摘要：超级电容器作为一种新型电力储能技术，由于其动态响应速度快，储、释能效率高，能够实现快速充放电，瞬间大电流输出能力强。与蓄电池相比，在功率密度、充电时间、使用寿命以及环境温度等方面具有很大的优势，这些优点正是变电站直流电源系统需要的，不仅提高了操作可靠性，而且使用寿命长降低的成本，因此，用超级电容器储能并联在蓄电池的两端作为变电站分合闸操作的电源，是一个新的正确的解决方案。但如果仅采用超级电容器作直流电源系统的储能单元，虽满足分合闸操作要求，但一些110kV等重要的变电站在电网停电后需要2～4小时的直流供给，超级电容器的能量密度比较低，无法保证长时问的持续供电。为了解决这一问题，采用超级电容器一蓄电池混合储能直流电源方案是比较好的选择。本文针对现有直流系统存在的问题，结合超级电容器与蓄电池的各自特点，提出了一种基于超级电容器的直流系统混合储能设计方案，该方案结合了超级电容器和蓄电池组的优势，具有可靠性高、脉冲输出功率大、寿命长、免维护和节能环保的特点，将具有重要意义。
关键词：超级电容；直流操作；电源系统；应用
电力工程直流系统是变电站的控制、保护、信号和通信装置的操作电源，同时还可以作为独立的事故照明电源。它直接关系着电力系统的安全可靠运行，对防止系统破坏、事故扩大和设备严重损坏尤为重要。故提升直流系统运行的安全性和可靠性是电力系统一个至关重要的问题。目前绝大多数直流屏均采用蓄电池作为储能元件，蓄电池组容量的选择必须同时满足两个条件，一要满足合闸等冲击性负荷所需最大放电电流要求；二要满足对经常性负荷持续供电的时间要求。由于蓄电池功率密度低，大电流输出能力差，为了提高直流屏的操作可靠性，不得已采用大容量的功率型蓄电池组，蓄电池组不仅价格昂贵，使用寿命短，还必须按规定定期维护，蓄电池组不经常承担合闸任务，长时间处于浮充电备用状态，维护不及时，会出现诸多问题。在关键时刻，就可能造成分闸操作失败，酿成事故，2013年贵州4.29事故等国内多起电网事故说明基于蓄电池的直流系统可靠性问题。为了保障电力系统安全可靠经济运行，提高直流系统的安全性、可靠性和延长其使用寿命是必要的。
1蓄电池直流操作电源系统存在的问题
蓄电池直流操作电源系统是用蓄电池来储能，当交流电正常且整流器完好时，蓄电池用于向冲击负荷提供补充电流；当交流停电或整流器故障时，蓄电池用于向经常负荷、事故负荷及冲击负荷供电。以蓄电池为储能元件的直流操作电源已被广泛使用，但普遍存在的问题是蓄电池生产厂商为推销密封铅酸蓄电池，都加上了“免维护”字样，由于“免维护”这一词给使用者带来认识上的误区，加上现场蓄电池维护的不方便，导致使用者放松了蓄电池的日常维护管理，如：密封铅酸蓄电池没有按规定要求进行活化试验、环境温度变化较大、充电电流过大等等。由于蓄电池管理不善，目前12V系列铅酸蓄电池平均寿命只有三至四年左右，有些用户甚至陷入了蓄电池频繁故障，且一时无法彻底解决的困境之中。由此带来了直流操作电源系统的可靠性问题。
2.超级电容器的原理及特性
2.1超级电容器的基本原理
超级电容器，又叫双电层电容器、黄金电容、法拉电容。通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。
超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量，这也是其“超级”所在。
2.2超级电容与蓄电池的特性比较
超级电容器包括双电层电容器（EDLC）和电化学电容器两大类。EDLC超级电容器是一种高能量密度的无源储能元件，其多孔化电极采用活性炭粉和活性炭纤维，电解液采用有机电解质。工作时，在可极化电极和电解质溶液之间界面上形成了双电层中聚集的电容量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其多孔化电极是使用多孔性的活性碳，有极大的表面积在电解液中吸附着电荷，因而将具有极大的电容量并可以存储很大的静电能量，超级电容器的这一特性是介于传统的电容器与电池之间。
