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超级电容范文1
引言
电梯的存在是一把双刃剑，它在为人们的生活带来便利的同时也所带来了一定的负面影响。一方面，自从有了电梯之后，人们越来越依赖它，这就造成了越来越多的人懒得去爬楼梯，使人们每天的活动量大大缩减，严重影响了人们的健康状况;另外，电梯的使用也带来了巨大的能耗，因为电梯需要24小时不间断的运行，不能像电灯一样，用的时候打开，不用的时候关闭。所以，越来越多的人开始倡导走楼梯，减少电梯的使用，和研究电梯的节能技术。下面就简要介绍电梯的组成和工作原理，超级电容的含义和特点以及超级电容储能电梯节能技术的具体应用。
一、电梯的组成和工作原理
电梯作为一种特殊的垂直升降机，它的动力由电动机来提供，主要作用是在运输货物或是在建筑中承载人。电梯可以分文两种，一种为厢式，另一种为台阶式，也就是人们说的自动电梯。 电梯作为一种固定式的快速升降装置，主要应用于高层建筑中。
电梯的主要部分是轿厢与厅门、导轨、曳引机、安全装置、对重装置、信号操纵系统等。这些重要组成部分被安装在高层建筑预留的的井道和设备机房中。电梯在运行的过程中，一般会用钢丝绳进行机械摩擦传动，钢丝绳通过曳引机上的滑轮，然后在钢丝绳的两端分别连接上轿厢和对重装置，最后，电梯的电动机来驱动曳引机，使曳引机上的滑轮转动，引导轿厢不断地升或降。
二、超级电容的含义和特点
超级电容即超级电容器还可以称为电化学电容器，它是近代逐渐发展起来的一种全新的能量储存装置。它是传统电容器，又是电池，它既能够吸收电能，又可以发电，是一种特殊的电源，它用来储存能量的装置与传统的化学电源不同，它是的装置是具有氧化还原性质的假电容的电荷和双电层。
超级电容所具有的主要优点是：瞬间功率高，最高可以达到可达5000W/KG，相当于10块电池的电功率;充电、放电的时间很短，要达到超级电容额定容量的95%，最短只需要大约10秒;使用寿命长，超级电容的使用次数最多可以达到50万次，而且超级电容没有“记忆效应”;适应性强，超级电容可以在-40℃～+70℃的温度范围中进行正常工作;放电、充电的能力极强，与普通的电池或电容器相比，它的能量转换率极高，在超级电容运行过程中，能量的损失很小;产品的原材料、超级电容的使用、超级电容的回收处理过程都没有污染，是一种现在所倡导的绿色环保电源。
三、超级电容在电梯节能中的应用分析
（一）超级电容在电梯节能设备中的主要工作原理
超级电容在电梯节能设备中的主要工作原理是：当电梯运行的过程中，电梯的电机会不断的释放出大量的再生能源，这时就是超级电容起作用的时候，超级电容将电梯电机所释放出来的能量进行储存，使超级电容具有可以充电的作用。当超级电容的电充满之后就会停止对能量的吸收。这种方式既可以实现再生资源的充分利用，又不会对电网，电梯元件造成损坏。
（二）超级电容放电状态的时间确定
超级电容不仅可以用来吸收电梯时放的再生资源，还可以对电梯进行放电，为电梯提供动力，推动电梯运行。超级电容主要为电梯的开始到匀速这段时间进行放电。当电梯开始启动运行的时候，就可以将超级电容与电梯直接连接为电梯的运行提供电力，当电梯达到匀速运动状态时，再用预定电网将超级电容从电梯直接供电系统中替换出来，对超级电容进行充电过程，如此循环往复。
电梯运行过程中的速度变化是超级电容具体放电时间确定的依据，超级电容的具体放电时间主要受电梯的启动时间，加速时间的影响。作为超级电容的选型参数，它影响着超级电容的电容量水平和超级电容的价格。对于超级电容来说，放电时间越长，超级电容的电容量就越大，价格也就越贵。
（三）超级电容的工作选择
因为超级电容频繁的储电和放电会消耗大量的能量，考虑到超级电容和电梯的使用频率和使用次数，工作人员适当的减少了超级电容和转换器电机之间工作电压的差值，通过这种方法可以减少超级电容储电和放电而消耗得大量能量。另外，考虑到超级电压寿命的问题，超级电容的电压会被调整在额定电压到一半额定电压这一范围内。因为，一般的情况中，电梯一年大约会运行18万次，电梯的寿命在12年左右，那么电梯在它的运行寿命中总共会运行大约260万次，而在这期间，超级电容的充电和放电次数各占一半。但是，就目前的技术来说，超级电容深度充放电循环使用次数最高为50万次，所以为了在减少能量损耗的前提下最大限度的提高超级电容的寿命就需要将超级电容的工作电压设定在额定电压到一半额定电压这一范围内。
（四）超级电容器组均压装置
因为受到目前技术的限制，在制作超级电容的时候很难能够使超级电容单体之间完全的相同，在单体内部的电阻等方面就存在着很大的差异，而且这种差异的存在也会造成单体串联或并联时分压不均的现象，就会进一步使超级电容中单体的使用寿命大大缩减，从而影响超级电容的整体寿命和工作效率。为了保证超级电容的使用寿命，使超级电容内部的每一个单体都最大限度的发挥自己的作用，就需要在超级电容中安装一个平衡电压的装置，保证单体之间的电压相同。
四、超级电容工作下的电梯节能系统的优点
第一，与传统的电梯系统相比，在具有超级电容工作下的电梯系统更具有节能的特点，它可以对电梯电机产生的再生能源进行储存，并再次转换成电能用于电梯的启动和加速状态。
第二，将超级电容作为储能的装置可以减少再生能源的流失。因为超级电容具有极高的功率，尤其是瞬时功率。这样在一定程度上可以减少再生能源的流失，提高能源的利用率。
第三，超级电容储存的电能可以直接供给电梯使用，无需再通过固定的电网传送，这样可以减少不必要的电量损失，减少对电网的影响。
结语
总而言之，超级电容因其功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、超低温特性好等优点而在电梯节能中得到了广泛应用。但是，对于“将超级电容应用于电梯节能技术中”这一观点仍具有巨大的发展空间，这需要人们继续的不断探索，从而促进电梯节能技术的发展。
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超级电容范文2
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61203031）
作者简介：舒大松（1962-），男，湖南长沙人，湖南广播电视大学副教授，中南大学硕士生导师
通讯联系人，Email：
摘要：采用超级电容储能配合光伏并网系统实现其低电压穿越功能，在电网电压跌落时，并网逆变器直接功率控制（DPC）的有功参考根据电网电压跌落程度进行给定，同时通过控制双向DC/DC变换器将直流母线侧多余能量存储于超级电容，以平衡逆变器两侧的功率，维持直流母线电压稳定.最后通过仿真验证了采用超级电容储能的协调控制方案的有效性和可行性.
