周獻(xiàn)忠

(中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100029)

配電自動(dòng)化超級電容后備電源應(yīng)用探討

Application on super capacitor bake-up power of distribution automation

周獻(xiàn)忠

(中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京100029)

本文主要針對在配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境、維護(hù)水平較差的情況下，后備電源采用超級電容的實(shí)際使用情況。將現(xiàn)場運(yùn)行時(shí)間較長的超級電容器的樣品拆回實(shí)驗(yàn)室與同型號新產(chǎn)品進(jìn)行對比性實(shí)驗(yàn)，對超級電容器等新興儲能方式的測試進(jìn)行研究。

配電自動(dòng)化終端；后備電源；超級電容

1 超級電容簡介

超級電容是20世紀(jì)80年代興起的一種新型儲能裝置。超級電容的儲能原理主要有雙電層原理和贗電容原理2種〔1〕。

雙電層是指電化學(xué)溶液中性質(zhì)不同的2相之間界面處所產(chǎn)生的正電荷與負(fù)電荷分布層。電解液與電極接觸時(shí)，為達(dá)到系統(tǒng)的電化學(xué)平衡，電極表面上的電荷會(huì)吸引溶液中帶相反電荷的離子，使離子在電極表面定向排列。電荷在電極和電解質(zhì)的界面之間自發(fā)的分配形成雙電層電容并達(dá)到保存能量的目的。雙電層電容器在充放電過程中均不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。根據(jù) C＝εS/4kπd，只要極板面積足夠大，極板間的距離d足夠小，則容量C就可以達(dá)到足夠大。超級電容器就是根據(jù)此原理，利用超大比表面積的活性炭或氧化物材料做電極，加上很小的電極距離，可以做到幾千法拉甚至上萬法拉。

贗電容也稱為法拉第準(zhǔn)電容，是在電極表面電活性物質(zhì)進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附/脫附或氧化/還原反應(yīng)，產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。贗電容不僅發(fā)生在電極表面，而且可深入到整個(gè)電極內(nèi)部，其最大充放電性能由電活性物質(zhì)表面的離子取向和電荷轉(zhuǎn)移速度控制，可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。在相同電極面積的情況下，贗電容可以是雙電層電容量的10～100倍，因此可以制成體積非常小而容量大的電容器。而且在整個(gè)充放電過程中，電極上沒有發(fā)生決定反應(yīng)速度與限制電極壽命的電活性物質(zhì)的相變化，因此循環(huán)壽命也非常長。此外，贗電容電極上發(fā)生氧化還原反應(yīng)電位一般比較穩(wěn)定，使得其充放電電壓比雙電層電容器的平穩(wěn)。

超級電容器的能量密度是傳統(tǒng)電容器的幾百倍，功率密度高出電池2個(gè)數(shù)量級，很好地彌補(bǔ)了電池比功率低、大電流充放電性能差和傳統(tǒng)電容器能量密度小的缺點(diǎn)。超級電容和其他化學(xué)電源相比具有充電時(shí)間短、使用壽命長、工作溫度范圍寬、功率密度高、放置時(shí)間長、免維護(hù)以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，超級電容在問世不久，即被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、能源以及運(yùn)輸業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域〔2〕。

2 應(yīng)用及原理分析

2.1 配電自動(dòng)化后備電源運(yùn)行要求

根據(jù)國家電網(wǎng)最新修訂的 《配電自動(dòng)化終端技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，終端電源系統(tǒng)應(yīng)在正常情況下為配電終端、通信終端、開關(guān)操作等提供電源，并且應(yīng)在一次電源失電情況下，無縫投切到后備電源供電。因不同類型配電終端額定功耗、瞬時(shí)功耗及運(yùn)行條件等存在差異，其對后備電源的需求也各異。以三遙饋線終端為例，配電終端后備電源采用超級電容供電時(shí)應(yīng)保證分操作一次并維持終端及通信模塊至少運(yùn)行15 min〔3〕。

2.2 設(shè)備功耗測算

后備電源容量的大小，取決于設(shè)備功耗，因此準(zhǔn)確測算出配電自動(dòng)化終端設(shè)備的整體功耗，才能估算出后備電源的容量需求。

1)設(shè)備單體功耗測算

《配電自動(dòng)化終端技術(shù)規(guī)范》 規(guī)定， “三遙”站所終端在所有終端類型中單體功耗最高，為20 VA。取DTU為例分析終端設(shè)備對后備的電源容量的需求:DTU裝置功耗 20 VA；通信設(shè)備功耗(EPON ONU)15W；斷路器的儲能機(jī)構(gòu)，通過對儲能過程進(jìn)行實(shí)測，得道儲能過程中平均電流大小為2.3 A，因此斷路器儲能過程功耗:220 V×2.3 A＝506 VA

湖南配電自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)中明確規(guī)范后備直流電源電壓采用直流48 V供電，對直流側(cè)功耗計(jì)算取最大值。

2)二次附柜整體功耗

如果后備電源采用超級電容，維持終端設(shè)備和通信模塊至少運(yùn)行15 min，則停電后二次附柜本身需求的總電能為:

以目前運(yùn)行的超級電容電壓等級直流48 V為例，電源模塊一般穩(wěn)壓截止電壓為17 V，假設(shè)所需超級電容容量為CX，則存在:＝Ws1。

可推出:

若超級電容電壓等級為24 V，則

由此可看出，電壓等級相差2倍，若需要提供相同能量，則超級電容的容量相差7倍。因此，在確定配電終端供電電壓等級的情況下，建議盡量選取較高電壓等級的超級電容，更充分釋放超級電容的能量。

