超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置,它既具有电容器快速充放电的特性,同时又具有电池的储能特性。

1.超级电容器结构及工作原理

超级电容器是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。当电极与电解液接触时,由于库仑力、分子间力及原子间力的作用,使固液界面出现稳定和符号相反的双层电荷,称其为界面双层。把双电层超级电容看成是悬在电解质中的2个非活性多孔板,电压加载到2个板上。加在正极板上的电势吸引电解质中的负离子,负极板吸引正离子,从而在两电极的表面形成了一个双电层电容器。双电层电容器根据电极材料的不同,可以分为碳电极双层超级电容器、金属氧化物电极超级电容器和有机聚合物电极超级电容器。

 

超级电容器结构及工作原理

(图片来源于网络)

 

2.超级电容器应用

1用于分布式发电系统

  随着电力系统的发展,分布式发电技术越来越受到重视。储能系统作为分布式发电系统必要的能量缓冲环节,因而其作用越来越重要。超级电容器储能系统利用多组超级电容器将能量以电场能的形式储存起来,当能量紧急缺乏或需要时,再将存储的能量通过控制单元释放出来,准确快速地补偿系统所需的有功和无功,从而实现电能的平衡与稳定控制。

 

  2005年,美国加利福尼亚州建造了1台450kW的超级电容器储能装置,用以减轻950kW风力发电机组向电网输送功率的波动。

 

  除此之外,储能系统对电力系统配电网电能质量的提高也可起到重要的作用。通过逆变器控制单元,可以调节超级电容器储能系统向用户及网络提供的无功及有功,从而达到提高电能质量的目的。

 

2用于变/配电站直流系统

  我国20世纪60~80年代建设的35kV变电站及10kV开关站(室),绝大多数高压开关(断路器)的操动机构是CDX型电磁操动机构。在变电站或配电站的配电室中均配有相应的直流系统,用作分合闸操作、控制和保护的直流电源。这些直流电源设备,主要是电容储能式硅整流分合闸装置和部分由蓄电池构成的直流屏。

 

  电容储能式硅整流分合闸装置由于结构简单、成本低、维护量小而在当时得到广泛应用,但是在实际使用中却存在一个致命缺陷:事故分合闸的可靠性差。其原因是储能用电解电容的容量有限(只有几千μF),漏电流较大。

 

  由蓄电池构成的直流屏虽然能存储很大的电能,在一些重要的变、配电站中成为必需装置,但由于其运营成本极高、使用寿命不长,因此这些装置只能用于110kV级别的变电站,难以推广使用。

 

  超级电容器以其超长使用寿命、频繁快速的充放电特性、便宜的价格等优点,使解决上述问题成为可能。如用2只0.85F,240/280V的超级电容器并联后就可完全替代笨重的、需要经常维护的、且有污染的蓄电池组。由于一次合闸的能耗只相当于超级电容器所储能量(70kJ)的3%,而这一能量在浮充电路中又可很快被补充,因而完全适应连续频繁的操动,且具有极高的可靠性。

 

3用于动态电压跌落装置

  尽管很多用户选择不间断电源(UPS)作为电网断电或电网电压瞬时跌落时设备电源的补救装置,但对于电压瞬时跌落而言,UPS显得有些大材小用。UPS由蓄电池提供电能,工作时间持续较长,但是,由于蓄电池自身的缺点(需定期维护、寿命短),使UPS在运行中需时刻注意蓄电池的状态。而电力系统电压跌落的持续时间往往很短(10ms~60s),因此在这种情况下使用超级电容器的优势比UPS明显:其输出电流可以几乎没有延时地上升到数百安,而且充电速度快,可以在数分钟内实现能量存储,便于下次电源故障时起用。因此尽管超级电容器的储能所能维持的时间很短,但当使用时间在1min左右时,它具有无可比拟的优势——50万次循环、不需护理、经济。在新加坡,ABB公司生产的利用超级电容器储能的动态电压恢复装置(DVR)安装在4MW的半导体工厂,以实现160ms的低电压跨越。

 

  3.4用于静止同步补偿器

  静止同步补偿器(STATCOM)是灵活交流输电技术(FACTS)的主要装置之一,代表着现阶段电力系统无功补偿技术新的发展方向。它能够快速连续地提供容性和感性无功功率,实现适当的电压和无功功率控制,保障电力系统稳定、高效、优质地运行。基于双电层电容储能的STATCOM,可用来改善分布式发电系统的电压质量。其在300~500kW功率等级的分布式发电系统中将逐渐替代传统的超导储能。经济性方面,同等容量的双电层电容储能装置的成本同超导储能装置的成本相差无几,但前者几乎不需要运行费用,而后者却需相当多的制冷费用。

 

3.超级电容器优缺点

与蓄电池和传统物理电容器相比,超级电容器的特点主要体现在:
(1)功率密度高。可达102~104 kW/kg,远高于蓄电池的功率密度水平。


(2)循环寿命长。在几秒钟的高速深度充放电循环50万次至100万次后,超级电容器的特性变化很小,容量和内阻仅降低10%~20%。


(3)工作温限宽。由于在低温状态下超级电容器中离子的吸附和脱附速度变化不大,因此其容量变化远小于蓄电池。商业化超级电容器的工作温度范围可达-40℃~+80℃。


(4)免维护。超级电容器充放电效率高,对过充电和过放电有一定的承受能力,可稳定地反复充放电,在理论上是不需要进行维护的。


(5)绿色环保。超级电容器在生产过程中不使用重金属和其他有害的化学物质,且自身寿命较长,因而是一种新型的绿色环保电源