超級電容在風電機組備用電源中的優勢

摘 要：近年，可再生能源發電在電力供應中的比例逐步提升，而風力發電是目前成本最接近常規電力，發展前景最大的可再生能源發電，但風電設備事故頻發也是今年風電行業的發展之殤，風電機組的備用電源是守護風力發電機組安全的最后一道防線，一旦備用電源失效，在電網故障時極容易造成風電機組飛車乃至倒塔事故，而如今風電機組的備用電源主要有蓄電池和超級電容兩種，本文就對超級電容在風電機組備用電源中的優勢進行闡述。

關鍵詞：風電；備用電源；超級電容；蓄電池

風電機組在正常運行過程中如果電網掉電，需要應急電源為葉片回槳提供能量。很多機組采用鉛酸電池作為應急電源，一個電池柜在機艙內，同時給 3 個變槳系統提供應急電源，通過機艙控制柜內的電池充放電控制回路，控制監測電池的電量。但鉛酸電池壽命較短、對工作環境溫度要求嚴格、充電時間長并且容易出現電能儲存不足的情況。亟需找到一種穩定的后備電源儲能設備。

一、問題原因及風險分析

風電機組運行環境比較惡劣，經過長期運行實際來看，蓄電池使用壽命短，一般 2～3 年蓄電池就得更換。受地區季節性大氣候因素影響，蓄電池的使用壽命將進一步降低，單臺風機電池故障后只能采取整組更換方式，維護成本較高。蓄電池使用 2 年之后實際容量降低，經常發生長時間待機充電現象，故障時刻機組存在無法順槳的隱患，機組運行安全存在風險，并增加了后期的運行維護工作量及成本。

二、超級電容器介紹

（一）超級電容器的概念。超級電容器是建立在德國物理學家亥姆霍茲提出的界面雙電層理論基礎上的一種全新的電容器。眾所周知，插入電解質溶液中的金屬電極表面與液面兩側會出現符號相反的過剩電荷，從而使相間產生電位差。那么，如果在電解液中同時插入兩個電極，并在其間施加一個小于電解質溶液分解電壓的電壓，這時電解液中的正、負離子在電場的作用下會迅速向兩極運動，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統電容器中的電介質在電場作用下產生的極化電荷相似，從而產生電容效應，緊密的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比普通電容器電荷層間距更小，因而具有比普通電容器更大的容量。

（二）超級電容器的機構和基本原理。超級電容器的容量比通常的電容器大得多。由于其容量很大，對外表現和電池相同，因此也稱作“電容電池”或“黃金電池”。超級電容器電池也屬于雙電層電容器，它是目前世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種，

其基本原理和其它的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。

三、超級電容的優勢

超級電容器的存儲容量可以達到數千法以上，理論上超級電容器應具備很高的功率密度和循環壽命。與蓄電池相比，超級電容的主要技術特點體現在：功率密度高，遠高于目前蓄電池的功率密度水平；循環壽命長，在幾秒的高速深度循環10萬次后，超級電容器的特性變化很小，容量和內阻僅降低10%～20%；響應速度較快，對過充電和過放電有一定的承受能力。由以上分析可得出超級電容在儲能方面有無與倫比的優越性，具體的有以下幾點：

（一）良好的充/放電特性。超級電容在任何情況下依然可以進行儲能，而傳統蓄電池只要在電壓達到一定門限時才能吸收能量，這樣無異于對能量的巨大浪費。

（二）極化電解質的物理反應，性能較穩定。超級電容充電時，當外電壓加到超級電容器的兩個極板上時，極板的正電極存儲正電荷，負極板存儲負電荷，在超級電容器兩個極板上的電荷產生的電場作用下，電解液與電極間的界面上形成相反的電荷，以平衡電解液的內電場，正電荷與負電荷吸附在兩個極板上。放電時，正、負極板上的電荷被外電路泄放，當兩極板間電勢低于電解液的氧化還原電極電位時，電解液界面上的電荷響應減少，但不會脫離電解液。由此可以看出：超級電容器的充放電是物理過程，沒有化學反應。而鉛酸蓄電池在放電時，正極的活性物質二氧化鉛和負極的活性物質金屬鉛都與硫酸電解液反應，生成硫酸鉛，在電化學上把這種反應叫做“雙硫酸鹽化反應”。在蓄電池剛放電結束時，正、負極活性物質轉化成硫酸鉛是一種結果疏松、晶體細密的結晶物，活性程度非常高。蓄電池充電過程中，正、負極疏松細密的硫酸鉛，在外界充電電流的作用下會重新還原成二氧化鉛和金屬鉛，蓄電池又處于充足電的狀態。正是這種可逆轉的電化學反應，使蓄電池實現了儲存電能和釋放電能的功能。因此性能較穩定的超級電容器，與利用化學反應的蓄電池不同。

（三）超長的循環壽命。風力發電由于自身的特點，可能引起蓄電池反復頻繁充電，導致電池壽命縮短。而超級電容器因具有 10 萬次以上的充放電循環壽命和完全免維護、高可靠性等特點，很快成為儲能緩沖裝置的首選，此外，在有瞬間強負載的系統中，利用超級電容器可以發揮穩定系統電壓，減少系統電源容量配置的作用。

（四）快速響應特性（ms）。超級電容放電響應時間在 ms 之內，遠遠短于傳統蓄電池，可以有效、及時保護負載的安全。

基于以上超級電容與鉛蓄電池、鉛酸電池的對比，筆者認為超級電容在未來風電機組備用電源選用中更具優勢。

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作者簡介：

白雪銀（1988-）男，漢族，遼寧省鞍山市，工程師，工學學士，單位：中廣核大北山（瓦房店）風力發電有限公司，研究方向：風力發電機組的運行與維護。