4、智能分布式電網(wǎng)系統(tǒng)
4.1、超級電容器在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用研究分析
當(dāng)今社會對能源和電力供應(yīng)的質(zhì)量以及安全可靠性的要求越來越高，傳統(tǒng)的大電網(wǎng)供電方式由于其本身的缺陷已經(jīng)不能滿足這種要求。能夠集成分布式發(fā)電的新型電網(wǎng)——微電網(wǎng)應(yīng)運而生，它能夠節(jié)省投資、降低能耗、提高系統(tǒng)安全性和靈活性，是未來的發(fā)展方向。電容作為微電網(wǎng)中必不可少的儲能系統(tǒng)，發(fā)揮著十分重要的作用。超級電容器作為一種新型的儲能器件，以其無可替代的優(yōu)越性，成為微電網(wǎng)（Microgrid）儲能的首選裝置之一。微電網(wǎng)由微電源、負(fù)荷、儲能以及能量管理器等組成。儲能在微電網(wǎng)中發(fā)生作用的形式有：接在微電源的直流母線上、包含重要負(fù)荷的饋線上或者微電網(wǎng)的交流母線上。其中，前兩種可稱為分布式儲能，最后一種叫做中央儲能。當(dāng)并網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)內(nèi)的功率波動由大電網(wǎng)進(jìn)行平衡，此時儲能處于充電備用狀態(tài)。當(dāng)微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行切換到孤網(wǎng)運行時，中央儲能立即啟動，彌補(bǔ)功率缺額。微電網(wǎng)孤網(wǎng)運行時負(fù)荷的波動或者微電源的波動則可以由中央儲能或者分布式儲能平衡。其中，微電源的功率波動有兩種平衡方式，將分布式儲能和需要儲能的微電源并聯(lián)接在某饋線上，或者將儲能直接接入該微電源的直流母線上。
1）提供短時供電
微電網(wǎng)存在兩種典型的運行模式：正常情況下，微電網(wǎng)與常規(guī)配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，稱為并網(wǎng)運行模式；當(dāng)檢測到電網(wǎng)故障或電能質(zhì)量不滿足要求時，微電網(wǎng)將及時與電網(wǎng)斷開從而獨立運行，稱為孤網(wǎng)運行模式。微電網(wǎng)往往需要從常規(guī)配電網(wǎng)中吸收部分有功功率，因而微電網(wǎng)在從并網(wǎng)模式向孤網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換時，會有功率缺額，安裝儲能設(shè)備有助于兩種模式的平穩(wěn)過渡。
2）用作能量緩沖裝置
由于微電網(wǎng)規(guī)模較小，系統(tǒng)慣性不大，網(wǎng)絡(luò)及負(fù)荷經(jīng)常發(fā)生波動就顯得十分嚴(yán)重，對整個微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成影響。我們總是期望微電網(wǎng)中高效發(fā)電機(jī)（如燃料電池）始終工作在它的額定容量下。但是微電網(wǎng)的負(fù)荷量并非整日保持不變，相反，它會隨著天氣變化等情況發(fā)生波動。為了滿足峰值負(fù)荷供電，必須使用燃油、燃?xì)獾恼{(diào)峰電廠進(jìn)行高峰負(fù)荷調(diào)整，由于燃料價格很高，這種方式的運行費用太昂貴。超級電容器儲能系統(tǒng)可以有效地解決這個問題，它可以在負(fù)荷低落時儲存電源的多余電能，而在負(fù)荷高峰時回饋給微電網(wǎng)以調(diào)整功率需求。超級電容器功率密度大、能量密度高的特性使它成為處理尖峰負(fù)荷的最佳選擇，而且采用超級電容器只需存儲與尖峰負(fù)荷相當(dāng)?shù)哪芰俊?/p>
3）改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量
儲能系統(tǒng)對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高起到了十分重要的作用。通過逆變器控制單元，可以調(diào)節(jié)超級電容器儲能系統(tǒng)向用戶及網(wǎng)絡(luò)提供的無功及有功，從而達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。由于超級電容器可快速吸收、釋放大功率電能，非常適宜將其應(yīng)用到微電網(wǎng)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置中，用來解決系統(tǒng)中的一些暫態(tài)問題，如針對系統(tǒng)故障引發(fā)的瞬時停電、電壓驟升、電壓驟降等問題，此時利用超級電容器提供快速功率緩沖，吸收或補(bǔ)充電能，提供有功功率支撐進(jìn)行有功或無功補(bǔ)償，以穩(wěn)定、平滑電網(wǎng)電壓的波動。
4）智能分布式電網(wǎng)系統(tǒng)超級電容器必不可少
