余功率来保持直流链路电压恒定。该研究小组通过模拟仿真证明了该系统确实可以有效提高系统的整体效率。

图11 基于超级电容器-蓄电池复合储能的并网永磁直驱式风力发电系统[31]Fig.11 Directly-driven wind generation system with the hybrid energy storage[31]

Doaa M.等人［32］利用超级电容器可以提高双馈感应风力发电机（DFIG）中的穿越故障（FRT）性能，通过DC/DC 转换器将SC 连接在直流链路上，并用PSCAD/EMTDC软件进行仿真，当没有SC接入时，发电机端电压降至0.12 pu，这个值低于世界上大多数电网代码［33］所规定的最低电压水平，意味着涡轮机必须与电网断开。然而，通过在直流链路上接入SC，可以清楚地看到发电机端子处的最大电压降为0.27 pu，如图12所示这时涡轮在故障情况下仍将连接到电网。DFIG 在故障时产生的线路电流如图13 所示，在接入SC 后故障瞬间电流降低到没有接入SC 最大电流的近70%。并且在故障清除后，它更快地返回其标称值。他们还对其产生的有功功率和无功功率进行了研究，如图14-图15所示，在故障发生之前，DFIG的发电量为0.6 pu。故障发生后，有功功率降至约为零，说明故障结束时已无输送功率。故障清除后，产生的有功功率开始增大，直至达到故障前值。使用SC 后对有功功率分布没有显著影响，但故障清除后的有功功率恢复到初始值的速度要比不使用SC时快。电网发生故障之前，无功功率测量值为零，0.1 s故障消除后，发电机吸收一定的无功功率，恢复正常运行。在不使用SC 的情况下，这个量约为1.0 pu，在SC 接入后下降到只有0.4 pu 左右。因此，可以看出SC 对提高DFIG 的穿越故障性能和动态性能有较好的效果。

图12 有和没有使用超级电容器的三相故障期间双馈风力发电机端子处的电压Fig.12 Voltage at the DFIG terminal during a three-phase fault with and without using supercapacitor

图13 有和没有使用超级电容器的三相故障期间双馈风力发电机的定子电流Fig.13 Stator current of the DFIG during a three-phase fault with and without using supercapacitor

图14 有和没有使用超级电容器的三相故障期间双馈风力发电机的有功功率响应Fig.14 Active power response of the DFIG during a three-phase fault with and without using supercapacitor

图15 有和没有使用超级电容器的三相故障期间双馈风力发电机的无功功率响应[32]Fig.15 Reactive power response of the DFIG during a three-phase fault with and without using supercapacitor[32]

Nissan等人［34］将超级电容器安装在基于永磁同步发电机的风能系统上，如图16 所示。经过接入SC 和不接入SC的模拟测试，结果表明，SC的接入与否对电源侧和网侧的电压电流波形没有太大影响，但是在测试有功功率和无功功率的过程中两者表现的情况开始不一样，接入SC 的情况中，电流波动明显小于不接入SC的情况，因此与不使用SC的情况相比，在风能系统中添加SC可以改善系统的动力学性能，并使系统在故障条件下更加稳定，受到风切变和塔影效应的影响更小。

图16 基于永磁同步发电机的超级电容风能系统模型[34]Fig.16 Proposed model for permanent magnetic synchronous generator based wind energy systems with supercapacitor[34]

超级电容器在Yan等人［35］提出的基于变功率点跟踪和SC 储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略中也扮演着重要的角色，SC参与系统一次调频配置如图17 所示，SC 经过双向DC-DC 变换器与双馈风电机组的直流侧母线电容相连接。其中Ps、Pr和Pg分别为定子侧向电网输出的功率、为风电机转子流向转子侧变换器的功率和网侧变流器流向负载的功率，Pscss储能装置提供的补偿功率，Q表示存储的实际电荷量。这种通过在双馈风电机组直流侧母线电容上添加储能装置，相比于传统的超速减载控制，其风能利用率、输出功率都会大幅度提高，且传统控制的减载率越大，该调频控制的发电效益提高得越明显。但需要考虑实际超级电容模组的成本和放电效率等问题，因此设计一套最高放电效率下成本最低的超级电容储能装置是有必要的，这为储能装置在新能源机组渗透率逐渐加大的背景下提出了新的应用思路。

