10 kV配電系統(tǒng)中超級電容器的應用分析

付建軍　全昌明

摘 要：隨著對大功率、高可靠性和安全儲能設備的需求不斷增加，與超級電容器相關的研究數(shù)量顯著增加。超級電容器具有適應溫度范圍廣、維護簡單、浮充壽命長、功能穩(wěn)定及低污染等優(yōu)點，適合作為配電自動化系統(tǒng)后備電源。文章針對超級電容器在配電網(wǎng)中的應用，分析了不同運行年限及運行環(huán)境的超級電容器電容值、剩余容量、內(nèi)阻等指標，驗證了超級電容器在免維護或低維護狀態(tài)作為配電自動化設備備用電源的優(yōu)越性和可行性。

關鍵詞：10 kV配電系統(tǒng);超級電容器;性能;應用

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.054

隨著智能配電技術的發(fā)展，配電網(wǎng)陸續(xù)進行了自動化改造，配電自動化設備后備電源為SCADA系統(tǒng)和FA策略提供軟硬件支持，保障配電網(wǎng)安全可靠運行。設備在所帶線路失電的情況下仍能正常工作一段時間，主電源失電期間可以保證采集數(shù)據(jù)的正常錄入與上傳，保持通信系統(tǒng)暢通，接收主站信號并進行一定次數(shù)的分合閘操作。

由于DTU等配電自動化設備需要在交流電源失電時繼續(xù)工作，因此需要在配電設備中加裝儲能單元。傳統(tǒng)儲能單元為鉛酸蓄電池或鋰電池，在工作溫度、環(huán)保、維護周期等方面具有一定的局限性[1]。超級電容器是一種具有快速充電、高功率密度等特性的電化學元件，是配電自動化系統(tǒng)后備電源的主要選擇。

1 配電自動化設備后備電源性能對比

1.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池電解液通常為硫酸，以鉛和鉛氧化物作為電極，為最常見、實用性最高、應用最廣泛的電池，是常見電力儲能和大型儲能的主要構成元件。鉛酸蓄電池性能優(yōu)良，作為目前最為成熟的蓄電池，安全不可燃，持續(xù)使用允許浮充，對溫度也沒有嚴苛的要求。鉛酸蓄電池工業(yè)化生產(chǎn)較早，成本低廉，可以回收再利用，設備殘值較高，全壽命成本較為低廉，具有良好的經(jīng)濟性[2]。鉛酸蓄電池單位體積可儲存能量較少，能量密度較低，對于需要較大能量的系統(tǒng)，所占體積很大。鉛酸蓄電池的可循環(huán)次數(shù)較少，循環(huán)壽命較短，往往不及鋰離子電池的一半。

1.2 鋰離子電池

鋰離子電池是一種以離子形式在正負極之間往返移動實現(xiàn)充放電過程的電池。鋰離子電池循環(huán)性能好、比容量高、安全性好，廣泛應用于各種電子產(chǎn)品、電動汽車和航空航天等領域。鋰離子電池由外殼和電池內(nèi)芯組成，內(nèi)芯是鋰離子電池的核心部分，主要由正極材料、隔膜、負極材料和電解液構成。

鋰離子電池工作原理如圖1所示。

充電時，鋰離子從正極材料脫出，經(jīng)過電解質(zhì)和隔膜儲存在負極。放電時，鋰離子從負極脫出嵌入正極。

1.3 超級電容器

相較于蓄電池，超級電容器具有電容器放電功率大的突出優(yōu)點，更能滿足斷路器分合閘操作需要的電能供應。超級電容器同時具有能量密度高的特點，非常適合在功率需求強烈的場合[3]。相較于普通電容器，還具有電池的優(yōu)勢，儲電能力遠超普通電容器，容量可以達數(shù)十至上千法拉。

由于儲能方式對環(huán)境無污染，超級電容器將是未來儲能方式的主要發(fā)展方向。在配電自動化系統(tǒng)中，智能配電網(wǎng)終端需要進行開關的分合閘操作，有時需要較大功率密度才能實現(xiàn)，避免操作不及時或充能時間過長。作為優(yōu)秀的后備電源，超級電容器在滿足功率密度的基礎上，在溫度、維護等方面還有優(yōu)勢。超級電容器適用溫度范圍很廣，由于只利用電化學作用而不發(fā)生直接化學反應，所以低至﹣40 ℃、高至65 ℃，超級電容器的容量變化都不明顯，適應配電自動化設備這種長期運行在戶外、維護密度較低的工作環(huán)境。相較于鉛酸蓄電池和鋰離子電池較短的維護周期，超級電容器在生命周期內(nèi)具有免維護的優(yōu)點，提高了其作為后備電源的穩(wěn)定性和可靠性[4]。