关键词：光伏发电系统；超级电容；双向DC/DC变换器；直接功率控制（DPC）；低电压穿越（LVRT）
中图分类号：TM615 文献标识码：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）
随着光伏发电并网系统渗透率不断加大，对局部电网安全稳定运行的影响也越大，这就给光伏发电的并网运行带来了更大的挑战[1-3]；当电网发生短时故障时，如果大量的光伏发电系统脱离电网会影响到电网的稳定运行，严重的还可能使局部电网崩溃，造成较大面积供电中断，由此电网规定了光伏发电系统并网要具备一定的低电压穿越（LVRT）能力[4].目前借鉴于风力发电低电压穿越标准，许多新能源发电技术较发达的国家针对光伏并网系统也提出了相应的低电压穿越准则，定量地规定了电网电压跌落时光伏发电系统脱网的条件，以及电压恢复后有功功率的恢复速率，同时在电网电压跌落过程中需提供一定的无功功率以支撑电压恢复.介于中国光伏发电容量逐年增大，国家电网公司制定了光伏并网系统低电压穿越的标准，要求并网点电压跌落至20%额定电压时光伏发电系统保持并网运行625 ms不脱网.本文针对实现光伏并网系统的低电压穿越能力，通过借鉴风力发电中的低电压穿越技术，提出了一种基于超级电容储能的光伏发电系统低电压穿越技术方案，同时光伏并网逆变器采用直接功率控制，保证控制的快速性；当电网电压发生跌落时，通过控制双向DC/DC投入超级电容平衡逆变器两端功率[5-11]，同时与并网逆变器的控制相协调，稳定住直流母线电压，使得并网输出电流不过流，并且改进并网控制策略，根据电压跌落深度发出一定无功功率以有助于电网电压恢复，最后通过仿真分析可知，与常规控制策略相比，采用改进控制策略能够实现光伏并网系统的低电压穿越功能.
1系统拓扑与数学建模
1.1光伏并网系统结构
如图1所示，两级式光伏并网发电系统包括光伏阵列、Boost电路、并网逆变器、L型滤波器以及隔离变压器，同时超级电容通过双向DC/DC变换器与系统的直流侧母线并联.
1.2L型并网逆变器数学模型
L型并网逆变器如图2所示，在三相平衡情况下列出A，B，C三相状态方程为：
ua
ub
uc=-r1ia
ib
ic-L1ddtia
ib
ic+ula
ulb
ulc.（1）
在dq两相旋转坐标系下可表示为：
ugd=-r1igd-L1digddt+ωnL1igd+ugd1，
ugq=-r1igq-L1digqdt-ωnL1igq+ugq1.（2）
式中：下标g表示并网侧量；r1和L1分别为进线电阻和电感；ωn为与电网频率同步的角速度；ugq的值为零.
由此可知，流过并网逆变器的有功功率和无功功率可以表示为：
Pg=32ugdigd，
Qg=-32ugdigq. （3）
1.3直流母线侧数学模型
对于光伏并网逆变器的直流侧，其直流侧电容存储的能量可表示为：
Wdc=12CdcU2dc.（4）
忽略发电系统转换功率的损失，设两级式光伏并网系统由Boost变换器流向直流侧的功率为PPV，从直流侧流向并网侧的功率为Pg，同时直流侧流向超级电容的功率为Psc，则流向直流侧电容的功率有：
dWdcdt=CdcUdcdUdcdt=PPV-Pg-Psc. （5）
1.4超级电容器等效数学模型
超级电容突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长以及工作温度范围宽，比较适合短时充放电，基于上述优点可以很好地满足当电网发生故障时对功率平衡控制的要求.由于受分布参数的影响，超级电容的精确模型较复杂，由一个理想电容和一等效串联电阻组成.
超级电容一般单体电压较低（2.5～2.7 V），因此储能单元由多个超级电容单体串并联组成以满足容量需求，本文由一个理想大电容代替；考虑到存储能量和功率传输两方面要求，储能总容量可表示为[9]：
E=N2Cunit（V2max -V2min ）≥Esc.（6）
式中：N为超级电容单体个数；Cunit为单体容量大小；Vmax 为超级电容耐压最大值；Vmin 为其允许的最低电压值；Esc为电网电压跌落时所需吸收的能量.