2.3 太阳能光伏发电

图17 双馈风电机组的储能配置示意图[35]Fig.17 Energystorage configurationof doubly-fed induction generator[35]

由于含量丰富、无污染、可持续性等优点，太阳能成为极具潜力的可再生能源之一。太阳能发电包括光伏发电和太阳热能发电。目前光伏发电系统主要分为独立系统，并网系统和混合系统三类。其中，独立光伏发电系统是指不与常规电力系统相连的孤立发电系统，整个系统完全依靠太阳能转化得来的能量运作。该系统具有结构简单，转换链少，能量利用率高等优点，因此受到广泛关注［36］。但太阳辐照度具有不稳定性，光伏发电系统独立运行成为一项艰巨的任务。因此，有必要加设储能系统，在储能设备中，电池是一种具有更高储能密度的有前途的解决方案，但是典型的铅酸电池、锂离子电池、镍镉电池等储能设备存在一些不可避免的问题，比如工作寿命短，维护费用高，环境不友好，不能提供瞬时大功率电能［37］。而SC的引入令这些问题迎刃而解。

基于SC 的储能系统能够及时释放或者吸收光照或者负荷波动所带来的功率缺额或功率过剩，维持光伏发电机组的稳定，因此SC在光伏发电系统中大受欢迎。例如，Cabrane等人［38］提出了一种超级电容器和电池混合储能系统，如图18所示，系统包括光伏板，可收集受天气波动影响的可变能量；该光伏板连接在声压转换器上，中间有MPPT控制算法参与，可识别最大功率工作点。双向降压-升压转换器，用于将电池和超级电容器混合储能系统（HHSS）连接到直流母线，其中电池设计用于存储光伏能量，之后可根据需求使用，SC 用于提供和吸收具有快速动态的显著能量。实验组通过给光伏板一定的光照来模拟自然情况下的光照波动，这时观察到两种情况的电流变化如图19 所示，在没有SC接入的系统中电池电流表现出明显的峰值，而接入SC 的系统，由于使用能量分配和能源管理策略，电池电流峰值将不再显著，而形成一个指数形式的缓慢变化过程。实验结果表明，同电池储能系统相比，在光伏发电储能系统中加入SC 可以消除电池的峰值电流，降低电池的压力，延长电池的使用寿命，从而可以降低新系统的运行和维护成本。

图18 含有超级电容器的光伏储能系统示意图Fig.18 Schematic diagram of photovoltaic energy storage system containing supercapacitors

图19 有SCs和无SCs的光伏储能系统仿真结果比较[38]Fig.19 Comparison of simulation results of photovoltaic energy storage system with supercapacitors and without supercapacitors[38]

Yang等人［39］也提出了一种用基于超级电容器的光伏微电网混合储能控制方案，该方案所设计的混合储能系统可在并网和离网两种模式下有效使用。相比于之前的储能装置只能以一种模式运行的设计提高了适用性，如图20所示，PV为光伏板模块，L和S、D1构成升压电路，蓄电池用作能量存储元件，Lb与S1b、S2b组成双向DC/DC 电路，Cdc为直流母线侧的稳压电容器，SC 为超级电容器储能元件，电感Lsc与S1s、S2s构成双向DC/DC电路，RLoad为微网系统的负载，T1～T6构成电压源转换器，L1、L2与Cf构成LCL 滤波电路，公共耦合点（Point of CommonCoupling，PCC）控制着微网与电网的连接，Zg为网侧阻抗。蓄电池和SC与双向DC/DC电路构成了混合储能模块，调节整个系统，保持微网稳定运行。

