中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型背景下，新型電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能器件“快速響應(yīng)-高頻調(diào)節(jié)-本質(zhì)安全”的需求日益凸顯，超級(jí)電容作為典型功率型儲(chǔ)能器件，因高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、寬溫域工作能力及無(wú)枝晶生長(zhǎng)導(dǎo)致的安全隱患等優(yōu)勢(shì)，逐漸受到廣泛關(guān)注。本文系統(tǒng)綜述其技術(shù)體系與應(yīng)用進(jìn)展。在單體研發(fā)方面，從雙電層超級(jí)電容和混合型超級(jí)電容兩類型出發(fā)，分析其典型現(xiàn)有技術(shù)路線與產(chǎn)品性能。在集成應(yīng)用方面，論述超級(jí)電容在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)、新能源配儲(chǔ)、火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻、獨(dú)立儲(chǔ)能、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用，并簡(jiǎn)述了如吊機(jī)等動(dòng)力機(jī)械動(dòng)能回收、數(shù)據(jù)中心后備電源、電力設(shè)備等其他場(chǎng)景的應(yīng)用情況。最后，分析超級(jí)電容目前在能量密度、全壽命周期成本、應(yīng)用場(chǎng)景等方面存在的瓶頸，判斷未來(lái)研究重點(diǎn)將集中在開發(fā)新型材料體系、推動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景多元化以及“超級(jí)電容+”混合儲(chǔ)能模式創(chuàng)新等三方面，需要通過體系與場(chǎng)景創(chuàng)新，以差異化的產(chǎn)品支撐超級(jí)電容在新型電力系統(tǒng)建設(shè)中更廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 超級(jí)電容；新型電力系統(tǒng)；儲(chǔ)能系統(tǒng)；發(fā)展趨勢(shì)
隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，新型電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能器件的“快速響應(yīng)-高頻調(diào)節(jié)-本質(zhì)安全”需求日益凸顯。超級(jí)電容作為典型的功率型儲(chǔ)能器件，因其功率密度較高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、寬溫域工作能力等優(yōu)點(diǎn)，正日益受到人們更多的關(guān)注，成為風(fēng)電變槳后備電源、電源側(cè)輔助調(diào)頻、電網(wǎng)側(cè)輔助調(diào)頻、數(shù)據(jù)中心瞬時(shí)備電等多種不同場(chǎng)景的優(yōu)選方案。
本文從超級(jí)電容技術(shù)體系出發(fā)，系統(tǒng)梳理了其研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展、應(yīng)用場(chǎng)景及典型模式，同時(shí)對(duì)超級(jí)電容的現(xiàn)存不足與發(fā)展方向展開深入分析，以期推動(dòng)新型超級(jí)電容在新型電力系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程中實(shí)現(xiàn)更廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。
1 超級(jí)電容概述
超級(jí)電容(super capacitor)是一種電化學(xué)儲(chǔ)能器件，介于普通電容器和蓄電池之間，通過在電極材料表面吸附離子或發(fā)生快速氧化還原反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存電能的新型儲(chǔ)能器件。其至少有一個(gè)電極主要是通過電極/電解液界面形成的雙電層電容或電極表面快速氧化還原反應(yīng)形成的贗電容實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，在恒流充電或放電過程中的時(shí)間與電壓的關(guān)系曲線通常近似于線性，沒有鋰離子電池放電通常所具有的平臺(tái)區(qū)。
