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超級電容范文1
引言
電梯的存在是一把雙刃劍，它在為人們的生活帶來便利的同時也所帶來了一定的負面影響。一方面，自從有了電梯之后，人們越來越依賴它，這就造成了越來越多的人懶得去爬樓梯，使人們每天的活動量大大縮減，嚴重影響了人們的健康狀況;另外，電梯的使用也帶來了巨大的能耗，因為電梯需要24小時不間斷的運行，不能像電燈一樣，用的時候打開，不用的時候關閉。所以，越來越多的人開始倡導走樓梯，減少電梯的使用，和研究電梯的節能技術。下面就簡要介紹電梯的組成和工作原理，超級電容的含義和特點以及超級電容儲能電梯節能技術的具體應用。
一、電梯的組成和工作原理
電梯作為一種特殊的垂直升降機，它的動力由電動機來提供，主要作用是在運輸貨物或是在建筑中承載人。電梯可以分文兩種，一種為廂式，另一種為臺階式，也就是人們說的自動電梯。 電梯作為一種固定式的快速升降裝置，主要應用于高層建筑中。
電梯的主要部分是轎廂與廳門、導軌、曳引機、安全裝置、對重裝置、信號操縱系統等。這些重要組成部分被安裝在高層建筑預留的的井道和設備機房中。電梯在運行的過程中，一般會用鋼絲繩進行機械摩擦傳動，鋼絲繩通過曳引機上的滑輪，然后在鋼絲繩的兩端分別連接上轎廂和對重裝置，最后，電梯的電動機來驅動曳引機，使曳引機上的滑輪轉動，引導轎廂不斷地升或降。
二、超級電容的含義和特點
超級電容即超級電容器還可以稱為電化學電容器，它是近代逐漸發展起來的一種全新的能量儲存裝置。它是傳統電容器，又是電池，它既能夠吸收電能，又可以發電，是一種特殊的電源，它用來儲存能量的裝置與傳統的化學電源不同，它是的裝置是具有氧化還原性質的假電容的電荷和雙電層。
超級電容所具有的主要優點是：瞬間功率高，最高可以達到可達5000W/KG，相當于10塊電池的電功率;充電、放電的時間很短，要達到超級電容額定容量的95%，最短只需要大約10秒;使用壽命長，超級電容的使用次數最多可以達到50萬次，而且超級電容沒有“記憶效應”;適應性強，超級電容可以在-40℃～+70℃的溫度范圍中進行正常工作;放電、充電的能力極強，與普通的電池或電容器相比，它的能量轉換率極高，在超級電容運行過程中，能量的損失很小;產品的原材料、超級電容的使用、超級電容的回收處理過程都沒有污染，是一種現在所倡導的綠色環保電源。
三、超級電容在電梯節能中的應用分析
（一）超級電容在電梯節能設備中的主要工作原理
超級電容在電梯節能設備中的主要工作原理是：當電梯運行的過程中，電梯的電機會不斷的釋放出大量的再生能源，這時就是超級電容起作用的時候，超級電容將電梯電機所釋放出來的能量進行儲存，使超級電容具有可以充電的作用。當超級電容的電充滿之后就會停止對能量的吸收。這種方式既可以實現再生資源的充分利用，又不會對電網，電梯元件造成損壞。
（二）超級電容放電狀態的時間確定
超級電容不僅可以用來吸收電梯時放的再生資源，還可以對電梯進行放電，為電梯提供動力，推動電梯運行。超級電容主要為電梯的開始到勻速這段時間進行放電。當電梯開始啟動運行的時候，就可以將超級電容與電梯直接連接為電梯的運行提供電力，當電梯達到勻速運動狀態時，再用預定電網將超級電容從電梯直接供電系統中替換出來，對超級電容進行充電過程，如此循環往復。
電梯運行過程中的速度變化是超級電容具體放電時間確定的依據，超級電容的具體放電時間主要受電梯的啟動時間，加速時間的影響。作為超級電容的選型參數，它影響著超級電容的電容量水平和超級電容的價格。對于超級電容來說，放電時間越長，超級電容的電容量就越大，價格也就越貴。
（三）超級電容的工作選擇
因為超級電容頻繁的儲電和放電會消耗大量的能量，考慮到超級電容和電梯的使用頻率和使用次數，工作人員適當的減少了超級電容和轉換器電機之間工作電壓的差值，通過這種方法可以減少超級電容儲電和放電而消耗得大量能量。另外，考慮到超級電壓壽命的問題，超級電容的電壓會被調整在額定電壓到一半額定電壓這一范圍內。因為，一般的情況中，電梯一年大約會運行18萬次，電梯的壽命在12年左右，那么電梯在它的運行壽命中總共會運行大約260萬次，而在這期間，超級電容的充電和放電次數各占一半。但是，就目前的技術來說，超級電容深度充放電循環使用次數最高為50萬次，所以為了在減少能量損耗的前提下最大限度的提高超級電容的壽命就需要將超級電容的工作電壓設定在額定電壓到一半額定電壓這一范圍內。
（四）超級電容器組均壓裝置
因為受到目前技術的限制，在制作超級電容的時候很難能夠使超級電容單體之間完全的相同，在單體內部的電阻等方面就存在著很大的差異，而且這種差異的存在也會造成單體串聯或并聯時分壓不均的現象，就會進一步使超級電容中單體的使用壽命大大縮減，從而影響超級電容的整體壽命和工作效率。為了保證超級電容的使用壽命，使超級電容內部的每一個單體都最大限度的發揮自己的作用，就需要在超級電容中安裝一個平衡電壓的裝置，保證單體之間的電壓相同。
四、超級電容工作下的電梯節能系統的優點
第一，與傳統的電梯系統相比，在具有超級電容工作下的電梯系統更具有節能的特點，它可以對電梯電機產生的再生能源進行儲存，并再次轉換成電能用于電梯的啟動和加速狀態。
第二，將超級電容作為儲能的裝置可以減少再生能源的流失。因為超級電容具有極高的功率，尤其是瞬時功率。這樣在一定程度上可以減少再生能源的流失，提高能源的利用率。
第三，超級電容儲存的電能可以直接供給電梯使用，無需再通過固定的電網傳送，這樣可以減少不必要的電量損失，減少對電網的影響。
結語
總而言之，超級電容因其功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、超低溫特性好等優點而在電梯節能中得到了廣泛應用。但是，對于“將超級電容應用于電梯節能技術中”這一觀點仍具有巨大的發展空間，這需要人們繼續的不斷探索，從而促進電梯節能技術的發展。
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基金項目：國家自然科學基金資助項目（61203031）
作者簡介：舒大松（1962-），男，湖南長沙人，湖南廣播電視大學副教授，中南大學碩士生導師
通訊聯系人，Email：
摘要：采用超級電容儲能配合光伏并網系統實現其低電壓穿越功能，在電網電壓跌落時，并網逆變器直接功率控制（DPC）的有功參考根據電網電壓跌落程度進行給定，同時通過控制雙向DC/DC變換器將直流母線側多余能量存儲于超級電容，以平衡逆變器兩側的功率，維持直流母線電壓穩定.最后通過仿真驗證了采用超級電容儲能的協調控制方案的有效性和可行性.
