超級(jí)電容器在10 kV配電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

閆崇松

（國(guó)網(wǎng)天津市電力公司城南供電分公司，天津 300201）

0 引言

隨著智能配電技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)陸續(xù)進(jìn)行了自動(dòng)化改造，可利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Su?pervisory Control And Data Acquisition，SCADA）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視與控制，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)采集、運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)測(cè)量、故障報(bào)警、參數(shù)調(diào)節(jié)等功能[1]。在配電系統(tǒng)中，各土建配電站、箱式配電站中均加裝了自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU），而DTU主電源主要依賴于所在配電站中電壓互感器（TV）、站用變壓器或所帶臺(tái)區(qū)的配電變壓器低壓出口的220 V交流電。饋線自動(dòng)化（Feeder Automation，F(xiàn)A）策略[2]主要實(shí)現(xiàn)兩方面功能：正常工作情況下對(duì)用戶數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、測(cè)量和運(yùn)行方式優(yōu)化；故障狀態(tài)下對(duì)故障的檢測(cè)、隔離，負(fù)荷轉(zhuǎn)移和供電恢復(fù)控制。

配電自動(dòng)化設(shè)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(yùn)行，設(shè)備需要在所帶線路失電情況下仍能正常工作一段時(shí)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，接受主站信號(hào)并可以進(jìn)行一定次數(shù)的分合閘操作。由于DTU等配電自動(dòng)化設(shè)備需要在交流電源失電時(shí)繼續(xù)工作，故需要在配電設(shè)備中加裝儲(chǔ)能單元。傳統(tǒng)儲(chǔ)能單元為鉛酸蓄電池或鋰電池，在工作溫度、環(huán)保、維護(hù)周期等方面具有一定的局限性。超級(jí)電容器是一種具有快速充電、高功率密度等特性的電化學(xué)元件，是配電自動(dòng)化系統(tǒng)后備電源的優(yōu)勢(shì)選擇。

1 超級(jí)電容器的特點(diǎn)

1.1 超級(jí)電容器的原理

超級(jí)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(yáng)離子而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將不同種類的電荷儲(chǔ)存在極板之間[3]。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)雙電層電容器的原理進(jìn)行了較為細(xì)致的闡述?？傮w來(lái)說(shuō)，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(cè)一定距離的位置排成一排，互相吸引，卻因被束縛而無(wú)法相撞。最終，在溶液和極板構(gòu)成的混合系統(tǒng)中，溶液中的離子會(huì)形成一個(gè)與極板對(duì)應(yīng)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(kù)倫勢(shì)壘，由于庫(kù)倫力的拉扯，導(dǎo)致兩層電荷不能越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)行中和。

由于上述界面不能被中和，即在充電的界面形成兩個(gè)電荷層：一個(gè)位于電極上，另一個(gè)位于溶液中異號(hào)電荷所處位置。這樣由溶液和電極構(gòu)成的系統(tǒng)，被稱為雙電層電容器。當(dāng)需要進(jìn)行儲(chǔ)能或釋能時(shí)，電極在溶液中迅速發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)離子吸附或脫附即可達(dá)到充放電的目的。

由于沒(méi)有傳統(tǒng)電池中由電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、放電時(shí)由化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的雙重?fù)p耗，故超級(jí)電容器的充放電可逆，可有多達(dá)數(shù)十萬(wàn)次的充放電壽命[6]。

相比于電池，超級(jí)電容器具有諸多優(yōu)勢(shì)，功率密度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電池，可達(dá)到電池的100倍左右[3]。此外，超級(jí)電容器還具有等效直流電阻很低、內(nèi)阻較小的特點(diǎn)，搭配超級(jí)電容器的大電容，是用作儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)秀備選方案。

1.2 配電自動(dòng)化系統(tǒng)超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行方式

超級(jí)電容器直流電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，正常供電時(shí)，交流220 V電源由以下幾種常見(jiàn)方法供給：變壓器低壓側(cè)取電，站用變壓器取電，或電壓互感器取電。超級(jí)電容器先后通過(guò)AC/DC和DC/DC模塊，將交流220 V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?~48 V（部分規(guī)格為63 V）電壓給內(nèi)部電容器充電，充電或滿電保持浮充狀態(tài)。當(dāng)變壓器或互感器10 kV側(cè)失電時(shí)，交流220 V母線也同時(shí)失電，超級(jí)電容器進(jìn)入放電模式，維持DC48 V母線兩端直流電壓，供給48 V設(shè)備使用，以完成配電設(shè)備主電源失電后電動(dòng)機(jī)的分合閘和故障上報(bào)等功能。