雖然超級(jí)電容能量密度只有5～30 Wh/kg，但是其在功率特性、循環(huán)壽命及環(huán)境適應(yīng)性方面展現(xiàn)出了獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容的核心優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在超高功率密度與快速響應(yīng)特性，且循環(huán)壽命可突破百萬(wàn)次。這種高功率脈沖輸出能力使其在短時(shí)間大功率需求場(chǎng)景中具備不可替代性。同時(shí)，超級(jí)電容工作溫度范圍可擴(kuò)展至-40～80℃，有效解決了鋰離子電池在低溫條件下的容量衰減問題，且基于離子吸附/脫附機(jī)制，也避免了電化學(xué)電池枝晶生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)，從根本上消除了內(nèi)部短路及熱失控等安全隱患。
超級(jí)電容可根據(jù)電極、原理、電解質(zhì)、功率密度分類，如圖1所示。在超級(jí)電容研發(fā)中，一般通過原理將超級(jí)電容分為雙電層超級(jí)電容和混合型超級(jí)電容。
圖1 超級(jí)電容分類
2 超級(jí)電容單體研發(fā)進(jìn)展
2.1 雙電層超級(jí)電容
雙電層超級(jí)電容(electric double-layer super capacitor, EDLC)是采用高比表面積材料作為電極主要材料，通過極化電解液形成雙電層來(lái)儲(chǔ)能的一類超級(jí)電容，無(wú)法拉第反應(yīng)，在恒流充放電過程中其電壓與時(shí)間的關(guān)系曲線近似于線性，最低可放電至0 V。其在儲(chǔ)能原理上是高度可逆的，因此充放電壽命可達(dá)100萬(wàn)次以上，日歷壽命可達(dá)15年以上，且可在大電流下實(shí)現(xiàn)快速充放電，其原理如圖2所示。
圖2 雙電層超級(jí)電容器組成部件示意圖
目前，對(duì)雙電層超級(jí)電容的研究主要聚焦在電極材料、電解液及電極工藝等方面，例如活性碳材料的納米孔道調(diào)控、石墨烯基復(fù)合材料的界面工程、離子液體電解液的低溫離子傳導(dǎo)機(jī)制；干法電極工藝、無(wú)溶劑制備技術(shù)的發(fā)展，則為規(guī)?；a(chǎn)提供了綠色高效路徑。但是，在高壓工況下的界面穩(wěn)定性問題、電解液體系穩(wěn)定性及適配性等問題依舊存在。
雙電層超級(jí)電容具有功率大、壽命長(zhǎng)、能量小的特征，在功率特性方面通常用于大電流場(chǎng)合，時(shí)長(zhǎng)往往處于10~15 s級(jí)別。但是由于能量密度(3~10 Wh/kg)限制，往往用于風(fēng)機(jī)變槳、脈沖電源等小型場(chǎng)景；用于儲(chǔ)能的雙電層電容器系統(tǒng)將呈現(xiàn)占地面積大、成本高等不利特征，需要結(jié)合場(chǎng)景合理搭配使用。近年來(lái)，在山西等電力市場(chǎng)建設(shè)較為前沿的地區(qū)，也逐步出現(xiàn)了以雙電層超級(jí)電容為主體的百兆瓦級(jí)電網(wǎng)側(cè)獨(dú)立儲(chǔ)能電站，其主要盈利來(lái)自調(diào)頻輔助服務(wù)。目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的雙電層超級(jí)電容器電極材料以活性炭(AC)為主，其主要參數(shù)如表1所示。
表1 已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的雙電層超級(jí)電容器主要參數(shù)
2.2 混合型超級(jí)電容
混合型超級(jí)電容(hybrid super capacitor)是一極雙電層、另一極非完全雙電層的不對(duì)稱型超級(jí)電容。電池型超級(jí)電容(battery-type super capacitor)是正、負(fù)極均為非完全雙電層的超級(jí)電容。由于是否完全雙電層電極難以界定，且均是通過提升電極材料容量和拓寬電壓窗口來(lái)進(jìn)一步提升能量密度，因此一般將混合型超級(jí)電容和電池型超級(jí)電容統(tǒng)稱為“混合型超級(jí)電容”。同時(shí)，現(xiàn)有混合型超級(jí)電容大多借鑒了鋰離子電池的材料體系，因此也被稱為“鋰離子超級(jí)電容”。
從廣義上講，混合型超級(jí)電容可以進(jìn)一步分為內(nèi)串型和內(nèi)并型。內(nèi)串型器件是指器件內(nèi)部其中一極為鋰離子脫嵌電極，另一極為電容電極。如正極為活性炭，負(fù)極為L(zhǎng)i4Ti5O12或石墨等。嚴(yán)格意義上的混合型超級(jí)電容就是指這兩種體系，即AC/預(yù)嵌鋰和AC/Li4Ti5O12。內(nèi)并型器件則是將混合型超級(jí)電容改進(jìn)為在鋰離子電池正極或者負(fù)極中混入活性炭，可認(rèn)為是雙電層電容(AC/AC)或內(nèi)串型鋰離子電容器與鋰離子電池的內(nèi)部并聯(lián)。內(nèi)并型器件由于更直觀地體現(xiàn)了電池和電容的結(jié)合，因此業(yè)內(nèi)所說的電池電容也通常是指此類器件。目前已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的混合型超級(jí)電容器技術(shù)路線較為多樣，與EDLC相比主要優(yōu)勢(shì)在于更高的能量密度，且仍然具備極高的功率密度，其主要參數(shù)如表2所示。
