超级电容与铅酸电池电电混合应用调研

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1、超级电容与铅酸电池电电混合应用调研1、概述在我国 110kV、35kV、10kV 终端变电站，以及常用的 6kV 配电系统，广泛 采用了蓄电池直流屏和硅整流电容储能直流屏、作为操作、控制以及保护的电源。 几十年来，较多的产品在运行中存在以下问题：2、目前直流屏的类型2.1镉镍蓄电池直流屏直流母线输出 220V 时，一般由 180 个蓄电池组成。蓄电池在加工生产中不 可能做到每个电池的充放电特性完全一致，虽然生产厂家在出厂时进行了匹配组 合，但是到了用户手中就没有挑选的余地。在使用中，用同一个充电电源，又向 同一负荷放电，久而久之，个别电池由于特性差别越来越大，而影响整个装置的 性能。镉镍蓄电池

2、在运行中，长期处于浮充状态，充电机性能的好坏，直接影响电 池的寿命。一般厂家承诺电池寿命大于10年，但在实际运用中，往往只有35 年。这是因为，如果浮充电流过大，会使电解液中的水电解成氢和氧，这两种气 体混合是危险的爆炸气体，如果通风不良，有资料介绍，某无人值班变电站，曾 发生直流屏爆炸的事故。过充电还会使电池冒液，在电池外表及连接片上产生墨绿色氧化物，腐蚀构 件，降低绝缘，使自放电增加。过充电还会产生氧化还原反应，在负极板上生成 氧化镉，减少极板有效面积，容量减小，这就是俗称的“记忆”效应。为了保持电 池的容量，每年需对蓄电池进行 12 次的“活化”试验，试验必须按生产厂家规定 的标准制度进

3、行充放电，才能保证电池的有效率。作为使用维护者来说，是一个 令人头痛的事情。由于镉镍电池有较硬的放电特性曲线，放电量达到 80%时，电 压下降也不明显。稍有疏忽，会造成电池过放电，出现极性反转而报废。由于直 流屏是变电站设备中的重中之重，直接影响到变电站的安全运行。在“安全工作 重于泰山”的环境下，很多单位都将直流屏列入日常必检项目进行考核。2.2 密封铅酸蓄电池直流屏由于镉镍蓄电池维护量大，一种免维护密封铅酸蓄电池，简称阀控蓄电池或 VRLA 电池，开始得到广泛应用。因为是全密封电池，无须加水，这给维护带来 很多好处的同时，也给观测和维护带来困难。 “免维护”这一名词又给使用者带来 认识上的

4、误区，导致使用者放松对蓄电池的日常维护管理。由于阀控蓄电池在我 国问世只有十年左右，至今还没有成熟的制造、运行经验。去年在深圳召开的 EVC 会议，汇集国内蓄电池有关使用、制造的专家，总结了国内阀控蓄电池的 制造、运行方面的经验，达成如下共识：a）阀控蓄电池的寿命厂家说明书将蓄电池的寿命标注为 10、15、20 年，是过分夸大了。无论进 口还是国产电池，实际使用后都证实了这一点。因而在说明书上标称 5 年比较适 当；对于胶体蓄电池，如德国阳光、银彬方可用十年以上。另外厂家说明书上标 注的寿命是有前提的，要在规定的运行温度，标准的充放电方式包括负载大小 下运行，实际上这些条件，只有在实验室才能达

5、到。b）阀控蓄电池对温度十分敏感.生产厂家要求电池工作温度为15C25C,当环境温度超过25C后，每升高10C 电池寿命就要缩短一半。例如，对5年期寿命的电池，当环境温度为35C时， 实际寿命只有2.5年，如果再升高10C达到45C时，其寿命只有约1.25年了。 对于处在广大的华中、华南地区来说，全年平均气温超过25C的时间将长达3 个多月，加上安装阀控蓄电池的配电室，为防小动物入室，门窗都比较封闭，室 内温度还要升高，对蓄电池的运行极为不利。c）板栅腐蚀是影响蓄电池使用寿命的重要原因。在开路状态下，铅合金与活性二氧化铅直接接触，而且共同浸在硫酸溶液中， 它们各自与溶液建立不同的平衡电极电位。