由于超级电容与铅酸蓄电池相比具有环保、寿命长、对环境要求低、可提供大电流充放等特点，在直流操作电源事故负荷较小或要求不高的中小变电站中，完全可以用来代替铅酸蓄电池，提高电源系统可靠性，减少系统维护麻烦。
3超级电容在直流操作电源系统应用
3.135kV以下对可靠性要求不高的小型变（配）电所
如工矿企业的车间配电室、建筑大楼配电室等。由于直流负荷较小，对供电可靠性要求不是很高，这时可以直接用超级电容代替铅酸蓄电池。如冲击负荷电流小于整流器输出的电流，可采用一只（1F/300V）超级电容代替蓄电池，直流操作电源原理电路。
如果冲击负荷电流大于整流器的输出电流，需要由超级电容提供冲击负荷电流，这时可以采用两只超级电容冗余设计代替蓄电池，由于整流器已经在电源模块上采用了冗余设计，这样电源模块和超级电容均采用了冗余设计，提高了电源系统的可靠性和可维性。超级电容直流操作电源原理。
3.235kV以下对可靠性要求较高的小型变（配）电所提高超级电容直流操作电源系统可靠性的是整流器和超级电容均采用的冗余设计超级电容直流操作电源采用两套完全相同的整流器，输出通过单母线分段向负荷供电。具有如下特点：
（1）整流器采用冗余热备份设计，其交流输入均采用交流自动切换，只要两路交流输入有一路正常，一路整流器正常，电源系统即可提供正常电源输出。
（2）超级电容用于为冲击负荷和故障负荷提供电能，可根据负荷的大小确定超级电容的容量，一般选择1F/300V，1只或多只并联。
（3）两路整流器输出通过单母线分段方式向负荷供电，根据负荷不同可选择两段母线分段运行，故障时母联开关自动投入或人工投入；或选择两段母线一并运行，两路整流器一主一备，一路故障时另一路自动投入或人工投入；或选择两段母线、两套整流器直接并联的运行方式，任何一路整流器故障，将会自动退出。
3.335kV及其以上重要变电所
35kV及其重要变电所，可以采用超级电容与蓄电池相结合的方式，来提高电源系统的可靠性、可维性和使用寿命。其原理电路。设计采用超级电容直流操作电源与蓄电池直流操作电源相结合的直流操作电源系统。超级电容直流操作电源用于为冲击负荷供电；蓄电池直流操作电源用于为经常负荷和事故负荷供电。
（1）两套电源相互独立，又互为备份，提高了电源系统的可靠性和可维性，铅酸蓄电池进行活化放电试验时，可由超级电容直流操作电源为其提供备用电源。
（2）蓄电池只负责向经常负荷供电，容量小，可以降低蓄电池的容量，降低系统成本。由于蓄电池负荷电流稳定，基本无冲击，可延长蓄电池的使用寿命。
（3）根据负荷大小和负荷的重要性，可以选择电源系统的容量、蓄电池的容量和组数、机柜数量及其自动切换装置的数量等等。
4结束语
超级电容在直流操作电源系统中，可以根据负荷大小以及重要程度的不同，实现不同的解决方案。合理选择这些方案可以解决由于蓄电池自身为电源系统带来的环保、维护、寿命等问题，提高了电源系统的可靠性、可维性和可用性，随着超级电容的不断发展，其在直流操作电源系统中将获得广泛应用。
参考文献：
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论文作者:范相杰,孙国厂,宋东阳,刘斌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第36期
论文发表时间:2019/6/4
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