表2 已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的混合型超級(jí)電容器主要參數(shù)
3 超級(jí)電容集成應(yīng)用進(jìn)展
超級(jí)電容作為典型的儲(chǔ)能單體器件，電芯單獨(dú)使用的場(chǎng)景較為受限，需要集成為模塊、簇、預(yù)制艙等大型單元后，搭配電容管理系統(tǒng)等附屬配件方可使用。其集成應(yīng)用場(chǎng)景多樣，包括風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、交通與其他場(chǎng)景等。
3.1 風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)
變槳系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一，如圖3所示，其與變頻控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以有效提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率和電能質(zhì)量。傳統(tǒng)后備電源通常采用的是鉛酸電池系統(tǒng)，但是存在充放電特性一般、倍率性能較差、低溫性能不足、循環(huán)壽命較短、維護(hù)成本偏高等問題。超級(jí)電容作為一種新型儲(chǔ)能器件，可以解決鉛酸電池存在的問題，并可實(shí)現(xiàn)全生命周期免維護(hù)，有助于提高風(fēng)電機(jī)組安全性和運(yùn)行效率、降低運(yùn)維成本。
圖3 風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)示意圖
超級(jí)電容在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)中的應(yīng)用可分為如下幾個(gè)階段：2003—2005年，雙電層超級(jí)電容逐步成熟、生產(chǎn)成本下降，開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域試點(diǎn)運(yùn)行；2005—2008年，全球主流風(fēng)機(jī)制造商在新型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中引入電動(dòng)變槳系統(tǒng)，并測(cè)試雙電層超級(jí)電容作為后備電源的可行性；2010年后，隨著海上風(fēng)電和低風(fēng)速地區(qū)開發(fā)的加速，雙電層超級(jí)電容的優(yōu)勢(shì)被廣泛認(rèn)可，逐步成為變槳系統(tǒng)后備電源的主流選擇。
近年來(lái)，風(fēng)電機(jī)組逐步邁向大型化，葉片長(zhǎng)度變長(zhǎng)，變槳所需要的能量也隨之加大。雙電層超級(jí)電容產(chǎn)品因能量密度瓶頸，造成變槳系統(tǒng)體積增大、成本升高、維護(hù)性變差，越發(fā)難以適應(yīng)在超大型風(fēng)電機(jī)組上的應(yīng)用?；旌闲统?jí)電容可在兼顧倍率特性的同時(shí)，更大幅度提升能量密度，因此已逐步在新型海上風(fēng)電項(xiàng)目中開展應(yīng)用測(cè)試，有望未來(lái)為超大型風(fēng)電機(jī)組提供全新的變槳系統(tǒng)后備電源解決方案。
3.2 電力系統(tǒng)
在“雙碳”目標(biāo)指引下，新型電力系統(tǒng)發(fā)展迅速、能源結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，新能源發(fā)電占比、直流輸電容量顯著增加，帶來(lái)了愈加頻繁的負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)性，也進(jìn)一步加劇了電網(wǎng)頻率波動(dòng)。在發(fā)電側(cè)，以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源發(fā)電機(jī)組出力存在著嚴(yán)重的間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性等問題，給電力系統(tǒng)在安全可靠性、靈活性等多方面帶來(lái)更多的風(fēng)險(xiǎn)。具有典型功率型儲(chǔ)能特征的超級(jí)電容，其具有的高功率、長(zhǎng)壽命、高安全，能精準(zhǔn)滿足新型電力系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)對(duì)短時(shí)、高功率峰值脈沖、高安全的需求，展現(xiàn)出超級(jí)電容在新型電力系統(tǒng)應(yīng)用中不可或缺的獨(dú)特作用。
