超级电容器及其在电力系统中的应用

吴俊杰，周　舟，查方林，何铁祥，冯　兵

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

超级电容器及其在电力系统中的应用

吴俊杰，周舟，查方林，何铁祥，冯兵

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

超级电容器作为一种介于普通电容器与化学电池的新型储能元件，具有功率密度高、使用寿命长、工作温度范围宽、免维护、环保安全等优点，在储能领域受到了越来越多的关注。首先介绍了超级电容器的储能原理和特点，对超级电容器单体元件、组件集成技术及产业化等方面的最新研究进展进行了综述，并总结了其在电力系统中的应用研究和发展方向。

超级电容器；储能；电力系统

电能是现代社会最便利清洁的能源之一，传统电力系统中，电能生产和消费必须时刻保持平衡，是一个“刚性”系统。然而，随着信息化、自动化和智能化发展，用户对电能质量要求不断提高；另外，新能源发电和并网带来的间歇性、波动性问题，对电力系统稳定性要求更高。引入储能系统使电力系统“柔性化”[1-2]，并与智能化控制结合，能使电力系统的安全性、灵活性和经济性大幅提高，其中，经济高效的储能技术是储能系统发展的关键。超级电容器作为一种新型储能元件，是未来至关重要的储能技术。

1　超级电容器的储能原理及特点

超级电容器结构与电化学电池类似，包括集流体、电极、电解质以及隔膜等单元，多个单体并联或串联构成超级电容器组件。超级电容器组件及单体结构如图1所示。

1.1储能原理

根据电极材料不同，超级电容器可分为双电层电容器和电化学电容器。其中，双电层电容器利用电极/电解质界面的电荷分离存储能量，是纯粹的物理过程，其电极一般为碳材料。电化学电容器基于氧化还原反应，电解质中离子在电极表面进行欠电位沉积，产生与电极充电电位有关的电容，其电极材料为具有氧化还原电化学活性的材料，如金属氧化物和导电聚合物。表面积相同时，电化学电容器容量是双电层电容器的10～100倍。超级电容器两个电极可以是同种材料(对称型超级电容器)，也可以是不同种类材料(非对称型超级电容器)[3-4]。

图1　超级电容器组件及单体示意图

1.2超级电容器的储能特点

超级电容器充放电速度、充放电效率、功率密度、能量密度和循环寿命等性能较佳，综合性能优于普通电容器和充电电池。超级电容器的充放电均在表面进行，电子扩散路径很短，充放电快速；充放电过程不涉及能量形式转变，效率高，无大量放热；功率密度很高，短时充放电电流可达几百甚至几千安培。另外，超级电容器无需特殊的充电设备和控制电路，还具有免维护、工作温域宽(－35～75℃)、环境友好等优点[5-6]。超级电容器也存在一些缺点[7]：首先，超级电容器单体能量密度较低，不适合电能大量储存；其次，单体电压较低，使用时需将多个电容器串/并联，但每个电容器内阻不一致，需要额外的均压策略；最后，产业化程度不高，价格偏高，前期投资大。

2　超级电容器的研究进展

几十年来，超级电容器单体元件，组件及产业化方面都获得了很大的发展。主要的研究方向集中于单体元件新型材料、组件均压技术以及低成本化生产技术。

2.1单体元件

超级电容器中，电极材料和电解质对超级电容器整体性能起决定性作用。

超级电容器电极材料包括三类：碳材料、金属氧化物和导电聚合物。碳材料在商业化超级电容器中应用最为广泛，但比电容和能量密度低。纳米化以提高材料比表面积以及利用协同效应使用复合材料是提高电极材料性能的两种主要方法。最近研究发现，部分纳米级锂电池电极材料 (如LiCO2、LiMn2O4和H2Ti6O13等)具有准电容性质，锂离子在晶格间能够可逆脱嵌。这类材料组装的新型“电池-超级杂化电容器”，有望实现器件性能全方位提升[8-9]。

