超級電容器在電網(wǎng)上的應(yīng)用

(1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司百色供電局 廣西 百色 533000；2.烯晶碳能電子科技無錫有限公司 江蘇 無錫 214064)

一、前言

為了緩解能源危機(jī)與環(huán)境壓力，當(dāng)今許多國家開始大力倡導(dǎo)發(fā)展清潔能源和可再生能源，隨著全球能源供應(yīng)向著清潔、低碳、電氣化方向轉(zhuǎn)型，智能電網(wǎng)藍(lán)圖下的新型配電網(wǎng)也承擔(dān)起愈發(fā)重要的責(zé)任，電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)在提升電網(wǎng)電能質(zhì)量的過程中發(fā)揮的作用十分重要，其可以使電能質(zhì)量提升的目的得以實(shí)現(xiàn)，較快的吸收速度和對大功率電能進(jìn)行釋放，從而達(dá)到對電網(wǎng)電能能量及頻率的調(diào)節(jié)和均衡。有些用戶對現(xiàn)場的配網(wǎng)自動化設(shè)備終端上安裝蓄電池作停電時(shí)的電源，還要配備充電器和逆變器。然而蓄電池長期運(yùn)行不作維護(hù)，性能無法保持，事故可靠分閘亦同樣無保證。

電網(wǎng)的發(fā)展對儲能系統(tǒng)的要求除了簡潔、高效、使用與安裝簡單、運(yùn)行高效，還要求：1.可靠性高：器件與設(shè)備本身可靠性好，故障可預(yù)警。2.綜合成本低：全壽命周期成本低，最好一次性投入成本也不高。3.壽命長：與配套系統(tǒng)同壽命。4.環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。5.免維護(hù)。

超級電容器是近幾年才批量生產(chǎn)的一種無源器件，在各類儲能系統(tǒng)中，超級電容器儲能系統(tǒng)是一種比較適合電力系統(tǒng)使用的儲能電源，具有安裝簡單，功率大，使用壽命長，無污染，免維護(hù)并在各種惡劣環(huán)境下使用等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足對電力系統(tǒng)中能量調(diào)節(jié)、頻率控制、負(fù)載均衡和可以作為后備電源等要求。

二、超級電容器

(一)超級電容器原理。超級電容器又名電化學(xué)電容器，雙電層電容器(Double-layercapacitors、黃金電容、法拉電容)。超級電容器是基于諸如多孔碳和一些金屬氧化物這樣的高比表面材料的電極-電解液界面上進(jìn)行充放電的一類特殊的電容器。

超級電容器構(gòu)造和電池類似，兩個(gè)電極浸入電解液中，中間用離子滲透膜隔開已阻止電接觸。超級電容器利用靜電極化電解溶液的方式儲存能量。雖然它是一個(gè)電化學(xué)器件，但它的能量儲存機(jī)制卻不涉及化學(xué)反應(yīng)。這個(gè)機(jī)制是高度可逆的，它允許超級電容器充電放電達(dá)十萬甚至數(shù)百萬次。

圖1 超級電容器結(jié)構(gòu)

(二)超級電容器性能優(yōu)點(diǎn)。1.快速儲存和釋放能量；2.循環(huán)使用壽命長(>50000次)；3.產(chǎn)品原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，是理想的綠色環(huán)保源；4.超低溫特性好，溫度范圍寬-40℃～+70℃；5.免維護(hù)性，良好的安全性能。

電網(wǎng)的發(fā)展對儲能系統(tǒng)的要求除了簡潔、高效、使用與安裝簡單、運(yùn)行高效：1.使用超級電容器作為備用電源，能夠在不改變現(xiàn)有環(huán)網(wǎng)柜柜體結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)自動化改造；2.超級電容器能夠在剛好滿足使用電量的前提下，提供足夠的放電功率，能量利用率高；3.超級電容器循環(huán)壽命高達(dá)100萬次以上，使用溫度為-40℃—70℃，保證了備用電源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和免維護(hù)；4.能量收集器收集能量并存儲到超級電容器后備電源中，增強(qiáng)了超級電容器的續(xù)航能力；5.混合能量系統(tǒng)確保在電網(wǎng)失電狀態(tài)下的監(jiān)測，通訊以及分合閘操作所需要的能量。低成本高效地實(shí)現(xiàn)了智能電網(wǎng)配網(wǎng)自動化終端的操作要求。

(三)軟包超級電容器。隨著超級電容器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，越來越需要超級電容器能夠放置到有限的空間去，這對超級電容器的體積和形態(tài)都提出了更高的要求。

目前超級電容器內(nèi)部電極芯主要為卷繞結(jié)構(gòu)制作方式，而由卷繞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜特性，由于卷繞張力的不均勻和形狀變化，很容易造成隔膜和極片的打皺變形，正負(fù)極得不到有效的接觸，造成反應(yīng)死區(qū)，使得容量得不到充分的發(fā)揮，電容器能量密度降低，而疊片式電極芯結(jié)構(gòu)則從根本上避免了這一問題的產(chǎn)生，減少了彎折區(qū)域和厚度變化區(qū)域，極片表面平整，沒有了長度方向上的張力影響，極片和隔膜的接觸更為優(yōu)良，界面反應(yīng)均勻一致，活性物質(zhì)的容量得到了充分的發(fā)揮，性能上疊片結(jié)構(gòu)有更均勻一致的電流密度、優(yōu)良的內(nèi)部散熱性能，更適合電容器的高倍率充放電性能的發(fā)揮。

圖2 軟包超級電容器結(jié)構(gòu)

軟包型超級電容器通常作為小型或中型的超級電容器制造，這類設(shè)計(jì)源自鋰離子電池手機(jī)設(shè)計(jì)的啟發(fā)，相比圓柱超級電容器，其能量密度更大，應(yīng)用中對平面一體化很方便，產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì)較靈活，且制作成本較低。其外包裝多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的鋁塑膜方便產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì)，外包裝輕薄，其厚度非常小，提高了產(chǎn)品的能量密度能夠在很小的空間使用，同時(shí)鋁塑膜具有良好的延展性和一定的機(jī)械強(qiáng)度，產(chǎn)品的內(nèi)部氣體不斷增加時(shí)，熱封邊處會被撕裂，釋放氣體從而防止爆炸，提高產(chǎn)品的安全性和耐機(jī)械性,軟包形結(jié)構(gòu)將是電池輕量化趨勢,軟包型超級電容器對于小容量級電容器需求市場更具有靈活性和競爭力。

三、結(jié)論

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綠色能源和生態(tài)環(huán)境越來越受到關(guān)注。超級電容器是一種新型的無污染綠色儲能器件，是戶外架空電力設(shè)備的理想儲能電源。超級電容在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用還處于初級階段，如果得到大規(guī)模應(yīng)用，超級電容的性價(jià)比將會有很大的提高。