此方案设计允许当系统离网运行时，SC可快速补偿可再生能源和负载功率的随机变化引起的瞬态功率波动，蓄电池处理缓慢变化的平均功率波动，快速恢复直流母线电压稳定。在并网模式时，针对暂态过程中微电网输入功率和负载的变化，在传统并网的电压电流双闭环调控系统中加入蓄电池和SC 电流控制环，利用蓄电池调节并网电流的平均分量，且根据SC快速充放电特性，补偿了由蓄电池系统因响应慢而引起的误差功率和瞬态功率波动，提高了直流母线电压的动态响应；并网运行下通过加入蓄电池组和超级电容器的电流控制环来抑制并网电流的脉动，从而提高微网的并网电能质量。

图20 光伏微网混合储能电路整体结构图[39]Fig.20 Overall structure diagram of photovoltaic microgrid hybrid energy storage circuit[39]

随着分布式并网光伏逆变器总功率的增加，光伏系统带来的功率波动将变得严重，甚至影响电网的稳定性。为了缓解这一问题，Xiong 等人［40］将SC 加入到逆变器中（如图21 所示），使之承担无功有功功率，补偿有功功率波动，由于SC比电池更适应快速充电和放电操作，因此它似乎更适合在此类系统中使用。在图21（a）所示的系统中，所有光伏模块串联起来形成一条长串，这有助于获得相对较高的直流电压，但因只能使用统一的最大功率点跟踪（MPPT）控制，因此会造成效率损失。如果级联H桥（CHB）光伏逆变器对每个光伏电池应用超级电容器，电路拓扑将变得过于复杂和昂贵。而图21（b）所示的系统为超级电容器使用额外的直流交流转换器。这时超级电容器的两阶段转换将降低效率。此外，直流-交流转换器应使用高压器件，并且只有少量输出电平和大量的谐波。为了解决前面提到的设计缺陷，该实验组提出了如图21（c）所示的方案，通过H桥逆变器将SC依次连接到逆变器的交流输出侧，由于SC 仅使用一个H 桥逆变器连接到系统，并且所有H 桥都使用低压设备，因此整个逆变器将会有多个输出电平，实验结果表明，在SC 容量足够的情况下，该方案能有效地消除串联光伏逆变器的功率波动。

图21 有超级电容的光伏发电系统Fig.21 Structuresof PV systemwithsupercapacitor

Wu 等人［41］也设计了一种包含SC 的控制系统，如图22 所示，该控制电路包括光伏发电模块、最大功率点跟踪转换器、升压转换器、超级电容器组和微控制器。在该系统中，将10组由6个并联的超级电容器串联组成27 V，30 F的超级电容器组。针对光伏发电，进行了SC 的充电和放电测试。试验结果表明，当SC 的初始电压为19.6 V 时，正常工作的光伏系统在电压下充满电，充电时间约为76 s。如果光伏系统中发生临时电源中断，SC 仍能够为负载提供能量，保持负载约49 s。因此SC 作为储能装置控制系统，可以有效地改善间歇发电输出和电压不稳定的问题，保证光伏发电系统的电能质量，并且保证供电的连续性，可减少偶然故障引起的断电现象。

图22 包含超级电容器的控制系统原理图[41]Fig.22 Schematic diagram of the control system including the supercapacitor[41]

3 结语

综上所述，作为一种安全环保的新型储能设备，超级电容器具有充放电速度快、功率密度大、工作寿命长、工作温度范围宽等诸多优点。且超级电容器能够为微电网提供短期能量，大大提升电能质量，稳定系统电压并平衡功率。在可再生能源发电技术中，它不仅充当备用电源，维持系统与大电网的功率保持一致，还能够在短时间内应对风速、光照或负荷的变动，维持发电机组的稳定。此外，将超级电容器和电池结合也能够在电网技术中发挥优良的性能，同时还可以减少了投资成本。随着超级电容器技术的进一步发展，能量密度会进一步提高，它将逐步取代需要频繁更换的蓄电池，并且家用储能系统也大有可能会实现。加上电网技术和智能互联网的高速发展，区块链技术也将参与其中，未来电能使用交易将会更加便捷、更加人性化。