电解质对超级电容器性能影响也很大。目前广泛使用的水和有机液体电解质存在分解电压低、电化学窗口窄、腐蚀性强、有毒等缺点。离子液体不挥发、毒性低、电化学窗口宽、电导率和离子迁移率高、液程宽；固态电解质安全性更高，从根本上杜绝了泄漏危险，这两类电解质是未来发展的主方向。Simon等[10]使用含有四氢吡咯与含哌啶结构的两种离子液体混合作为电解质，其工作温度为－50～100℃，极大地扩大了超级电容器的应用环境。Lewandowski等[11]利用多种离子液体与聚丙烯腈制成固态电解质，与碳电极组装超级电容器，其比电容量可达200 F/g。美国莱斯大学的Borges等[12]将黏土和离子液体混合开发新型电解质，其高温性能优异，而且可以充当超级电容器隔膜，相关论文发表于《自然·科学报告》。

2.2组件集成

超级电容器单体电压值低、容量小，需集成多个单体才能满足应用要求。但是，受材质和工艺限制，单体的电容、等效串联电阻以及漏电流等参数均存在差异，因此，工作时各单体易出现过电压和欠电压。为提高超级电容器可靠性、利用率和使用寿命，其组件必须采用电压均衡技术。

电压均衡技术可分为能量消耗型和能量转移型。能量消耗型技术将高电压单体的部分电能转化为热能或其余能量，产生压降，实现均压。较为成熟的技术包括直接并联电阻法、开关电阻法及稳压管法等。此类技术电路简单，成本低，但均压速度慢，能量浪费严重，组件效率低。能量转移型技术利用能量变换器将偏差能量转移到组件中的其余单体，实现动态均压。此类均压技术包括DC/DC变换器法、开关电容法以及开关电感法。此类技术可实现快速动、静态均压，能量消耗小，效率高，但控制电路复杂，成本高。采用新型元件，减少辅助器件，优化等效模型，改进电路拓扑结构和控制方法，实现高效率和低成本均压是目前研究的方向。李海东等[13]提出了一种飞渡电容法，利用一个小容量电容作为储能中间单元转移能量，实现了电压快速均衡。张晓立等[14]介绍了一种多段式Zetas均压技术，整个电路仅一个开关管，无需闭环控制、电压检测及控制电路，电流断续模式时亦可自动均压。

2.3产业化

美国标准石油公司最先开始超级电容器商业化研究，于1957年取得第一份超级电容器专利。20世纪80年代，日本松下公司最早生产了标称电压为2.3～6.0 V的超级电容器。目前，美国、日本和俄罗斯的产品在国际市场上占据绝对领先地位。日本松下、NEC、EPCOS，美国Maxwell、Evant，俄罗斯E-cond、Eltran，韩国NESS，法国SAFT等公司在超级电容器研发方面非常活跃。Maxwell开发的高能量密度超级电容器功率密度为5.72 kW/kg，能量密度可达17.2 Wh/kg，在大容量电力储能领域应用前景广泛。2013年日本明电舍开发了体积能量密度为12.4 Wh/L，单体电压为3.5 V，充放电次数超过5万次的超级电容器。该产品使用离子液体电解质、碳纳米管电极和多孔铝集电体等元件。该公司的目标是体积能量密度达到20 Wh/L[15]。

尽管我国的超级电容器起步较晚，但相关研究及产业化发展迅速。“十一五”、“十二五”和“863”计划中纳入了多项超级电容器相关的主题和专项。高校、科研院所和企业也积极开展超级电容器及其关键材料的研究。最近，南车集团成功实现了世界最大功率超级电容单体(7 500 F)批量生产，许多企业也具备很强的国际竞争力。根据业内分析，2013年国内超级电容器的市场规模约为31亿元人民币，到2016年，市场规模有望达到73亿元。