關鍵詞：光伏發電系統；超級電容；雙向DC/DC變換器；直接功率控制（DPC）；低電壓穿越（LVRT）
中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A
Research on the Low Voltage Ridethrough of Gridconnected
Photovoltaic System Based on Supercapacitor Energy Storage
SHU Dasong1.2， HUANG Zhixiong1， KANG Lun1， CHEN Shiming1
（1.School of Information Science and Engineering， Central South Univ， Changsha，Hunan410075，China；
2. Department of Mechanical and Electrical Engineering， Hunan Radio & TV Univ， Changsha，Hunan410004，China）
Abstract：In order to realize the LVRT of the PV power system by using supercapacitor energy storage during the grid voltage drop， the active power reference of the DPC according to the grid voltage sags are given， at the same time by controlling the bidirectional DC/DC converter with voltage and current dual loop， the DC side of excess energy stores in supercapacitors， in order to balance the power on both sides of the inverter and to maintain the DC bus voltage. The proposed scheme is proved to be feasible and effective in MATLAB/Simulink.
Key words：photovoltaic power systems； supercapacitors； DC/DC converters； direct power control； low voltage ridethrough（LVRT）
隨著光伏發電并網系統滲透率不斷加大，對局部電網安全穩定運行的影響也越大，這就給光伏發電的并網運行帶來了更大的挑戰[1-3]；當電網發生短時故障時，如果大量的光伏發電系統脫離電網會影響到電網的穩定運行，嚴重的還可能使局部電網崩潰，造成較大面積供電中斷，由此電網規定了光伏發電系統并網要具備一定的低電壓穿越（LVRT）能力[4].目前借鑒于風力發電低電壓穿越標準，許多新能源發電技術較發達的國家針對光伏并網系統也提出了相應的低電壓穿越準則，定量地規定了電網電壓跌落時光伏發電系統脫網的條件，以及電壓恢復后有功功率的恢復速率，同時在電網電壓跌落過程中需提供一定的無功功率以支撐電壓恢復.介于中國光伏發電容量逐年增大，國家電網公司制定了光伏并網系統低電壓穿越的標準，要求并網點電壓跌落至20%額定電壓時光伏發電系統保持并網運行625 ms不脫網.本文針對實現光伏并網系統的低電壓穿越能力，通過借鑒風力發電中的低電壓穿越技術，提出了一種基于超級電容儲能的光伏發電系統低電壓穿越技術方案，同時光伏并網逆變器采用直接功率控制，保證控制的快速性；當電網電壓發生跌落時，通過控制雙向DC/DC投入超級電容平衡逆變器兩端功率[5-11]，同時與并網逆變器的控制相協調，穩定住直流母線電壓，使得并網輸出電流不過流，并且改進并網控制策略，根據電壓跌落深度發出一定無功功率以有助于電網電壓恢復，最后通過仿真分析可知，與常規控制策略相比，采用改進控制策略能夠實現光伏并網系統的低電壓穿越功能.
1系統拓撲與數學建模
1.1光伏并網系統結構
如圖1所示，兩級式光伏并網發電系統包括光伏陣列、Boost電路、并網逆變器、L型濾波器以及隔離變壓器，同時超級電容通過雙向DC/DC變換器與系統的直流側母線并聯.
1.2L型并網逆變器數學模型
L型并網逆變器如圖2所示，在三相平衡情況下列出A，B，C三相狀態方程為：
ua
ub
uc=-r1ia
ib
ic-L1ddtia
ib
ic+ula
ulb
ulc.（1）
在dq兩相旋轉坐標系下可表示為：
ugd=-r1igd-L1digddt+ωnL1igd+ugd1，
ugq=-r1igq-L1digqdt-ωnL1igq+ugq1.（2）
式中：下標g表示并網側量；r1和L1分別為進線電阻和電感；ωn為與電網頻率同步的角速度；ugq的值為零.
由此可知，流過并網逆變器的有功功率和無功功率可以表示為：
Pg=32ugdigd，
Qg=-32ugdigq. （3）
1.3直流母線側數學模型
對于光伏并網逆變器的直流側，其直流側電容存儲的能量可表示為：
Wdc=12CdcU2dc.（4）
忽略發電系統轉換功率的損失，設兩級式光伏并網系統由Boost變換器流向直流側的功率為PPV，從直流側流向并網側的功率為Pg，同時直流側流向超級電容的功率為Psc，則流向直流側電容的功率有：
dWdcdt=CdcUdcdUdcdt=PPV-Pg-Psc. （5）
1.4超級電容器等效數學模型
超級電容突出優點是功率密度高、充放電時間短、循環壽命長以及工作溫度范圍寬，比較適合短時充放電，基于上述優點可以很好地滿足當電網發生故障時對功率平衡控制的要求.由于受分布參數的影響，超級電容的精確模型較復雜，由一個理想電容和一等效串聯電阻組成.
