超級電容器及其在電力系統(tǒng)中的應用

吳俊杰，周　舟，查方林，何鐵祥，馮　兵

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

超級電容器及其在電力系統(tǒng)中的應用

吳俊杰，周舟，查方林，何鐵祥，馮兵

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

超級電容器作為一種介于普通電容器與化學電池的新型儲能元件，具有功率密度高、使用壽命長、工作溫度范圍寬、免維護、環(huán)保安全等優(yōu)點，在儲能領域受到了越來越多的關(guān)注。首先介紹了超級電容器的儲能原理和特點，對超級電容器單體元件、組件集成技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化等方面的最新研究進展進行了綜述，并總結(jié)了其在電力系統(tǒng)中的應用研究和發(fā)展方向。

超級電容器；儲能；電力系統(tǒng)

電能是現(xiàn)代社會最便利清潔的能源之一，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，電能生產(chǎn)和消費必須時刻保持平衡，是一個“剛性”系統(tǒng)。然而，隨著信息化、自動化和智能化發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量要求不斷提高；另外，新能源發(fā)電和并網(wǎng)帶來的間歇性、波動性問題，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性要求更高。引入儲能系統(tǒng)使電力系統(tǒng)“柔性化”[1-2]，并與智能化控制結(jié)合，能使電力系統(tǒng)的安全性、靈活性和經(jīng)濟性大幅提高，其中，經(jīng)濟高效的儲能技術(shù)是儲能系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵。超級電容器作為一種新型儲能元件，是未來至關(guān)重要的儲能技術(shù)。

1　超級電容器的儲能原理及特點

超級電容器結(jié)構(gòu)與電化學電池類似，包括集流體、電極、電解質(zhì)以及隔膜等單元，多個單體并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)成超級電容器組件。超級電容器組件及單體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1儲能原理

根據(jù)電極材料不同，超級電容器可分為雙電層電容器和電化學電容器。其中，雙電層電容器利用電極/電解質(zhì)界面的電荷分離存儲能量，是純粹的物理過程，其電極一般為碳材料。電化學電容器基于氧化還原反應，電解質(zhì)中離子在電極表面進行欠電位沉積，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容，其電極材料為具有氧化還原電化學活性的材料，如金屬氧化物和導電聚合物。表面積相同時，電化學電容器容量是雙電層電容器的10～100倍。超級電容器兩個電極可以是同種材料(對稱型超級電容器)，也可以是不同種類材料(非對稱型超級電容器)[3-4]。

圖1　超級電容器組件及單體示意圖

1.2超級電容器的儲能特點

超級電容器充放電速度、充放電效率、功率密度、能量密度和循環(huán)壽命等性能較佳，綜合性能優(yōu)于普通電容器和充電電池。超級電容器的充放電均在表面進行，電子擴散路徑很短，充放電快速；充放電過程不涉及能量形式轉(zhuǎn)變，效率高，無大量放熱；功率密度很高，短時充放電電流可達幾百甚至幾千安培。另外，超級電容器無需特殊的充電設備和控制電路，還具有免維護、工作溫域?qū)?－35～75℃)、環(huán)境友好等優(yōu)點[5-6]。超級電容器也存在一些缺點[7]：首先，超級電容器單體能量密度較低，不適合電能大量儲存；其次，單體電壓較低，使用時需將多個電容器串/并聯(lián)，但每個電容器內(nèi)阻不一致，需要額外的均壓策略；最后，產(chǎn)業(yè)化程度不高，價格偏高，前期投資大。

2　超級電容器的研究進展

幾十年來，超級電容器單體元件，組件及產(chǎn)業(yè)化方面都獲得了很大的發(fā)展。主要的研究方向集中于單體元件新型材料、組件均壓技術(shù)以及低成本化生產(chǎn)技術(shù)。

2.1單體元件

超級電容器中，電極材料和電解質(zhì)對超級電容器整體性能起決定性作用。

超級電容器電極材料包括三類：碳材料、金屬氧化物和導電聚合物。碳材料在商業(yè)化超級電容器中應用最為廣泛，但比電容和能量密度低。納米化以提高材料比表面積以及利用協(xié)同效應使用復合材料是提高電極材料性能的兩種主要方法。最近研究發(fā)現(xiàn)，部分納米級鋰電池電極材料 (如LiCO2、LiMn2O4和H2Ti6O13等)具有準電容性質(zhì)，鋰離子在晶格間能夠可逆脫嵌。這類材料組裝的新型“電池-超級雜化電容器”，有望實現(xiàn)器件性能全方位提升[8-9]。