大放电流情况时由于超级电容串联等效电阻影响，根据最大功率传输定律可得到其最大吸收功率为：
Pmax =NV24Rsc≥Psc. （7）
超级电容充电到最大电压Vmax 时，仍能保持额定功率充电，Vmax 则需要满足：
Vmax ≥2RscPsc/N. （8）
将式（8）代入式（6）可得N的限制条件为：
N≥2Esc/Csc+4PscRscV2max .（9）
2 基于超级电容的双向DC/DC变换器与逆变器的协调控制
为解决直流母线电压过压与并网输出电流过流的矛盾，满足在电网电压发生跌落时，能够同时达到符合要求的性能指标，则需在光伏并网发电系统的直流母线侧并联一个储能装置，以便在电网电压跌落时平衡并网逆变器两侧的功率，使得直流母线电压稳定且并网输出电流不超过限定值，从而有利于光伏并网低电压穿越功能的实现.
本文主要研究在低电压穿越过程中直流母线电压过压、系统动态无功支撑和并网输出电流过流的问题，当系统工作在额定功率状态时，电网电压发生较严重的三相对称跌落，为使并网输出电流不过流，根据电网电压跌落程度相应减小并网输出功率Pinv，若忽略变流器的功率损耗，直流母线电压的动态方程为：
PPV-Pinv-Ps=12CdV2dcdt.（10）
在故障过程中，由超级电容储能系统代替并网逆变器对直流母线电压进行控制，为平衡并网逆变器2侧功率，吸收直流侧剩余功率Ps，保持直流母线电压稳定；而并网逆变器通过直接功率控制（DPC）可以更加快速准确地控制并网输出功率，其并网逆变器的控制包括常规控制器和故障控制器2种，根据电压跌落来进行切换.图2为双向DC/DC变换器与网侧变换器协调控制框图.
2.1双向DC/DC变换器控制
在故障过程中，并网逆变器控制很难有效控制直流侧母线电压，严重时会使直流母线电压过压，击穿直流侧母线电容；而超级电容不会受电网电压变化的影响，通过双向DC/DC变换器对超级电容充放电的控制能有效地稳定直流母线侧电压.本文双向DC/DC变换器采用电压电流双环控制，由于电压跌落引起并网逆变器两端功率不平衡，从而使直流母线电压升压，当电压值超过参考值时，变换器工作在Buck模式下，对超级电容进行充电，功率由直流侧流向超级电容，从而稳定住直流母线侧电压.图3为变换器双环控制框图.
2.2并网逆变器控制
并网逆变器控制采用直接功率控制策略[12-13]，能够在电网电压发生跌落时，快速有效地对功率进行控制，且控制策略结构简单易行.图4为并网逆变器的控制流程图，根据电网电压的变化，进行常规控制器和故障控制器的切换.
当电网电压发生三相对称跌落时，需要光伏发电系统向电网提供动态无功功率补偿，以有利于电网电压恢复，此时，并网逆变器切换到故障控制方式，同时直流母线电压由如图3所示储能系统控制，不仅根据电网电压跌落深度发出相应的有功功率，同时考虑到并网逆变器可工作于1.1倍的视在功率[14]，由此可计算出所能提供的无功功率[15].
在电压跌落检测中，本文采用的方法是dq分解法[16]，将三相静止坐标系中的a，b，c三相电压转换到dq轴坐标系中，其表达式为：
ud，uqT=Cua，ub，ucT. （11）
经dq变换后的电压表达式为：
ud=U，
uq=0.（12）
具体算法由图5所示模块实现.
由式（11）可知：
Vm=u2d+u2q=U. （13）
若设正常电网电压幅值为Ug，则电压跌落深度可表示为：
K=U/Ug. （14）
式（14）中的K表示跌落电压幅值U与正常电压幅值Ug之比，由此可得出故障状态时并网逆变器有功功率给定值为P′PV，其表达式为：
P′PV=K PPV.（15）
在提供有功支撑的同时，还需为系统提供无功补偿，以有利于电网电压恢复，而提供的无功功率又受到逆变器容量限制，可工作于1.1倍视在功率下，则由下式可计算出提供的无功功率：
QPV=1.1P′PV2-P′PV2=
1.1KPPV2-KPPV2=2110KPPV.（16）
由式（14）可知，电压跌落时K值小于1，又根据电网关于低电压穿越的规定，K值应大于0.2，所以K值的取值为0.2≤K≤1.再由式（15）可知此时给定功率P′PV小于跌落前给定值PPV，那么由式（16）可知剩余的功率通过双向变换器的控制流入超级电容，以维持逆变器两端功率平衡，实现其低电压穿越功能.
3仿真分析
为验证本文提出的基于超级电容储能的光伏并网系统能有效地提高低电压穿越能力的可行性，在Matlab/Simulink仿真软件平台搭建容量为1.5 kW带超级电容的光伏并网发电系统模型，其MPPT采用扰动观察法，设定直流母线电压400 V，限制电压700 V，直流支撑电容90 μF，滤波电感为35 mH，超级电容为3.5 F，并网输出的限定电流1.1 pu.本文主要研究了对电压危害最大的三相短路故障情况，设置在t=0.3 s时发生电压跌落故障.图6为带超级电容储能系统的仿真结果.
