10 kV配電系統(tǒng)中超級(jí)電容器的應(yīng)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(chǔ)能設(shè)備的需求不斷增加，與超級(jí)電容器相關(guān)的研究數(shù)量顯著增加。超級(jí)電容器具有適應(yīng)溫度范圍廣、維護(hù)簡單、浮充壽命長、功能穩(wěn)定及低污染等優(yōu)點(diǎn)，適合作為配電自動(dòng)化系統(tǒng)后備電源。文章針對超級(jí)電容器在配電網(wǎng)中的應(yīng)用，分析了不同運(yùn)行年限及運(yùn)行環(huán)境的超級(jí)電容器電容值、剩余容量、內(nèi)阻等指標(biāo)，驗(yàn)證了超級(jí)電容器在免維護(hù)或低維護(hù)狀態(tài)作為配電自動(dòng)化設(shè)備備用電源的優(yōu)越性和可行性。

關(guān)鍵詞：10 kV配電系統(tǒng);超級(jí)電容器;性能;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.054

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，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)備在所帶線路失電的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，接收主站信號(hào)并進(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，因此需要在配電設(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[1]。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)后備電源的主要選擇。

1 配電自動(dòng)化設(shè)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(shí)用性最高、應(yīng)用最廣泛的電池，是常見電力儲(chǔ)能和大型儲(chǔ)能的主要構(gòu)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(yán)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(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[2]。鉛酸蓄電池單位體積可儲(chǔ)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(fù)極之間往返移動(dòng)實(shí)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(yīng)用于各種電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車和航空航天等領(lǐng)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(fù)極材料和電解液構(gòu)成。

鋰離子電池工作原理如圖1所示。

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

1.3 超級(jí)電容器

相較于蓄電池，超級(jí)電容器具有電容器放電功率大的突出優(yōu)點(diǎn)，更能滿足斷路器分合閘操作需要的電能供應(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)烈的場合[3]。相較于普通電容器，還具有電池的優(yōu)勢，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。

由于儲(chǔ)能方式對環(huán)境無污染，超級(jí)電容器將是未來儲(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)，避免操作不及時(shí)或充能時(shí)間過長。作為優(yōu)秀的后備電源，超級(jí)電容器在滿足功率密度的基礎(chǔ)上，在溫度、維護(hù)等方面還有優(yōu)勢。超級(jí)電容器適用溫度范圍很廣，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，適應(yīng)配電自動(dòng)化設(shè)備這種長期運(yùn)行在戶外、維護(hù)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(hù)周期，超級(jí)電容器在生命周期內(nèi)具有免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，提高了其作為后備電源的穩(wěn)定性和可靠性[4]。

2 超級(jí)電容器基礎(chǔ)概述

2.1 結(jié)構(gòu)

超級(jí)電容器是一種能快速充放電且應(yīng)用非常廣泛的電化學(xué)儲(chǔ)能器件，主要通過電解質(zhì)的極化存儲(chǔ)電能。超級(jí)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(jié)構(gòu)由多個(gè)單體串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成組件。超級(jí)電容器的性能主要與電極材料和電解質(zhì)有關(guān)，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(jí)電容器常用的活性電極材料有碳材料、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物三種[5]。

第一代超級(jí)電容器于1957年問世，利用典型的活性炭作為電極儲(chǔ)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(dǎo)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(dǎo)電聚合物的復(fù)合材料。過渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物電極基于氧化還原反應(yīng)這一基礎(chǔ)，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(jìn)行可逆氧化還原反應(yīng)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的贗電容行為。

與碳材料相比，電極導(dǎo)電聚合物基材料能夠進(jìn)行離子交換，將電荷存儲(chǔ)于電極的有效體積，比能量密度較碳材料更高，且導(dǎo)電聚合物材料具有質(zhì)量輕、柔性較好等特點(diǎn)，在柔性電容器領(lǐng)域備受關(guān)注，由于導(dǎo)電聚合物材料電極存儲(chǔ)電荷基于法拉第反應(yīng)，并不是吸附/脫附的非法拉第反應(yīng)，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(qiáng)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(yīng)用于超級(jí)電容器領(lǐng)域，利用過渡金屬氧化物和碳材料制備復(fù)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(yīng)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(diǎn)，生物質(zhì)基碳材料來源廣泛、成本低廉，為超級(jí)電容器產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供一定的基礎(chǔ)。相較于碳?xì)饽z、碳納米管和石墨烯等碳基超級(jí)電容器，生物炭超級(jí)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(diǎn)。雖然過渡金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物基超級(jí)電容器比電容、穩(wěn)定性和功率密度優(yōu)于生物炭基超級(jí)電容，但是制備成本限制了其進(jìn)一步發(fā)展和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前，利用生物質(zhì)制備的生物炭材料作為超級(jí)電容器電極仍然備受關(guān)注。

