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超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和蓄電池之間的一種新型儲能裝置，它具有功率密度大、容量大、使用壽命長、免維護、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點。文章介紹了超級電容器的原理、主要性能指標、特點及國內(nèi)外發(fā)展和應用狀況；歸納了超級電容器在電力系統(tǒng)中的若干具體應用，指出了使用中應注意的問題及其解決方法，以及今后的研究方向。
1概述
超級電容器是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置，其容量可達幾百至上千法拉。與傳統(tǒng)電容器相比，它具有較大的容量、較高的能量、較寬的工作溫度范圍和極長的使用壽命；而與蓄電池相比，它又具有較高的比功率，且對環(huán)境無污染。因此可以說，超級電容器是一種高效、實用、環(huán)保的能量存儲裝置。幾種能量存儲裝置的性能比較如表1所示。
超級電容器的發(fā)展始于20世紀60年代，起先被認為是一種低功率、低能量、長使用壽命的器件。但到了20世紀90年代，由于混合電動汽車的興起，超級電容器才受到廣泛的關注并開始迅速發(fā)展起來。
現(xiàn)今，大功率的超級電容器被視作一種大功率物理二次電源，各發(fā)達國家都把對超級電容器的研究列為國家重點戰(zhàn)略研究項目。目前，超級電容器在電力系統(tǒng)中的應用越來越受到關注，如基于雙電層電容儲能的靜止同步補償器和動態(tài)電壓補償器等，國內(nèi)外對他的研究和應用正在如火如荼地進行。此外，超級電容器還活躍在電動汽車、消費類電子電源、軍事、工業(yè)等高峰值功率場合。超級電容器主要應用領域如表2[1]所列。
2超級電容器的工作原理及發(fā)展狀況
2.1工作原理和性能指標
一般認為超級電容器包括雙電層電容器和電化學電容器兩大類[2]。
2.1.1雙電層電容器
早在1897年，德國人Helmholtz就提出了基于超級電容器的雙電層理論。當金屬插入電解液中時，金屬表面上的凈電荷將從溶液中吸引部分不規(guī)則分布的帶異種電荷的離子，使它們在電極-溶液界面的溶液一側(cè)離電極一定距離處排成一排，形成一個電荷數(shù)量與電極表面剩余電荷數(shù)量相等而符號相反的界面層。該界面由兩個電荷層組成，一層在電極上，一層在溶液中，因此稱作雙電層。由于界面上存在一個位壘，因而兩層電荷都不能越過邊界而中和，按照電容器原理而形成一平板電容器[3-4]。由于其距離非常小，一般在0.5nm以下[5]，加之采用特殊電極材料后使其表面積成萬倍地增加，從而產(chǎn)生了極大的電容量。
2.1.2電化學電容器
電化學電容器按電極材料的不同可分為金屬氧化物電化學電容器和導電性高分子聚合物電化學電容器，即法拉第準電容。對于電化學電容器，其存儲電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液中離子在電極活性物質(zhì)中由于氧化還原反應導致的電荷在電極中的儲存[6]。與雙電層超級電容器的靜電容量相比，相同表面積下的電化學電容器的容量要大10～100倍[7]。
目前，對超級電容器性能描述的指標有：
(1)額定容量。指按規(guī)定的恒定電流(如1000F以上的超級電容器規(guī)定的充電電流為100A，200F以下的為3A)充電到額定電壓后保持2～3min，在規(guī)定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時間與電流的乘積再除以額定電壓值，單位為法拉，F(xiàn)。
(2)額定電壓。即可以使用的最高安全端電壓。此外還有浪涌電壓，通常為額定電壓的105%；擊穿電壓，其值遠高于額定電壓，約為額定電壓的1.5～3倍，單位為伏特(V)。
(3)額定電流。指5s內(nèi)放電到額定電壓一半的電流，單位為安培(A)。
(4)最大存儲能量。指額定電壓下放電到零所釋放的能量，單位為焦耳(J)或瓦時(Wh)。
(5)能量密度，也稱比能量。指單位質(zhì)量或單位體積的電容器所給出的能量，單位為Wh/kg或Wh/L。
(6)功率密度，也稱比功率。指單位質(zhì)量或單位體積的超級電容器在匹配負荷下產(chǎn)生電/熱效應各半時的放電功率。它表征超級電容器所能承受電流的能力，單位為kW/kg或kW/L。
(7)等效串聯(lián)電阻(ESR)。其值與超級電容器電解液和電極材料、制備工藝等因素有關[8]。通常交流ESR比直流ESR小，且隨溫度上升而減小。單位為歐姆(Ω)。
