胡毅，陳軒恕，杜硯，尹婷

(國網(wǎng)武漢高壓研究院，湖北省武漢市430074)

摘要：超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和蓄電池之間的一種新型儲能裝置，它具有功率密度大、容量大、使用壽命長、免維護(hù)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。文章介紹了超級電容器的原理、主要性能指標(biāo)、特點(diǎn)及國內(nèi)外發(fā)展和應(yīng)用狀況；歸納了超級電容器在電力系統(tǒng)中的若干具體應(yīng)用，指出了使用中應(yīng)注意的問題及其解決方法，以及今后的研究方向。

1概述

超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置，其容量可達(dá)幾百至上千法拉。與傳統(tǒng)電容器相比，它具有較大的容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命；而與蓄電池相比，它又具有較高的比功率，且對環(huán)境無污染。因此可以說，超級電容器是一種高效、實(shí)用、環(huán)保的能量存儲裝置。幾種能量存儲裝置的性能比較如表1所示。

超級電容器的發(fā)展始于20世紀(jì)60年代，起先被認(rèn)為是一種低功率、低能量、長使用壽命的器件。但到了20世紀(jì)90年代，由于混合電動汽車的興起，超級電容器才受到廣泛的關(guān)注并開始迅速發(fā)展起來。

現(xiàn)今，大功率的超級電容器被視作一種大功率物理二次電源，各發(fā)達(dá)國家都把對超級電容器的研究列為國家重點(diǎn)戰(zhàn)略研究項(xiàng)目。目前，超級電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越受到關(guān)注，如基于雙電層電容儲能的靜止同步補(bǔ)償器和動態(tài)電壓補(bǔ)償器等，國內(nèi)外對他的研究和應(yīng)用正在如火如荼地進(jìn)行。此外，超級電容器還活躍在電動汽車、消費(fèi)類電子電源、特種、工業(yè)等高峰值功率場合。超級電容器主要應(yīng)用領(lǐng)域如表2[1]所列。

2超級電容器的工作原理及發(fā)展?fàn)顩r

2.1工作原理和性能指標(biāo)

一般認(rèn)為超級電容器包括雙電層電容器和電化學(xué)電容器兩大類[2]。

2.1.1雙電層電容器

早在1897年，德國人Helmholtz就提出了基于超級電容器的雙電層理論。當(dāng)金屬插入電解液中時(shí)，金屬表面上的凈電荷將從溶液中吸引部分不規(guī)則分布的帶異種電荷的離子，使它們在電極-溶液界面的溶液一側(cè)離電極一定距離處排成一排，形成一個(gè)電荷數(shù)量與電極表面剩余電荷數(shù)量相等而符號相反的界面層。該界面由兩個(gè)電荷層組成，一層在電極上，一層在溶液中，因此稱作雙電層。由于界面上存在一個(gè)位壘，因而兩層電荷都不能越過邊界而中和，按照電容器原理而形成一平板電容器[3-4]。由于其距離非常小，一般在0.5nm以下[5]，加之采用特殊電極材料后使其表面積成萬倍地增加，從而產(chǎn)生了極大的電容量。

2.1.2電化學(xué)電容器

電化學(xué)電容器按電極材料的不同可分為金屬氧化物電化學(xué)電容器和導(dǎo)電性高分子聚合物電化學(xué)電容器，即法拉第準(zhǔn)電容。對于電化學(xué)電容器，其存儲電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液中離子在電極活性物質(zhì)中由于氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致的電荷在電極中的儲存[6]。與雙電層超級電容器的靜電容量相比，相同表面積下的電化學(xué)電容器的容量要大10～100倍[7]。

目前，對超級電容器性能描述的指標(biāo)有：

(1)額定容量。指按規(guī)定的恒定電流(如1000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A)充電到額定電壓后保持2～3min，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時(shí)間與電流的乘積再除以額定電壓值，單位為法拉，F(xiàn)。

(2)額定電壓。即可以使用的最高安全端電壓。此外還有浪涌電壓，通常為額定電壓的105%；擊穿電壓，其值遠(yuǎn)高于額定電壓，約為額定電壓的1.5～3倍，單位為伏特(V)。

(3)額定電流。指5s內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，單位為安培(A)。

(4)最大存儲能量。指額定電壓下放電到零所釋放的能量，單位為焦耳(J)或瓦時(shí)(Wh)。

(5)能量密度，也稱比能量。指單位質(zhì)量或單位體積的電容器所給出的能量，單位為Wh/kg或Wh/L。

(6)功率密度，也稱比功率。指單位質(zhì)量或單位體積的超級電容器在匹配負(fù)荷下產(chǎn)生電/熱效應(yīng)各半時(shí)的放電功率。它表征超級電容器所能承受電流的能力，單位為kW/kg或kW/L。