超級電容一般單體電壓較低（2.5～2.7 V），因此儲能單元由多個超級電容單體串并聯組成以滿足容量需求，本文由一個理想大電容代替；考慮到存儲能量和功率傳輸兩方面要求，儲能總容量可表示為[9]：
E=N2Cunit（V2max -V2min ）≥Esc.（6）
式中：N為超級電容單體個數；Cunit為單體容量大??；Vmax 為超級電容耐壓最大值；Vmin 為其允許的最低電壓值；Esc為電網電壓跌落時所需吸收的能量.
大放電流情況時由于超級電容串聯等效電阻影響，根據最大功率傳輸定律可得到其最大吸收功率為：
Pmax =NV24Rsc≥Psc. （7）
超級電容充電到最大電壓Vmax 時，仍能保持額定功率充電，Vmax 則需要滿足：
Vmax ≥2RscPsc/N. （8）
將式（8）代入式（6）可得N的限制條件為：
N≥2Esc/Csc+4PscRscV2max .（9）
2 基于超級電容的雙向DC/DC變換器與逆變器的協調控制
為解決直流母線電壓過壓與并網輸出電流過流的矛盾，滿足在電網電壓發生跌落時，能夠同時達到符合要求的性能指標，則需在光伏并網發電系統的直流母線側并聯一個儲能裝置，以便在電網電壓跌落時平衡并網逆變器兩側的功率，使得直流母線電壓穩定且并網輸出電流不超過限定值，從而有利于光伏并網低電壓穿越功能的實現.
本文主要研究在低電壓穿越過程中直流母線電壓過壓、系統動態無功支撐和并網輸出電流過流的問題，當系統工作在額定功率狀態時，電網電壓發生較嚴重的三相對稱跌落，為使并網輸出電流不過流，根據電網電壓跌落程度相應減小并網輸出功率Pinv，若忽略變流器的功率損耗，直流母線電壓的動態方程為：
PPV-Pinv-Ps=12CdV2dcdt.（10）
在故障過程中，由超級電容儲能系統代替并網逆變器對直流母線電壓進行控制，為平衡并網逆變器2側功率，吸收直流側剩余功率Ps，保持直流母線電壓穩定；而并網逆變器通過直接功率控制（DPC）可以更加快速準確地控制并網輸出功率，其并網逆變器的控制包括常規控制器和故障控制器2種，根據電壓跌落來進行切換.圖2為雙向DC/DC變換器與網側變換器協調控制框圖.
2.1雙向DC/DC變換器控制
在故障過程中，并網逆變器控制很難有效控制直流側母線電壓，嚴重時會使直流母線電壓過壓，擊穿直流側母線電容；而超級電容不會受電網電壓變化的影響，通過雙向DC/DC變換器對超級電容充放電的控制能有效地穩定直流母線側電壓.本文雙向DC/DC變換器采用電壓電流雙環控制，由于電壓跌落引起并網逆變器兩端功率不平衡，從而使直流母線電壓升壓，當電壓值超過參考值時，變換器工作在Buck模式下，對超級電容進行充電，功率由直流側流向超級電容，從而穩定住直流母線側電壓.圖3為變換器雙環控制框圖.
2.2并網逆變器控制
并網逆變器控制采用直接功率控制策略[12-13]，能夠在電網電壓發生跌落時，快速有效地對功率進行控制，且控制策略結構簡單易行.圖4為并網逆變器的控制流程圖，根據電網電壓的變化，進行常規控制器和故障控制器的切換.
當電網電壓發生三相對稱跌落時，需要光伏發電系統向電網提供動態無功功率補償，以有利于電網電壓恢復，此時，并網逆變器切換到故障控制方式，同時直流母線電壓由如圖3所示儲能系統控制，不僅根據電網電壓跌落深度發出相應的有功功率，同時考慮到并網逆變器可工作于1.1倍的視在功率[14]，由此可計算出所能提供的無功功率[15].
在電壓跌落檢測中，本文采用的方法是dq分解法[16]，將三相靜止坐標系中的a，b，c三相電壓轉換到dq軸坐標系中，其表達式為：
ud，uqT=Cua，ub，ucT. （11）
經dq變換后的電壓表達式為：
ud=U，
uq=0.（12）
具體算法由圖5所示模塊實現.
由式（11）可知：
Vm=u2d+u2q=U. （13）
若設正常電網電壓幅值為Ug，則電壓跌落深度可表示為：
K=U/Ug. （14）
式（14）中的K表示跌落電壓幅值U與正常電壓幅值Ug之比，由此可得出故障狀態時并網逆變器有功功率給定值為P′PV，其表達式為：
P′PV=K PPV.（15）
在提供有功支撐的同時，還需為系統提供無功補償，以有利于電網電壓恢復，而提供的無功功率又受到逆變器容量限制，可工作于1.1倍視在功率下，則由下式可計算出提供的無功功率：
QPV=1.1P′PV2-P′PV2=
1.1KPPV2-KPPV2=2110KPPV.（16）
由式（14）可知，電壓跌落時K值小于1，又根據電網關于低電壓穿越的規定，K值應大于0.2，所以K值的取值為0.2≤K≤1.再由式（15）可知此時給定功率P′PV小于跌落前給定值PPV，那么由式（16）可知剩余的功率通過雙向變換器的控制流入超級電容，以維持逆變器兩端功率平衡，實現其低電壓穿越功能.
3仿真分析
為驗證本文提出的基于超級電容儲能的光伏并網系統能有效地提高低電壓穿越能力的可行性，在Matlab/Simulink仿真軟件平臺搭建容量為1.5 kW帶超級電容的光伏并網發電系統模型，其MPPT采用擾動觀察法，設定直流母線電壓400 V，限制電壓700 V，直流支撐電容90 μF，濾波電感為35 mH，超級電容為3.5 F，并網輸出的限定電流1.1 pu.本文主要研究了對電壓危害最大的三相短路故障情況，設置在t=0.3 s時發生電壓跌落故障.圖6為帶超級電容儲能系統的仿真結果.