由图6可知，图6（a）中电网电压跌落时，其并网电压也发生相应跌落，而并网输出电流在此阶段有所上升但未超出限定电流1.1 pu，因此不会因为过流损坏逆变器或使断路器关断.图6（b）中反映在刚进入此阶段和恢复正常状态时有少许波动，而在整个故障过程中直流电压保持在参考电压附近.图6（c）可看出在电压跌落期间系统发出有功无功的变化，发出的有功功率相应减小，同时发出了一定的无功功率.由图6（d）可发现，在此阶段，并联于直流母线的超级电容端电压变化情况，其端电压一直升高，直流侧对超级电容充电.由图6（e）可知，在电压跌落期间，单相并网电压与并网电流的关系，它们之间存在一定的相位差，由此可知不仅发出有功而且发出了一定的无功功率.
4结论
本文针对光伏并网系统在电网电压发生三相对称跌落时的低电压穿越过程进行研究，对其主电路光伏并网逆变器采用直接功率控制，快速有效地控制其功率的输出，对并联于直流母线上的双向DC/DC变换器采用双环控制，准确有效地抑制直流母线电压升高，稳定住直流母线电压.在系统完成低电压穿越过程中，通过对并网逆变器和双向DC/DC变换器的协同控制，使并网输出电流不越限，直流母线电压不过压，同时不仅为电网提供有功功率支撑，并且还会发出一定的无功，给电网提供无功补偿，有助于电网电压恢复，从而最终实现光伏并网系统的低电压穿越功能.
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超级电容范文3
关键词：超级电容 控制系统 节能
中图分类号：U674.31 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）011-042-02
1 引言
船用抓斗挖掘机是用于内河清淤、港口建设的船用设备，它利用船上的柴油发电机组发电，供机器上的电气设备使用。船用抓斗挖掘机通常有三个主要动作机构：提升机构、回转机构和变幅机构。
典型的船用抓斗挖掘机的控制系统采用变频驱动技术，将来自柴油发电机组的交流电源通过变频器的交直流转换装置整流成为直流电源后挂在直流母排上，再经逆变器驱动电机工作。但传统的船用抓斗挖掘机系统存在严重的能源浪费和环境污染问题。若将超级电容节能装置并联入变频器直流母排上，则可有效储抓斗下降的势能，以提供抓斗提升加速时使用。图1为超级电容节能装置整体结构示意图。
本系统作为抓斗作业装置势能及其制动能量存储装置和抓斗提升时能量来源之一，除了实现整机的节能运行，即超级电容节能装置的充放电；还要具有显示、通信及其检测功能。本论文设计的结构如图1所示。
超级电容节能装置主要由以下几部分组成：
（1）超级电容组：用于能量存储。
（2）超级电容电源管理模块：用于实现超级充放电时的均压、均流管理。与整机控制系统PLC的通信。
（3）双向DC/DC装置，连接于超级电容组与提升变频器直流母线直接，实现提升机构的充放电管理。实现信号采集与控制，有电流电压检测模块。有欠压，过压保护电路等保护电路。
（4）单项DC/DC装置，连接与超级电容组与回转变频器直流母线直接，实现回转制动时能量的回收。根据直流母线的电压值来决定充电电流的大小。装置也带有过电流保护、过电压保护以及控制逻辑硬件保护电路。
2 节能原理
节能装置设计的主要工况包括：
（1）抓斗提升时，电机工作于能耗状态，当发电机组输出的电流超过额定值时，双向DC/DC工作于升压模式，超级电容放电与发电机组一起供电。
（2）抓斗下降时，电机工作于再生能量状态，双向DC/DC装置工作于降压模式，超级电容进入充电状态，吸收再生能量。
（3）机器回转制动时，回转电机工作于再生能量状态，单项DC/DC装置工作于降压模式，超级电容进入充电状态，吸收再生能量。
（4）当超级电容节能装置故障时，输出故障信号给整机控制系统，整机联锁，停止工作。
超级电容节能装置双向输出端并联入提升变频器的直流母线，单项输出端并联如回转变频的直流母线。
当抓斗下降或制动处于能量再生状态时，电机反转将再生能量转换成电能，再通过变频器的逆变器流入直流母线，这时超级电容节能装置的DC/DC装置处于降压工作模式，再生能力通过DC装置，由直流母排流入超级电容组存储起来。
船用抓斗挖掘机抓斗作业装置加速时和抓斗离开水面瞬间，对柴油发电机组提出非常高的功率要求，需要提供瞬时大电流。本系统利用超级电容对抓斗作业装置下放及其制动时能量存储后，利用超级电容大电流放电的特性，补充这时所需的瞬时功率，这样既充分利用了原先通过电阻耗散掉的能量，又可以减少柴油发电机组超负荷运行时对环境的污染及其能耗的消耗。
3 超级电容节能装置硬件
本文所研究的超级电容节能装置在硬件设计方面集信号采样处理、显示、通讯和控制等功能为一体，系统硬件结构如图2所示。
主回路包括超级电容组及其相关电路，双向DC/DC主回路，单项DC/DC主回路。其中超级电容与双向DC/DC低压端相连，双向DC/DC高压端与提升变频器母线相连。单项DC/DC装置低压侧与超级电容相连，高压侧与回转变频器母线相连。除了主回路外，硬件系统中还包括电容均衡及其管理系统，DC/DC及其控制电路和通信电路等。
3.1超级电容器的选择
