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超级电容器在煤矿中的应用浅谈

摘 要：基于超级电容器的特性及其储能系统的工作原理，超级电容器储能系统能快速吸收、释放大功率电能。应用于煤矿中的超级电容器储能系统可作为备用电源，提高煤矿电网供电的安全性和可靠性。也可用于解决煤矿电网的无功功率动态补偿、谐波污染防治及暂态电能质量等问题。
Keys：煤矿；超级电容器；储能系统
Application of super capacitor in coal mine
GUO Yan,WANG Pingping
(General Technology Group Engineering Design Co. Ltd., Jinan 250031)
Abstract: Based on the characteristics of super capacitor and the working principle of its energy storage system, the super capacitor energy storage system can absorb and release high-power electric energy quickly. The supercapacitor energy storage system applied in coal mine can be used as backup power supply to improve the security and reliability of power supply in coal mine. It can also be used to solve the problems of reactive power dynamic compensation, harmonic pollution prevention and transient power quality of coal mine power grid.
Key words: coal mine super capacitor energy storage system
1 煤矿电能质量的现状
煤矿机电设备的电机功率通常较大，需配置大功率变频器来控制交流电动机的速度和转矩。变频器等各种电力电子装置的应用会产生大量的谐波电流，同时要消耗电网的无功功率。
谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，影响各种电气设备的正常工作。无功功率不足，会导致电网总电流的增大，增大电力系统设备容量，因而使总投资增大。在输送同样功率的情况下，无功功率不足会使设备和线路的损耗增加，降低电网电压，影响正常的生产和生活用电。
暂态电能质量问题包括电压跌落、浪涌、电压脉冲及瞬时电压中断。电压跌落是最常见的暂态电能质量问题，其产生原因有系统故障、冲击性负荷的运行等。暂态电能质量问题可导致芯片制造过程中断造成芯片毁坏，导致因电压过低引起系统跳闸。
超级电容器储能系统（SCES）的发展为改善煤矿电网电能质量提供了一种解决思路。超级电容器是一种新型的大容量储能元件，充放电时间短，可在短时间内释放出大量电能。超级电容器与蓄电池组合系统，蓄电池能提供长时间的电力供应，超级电容器能快速释放电功率，两者结合使用可维持煤矿电网功率平衡，保持电压稳定。储能系统加入蓄电池可降低超级电容器储能系统的成本，提高经济效益，具有广阔的应用前景。
2 超级电容器储能系统简介
2.1 超级电容器的特性
超级电容器，也叫电化学电容器，是一种新兴的绿色节能存储电能器件。超级电容器按储能原理可分为双电层电容器和准法拉第电容器。与传统电容器相比，超级电容器电极采用导电性好的纳米材料，在正负电极表面分别聚集负正离子，即双电层电荷，这种超级电容器称为双电层电容器。双电层电容器功率密度高，可实现电荷的快速储存和释放，其内部结构见图1。
图1双电层超级电容器结构
超级电容器是一种新型储能元件，其优越性主要表现为: ①超级电容器的容量高，最大可做到上万法拉。②超级电容器功率密度极高，短时间可释放上千安电流。③充放电时间短，完全充电只需数分钟。④可靠性高。超级电容器工作中没有运动部件，维护工作极少。⑤工作温度范围宽且使用寿命长。
2.2 超级电容器储能系统的工作原理
超级电容器储能系统（SCES）的基本结构见图2，包括由多个电容器串并联构成的超级电容器组、AC/DC整流器、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器和控制单元。
图2超级电容器储能系统基本结构
超级电容器作为大容量储能装置，将AC/DC整流器提供的直流电能经DC/DC变换器处理后储存起来。当负荷侧需要大功率电能时，超级电容器通过DC/DC变换器、DC/AC逆变器将储存电能释放出来，实现能量平衡，维持母线电压稳定。超级电容器组充放电过程中端电压不断变化，利用DC/DC变换器作为接口电路控制端电压波动。控制单元用于超级电容器充放电的电流控制、时间控制、系统补偿有功功率和无功功率的控制等。
3超级电容器在煤矿中的应用浅谈
超级电容器储能系统（SCES）有两种运行模式：独立运行模式和并网运行模式。当煤矿电网电压过低、过高、瞬时停电时，超级电容器储能系统采用独立运行模式。当煤矿电网出现短时无功缺额，或产生高次谐波电流及暂态电能质量问题时，超级电容器储能系统采用并网运行模式。超级电容器储能系统并联接在需要解决无功功率动态补偿、谐波污染防治及暂态电能质量问题的煤矿电网母线上。
在独立运行模式，超级电容器储能系统可作为备用电源，在正常电源故障时提供电能，提高煤矿电网供电的安全性和可靠性。在并网运行模式，当电力负荷突变如提升机启动、加速时，煤矿电网需瞬时提供大量有功及无功功率，否则会引起母线电压波动甚至电压下降，通过DC/DC变换器、DC/AC逆变器，控制超级电容器储能系统向煤矿电网快速提供大量无功及有功功率，实现能量平衡，从而避免电压波动、谐波等问题。当提升机减速时，电机所需电能减少，控制超级电容器储能系统回收部分能量，保证电压平稳和功率平衡。
目前常用的电能质量调节器工作原理是跟踪检测畸变的电压、电流信号，控制IGBT等元件通断来产生需要补偿的畸变分量。因其没有大容量储能装置，不能进行有功功率补偿，无功功率补偿量也有限。超级电容器储能系统替代电能质量调节器用于煤矿电网后，不仅可以发挥电能质量调节器的作用，消除电能质量污染，还可以提供快速有功或无功功率缓冲，消除煤矿电网电压波动。
超级电容器储能系统用于煤矿电网，还可起到“削峰填谷”的作用，提高经济效益。煤矿可以在电力负荷低谷时，以较便宜的谷电价对储能系统进行充电，此时超级电容器储能系统作为用电负荷吸收电能。在用电高峰时，超级电容器储能系统将吸收的电能释放出来，为煤矿的部分负荷供电。
4 结 论
超级电容器储能系统作为备用电源，可提高煤矿电网供电的安全性和可靠性，也可用于解决无功功率动态补偿、谐波污染防治及暂态电能质量问题。随着超级电容器控制技术的成熟及材料成本的降低，将超级电容器储能系统应用于煤矿电网，具有广阔的应用前景和良好的经济效益。
Reference
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-全文完-