Electrochemical performance of nickel oxide/KOH/active carbon super-capacitor

The fabrication and characterization of new type Nickel oxide/KOH/Activecarbon super-capacitor have been described. Porous nickel oxide was prepared by hydrolysis of nickelacetate and heated in air at 300 deg C. The resulting nickel oxide behaved as an electrochemicalcapacitor electrode with a specific capacitance (50-70 F/g) superior to most active carbonelectrodes. This kind of nickel oxide maintained high utilization at high rate of discharge (i.e.,high power density) and had excellent cycle life more than 1000 times, while the capacitance of thecell composed of two identical nickel oxide electrodes was poor at high discharge current densityand the maximum operational voltage of this type capacitor was limited to 0.5 V. A new typesuper-capacitor was designed in which the nickel oxide and the active carbon were applied to thepositive and negative electrodes respectively. The breakdown voltage of this type super-capacitorwas improved effectively to 0.8 V and excellent characteristic of high power discharge was attainedin this way. The Nickel oxide/KOH/Active carbon super-capacitor has promising potentials in portabletelecommunications, uninterruptable power supplies and battery load leveling applications.

An aqueous zinc-ion hybrid super-capacitor for achieving ultrahigh-volumetric energy density

Zinc-ion hybrid super-capacitors are regarded as promising safe energy storage systems,However,the relatively low volumetric energy density has become the main bottlenecks in practical applications of portable electronic devices,In this work,the zinc-ion hybrid super-capacitor with high volumetric energy density and superb cycle stability had been constructed which employing the high-density threedimensional graphene hydrogel as cathode and Zn foil used as anode in 1 mol/L ZnSO4 electrolyte.Benefiting from the abundant ion transport paths and the abundant active sites for graphene hydrogel with high density and porous structure,the zinc-ion hybrid super-capacitor exhibited an extremely high volumetric energy density of 118.42 Wh/L and a superb power density of 24.00 kW/L,as well as an excellent long cycle life(80% retention after 30,000 cycles at 10 A/g),which was superior to the volumetric energy density of the reported zinc-ion hybrid super-capacitors.This device,based on the fast ion adsorption/deso rption on the capacitor-type graphene cathode and reversible Zn^(2+) plating/stripping on the battery-type Zn anode,which will inspire the development of zinc-ion hybrid super-capacitor in miniaturized devices.

A Unified Control of Super-capacitor System Based on Bi-directional DC-DC Converter for Power Smoothing in DC Microgrid

To improve the equivalent inertia of DC microgrids(DCMGs),a unified control is proposed for the first time for a bi-directional DC-DC converter based super-capacitor(SC)system,whereby power smoothing and SC terminal voltage regulation can be achieved in a DCMG simultaneously.The proposed control displays good plug-and-play features using only local measurements.For quantitative analysis and effective design of the critical parameter of unified control,two indices,equivalent power supporting time and inertia contributed by the unified controlled SC system,are introduced firstly.Then,with a simple but effective reduced-order model of a DCMG,analytical solutions are obtained for the two indices.In addition,a systematic design method is presented for the proposed unified control.Finally,to verify the proposed unified control,a switching model is developed for a typical DCMG in PSCAD/EMTDC,and theoretical analyses are conducted for different operating conditions.

混合储能聚合商参与能量-调频市场控制策略

提出了一种混合储能聚合商(hybrid energy storage aggregator,HESA)参与能量-调频市场的控制策略。首先,对于独立系统运营商(ISO)发出的调频指令信号进行VMDWVD时频域分析,重构固有模态分量(IMF)生成高频信号与低频信号,分别作为HESA中功率型储能和能量型储能的输入信号。其次,构建了计及多市场价格不确定性的HESA投标与运行策略min-max-min模型,基于列和约束生成算法(C&CG)和强对偶理论对主子问题进行迭代交替求解。最后,基于实际PJM市场的价格、调频信号等数据进行了仿真,验证了HESA主体投标运营策略的有效性。

基于光储协同的改进型低压穿越控制策略

针对光伏发电系统低压穿越过程中传统控制策略引起的逆变器直流电压泵升,以及储能装置参与协调过程中存在的调节被动和响应滞后问题,提出一种基于光储协同的改进型低压穿越控制策略。首先,揭示不平衡功率在逆变器直流侧堆积是电压泵升的关键原因;其次,以并网点电压支撑与不平衡功率抑制为双重目标,构建逆变器参考电流自适应生成模块,通过优化逆变器低压穿越期间的电流指令抑制不平衡功率的产生。在此基础上,设置直接功率控制的超级电容储能,使其依据光伏与逆变器输出的实时功率差值主动协同消纳超出抑制能力的不平衡功率。仿真结果表明,改进型低压穿越控制策略在保证并网点电压支撑的前提下,通过分级调控获得更快的响应和调节速度,有效解决了逆变器直流侧电压升高问题。

