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摘 要 我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型背景下，新型電力系統(tǒng)對儲能器件“快速響應(yīng)-高頻調(diào)節(jié)-本質(zhì)安全”的需求日益凸顯，超級電容作為典型功率型儲能器件，因高功率密度、長循環(huán)壽命、寬溫域工作能力及無枝晶生長導(dǎo)致的安全隱患等優(yōu)勢，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)用進展。在單體研發(fā)方面，從雙電層超級電容和混合型超級電容兩類型出發(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，論述超級電容在風機變槳系統(tǒng)、新能源配儲、火儲聯(lián)合調(diào)頻、獨立儲能、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用，并簡述了如吊機等動力機械動能回收、數(shù)據(jù)中心后備電源、電力設(shè)備等其他場景的應(yīng)用情況。最后，分析超級電容目前在能量密度、全壽命周期成本、應(yīng)用場景等方面存在的瓶頸，判斷未來研究重點將集中在開發(fā)新型材料體系、推動應(yīng)用場景多元化以及“超級電容+”混合儲能模式創(chuàng)新等三方面，需要通過體系與場景創(chuàng)新，以差異化的產(chǎn)品支撐超級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 超級電容；新型電力系統(tǒng)；儲能系統(tǒng)；發(fā)展趨勢
隨著我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，新型電力系統(tǒng)對儲能器件的“快速響應(yīng)-高頻調(diào)節(jié)-本質(zhì)安全”需求日益凸顯。超級電容作為典型的功率型儲能器件，因其功率密度較高、循環(huán)壽命長、寬溫域工作能力等優(yōu)點，正日益受到人們更多的關(guān)注，成為風電變槳后備電源、電源側(cè)輔助調(diào)頻、電網(wǎng)側(cè)輔助調(diào)頻、數(shù)據(jù)中心瞬時備電等多種不同場景的優(yōu)選方案。
本文從超級電容技術(shù)體系出發(fā)，系統(tǒng)梳理了其研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進展、應(yīng)用場景及典型模式，同時對超級電容的現(xiàn)存不足與發(fā)展方向展開深入分析，以期推動新型超級電容在新型電力系統(tǒng)建設(shè)進程中實現(xiàn)更廣泛的商業(yè)化應(yīng)用。
1 超級電容概述
超級電容(super capacitor)是一種電化學(xué)儲能器件，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)來儲存電能的新型儲能器件。其至少有一個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)形成的贗電容實現(xiàn)儲能，在恒流充電或放電過程中的時間與電壓的關(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區(qū)。
雖然超級電容能量密度只有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)出了獨特技術(shù)優(yōu)勢。超級電容的核心優(yōu)勢體現(xiàn)在超高功率密度與快速響應(yīng)特性，且循環(huán)壽命可突破百萬次。這種高功率脈沖輸出能力使其在短時間大功率需求場景中具備不可替代性。同時，超級電容工作溫度范圍可擴展至-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/脫附機制，也避免了電化學(xué)電池枝晶生長風險，從根本上消除了內(nèi)部短路及熱失控等安全隱患。
超級電容可根據(jù)電極、原理、電解質(zhì)、功率密度分類，如圖1所示。在超級電容研發(fā)中，一般通過原理將超級電容分為雙電層超級電容和混合型超級電容。
圖1 超級電容分類
2 超級電容單體研發(fā)進展
2.1 雙電層超級電容
雙電層超級電容(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儲能的一類超級電容，無法拉第反應(yīng)，在恒流充放電過程中其電壓與時間的關(guān)系曲線近似于線性，最低可放電至0 V。其在儲能原理上是高度可逆的，因此充放電壽命可達100萬次以上，日歷壽命可達15年以上，且可在大電流下實現(xiàn)快速充放電，其原理如圖2所示。
圖2 雙電層超級電容器組成部件示意圖
目前，對雙電層超級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)機制；干法電極工藝、無溶劑制備技術(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。
