10 kV配电系统中超级电容器的应用分析

付建军　全昌明

摘 要：随着对大功率、高可靠性和安全储能设备的需求不断增加，与超级电容器相关的研究数量显著增加。超级电容器具有适应温度范围广、维护简单、浮充寿命长、功能稳定及低污染等优点，适合作为配电自动化系统后备电源。文章针对超级电容器在配电网中的应用，分析了不同运行年限及运行环境的超级电容器电容值、剩余容量、内阻等指标，验证了超级电容器在免维护或低维护状态作为配电自动化设备备用电源的优越性和可行性。

关键词：10 kV配电系统;超级电容器;性能;应用

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2022）03--03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.054

随着智能配电技术的发展，配电网陆续进行了自动化改造，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。设备在所带线路失电的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，接收主站信号并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，因此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[1]。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主要选择。

1 配电自动化设备后备电源性能对比

1.1 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。铅酸蓄电池性能优良，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。铅酸蓄电池工业化生产较早，成本低廉，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[2]。铅酸蓄电池单位体积可储存能量较少，能量密度较低，对于需要较大能量的系统，所占体积很大。铅酸蓄电池的可循环次数较少，循环寿命较短，往往不及锂离子电池的一半。

1.2 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实现充放电过程的电池。锂离子电池循环性能好、比容量高、安全性好，广泛应用于各种电子产品、电动汽车和航空航天等领域。锂离子电池由外壳和电池内芯组成，内芯是锂离子电池的核心部分，主要由正极材料、隔膜、负极材料和电解液构成。

锂离子电池工作原理如图1所示。

充电时，锂离子从正极材料脱出，经过电解质和隔膜储存在负极。放电时，锂离子从负极脱出嵌入正极。

1.3 超级电容器

相较于蓄电池，超级电容器具有电容器放电功率大的突出优点，更能满足断路器分合闸操作需要的电能供应。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[3]。相较于普通电容器，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。

由于储能方式对环境无污染，超级电容器将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，避免操作不及时或充能时间过长。作为优秀的后备电源，超级电容器在满足功率密度的基础上，在温度、维护等方面还有优势。超级电容器适用温度范围很广，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，适应配电自动化设备这种长期运行在户外、维护密度较低的工作环境。相较于铅酸蓄电池和锂离子电池较短的维护周期，超级电容器在生命周期内具有免维护的优点，提高了其作为后备电源的稳定性和可靠性[4]。

2 超级电容器基础概述

2.1 结构

超级电容器是一种能快速充放电且应用非常广泛的电化学储能器件，主要通过电解质的极化存储电能。超级电容器与电池类似，由电解质、电极、集流体和隔膜等单元组成，内在结构由多个单体串联或并联构成组件。超级电容器的性能主要与电极材料和电解质有关，包括充放电速度、功率和能量密度、循环使用次数、电阻等。

超级电容器常用的活性电极材料有碳材料、金属氧化物和导电聚合物三种[5]。

第一代超级电容器于1957年问世，利用典型的活性炭作为电极储能材料。第一阶段以各种形式的碳材料（活性炭、碳纳米管及石墨烯材料）作为双电层电极材料。第二阶段以过渡金属氧化物和导电聚合物作为赝电容电极材料。第三阶段电极材料主要是利用各种碳材料与金属氧化物和导电聚合物的复合材料。过渡金属氧化物和导电聚合物电极基于氧化还原反应这一基础，这两类材料制作的电容器类似电池，电极可以在材料表面快速进行可逆氧化还原反应，表现出很强的赝电容行为。

与碳材料相比，电极导电聚合物基材料能够进行离子交换，将电荷存储于电极的有效体积，比能量密度较碳材料更高，且导电聚合物材料具有质量轻、柔性较好等特点，在柔性电容器领域备受关注，由于导电聚合物材料电极存储电荷基于法拉第反应，并不是吸附/脱附的非法拉第反应，较碳材料电极自放电效率低。

与碳材料电极相比，过渡金属氧化物电极（RuO2、MnO2、PbO2、NiOx和Fe3O4）具有較强的赝电容行为，具有较高的比电容，这类材料循环稳定性差，使用寿命较短，限制其应用于超级电容器领域，利用过渡金属氧化物和碳材料制备复合材料，或通过制作非对称的电容器，有望改善这一性能。