6、正极栅板不断溶解，特别是在过充状 态下，正极由于析氧反应，水被消耗，h+增加，从而导致正极附近酸度增高，反 栅腐蚀加速，如果电池使用不当，长期处于过充电状态，那么电池的栅板就会变 薄，容量降低，会缩短使用寿命。d）目前，蓄电池大多数都处于长期的浮充电状态下，只充电，不放电，这 种工作状态极不合理。大量运行统计资料表明，这样会造成蓄电池的阳极极板钝 化，使蓄电池内阻急剧增大，使蓄电池的实际容量（Ah）远远低于其标准容量， 从而导致蓄电池所能提供的实际后备供电时间大大缩短，减少其使用寿命。e）失水：失水也是影响蓄电池使用寿命的因素之一，失水会导致电解液比重增加，电 池栅板的腐蚀，使蓄电池的活性物质

7、减少，从而使蓄电池的容量降低而导致其使 用寿命减少。当失水5.5时，容量降到75；失水达到25时，容量基本消失。2.3 电解电容储能直流屏20 世纪 6070 年代，由于电解电容储能直流系统，投资小，维护量小，在 110kV以下小型变电站得到广泛的应用。但是经过多年的运行暴露出一个致命的 缺陷。由于储能电容的容量只有数千微法，事故分闸的可靠性差。在全国范围内 造成多起事故。目前，这类直流系统面临更新改造阶段。3、超级电容用于直流屏 超级电容器是一种专门用于储能的特种电容，实现了电容量由微法向法拉级 的飞跃，是一种理想的大功率物理电源。它不需要任何维护和保养，寿命长达 10 年以上，用它来代替老

8、式电容储能硅整流直流屏，和蓄电池将产生革命性的 进步。4、超级电容直流屏与蓄电池直流屏的性能对比a）无任何种蓄电池都需要配置一套精确的，性能优良的充放电装置。这套 装置故障率相对较高，而用超级电容的直流屏可简化这套装置，降低了故障率， 使成本下降。b）蓄电池过充电、过放电都会缩短使用寿命，而超级电容不存在过充电、 过放电的问题，只需限制最高充电电压就行了。c）蓄电池有较大的维护量，即便是免维护蓄电池，同样需要维护；而超级电容只需定期检测其容量是否下降就行了，做到了真正意义上的免维护。d）蓄电池一旦过放电，要恢复其容量得充电数小时；而超级电容恢复到额 定电压，仅需几分钟。单只电容合闸后端电压下降

9、5v,数秒钟即可复原。e）电网停电后，直流屏依靠蓄电池放电来维持直流母线电压，电池组的能 量毕竟有限。停电时间过长，会使电池的能量放完，如不加限制，必然会导致电 池组电压下降到终止电压以下而受损，甚至无法再充电而报废。而超级电容当电 网停电后，在带有经常性负荷的情况下仍可保证近千次的跳闸和数百次合闸。这 一点对具有综合重合闸装置和备用电源自动投入装置的中小型终端变电站足够 了。如果是母线短路，引起电网电压过低，只要继电保护能正确动作，在短短的 几秒钟内，更能可靠的跳闸，事故跳闸后，没有必要维持一定时间的直流供电。 当事故处理完毕后，电网恢复供电，在几分钟内，又具有分、合闸能力了。超级电容在独立

10、光伏系统中应用1、发展前景 能源是人类社会存在和发展的重要物质基础，随着社会的发展，能源日渐减 少，太阳能作为重要能源之一，以其永不枯竭，无污染等优点，正得到迅速的发 展。但太阳能存在间歇性、不稳定性和不可控性等缺陷, 为保证其供电的均衡性 和连续性, 储能装置成为光伏发电系统的关键配套部件。储能系统种类较多, 如 铅酸电池、锂电池、钠硫电池和钒液流电池等其技术虽成熟度不一, 但均较易实 现大容量储能。但电池类储能的充放电速度、充放电次数等受到限制, 不能用于 实现快速的动态功率补偿, 抑制动态振荡、平滑风力发电输出的快速变化，但超 级电容由于储能过程属于物理反应，因此充/放电流可瞬时达到几百