由圖6可知，圖6（a）中電網電壓跌落時，其并網電壓也發生相應跌落，而并網輸出電流在此階段有所上升但未超出限定電流1.1 pu，因此不會因為過流損壞逆變器或使斷路器關斷.圖6（b）中反映在剛進入此階段和恢復正常狀態時有少許波動，而在整個故障過程中直流電壓保持在參考電壓附近.圖6（c）可看出在電壓跌落期間系統發出有功無功的變化，發出的有功功率相應減小，同時發出了一定的無功功率.由圖6（d）可發現，在此階段，并聯于直流母線的超級電容端電壓變化情況，其端電壓一直升高，直流側對超級電容充電.由圖6（e）可知，在電壓跌落期間，單相并網電壓與并網電流的關系，它們之間存在一定的相位差，由此可知不僅發出有功而且發出了一定的無功功率.
4結論
本文針對光伏并網系統在電網電壓發生三相對稱跌落時的低電壓穿越過程進行研究，對其主電路光伏并網逆變器采用直接功率控制，快速有效地控制其功率的輸出，對并聯于直流母線上的雙向DC/DC變換器采用雙環控制，準確有效地抑制直流母線電壓升高，穩定住直流母線電壓.在系統完成低電壓穿越過程中，通過對并網逆變器和雙向DC/DC變換器的協同控制，使并網輸出電流不越限，直流母線電壓不過壓，同時不僅為電網提供有功功率支撐，并且還會發出一定的無功，給電網提供無功補償，有助于電網電壓恢復，從而最終實現光伏并網系統的低電壓穿越功能.
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超級電容范文3
關鍵詞：超級電容 控制系統 節能
中圖分類號：U674.31 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）011-042-02
1 引言
船用抓斗挖掘機是用于內河清淤、港口建設的船用設備，它利用船上的柴油發電機組發電，供機器上的電氣設備使用。船用抓斗挖掘機通常有三個主要動作機構：提升機構、回轉機構和變幅機構。
典型的船用抓斗挖掘機的控制系統采用變頻驅動技術，將來自柴油發電機組的交流電源通過變頻器的交直流轉換裝置整流成為直流電源后掛在直流母排上，再經逆變器驅動電機工作。但傳統的船用抓斗挖掘機系統存在嚴重的能源浪費和環境污染問題。若將超級電容節能裝置并聯入變頻器直流母排上，則可有效儲抓斗下降的勢能，以提供抓斗提升加速時使用。圖1為超級電容節能裝置整體結構示意圖。
本系統作為抓斗作業裝置勢能及其制動能量存儲裝置和抓斗提升時能量來源之一，除了實現整機的節能運行，即超級電容節能裝置的充放電；還要具有顯示、通信及其檢測功能。本論文設計的結構如圖1所示。
超級電容節能裝置主要由以下幾部分組成：
（1）超級電容組：用于能量存儲。
（2）超級電容電源管理模塊：用于實現超級充放電時的均壓、均流管理。與整機控制系統PLC的通信。
（3）雙向DC/DC裝置，連接于超級電容組與提升變頻器直流母線直接，實現提升機構的充放電管理。實現信號采集與控制，有電流電壓檢測模塊。有欠壓，過壓保護電路等保護電路。
（4）單項DC/DC裝置，連接與超級電容組與回轉變頻器直流母線直接，實現回轉制動時能量的回收。根據直流母線的電壓值來決定充電電流的大小。裝置也帶有過電流保護、過電壓保護以及控制邏輯硬件保護電路。
2 節能原理
節能裝置設計的主要工況包括：
（1）抓斗提升時，電機工作于能耗狀態，當發電機組輸出的電流超過額定值時，雙向DC/DC工作于升壓模式，超級電容放電與發電機組一起供電。
（2）抓斗下降時，電機工作于再生能量狀態，雙向DC/DC裝置工作于降壓模式，超級電容進入充電狀態，吸收再生能量。
（3）機器回轉制動時，回轉電機工作于再生能量狀態，單項DC/DC裝置工作于降壓模式，超級電容進入充電狀態，吸收再生能量。
（4）當超級電容節能裝置故障時，輸出故障信號給整機控制系統，整機聯鎖，停止工作。
超級電容節能裝置雙向輸出端并聯入提升變頻器的直流母線，單項輸出端并聯如回轉變頻的直流母線。
當抓斗下降或制動處于能量再生狀態時，電機反轉將再生能量轉換成電能，再通過變頻器的逆變器流入直流母線，這時超級電容節能裝置的DC/DC裝置處于降壓工作模式，再生能力通過DC裝置，由直流母排流入超級電容組存儲起來。
船用抓斗挖掘機抓斗作業裝置加速時和抓斗離開水面瞬間，對柴油發電機組提出非常高的功率要求，需要提供瞬時大電流。本系統利用超級電容對抓斗作業裝置下放及其制動時能量存儲后，利用超級電容大電流放電的特性，補充這時所需的瞬時功率，這樣既充分利用了原先通過電阻耗散掉的能量，又可以減少柴油發電機組超負荷運行時對環境的污染及其能耗的消耗。
3 超級電容節能裝置硬件
本文所研究的超級電容節能裝置在硬件設計方面集信號采樣處理、顯示、通訊和控制等功能為一體，系統硬件結構如圖2所示。
主回路包括超級電容組及其相關電路，雙向DC/DC主回路，單項DC/DC主回路。其中超級電容與雙向DC/DC低壓端相連，雙向DC/DC高壓端與提升變頻器母線相連。單項DC/DC裝置低壓側與超級電容相連，高壓側與回轉變頻器母線相連。除了主回路外，硬件系統中還包括電容均衡及其管理系統，DC/DC及其控制電路和通信電路等。
3.1超級電容器的選擇