要使船用抓斗挖掘机混合动力系统能够安全稳定有效工作，达到预期目的，超级电容选配是关键。选择超级电容器产品应综合考虑等效串联电阻（ESR）、漏电流和体积等因素，ESR越小，放电效率越高、放电电流也越高，同时充放电过程产生热量也越小，有利于散热；漏电流是超级电容器电荷保持能力的标志，需要尽可能低的漏电流；超级电容器的体积越小越好，以便应用时尽可能少占用设备空间。
综合以上因素我们选择了如表1技术要求的超级电容。
3.2 超级电容系统管理系统的选择
超级电容管理系统的目的主要是实现对超级电容组的监控与管理，同时实现与整机控制系统的通信，在设计中我们选择了西门子PLC-200作为超级电容关系系统的控制器，实现对超级电容首次充电时的均压管理，充放电时的电压电流管理。确保超级电容组工作在设定的范围。装置设有过压、欠压报警。实现对充放电电流上限的限制，使电流工作在最大电流值以下，确保装置的安全与可靠。
3.3 双向DC/DC性能参数的确定
（1）正向输入电压。Vci =480～340V（电容器输出，电容电压变化范围），当Vci ≤340V时，DC/DC自动停止正向输出。
（2）正向输出电压。Vdo变化范围在513V（根据变频器直流母线电压变化确定，母线电压变化范围在500～560V）。
（3）正向输出功率。Po=250kW，Pomax=375kW（60s）
（4）反向输入电压。Vdi=500～690V（再生能量回馈过程）
（5）反向输出电压。Vco=340～480V （向电容器充电），反向输出为分段恒流限压充电模式，第一阶段充电电流480A，达到480V时转入第二阶段，第二阶段电流240A，当电容器电压再次达到480V时，停止充电。
（6）反向输出功率。Pco=200kW。
3.4 单项DC/DC性能参数的选择
（1）输出电压。V=480～340V（电容电压变化范围），当V480V时，DC/DC自动停止输出。
（2）输入电压。V变化范围在510V～690V（变频器直流母线电压变化范围）。
（3）输出功率。P=180kW，Pmax=200kW（60s）。
4 系统软件实现
超级电容管理系统PLC主程序主要完成数据初始化、故障综合、电流电压A/D采样、手动充放电、重要信息及时通信等功能。系统采用故障信号进行冗余判断的方式，提高了系统运行的可靠性，同时增加超级电容故障综合诊断的设计。
DC/DC装置自带的单片机控制器，通过编程实现对发电机组输入电流的PID跟踪功能。通过编程实现对输入输出电流电压的实时跟踪，确保系统工作在设定的电压与电流范围能，保证系统安全可靠的工作。
其中，DC/DC跟踪柴油发电机输出电流值来决定超级电容节能装置的工作状态，当柴油发电机组电流值大于设定的放电电流值时，超级电容放电。当柴油发电机组输出电流小于设定的充电电流值时，超级电容进入充电状态。如图3所示。
5 实现结果
综上分析，超级电容发挥了以下的作用：首先是取消了能耗电阻，而更具有意义的是，超级电容保存了所有机构反馈的能量，避免了反馈能量的白白损耗，同时在荷载突增的情况下（起升瞬间）提供补充能量，平稳发动机工作状态，达到节能的目的。
参考文献：
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超级电容范文4
关键词：超级电容器 赝电容器 原理 特点 应用
中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-029-02
超级电容器的发展始于20世纪60年代，作为一种新型储能器件，其主要介于传统电容器与电池间。与传统电容器比较可得，超级电容器具备电容量大（为2000-6000倍同体积电解电容器）、功率密度高（为10-100倍电池）、充放电电流量大、充放电循环次数高（大于105次）、充放电效率高、免维修等优点。在本案，笔者以超级电容器为研究对象，探析其原理、应用领域及应用效果。
1 超级电容器分类
就电极而言，超级电容器可划分为贵金属氧化物电极电容器、碳电极电容器及导电聚合物电容器。
就电能机理而言，超级电容器分为双电层电容器、法拉第准电容（贵金属氧化物及贵金属电极）；电容产生机理是以电活性离子在贵金属电极表面的欠电位沉积现象或在贵金属氧化物电极体相及其表面的氧化还原反应为依据的吸附电容。与双电层电容相比较，吸附电容完全不相同，此外，吸附电容的比电容将随着电荷传递的向前推进而不断增大。
就超级电容器电极上的反应情况及结构而言，超级电容器可划分为非对称型及对称型。对称型超级电容器即为两个电极反应相同、组成相同、反应方向相反，例如贵金属氧化物、碳电极双电层电容器等。非对称型超级电容器即为两个电极反应不同、电极组成不同。
超级电容器可用电压的最大值取决于电解质分解电压。电解质可为强碱、强酸等水溶液，亦或盐的质子惰性溶剂等。通过水溶液体系，超级电容器可获取高比功率及高容量的最大可用电压；通过有机溶液体系，超级电容器可获取高电压，并获取高比能量。
2 超级电容器的原理
就存储电能的机理而言，超级电容器分为赝电容器及双电层电容器。在本案，笔者就赝电容器及双电层电容器为研究对象，探析其原理。
2.1 双电层电容器原理