3　超级电容器在电力系统中的应用

超级电容器是大功率物理二次电源，具有功率密度大、充放电速度快的特点，特别适合于脉动功率工作、快速响应的场合。超级电容器还可以与蓄电池混合使用，结合二者优势能大幅度扩展应用范围和提高经济性。超级电容器最初受到广泛关注源于电动汽车，并逐步拓展到低功耗电子设备、消费电子产品以及军事领域中。超级电容器在电力系统应用也非常广泛，可用于电能质量调节，风光发电并网，大规模储能等各个场合。

超级电容器可有效调节电能质量，缓解电压暂降、骤升和畸变行为，实现电力系统电压动态稳定，保证敏感负荷在系统波动时稳定工作，典型应用为动态电压恢复器(DVR)和静止同步补偿器(STATCOM)。ABB公司开发的基于超级电容器储能的DVR，已经成功应用于新加坡一个4 MW的半导体工厂，可以实现160 ms低电压穿越。中科院电工所与无锡力豪联合开发的基于超级电容器的DVR，能够实现补偿输出，大幅度降低DVR的运行成本[16]。超级电容器储能系统也可以用于非线性输出的发电系统有功波动功率调节控制，有效地抑制直流侧过电压，向系统提供动态无功支撑，降低对电网的冲击，提高故障后机组稳定性。因此，超级电容器可用于调节和控制风电以及光伏发电系统的功率输出[17-18]。2005年，美国加利福尼亚州为950 kW风力发电机组配套建造了450 kW的超级电容器储能系统，用于调节机组向电网输送功率的波动。超级电容器用作备用电源，可作为发电厂和变/配电站控制、保护、信号和通信装置的直流操作电源[19]。例如，超级电容器分合闸装置能克服电解电容储能式硅整流分合闸装置容量有限，漏电流大，可靠性差的缺点，实现连续频繁操动，并可利用电路浮充快速补充[20]。超级电容器也可以作为风电变桨和FTU后备电源，实现快速充放电。使用大容量超级电容器储能元件的DVR装置甚至可以替代不间断电源(UPS)，作为电网电压短期中断的补救装置。清华大学与漳州科华联合开发的“储能式超级电容器不间断电源系统”，可实现双路输出电压高精度控制，负载输出允许100%不平衡，输出电压精度为2%。

超级电容器也可以应用在大容量能量管理场合，如削峰填谷和大规模储能等。特别是超级电容器/蓄电池混合储能投资小，运行费用低，被认为是未来储能的发展方向[21]。混合储能系统中，超级电容器起滤波作用，在短时间负荷突变和短路情况下提供大功率存取，平滑电池充放电电流，避免电池遭受大电流冲击，减少充放电循环，延长储能系统的使用寿命[22]。通过算法改进，合理优化容量，混合储能系统还可以有效降低投资成本和运行费用[23-24]。

4　结语

储能技术是现代电力系统和新能源产业发展的关键技术，加快相关产品的研发、产业化和市场应用是抢占未来能源领域的战略性选择。超级电容器作为储能技术的新生力量，在性能、安全和环保等方面优势明显。随着超级电容器性能提高，其在各个领域的应用将更加广泛。超级电容器在电力系统多个层次的储能系统中都有很好的应用前景。发展超级电容器，将很大程度地推动电力技术进步，提升电力系统运行的安全性和经济效益。

[1]FERREIRA A C，SOUZA L M，WATANABE E H.Improving power quality with a variable speed synchronous condenser[C]//Proc Power Electronics,Machines and Drives Conf.UK：IET，2002: 456-461.

[2]张文亮，丘明，来小康，等.储能技术在电力系统中的应用[J].电网技术,2008,32(7):1-9.

[3]BURKE A.Ultracapacitors:why,how,and where is the technology [J].Journal of Power Sources,2000,91:37-50.

[4]WANG G P,ZHANG L,ZHANG J J.A review of electrode materials for electrochemical supercapacitors[J].Chem Soc Rev,2012,41: 797-828.

[5]胡毅，陈轩恕，杜砚，等.超级电容器的应用与发展[J].电力设备, 2008,9(1):19-22.