圖1 超級(jí)電容器直流電源結(jié)構(gòu)示意圖

2 配電自動(dòng)化設(shè)備后備電源性能對(duì)比

2.1 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(jiàn)、實(shí)用性最高、應(yīng)用最廣泛的電池，是常見(jiàn)電力儲(chǔ)能和大型儲(chǔ)能的主要構(gòu)成元件。其主要特點(diǎn)如下。

（1）性能優(yōu)良。鉛酸蓄電池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(duì)溫度也沒(méi)有嚴(yán)苛的要求。

（2）成本低廉。鉛酸蓄電池工業(yè)化生產(chǎn)較早，可以回收再利用，設(shè)備殘值較高，全壽命成本較為低廉，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

（3）能量密度較低。鉛酸蓄電池單位體積可儲(chǔ)存能量較少，對(duì)于需要較大能量的系統(tǒng)，所占體積很大。

（4）循環(huán)壽命較短。鉛酸蓄電池的可循環(huán)次數(shù)較少，往往不及鋰離子電池的一半。

2.2 鋰離子電池

鋰離子電池是一種以離子形式在正負(fù)極之間往返移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程的電池。鋰離子電池屬于二次電池，具有較好的循環(huán)充電特性和較高的能量密度。

鋰離子電池應(yīng)用在配電自動(dòng)化終端DTU中，能夠在設(shè)備突然掉電的情況下長(zhǎng)時(shí)間提供電力。相同容量鋰離子電池的體積和質(zhì)量是鉛酸蓄電池的一半，甚至更小。電池體積小，容易在有限的空間范圍內(nèi)布置，大大提高了空間使用率，降低了場(chǎng)地使用成本，且鋰離子電池的循環(huán)壽命遠(yuǎn)高于鉛酸蓄電池。

但鋰離子電池的回收利用率低，一次性投入成本高，同時(shí)存在后期維護(hù)成本。鋰離子電池需要合理控制自身放電電流，如果放電電流過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)電池內(nèi)部高溫情況，造成不可逆的電池?fù)p壞，且功率特性略顯不足。

2.3 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器具有電容器放電功率大的突出優(yōu)點(diǎn)，相較于蓄電池，更能滿足斷路器分合閘操作所需的較大電能供應(yīng)。超級(jí)電容器同時(shí)具有能量密度高的特點(diǎn)，非常適合在功率需求強(qiáng)烈的場(chǎng)合。相較于普通電容器，其還具有電池的優(yōu)勢(shì)，儲(chǔ)電能力遠(yuǎn)超普通電容器，容量可以達(dá)數(shù)十至上千法拉[7-9]。另外，由于其儲(chǔ)能方式對(duì)環(huán)境無(wú)污染，因此超級(jí)電容器將會(huì)是未來(lái)儲(chǔ)能方式的主要發(fā)展方向。

在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，智能配電網(wǎng)終端需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)的分合閘操作，有時(shí)需要較大功率密度才能實(shí)現(xiàn)，以避免操作不及時(shí)或充能時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。超級(jí)電容器作為優(yōu)秀的后備電源，在滿足功率密度的基礎(chǔ)上，在溫度、維護(hù)等方面還有其他優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容器適用的溫度范圍很廣，由于只利用電化學(xué)作用而不發(fā)生直接化學(xué)反應(yīng)，所以低至-40℃，高至65℃，超級(jí)電容器的容量變化都不明顯[10-11]，對(duì)配電自動(dòng)化設(shè)備這種需要長(zhǎng)期運(yùn)行在戶外、維護(hù)密度較低的工作環(huán)境具有很好的適應(yīng)性。另外，相對(duì)鉛酸蓄電池和鋰離子電池較短的維護(hù)周期，超級(jí)電容器在其生命周內(nèi)具有免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，有效提高了其作為后備電源的穩(wěn)定性和可靠性。

3 配電超級(jí)電容器參數(shù)測(cè)定

超級(jí)電容器標(biāo)定的使用壽命長(zhǎng)于鉛酸蓄電池，作為后備電源時(shí)設(shè)計(jì)壽命往往長(zhǎng)達(dá)10年以上[12-15]，期間需要對(duì)超級(jí)電容器的運(yùn)行工況，如電容值、剩余容量、內(nèi)阻等參數(shù)進(jìn)行定期檢測(cè)。

