超級電容器及其在電力系統中的應用

吳俊杰，周　舟，查方林，何鐵祥，馮　兵

(國網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中的應用

吳俊杰，周舟，查方林，何鐵祥，馮兵

(國網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、環保安全等優點，在儲能領域受到了越來越多的關注。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、組件集成技術及產業化等方面的最新研究進展進行了綜述，并總結了其在電力系統中的應用研究和發展方向。

超級電容器；儲能；電力系統

電能是現代社會最便利清潔的能源之一，傳統電力系統中，電能生產和消費必須時刻保持平衡，是一個“剛性”系統。然而，隨著信息化、自動化和智能化發展，用戶對電能質量要求不斷提高；另外，新能源發電和并網帶來的間歇性、波動性問題，對電力系統穩定性要求更高。引入儲能系統使電力系統“柔性化”[1-2]，并與智能化控制結合，能使電力系統的安全性、靈活性和經濟性大幅提高，其中，經濟高效的儲能技術是儲能系統發展的關鍵。超級電容器作為一種新型儲能元件，是未來至關重要的儲能技術。

1　超級電容器的儲能原理及特點

超級電容器結構與電化學電池類似，包括集流體、電極、電解質以及隔膜等單元，多個單體并聯或串聯構成超級電容器組件。超級電容器組件及單體結構如圖1所示。

1.1儲能原理

根據電極材料不同，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，電解質中離子在電極表面進行欠電位沉積，產生與電極充電電位有關的電容，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、能量密度和循環壽命等性能較佳，綜合性能優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、工作溫域寬(－35～75℃)、環境友好等優點[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，但每個電容器內阻不一致，需要額外的均壓策略；最后，產業化程度不高，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，組件及產業化方面都獲得了很大的發展。主要的研究方向集中于單體元件新型材料、組件均壓技術以及低成本化生產技術。

2.1單體元件

超級電容器中，電極材料和電解質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。最近研究發現，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，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”，有望實現器件性能全方位提升[8-9]。

電解質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、毒性低、電化學窗口寬、電導率和離子遷移率高、液程寬；固態電解質安全性更高，從根本上杜絕了泄漏危險，這兩類電解質是未來發展的主方向。Simon等[10]使用含有四氫吡咯與含哌啶結構的兩種離子液體混合作為電解質，其工作溫度為－50～100℃，極大地擴大了超級電容器的應用環境。Lewandowski等[11]利用多種離子液體與聚丙烯腈制成固態電解質，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新型電解質，其高溫性能優異，而且可以充當超級電容器隔膜，相關論文發表于《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，受材質和工藝限制，單體的電容、等效串聯電阻以及漏電流等參數均存在差異，因此，工作時各單體易出現過電壓和欠電壓。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。

電壓均衡技術可分為能量消耗型和能量轉移型。能量消耗型技術將高電壓單體的部分電能轉化為熱能或其余能量，產生壓降，實現均壓。較為成熟的技術包括直接并聯電阻法、開關電阻法及穩壓管法等。此類技術電路簡單，成本低，但均壓速度慢，能量浪費嚴重，組件效率低。能量轉移型技術利用能量變換器將偏差能量轉移到組件中的其余單體，實現動態均壓。此類均壓技術包括DC/DC變換器法、開關電容法以及開關電感法。此類技術可實現快速動、靜態均壓，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，優化等效模型，改進電路拓撲結構和控制方法，實現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移能量，實現了電壓快速均衡。張曉立等[14]介紹了一種多段式Zetas均壓技術，整個電路僅一個開關管，無需閉環控制、電壓檢測及控制電路，電流斷續模式時亦可自動均壓。

2.3產業化

美國標準石油公司最先開始超級電容器商業化研究，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、日本和俄羅斯的產品在國際市場上占據絕對領先地位。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方面非常活躍。Maxwell開發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，充放電次數超過5萬次的超級電容器。該產品使用離子液體電解質、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，但相關研究及產業化發展迅速。“十一五”、“十二五”和“863”計劃中納入了多項超級電容器相關的主題和專項。高校、科研院所和企業也積極開展超級電容器及其關鍵材料的研究。最近，南車集團成功實現了世界最大功率超級電容單體(7 500 F)批量生產，許多企業也具備很強的國際競爭力。根據業內分析，2013年國內超級電容器的市場規模約為31億元人民幣，到2016年，市場規模有望達到73億元。

3　超級電容器在電力系統中的應用

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，結合二者優勢能大幅度擴展應用范圍和提高經濟性。超級電容器最初受到廣泛關注源于電動汽車，并逐步拓展到低功耗電子設備、消費電子產品以及軍事領域中。超級電容器在電力系統應用也非常廣泛，可用于電能質量調節，風光發電并網，大規模儲能等各個場合。