3.2.1 新能源配儲(chǔ)
隨著近年風(fēng)電裝機(jī)量大幅增長(zhǎng)，其自身波動(dòng)性和隨機(jī)性對(duì)并網(wǎng)的沖擊和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行逐漸成為制約風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵問題。同時(shí)，風(fēng)電消納能力不足和棄風(fēng)現(xiàn)象趨勢(shì)抬頭所造成的資源浪費(fèi)和企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，也制約了風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)一步應(yīng)用。針對(duì)以上問題，隨著儲(chǔ)能技術(shù)的提升和成本的降低，在風(fēng)力發(fā)電側(cè)形成“一機(jī)一儲(chǔ)”已展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。
圖4 風(fēng)電“一機(jī)一儲(chǔ)”典型方案
大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生電壓波動(dòng)、電壓電流波形畸變以及閃變等電能質(zhì)量問題，若采用降低風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)容量方式保證電能質(zhì)量，將會(huì)帶來(lái)風(fēng)電穿透功率降低的問題。因此，需采用能提供功率補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)能系統(tǒng)，通過毫秒級(jí)響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。超級(jí)電容憑借其高功率密度和快速充放電能力，首先，能在風(fēng)速變化導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)時(shí)，迅速充放電，將功率波動(dòng)控制在一定范圍內(nèi)，使風(fēng)機(jī)輸出功率更加平穩(wěn)，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。超級(jí)電容能夠基于大功率特性為風(fēng)電機(jī)組提供額外虛擬慣量，使風(fēng)電系統(tǒng)在接入電網(wǎng)時(shí)更加平滑，減少新能源發(fā)電的隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性給電網(wǎng)帶來(lái)的沖擊，增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。最后，超級(jí)電容可以通過快速充放電，調(diào)節(jié)直流母線電壓，進(jìn)而影響風(fēng)機(jī)輸出的有功功率和無(wú)功功率，參與電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)，提高電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。
目前我國(guó)已有多個(gè)“一機(jī)一儲(chǔ)”項(xiàng)目示范。例如在廣東陽(yáng)江雷平風(fēng)電場(chǎng)的“一機(jī)一儲(chǔ)”項(xiàng)目中，采用100 kW/15 s超級(jí)電容+100 kW/200 kWh鋰電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，能有效抑制風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)，并且在電網(wǎng)頻率出現(xiàn)偏差時(shí)，超級(jí)電容可以快速響應(yīng)，提供或吸收功率，幫助電網(wǎng)恢復(fù)到額定頻率。四川會(huì)東龍海風(fēng)電場(chǎng)的“一機(jī)一儲(chǔ)”項(xiàng)目中，600 kW/7.77 kWh超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)與4.8 MW/9.6 MWh鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)配合，可實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻、AGC等功能。
3.2.2 火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻
我國(guó)當(dāng)前調(diào)頻任務(wù)主要由火電、水電等承擔(dān)，其中水電存在地域限制、并受豐水期和枯水期影響；更通用的火電機(jī)組，因其轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大的原因，也存在機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)速度慢、控制精度低、參與調(diào)頻損害機(jī)組壽命等問題。超級(jí)電容作為典型的功率型儲(chǔ)能產(chǎn)品，與鋰離子電池相比，其更高的功率特性、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命以及更優(yōu)異的安全特性，使其更能滿足調(diào)頻場(chǎng)景的應(yīng)用。
現(xiàn)階段已實(shí)施項(xiàng)目中，儲(chǔ)能系統(tǒng)主要采用“鋰離子電池+超級(jí)電容”的混合儲(chǔ)能模式，既能發(fā)揮超級(jí)電容快速響應(yīng)優(yōu)勢(shì)，又能極大延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命，降低系統(tǒng)整體的使用和維護(hù)成本。在系統(tǒng)參與調(diào)頻過程中，超級(jí)電容與鋰離子電池互為補(bǔ)充，秒級(jí)的指令全部由超級(jí)電容響應(yīng)，分鐘級(jí)以上的指令則由超級(jí)電容和鋰電池共同響應(yīng)，顯著提升儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)綜合性能。典型項(xiàng)目如華能羅源電廠，采用5 MW/4 min混合型超級(jí)電容+15 MW/7.5 MWh鋰離子電池輔助機(jī)組調(diào)頻，如圖5所示。隨著混合型超級(jí)電容的逐步推廣與成本降低，逐漸出現(xiàn)了純混合型超級(jí)電容的火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目，如華能伊敏電廠采用16 MW/10 min超級(jí)電容輔助550 MW火電機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻，并且得益于超級(jí)電容優(yōu)秀的低溫性能，在最低-30 ℃環(huán)境中仍可良好運(yùn)行。目前，對(duì)超級(jí)電容在火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻領(lǐng)域的項(xiàng)目不完全統(tǒng)計(jì)如表3所示。
圖5 華能羅源電廠“鋰離子電池+超級(jí)電容”火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目
表3 超級(jí)電容火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)
目前超級(jí)電容在火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻的應(yīng)用主要集中在三方面。一是混合儲(chǔ)能功率的優(yōu)化配置，以往大多按照工程經(jīng)驗(yàn)，按照火電裝機(jī)的1.5%~3%進(jìn)行配置。為了保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和調(diào)節(jié)性能，逐漸出現(xiàn)了以混合儲(chǔ)能成本、跟蹤計(jì)劃出力準(zhǔn)確度、凈效益等為目標(biāo)的優(yōu)化配置方法。二是混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同控制，依據(jù)外部調(diào)頻指令，對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的充放電功率分配方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得不同儲(chǔ)能設(shè)備協(xié)同發(fā)揮最佳效能。分別采用巴特沃茲濾波器、小波包分解等手段進(jìn)行功率分解，或是提出最大化各個(gè)方向上的功率響應(yīng)能力的能量管理策略，以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容與鋰離子電池的協(xié)調(diào)運(yùn)行，盡可能減少蓄電池的累計(jì)充放電能量、提升整體運(yùn)行效能。三是火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻的耦合控制，以提升火電機(jī)組AGC能力為基本目標(biāo)，優(yōu)化在滿足調(diào)節(jié)性能前提下的電池壽命、機(jī)組供熱情況，以實(shí)現(xiàn)配置儲(chǔ)能后火電機(jī)組的高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
