超级电容在配网终端作为后备电源的应用

胡桂荣，胡国波，闫 旭

（1.国网江苏省电力有限公司盐城市大丰区供电分公司，江苏 盐城 224199；2.力容新能源技术有限公司，天津 300301）

0 引 言

在电力配网中，DTU后备电源是目前智能终端设备的重要组成部分，在整个自动化系统中作用显著。设备一般要求在线路突然掉电的情况下维持一段工作时间，以完成故障检测、信息上报和开关控制，实现故障信息采集、定位、隔离并恢复非故障区域供电等功能[1]。因此，配电自动化终端后备电源配置方式成为配电自动化建设中必要的研究，也是需要解决的重要问题。

1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池由铅和铅的氧化物共同作为蓄电池电极的主要材料，并以硫酸溶液作为电解液，英文名称Lead-acid battery。铅酸蓄电池在放电时正负极的主要成分分别为二氧化铅和铅，而充电时其正负极具有相同的主要成分，都是硫酸铅。

当铅酸蓄电池处于放电状态时，电解液中的硫酸含量不断下降。硫酸含量低于1.18 g/mL时，需要立刻停止使用，并及时为其充电。铅酸蓄电池是在化学市场上份额最大、使用最广泛的电池，特别是在起动和大型储能等方面，由于价格低廉、技术成熟、温度性能优良、稳定可靠的特点，在市场竞争中具有较高优势[2]。（1）性能优势：铅酸蓄电池在实现工业化生产的时间最早，技术成熟，无可燃性，能浮充电使用，温度范围较宽。（2）成本优势：铅酸蓄电池的主要成分为铅和铅的化合物，二次回收利用的价值较高，所以综合考量成本低廉。（3）能量密度低：传统的铅酸蓄电池质量和体积能量密度偏低，其能量密度只约有锂离子电池的1/3，体积很大的情况下，不适用于空间狭小的地方。（4）循环寿命偏短：铅酸蓄电池循环次数仅为锂离子电池的1/3。

目前，在智能配电终端后备电源的应用中，寿命越长越好。特别是在户外环境下，对电池寿命有更高的要求。一般的铅酸蓄电池在使用2～3年后会有明显的衰减情况，再加上户外温差大，直接影响铅酸蓄电池的寿命。另外，铅酸蓄电池在低温环境下容量仅为常温下的30%左右，利用率低，所以设计时会在原有的基础上按几倍容量进行设计，造成了空间需求大、成本增加过多的问题。此外，铅酸蓄电池完成一次完全放电后，应当进行超过10 h的充电才能实现完全充电。如果蓄电池开始出现一致性问题，则其中性能最差的一组蓄电池将会直接成为整组蓄电池性能指标的短板。

2 锂离子电池

锂离子电池能够循环充电，属于二次电池的一种，是以锂离子形式在正负极之间往返运动。Li+在充电过程中于正负极之间往返脱嵌和嵌入：Li+在充电阶段会从正极脱嵌，随后经电解质运动到负极并嵌入，使得负极为富锂状态；Li+在放电阶段会从负极脱嵌，并由电解质运动至正极嵌入，正极处于富锂状态。锂离子二次电池充、放电时的反应式为：

锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小、品质较好的电池每月自放电少于2%，且没有记忆效应，可以自行恢复。-20～60 ℃下，锂离子电池都能够保持正常的工作状态，且具有极好的循环性能。它的充放电速度极快，且效率可以达到100%，具有较大的输出功率。锂离子电池可以使用较长时间，同时因为其内部无有害有毒物质，又有绿色电池的称号。

锂离子电池应用于智能配电终端DTU中，能量密度高，能满足设备在突然掉电的情况下长时间提供电力。相同容量的锂离子电池的体积和重量是铅酸电池的1/3～1/2，体积小，容易在空间有限的范围内布置，大大提高了空间使用率，降低了场地使用成本，且锂离子电池远高于铅酸电池的循环寿命。但是，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，因为如果放电电流过大，会出现电池内部高温的情况，进而形成不可逆的电池损坏，且其功率特性略显不足。

3 超级电容

超级电容又名电化学电容、双电层电容器、黄金电容和法拉电容，于19世纪后期出现。作为一种电化学元件，它以极化电解质来实现储能目的[3]。

超级电容介于电池和传统电容之间，具有特殊性能，借助双电层和氧化还原赝电容电荷实现电能的存储。但是，在电能的存储过程中并不涉及化学反应，且此种电能的存储过程可逆，使得超级电容器能够进行数十万次的反复充放电。

双电层电容是在溶液/电极界面对离子或电子进行定向排列，形成电荷对峙。电极/溶液体系下，在电子导电电极和离子导电电解质液面会形成双电层。在对两个电极施加电场后，会使存在于溶液中的阴阳离子分别向正负电极移动，并在电极表面形成双电层。在撤销施加的电场后，因为电极上正负电荷和溶液中对应的相反电荷离子互相吸引，使得双电层保持稳定状态，在正负极之间产生电位差并保持稳定。此状态下，单一电极会在一定距离内（分散层）产生和电极上电荷等量的异性离子电荷，从而使其处于电中性状态。一旦电容两级和外电路接通，电极的电荷会向外电路迁移，使得外电路出现电流。溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，便是双电层电容的充放电原理。

超级电容的能量密度是传统电容的几百倍，功率密度是传统电池的2个数量级，弥补了电池功率密度不足的特点。超级电容有充电时间短、放置时间长、长达百万次的循环寿命、免维护以及无污染等特点，被广泛应用于工业、军工和能源等领域[4]。超级电容器和蓄电池的性能比较如表1所示。

表1 超级电容器与蓄电池的性能比较

在智能配网终端DTU中，超级电容作为后备电源的应用，有较好的-40～65 ℃温度范围。它的容量在此温度范围内基本不会发生变化，十分适合应用于长期处于户外环境中的配电终端设备。另外，相对铅酸电池和锂电池几年需要维护更换来说，超级电容在其生命周内免维护的特点，有效提高了其作为后备电源的稳定性和可靠性。此外，通过新旧超级电容在不同温度下进行测试比对，结果如表2所示。

表2 超级电容模组测试结果

通过表2可以看出，新旧超级电容在不同温度条件下进行测试比对的电性能表现优越，体现出超级电容其功率性高、大电流充放电表现良好的优势。

综合实验分析，超级电容在温度变化下，充放电电流、静电容量、储能能量都符合参数需求，且表现稳定。

4 结 论

通过上述对比分析介绍不难看出，超级电容器的出现，解决了智能系统终端DTU中功率密度和能量密度的矛盾。随着超级电容的进一步发展，超级电容将逐步替代原有作为后备电源的铅酸蓄电池和锂电池。超级电容作为一种新型充电速度快、功率特性好、免维护、环保的储能元件，相信在未来的市场前景下将大有作为。