超级电容器在10 kV配电系统中的应用分析

闫崇松

（国网天津市电力公司城南供电分公司，天津 300201）

0 引言

随着智能配电技术的发展，配电网陆续进行了自动化改造，可利用数据采集与监视控制系统（Su⁃pervisory Control And Data Acquisition，SCADA）对现场运行设备进行监视与控制，实现状态采集、运行控制、数据测量、故障报警、参数调节等功能[1]。在配电系统中，各土建配电站、箱式配电站中均加装了自动化数据传输单元（Data Transfer Unit，DTU），而DTU主电源主要依赖于所在配电站中电压互感器（TV）、站用变压器或所带台区的配电变压器低压出口的220 V交流电。馈线自动化（Feeder Automation，FA）策略[2]主要实现两方面功能：正常工作情况下对用户数据的监测、测量和运行方式优化；故障状态下对故障的检测、隔离，负荷转移和供电恢复控制。

配电自动化设备后备电源为SCADA系统和FA策略提供软、硬件支持，保障配电网安全可靠运行，设备需要在所带线路失电情况下仍能正常工作一段时间，主电源失电期间可以保证采集数据的正常录入与上传，保持通信系统畅通，接受主站信号并可以进行一定次数的分合闸操作。由于DTU等配电自动化设备需要在交流电源失电时继续工作，故需要在配电设备中加装储能单元。传统储能单元为铅酸蓄电池或锂电池，在工作温度、环保、维护周期等方面具有一定的局限性。超级电容器是一种具有快速充电、高功率密度等特性的电化学元件，是配电自动化系统后备电源的优势选择。

1 超级电容器的特点

1.1 超级电容器的原理

超级电容器介于电池与电容器之间，类似于电池，聚集溶液中的阴阳离子而不发生化学反应，将不同种类的电荷储存在极板之间[3]。文献[4-5]对双电层电容器的原理进行了较为细致的阐述。总体来说，极板与溶液共同组成双层电容器，存在于电极表面的静电荷吸附溶液中不规则分布的离子，使其在电极与溶液界面的一侧一定距离的位置排成一排，互相吸引，却因被束缚而无法相撞。最终，在溶液和极板构成的混合系统中，溶液中的离子会形成一个与极板对应的界面层。该界面层上的电荷量与极板电荷量相同，但极性相反。极板与界面层之间存在库伦势垒，由于库伦力的拉扯，导致两层电荷不能越过势垒进行中和。

由于上述界面不能被中和，即在充电的界面形成两个电荷层：一个位于电极上，另一个位于溶液中异号电荷所处位置。这样由溶液和电极构成的系统，被称为双电层电容器。当需要进行储能或释能时，电极在溶液中迅速发生电化学反应，通过离子吸附或脱附即可达到充放电的目的。

由于没有传统电池中由电能转化为化学能、放电时由化学能转化为电能的双重损耗，故超级电容器的充放电可逆，可有多达数十万次的充放电寿命[6]。

相比于电池，超级电容器具有诸多优势，功率密度远超传统电池，可达到电池的100倍左右[3]。此外，超级电容器还具有等效直流电阻很低、内阻较小的特点，搭配超级电容器的大电容，是用作储能设备的优秀备选方案。

1.2 配电自动化系统超级电容器的设计与运行方式

超级电容器直流电源结构如图1所示，正常供电时，交流220 V电源由以下几种常见方法供给：变压器低压侧取电，站用变压器取电，或电压互感器取电。超级电容器先后通过AC/DC和DC/DC模块，将交流220 V电压转变为直流0~48 V（部分规格为63 V）电压给内部电容器充电，充电或满电保持浮充状态。当变压器或互感器10 kV侧失电时，交流220 V母线也同时失电，超级电容器进入放电模式，维持DC48 V母线两端直流电压，供给48 V设备使用，以完成配电设备主电源失电后电动机的分合闸和故障上报等功能。

图1 超级电容器直流电源结构示意图

2 配电自动化设备后备电源性能对比

2.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池电解液通常为硫酸，以铅和铅氧化物作为电极，为最常见、实用性最高、应用最广泛的电池，是常见电力储能和大型储能的主要构成元件。其主要特点如下。

（1）性能优良。铅酸蓄电池作为目前最为成熟的蓄电池，安全不可燃，持续使用允许浮充，对温度也没有严苛的要求。

（2）成本低廉。铅酸蓄电池工业化生产较早，可以回收再利用，设备残值较高，全寿命成本较为低廉，具有良好的经济性。

（3）能量密度较低。铅酸蓄电池单位体积可储存能量较少，对于需要较大能量的系统，所占体积很大。

（4）循环寿命较短。铅酸蓄电池的可循环次数较少，往往不及锂离子电池的一半。

2.2 锂离子电池

锂离子电池是一种以离子形式在正负极之间往返移动来实现充放电过程的电池。锂离子电池属于二次电池，具有较好的循环充电特性和较高的能量密度。

锂离子电池应用在配电自动化终端DTU中，能够在设备突然掉电的情况下长时间提供电力。相同容量锂离子电池的体积和质量是铅酸蓄电池的一半，甚至更小。电池体积小，容易在有限的空间范围内布置，大大提高了空间使用率，降低了场地使用成本，且锂离子电池的循环寿命远高于铅酸蓄电池。