含废旧矿井抽蓄电站的源-荷-储协同控制调频研究

针对新能源在电网中渗透率不断提高导致系统调频容量和频率响应能力不足的问题,提出一种含废旧矿井抽蓄电站的源-荷-储协同控制调频方法。首先,建立了电解铝工业负荷、废旧矿井抽蓄电站和超级电容频率响应模型。然后,基于模型预测控制理论,以系统状态量和控制量的加权函数最小为目标,设计区域信息互动的分布式模型预测控制器,并提出含废旧矿井抽蓄电站的源-荷-储协同控制调频方法。最后,将分布式模型预测控制器应用在所提源-荷-储协同控制方法中,并在改进的IEEE标准两区域LFC模型中进行仿真。结果表明所提方法可以缩短频率恢复时间,减小最大频差值,改善系统调频动态性能。

新能源储能微电网惯量支撑性能研究

针对传统虚拟惯量控制无法在频率恢复阶段使直流母线电压恢复至额定的问题,提出1种采用高通滤波器的虚拟惯量控制方法。MATLAB/Simulink仿真结果表明,直流母线电压变化可以反应微电网实时频率,新型虚拟惯量控制策略可以保证频率变化全过程稳定,在频率恢复阶段减小虚拟惯量加快频率恢复,为后续频率调节提供充足时间裕度。高通滤波器虚拟惯量控制方法可以使直流母线电压恢复至初值,在不改变超级电容储能惯量支撑的基础上,使新能源储能微电网保持直流母线电压稳定。

计及实时最大功率约束的高速磁浮列车再生制动能量存储利用

针对高速磁浮列车牵引供电系统结构及运行规则特殊性导致再生制动能量无法主动利用、能量回馈方式对局域网电压影响大的问题,在对高速磁浮列车牵引供电系统结构和能量流动机理进行分析的基础上,给出基于地面式超级电容储能的高速磁浮列车再生制动能量回收利用系统拓扑结构;考虑高速磁浮列车再生制动能量回收系统容量配置小、超级电容工作电压变化明显的特性,以高效回收再生制动能量为目标,将储能系统实时的可运行最大功率作为约束功率,制定相应的能量管理策略,实现系统不同工况下的能量管理,并通过分层控制策略实现整个再生制动能量利用系统的高效运行。通过仿真验证所提再生制动能量回收利用系统及控制策略的有效性,结果表明:所提方案可使高速磁浮列车牵引能耗降低21.83%;与储能系统采用固定功率约束的功率分配方式相比,再生制动能量利用率提高了11.9%。

锂离子电池/超级电容器混合储能系统能量管理方法综述

锂离子电池/超级电容器混合储能系统因其良好的性能、较低的成本和较强的通用性,已成为应用最为广泛的混合储能系统。能量管理技术是混合储能系统的核心技术之一,也是当前主要的研究热点。为了系统地对混合储能系统能量管理方法进行综述,本文首先对锂离子电池/超级电容器混合储能系统的拓扑结构、能量管理架构以及功率分配控制进行了介绍;而后,本文将现有的混合储能系统能量管理方法分为基于经验、基于优化、基于工况模式识别和基于机器学习5大类并进行了详细的对比分析,重点针对规律性工况与随机性工况讨论了各类能量管理方法的效能,并分析了各类方法的鲁棒性与计算复杂度;最后,本文对现有的能量管理方法进行了总结,并对该领域未来的研究方向和发展趋势进行了展望。综合分析表明,提高对随机性负载未来工况的预测精度、建立更加精准的混合储能系统模型并通过云端协同进一步提升能量管理方法的实时性将是未来混合储能系统能量管理研究的重点。

超级电容储能辅助燃气轮机黑启动系统调频技术应用研究

针对燃气轮机机组黑启动项目中频率波动大的案例,结合燃气机组黑启动系统及静止变频器(SFC)启动时波形图,对故障现象进行详细描述及具体故障原因分析。在考虑柴油发电机组响应速度较为缓慢的特性基础上,提出了一种超容辅助黑启动调频策略,将SFC功率分为基础功率与频率波动功率,基础功率由柴油发电机组承担,以保证系统的稳定运行;频率波动功率则由超级电容快速响应,以有效抑制频率波动。通过某4F燃气轮机机组的黑启动实验验证,该策略不仅有效降低了黑启动过程中频率的波动且避免了升速变负荷阶段的过电流故障,从而提高了燃气机组黑启动的可靠性和安全性。