要使船用抓斗挖掘機混合動力系統能夠安全穩定有效工作，達到預期目的，超級電容選配是關鍵。選擇超級電容器產品應綜合考慮等效串聯電阻（ESR）、漏電流和體積等因素，ESR越小，放電效率越高、放電電流也越高，同時充放電過程產生熱量也越小，有利于散熱；漏電流是超級電容器電荷保持能力的標志，需要盡可能低的漏電流；超級電容器的體積越小越好，以便應用時盡可能少占用設備空間。
綜合以上因素我們選擇了如表1技術要求的超級電容。
3.2 超級電容系統管理系統的選擇
超級電容管理系統的目的主要是實現對超級電容組的監控與管理，同時實現與整機控制系統的通信，在設計中我們選擇了西門子PLC-200作為超級電容關系系統的控制器，實現對超級電容首次充電時的均壓管理，充放電時的電壓電流管理。確保超級電容組工作在設定的范圍。裝置設有過壓、欠壓報警。實現對充放電電流上限的限制，使電流工作在最大電流值以下，確保裝置的安全與可靠。
3.3 雙向DC/DC性能參數的確定
（1）正向輸入電壓。Vci =480～340V（電容器輸出，電容電壓變化范圍），當Vci ≤340V時，DC/DC自動停止正向輸出。
（2）正向輸出電壓。Vdo變化范圍在513V（根據變頻器直流母線電壓變化確定，母線電壓變化范圍在500～560V）。
（3）正向輸出功率。Po=250kW，Pomax=375kW（60s）
（4）反向輸入電壓。Vdi=500～690V（再生能量回饋過程）
（5）反向輸出電壓。Vco=340～480V （向電容器充電），反向輸出為分段恒流限壓充電模式，第一階段充電電流480A，達到480V時轉入第二階段，第二階段電流240A，當電容器電壓再次達到480V時，停止充電。
（6）反向輸出功率。Pco=200kW。
3.4 單項DC/DC性能參數的選擇
（1）輸出電壓。V=480～340V（電容電壓變化范圍），當V480V時，DC/DC自動停止輸出。
（2）輸入電壓。V變化范圍在510V～690V（變頻器直流母線電壓變化范圍）。
（3）輸出功率。P=180kW，Pmax=200kW（60s）。
4 系統軟件實現
超級電容管理系統PLC主程序主要完成數據初始化、故障綜合、電流電壓A/D采樣、手動充放電、重要信息及時通信等功能。系統采用故障信號進行冗余判斷的方式，提高了系統運行的可靠性，同時增加超級電容故障綜合診斷的設計。
DC/DC裝置自帶的單片機控制器，通過編程實現對發電機組輸入電流的PID跟蹤功能。通過編程實現對輸入輸出電流電壓的實時跟蹤，確保系統工作在設定的電壓與電流范圍能，保證系統安全可靠的工作。
其中，DC/DC跟蹤柴油發電機輸出電流值來決定超級電容節能裝置的工作狀態，當柴油發電機組電流值大于設定的放電電流值時，超級電容放電。當柴油發電機組輸出電流小于設定的充電電流值時，超級電容進入充電狀態。如圖3所示。
5 實現結果
綜上分析，超級電容發揮了以下的作用：首先是取消了能耗電阻，而更具有意義的是，超級電容保存了所有機構反饋的能量，避免了反饋能量的白白損耗，同時在荷載突增的情況下（起升瞬間）提供補充能量，平穩發動機工作狀態，達到節能的目的。
參考文獻：
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超級電容范文4
關鍵詞：超級電容器 贗電容器 原理 特點 應用
中圖分類號：TM53 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）008-029-02
超級電容器的發展始于20世紀60年代，作為一種新型儲能器件，其主要介于傳統電容器與電池間。與傳統電容器比較可得，超級電容器具備電容量大（為2000-6000倍同體積電解電容器）、功率密度高（為10-100倍電池）、充放電電流量大、充放電循環次數高（大于105次）、充放電效率高、免維修等優點。在本案，筆者以超級電容器為研究對象，探析其原理、應用領域及應用效果。
1 超級電容器分類
就電極而言，超級電容器可劃分為貴金屬氧化物電極電容器、碳電極電容器及導電聚合物電容器。
就電能機理而言，超級電容器分為雙電層電容器、法拉第準電容（貴金屬氧化物及貴金屬電極）；電容產生機理是以電活性離子在貴金屬電極表面的欠電位沉積現象或在貴金屬氧化物電極體相及其表面的氧化還原反應為依據的吸附電容。與雙電層電容相比較，吸附電容完全不相同，此外，吸附電容的比電容將隨著電荷傳遞的向前推進而不斷增大。
就超級電容器電極上的反應情況及結構而言，超級電容器可劃分為非對稱型及對稱型。對稱型超級電容器即為兩個電極反應相同、組成相同、反應方向相反，例如貴金屬氧化物、碳電極雙電層電容器等。非對稱型超級電容器即為兩個電極反應不同、電極組成不同。
超級電容器可用電壓的最大值取決于電解質分解電壓。電解質可為強堿、強酸等水溶液，亦或鹽的質子惰性溶劑等。通過水溶液體系，超級電容器可獲取高比功率及高容量的最大可用電壓；通過有機溶液體系，超級電容器可獲取高電壓，并獲取高比能量。
2 超級電容器的原理
就存儲電能的機理而言，超級電容器分為贗電容器及雙電層電容器。在本案，筆者就贗電容器及雙電層電容器為研究對象，探析其原理。
2.1 雙電層電容器原理