但锂离子电池的回收利用率低，一次性投入成本高，同时存在后期维护成本。锂离子电池需要合理控制自身放电电流，如果放电电流过大，会出现电池内部高温情况，造成不可逆的电池损坏，且功率特性略显不足。

2.3 超级电容器

超级电容器具有电容器放电功率大的突出优点，相较于蓄电池，更能满足断路器分合闸操作所需的较大电能供应。超级电容器同时具有能量密度高的特点，非常适合在功率需求强烈的场合。相较于普通电容器，其还具有电池的优势，储电能力远超普通电容器，容量可以达数十至上千法拉[7-9]。另外，由于其储能方式对环境无污染，因此超级电容器将会是未来储能方式的主要发展方向。

在配电自动化系统中，智能配电网终端需要进行开关的分合闸操作，有时需要较大功率密度才能实现，以避免操作不及时或充能时间过长。超级电容器作为优秀的后备电源，在满足功率密度的基础上，在温度、维护等方面还有其他优势。超级电容器适用的温度范围很广，由于只利用电化学作用而不发生直接化学反应，所以低至-40℃，高至65℃，超级电容器的容量变化都不明显[10-11]，对配电自动化设备这种需要长期运行在户外、维护密度较低的工作环境具有很好的适应性。另外，相对铅酸蓄电池和锂离子电池较短的维护周期，超级电容器在其生命周内具有免维护的优点，有效提高了其作为后备电源的稳定性和可靠性。

3 配电超级电容器参数测定

超级电容器标定的使用寿命长于铅酸蓄电池，作为后备电源时设计寿命往往长达10年以上[12-15]，期间需要对超级电容器的运行工况，如电容值、剩余容量、内阻等参数进行定期检测。

某地区地处我国沿海城市，经济发展起步较早，相应配电网电力设备建设水平也较先进，自2010年起，供电公司辖区内即陆续开始投运和改造自动化站房设备。截至2016年年底，辖区内基本完成10 kV站房配电自动化改造，在国内起步较早。

配电网站房分布较为分散，设备运行环境差异性较大，大体可分为在土建配电站室内运行，以及在箱式配电站内或环网箱内室外运行3种方式。运行环境的不同往往导致试验和仿真分析结果与实际运行存在较大的差异，所以对配电站内损耗元件进行分析评价时最好选用不同运行工况的真实数据。

在配电自动化改造初期，辖区建设了少量配备超级电容器的配电站房。截至2020年年底，部分设备运行时长已达其设计寿命（10~12年），因此亟需针对超级电容器在真实运行环境中各项参数的变化趋势进行测量分析，以确定是否具有继续使用的价值。

对已运行的超级电容器进行状态评价时，最值得关注的参数是其实际可储能容量，此外超级电容器的电容值和内阻值也是判断其运行是否正常的重要参数。根据投运时间与工作状况的不同，对辖区内的20个在运典型超级电容器进行了参数测量。根据设计值和测量所得残值得到可用百分比，同时测量了电容内阻，完成了低维护度环境下运行的超级电容器状态评估[6]。测试结果见表1。

表1 典型超级电容器参数测试数据统计

从表1中数据可见，超级电容器在免维护状况下运行状况仍然良好，即使运行了10年以上，容量等参数依然满足现场规程要求，其中运行条件较好的电容器，其存储容量占比仍能达到70%。可以看出，针对配电自动化设备的使用场景，超级电容器在实际配电自动化站房使用中具有优越性。大部分超级电容器均可完成预期寿命，甚至抵达预期寿命后仍拥有较高的残值和可用性。

由实际测试结果可知，相对于维护繁琐、寿命较短的铅酸蓄电池和锂离子电池，超级电容器作为配电自动化设备的后备电源具有较大的优势。在成本允许的情况下，使用超级电容器作为配电自动化设备的后备电源可以有效提高设备使用年限，降低运维成本，更加可靠地保障配电网安全稳定运行。

4 结语

由于配电设备数量众多，且多数在户外运行，因此选取运维度低、运行可靠、能量密度高的储能单元是配电自动化发展的重要方向。超级电容器的实际运行状况和检测数据表明，其作为配电自动化后备电源具有可行性和优越性。超级电容器作为一种充电速度快、功率特性好、免维护及环保的新型储能元件，随着技术的发展和制造成本的逐步降低，将会逐步替代原有需电池，成为配电自动化的主要后备电源。