超级电容器在电网上的应用

2019-01-23

福建质量管理 2019年1期

(1.广西电网有限责任公司百色供电局广西百色 533000；2.烯晶碳能电子科技无锡有限公司江苏无锡 214064)

一、前言

为了缓解能源危机与环境压力，当今许多国家开始大力倡导发展清洁能源和可再生能源，随着全球能源供应向着清洁、低碳、电气化方向转型，智能电网蓝图下的新型配电网也承担起愈发重要的责任，电网的储能系统在提升电网电能质量的过程中发挥的作用十分重要，其可以使电能质量提升的目的得以实现，较快的吸收速度和对大功率电能进行释放，从而达到对电网电能能量及频率的调节和均衡。有些用户对现场的配网自动化设备终端上安装蓄电池作停电时的电源，还要配备充电器和逆变器。然而蓄电池长期运行不作维护，性能无法保持，事故可靠分闸亦同样无保证。

电网的发展对储能系统的要求除了简洁、高效、使用与安装简单、运行高效，还要求：1.可靠性高：器件与设备本身可靠性好，故障可预警。2.综合成本低：全寿命周期成本低，最好一次性投入成本也不高。3.寿命长：与配套系统同寿命。4.环境适应性强。5.免维护。

超级电容器是近几年才批量生产的一种无源器件，在各类储能系统中，超级电容器储能系统是一种比较适合电力系统使用的储能电源，具有安装简单，功率大，使用寿命长，无污染，免维护并在各种恶劣环境下使用等优点，可以满足对电力系统中能量调节、频率控制、负载均衡和可以作为后备电源等要求。

二、超级电容器

(一)超级电容器原理。超级电容器又名电化学电容器，双电层电容器(Double-layercapacitors、黄金电容、法拉电容)。超级电容器是基于诸如多孔碳和一些金属氧化物这样的高比表面材料的电极-电解液界面上进行充放电的一类特殊的电容器。

超级电容器构造和电池类似，两个电极浸入电解液中，中间用离子渗透膜隔开已阻止电接触。超级电容器利用静电极化电解溶液的方式储存能量。虽然它是一个电化学器件，但它的能量储存机制却不涉及化学反应。这个机制是高度可逆的，它允许超级电容器充电放电达十万甚至数百万次。

图1 超级电容器结构

(二)超级电容器性能优点。1.快速储存和释放能量；2.循环使用寿命长(>50000次)；3.产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保源；4.超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；5.免维护性，良好的安全性能。

电网的发展对储能系统的要求除了简洁、高效、使用与安装简单、运行高效：1.使用超级电容器作为备用电源，能够在不改变现有环网柜柜体结构的情况下实现自动化改造；2.超级电容器能够在刚好满足使用电量的前提下，提供足够的放电功率，能量利用率高；3.超级电容器循环寿命高达100万次以上，使用温度为-40℃—70℃，保证了备用电源系统运行的可靠性和免维护；4.能量收集器收集能量并存储到超级电容器后备电源中，增强了超级电容器的续航能力；5.混合能量系统确保在电网失电状态下的监测，通讯以及分合闸操作所需要的能量。低成本高效地实现了智能电网配网自动化终端的操作要求。

(三)软包超级电容器。随着超级电容器应用领域的不断扩展，越来越需要超级电容器能够放置到有限的空间去，这对超级电容器的体积和形态都提出了更高的要求。

目前超级电容器内部电极芯主要为卷绕结构制作方式，而由卷绕结构的复杂特性，由于卷绕张力的不均匀和形状变化，很容易造成隔膜和极片的打皱变形，正负极得不到有效的接触，造成反应死区，使得容量得不到充分的发挥，电容器能量密度降低，而叠片式电极芯结构则从根本上避免了这一问题的产生，减少了弯折区域和厚度变化区域，极片表面平整，没有了长度方向上的张力影响，极片和隔膜的接触更为优良，界面反应均匀一致，活性物质的容量得到了充分的发挥，性能上叠片结构有更均匀一致的电流密度、优良的内部散热性能，更适合电容器的高倍率充放电性能的发挥。

图2 软包超级电容器结构

软包型超级电容器通常作为小型或中型的超级电容器制造，这类设计源自锂离子电池手机设计的启发，相比圆柱超级电容器，其能量密度更大，应用中对平面一体化很方便，产品尺寸设计较灵活，且制作成本较低。其外包装多层复合结构的铝塑膜方便产品尺寸设计，外包装轻薄，其厚度非常小，提高了产品的能量密度能够在很小的空间使用，同时铝塑膜具有良好的延展性和一定的机械强度，产品的内部气体不断增加时，热封边处会被撕裂，释放气体从而防止爆炸，提高产品的安全性和耐机械性,软包形结构将是电池轻量化趋势,软包型超级电容器对于小容量级电容器需求市场更具有灵活性和竞争力。