3.2.3 獨(dú)立儲(chǔ)能
除在發(fā)電側(cè)調(diào)頻運(yùn)用場(chǎng)景外，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)還在電網(wǎng)側(cè)作為獨(dú)立調(diào)頻儲(chǔ)能、有功/無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)發(fā)揮重要作用。近年來(lái)新能源裝機(jī)量的增加帶來(lái)的發(fā)電量逐年遞增，造成了電網(wǎng)頻率呈現(xiàn)越限越繁，使得電網(wǎng)安全和穩(wěn)定性受到極大挑戰(zhàn)。目前，通過采用超級(jí)電容+鋰離子電池的混合儲(chǔ)能方式，建設(shè)獨(dú)立儲(chǔ)能電站，充分發(fā)揮超級(jí)電容和鋰離子電池兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)各自的優(yōu)勢(shì)，兼顧高功率和高能量，為電網(wǎng)提供“一次、二次調(diào)頻”服務(wù)，能有效解決電網(wǎng)頻率波動(dòng)問題。該方式具有不受地理因素限制、便于集中調(diào)度以及控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，能同時(shí)滿足新能源消納和電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻需求。
目前，我國(guó)已經(jīng)于山西省偏關(guān)縣建成了全球最大獨(dú)立調(diào)頻電站，整體采用58 MW/30 s超級(jí)電容系統(tǒng)+42 MW/42 MWh鋰電池系統(tǒng)組成，成功入選2025年4月國(guó)家發(fā)展改革委《綠色低碳先進(jìn)技術(shù)示范項(xiàng)目清單(第二批)》名單。該項(xiàng)目通過快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高頻次對(duì)電網(wǎng)小頻率波動(dòng)的充分調(diào)節(jié)，保持了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，可為20倍于自身規(guī)模的新能源發(fā)電消納提供調(diào)頻支撐，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。
圖6 山西省偏關(guān)縣超級(jí)電容獨(dú)立儲(chǔ)能調(diào)頻電站
此外，在新能源滲透率高、電網(wǎng)薄弱地區(qū)，需要具備“理想”同步電壓源的構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能裝置，通過在其儲(chǔ)能系統(tǒng)中采用超級(jí)電容，可以借助其高功率特征，使構(gòu)網(wǎng)的系統(tǒng)支撐能力更強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定能力更強(qiáng)、系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度更快、系統(tǒng)黑啟動(dòng)更快。國(guó)家能源集團(tuán)寧東混合儲(chǔ)能示范工程，通過采用“超級(jí)電容+鋰離子電池”的混合儲(chǔ)能方式，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)滿足調(diào)峰、調(diào)頻、構(gòu)網(wǎng)等多應(yīng)用場(chǎng)景下的混合儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究與示范工程成功投運(yùn)，驗(yàn)證了不同儲(chǔ)能本體混合構(gòu)網(wǎng)的可行性，其中超級(jí)電容的成功應(yīng)用及時(shí)解決了動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求，延長(zhǎng)了系統(tǒng)設(shè)備使用壽命，提升了整體收益，如圖7所示。
圖7 國(guó)能寧東“鋰電+超級(jí)電容”混合儲(chǔ)能示范工程
3.3 交通
隨著我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，以及城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程的迅速增長(zhǎng)，超級(jí)電容在交通領(lǐng)域也得到了充分的應(yīng)用。