2.2 分類

由于儲(chǔ)能機(jī)理不同，超級(jí)電容器可以分為雙電層超級(jí)電容器和贗電容超級(jí)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(gè)電極后，電解質(zhì)中的陰、陽離子會(huì)分別向正、負(fù)極遷移，在電極表面形成雙電層，完成充電儲(chǔ)能過程。外加負(fù)載時(shí)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(jié)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(jí)電容器的儲(chǔ)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(yīng)的活性物質(zhì)（官能團(tuán)結(jié)構(gòu)），能夠發(fā)揮欠電位沉積作用，充電時(shí)通過氧化反應(yīng)存儲(chǔ)電能，當(dāng)外加負(fù)載的時(shí)候通過與電解質(zhì)離子發(fā)生還原反應(yīng)使外電路產(chǎn)生電流，能量儲(chǔ)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(xué)性能不高。

3 超級(jí)電容器原理

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。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，卻因被束縛無法相撞。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倫勢壘，由于庫倫力的拉扯，導(dǎo)致兩層電荷不能越過勢壘進(jìn)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(gè)電荷層：一個(gè)位于電極上，另一個(gè)處于溶液中異號(hào)電荷位置。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)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)，通過離子吸附或脫附即可達(dá)到充放電的目的。

由于沒有傳統(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)十萬次的充放電壽命。

與電池相比，超級(jí)電容器具有諸多優(yōu)勢，功率密度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電池，可達(dá)到電池的100倍左右。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。

4 測定10 kV配電系統(tǒng)超級(jí)電容器應(yīng)用參數(shù)

超級(jí)電容器標(biāo)定的使用壽命長于鉛酸蓄電池，作為后備電源時(shí)設(shè)計(jì)壽命往往在10年以上，定期檢測超級(jí)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(jì)發(fā)展起步較早，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)陸續(xù)開始投運(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、在箱式配電站內(nèi)、環(huán)網(wǎng)箱內(nèi)室外運(yùn)行三種方式。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，分析評價(jià)配電站內(nèi)損耗元件時(shí)，最好選用不同運(yùn)行工況的真實(shí)數(shù)據(jù)[7]。

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)長已達(dá)到其設(shè)計(jì)壽命（10年～12年），因此，要針對超級(jí)電容器在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境中各項(xiàng)參數(shù)的變化趨勢進(jìn)行測量分析，確定是否具有繼續(xù)使用的價(jià)值。

對已運(yùn)行的超級(jí)電容器進(jìn)行狀態(tài)評價(jià)時(shí)，最值得關(guān)注的參數(shù)是實(shí)際可儲(chǔ)能容量，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，測量轄區(qū)內(nèi)20個(gè)在運(yùn)典型超級(jí)電容器的參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)值和測量所得殘值得到可用百分比，同時(shí)測量電容內(nèi)阻，完成低維護(hù)度環(huán)境下運(yùn)行的超級(jí)電容器狀態(tài)評估。

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

根據(jù)表1可見，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)場規(guī)程要求，其中運(yùn)行條件較好的電容器，存儲(chǔ)容量占比仍能達(dá)到70%。針對配電自動(dòng)化設(shè)備的使用場景，超級(jí)電容器在配電自動(dòng)化站房使用中具有優(yōu)越性，大部分超級(jí)電容器均可延長預(yù)期壽命，甚至到達(dá)預(yù)期壽命后仍擁有較高的殘值和可用性。

由測試結(jié)果可知，相對于維護(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。如果成本允許，作為配電自動(dòng)化設(shè)備的后備電源，使用超級(jí)電容器可以延長設(shè)備使用年限，降低運(yùn)維成本，保障配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

綜上所述，由于配電設(shè)備數(shù)量眾多且多數(shù)在戶外運(yùn)行，因此，選擇運(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)電容器的運(yùn)行狀況和檢測數(shù)據(jù)表明，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，將逐步替代原有蓄電池，成為配電自動(dòng)化的主要后備電源。

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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。