雙電層超級電容具有功率大、壽命長、能量小的特征，在功率特性方面通常用于大電流場合，時長往往處于10~15 s級別。但是由于能量密度(3~10 Wh/kg)限制，往往用于風機變槳、脈沖電源等小型場景；用于儲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)合場景合理搭配使用。近年來，在山西等電力市場建設(shè)較為前沿的地區(qū)，也逐步出現(xiàn)了以雙電層超級電容為主體的百兆瓦級電網(wǎng)側(cè)獨立儲能電站，其主要盈利來自調(diào)頻輔助服務(wù)。目前已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的雙電層超級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 已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的雙電層超級電容器主要參數(shù)
2.2 混合型超級電容
混合型超級電容(hybrid super capacitor)是一極雙電層、另一極非完全雙電層的不對稱型超級電容。電池型超級電容(battery-type super capacitor)是正、負極均為非完全雙電層的超級電容。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進一步提升能量密度，因此一般將混合型超級電容和電池型超級電容統(tǒng)稱為“混合型超級電容”。同時，現(xiàn)有混合型超級電容大多借鑒了鋰離子電池的材料體系，因此也被稱為“鋰離子超級電容”。
從廣義上講，混合型超級電容可以進一步分為內(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，負極為Li4Ti5O12或石墨等。嚴格意義上的混合型超級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電容改進為在鋰離子電池正極或者負極中混入活性炭，可認為是雙電層電容(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。目前已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的混合型超級電容器技術(shù)路線較為多樣，與EDLC相比主要優(yōu)勢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 已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的混合型超級電容器主要參數(shù)
3 超級電容集成應(yīng)用進展
超級電容作為典型的儲能單體器件，電芯單獨使用的場景較為受限，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)用場景多樣，包括風機變槳系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、交通與其他場景等。
3.1 風機變槳系統(tǒng)
變槳系統(tǒng)作為風電機組的核心部件之一，如圖3所示，其與變頻控制系統(tǒng)相結(jié)合，可以有效提高風力發(fā)電機組的發(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、維護成本偏高等問題。超級電容作為一種新型儲能器件，可以解決鉛酸電池存在的問題，并可實現(xiàn)全生命周期免維護，有助于提高風電機組安全性和運行效率、降低運維成本。
圖3 風機變槳系統(tǒng)示意圖
超級電容在風機變槳系統(tǒng)中的應(yīng)用可分為如下幾個階段：2003—2005年，雙電層超級電容逐步成熟、生產(chǎn)成本下降，開始進入工業(yè)領(lǐng)域試點運行；2005—2008年，全球主流風機制造商在新型風機設(shè)計中引入電動變槳系統(tǒng)，并測試雙電層超級電容作為后備電源的可行性；2010年后，隨著海上風電和低風速地區(qū)開發(fā)的加速，雙電層超級電容的優(yōu)勢被廣泛認可，逐步成為變槳系統(tǒng)后備電源的主流選擇。
近年來，風電機組逐步邁向大型化，葉片長度變長，變槳所需要的能量也隨之加大。雙電層超級電容產(chǎn)品因能量密度瓶頸，造成變槳系統(tǒng)體積增大、成本升高、維護性變差，越發(fā)難以適應(yīng)在超大型風電機組上的應(yīng)用。混合型超級電容可在兼顧倍率特性的同時，更大幅度提升能量密度，因此已逐步在新型海上風電項目中開展應(yīng)用測試，有望未來為超大型風電機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，帶來了愈加頻繁的負荷隨機波動性，也進一步加劇了電網(wǎng)頻率波動。在發(fā)電側(cè)，以風電、光伏為代表的可再生能源發(fā)電機組出力存在著嚴重的間歇性、波動性和隨機性等問題，給電力系統(tǒng)在安全可靠性、靈活性等多方面帶來更多的風險。具有典型功率型儲能特征的超級電容，其具有的高功率、長壽命、高安全，能精準滿足新型電力系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)對短時、高功率峰值脈沖、高安全的需求，展現(xiàn)出超級電容在新型電力系統(tǒng)應(yīng)用中不可或缺的獨特作用。