碳材料制备的电极基于电解质离子在表面的吸附/脱附非法拉第反应完成充放电过程，具有充放电速率快、循环稳定性高和使用寿命长的特点，生物质基碳材料来源广泛、成本低廉，为超级电容器产业化生产提供一定的基础。相较于碳气凝胶、碳纳米管和石墨烯等碳基超级电容器，生物炭超级电容器具有较高的比电容和能量密度，但是存在内阻较大等缺点。虽然过渡金属氧化物和导电聚合物基超级电容器比电容、稳定性和功率密度优于生物炭基超级电容，但是制备成本限制了其进一步发展和大规模产业化应用。目前，利用生物质制备的生物炭材料作为超级电容器电极仍然备受关注。

2.2 分类

由于储能机理不同，超级电容器可以分为双电层超级电容器和赝电容超级电容器。

双电层电容器是利用电极和电解质溶液形成界面双电层，外加电场作用于两个电极后，电解质中的阴、阳离子会分别向正、负极迁移，在电极表面形成双电层，完成充电储能过程。外加负载时候，由于两电极之间存在电压差，吸附在两电极的阴、阳离子与电解液中电荷相反的离子结合，电极上由于离子的迁移作用而在外电路中产生电流，完成放电过程。

赝电容超级电容器的储能原理是由于电极表面存在能够与电解质离子发生氧化还原反应的活性物质（官能团结构），能够发挥欠电位沉积作用，充电时通过氧化反应存储电能，当外加负载的时候通过与电解质离子发生还原反应使外电路产生电流，能量储存比双电层电容器高10倍～100倍，但功率密度较低，在大电流下电化学性能不高。

3 超级电容器原理

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。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，却因被束缚无法相撞。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[6]。

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，另一个处于溶液中异号电荷位置。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。

与电池相比，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。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。

4 测定10 kV配电系统超级电容器应用参数

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在10年以上，定期检测超级电容器的电容值、剩余容量、内阻等参数。

某地区地处我国沿海城市，经济发展起步较早，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、在箱式配电站内、环网箱内室外运行三种方式。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，分析评价配电站内损耗元件时，最好选用不同运行工况的真实数据[7]。

配电自動化改造初期，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到其设计寿命（10年～12年），因此，要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，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实际可储能容量，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，测量辖区内20个在运典型超级电容器的参数。根据设计值和测量所得残值得到可用百分比，同时测量电容内阻，完成低维护度环境下运行的超级电容器状态评估。

典型超级电容器参数测试数据统计如表1所示。

根据表1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，存储容量占比仍能达到70%。针对配电自动化设备的使用场景，超级电容器在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延长预期寿命，甚至到达预期寿命后仍拥有较高的残值和可用性。

由测试结果可知，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。如果成本允许，作为配电自动化设备的后备电源，使用超级电容器可以延长设备使用年限，降低运维成本，保障配电网安全稳定运行。

5 结语

综上所述，由于配电设备数量众多且多数在户外运行，因此，选择运维度低、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。超级电容器的运行状况和检测数据表明，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，将逐步替代原有蓄电池，成为配电自动化的主要后备电源。

参考文献

[1] 何山.基于SCADA的智能配网自动化系统设计与实现[J].电子设计工程，2020（7）：31-35.

[2] 曹广华，高佶，高洁，等.超级电容的原理及应用[J].自动化技术与应用，2016（5）：131-135.

[3] 彭光玉，曹永新.超级电容在移动式港口起重机上的系统设计方法[J].数字技术与应用，2020（12）：132-134.

[4] 刘晓悦，陈瑞，白尚维.基于超级电容混合储能系统的设计与分析[J].电源技术，2021（9）：1181-1184.

[5] 孙小童.蓄电池与超级电容混合储能系统控制研究[D].大连：大连海事大学，2020.

[6] 刘宇翔，吉培荣，赵宇辉.含超级电容的新能源直流微电网系统控制策略研究[J].电力学报，2018（3）：201-206.

[7] 邵勤思，颜蔚，李爱军，等.铅酸蓄电池的发展、现状及其应用[J].自然杂志，2017（4）：258-264.

作者简介：付建军（1997—），男，湖南邵东人，本科，助理工程师，研究方向：配网低电压工作。