(8)漏電流。指超級電容器保持靜態(tài)儲能狀態(tài)時，內(nèi)部等效并聯(lián)阻抗導致的靜態(tài)損耗，通常為加額定電壓72h后測得的電流[9]，單位安培(A)。
(9)使用壽命。是指超級電容器的電容量低于額定容量的20%或ESR增大到額定值的1.5倍時的時間長度。因為此時可判斷為其壽命終了。
(10)循環(huán)壽命。超級電容器經(jīng)歷1次充電和放電，稱為1次循環(huán)或叫1個周期。超級電容器的循環(huán)壽命很長，可達10萬次以上。
2.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
在超級電容器的研制上，目前主要傾向于液體電解質(zhì)雙電層電容器和復合電極材料/導電聚合物電化學超級電容器。國外超級電容器的發(fā)展情況如表3所示[10]。
在超級電容器的產(chǎn)業(yè)化上，最早是1987年松下/三菱與1980年NEC/Tokin的產(chǎn)品。這些電容器標稱電壓為2.3～6V，電容從10-2F至幾F，年產(chǎn)量數(shù)百萬只。20世紀90年代，俄羅斯Econd公司和ELIT生產(chǎn)了SC牌電化學電容器，其標稱電壓為12～450V，電容從1F至幾百F，適合于需要大功率啟動動力的場合。如今，日本松下、EPCOS、NEC，美國Maxwell、Powerstor、Evans，法國SAFT，澳大利亞Cap-xx，韓國NESS等公司在超級電容器方面的研究均非?；钴S[11-12]?？偟膩碚f，當前美國、日本、俄羅斯的產(chǎn)品幾乎占據(jù)了整個超級電容器市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的超級電容器基本上都是雙電層電容器。一些雙電層電容器產(chǎn)品的部分性能參數(shù)列于表4。
在我國，北京有色金屬研究總院、錦州電力電容器有限責任公司、北京科技大學、北京化工大學、北京理工大學、北京金正平公司、解放軍防化院、哈爾濱巨容公司、上海奧威公司等正在開展超級電容器的研究。2005年，由中國科學院電工所承擔的“863”項目“可再生能源發(fā)電用超級電容器儲能系統(tǒng)關鍵技術研究”通過專家驗收。該項目完成了用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的300Wh/1kW超級電容器儲能系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。另外，華北電力大學等有關課題組，正在研究將超級電容器儲能(SCES)系統(tǒng)應用到分布式發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)。但從整體來看，我國在超級電容器領域的研究與應用水平明顯落后于世界先進水平。
2.3使用中應注意的問題
在超級電容器的使用中，應注意以下問題：①超級電容器具有固定的極性，在使用前應確認極性。
②超級電容器應在標稱電壓下使用。因為當電容器電壓超過標稱電壓時會導致電解液分解，同時電容器會發(fā)熱，容量下降，內(nèi)阻增加，使其壽命縮短。
③由于ESR的存在，超級電容器不可應用于高頻率充放電的電路中。
④當對超級電容器進行串聯(lián)使用時，存在單體間的電壓均衡問題[13]。單純的串聯(lián)會導致某個或幾個單體電容器因過壓而損壞，從而影響其整體性能[6]。
3超級電容器在電力系統(tǒng)中的應用
3.1用于分布式發(fā)電系統(tǒng)
隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，分布式發(fā)電技術越來越受到重視。儲能系統(tǒng)作為分布式發(fā)電系統(tǒng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，因而其作用越來越重要。超級電容器儲能系統(tǒng)利用多組超級電容器將能量以電場能的形式儲存起來，當能量緊急缺乏或需要時，再將存儲的能量通過控制單元釋放出來，準確快速地補償系統(tǒng)所需的有功和無功，從而實現(xiàn)電能的平衡與穩(wěn)定控制[14]。
2005年，美國加利福尼亞州建造了1臺450kW的超級電容器儲能裝置，用以減輕950kW風力發(fā)電機組向電網(wǎng)輸送功率的波動。