3.2.1 新能源配儲
隨著近年風電裝機量大幅增長，其自身波動性和隨機性對并網(wǎng)的沖擊和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行逐漸成為制約風電發(fā)展的關(guān)鍵問題。同時，風電消納能力不足和棄風現(xiàn)象趨勢抬頭所造成的資源浪費和企業(yè)經(jīng)濟損失，也制約了風力發(fā)電的進一步應(yīng)用。針對以上問題，隨著儲能技術(shù)的提升和成本的降低，在風力發(fā)電側(cè)形成“一機一儲”已展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。
圖4 風電“一機一儲”典型方案
大規(guī)模風電并網(wǎng)，會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生電壓波動、電壓電流波形畸變以及閃變等電能質(zhì)量問題，若采用降低風電場并網(wǎng)容量方式保證電能質(zhì)量，將會帶來風電穿透功率降低的問題。因此，需采用能提供功率補償?shù)膬δ芟到y(tǒng)，通過毫秒級響應(yīng)來實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)能力。超級電容憑借其高功率密度和快速充放電能力，首先，能在風速變化導(dǎo)致風機輸出功率波動時，迅速充放電，將功率波動控制在一定范圍內(nèi)，使風機輸出功率更加平穩(wěn)，減少對電網(wǎng)的沖擊。超級電容能夠基于大功率特性為風電機組提供額外虛擬慣量，使風電系統(tǒng)在接入電網(wǎng)時更加平滑，減少新能源發(fā)電的隨機性、間歇性、波動性給電網(wǎng)帶來的沖擊，增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性。最后，超級電容可以通過快速充放電，調(diào)節(jié)直流母線電壓，進而影響風機輸出的有功功率和無功功率，參與電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)，提高電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。
目前我國已有多個“一機一儲”項目示范。例如在廣東陽江雷平風電場的“一機一儲”項目中，采用100 kW/15 s超級電容+100 kW/200 kWh鋰電池的混合儲能系統(tǒng)，能有效抑制風機輸出功率波動，并且在電網(wǎng)頻率出現(xiàn)偏差時，超級電容可以快速響應(yīng)，提供或吸收功率，幫助電網(wǎng)恢復(fù)到額定頻率。四川會東龍海風電場的“一機一儲”項目中，600 kW/7.77 kWh超級電容儲能系統(tǒng)與4.8 MW/9.6 MWh鋰電池儲能系統(tǒng)配合，可實現(xiàn)一次調(diào)頻、AGC等功能。
3.2.2 火儲聯(lián)合調(diào)頻
我國當前調(diào)頻任務(wù)主要由火電、水電等承擔，其中水電存在地域限制、并受豐水期和枯水期影響；更通用的火電機組，因其轉(zhuǎn)動慣性大的原因，也存在機組調(diào)頻響應(yīng)速度慢、控制精度低、參與調(diào)頻損害機組壽命等問題。超級電容作為典型的功率型儲能產(chǎn)品，與鋰離子電池相比，其更高的功率特性、更長的循環(huán)壽命以及更優(yōu)異的安全特性，使其更能滿足調(diào)頻場景的應(yīng)用。
現(xiàn)階段已實施項目中，儲能系統(tǒng)主要采用“鋰離子電池+超級電容”的混合儲能模式，既能發(fā)揮超級電容快速響應(yīng)優(yōu)勢，又能極大延長鋰離子電池的使用壽命，降低系統(tǒng)整體的使用和維護成本。在系統(tǒng)參與調(diào)頻過程中，超級電容與鋰離子電池互為補充，秒級的指令全部由超級電容響應(yīng)，分鐘級以上的指令則由超級電容和鋰電池共同響應(yīng)，顯著提升儲能調(diào)頻系統(tǒng)綜合性能。典型項目如華能羅源電廠，采用5 MW/4 min混合型超級電容+15 MW/7.5 MWh鋰離子電池輔助機組調(diào)頻，如圖5所示。隨著混合型超級電容的逐步推廣與成本降低，逐漸出現(xiàn)了純混合型超級電容的火儲聯(lián)合調(diào)頻項目，如華能伊敏電廠采用16 MW/10 min超級電容輔助550 MW火電機組進行調(diào)頻，并且得益于超級電容優(yōu)秀的低溫性能，在最低-30 ℃環(huán)境中仍可良好運行。目前，對超級電容在火儲聯(lián)合調(diào)頻領(lǐng)域的項目不完全統(tǒng)計如表3所示。
圖5 華能羅源電廠“鋰離子電池+超級電容”火儲聯(lián)合調(diào)頻項目
表3 超級電容火儲聯(lián)合調(diào)頻項目統(tǒng)計