(7)等效串聯(lián)電阻(ESR)。其值與超級電容器電解液和電極材料、制備工藝等因素有關(guān)[8]。通常交流ESR比直流ESR小，且隨溫度上升而減小。單位為歐姆(Ω)。

(8)漏電流。指超級電容器保持靜態(tài)儲能狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部等效并聯(lián)阻抗導(dǎo)致的靜態(tài)損耗，通常為加額定電壓72h后測得的電流[9]，單位安培(A)。

(9)使用壽命。是指超級電容器的電容量低于額定容量的20%或ESR增大到額定值的1.5倍時(shí)的時(shí)間長度。因?yàn)榇藭r(shí)可判斷為其壽命終了。

(10)循環(huán)壽命。超級電容器經(jīng)歷1次充電和放電，稱為1次循環(huán)或叫1個(gè)周期。超級電容器的循環(huán)壽命很長，可達(dá)10萬次以上。

2.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在超級電容器的研制上，目前主要傾向于液體電解質(zhì)雙電層電容器和復(fù)合電極材料/導(dǎo)電聚合物電化學(xué)超級電容器。國外超級電容器的發(fā)展情況如表3所示[10]。

在超級電容器的產(chǎn)業(yè)化上，最早是1987年松下/三菱與1980年NEC/Tokin的產(chǎn)品。這些電容器標(biāo)稱電壓為2.3～6V，電容從10-2F至幾F，年產(chǎn)量數(shù)百萬只。20世紀(jì)90年代，俄羅斯Econd公司和ELIT生產(chǎn)了SC牌電化學(xué)電容器，其標(biāo)稱電壓為12～450V，電容從1F至幾百F，適合于需要大功率啟動動力的場合。如今，日本松下、EPCOS、NEC，美國Maxwell、Powerstor、Evans，法國SAFT，澳大利亞Cap-xx，韓國NESS等公司在超級電容器方面的研究均非?；钴S[11-12]。總的來說，當(dāng)前美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個(gè)超級電容器市場，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的超級電容器基本上都是雙電層電容器。一些雙電層電容器產(chǎn)品的部分性能參數(shù)列于表4。

在我國，北京有色金屬研究總院、錦州電力電容器有限責(zé)任公司、北京科技大學(xué)、北京化工大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京金正平公司、解放軍防化院、哈爾濱巨容公司、上海奧威公司等正在開展超級電容器的研究。2005年，由中國科學(xué)院電工所承擔(dān)的863項(xiàng)目可再生能源發(fā)電用超級電容器儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究通過專家驗(yàn)收。該項(xiàng)目完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的300Wh/1kW超級電容器儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。另外，華北電力大學(xué)等有關(guān)課題組，正在研究將超級電容器儲能(SCES)系統(tǒng)應(yīng)用到分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)。但從整體來看，我國在超級電容器領(lǐng)域的研究與應(yīng)用水平明顯落后于世界先進(jìn)水平。

2.3使用中應(yīng)注意的問題

在超級電容器的使用中，應(yīng)注意以下問題：①超級電容器具有固定的極性，在使用前應(yīng)確認(rèn)極性。

②超級電容器應(yīng)在標(biāo)稱電壓下使用。因?yàn)楫?dāng)電容器電壓超過標(biāo)稱電壓時(shí)會導(dǎo)致電解液分解，同時(shí)電容器會發(fā)熱，容量下降，內(nèi)阻增加，使其壽命縮短。

③由于ESR的存在，超級電容器不可應(yīng)用于高頻率充放電的電路中。

④當(dāng)對超級電容器進(jìn)行串聯(lián)使用時(shí)，存在單體間的電壓均衡問題[13]。單純的串聯(lián)會導(dǎo)致某個(gè)或幾個(gè)單體電容器因過壓而損壞，從而影響其整體性能[6]。

3超級電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1用于分布式發(fā)電系統(tǒng)

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，分布式發(fā)電技術(shù)越來越受到重視。儲能系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，因而其作用越來越重要。超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當(dāng)能量緊急缺乏或需要時(shí)，再將存儲的能量通過控制單元釋放出來，準(zhǔn)確快速地補(bǔ)償系統(tǒng)所需的有功和無功，從而實(shí)現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制[14]。

2005年，美國加利福尼亞州建造了1臺450kW的超級電容器儲能裝置，用以減輕950kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)輸送功率的波動。

除此之外，儲能系統(tǒng)對電力系統(tǒng)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高也可起到重要的作用。通過逆變器控制單元，可以調(diào)節(jié)超級電容器儲能系統(tǒng)向用戶及網(wǎng)絡(luò)提供的無功及有功，從而達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。

3.2用于變/配電站直流系統(tǒng)

我國20世紀(jì)60～80年代建設(shè)的35kV變電站及10kV開關(guān)站(室)，絕大多數(shù)高壓開關(guān)(斷路器)的操動機(jī)構(gòu)是CDX型電磁操動機(jī)構(gòu)。在變電站或配電站的配電室中均配有相應(yīng)的直流系統(tǒng)，用作分合閘操作、控制和保護(hù)的直流電源。這些直流電源設(shè)備，主要是電容儲能式硅整流分合閘裝置和部分由蓄電池構(gòu)成的直流屏。