双电层电容器属于一种新型元器件，其能量储存主要是通过电解质与电极间界面双层得以实现。若电解液与电极间相互接触，因分子间力、库伦力及原子间力作用力的存在，其势必会引起固液界面产生一个双层电荷，该电荷具备符号相反及稳定性强的特点。
双电层电容器的电极材料主要是多孔碳材料（碳气凝胶、活性炭纤维及炭粉末等活性炭、碳纳米管）。通常情况下，就双电层电容器的电极材料而言，其孔隙率影响着其容量大小，即电极材料比表面积随着孔隙率的增高而变大，双电层电容随着孔隙率的增高而变大。需要强调的一点是，孔隙率的增高与电容器的变大间无规律性可言，但电极材料的孔径大小却保持在2-50mm范围内，其对孔隙率的提高、材料有效比表面积的提高及双电层电容的提高意义至关重要。
2.2 赝电容器原理
赝电容（法拉第准电容），主要是指在电极材料体相、表面准二维或二维空间内，以欠电位沉积电活性物质为依托，发生高度可逆的氧化脱附、化学吸附或还原反应，从而产生一个与电极充电电位间存在一定关系的电容。因一切反应均发生于整个体相内，则其最大电容值相对更大，如：吸附型准电容为2000*10-6F/cm2。就氧化还原型电容器而言，其最大电容量更大。已经被公认了的碳材料比容值为20*10-6F/cm2，则在重量级体积相同条件下，赝电容器容量等同于10-100倍双电层电容器容量。现阶段，赝电容器的电极材料主要是导电聚合物及金属氧化物。
近年来，超级电容器电极材料新增了导电聚合物。聚合物产品电子电导率极好其电子电导率不典型数值高度1-100S/cm。以还原反应及电化学氧化反应为依托，在电子轭聚合物链上，导电聚合物引入负电荷及正电荷中心，此时，电极的电势决定了负电荷及正电荷中心的充电程度。导电聚合物能量存储的途径为法拉第过程。现阶段，能够于较高还原电位条件下高稳定低发生电化学n型掺杂的导电聚合物数量相当少，例如聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺等。
3 超级电容器的特点
3.1 优点
（1）容量超高：超级电容器容量范围处于0.1-6000F，其等同于同体积电解电容器的2000-6000倍。
（2）高功率密度：超级电容器主要提供瞬时大电流，其短时断流高达几百至几千安培，且其功率密度等同于电池的10-100倍，即10*103W/kg。
（3）高充放电效率，长使用寿命：超级电容器充放电过程对电极材料结构无任何负面影响，且电极材料使用次数对使用寿命无任何负面影响。
（4）温度范围宽，即-40-70℃：温度对超级电容器电极材料反应速率的负面影响程度较轻。
（5）环保、免维护：超级电容器材料无毒、安全、环保。
（6）可长时间放置：超级电容器因长时间放置而导致起电压下降，但只需对其充电便可使其电压复原，且超级电容器容量性能不会因此受到任何影响。
3.2 缺点
超级电容器的缺点主要是漏电流量大、能量密度低级单体工作电压低等。
4 超级电容器的应用
超级电容器凭借自身众多优点而被广泛应用于各行各业，例如：充当记忆器、计时器、内燃机启动电力；电脑等电子产品；航空；太阳能电池辅助电源；电动玩具车主电源等领域。在本案，笔者就超级电容器于消费电子、电动汽车及混合电动汽车、电力系统级内燃机车启动等四大领域的应用展开探讨。
4.1 消费电子
超级电容器凭借着自身循环寿命长、储能高、质量轻等优点而被广泛应用于微型计算机、存储器、钟表及系统主板等备用电源领域。超级电容器的充电时间较短，但充电能量较大。若因主电源接触不良或中断等因素而导致系统电压降低，则超级电容器将起后备补充的作用，以防止仪器因突然断电而受到损坏。图1为电路中超级电容器应用原理图。
超级电容器完全可以代替电池而成为新型环保型小型用电器电源，且数字钟、录音机、电动玩具、照相机及便携式摄影机等电源都可选取超级电容器，理由是超级电容器具备经济性高及循环寿命长等优点。若将超级电容器与电池联用，其使用效果极佳，即允许长期供电、蓄电池容量大、克服超大电流放电相关局限等。若将超级电容器应用于大功率大脉冲电源，尤其是某些无线技术便携装置，其应用效果不言而喻。
4.2 电动汽车及混合电动汽车
超级电容器的独特优势大大满足了电动汽车对电动电源的需求。相对于超级电容器，传统动力电池因在快速充电、使用寿命、高功率输出及宽温度范围等方面均存在局限而不能最大程度满足电动汽车动力电源的需要。就电动车加速、启动或爬坡等高功率需求环节，超级电容器为其提供了极大的方便。如果将超级电容器配合动力电池使用，则电池受到大电流充放电的负面影响将大幅度降低。此外，在再生自动系统的协助下，可将瞬间能量回收，以提高超级电容器能量利用率。
4.3 电力系统
随着超级电容器的问世，电解电容器已逐渐被超级电容器所取代。若将超级电容器应用到高压开关站或变电站硅整流分合闸装置中，其将发挥储能装置的作用，并能有效地解决电解电容器因漏电流大及储能低等缺点而引发的分合闸装置可靠性降低等缺陷，且能最大化规避相关安全事故的发生。与此同时，若以超级电容器取代电解电容器，其不仅能够保持原装置的简单结构，且能有效地减少电力系统的维护量，并能大幅度降低电力系统运行成本。