目前超級電容在火儲聯(lián)合調(diào)頻的應(yīng)用主要集中在三方面。一是混合儲能功率的優(yōu)化配置，以往大多按照工程經(jīng)驗，按照火電裝機的1.5%~3%進行配置。為了保證儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性和調(diào)節(jié)性能，逐漸出現(xiàn)了以混合儲能成本、跟蹤計劃出力準確度、凈效益等為目標的優(yōu)化配置方法。二是混合儲能系統(tǒng)的協(xié)同控制，依據(jù)外部調(diào)頻指令，對混合儲能系統(tǒng)內(nèi)部的充放電功率分配方案進行優(yōu)化設(shè)計，使得不同儲能設(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行功率分解，或是提出最大化各個方向上的功率響應(yīng)能力的能量管理策略，以實現(xiàn)超級電容與鋰離子電池的協(xié)調(diào)運行，盡可能減少蓄電池的累計充放電能量、提升整體運行效能。三是火儲聯(lián)合調(diào)頻的耦合控制，以提升火電機組AGC能力為基本目標，優(yōu)化在滿足調(diào)節(jié)性能前提下的電池壽命、機組供熱情況，以實現(xiàn)配置儲能后火電機組的高效經(jīng)濟運行。
3.2.3 獨立儲能
除在發(fā)電側(cè)調(diào)頻運用場景外，超級電容儲能系統(tǒng)還在電網(wǎng)側(cè)作為獨立調(diào)頻儲能、有功/無功補償系統(tǒng)發(fā)揮重要作用。近年來新能源裝機量的增加帶來的發(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，通過采用超級電容+鋰離子電池的混合儲能方式，建設(shè)獨立儲能電站，充分發(fā)揮超級電容和鋰離子電池兩種儲能系統(tǒng)各自的優(yōu)勢，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)度以及控制簡單等優(yōu)勢，能同時滿足新能源消納和電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻需求。
目前，我國已經(jīng)于山西省偏關(guān)縣建成了全球最大獨立調(diào)頻電站，整體采用58 MW/30 s超級電容系統(tǒng)+42 MW/42 MWh鋰電池系統(tǒng)組成，成功入選2025年4月國家發(fā)展改革委《綠色低碳先進技術(shù)示范項目清單(第二批)》名單。該項目通過快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動，實現(xiàn)高頻次對電網(wǎng)小頻率波動的充分調(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，項目現(xiàn)場如圖6所示。
圖6 山西省偏關(guān)縣超級電容獨立儲能調(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)型儲能裝置，通過在其儲能系統(tǒng)中采用超級電容，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、系統(tǒng)穩(wěn)定能力更強、系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度更快、系統(tǒng)黑啟動更快。國家能源集團寧東混合儲能示范工程，通過采用“超級電容+鋰離子電池”的混合儲能方式，實現(xiàn)了同時滿足調(diào)峰、調(diào)頻、構(gòu)網(wǎng)等多應(yīng)用場景下的混合儲能關(guān)鍵技術(shù)研究與示范工程成功投運，驗證了不同儲能本體混合構(gòu)網(wǎng)的可行性，其中超級電容的成功應(yīng)用及時解決了動態(tài)響應(yīng)需求，延長了系統(tǒng)設(shè)備使用壽命，提升了整體收益，如圖7所示。
圖7 國能寧東“鋰電+超級電容”混合儲能示范工程
3.3 交通
隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，以及城市軌道交通運營里程的迅速增長，超級電容在交通領(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。以國內(nèi)某公司開發(fā)的車載3.0 V超級電容產(chǎn)品為代表，作為12 V/24 V低壓啟停電源成功應(yīng)用于多家車企中，數(shù)量達到幾十萬臺。同時，超級電容作為功率型器件，可在電動汽車行駛過程中承擔大功率輸出、無規(guī)則的功率波動等任務(wù)，延長鋰離子電池使用壽命。
圖8 超級電容應(yīng)用于電動公交
在軌道交通方面，超級電容的使用可以實現(xiàn)有軌電車的站臺快速充電、無觸網(wǎng)運行以及降低軌道建設(shè)成本。據(jù)測算，使用超級電容的有軌電車在站臺內(nèi)僅需充電30 s，即能夠?qū)崿F(xiàn)3～5 km的運行；此外，在地鐵列車運行方面，超級電容憑借快速充放電能力和長循環(huán)壽命，也可以承擔地鐵列車的頻繁啟停、動能回收以及備電作用，顯著緩解電網(wǎng)波動與能源消耗，提升列車運行安全性。目前，超級電容已在國內(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 超級電容應(yīng)用于軌道交通 (北京西郊線)
3.4 其他場景
除以上典型應(yīng)用場景外，超級電容還在動力機械、數(shù)據(jù)中心、電力設(shè)備等多個場景下有廣泛應(yīng)用。