2 超級電容器基礎概述

2.1 結構

超級電容器是一種能快速充放電且應用非常廣泛的電化學儲能器件，主要通過電解質(zhì)的極化存儲電能。超級電容器與電池類似，由電解質(zhì)、電極、集流體和隔膜等單元組成，內(nèi)在結構由多個單體串聯(lián)或并聯(lián)構成組件。超級電容器的性能主要與電極材料和電解質(zhì)有關，包括充放電速度、功率和能量密度、循環(huán)使用次數(shù)、電阻等。

超級電容器常用的活性電極材料有碳材料、金屬氧化物和導電聚合物三種[5]。

第一代超級電容器于1957年問世，利用典型的活性炭作為電極儲能材料。第一階段以各種形式的碳材料（活性炭、碳納米管及石墨烯材料）作為雙電層電極材料。第二階段以過渡金屬氧化物和導電聚合物作為贗電容電極材料。第三階段電極材料主要是利用各種碳材料與金屬氧化物和導電聚合物的復合材料。過渡金屬氧化物和導電聚合物電極基于氧化還原反應這一基礎，這兩類材料制作的電容器類似電池，電極可以在材料表面快速進行可逆氧化還原反應，表現(xiàn)出很強的贗電容行為。

與碳材料相比，電極導電聚合物基材料能夠進行離子交換，將電荷存儲于電極的有效體積，比能量密度較碳材料更高，且導電聚合物材料具有質(zhì)量輕、柔性較好等特點，在柔性電容器領域備受關注，由于導電聚合物材料電極存儲電荷基于法拉第反應，并不是吸附/脫附的非法拉第反應，較碳材料電極自放電效率低。

與碳材料電極相比，過渡金屬氧化物電極（RuO2、MnO2、PbO2、NiOx和Fe3O4）具有較強的贗電容行為，具有較高的比電容，這類材料循環(huán)穩(wěn)定性差，使用壽命較短，限制其應用于超級電容器領域，利用過渡金屬氧化物和碳材料制備復合材料，或通過制作非對稱的電容器，有望改善這一性能。

碳材料制備的電極基于電解質(zhì)離子在表面的吸附/脫附非法拉第反應完成充放電過程，具有充放電速率快、循環(huán)穩(wěn)定性高和使用壽命長的特點，生物質(zhì)基碳材料來源廣泛、成本低廉，為超級電容器產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供一定的基礎。相較于碳氣凝膠、碳納米管和石墨烯等碳基超級電容器，生物炭超級電容器具有較高的比電容和能量密度，但是存在內(nèi)阻較大等缺點。雖然過渡金屬氧化物和導電聚合物基超級電容器比電容、穩(wěn)定性和功率密度優(yōu)于生物炭基超級電容，但是制備成本限制了其進一步發(fā)展和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應用。目前，利用生物質(zhì)制備的生物炭材料作為超級電容器電極仍然備受關注。

2.2 分類

由于儲能機理不同，超級電容器可以分為雙電層超級電容器和贗電容超級電容器。

雙電層電容器是利用電極和電解質(zhì)溶液形成界面雙電層，外加電場作用于兩個電極后，電解質(zhì)中的陰、陽離子會分別向正、負極遷移，在電極表面形成雙電層，完成充電儲能過程。外加負載時候，由于兩電極之間存在電壓差，吸附在兩電極的陰、陽離子與電解液中電荷相反的離子結合，電極上由于離子的遷移作用而在外電路中產(chǎn)生電流，完成放電過程。

贗電容超級電容器的儲能原理是由于電極表面存在能夠與電解質(zhì)離子發(fā)生氧化還原反應的活性物質(zhì)（官能團結構），能夠發(fā)揮欠電位沉積作用，充電時通過氧化反應存儲電能，當外加負載的時候通過與電解質(zhì)離子發(fā)生還原反應使外電路產(chǎn)生電流，能量儲存比雙電層電容器高10倍～100倍，但功率密度較低，在大電流下電化學性能不高。

3 超級電容器原理

超級電容器介于電池與電容器之間，類似于電池，聚集溶液中的陰陽離子而不發(fā)生化學反應，將不同種類的電荷儲存在極板之間。極板與溶液共同組成雙層電容器，存在于電極表面的靜電荷吸附溶液中不規(guī)則分布的離子，使其在電極與溶液界面的一側一定距離的位置排成一排，互相吸引，卻因被束縛無法相撞。在溶液和極板構成的混合系統(tǒng)中，溶液中的離子會形成一個與極板對應的界面層。該界面層上的電荷量與極板電荷量相同，但極性相反。極板與界面層之間存在庫倫勢壘，由于庫倫力的拉扯，導致兩層電荷不能越過勢壘進行中和[6]。