基于MMC的超级电容与蓄电池混合储能系统及其混合同步控制策略

为满足储能系统提供惯量和一次调频支撑功能需要对多类型储能介质集中配置和优化调控的需求,针对基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)的新型混合储能系统(hybrid energy storage system,HESS)MMC-HESS,提出了混合同步控制(hybrid synchronous control,HSC)整体策略。MMCHESS采用模块化设计,将超级电容和蓄电池分别安置在高压直流母线侧和子模块内,具备高功率密度和高能量密度的优势。阐述了混合储能系统的拓扑结构和工作原理并采用混合同步控制策略提供系统惯量和一次调频功能及故障限流时的同步能力和孤岛并网切换功能,采用滤波器实现储能功率分配,采用荷电状态(state of charge,SOC)均衡控制实现蓄电池能量均衡。最后,基于硬件在环实验平台,验证了所提拓扑结构与控制策略的可行性和有效性。实验结果表明:所提混合储能系统及其控制策略具备惯量与频率支撑能力,在故障限流、正常并网、孤岛运行之间可灵活切换,能够有效发挥混合储能的综合优势,在中压配电网中具有良好的应用前景。

基于燃料电池的离网住宅混合可再生能源电力系统能源管理系统优化

随着世界工业化进程的飞速发展,不断完善和发展以光伏发电等为代表的新能源能缓解能源危机与环境污染问题。本文分析了储能电池燃料电池以及超级电容的特点,针对偏远地区长期无法并网问题,提出了一个结合超级电容的短效储能与燃料电池长效储能的混合可再生能源电力与能源管理系统,以确保离网用户的电能安全高效稳定运行。系统中电能主要来自光伏发电系统,并将燃料电池系统(燃料电池/电解设备/储氢罐)作为备用系统,以蓄电池/超级电容器为储能系统。另外本文提出的能量管理系统(EMS)能够在供电侧通过优化算法控制电力系统各部件之间的行为模式,保证用户的电压和功率稳定。在需求侧通过需求响应算法,根据电力系统在不同时间和不同运行条件下供能能力,制定包含恒温可调、开/关不间断和可切断等家电的运行策略。最后对本文研究的离网用户储能式电力与能源管理系统进行仿真实验,采用不同光照条件以及可变的负荷数据对提出的离网系统用Matlab进行仿真验证。仿真结果表明,该系统能够实现碳减排的同时保障用电需求,提升系统的经济与环境效益,具有一定的实际意义。

基于超级电容活性炭电极的板式与卷式电容去离子装置的性能研究

电容去离子是一种节能环保的新兴盐水淡化技术,电极材料与装置是影响电容去离子性能的两大重要因素。分别对3种市售超级电容活性炭AC1、AC2、AC3进行表征并择优开展后续实验,结果表明,AC2活性炭的比表面积与比电容最大,分别为1908.4 m^(2)·g^(−1)和67.8 F·g^(−1),内部孔隙电阻最小。因此,以AC2为电极材料研究板式与卷式电容去离子装置在不同实验条件下的运行情况,发现2种装置的最佳工作电压均为1.6 V、温度均为25℃,最佳流速,板式装置为60 mL·min^(−1),卷式装置为360 mL·min^(−1)。在最佳工作条件下,卷式装置的单位面积脱盐量与电荷效率分别为1569.7 mg·m^(−2)和46.7%,远大于板式装置的696.5 mg·m^(−2)和11.3%,卷式装置具有更强的脱盐性能与能量利用率。

基于模块化多电平换流器的超级电容储能系统高效仿真方法

基于模块化多电平换流器的超级电容储能系统(MMC-SCES)半导体开关器件数量众多,仿真规模庞大,给电磁暂态仿真效率带来了巨大的挑战。针对此问题,基于桥臂戴维南等效电路提出了一种高效的MMC-SCES电磁暂态仿真方法。该仿真运用嵌套快速求解方法对MMC-SCES进行建模,不仅可以大幅降低仿真耗时和保持仿真精度,还可以保留换流器的所有动态变量。搭建了双端MMC-SCES仿真系统,对所提出的高效仿真方法进行了验证。结果表明:相比于基于平均值模型的仿真方法,所提出的高效仿真方法具有更高的精度,能够拟合子模块内部动态变量;相比基于详细开关模型的仿真方法,所提出的高效仿真方法的仿真速度最高可提升约518倍,而仿真的绝对误差标幺化积分则控制在1%以内。