雙電層電容器屬于一種新型元器件，其能量儲存主要是通過電解質與電極間界面雙層得以實現。若電解液與電極間相互接觸，因分子間力、庫倫力及原子間力作用力的存在，其勢必會引起固液界面產生一個雙層電荷，該電荷具備符號相反及穩定性強的特點。
雙電層電容器的電極材料主要是多孔碳材料（碳氣凝膠、活性炭纖維及炭粉末等活性炭、碳納米管）。通常情況下，就雙電層電容器的電極材料而言，其孔隙率影響著其容量大小，即電極材料比表面積隨著孔隙率的增高而變大，雙電層電容隨著孔隙率的增高而變大。需要強調的一點是，孔隙率的增高與電容器的變大間無規律性可言，但電極材料的孔徑大小卻保持在2-50mm范圍內，其對孔隙率的提高、材料有效比表面積的提高及雙電層電容的提高意義至關重要。
2.2 贗電容器原理
贗電容（法拉第準電容），主要是指在電極材料體相、表面準二維或二維空間內，以欠電位沉積電活性物質為依托，發生高度可逆的氧化脫附、化學吸附或還原反應，從而產生一個與電極充電電位間存在一定關系的電容。因一切反應均發生于整個體相內，則其最大電容值相對更大，如：吸附型準電容為2000*10-6F/cm2。就氧化還原型電容器而言，其最大電容量更大。已經被公認了的碳材料比容值為20*10-6F/cm2，則在重量級體積相同條件下，贗電容器容量等同于10-100倍雙電層電容器容量?，F階段，贗電容器的電極材料主要是導電聚合物及金屬氧化物。
近年來，超級電容器電極材料新增了導電聚合物。聚合物產品電子電導率極好其電子電導率不典型數值高度1-100S/cm。以還原反應及電化學氧化反應為依托，在電子軛聚合物鏈上，導電聚合物引入負電荷及正電荷中心，此時，電極的電勢決定了負電荷及正電荷中心的充電程度。導電聚合物能量存儲的途徑為法拉第過程?，F階段，能夠于較高還原電位條件下高穩定低發生電化學n型摻雜的導電聚合物數量相當少，例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。
3 超級電容器的特點
3.1 優點
（1）容量超高：超級電容器容量范圍處于0.1-6000F，其等同于同體積電解電容器的2000-6000倍。
（2）高功率密度：超級電容器主要提供瞬時大電流，其短時斷流高達幾百至幾千安培，且其功率密度等同于電池的10-100倍，即10*103W/kg。
（3）高充放電效率，長使用壽命：超級電容器充放電過程對電極材料結構無任何負面影響，且電極材料使用次數對使用壽命無任何負面影響。
（4）溫度范圍寬，即-40-70℃：溫度對超級電容器電極材料反應速率的負面影響程度較輕。
（5）環保、免維護：超級電容器材料無毒、安全、環保。
（6）可長時間放置：超級電容器因長時間放置而導致起電壓下降，但只需對其充電便可使其電壓復原，且超級電容器容量性能不會因此受到任何影響。
3.2 缺點
超級電容器的缺點主要是漏電流量大、能量密度低級單體工作電壓低等。
4 超級電容器的應用
超級電容器憑借自身眾多優點而被廣泛應用于各行各業，例如：充當記憶器、計時器、內燃機啟動電力；電腦等電子產品；航空；太陽能電池輔助電源；電動玩具車主電源等領域。在本案，筆者就超級電容器于消費電子、電動汽車及混合電動汽車、電力系統級內燃機車啟動等四大領域的應用展開探討。
4.1 消費電子
超級電容器憑借著自身循環壽命長、儲能高、質量輕等優點而被廣泛應用于微型計算機、存儲器、鐘表及系統主板等備用電源領域。超級電容器的充電時間較短，但充電能量較大。若因主電源接觸不良或中斷等因素而導致系統電壓降低，則超級電容器將起后備補充的作用，以防止儀器因突然斷電而受到損壞。圖1為電路中超級電容器應用原理圖。
超級電容器完全可以代替電池而成為新型環保型小型用電器電源，且數字鐘、錄音機、電動玩具、照相機及便攜式攝影機等電源都可選取超級電容器，理由是超級電容器具備經濟性高及循環壽命長等優點。若將超級電容器與電池聯用，其使用效果極佳，即允許長期供電、蓄電池容量大、克服超大電流放電相關局限等。若將超級電容器應用于大功率大脈沖電源，尤其是某些無線技術便攜裝置，其應用效果不言而喻。
4.2 電動汽車及混合電動汽車
超級電容器的獨特優勢大大滿足了電動汽車對電動電源的需求。相對于超級電容器，傳統動力電池因在快速充電、使用壽命、高功率輸出及寬溫度范圍等方面均存在局限而不能最大程度滿足電動汽車動力電源的需要。就電動車加速、啟動或爬坡等高功率需求環節，超級電容器為其提供了極大的方便。如果將超級電容器配合動力電池使用，則電池受到大電流充放電的負面影響將大幅度降低。此外，在再生自動系統的協助下，可將瞬間能量回收，以提高超級電容器能量利用率。
4.3 電力系統
隨著超級電容器的問世，電解電容器已逐漸被超級電容器所取代。若將超級電容器應用到高壓開關站或變電站硅整流分合閘裝置中，其將發揮儲能裝置的作用，并能有效地解決電解電容器因漏電流大及儲能低等缺點而引發的分合閘裝置可靠性降低等缺陷，且能最大化規避相關安全事故的發生。與此同時，若以超級電容器取代電解電容器，其不僅能夠保持原裝置的簡單結構，且能有效地減少電力系統的維護量，并能大幅度降低電力系統運行成本。