由于上述界面不能被中和，即在充電的界面形成兩個電荷層：一個位于電極上，另一個處于溶液中異號電荷位置。這樣由溶液和電極構成的系統(tǒng)，被稱為雙電層電容器。當儲能或釋能時，電極在溶液中迅速發(fā)生電化學反應，通過離子吸附或脫附即可達到充放電的目的。

由于沒有傳統(tǒng)電池中由電能轉化為化學能、放電時由化學能轉化為電能的雙重損耗，故超級電容器的充放電可逆，可有多達數(shù)十萬次的充放電壽命。

與電池相比，超級電容器具有諸多優(yōu)勢，功率密度遠超傳統(tǒng)電池，可達到電池的100倍左右。此外，超級電容器還具有等效直流電阻很低、內(nèi)阻較小的特點，搭配超級電容器的大電容，是用作儲能設備的優(yōu)秀備選方案。

4 測定10 kV配電系統(tǒng)超級電容器應用參數(shù)

超級電容器標定的使用壽命長于鉛酸蓄電池，作為后備電源時設計壽命往往在10年以上，定期檢測超級電容器的電容值、剩余容量、內(nèi)阻等參數(shù)。

某地區(qū)地處我國沿海城市，經(jīng)濟發(fā)展起步較早，配電網(wǎng)電力設備建設水平也較先進。自2010年起，供電公司轄區(qū)內(nèi)陸續(xù)開始投運和改造自動化站房設備。截至2016年年底，轄區(qū)內(nèi)基本完成10 kV站房配電自動化改造，在國內(nèi)起步較早。

配電網(wǎng)站房分布較為分散，設備運行環(huán)境差異性較大，大體可分為在土建配電站室內(nèi)運行、在箱式配電站內(nèi)、環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)室外運行三種方式。運行環(huán)境的不同往往導致試驗和仿真分析結果與實際運行存在較大的差異，分析評價配電站內(nèi)損耗元件時，最好選用不同運行工況的真實數(shù)據(jù)[7]。

配電自動化改造初期，轄區(qū)建設了少量配備超級電容器的配電站房。截至2020年年底，部分設備運行時長已達到其設計壽命（10年～12年），因此，要針對超級電容器在真實運行環(huán)境中各項參數(shù)的變化趨勢進行測量分析，確定是否具有繼續(xù)使用的價值。

對已運行的超級電容器進行狀態(tài)評價時，最值得關注的參數(shù)是實際可儲能容量，超級電容器的電容值和內(nèi)阻值也是判斷其運行是否正常的重要參數(shù)。根據(jù)投運時間與工作狀況，測量轄區(qū)內(nèi)20個在運典型超級電容器的參數(shù)。根據(jù)設計值和測量所得殘值得到可用百分比，同時測量電容內(nèi)阻，完成低維護度環(huán)境下運行的超級電容器狀態(tài)評估。

典型超級電容器參數(shù)測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

根據(jù)表1可見，超級電容器在免維護狀況下運行狀況仍然良好，即使運行了10年以上，容量等參數(shù)依然滿足現(xiàn)場規(guī)程要求，其中運行條件較好的電容器，存儲容量占比仍能達到70%。針對配電自動化設備的使用場景，超級電容器在配電自動化站房使用中具有優(yōu)越性，大部分超級電容器均可延長預期壽命，甚至到達預期壽命后仍擁有較高的殘值和可用性。

由測試結果可知，相對于維護繁瑣、壽命較短的鉛酸蓄電池和鋰離子電池，超級電容器作為配電自動化設備的后備電源具有較大的優(yōu)勢。如果成本允許，作為配電自動化設備的后備電源，使用超級電容器可以延長設備使用年限，降低運維成本，保障配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

5 結語

綜上所述，由于配電設備數(shù)量眾多且多數(shù)在戶外運行，因此，選擇運維度低、運行可靠、能量密度高的儲能單元是配電自動化發(fā)展的重要方向。超級電容器的運行狀況和檢測數(shù)據(jù)表明，作為配電自動化后備電源具有可行性和優(yōu)越性。超級電容器作為一種充電速度快、功率特性好、免維護及環(huán)保的新型儲能元件，隨著技術的發(fā)展和制造成本的逐步降低，將逐步替代原有蓄電池，成為配電自動化的主要后備電源。

參考文獻

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作者簡介：付建軍（1997—），男，湖南邵東人，本科，助理工程師，研究方向：配網(wǎng)低電壓工作。