在動力機械方面，以港口吊機為例(圖10)，通過采用超級電容系統(tǒng)替代傳統(tǒng)柴油發(fā)電機組，用作設(shè)備離網(wǎng)工作和設(shè)備轉(zhuǎn)場電源，能有效解決柴油發(fā)電機組負荷能力不足、長期低負荷運行帶來的效率低、磨損率高、污染重和噪聲大等問題。同時，超級電容系統(tǒng)可以高效回收貨物高差勢能，起到節(jié)能增效的效果。以深圳蛇口港吊機改裝為例，吊機設(shè)備每年可節(jié)約電能10萬度以上。
圖10 超級電容應(yīng)用于港口吊機
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、瞬時響應(yīng)的需求。超級電容能瞬時補償電源波動，起到“削峰”作用，保護電路和設(shè)備，維持電壓穩(wěn)定。其次，在面臨突發(fā)停電時，超級電容可作為一級備電，實現(xiàn)毫秒級供電，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)為代表的超級電容廠商，已成功將鋰離子電容器產(chǎn)品應(yīng)用于英偉達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特的功率性能優(yōu)勢。
圖11 超級電容應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心
在電力設(shè)備方面，電力裝備企業(yè)成功將超級電容儲能系統(tǒng)應(yīng)用于靜止同步調(diào)相機中，以進一步解決暫態(tài)電壓穩(wěn)定和支撐問題。相比于傳統(tǒng)分布式調(diào)相機面臨的生產(chǎn)制造周期長和全生命周期成本相對較高等問題，由超級電容儲能系統(tǒng)組成的靜止同步調(diào)相機，具備高慣量、高阻尼、強支撐、低運維以及參數(shù)靈活的優(yōu)勢，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)，提高抗擾動能力；同時，投資更低，在取代傳統(tǒng)調(diào)相機方面取得了非常好的效果和進展。目前世界首套靜止同步調(diào)相機已于吉林成功投入運行，如圖12所示。
圖12 超級電容應(yīng)用于靜止同步調(diào)相機
4 結(jié)論與展望
本文綜述了超級電容的產(chǎn)業(yè)化研究與應(yīng)用，指出其作為功率型儲能器件，具有高功率密度、長循環(huán)壽命、寬溫域工作、本質(zhì)安全等優(yōu)勢，分類包括雙電層和混合型等。雙電層超級電容聚焦電極材料、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。超級電容應(yīng)用場景廣泛，可在風電變槳系統(tǒng)中替代鉛酸電池，在電力系統(tǒng)中用于新能源配儲、火儲聯(lián)合調(diào)頻、獨立儲能等，交通領(lǐng)域則用于汽車啟停和軌道交通，還在動力機械、數(shù)據(jù)中心、電力設(shè)備等場景有廣泛應(yīng)用。然而，目前超級電容存在能量密度、全壽命周期成本、應(yīng)用場景等方面的瓶頸，制約了其進一步的推廣應(yīng)用。未來超級電容的研究與發(fā)展重點或?qū)⒃谟谝韵聨讉€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。在未來相當長的一段時間內(nèi)，具有高比表面積的活性炭材料仍然是超級電容產(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，提高超級電容產(chǎn)品的能量密度。同時，在當前以能量為主的電力市場中，超級電容需持續(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能的競爭中取得優(yōu)勢。
（2）推動應(yīng)用場景多元化，結(jié)合場景開發(fā)差異化產(chǎn)品。如在風機變槳系統(tǒng)提升能量密度，減少模組體積；在火儲聯(lián)合調(diào)頻場景，開發(fā)5~15 min量級的低成本、長壽命產(chǎn)品，以匹配火電AGC調(diào)節(jié)需求，并應(yīng)對隨著磷酸鐵鋰電池、鈦酸鋰電池成本降低、壽命提升所帶來的挑戰(zhàn)；在獨立儲能場景，跟隨電力市場建設(shè)步伐，以電力輔助服務(wù)市場為核心收益方式，針對性開發(fā)適應(yīng)一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、備用等時間尺度的產(chǎn)品。
（3）推動“超級電容+”混合儲能模式創(chuàng)新。作為典型的功率型儲能器件，與鋰離子電池等能量型儲能聯(lián)合使用，構(gòu)成“混合儲能”模式，可顯著降低系統(tǒng)成本、提升系統(tǒng)壽命。一是對混合儲能本體進行拓展，結(jié)合液流電池、重力儲能等瞬時功率特性較差的儲能形式，提升其功率調(diào)節(jié)能力；二是精細化混合儲能配置方案，結(jié)合混合儲能目的優(yōu)化超級電容與其他儲能形式的配置比例；三是混合儲能智能調(diào)控，在調(diào)節(jié)過程中引入人工智能預(yù)測等先進控制方法，提升混合儲能系統(tǒng)的控制水平。