[6]YU A P,DAVIES A,CHEN Z W.Electrochemical Supercapacitors [M].UK：Wiley-VCH Verlag Gmb H&Co KGaA,2012.

[7]WANG Y G,XIA Y Y.Recent progress in supercapacitors:From materials design to system construction[J].Adv Mater,2013,25: 5336-5342.

[8]NAOI K,NAOI W,AOYAGI S,et al.New generation"nanohybrid supercapacitor"[J].Acc Chem Res,2013,46(5):1075-1083.

[9]NAOI K,ISHIMOTO S,MIYAMOTO J,et al.Second generation 'nanohybrid supercapacitor':Evolution of capacitive energy storage devices[J].Energy Environ Sci,2012,5:9363-9373.

[10]LIN R，TABEMA P L，FANTINI S，et a1.Capacitive energy storage from－50 to 100℃using all ionic liquid electrolyte[J].J Phys Chem Lett,2011,2:2396-2401.

[11]LEWANDOWSKI A,GALINSKI M.Carbon-ionic liquid double layer capacitors[J].J Phys Chem Solid，2004,65:281-286.

[12]BORGES R S,REDDY A L M,RODRIGUES M T F,et al.Supercapacitor operating at 200 degrees celsius[J].Scientific Report, 2013,3:2572.

[13]李海东,齐智平，冯之钺.超级电容器电力储能系统的电压均衡策略[J].电网技术,2007,31(3):19-34.

[14]张晓立，张辉，苏冰.基于Zetas的串联超级电容器电压均衡技术[J].电力电子技术,2013,47(5):79-80.

[15]刘春娜.国外超级电容器发展动态[J].电源技术,2012,36(7): 930-932.

[16]HALPIN S M,SPYKE R L,NELMS R M.Application of double layer capacitor technology to static condensers for distribution system voltage control[J].IEEE Transactions on Power Systems, 1996,11(4):1899-1904.

[17]赵瑜，周玮，于芃，等.风电有功波动功率调节控制研究[J].中国电机工程学报,2013,33(13):85-91.

[18]李宵，胡长生，刘昌金，等.基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制[J].电力系统自动化，2009，33(9)：86-90.

[19]张惠妍.超级电容器直流储能系统分析与控制技术的研究[D].北京：中国科学院电工研究所,2006.

[20]文迪.基于超级电容器的断路器操作电源研究[J].现代机械, 2010,4：51-52.

[21]张坤，毛承雄，陆继明，等.用于直驱式风力发电的复合储能系统[J].电力系统及其自动化学报,2011,23(4):1-6.

[22]戴咏喜，徐冲，刘以建.应用于脉冲负载的蓄电池和超级电容器混合储能的研究[J].通信电源技术，2011,28(4):12-14.

[23]杨珺，张建成，周阳，等.针对独立风光发电中混合储能容量优化配置研究[J].电力系统保护与控制,2013,41(4):38-44.

[24]王西伟，熊炜，刘君,等.分布式发电中储能单元的容量优化[J].电源技术,2013,37(3):436-438.

Supercapacitor and their applications in power grids

WU Jun-jie,ZHOU Zhou,ZHA Fang-lin,HE Tie-xiang,FENG Bing
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute,Changsha Hunan 410007,China)

Supercapacitor is a new kind of energy storage device whose performance is between chemical batteries and common capacitor.Supercapacitor has attracted much attention owing to its excellent features such as high power density,long cycle life,wide operating temperature range,maintenance-free,environmental-friendly,and so on.In this paper,the energy storage principle and characters,progress on the components of single device, integrated technologies and industrialization of supercapacitor were reviewed.The applications and developments of supercapacitor in power grids were also summarized.

supercapacitor;energy storage;power system

TM 53

A

1002-087 X(2016)10-2095-03

2016-03-05

吴俊杰(1984—)，男，湖南省人，博士，工程师，主要研究方向为电力系统化学及新材料开发。