3)一次環(huán)網(wǎng)柜、柱上開關(guān)功耗

一次設(shè)備分、合閘操作機(jī)構(gòu)功耗，一次設(shè)備廠家提供的儲能機(jī)構(gòu)儲能時(shí)間為＜5 s，取上限5 s，同時(shí)分合閘的功率取試驗(yàn)的典型值，可以得到:

一次合閘——儲能機(jī)構(gòu)所耗電能:

運(yùn)行時(shí)間要求4 h，停電后能夠分—合—分閘操作，分、合閘瞬時(shí)功耗:

目前湖南省配電自動(dòng)化站所終端 (DTU)采用8間隔，由超級電容供電時(shí)，停電后應(yīng)保證一次分閘操作:

由上述計(jì)算可得:采用超級電容作為后備電源，停電后一次設(shè)備操作所耗電能W2均遠(yuǎn)小于二次附柜自身運(yùn)行所需電能W1。因此，一次設(shè)備無論是柱上開關(guān)或者環(huán)網(wǎng)柜，對后備電源容量配置的需求均不產(chǎn)生大的影響。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

測試采用的樣品為北京某品牌超級電容模組，進(jìn)行常溫下和高溫下 (65℃)的實(shí)驗(yàn)。主要測試項(xiàng)目為靜電容量測試、儲存能量測試以及大電流放電能力測試，試驗(yàn)方案依照QC/T 741—2005標(biāo)準(zhǔn)編寫。

3.1 靜電容量測試

在常溫下，用恒定電流I1(I1＝Uw×C/3600)對電容器充電至額定電壓Uw，然后以恒定電流I1放電至額定電壓的1/2，記錄從額定電壓的80% (U1)到50%(U2)之間的電壓范圍內(nèi)電容的放電時(shí)間t，循環(huán)3次取平均值〔4〕。靜電容量為標(biāo)稱容量的80%～150%為合格。靜電容量的計(jì)算公式為:

3.2 儲存能量

在常溫下，用恒定電流I1對電容器充電至額定電壓Uw，再恒壓30 min，靜置5 s后，然后以恒定電流I1放電至額定電壓的1/2(U2)，記錄電流、電壓、時(shí)間，循環(huán)3次取平均值。儲存能量為理論值的80%～150%為合格〔5〕。儲存能量的計(jì)算公式為:

理論值計(jì)算公式為:

3.3 大電流放電能力

在常溫下，用恒定電流I1對電容器充電至額定電壓Uw，再恒壓30 min，靜置5 s后，然后以恒定電流I1放電至額定電壓的1/2，記錄電流、時(shí)間，計(jì)算放電容量。循環(huán)3次取平均值。放電容量不低于30%(C×Uw)為合格。

30% ×(C×Uw)/3600＝0.3×800×24/3600＝1.6(Ah)

通過對新、舊超級電容模組在不同溫度下、不同充放電電流進(jìn)行測試，得到表1的結(jié)果。

表1 超級電容模組測試典型結(jié)果

通過測試可以得出，新、舊超級電容在不同條件下進(jìn)行循環(huán)充放電性能很穩(wěn)定，并且能迅速充電至額定電壓，展現(xiàn)出超級電容功率高、大電流充放電性能強(qiáng)的優(yōu)越特性。

綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)分析，超級電容模組無論是在環(huán)境溫度改變、充放電電流大小改變，還是新、舊超級電容模組，靜電容量、儲存能量以及大電流放電能力都符合要求并且性能穩(wěn)定。

4 結(jié)論

根據(jù)國家電網(wǎng)公司最新的 《配電自動(dòng)化終端技術(shù)規(guī)范》要求，采用超級電容供電，配電站所終端DTU正常運(yùn)行15 min，并完成開關(guān)分閘操作，站所終端所需電能為:

按照終端48 V直流電源換算成超級電容容量為:

32.32 F。

如果按照24 V直流電源配置，需要的超級電容容量為:226.87 F。

上述分析了DTU裝置在停電后對后備電源容量配置的需求，按照 《配電自動(dòng)化終端技術(shù)規(guī)范》要求，F(xiàn)TU或者TTU功耗小于DTU裝置的功耗，可參考DTU裝置的容量配置。

對超級電容而言，電壓等級相差2倍，若需要提供相同能量，則超級電容容量相差7倍。因此，高電壓等級的供電電源可以減少終端對后備電源容量的需求，在確定配電終端供電電壓等級的情況下，對于采用超級電容作為后備電源的模式，建議盡量選取較高電壓等級的超級電容，更充分釋放超級電容的能量。

〔1〕全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).QC/T 741—2006車用超級電容器 〔S〕.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

〔2〕楊盛毅，文芳.超級電容器綜述 〔J〕.現(xiàn)代機(jī)械，2009(4): 82-84.

〔3〕國家電網(wǎng)公司.Q/GDW 514—2013配電自動(dòng)化終端/子站功能規(guī)范 〔S〕.北京:中國電力出版社，2013.

〔4〕鄧隆陽，黃海燕，盧蘭光，等.超級電容性能試驗(yàn)與建模研究 〔J〕.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2010(1):28-32.

〔5〕吳文韜.超級電容動(dòng)態(tài)特性測試與評估研究〔D〕.上海:同濟(jì)大學(xué)，2010.

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1008-0198(2015)05-0048-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.014

2015-01-15