超級電容在配網終端作為后備電源的應用

胡桂榮，胡國波，閆 旭

（1.國網江蘇省電力有限公司鹽城市大豐區供電分公司，江蘇 鹽城 224199；2.力容新能源技術有限公司，天津 300301）

0 引 言

在電力配網中，DTU后備電源是目前智能終端設備的重要組成部分，在整個自動化系統中作用顯著。設備一般要求在線路突然掉電的情況下維持一段工作時間，以完成故障檢測、信息上報和開關控制，實現故障信息采集、定位、隔離并恢復非故障區域供電等功能[1]。因此，配電自動化終端后備電源配置方式成為配電自動化建設中必要的研究，也是需要解決的重要問題。

1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池由鉛和鉛的氧化物共同作為蓄電池電極的主要材料，并以硫酸溶液作為電解液，英文名稱Lead-acid battery。鉛酸蓄電池在放電時正負極的主要成分分別為二氧化鉛和鉛，而充電時其正負極具有相同的主要成分，都是硫酸鉛。

當鉛酸蓄電池處于放電狀態時，電解液中的硫酸含量不斷下降。硫酸含量低于1.18 g/mL時，需要立刻停止使用，并及時為其充電。鉛酸蓄電池是在化學市場上份額最大、使用最廣泛的電池，特別是在起動和大型儲能等方面，由于價格低廉、技術成熟、溫度性能優良、穩定可靠的特點，在市場競爭中具有較高優勢[2]。（1）性能優勢：鉛酸蓄電池在實現工業化生產的時間最早，技術成熟，無可燃性，能浮充電使用，溫度范圍較寬。（2）成本優勢：鉛酸蓄電池的主要成分為鉛和鉛的化合物，二次回收利用的價值較高，所以綜合考量成本低廉。（3）能量密度低：傳統的鉛酸蓄電池質量和體積能量密度偏低，其能量密度只約有鋰離子電池的1/3，體積很大的情況下，不適用于空間狹小的地方。（4）循環壽命偏短：鉛酸蓄電池循環次數僅為鋰離子電池的1/3。

目前，在智能配電終端后備電源的應用中，壽命越長越好。特別是在戶外環境下，對電池壽命有更高的要求。一般的鉛酸蓄電池在使用2～3年后會有明顯的衰減情況，再加上戶外溫差大，直接影響鉛酸蓄電池的壽命。另外，鉛酸蓄電池在低溫環境下容量僅為常溫下的30%左右，利用率低，所以設計時會在原有的基礎上按幾倍容量進行設計，造成了空間需求大、成本增加過多的問題。此外，鉛酸蓄電池完成一次完全放電后，應當進行超過10 h的充電才能實現完全充電。如果蓄電池開始出現一致性問題，則其中性能最差的一組蓄電池將會直接成為整組蓄電池性能指標的短板。

2 鋰離子電池

鋰離子電池能夠循環充電，屬于二次電池的一種，是以鋰離子形式在正負極之間往返運動。Li+在充電過程中于正負極之間往返脫嵌和嵌入：Li+在充電階段會從正極脫嵌，隨后經電解質運動到負極并嵌入，使得負極為富鋰狀態；Li+在放電階段會從負極脫嵌，并由電解質運動至正極嵌入，正極處于富鋰狀態。鋰離子二次電池充、放電時的反應式為：

鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小、品質較好的電池每月自放電少于2%，且沒有記憶效應，可以自行恢復。-20～60 ℃下，鋰離子電池都能夠保持正常的工作狀態，且具有極好的循環性能。它的充放電速度極快，且效率可以達到100%，具有較大的輸出功率。鋰離子電池可以使用較長時間，同時因為其內部無有害有毒物質，又有綠色電池的稱號。

鋰離子電池應用于智能配電終端DTU中，能量密度高，能滿足設備在突然掉電的情況下長時間提供電力。相同容量的鋰離子電池的體積和重量是鉛酸電池的1/3～1/2，體積小，容易在空間有限的范圍內布置，大大提高了空間使用率，降低了場地使用成本，且鋰離子電池遠高于鉛酸電池的循環壽命。但是，鋰離子電池的回收利用率低，一次性投入成本高，同時存在后期維護成本。鋰離子電池需要合理控制自身放電電流，因為如果放電電流過大，會出現電池內部高溫的情況，進而形成不可逆的電池損壞，且其功率特性略顯不足。

3 超級電容

超級電容又名電化學電容、雙電層電容器、黃金電容和法拉電容，于19世紀后期出現。作為一種電化學元件，它以極化電解質來實現儲能目的[3]。

超級電容介于電池和傳統電容之間，具有特殊性能，借助雙電層和氧化還原贗電容電荷實現電能的存儲。但是，在電能的存儲過程中并不涉及化學反應，且此種電能的存儲過程可逆，使得超級電容器能夠進行數十萬次的反復充放電。

雙電層電容是在溶液/電極界面對離子或電子進行定向排列，形成電荷對峙。電極/溶液體系下，在電子導電電極和離子導電電解質液面會形成雙電層。在對兩個電極施加電場后，會使存在于溶液中的陰陽離子分別向正負電極移動，并在電極表面形成雙電層。在撤銷施加的電場后，因為電極上正負電荷和溶液中對應的相反電荷離子互相吸引，使得雙電層保持穩定狀態，在正負極之間產生電位差并保持穩定。此狀態下，單一電極會在一定距離內（分散層）產生和電極上電荷等量的異性離子電荷，從而使其處于電中性狀態。一旦電容兩級和外電路接通，電極的電荷會向外電路遷移，使得外電路出現電流。溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性，便是雙電層電容的充放電原理。

超級電容的能量密度是傳統電容的幾百倍，功率密度是傳統電池的2個數量級，彌補了電池功率密度不足的特點。超級電容有充電時間短、放置時間長、長達百萬次的循環壽命、免維護以及無污染等特點，被廣泛應用于工業、軍工和能源等領域[4]。超級電容器和蓄電池的性能比較如表1所示。

表1 超級電容器與蓄電池的性能比較

在智能配網終端DTU中，超級電容作為后備電源的應用，有較好的-40～65 ℃溫度范圍。它的容量在此溫度范圍內基本不會發生變化，十分適合應用于長期處于戶外環境中的配電終端設備。另外，相對鉛酸電池和鋰電池幾年需要維護更換來說，超級電容在其生命周內免維護的特點，有效提高了其作為后備電源的穩定性和可靠性。此外，通過新舊超級電容在不同溫度下進行測試比對，結果如表2所示。

表2 超級電容模組測試結果

通過表2可以看出，新舊超級電容在不同溫度條件下進行測試比對的電性能表現優越，體現出超級電容其功率性高、大電流充放電表現良好的優勢。

綜合實驗分析，超級電容在溫度變化下，充放電電流、靜電容量、儲能能量都符合參數需求，且表現穩定。

4 結 論

通過上述對比分析介紹不難看出，超級電容器的出現，解決了智能系統終端DTU中功率密度和能量密度的矛盾。隨著超級電容的進一步發展，超級電容將逐步替代原有作為后備電源的鉛酸蓄電池和鋰電池。超級電容作為一種新型充電速度快、功率特性好、免維護、環保的儲能元件，相信在未來的市場前景下將大有作為。