配電自動化超級電容后備電源應用探討

周獻忠

(中國能源建設集團有限公司，北京100029)

配電自動化超級電容后備電源應用探討

Application on super capacitor bake-up power of distribution automation

周獻忠

(中國能源建設集團有限公司，北京100029)

本文主要針對在配電網運行環境、維護水平較差的情況下，后備電源采用超級電容的實際使用情況。將現場運行時間較長的超級電容器的樣品拆回實驗室與同型號新產品進行對比性實驗，對超級電容器等新興儲能方式的測試進行研究。

配電自動化終端；后備電源；超級電容

1 超級電容簡介

超級電容是20世紀80年代興起的一種新型儲能裝置。超級電容的儲能原理主要有雙電層原理和贗電容原理2種〔1〕。

雙電層是指電化學溶液中性質不同的2相之間界面處所產生的正電荷與負電荷分布層。電解液與電極接觸時，為達到系統的電化學平衡，電極表面上的電荷會吸引溶液中帶相反電荷的離子，使離子在電極表面定向排列。電荷在電極和電解質的界面之間自發的分配形成雙電層電容并達到保存能量的目的。雙電層電容器在充放電過程中均不發生電化學反應。根據 C＝εS/4kπd，只要極板面積足夠大，極板間的距離d足夠小，則容量C就可以達到足夠大。超級電容器就是根據此原理，利用超大比表面積的活性炭或氧化物材料做電極，加上很小的電極距離，可以做到幾千法拉甚至上萬法拉。

贗電容也稱為法拉第準電容，是在電極表面電活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附/脫附或氧化/還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。贗電容不僅發生在電極表面，而且可深入到整個電極內部，其最大充放電性能由電活性物質表面的離子取向和電荷轉移速度控制，可在短時間內進行電荷轉移，因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。在相同電極面積的情況下，贗電容可以是雙電層電容量的10～100倍，因此可以制成體積非常小而容量大的電容器。而且在整個充放電過程中，電極上沒有發生決定反應速度與限制電極壽命的電活性物質的相變化，因此循環壽命也非常長。此外，贗電容電極上發生氧化還原反應電位一般比較穩定，使得其充放電電壓比雙電層電容器的平穩。

超級電容器的能量密度是傳統電容器的幾百倍，功率密度高出電池2個數量級，很好地彌補了電池比功率低、大電流充放電性能差和傳統電容器能量密度小的缺點。超級電容和其他化學電源相比具有充電時間短、使用壽命長、工作溫度范圍寬、功率密度高、放置時間長、免維護以及環保等優點。因此，超級電容在問世不久，即被廣泛應用于工業、軍事、能源以及運輸業等各個領域〔2〕。

2 應用及原理分析

2.1 配電自動化后備電源運行要求

根據國家電網最新修訂的 《配電自動化終端技術規范》中規定，配電自動化系統中，終端電源系統應在正常情況下為配電終端、通信終端、開關操作等提供電源，并且應在一次電源失電情況下，無縫投切到后備電源供電。因不同類型配電終端額定功耗、瞬時功耗及運行條件等存在差異，其對后備電源的需求也各異。以三遙饋線終端為例，配電終端后備電源采用超級電容供電時應保證分操作一次并維持終端及通信模塊至少運行15 min〔3〕。

2.2 設備功耗測算

后備電源容量的大小，取決于設備功耗，因此準確測算出配電自動化終端設備的整體功耗，才能估算出后備電源的容量需求。

1)設備單體功耗測算

《配電自動化終端技術規范》 規定， “三遙”站所終端在所有終端類型中單體功耗最高，為20 VA。取DTU為例分析終端設備對后備的電源容量的需求:DTU裝置功耗 20 VA；通信設備功耗(EPON ONU)15W；斷路器的儲能機構，通過對儲能過程進行實測，得道儲能過程中平均電流大小為2.3 A，因此斷路器儲能過程功耗:220 V×2.3 A＝506 VA

湖南配電自動化標準化設計中明確規范后備直流電源電壓采用直流48 V供電，對直流側功耗計算取最大值。

2)二次附柜整體功耗

如果后備電源采用超級電容，維持終端設備和通信模塊至少運行15 min，則停電后二次附柜本身需求的總電能為:

以目前運行的超級電容電壓等級直流48 V為例，電源模塊一般穩壓截止電壓為17 V，假設所需超級電容容量為CX，則存在:＝Ws1。

可推出:

若超級電容電壓等級為24 V，則

由此可看出，電壓等級相差2倍，若需要提供相同能量，則超級電容的容量相差7倍。因此，在確定配電終端供電電壓等級的情況下，建議盡量選取較高電壓等級的超級電容，更充分釋放超級電容的能量。

