摘要：超级电容是配电站直流系统中的核心单元，直流系统可靠性高低对配电站点的安全运行至关重要，是电力系统安全、可靠运行的重要保障。本文详细论述超级电容容量计算方法及过程，对配电站点超级电容容量选择具有借鉴和指导意义。
关键词：超级电容；配电终端；直流系统；电容容量
1.前言
配电站直流系统为站内配电终端、通信设备及开关跳合闸操作回路提供可靠的供电电源，直流系统可靠性高低对配电站点的安全运行至关重要，是电力系统安全、可靠运行的重要保障。直流系统独立于交流动力电源之外，当交流电源处于事故状态时仍可以保证一定时间的供电，即不受电网运行方式变化影响。超级电容是直流系统的关键组成部分，因此本文将着重研宄。
2.超级电容概述
2.1储能装置现状
目前配电站直流系统储能装置多采用铅酸蓄电池和超级电容。
（1）蓄电池储能。铅酸蓄电池是目前研究应用最成熟的一种二次电池，可作为成本较低的辅助电源或动力电源，在UPS、电力系统、机车牵引及电动汽车等领域广泛应用。蓄电池储能的储能原理是将化学反应中的氧化还原所释放出来的化学能转变为直流电能。蓄电池本身的能量密度很高，用作能量源使用时可以使该优点得以发挥。然而蓄电池的功率密度低，这使得在进行大电流充放电时对蓄电池的寿命产生致命影响，因此蓄电池不适合大功率场合。此外，蓄电池电解液中的重金属铅和酸性溶液，对环境会造成严重污染。
(2)超级电容器储能。超级电容器储能是新兴的储能方式，其能量在双电层和电极内部中储存。直流电源为超级电容器单体充电时，电解液中的正、负离子聚集在固体电极表面，形成“电极-溶液”双电层，用以储存电荷，这也是双电层电容名字的原因。超级电容功率密度很高，在大功率放电场合该特性体现的尤为充分。此外，由于超级电容充放电过程为物理过程，因此理论上可以无限次循环充放，即使用寿命长。而且超级电容器储能方式对环境无污染，是未来储能方式发展的主要研宄方向
2.2储能装置性能对比
超级电容与蓄电池的性能对比如下:
（1）蓄电池的过充过放都会影响使用寿命，超级电容不存在该问题，但是需在充电时限制其最高电压。
（2）蓄电池的维护工作繁重，即使是免维护型蓄电池，同样需要进行定期检查维护;超级电容只需定期对其容量进行检测，观察容量是否下降，工作量大为减小。
（3）蓄电池充电时间一般在数小时左右，而超级电容恢复到额定电压所需时间仅几分钟。
（4）电网停电后，直流系统依靠蓄电池存储的能量放电来维持直流母线电压，然而电池组的能量毕竟有限，若停电时间过长，电池的能量就会消耗过多，如果不加限制，当电池组电压下降到终止电压以下时就会受损，受损严重的甚至报废。而超级电容在带有经常性负荷的情况下仍可保证数次跳闸和合闸。事故处理完毕后，电网恢复供电，在几分钟内，就会具有分合闸能力。
2.3超级电容基本概念
超级电容器，又称电化学电容器，是20世纪七八十年代发展起来的一种介于常规电容器与化学电池二者之间的新型储能元件。它具备传统电容那样的放电功率，也具备化学电池储备电荷的能力，具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽的优势，可以广泛应用于包括轨道交通、消费类电子、大型起重机、太阳能和风能、国防军工等领域。超级电容器自面世以来，受到世界各国的广泛关注，不管是科学研究还是产业化研究，都已成为化学电源领域内的新亮点。
超级电容器基于其储能原理，可以弥补传统电容器与电池之间的空白，可兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的优点，
在超级电容应用中，我们都会遇到相同的问题，就是如何选择超级电容容量。根据电力工程设计手册相关电容储能直流系统知识及厂家提供相关数据，下面做详细论述。
3.超级电容容量选择
3.1直流系统构成
直流系统由AC/DC变换降压恒流模块、超级电容器组、DC/DC变换电路模块、进线及馈线空气开关等组成，接线方式如图1所示。
3.2超级电容参数选择
3.2.1电压选择
配电终端装置电源、通信装置电源及负荷开关操作电源选用DC48V。
3.2.2超级电容容量选择
电容器储能能量应保证配电终端和负荷开关的跳闸线圈可靠动作，满足通信装置供电要求。
电容器储能WC为： 
式中WC——电容器储能（J）
UC——电容器充电电压（V）
C——电容器电容量（F）
设负荷开关的跳闸线圈消耗功率为WTQ，配电终端和通信装置消耗功率为Wj，则总消耗功率W为：W=WTQ+Wj
因此，对电容器储能的要求为：WC=KKW
式中KK——可靠系数，一般取1.2
则电容器的电容量C(F)为
C= 
（1）负荷开关跳闸线圈消耗功率
以6间隔环网箱为例，6间隔环网箱配置8间隔遮蔽立式DTU，取负荷开关的跳闸线圈消耗功率为65W，按下跳闸按钮至跳闸完毕时间约为6S，按交流失电后6台负荷开关同时跳闸计算。
（2）配电终端和通信装置消耗功率
依据国家电网公司站所终端(DTU)专业技术条件要求，DTU核心单元正常运行直流功耗≤20W（不含通信模块电源、电源管理模）；整机功耗≤45VA（不含通信模块、不含后备电源），应保证分闸操作并维持配电终端及通信模块至少运行15分钟，取配电终端装置消耗功率为45W，通信装置消耗功率10W。
带入上述公式计算得：
C= 
=46.02（F）
选取电容器电容量为47F。
图1
4.结束语
本文以6间隔环网箱为例，结合理论计算，得出电容器电容量参数，对目前设计工作有较好指导意义，有效地解决了具体设计问题。
超级电容器的容量大、充电速度快、循环使用寿命长等优点已渐渐受到了广泛的关注，运用领域也在全世界迅猛发展。随着技术的不断发展，超级电容器在各领域中的应用将会越来越广，在超级电容器储能器件不断开发中，其各项性能指标也在不断的突破，以满足更多的使用需求，代替传统的电化学储能器件将成为其发展趋势，也将会创造更多的社会效益。
参考文献
[1]《电力工程电力设计手册电气二次部分》
[2]《国家电网公司配电网工程典型设计10kV配电站房分册》（2016年版）
[3]《配电自动化技术导则》Q/GDW382-2009
论文作者:徐会立
论文发表刊物:《电力设备》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/13
标签：电容器论文; 电容论文; 储能论文; 蓄电池论文; 功率论文; 终端论文; 装置论文; 《电力设备》2018年第20期论文;