從智能電網(wǎng)的未來發(fā)展趨勢看，智能分布式電網(wǎng)系統(tǒng)將是未來電網(wǎng)系統(tǒng)的主流。而要實現(xiàn)智能分布式電網(wǎng)系統(tǒng)的構(gòu)建，則必須具有分布式的儲能裝置和中央儲能裝置等緩沖設(shè)備。在能源產(chǎn)生過程不穩(wěn)定的情況下，需要一個緩沖器來存儲能量。在能源產(chǎn)生的過程是穩(wěn)定的而需求是不斷變化的情況下，也需要使用儲能裝置。燃料電池與風(fēng)能或太陽能不同，只要有燃料，它就能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定的電能。然而，負(fù)荷需求隨著時間的變化有很大的不同。如果沒有儲能裝置，燃料電池就要做得很大以滿足峰值能量需求，成本顯得過高。通過將過剩的能量存儲在儲能裝置中，就可以在短時間內(nèi)通過儲能裝置提供所需的峰值能量。
在分布式電網(wǎng)系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)的暫態(tài)沖擊在所難免，而超級電容器的優(yōu)越性能，使其可以降低暫態(tài)沖擊對整個系統(tǒng)性能的影響。因此，在未來的智能分布式電網(wǎng)系統(tǒng)中，超級電容器組儲能系統(tǒng)必不可少。
4.2、超級電容器在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用前景
理想的供電電壓應(yīng)該是純正弦波形，具有標(biāo)稱的幅值和頻率。然而，由于供電電壓的非理想性、線路的阻抗、供電系統(tǒng)所承受的各種擾動、負(fù)荷的時變性與非線性等，供電電壓常常呈現(xiàn)各種各樣的電能質(zhì)量問題。電壓型電能質(zhì)量問題通常表現(xiàn)為幅值或波形的異常：電壓暫降、三相不平衡、電壓波動與閃變、諧波及頻率變動等。在所有的這些電能質(zhì)量問題中，電壓暫降和電壓短時中斷對用電設(shè)備所造成的危害尤其嚴(yán)重，短短幾個周期的電壓暫降都可能嚴(yán)重影響設(shè)備的正常工作。在歐美發(fā)達(dá)國家，電壓暫降一次的經(jīng)濟(jì)損失可以達(dá)到幾百萬美元，而電壓短時中斷的后果更加嚴(yán)重。目前，電壓暫降已經(jīng)上升為最重要的電能質(zhì)量問題。在對電能質(zhì)量的諸多問題投訴中，由電壓暫降引起的用戶投訴占總投訴量的80%以上，而由諧波、開關(guān)操作過電壓等引起的電能質(zhì)量問題投訴不到20%。換個角度考慮，電壓暫降和短時中斷之所以危害很大，就是因為很多用電設(shè)備對其太過敏感。降低設(shè)備對電壓暫降和短時中斷的敏感度，提高其抗擾動的能力，就可以讓用戶把損失降到最小，甚至可以完全避免由于電壓暫降和短時中斷所帶來的損失。
目前，解決方法主要有加裝UPS電源、多路供電、加裝DVR（動態(tài)電壓恢復(fù)器）等。在這幾種措施中，大功率UPS的造價太高，多路供電也不能完全避免電壓暫降和短時中斷所造成的損失，DVR（動態(tài)電壓恢復(fù)器）的研究在中國才剛剛起步。從提高負(fù)荷抗干擾的能力考慮，可以根據(jù)用戶的需求來定制不同的裝置，這就是所謂的用戶電力技術(shù)。用戶電力技術(shù)是20世紀(jì)90年代開發(fā)的新技術(shù)，是指把大功率電力電子技術(shù)和配電自動化技術(shù)綜合起來，以用戶對電力可靠性和電能質(zhì)量要求為依據(jù)，為用戶配置所需要的電力。這其中的主要產(chǎn)品有固態(tài)斷路器+靜態(tài)補(bǔ)償器（STATCOM）、動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR，DynamicVoltageRestorer）等，可以解決電壓暫降、凸起、瞬時間斷等配電系統(tǒng)擾動所引起的的各種問題。
當(dāng)前針對電壓補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)產(chǎn)品主要有DVR（動態(tài)電壓恢復(fù)器）和UPQC（統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）和有源濾波器（APF））。世界上第一臺DVR（動態(tài)電壓恢復(fù)器）裝置由美國西屋公司研制成功，并于1997年8月在美國Duke電力公司投入運行。APF并聯(lián)于線路，而DVR串聯(lián)于線路，這樣做的目的是APF專注于電流型電能質(zhì)量問題的治理，而DVR則專注于電壓型電能質(zhì)量問題。兩裝置共用儲能單元和能量接口，都可以單獨運行實現(xiàn)其自身的功能。
目前的困難在于，傳統(tǒng)的儲能裝置難以快速響應(yīng)這種電能的暫態(tài)波動。而通過加入超級電容器組，就能夠較為順利的解決上述技術(shù)難題。因此，作為智能電網(wǎng)系統(tǒng)最核心端口的用戶電能質(zhì)量問題的解決，該設(shè)備具有廣闊的市場前景。