在汽車方面，通過超級(jí)電容與鋰離子電池或鉛酸電池的搭配，可顯著延遲電池壽命，超級(jí)電容作為啟停系統(tǒng)，其高能量效率可顯著提升使用效率，降低全生命周期碳排放量。以國(guó)內(nèi)某公司開發(fā)的車載3.0 V超級(jí)電容產(chǎn)品為代表，作為12 V/24 V低壓?jiǎn)⑼ｋ娫闯晒?yīng)用于多家車企中，數(shù)量達(dá)到幾十萬(wàn)臺(tái)。同時(shí)，超級(jí)電容作為功率型器件，可在電動(dòng)汽車行駛過程中承擔(dān)大功率輸出、無(wú)規(guī)則的功率波動(dòng)等任務(wù)，延長(zhǎng)鋰離子電池使用壽命。
圖8 超級(jí)電容應(yīng)用于電動(dòng)公交
在軌道交通方面，超級(jí)電容的使用可以實(shí)現(xiàn)有軌電車的站臺(tái)快速充電、無(wú)觸網(wǎng)運(yùn)行以及降低軌道建設(shè)成本。據(jù)測(cè)算，使用超級(jí)電容的有軌電車在站臺(tái)內(nèi)僅需充電30 s，即能夠?qū)崿F(xiàn)3～5 km的運(yùn)行；此外，在地鐵列車運(yùn)行方面，超級(jí)電容憑借快速充放電能力和長(zhǎng)循環(huán)壽命，也可以承擔(dān)地鐵列車的頻繁啟停、動(dòng)能回收以及備電作用，顯著緩解電網(wǎng)波動(dòng)與能源消耗，提升列車運(yùn)行安全性。目前，超級(jí)電容已在國(guó)內(nèi)北京西郊線(圖9)、廣州海珠線、淮安有軌電車線等多條線路的列車上成功應(yīng)用，為城市公共交通的高效綠色發(fā)展提供了新的解決方案。
圖9 超級(jí)電容應(yīng)用于軌道交通 (北京西郊線)
3.4 其他場(chǎng)景
除以上典型應(yīng)用場(chǎng)景外，超級(jí)電容還在動(dòng)力機(jī)械、數(shù)據(jù)中心、電力設(shè)備等多個(gè)場(chǎng)景下有廣泛應(yīng)用。
在動(dòng)力機(jī)械方面，以港口吊機(jī)為例(圖10)，通過采用超級(jí)電容系統(tǒng)替代傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組，用作設(shè)備離網(wǎng)工作和設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)電源，能有效解決柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷能力不足、長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行帶來(lái)的效率低、磨損率高、污染重和噪聲大等問題。同時(shí)，超級(jí)電容系統(tǒng)可以高效回收貨物高差勢(shì)能，起到節(jié)能增效的效果。以深圳蛇口港吊機(jī)改裝為例，吊機(jī)設(shè)備每年可節(jié)約電能10萬(wàn)度以上。
圖10 超級(jí)電容應(yīng)用于港口吊機(jī)
在數(shù)據(jù)中心方面，隨著以ChatGPT、DeepSeek為代表的AI模型大規(guī)模應(yīng)用，其背后的通算中心(傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心)已逐漸無(wú)法滿足日益增加的算力需求，支持更大規(guī)模數(shù)據(jù)處理的智算中心(AIDC)應(yīng)運(yùn)而生，峰值功率也明顯增加，使得備電系統(tǒng)務(wù)必滿足高功率、瞬時(shí)響應(yīng)的需求。超級(jí)電容能瞬時(shí)補(bǔ)償電源波動(dòng)，起到“削峰”作用，保護(hù)電路和設(shè)備，維持電壓穩(wěn)定。其次，在面臨突發(fā)停電時(shí)，超級(jí)電容可作為一級(jí)備電，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)供電，避免了服務(wù)器因供電延遲導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，也在UPS電池對(duì)系統(tǒng)的后續(xù)供電作出有效承接。目前，以日本武藏(MUSASHI)為代表的超級(jí)電容廠商，已成功將鋰離子電容器產(chǎn)品應(yīng)用于英偉達(dá)AIDC備電系統(tǒng)中，如圖11所示，展現(xiàn)出相比于鋰離子電池而言獨(dú)特的功率性能優(yōu)勢(shì)。
圖11 超級(jí)電容應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心
在電力設(shè)備方面，電力裝備企業(yè)成功將超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于靜止同步調(diào)相機(jī)中，以進(jìn)一步解決暫態(tài)電壓穩(wěn)定和支撐問題。相比于傳統(tǒng)分布式調(diào)相機(jī)面臨的生產(chǎn)制造周期長(zhǎng)和全生命周期成本相對(duì)較高等問題，由超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)組成的靜止同步調(diào)相機(jī)，具備高慣量、高阻尼、強(qiáng)支撐、低運(yùn)維以及參數(shù)靈活的優(yōu)勢(shì)，能快速響應(yīng)系統(tǒng)變化，提高暫態(tài)支撐能力以支撐電網(wǎng)，提高抗擾動(dòng)能力；同時(shí)，投資更低，在取代傳統(tǒng)調(diào)相機(jī)方面取得了非常好的效果和進(jìn)展。目前世界首套靜止同步調(diào)相機(jī)已于吉林成功投入運(yùn)行，如圖12所示。