超級電容器可有效調節電能質量，緩解電壓暫降、驟升和畸變行為，實現電力系統電壓動態穩定，保證敏感負荷在系統波動時穩定工作，典型應用為動態電壓恢復器(DVR)和靜止同步補償器(STATCOM)。ABB公司開發的基于超級電容器儲能的DVR，已經成功應用于新加坡一個4 MW的半導體工廠，可以實現160 ms低電壓穿越。中科院電工所與無錫力豪聯合開發的基于超級電容器的DVR，能夠實現補償輸出，大幅度降低DVR的運行成本[16]。超級電容器儲能系統也可以用于非線性輸出的發電系統有功波動功率調節控制，有效地抑制直流側過電壓，向系統提供動態無功支撐，降低對電網的沖擊，提高故障后機組穩定性。因此，超級電容器可用于調節和控制風電以及光伏發電系統的功率輸出[17-18]。2005年，美國加利福尼亞州為950 kW風力發電機組配套建造了450 kW的超級電容器儲能系統，用于調節機組向電網輸送功率的波動。超級電容器用作備用電源，可作為發電廠和變/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，實現連續頻繁操動，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)，作為電網電壓短期中斷的補救裝置。清華大學與漳州科華聯合開發的“儲能式超級電容器不間斷電源系統”，可實現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展方向[21]。混合儲能系統中，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，延長儲能系統的使用壽命[22]。通過算法改進，合理優化容量，混合儲能系統還可以有效降低投資成本和運行費用[23-24]。

4　結語

儲能技術是現代電力系統和新能源產業發展的關鍵技術，加快相關產品的研發、產業化和市場應用是搶占未來能源領域的戰略性選擇。超級電容器作為儲能技術的新生力量，在性能、安全和環保等方面優勢明顯。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多個層次的儲能系統中都有很好的應用前景。發展超級電容器，將很大程度地推動電力技術進步，提升電力系統運行的安全性和經濟效益。

[1]FERREIRA A C，SOUZA L M，WATANABE E H.Improving power quality with a variable speed synchronous condenser[C]//Proc Power Electronics,Machines and Drives Conf.UK：IET，2002: 456-461.

[2]張文亮，丘明，來小康，等.儲能技術在電力系統中的應用[J].電網技術,2008,32(7):1-9.

[3]BURKE A.Ultracapacitors:why,how,and where is the technology [J].Journal of Power Sources,2000,91:37-50.

[4]WANG G P,ZHANG L,ZHANG J J.A review of electrode materials for electrochemical supercapacitors[J].Chem Soc Rev,2012,41: 797-828.

[5]胡毅，陳軒恕，杜硯，等.超級電容器的應用與發展[J].電力設備, 2008,9(1):19-22.

[6]YU A P,DAVIES A,CHEN Z W.Electrochemical Supercapacitors [M].UK：Wiley-VCH Verlag Gmb H&Co KGaA,2012.

[7]WANG Y G,XIA Y Y.Recent progress in supercapacitors:From materials design to system construction[J].Adv Mater,2013,25: 5336-5342.

[8]NAOI K,NAOI W,AOYAGI S,et al.New generation"nanohybrid supercapacitor"[J].Acc Chem Res,2013,46(5):1075-1083.

[9]NAOI K,ISHIMOTO S,MIYAMOTO J,et al.Second generation 'nanohybrid supercapacitor':Evolution of capacitive energy storage devices[J].Energy Environ Sci,2012,5:9363-9373.

[10]LIN R，TABEMA P L，FANTINI S，et a1.Capacitive energy storage from－50 to 100℃using all ionic liquid electrolyte[J].J Phys Chem Lett,2011,2:2396-2401.

[11]LEWANDOWSKI A,GALINSKI M.Carbon-ionic liquid double layer capacitors[J].J Phys Chem Solid，2004,65:281-286.

[12]BORGES R S,REDDY A L M,RODRIGUES M T F,et al.Supercapacitor operating at 200 degrees celsius[J].Scientific Report, 2013,3:2572.

[13]李海東,齊智平，馮之鉞.超級電容器電力儲能系統的電壓均衡策略[J].電網技術,2007,31(3):19-34.

[14]張曉立，張輝，蘇冰.基于Zetas的串聯超級電容器電壓均衡技術[J].電力電子技術,2013,47(5):79-80.

[15]劉春娜.國外超級電容器發展動態[J].電源技術,2012,36(7): 930-932.

[16]HALPIN S M,SPYKE R L,NELMS R M.Application of double layer capacitor technology to static condensers for distribution system voltage control[J].IEEE Transactions on Power Systems, 1996,11(4):1899-1904.

[17]趙瑜，周瑋，于芃，等.風電有功波動功率調節控制研究[J].中國電機工程學報,2013,33(13):85-91.

[18]李宵，胡長生，劉昌金，等.基于超級電容儲能的風電場功率調節系統建模與控制[J].電力系統自動化，2009，33(9)：86-90.

[19]張惠妍.超級電容器直流儲能系統分析與控制技術的研究[D].北京：中國科學院電工研究所,2006.

[20]文迪.基于超級電容器的斷路器操作電源研究[J].現代機械, 2010,4：51-52.

[21]張坤，毛承雄，陸繼明，等.用于直驅式風力發電的復合儲能系統[J].電力系統及其自動化學報,2011,23(4):1-6.

[22]戴詠喜，徐沖，劉以建.應用于脈沖負載的蓄電池和超級電容器混合儲能的研究[J].通信電源技術，2011,28(4):12-14.

[23]楊珺，張建成，周陽，等.針對獨立風光發電中混合儲能容量優化配置研究[J].電力系統保護與控制,2013,41(4):38-44.

[24]王西偉，熊煒，劉君,等.分布式發電中儲能單元的容量優化[J].電源技術,2013,37(3):436-438.

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化學及新材料開發。