電容儲能式硅整流分合閘裝置由于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)量小而在當(dāng)時(shí)得到廣泛應(yīng)用，但是在實(shí)際使用中卻存在一個(gè)致命缺陷：事故分合閘的可靠性差。其原因是儲能用電解電容的容量有限(只有幾千μF)，漏電流較大[15]。

由蓄電池構(gòu)成的直流屏雖然能存儲很大的電能，在一些重要的變、配電站中成為必需裝置，但由于其運(yùn)營成本極高、使用壽命不長，因此這些裝置只能用于110kV級別的變電站，難以推廣使用。

超級電容器以其超長使用壽命、頻繁快速的充放電特性、便宜的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，使解決上述問題成為可能。如用2只0.85F，240/280V的超級電容器并聯(lián)后就可完全替代笨重的、需要經(jīng)常維護(hù)的、且有污染的蓄電池組。由于一次合閘的能耗只相當(dāng)于超級電容器所儲能量(70kJ)的3%，而這一能量在浮充電路中又可很快被補(bǔ)充，因而完全適應(yīng)連續(xù)頻繁的操動，且具有極高的可靠性。

3.3用于動態(tài)電壓跌落裝置

盡管很多用戶選擇不間斷電源(UPS)作為電網(wǎng)斷電或電網(wǎng)電壓瞬時(shí)跌落時(shí)設(shè)備電源的補(bǔ)救裝置，但對于電壓瞬時(shí)跌落而言，UPS顯得有些大材小用。UPS由蓄電池提供電能，工作時(shí)間持續(xù)較長，但是，由于蓄電池自身的缺點(diǎn)(需定期維護(hù)、壽命短)，使UPS在運(yùn)行中需時(shí)刻注意蓄電池的狀態(tài)。而電力系統(tǒng)電壓跌落的持續(xù)時(shí)間往往很短(10ms～60s)，因此在這種情況下使用超級電容器的優(yōu)勢比UPS明顯：其輸出電流可以幾乎沒有延時(shí)地上升到數(shù)百安，而且充電速度快，可以在數(shù)分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量存儲，便于下次電源故障時(shí)起用[16]。因此盡管超級電容器的儲能所能維持的時(shí)間很短，但當(dāng)使用時(shí)間在1min左右時(shí)，它具有無可比擬的優(yōu)勢——50萬次循環(huán)、不需護(hù)理、經(jīng)濟(jì)。在新加坡，ABB公司生產(chǎn)的利用超級電容器儲能的動態(tài)電壓恢復(fù)裝置(DVR)安裝在4MW的半導(dǎo)體工廠，以實(shí)現(xiàn)160ms的低電壓跨越。

3.4用于靜止同步補(bǔ)償器

靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)是靈活交流輸電技術(shù)(FACTS)的主要裝置之一，代表著現(xiàn)階段電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償技術(shù)新的發(fā)展方向。它能夠快速連續(xù)地提供容性和感性無功功率，實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾妷汉蜔o功功率控制，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運(yùn)行?；陔p電層電容儲能的STATCOM，可用來改善分布式發(fā)電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。其在300～500kW功率等級的分布式發(fā)電系統(tǒng)中將逐漸替代傳統(tǒng)的超導(dǎo)儲能。經(jīng)濟(jì)性方面，同等容量的雙電層電容儲能裝置的成本同超導(dǎo)儲能裝置的成本相差無幾，但前者幾乎不需要運(yùn)行費(fèi)用，而后者卻需相當(dāng)多的制冷費(fèi)用[17]。

4今后研究的方向和重點(diǎn)

對于超級電容器，今后要研究的方向和重點(diǎn)是：利用超級電容器的高比功率特性和快速放電特性，進(jìn)一步優(yōu)化超級電容器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)。此外，在我國大力發(fā)展新能源這一政策指導(dǎo)下，在光伏發(fā)電領(lǐng)域、風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，超級電容器以其快充快放等特點(diǎn)為改進(jìn)和發(fā)展關(guān)鍵設(shè)備提供了有利條件。

5結(jié)束語

超級電容器的出現(xiàn)，解決了能源系統(tǒng)中功率密度與能量密度之間的矛盾。隨著超級電容器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，它將逐步取代當(dāng)前需頻繁更換的蓄電池，且家用儲能系統(tǒng)也有可能得到實(shí)現(xiàn)。作為一種儲能巨大、充放電速度快、工作溫度范圍寬、工作可靠安全、無需維護(hù)保養(yǎng)、價(jià)格低廉的儲能系統(tǒng)，如能大量應(yīng)用于電力系統(tǒng)，則必將推動技術(shù)進(jìn)步和取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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