某地區(qū)地處我國(guó)沿海城市，經(jīng)濟(jì)發(fā)展起步較早，相應(yīng)配電網(wǎng)電力設(shè)備建設(shè)水平也較先進(jìn)，自2010年起，供電公司轄區(qū)內(nèi)即陸續(xù)開(kāi)始投運(yùn)和改造自動(dòng)化站房設(shè)備。截至2016年年底，轄區(qū)內(nèi)基本完成10 kV站房配電自動(dòng)化改造，在國(guó)內(nèi)起步較早。

配電網(wǎng)站房分布較為分散，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境差異性較大，大體可分為在土建配電站室內(nèi)運(yùn)行，以及在箱式配電站內(nèi)或環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)室外運(yùn)行3種方式。運(yùn)行環(huán)境的不同往往導(dǎo)致試驗(yàn)和仿真分析結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行存在較大的差異，所以對(duì)配電站內(nèi)損耗元件進(jìn)行分析評(píng)價(jià)時(shí)最好選用不同運(yùn)行工況的真實(shí)數(shù)據(jù)。

在配電自動(dòng)化改造初期，轄區(qū)建設(shè)了少量配備超級(jí)電容器的配電站房。截至2020年年底，部分設(shè)備運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)已達(dá)其設(shè)計(jì)壽命（10~12年），因此亟需針對(duì)超級(jí)電容器在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中各項(xiàng)參數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行測(cè)量分析，以確定是否具有繼續(xù)使用的價(jià)值。

對(duì)已運(yùn)行的超級(jí)電容器進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)時(shí)，最值得關(guān)注的參數(shù)是其實(shí)際可儲(chǔ)能容量，此外超級(jí)電容器的電容值和內(nèi)阻值也是判斷其運(yùn)行是否正常的重要參數(shù)。根據(jù)投運(yùn)時(shí)間與工作狀況的不同，對(duì)轄區(qū)內(nèi)的20個(gè)在運(yùn)典型超級(jí)電容器進(jìn)行了參數(shù)測(cè)量。根據(jù)設(shè)計(jì)值和測(cè)量所得殘值得到可用百分比，同時(shí)測(cè)量了電容內(nèi)阻，完成了低維護(hù)度環(huán)境下運(yùn)行的超級(jí)電容器狀態(tài)評(píng)估[6]。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 典型超級(jí)電容器參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，超級(jí)電容器在免維護(hù)狀況下運(yùn)行狀況仍然良好，即使運(yùn)行了10年以上，容量等參數(shù)依然滿足現(xiàn)場(chǎng)規(guī)程要求，其中運(yùn)行條件較好的電容器，其存儲(chǔ)容量占比仍能達(dá)到70%?？梢钥闯?，針對(duì)配電自動(dòng)化設(shè)備的使用場(chǎng)景，超級(jí)電容器在實(shí)際配電自動(dòng)化站房使用中具有優(yōu)越性。大部分超級(jí)電容器均可完成預(yù)期壽命，甚至抵達(dá)預(yù)期壽命后仍擁有較高的殘值和可用性。

由實(shí)際測(cè)試結(jié)果可知，相對(duì)于維護(hù)繁瑣、壽命較短的鉛酸蓄電池和鋰離子電池，超級(jí)電容器作為配電自動(dòng)化設(shè)備的后備電源具有較大的優(yōu)勢(shì)。在成本允許的情況下，使用超級(jí)電容器作為配電自動(dòng)化設(shè)備的后備電源可以有效提高設(shè)備使用年限，降低運(yùn)維成本，更加可靠地保障配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

由于配電設(shè)備數(shù)量眾多，且多數(shù)在戶外運(yùn)行，因此選取運(yùn)維度低、運(yùn)行可靠、能量密度高的儲(chǔ)能單元是配電自動(dòng)化發(fā)展的重要方向。超級(jí)電容器的實(shí)際運(yùn)行狀況和檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，其作為配電自動(dòng)化后備電源具有可行性和優(yōu)越性。超級(jí)電容器作為一種充電速度快、功率特性好、免維護(hù)及環(huán)保的新型儲(chǔ)能元件，隨著技術(shù)的發(fā)展和制造成本的逐步降低，將會(huì)逐步替代原有需電池，成為配電自動(dòng)化的主要后備電源。