除此之外，儲能系統(tǒng)對電力系統(tǒng)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高也可起到重要的作用。通過逆變器控制單元，可以調(diào)節(jié)超級電容器儲能系統(tǒng)向用戶及網(wǎng)絡提供的無功及有功，從而達到提高電能質(zhì)量的目的。
3.2用于變/配電站直流系統(tǒng)
我國20世紀60～80年代建設的35kV變電站及10kV開關站(室)，絕大多數(shù)高壓開關(斷路器)的操動機構是CDX型電磁操動機構。在變電站或配電站的配電室中均配有相應的直流系統(tǒng)，用作分合閘操作、控制和保護的直流電源。這些直流電源設備，主要是電容儲能式硅整流分合閘裝置和部分由蓄電池構成的直流屏。
電容儲能式硅整流分合閘裝置由于結構簡單、成本低、維護量小而在當時得到廣泛應用，但是在實際使用中卻存在一個致命缺陷：事故分合閘的可靠性差。其原因是儲能用電解電容的容量有限(只有幾千μF)，漏電流較大[15]。
由蓄電池構成的直流屏雖然能存儲很大的電能，在一些重要的變、配電站中成為必需裝置，但由于其運營成本極高、使用壽命不長，因此這些裝置只能用于110kV級別的變電站，難以推廣使用。
超級電容器以其超長使用壽命、頻繁快速的充放電特性、便宜的價格等優(yōu)點，使解決上述問題成為可能。如用2只0.85F，240/280V的超級電容器并聯(lián)后就可完全替代笨重的、需要經(jīng)常維護的、且有污染的蓄電池組。由于一次合閘的能耗只相當于超級電容器所儲能量(70kJ)的3%，而這一能量在浮充電路中又可很快被補充，因而完全適應連續(xù)頻繁的操動，且具有極高的可靠性。
3.3用于動態(tài)電壓跌落裝置
盡管很多用戶選擇不間斷電源(UPS)作為電網(wǎng)斷電或電網(wǎng)電壓瞬時跌落時設備電源的補救裝置，但對于電壓瞬時跌落而言，UPS顯得有些大材小用。UPS由蓄電池提供電能，工作時間持續(xù)較長，但是，由于蓄電池自身的缺點(需定期維護、壽命短)，使UPS在運行中需時刻注意蓄電池的狀態(tài)。而電力系統(tǒng)電壓跌落的持續(xù)時間往往很短(10ms～60s)，因此在這種情況下使用超級電容器的優(yōu)勢比UPS明顯：其輸出電流可以幾乎沒有延時地上升到數(shù)百安，而且充電速度快，可以在數(shù)分鐘內(nèi)實現(xiàn)能量存儲，便于下次電源故障時起用[16]。因此盡管超級電容器的儲能所能維持的時間很短，但當使用時間在1min左右時，它具有無可比擬的優(yōu)勢——50萬次循環(huán)、不需護理、經(jīng)濟。在新加坡，ABB公司生產(chǎn)的利用超級電容器儲能的動態(tài)電壓恢復裝置(DVR)安裝在4MW的半導體工廠，以實現(xiàn)160ms的低電壓跨越。
3.4用于靜止同步補償器
靜止同步補償器(STATCOM)是靈活交流輸電技術(FACTS)的主要裝置之一，代表著現(xiàn)階段電力系統(tǒng)無功補償技術新的發(fā)展方向。它能夠快速連續(xù)地提供容性和感性無功功率，實現(xiàn)適當?shù)碾妷汉蜔o功功率控制，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、優(yōu)質(zhì)地運行?；陔p電層電容儲能的STATCOM，可用來改善分布式發(fā)電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。其在300～500kW功率等級的分布式發(fā)電系統(tǒng)中將逐漸替代傳統(tǒng)的超導儲能。經(jīng)濟性方面，同等容量的雙電層電容儲能裝置的成本同超導儲能裝置的成本相差無幾，但前者幾乎不需要運行費用，而后者卻需相當多的制冷費用[17]。
4今后研究的方向和重點
對于超級電容器，今后要研究的方向和重點是：利用超級電容器的高比功率特性和快速放電特性，進一步優(yōu)化超級電容器在電力系統(tǒng)中的應用技術。此外，在我國大力發(fā)展新能源這一政策指導下，在光伏發(fā)電領域、風力發(fā)電領域，超級電容器以其快充快放等特點為改進和發(fā)展關鍵設備提供了有利條件。
5結束語
超級電容器的出現(xiàn)，解決了能源系統(tǒng)中功率密度與能量密度之間的矛盾。隨著超級電容器技術的進一步發(fā)展，它將逐步取代當前需頻繁更換的蓄電池，且家用儲能系統(tǒng)也有可能得到實現(xiàn)。作為一種儲能巨大、充放電速度快、工作溫度范圍寬、工作可靠安全、無需維護保養(yǎng)、價格低廉的儲能系統(tǒng)，如能大量應用于電力系統(tǒng)，則必將推動技術進步和取得更大的經(jīng)濟效益。
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