11、安，实现快 速充/放电，断电毫秒时间内响应，充分保护用电设备的安全，而且在合适的使 用条件下充/放电次数在 50万次以上，免维护等优势，在光伏发电储能系统中有 重大潜力。2、光伏电站组成2.1 太阳能电池板 按晶体硅电池板划分：多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池。 按非晶硅电池板划分：薄膜太阳能电池、有机太阳能电池。2.1.1 单晶硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 15%左右，这是目前所有种类的太阳能 电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，使用寿命一般可达 15年，最高 可达25 年。2.1.2 多晶硅太阳能电池：光电转换效率约 12左右，从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池

12、要便 宜一些，总的生产成本较低，多晶硅太阳能电池的使用寿命要比单晶硅太阳能电 池短。2.1.3 薄膜太阳能电池： 新型薄膜式太阳电池，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳 电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前水平为 8左右，且不够稳定， 随着时间的延长，其转换效率衰减。3、光伏发电使用储能系统的必要性： 太阳能光伏发电系统需要储能蓄电池。对于独立光伏发电系统需要蓄电池是 可以理解的；对于并网光伏发电系统，为了减少太阳能发电对电网稳定的影响， 对电网有功分量的补偿只有依靠蓄电池或者其他储能装置。3.1光伏发电对储能系统的 5项基本要素：3.1.1 高的瓦时效率由于太阳电池发电成本

13、比较高，所以蓄电池的充电、放电效率，是太阳能光 伏发电储能蓄电池的最重要、最基本的就是指标，但是又是被绝大多数蓄电池生 产企业所忽视的指标。蓄电池的效率分电压效率、安时效率和瓦时效率，对于太阳能光伏发电系统 我们最关心的是瓦时效率，这是因为太阳能光伏发电的成本比较高，我们不希望 光伏发电的电能在存储的过程中无端损失掉，这对于提高太阳能光伏发电系统效 率非常重要。铅酸蓄电池瓦时效率只有 7080%；而且，蓄电池的瓦时效率是指 25C条件下的效率，当环境温度在零下或者40C以上时实际效率要下降许多。3.1.2 蓄电池应该有比较平坦的充电特性曲线对于小型独立光伏发电系统，系统对MPPT （最大输出功

14、率点）的跟踪，绝 大多数情况是依靠蓄电池对太阳电池组件工作点的钳位，如果蓄电池的充电特性 曲线比较平坦，将有效提高太阳电池的利用效率。即使对于有MPPT（最大输出 功率点跟踪）的独立光伏发电系统或者是并网光伏发电系统，由于有了比较平坦 的充电特性曲线， MPPT 里面的 DC/DC 变换器的电压差可以做到最小，所以跟 踪效率将有所提高。3.1.3 充电放电循环次数多充电放电循环次数多实际上是表现在使用的寿命长，这是一个非常重要的指 标。当然，这里还涉及放电深度问题、使用环境温度问题、充放电倍率问题；单 体电池串联、并联的平衡问题等等，因为光伏电池组件寿命一般为 25 年左右， 因此超长寿命的储

15、能单元可以最大限度的节省使用和维护成本。3.1.4 快速的充/放电响应由于太阳能发电存在随机性、不稳定性、谷-峰相差大等特性，要求储能系 统可吸收频繁微弱光照，储能迅速等特性。3.1.5 不污染环境如果蓄电池在充电/放电过程中或者废弃回收过程中污染了环境，这种蓄电 池就有悖于太阳能光伏发电绿色环保的初衷，抵消了太阳能电池的节能减排效果 在这方面物理法储能有独特的优势。3.2各种储能器件性能对比：电池种类充/放电效 率循环次数或寿 命环境要求充电特 性结论铅酸畜电池平均80%300500 次污染严重不理想不够理想胶体铅酸电池平均80%5001000 次污染严重不理想不够理想磷酸铁锂电池90%左右10002000 次无污染一般可以钒液流电池60%70%6年更换无污染可以有待发展超导储能95%30年无污染好有待进步超级电容98%10年以上无污染好好3.2.1 电池类储能：蓄电池种类较多, 如铅酸电池、锂电池、钠硫电池和钒液流电池等其技术虽 成熟度不一，但均较易实现大容量储能。但电池类储能的充放电速度、充放电次 数等受到限制，不能用于实现快速的动态功率补偿，抑制动态振荡、平滑光伏发 电输出的快速变化。3.2.2 超导磁储能：超导磁储能一般由超导线圈及低温容器、制冷装置、变流装置和测控系统组 成。其主要特点是：响应