圖12 超級(jí)電容應(yīng)用于靜止同步調(diào)相機(jī)
4 結(jié)論與展望
本文綜述了超級(jí)電容的產(chǎn)業(yè)化研究與應(yīng)用，指出其作為功率型儲(chǔ)能器件，具有高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、寬溫域工作、本質(zhì)安全等優(yōu)勢(shì)，分類包括雙電層和混合型等。雙電層超級(jí)電容聚焦電極材料、電解液及工藝研究，存在高壓工況界面穩(wěn)定性等問題；混合型超級(jí)電容則通過優(yōu)化電極材料提升能量密度，功率密度有一定降低。超級(jí)電容應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，可在風(fēng)電變槳系統(tǒng)中替代鉛酸電池，在電力系統(tǒng)中用于新能源配儲(chǔ)、火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻、獨(dú)立儲(chǔ)能等，交通領(lǐng)域則用于汽車啟停和軌道交通，還在動(dòng)力機(jī)械、數(shù)據(jù)中心、電力設(shè)備等場(chǎng)景有廣泛應(yīng)用。然而，目前超級(jí)電容存在能量密度、全壽命周期成本、應(yīng)用場(chǎng)景等方面的瓶頸，制約了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。未來(lái)超級(jí)電容的研究與發(fā)展重點(diǎn)或?qū)⒃谟谝韵聨讉€(gè)方面：
（1）開發(fā)新型材料體系，提升能量密度、降低內(nèi)阻，減少全壽命周期度電成本。在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，具有高比表面積的活性炭材料仍然是超級(jí)電容產(chǎn)品的主要電極材料，因此需要開發(fā)出具有適度介孔特性、高容量且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的碳材料，充分發(fā)揮碳材料的孔容量，提高超級(jí)電容產(chǎn)品的能量密度。同時(shí)，在當(dāng)前以能量為主的電力市場(chǎng)中，超級(jí)電容需持續(xù)降低成本、提高循環(huán)壽命，將全壽命周期度電成本降低至鋰離子電池典型值以下，以在與鋰離子電池儲(chǔ)能的競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)。
（2）推動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景多元化，結(jié)合場(chǎng)景開發(fā)差異化產(chǎn)品。如在風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)提升能量密度，減少模組體積；在火儲(chǔ)聯(lián)合調(diào)頻場(chǎng)景，開發(fā)5~15 min量級(jí)的低成本、長(zhǎng)壽命產(chǎn)品，以匹配火電AGC調(diào)節(jié)需求，并應(yīng)對(duì)隨著磷酸鐵鋰電池、鈦酸鋰電池成本降低、壽命提升所帶來(lái)的挑戰(zhàn)；在獨(dú)立儲(chǔ)能場(chǎng)景，跟隨電力市場(chǎng)建設(shè)步伐，以電力輔助服務(wù)市場(chǎng)為核心收益方式，針對(duì)性開發(fā)適應(yīng)一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、備用等時(shí)間尺度的產(chǎn)品。
（3）推動(dòng)“超級(jí)電容+”混合儲(chǔ)能模式創(chuàng)新。作為典型的功率型儲(chǔ)能器件，與鋰離子電池等能量型儲(chǔ)能聯(lián)合使用，構(gòu)成“混合儲(chǔ)能”模式，可顯著降低系統(tǒng)成本、提升系統(tǒng)壽命。一是對(duì)混合儲(chǔ)能本體進(jìn)行拓展，結(jié)合液流電池、重力儲(chǔ)能等瞬時(shí)功率特性較差的儲(chǔ)能形式，提升其功率調(diào)節(jié)能力；二是精細(xì)化混合儲(chǔ)能配置方案，結(jié)合混合儲(chǔ)能目的優(yōu)化超級(jí)電容與其他儲(chǔ)能形式的配置比例；三是混合儲(chǔ)能智能調(diào)控，在調(diào)節(jié)過程中引入人工智能預(yù)測(cè)等先進(jìn)控制方法，提升混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制水平。