超级电容器在分布式电网储能中的应用很广，且其应用效果极佳。分布式电网系统以多组超级电容器为依托，以电场能形式为主要手段，将能量一一储存起来，并在能量紧缺的情况下，通过控制单元，将能量释放出来，以此为系统提供足够的能量，从而确保了系统内电能平衡机控制的稳定性。
4.4 内燃机车启动
通常情况下，内燃机车柴油发电机组启动主要依靠蓄电池组。但因蓄电池向外放电所需时间较长，尤其是冬天，其时间要求更是严格，则其使用效果不理想，且其经济性及环保性不高。针对这一点，德国研究人员首先做出了将超级电容器应用于汽车启动上的尝试，他们试图通过超级电容器解决怠速汽车因停车导致的能源浪费等问题。实验结果显示，超级电容器蓄电池组质量仅为1/3传统车用蓄电池组，但其实现了将启动机启动扭矩提高1/2，从而有效地增加了内燃机车启动转速。
超级电容范文5
“多年来，研究人员一直想造出像电池和超级电容器这样能在高温环境下稳定工作的能源存储设备，但由于传统材料本身性质的制约，一直未能攻克难题。”莱斯大学材料科学家帕里柯·阿加恩说，“我们的革新是找到了一种能在高温下保持稳定的、非传统的电解质/隔离板系统。”
他们研究了欧洲和奥地利科学家于2009年开发的一种室温离子液（RTILs）。RTILs在室温下导电性较低，但加热后黏度会降低而导电性提高。黏土具有很高的热稳定性、吸附能力和渗透性，活性表面积也很大。通常用在石油钻探、现代建筑或钢铁铸造中。
研究人员把RTILs和自然界的斑脱土黏土等量混合，制成一种混合胶，将其夹在两层还原的氧化石墨中间，上下再装两个集电器，就成了一种超级电容器。经测试和电子显微图像显示，这种材料被加热到200℃时也没有变化，即使加热到300℃也只有很小的变化。
“材料的离子电导性在180℃之前几乎是直线增加，然后在200℃时达到饱和。”论文领导作者、莱斯大学机械工程与材料科学系研究人员阿拉瓦·瑞迪说。测试还发现，虽然在第一次充/放电中，其容量有轻微下降，但这种超级电容能稳定地通过1万次周期测试。在运行温度从室温提高到200℃后，无论电能还是功率密度都提高了两个数量级。
这种新型超级电容器拥有最佳的电容性能，能在几秒钟内充电而瞬间放电，一般的充电电池是缓慢充电，按照需要逐渐放电。理想的超级电容器能迅速充电、储电并按需放电。阿加恩说，它们能在200℃甚至可能更高的温度下稳定工作。这对于在极端环境下使用的充电设备是非常有用的，比如石油钻探、军队以及太空环境。
研究小组还将RTILs/黏土和少量热塑聚氨酯结合，制成一种薄膜，可以切割成不同的大小和形状，灵活适应多种设备的设计。
“我们的目的是克服传统液体或胶体电解液的限制，它们只能用在低温工作的电化能源设备中。”瑞迪说，“这项研究让人们能在更广泛的温度范围安全操作，而不必在能量、功率和周期寿命之间折中妥协，大大改善甚至消除了对昂贵的热量管理系统的需求。”
我国首创煤制芳烃4项技术 冉永平
笔者从中国华电集团获悉：由华电集团参与开发的煤制芳烃技术近日又获得国家知识产权局授予的4项国家专利，这项技术属于世界首创。目前，该项技术成果已经通过国家鉴定，现已上报国家专利申请21项，取得授权6项。此举标志着我国已经成功掌握了这一新技术的核心知识产权。据悉，华电集团规划在陕西省榆林市建设世界首套百万吨煤制芳烃工业示范装置，计划于2016年投产。
煤制芳烃技术由华电集团与清华大学联合开发。华电集团总经理云公民表示：“华电集团十分重视煤炭资源清洁高效利用。煤制芳烃技术的成功开发，开创了煤基能源化工新途径，对我国石油化工原料替代具有重要意义。”
芳烃是大宗基础有机化工原料，目前我国年消费量超过2000万吨，是化纤、工程塑料及高性能塑料等的关键原料，广泛用于服装面料、航空航天、交通运输、装饰装修、电器产品、移动通讯等。目前芳烃97%以上来源依赖于石油原料，其价格与石油价格正相关，常年居高不下。中国石油和化学工业联合会副会长周竹叶说：“煤制芳烃技术填补了国际空白，是我国现代煤化工科技领域的重大突破，对推进石油和化工原料多元化进程具有重要的意义。”
据介绍，经过10余年的技术攻关，清华大学率先在国际上开发成功甲醇制芳烃的催化剂和便于大型化工业生产的流化床甲醇制芳烃的连续反应再生技术。为了加快实现技术的产业化，清华大学与华电采取“以企业为科技创新主体，产学研相结合”的方式共同开发成套工业技术。2012年，全球首套万吨级甲醇制芳烃工业试验装置在华电煤业陕西榆林煤化工基地建成。2013年1月投料试车成功，2013年3月18日，技术通过国家能源局委托中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定。鉴定委员会专家一致认为，此项技术总体处于国际领先水平。
超级电容范文6
点钞机是自动清点钞票张数和鉴别钞票真伪的仪器，是金融、商业界的一种很重要的仪器，它的性能好坏直接影响到金融系统中工作效率的提高，甚至关系到整个金融秩序，因此要求计数必须准确，同时还需具有可靠的鉴别伪钞的能力。目前，流通钞票中不但混有伪钞而且由于各版人民币的使用又存在面额和版面的不同，因此要求点钞机必须能够兼容不同面额和不同版面。
一、应达到的技术指标及功能
1.点钞速度可调：正常速度为1000张/分钟，赛机状态为1500张/分钟，低速清点时为500张/分钟；