超級電容器在分布式電網儲能中的應用很廣，且其應用效果極佳。分布式電網系統以多組超級電容器為依托，以電場能形式為主要手段，將能量一一儲存起來，并在能量緊缺的情況下，通過控制單元，將能量釋放出來，以此為系統提供足夠的能量，從而確保了系統內電能平衡機控制的穩定性。
4.4 內燃機車啟動
通常情況下，內燃機車柴油發電機組啟動主要依靠蓄電池組。但因蓄電池向外放電所需時間較長，尤其是冬天，其時間要求更是嚴格，則其使用效果不理想，且其經濟性及環保性不高。針對這一點，德國研究人員首先做出了將超級電容器應用于汽車啟動上的嘗試，他們試圖通過超級電容器解決怠速汽車因停車導致的能源浪費等問題。實驗結果顯示，超級電容器蓄電池組質量僅為1/3傳統車用蓄電池組，但其實現了將啟動機啟動扭矩提高1/2，從而有效地增加了內燃機車啟動轉速。
超級電容范文5
“多年來，研究人員一直想造出像電池和超級電容器這樣能在高溫環境下穩定工作的能源存儲設備，但由于傳統材料本身性質的制約，一直未能攻克難題?！比R斯大學材料科學家帕里柯·阿加恩說，“我們的革新是找到了一種能在高溫下保持穩定的、非傳統的電解質/隔離板系統?！?/p>
他們研究了歐洲和奧地利科學家于2009年開發的一種室溫離子液（RTILs）。RTILs在室溫下導電性較低，但加熱后黏度會降低而導電性提高。黏土具有很高的熱穩定性、吸附能力和滲透性，活性表面積也很大。通常用在石油鉆探、現代建筑或鋼鐵鑄造中。
研究人員把RTILs和自然界的斑脫土黏土等量混合，制成一種混合膠，將其夾在兩層還原的氧化石墨中間，上下再裝兩個集電器，就成了一種超級電容器。經測試和電子顯微圖像顯示，這種材料被加熱到200℃時也沒有變化，即使加熱到300℃也只有很小的變化。
“材料的離子電導性在180℃之前幾乎是直線增加，然后在200℃時達到飽和?！闭撐念I導作者、萊斯大學機械工程與材料科學系研究人員阿拉瓦·瑞迪說。測試還發現，雖然在第一次充/放電中，其容量有輕微下降，但這種超級電容能穩定地通過1萬次周期測試。在運行溫度從室溫提高到200℃后，無論電能還是功率密度都提高了兩個數量級。
這種新型超級電容器擁有最佳的電容性能，能在幾秒鐘內充電而瞬間放電，一般的充電電池是緩慢充電，按照需要逐漸放電。理想的超級電容器能迅速充電、儲電并按需放電。阿加恩說，它們能在200℃甚至可能更高的溫度下穩定工作。這對于在極端環境下使用的充電設備是非常有用的，比如石油鉆探、軍隊以及太空環境。
研究小組還將RTILs/黏土和少量熱塑聚氨酯結合，制成一種薄膜，可以切割成不同的大小和形狀，靈活適應多種設備的設計。
“我們的目的是克服傳統液體或膠體電解液的限制，它們只能用在低溫工作的電化能源設備中。”瑞迪說，“這項研究讓人們能在更廣泛的溫度范圍安全操作，而不必在能量、功率和周期壽命之間折中妥協，大大改善甚至消除了對昂貴的熱量管理系統的需求?！?/p>
我國首創煤制芳烴4項技術 冉永平
筆者從中國華電集團獲悉：由華電集團參與開發的煤制芳烴技術近日又獲得國家知識產權局授予的4項國家專利，這項技術屬于世界首創。目前，該項技術成果已經通過國家鑒定，現已上報國家專利申請21項，取得授權6項。此舉標志著我國已經成功掌握了這一新技術的核心知識產權。據悉，華電集團規劃在陜西省榆林市建設世界首套百萬噸煤制芳烴工業示范裝置，計劃于2016年投產。
煤制芳烴技術由華電集團與清華大學聯合開發。華電集團總經理云公民表示：“華電集團十分重視煤炭資源清潔高效利用。煤制芳烴技術的成功開發，開創了煤基能源化工新途徑，對我國石油化工原料替代具有重要意義?！?/p>
芳烴是大宗基礎有機化工原料，目前我國年消費量超過2000萬噸，是化纖、工程塑料及高性能塑料等的關鍵原料，廣泛用于服裝面料、航空航天、交通運輸、裝飾裝修、電器產品、移動通訊等。目前芳烴97%以上來源依賴于石油原料，其價格與石油價格正相關，常年居高不下。中國石油和化學工業聯合會副會長周竹葉說：“煤制芳烴技術填補了國際空白，是我國現代煤化工科技領域的重大突破，對推進石油和化工原料多元化進程具有重要的意義。”
據介紹，經過10余年的技術攻關，清華大學率先在國際上開發成功甲醇制芳烴的催化劑和便于大型化工業生產的流化床甲醇制芳烴的連續反應再生技術。為了加快實現技術的產業化，清華大學與華電采取“以企業為科技創新主體，產學研相結合”的方式共同開發成套工業技術。2012年，全球首套萬噸級甲醇制芳烴工業試驗裝置在華電煤業陜西榆林煤化工基地建成。2013年1月投料試車成功，2013年3月18日，技術通過國家能源局委托中國石油和化學工業聯合會組織的科技成果鑒定。鑒定委員會專家一致認為，此項技術總體處于國際領先水平。
超級電容范文6
點鈔機是自動清點鈔票張數和鑒別鈔票真偽的儀器，是金融、商業界的一種很重要的儀器，它的性能好壞直接影響到金融系統中工作效率的提高，甚至關系到整個金融秩序，因此要求計數必須準確，同時還需具有可靠的鑒別偽鈔的能力。目前，流通鈔票中不但混有偽鈔而且由于各版人民幣的使用又存在面額和版面的不同，因此要求點鈔機必須能夠兼容不同面額和不同版面。
一、應達到的技術指標及功能
1.點鈔速度可調：正常速度為1000張/分鐘，賽機狀態為1500張/分鐘，低速清點時為500張/分鐘；
2.能夠完全兼容第四版和第五版所有面額的鈔票。