電解質(zhì)對超級電容器性能影響也很大。目前廣泛使用的水和有機液體電解質(zhì)存在分解電壓低、電化學窗口窄、腐蝕性強、有毒等缺點。離子液體不揮發(fā)、毒性低、電化學窗口寬、電導率和離子遷移率高、液程寬；固態(tài)電解質(zhì)安全性更高，從根本上杜絕了泄漏危險，這兩類電解質(zhì)是未來發(fā)展的主方向。Simon等[10]使用含有四氫吡咯與含哌啶結(jié)構(gòu)的兩種離子液體混合作為電解質(zhì)，其工作溫度為－50～100℃，極大地擴大了超級電容器的應用環(huán)境。Lewandowski等[11]利用多種離子液體與聚丙烯腈制成固態(tài)電解質(zhì)，與碳電極組裝超級電容器，其比電容量可達200 F/g。美國萊斯大學的Borges等[12]將黏土和離子液體混合開發(fā)新型電解質(zhì)，其高溫性能優(yōu)異，而且可以充當超級電容器隔膜，相關(guān)論文發(fā)表于《自然·科學報告》。

2.2組件集成

超級電容器單體電壓值低、容量小，需集成多個單體才能滿足應用要求。但是，受材質(zhì)和工藝限制，單體的電容、等效串聯(lián)電阻以及漏電流等參數(shù)均存在差異，因此，工作時各單體易出現(xiàn)過電壓和欠電壓。為提高超級電容器可靠性、利用率和使用壽命，其組件必須采用電壓均衡技術(shù)。

電壓均衡技術(shù)可分為能量消耗型和能量轉(zhuǎn)移型。能量消耗型技術(shù)將高電壓單體的部分電能轉(zhuǎn)化為熱能或其余能量，產(chǎn)生壓降，實現(xiàn)均壓。較為成熟的技術(shù)包括直接并聯(lián)電阻法、開關(guān)電阻法及穩(wěn)壓管法等。此類技術(shù)電路簡單，成本低，但均壓速度慢，能量浪費嚴重，組件效率低。能量轉(zhuǎn)移型技術(shù)利用能量變換器將偏差能量轉(zhuǎn)移到組件中的其余單體，實現(xiàn)動態(tài)均壓。此類均壓技術(shù)包括DC/DC變換器法、開關(guān)電容法以及開關(guān)電感法。此類技術(shù)可實現(xiàn)快速動、靜態(tài)均壓，能量消耗小，效率高，但控制電路復雜，成本高。采用新型元件，減少輔助器件，優(yōu)化等效模型，改進電路拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法，實現(xiàn)高效率和低成本均壓是目前研究的方向。李海東等[13]提出了一種飛渡電容法，利用一個小容量電容作為儲能中間單元轉(zhuǎn)移能量，實現(xiàn)了電壓快速均衡。張曉立等[14]介紹了一種多段式Zetas均壓技術(shù)，整個電路僅一個開關(guān)管，無需閉環(huán)控制、電壓檢測及控制電路，電流斷續(xù)模式時亦可自動均壓。

2.3產(chǎn)業(yè)化

美國標準石油公司最先開始超級電容器商業(yè)化研究，于1957年取得第一份超級電容器專利。20世紀80年代，日本松下公司最早生產(chǎn)了標稱電壓為2.3～6.0 V的超級電容器。目前，美國、日本和俄羅斯的產(chǎn)品在國際市場上占據(jù)絕對領先地位。日本松下、NEC、EPCOS，美國Maxwell、Evant，俄羅斯E-cond、Eltran，韓國NESS，法國SAFT等公司在超級電容器研發(fā)方面非常活躍。Maxwell開發(fā)的高能量密度超級電容器功率密度為5.72 kW/kg，能量密度可達17.2 Wh/kg，在大容量電力儲能領域應用前景廣泛。2013年日本明電舍開發(fā)了體積能量密度為12.4 Wh/L，單體電壓為3.5 V，充放電次數(shù)超過5萬次的超級電容器。該產(chǎn)品使用離子液體電解質(zhì)、碳納米管電極和多孔鋁集電體等元件。該公司的目標是體積能量密度達到20 Wh/L[15]。

盡管我國的超級電容器起步較晚，但相關(guān)研究及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速。“十一五”、“十二五”和“863”計劃中納入了多項超級電容器相關(guān)的主題和專項。高校、科研院所和企業(yè)也積極開展超級電容器及其關(guān)鍵材料的研究。最近，南車集團成功實現(xiàn)了世界最大功率超級電容單體(7 500 F)批量生產(chǎn)，許多企業(yè)也具備很強的國際競爭力。根據(jù)業(yè)內(nèi)分析，2013年國內(nèi)超級電容器的市場規(guī)模約為31億元人民幣，到2016年，市場規(guī)模有望達到73億元。