不对称故障下低电压穿越的多目标解耦控制策略

在传统不对称故障低电压穿越控制中,由于控制自由度有限,并网逆变器控制存在无法同时实现输出电流负序分量和直流侧电压二倍频波动抑制的问题。对此,文中提出一种不对称故障下两级式光伏并网系统低电压穿越的多目标解耦控制策略。该策略将逆变器的控制目标设置为输出电流负序分量抑制,给出了综合考虑逆变器输出电流限幅和无功输出需求的逆变器电流内环控制参考值计算方法;通过双向Buck-Boost变换器将超级电容接入直流母线电容两端维持其电压稳定,并将直流侧电压二倍频波动转移至超级电容输入侧进行抑制。仿真结果表明,相比传统控制方法,所提控制策略有效降低了逆变器三相间的不平衡度,改善了输出电流畸变,减小了直流侧电压二倍频波动。

风储制氢电厂的一次调频控制策略

针对风电机组调频特性弱且单一储能装置无法满足全时间尺度功率能量需求的问题,提出了风储制氢电厂的一次调频控制策略。首先,依据传统同步机组一次调频功率输出特性,确定风储制氢电厂一次调频所需功率支撑。其次,通过分析电制氢装置(P2H)作为一种大容量可控负荷参与系统调频的可行性,对比不同储能介质的应用特点,选取超级电容与电制氢装置减载的多能协同调频方法。进而,针对分布式储能集中制氢架构的风储制氢电厂的特点,提出了一种多能协同的一次调频控制策略。最后,通过建立给予不同风速初始状态的风储制氢电厂仿真模型,验证了所提控制策略的有效性与合理性。

基于改进粒子群算法的电网混合储能控制方法

为提高其对于电网储能系统的控制效果,提出基于改进粒子群算法的电网混合储能控制方法。建立混合储能系统等效模型,分别设置蓄电池储能模型和超级电容器储能模型,获取储能等效函数,采用改进粒子群算法对储能模型进行求解,根据最优解得到电网混合储能控制方案,仿真实验结果表明,改进粒子群算法在光照增加、光照减弱、负载增加、负载减小工作条件下的响应时间分别为172 ms、141 ms、223 ms、219 ms,均小于对比算法,其电压过冲比例则为6%、5%、7%、7%,远小于其他储能控制方法,具有十分明显的优越性。

基于超级电容的水下平台混合能源系统研究

针对燃料电池发电系统输出特性偏软,动态响应慢以及负载具有随机性、间歇性、波动性等问题,在水下平台混合动力系统中加入了超级电容。采用双向DC/DC变换器作为超级电容充放电主拓扑,设计了基于PI控制器的双闭环控制,实现了母线和超级电容之间能量的双向流动。运用PSIM软件对超级电容正常工作放电和充电2种工况进行仿真。仿真结果表明:通过双向DC/DC变换器可在系统重载时将超级电容存储的电能释放出来,在系统轻载、减速或制动等工况下降回馈再生电能存储至超级电容中,整个过程可以使大功率负载安全地接入系统,减小母线电压振荡,提高能量利用率。

钒氧化物及金属钒酸盐在化学储能中的应用

钒氧化物具有多变的配位数和氧化态、较低的成本、丰富的资源等优点,作为典型的过渡金属氧化物,其应用于锂离子电池电极材料时具有良好的锂离子存储能力和较强的循环能力。钒氧化物在超级电容器中表现出高功率密度、快速充放电率和优良的循环周期等特性,是一种理想的储能材料,而金属钒酸盐显示出良好的可逆性和循环性。构筑合理纳米结构是获得电化学性能优异钒氧化物电极材料的有效途径,是提高电极材料放电/充电效率的最有效方法之一。综述了钒氧化物和金属钒酸盐在锂离子电池中应用以及钒氧化物在超级电容器中应用的研究进展,讨论了结构、制备条件对钒氧化物及金属钒酸盐性能的影响,展望了钒氧化物及金属钒酸盐的应用前景。

基于超级电容的智能电能表长寿命后备电源设计

智能电能表的进一步发展要求在外部供电电源中断后具有一定时间的远程通信能力,以便电能表数据的备份与停电等重要事件上报。作为常规后备电源的电池与电解电容都存在弊端,前者使用寿命较低,后者容量太小。文章首先用超级电容寿命估计理论论述了满足新一代电能表16年设计寿命的可行性,给出了满足寿命要求的超级电容备用电源充电电路设计,并解决了储能电容的待机能力,最后针对微功耗电路难以用常规仪器测量的现实,使用Spice模拟电路仿真工具分析了电路功能,并进行了实际电路试验,验证了电路方案的可行性。文章对市电供电的智能互联仪表设备的备用电源设计具有一定的借鉴意义。