二、總體結構方案設計確定與選擇
1.點鈔機工作原理
將一疊鈔票放入喂鈔臺中，點鈔機開始啟動運轉，由捻鈔機構將鈔票一張張分開，再由加速機構將分開的鈔票距離拉大后通過計數及檢測對管、磁傳感器、光傳感器等檢測機構，各種信號經處理后，經顯示器顯示出鈔票張數、是否為偽異鈔票等。
2.設計計算及解決的關鍵技術問題
2.1 總體要求
喂鈔口容量：500張。出鈔口容量：200張。適應紙幣規格：長（90mm ～203mm）、寬（50 mm～110 mm）、厚（0.075mm～0.15 mm）
2.2結構選擇
點鈔機分為立式結構和臥式結構兩種。臥式點鈔機輸送距離長，因此體積大，結構也較復雜，重量較大，點鈔速度不易提高，但點鈔較平穩。立式點鈔機結構緊湊，體積小，重量輕，造型美觀，點鈔速度可達1500張/分，適合于柜員制工作方式，因此選用立式結構。
點鈔機中傳鈔輪的布置應充分考慮鈔票寬度的最大和最小尺寸，各輸送輪之間間距大小與鈔票寬度的最小尺寸有關，其間距應小于鈔票的最小寬度，這樣才能保證鈔票的連續輸送。各輸送輪的直徑大小與鈔票寬度的最大尺寸有關，其輪的周長必須大于鈔票的最大寬度。其次，各輸送輪的直徑還決定了點鈔過程中相鄰鈔票的間隔距離，直徑越大，周長越長，鈔票的間距越大，不易造成連張。反之輪直徑越小，鈔票的間距越小，易造成連張。但如輸送輪直徑過大，線速度亦越大，對鈔票的扯拉力亦大，對輪的摩損亦大，同時對機器的整體結構布局不利，使外形尺寸增大，重量增大。因此必須綜合考慮各軸的中心距，各輪直徑的大小，結構及各種利弊關系。綜合以上因素確定為立式結構，并采用阻力捻鈔、齒形帶傳動的機械結構
2.3 點鈔過程及各點鈔輪的作用
喂鈔輪：該輪每轉一周將喂鈔臺上疊加的鈔票最下面一張送到捻鈔輪入口位置上，為點鈔提前做好準備，并協助捻鈔輪將紙幣送進點鈔機。
捻鈔輪：該輪在轉動過程中，使疊加鈔票最下面一張送入機內進行點鈔及 檢測處理，該輪每轉一周送進一張紙幣。
壓輪，加速對轉輪：此二輪與送鈔輪和加速輪形成對轉，保證鈔票可靠的送進，點鈔。
2.4 傳送方式的選擇及傳送比
點鈔電機選用直流電機，體積小，功率大，控制靈活。傳動比的分配與所選擇電機輸出轉速及點鈔速度有關。初選電機轉速為3000 rpm。
通過同類型產品類比設計計算，并選取同類產品通用零件，確定各傳動輪齒數如下：
ZⅠ（電機軸）=20；ZⅡ（加速軸）=32；ZⅡ（加速輪）=43；ZⅢ（捻鈔輪）=54 ；ZⅢ（捻鈔軸）=20；ZⅣ（喂鈔軸）=20
則各級傳動比為：iⅠ-Ⅱ=ZⅡ/ZⅠ=32/20=1.6，iⅡ-Ⅲ=ZⅢ/ZⅡ=54/43=1.256
該比例滿足捻鈔輪與加速輪間的關系。iⅢ-Ⅳ=ZⅣ/ZⅢ=20/20=1
總傳送比 i =iⅠ-Ⅱ×iⅡ-Ⅲ×iⅢ-Ⅳ=1.6×1.256×1=2.01
喂鈔輪轉速為：n= n1÷i=3000÷2.01=1493 rpm
基本滿足最高點鈔速度1500張/分的要求。
2.5主要傳動軸轉速及轉輪線速度的計算
轉速計算公式：n2= n1/i
注：n1（為前級轉速rpm）；n2（為后級轉速rpm）；i（為兩級間傳動比）
線速度計算公式為：v = π×D×n ÷60÷1000
注：v（計算輪的線速度m/s）；n（計算輪的轉速rpm）；D（計算輪的直徑mm）
計算結果如下
2.6鈔票運行間隔驗算：
鈔票運行間隔分為加速之前間隔和加速之后的間隔（示意圖見圖1）。根據點鈔規律：喂鈔輪（捻鈔輪）每轉一周送進一張鈔票，在經過加速輪之前鈔票的運行間距為：喂鈔輪的周長減鈔票的寬度，用關系式表示為：
a=L喂-L鈔=π×DⅣ-（50～100）
注：L喂（喂鈔輪周長mm）；L鈔（鈔票寬度mm）；DⅣ（喂鈔輪直徑mm）；a（鈔票運行間隔mm）；vⅣ/vⅢ（喂鈔輪/或捻鈔輪線速度）；vⅡ（加速輪線速度）；b（加速后鈔票間隔）
a=π×40-（50～110）=75.66～15.66（mm）
鈔票達到加速輪后，由于加速作用鈔票的間隔增大了a（mm），其間隔為b。
a =（vⅡ/vⅣ）L鈔-L鈔=（3.795/3.14-1）（50～110）=10.43～22.95（mm）
加大后的鈔票間隔為：
b=a+a=（75.66～15.66）+（10.43～22.95）=86.09～38.61mm
圖1鈔票運行圖
鈔票通過檢測對管時間t鈔（見示意圖1）：
檢測對管安裝在加速對轉輪與加速輪的中心連線上。鈔票在該處速度穩定可靠，沒有滑移。
t鈔=L鈔/vⅡ=（50～110）÷3.795=13.175～28.99（ms）
鈔票運行間隔時間tb
tb=b/vⅡ=（86.09-38.61）÷3.795=22.69～10.17（ms）
滿足檢測對管的檢測時間要求
三、結論
通過上述的理論計算及分析，此套機構能夠滿足對檢測紙幣的兼容性要求，并能達到計數準確，檢偽可靠，使用、維護方便等要求。另外因選取了同類產品的通用零部件，大大降低了生產及維護成本，同時縮短開發周期，從而使產品能優質、低價、快速投放市場，提高產品競爭力并帶來相應經濟效益。（作者單位：沈陽中鈔信達金融設備有限公司）
參考文獻：
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