3)一次環網柜、柱上開關功耗

一次設備分、合閘操作機構功耗，一次設備廠家提供的儲能機構儲能時間為＜5 s，取上限5 s，同時分合閘的功率取試驗的典型值，可以得到:

一次合閘——儲能機構所耗電能:

運行時間要求4 h，停電后能夠分—合—分閘操作，分、合閘瞬時功耗:

目前湖南省配電自動化站所終端 (DTU)采用8間隔，由超級電容供電時，停電后應保證一次分閘操作:

由上述計算可得:采用超級電容作為后備電源，停電后一次設備操作所耗電能W2均遠小于二次附柜自身運行所需電能W1。因此，一次設備無論是柱上開關或者環網柜，對后備電源容量配置的需求均不產生大的影響。

3 實驗與分析

測試采用的樣品為北京某品牌超級電容模組，進行常溫下和高溫下 (65℃)的實驗。主要測試項目為靜電容量測試、儲存能量測試以及大電流放電能力測試，試驗方案依照QC/T 741—2005標準編寫。

3.1 靜電容量測試

在常溫下，用恒定電流I1(I1＝Uw×C/3600)對電容器充電至額定電壓Uw，然后以恒定電流I1放電至額定電壓的1/2，記錄從額定電壓的80% (U1)到50%(U2)之間的電壓范圍內電容的放電時間t，循環3次取平均值〔4〕。靜電容量為標稱容量的80%～150%為合格。靜電容量的計算公式為:

3.2 儲存能量

在常溫下，用恒定電流I1對電容器充電至額定電壓Uw，再恒壓30 min，靜置5 s后，然后以恒定電流I1放電至額定電壓的1/2(U2)，記錄電流、電壓、時間，循環3次取平均值。儲存能量為理論值的80%～150%為合格〔5〕。儲存能量的計算公式為:

理論值計算公式為:

3.3 大電流放電能力

在常溫下，用恒定電流I1對電容器充電至額定電壓Uw，再恒壓30 min，靜置5 s后，然后以恒定電流I1放電至額定電壓的1/2，記錄電流、時間，計算放電容量。循環3次取平均值。放電容量不低于30%(C×Uw)為合格。

30% ×(C×Uw)/3600＝0.3×800×24/3600＝1.6(Ah)

通過對新、舊超級電容模組在不同溫度下、不同充放電電流進行測試，得到表1的結果。

表1 超級電容模組測試典型結果

通過測試可以得出，新、舊超級電容在不同條件下進行循環充放電性能很穩定，并且能迅速充電至額定電壓，展現出超級電容功率高、大電流充放電性能強的優越特性。

綜合實驗數據和實驗分析，超級電容模組無論是在環境溫度改變、充放電電流大小改變，還是新、舊超級電容模組，靜電容量、儲存能量以及大電流放電能力都符合要求并且性能穩定。

4 結論

根據國家電網公司最新的 《配電自動化終端技術規范》要求，采用超級電容供電，配電站所終端DTU正常運行15 min，并完成開關分閘操作，站所終端所需電能為:

按照終端48 V直流電源換算成超級電容容量為:

32.32 F。

如果按照24 V直流電源配置，需要的超級電容容量為:226.87 F。

上述分析了DTU裝置在停電后對后備電源容量配置的需求，按照 《配電自動化終端技術規范》要求，FTU或者TTU功耗小于DTU裝置的功耗，可參考DTU裝置的容量配置。

對超級電容而言，電壓等級相差2倍，若需要提供相同能量，則超級電容容量相差7倍。因此，高電壓等級的供電電源可以減少終端對后備電源容量的需求，在確定配電終端供電電壓等級的情況下，對于采用超級電容作為后備電源的模式，建議盡量選取較高電壓等級的超級電容，更充分釋放超級電容的能量。

〔1〕全國汽車標準化技術委員會.QC/T 741—2006車用超級電容器 〔S〕.北京:中國標準出版社，2006.

〔2〕楊盛毅，文芳.超級電容器綜述 〔J〕.現代機械，2009(4): 82-84.

〔3〕國家電網公司.Q/GDW 514—2013配電自動化終端/子站功能規范 〔S〕.北京:中國電力出版社，2013.

〔4〕鄧隆陽，黃海燕，盧蘭光，等.超級電容性能試驗與建模研究 〔J〕.車用發動機，2010(1):28-32.

〔5〕吳文韜.超級電容動態特性測試與評估研究〔D〕.上海:同濟大學，2010.

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10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.014

2015-01-15