2.能够完全兼容第四版和第五版所有面额的钞票。
二、总体结构方案设计确定与选择
1.点钞机工作原理
将一叠钞票放入喂钞台中，点钞机开始启动运转，由捻钞机构将钞票一张张分开，再由加速机构将分开的钞票距离拉大后通过计数及检测对管、磁传感器、光传感器等检测机构，各种信号经处理后，经显示器显示出钞票张数、是否为伪异钞票等。
2.设计计算及解决的关键技术问题
2.1 总体要求
喂钞口容量：500张。出钞口容量：200张。适应纸币规格：长（90mm ～203mm）、宽（50 mm～110 mm）、厚（0.075mm～0.15 mm）
2.2结构选择
点钞机分为立式结构和卧式结构两种。卧式点钞机输送距离长，因此体积大，结构也较复杂，重量较大，点钞速度不易提高，但点钞较平稳。立式点钞机结构紧凑，体积小，重量轻，造型美观，点钞速度可达1500张/分，适合于柜员制工作方式，因此选用立式结构。
点钞机中传钞轮的布置应充分考虑钞票宽度的最大和最小尺寸，各输送轮之间间距大小与钞票宽度的最小尺寸有关，其间距应小于钞票的最小宽度，这样才能保证钞票的连续输送。各输送轮的直径大小与钞票宽度的最大尺寸有关，其轮的周长必须大于钞票的最大宽度。其次，各输送轮的直径还决定了点钞过程中相邻钞票的间隔距离，直径越大，周长越长，钞票的间距越大，不易造成连张。反之轮直径越小，钞票的间距越小，易造成连张。但如输送轮直径过大，线速度亦越大，对钞票的扯拉力亦大，对轮的摩损亦大，同时对机器的整体结构布局不利，使外形尺寸增大，重量增大。因此必须综合考虑各轴的中心距，各轮直径的大小，结构及各种利弊关系。综合以上因素确定为立式结构，并采用阻力捻钞、齿形带传动的机械结构
2.3 点钞过程及各点钞轮的作用
喂钞轮：该轮每转一周将喂钞台上叠加的钞票最下面一张送到捻钞轮入口位置上，为点钞提前做好准备，并协助捻钞轮将纸币送进点钞机。
捻钞轮：该轮在转动过程中，使叠加钞票最下面一张送入机内进行点钞及 检测处理，该轮每转一周送进一张纸币。
压轮，加速对转轮：此二轮与送钞轮和加速轮形成对转，保证钞票可靠的送进，点钞。
2.4 传送方式的选择及传送比
点钞电机选用直流电机，体积小，功率大，控制灵活。传动比的分配与所选择电机输出转速及点钞速度有关。初选电机转速为3000 rpm。
通过同类型产品类比设计计算，并选取同类产品通用零件，确定各传动轮齿数如下：
ZⅠ（电机轴）=20；ZⅡ（加速轴）=32；ZⅡ（加速轮）=43；ZⅢ（捻钞轮）=54 ；ZⅢ（捻钞轴）=20；ZⅣ（喂钞轴）=20
则各级传动比为：iⅠ-Ⅱ=ZⅡ/ZⅠ=32/20=1.6，iⅡ-Ⅲ=ZⅢ/ZⅡ=54/43=1.256
该比例满足捻钞轮与加速轮间的关系。iⅢ-Ⅳ=ZⅣ/ZⅢ=20/20=1
总传送比 i =iⅠ-Ⅱ×iⅡ-Ⅲ×iⅢ-Ⅳ=1.6×1.256×1=2.01
喂钞轮转速为：n= n1÷i=3000÷2.01=1493 rpm
基本满足最高点钞速度1500张/分的要求。
2.5主要传动轴转速及转轮线速度的计算
转速计算公式：n2= n1/i
注：n1（为前级转速rpm）；n2（为后级转速rpm）；i（为两级间传动比）
线速度计算公式为：v = π×D×n ÷60÷1000
注：v（计算轮的线速度m/s）；n（计算轮的转速rpm）；D（计算轮的直径mm）
计算结果如下
2.6钞票运行间隔验算：
钞票运行间隔分为加速之前间隔和加速之后的间隔（示意图见图1）。根据点钞规律：喂钞轮（捻钞轮）每转一周送进一张钞票，在经过加速轮之前钞票的运行间距为：喂钞轮的周长减钞票的宽度，用关系式表示为：
a=L喂-L钞=π×DⅣ-（50～100）
注：L喂（喂钞轮周长mm）；L钞（钞票宽度mm）；DⅣ（喂钞轮直径mm）；a（钞票运行间隔mm）；vⅣ/vⅢ（喂钞轮/或捻钞轮线速度）；vⅡ（加速轮线速度）；b（加速后钞票间隔）
a=π×40-（50～110）=75.66～15.66（mm）
钞票达到加速轮后，由于加速作用钞票的间隔增大了a（mm），其间隔为b。
a =（vⅡ/vⅣ）L钞-L钞=（3.795/3.14-1）（50～110）=10.43～22.95（mm）
加大后的钞票间隔为：
b=a+a=（75.66～15.66）+（10.43～22.95）=86.09～38.61mm
图1钞票运行图
钞票通过检测对管时间t钞（见示意图1）：
检测对管安装在加速对转轮与加速轮的中心连线上。钞票在该处速度稳定可靠，没有滑移。
t钞=L钞/vⅡ=（50～110）÷3.795=13.175～28.99（ms）
钞票运行间隔时间tb
tb=b/vⅡ=（86.09-38.61）÷3.795=22.69～10.17（ms）
满足检测对管的检测时间要求
三、结论
通过上述的理论计算及分析，此套机构能够满足对检测纸币的兼容性要求，并能达到计数准确，检伪可靠，使用、维护方便等要求。另外因选取了同类产品的通用零部件，大大降低了生产及维护成本，同时缩短开发周期，从而使产品能优质、低价、快速投放市场，提高产品竞争力并带来相应经济效益。（作者单位：沈阳中钞信达金融设备有限公司）
参考文献：
[1]机械设计 陈铁鸣等主编 哈尔滨工业大学出版社 2006