3　超級電容器在電力系統(tǒng)中的應用

超級電容器是大功率物理二次電源，具有功率密度大、充放電速度快的特點，特別適合于脈動功率工作、快速響應的場合。超級電容器還可以與蓄電池混合使用，結(jié)合二者優(yōu)勢能大幅度擴展應用范圍和提高經(jīng)濟性。超級電容器最初受到廣泛關(guān)注源于電動汽車，并逐步拓展到低功耗電子設備、消費電子產(chǎn)品以及軍事領域中。超級電容器在電力系統(tǒng)應用也非常廣泛，可用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，風光發(fā)電并網(wǎng)，大規(guī)模儲能等各個場合。

超級電容器可有效調(diào)節(jié)電能質(zhì)量，緩解電壓暫降、驟升和畸變行為，實現(xiàn)電力系統(tǒng)電壓動態(tài)穩(wěn)定，保證敏感負荷在系統(tǒng)波動時穩(wěn)定工作，典型應用為動態(tài)電壓恢復器(DVR)和靜止同步補償器(STATCOM)。ABB公司開發(fā)的基于超級電容器儲能的DVR，已經(jīng)成功應用于新加坡一個4 MW的半導體工廠，可以實現(xiàn)160 ms低電壓穿越。中科院電工所與無錫力豪聯(lián)合開發(fā)的基于超級電容器的DVR，能夠?qū)崿F(xiàn)補償輸出，大幅度降低DVR的運行成本[16]。超級電容器儲能系統(tǒng)也可以用于非線性輸出的發(fā)電系統(tǒng)有功波動功率調(diào)節(jié)控制，有效地抑制直流側(cè)過電壓，向系統(tǒng)提供動態(tài)無功支撐，降低對電網(wǎng)的沖擊，提高故障后機組穩(wěn)定性。因此，超級電容器可用于調(diào)節(jié)和控制風電以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出[17-18]。2005年，美國加利福尼亞州為950 kW風力發(fā)電機組配套建造了450 kW的超級電容器儲能系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)機組向電網(wǎng)輸送功率的波動。超級電容器用作備用電源，可作為發(fā)電廠和變/配電站控制、保護、信號和通信裝置的直流操作電源[19]。例如，超級電容器分合閘裝置能克服電解電容儲能式硅整流分合閘裝置容量有限，漏電流大，可靠性差的缺點，實現(xiàn)連續(xù)頻繁操動，并可利用電路浮充快速補充[20]。超級電容器也可以作為風電變槳和FTU后備電源，實現(xiàn)快速充放電。使用大容量超級電容器儲能元件的DVR裝置甚至可以替代不間斷電源(UPS)，作為電網(wǎng)電壓短期中斷的補救裝置。清華大學與漳州科華聯(lián)合開發(fā)的“儲能式超級電容器不間斷電源系統(tǒng)”，可實現(xiàn)雙路輸出電壓高精度控制，負載輸出允許100%不平衡，輸出電壓精度為2%。

超級電容器也可以應用在大容量能量管理場合，如削峰填谷和大規(guī)模儲能等。特別是超級電容器/蓄電池混合儲能投資小，運行費用低，被認為是未來儲能的發(fā)展方向[21]。混合儲能系統(tǒng)中，超級電容器起濾波作用，在短時間負荷突變和短路情況下提供大功率存取，平滑電池充放電電流，避免電池遭受大電流沖擊，減少充放電循環(huán)，延長儲能系統(tǒng)的使用壽命[22]。通過算法改進，合理優(yōu)化容量，混合儲能系統(tǒng)還可以有效降低投資成本和運行費用[23-24]。

4　結(jié)語

儲能技術(shù)是現(xiàn)代電力系統(tǒng)和新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，加快相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和市場應用是搶占未來能源領域的戰(zhàn)略性選擇。超級電容器作為儲能技術(shù)的新生力量，在性能、安全和環(huán)保等方面優(yōu)勢明顯。隨著超級電容器性能提高，其在各個領域的應用將更加廣泛。超級電容器在電力系統(tǒng)多個層次的儲能系統(tǒng)中都有很好的應用前景。發(fā)展超級電容器，將很大程度地推動電力技術(shù)進步，提升電力系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟效益。

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Supercapacitor and their applications in power grids

WU Jun-jie,ZHOU Zhou,ZHA Fang-lin,HE Tie-xiang,FENG Bing
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute,Changsha Hunan 410007,China)

Supercapacitor is a new kind of energy storage device whose performance is between chemical batteries and common capacitor.Supercapacitor has attracted much attention owing to its excellent features such as high power density,long cycle life,wide operating temperature range,maintenance-free,environmental-friendly,and so on.In this paper,the energy storage principle and characters,progress on the components of single device, integrated technologies and industrialization of supercapacitor were reviewed.The applications and developments of supercapacitor in power grids were also summarized.

supercapacitor;energy storage;power system

TM 53

A

1002-087 X(2016)10-2095-03

2016-03-05

吳俊杰(1984—)，男，湖南省人，博士，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)化學及新材料開發(fā)。