超级电容器在直流电源中的应用用.doc

《超级电容器在直流电源中的应用用.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超级电容器在直流电源中的应用用.doc（23页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 （ 内蒙古工业大学毕业论文 摘 要 由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越 来越严重（尤其是在大、中城市） ，人们都在研究替代内燃机的新型能源装置。 已经进行混合动力、燃料电池、化学电池产品及应用的研究与开发，取得了一 定的成效。但是由于它们固有的使用寿命短、温度特性差、化学电池污染环境、 系统复杂、造价高昂等致命弱点，一直没有很好的解决办法。而超级电容器以 其优异的特性扬长避短，可以部分或全部替代传统的化学电池用于车辆的牵引 电源和启动能源，并且具有比传统的化学电池更加广泛的用途。正因为如此， 世界各国（特别是西方发达国家）都不遗余力地对超级电容器进行研究与开发。

2、 关键词：日趋短缺 新型能源装置 超级电容器 内蒙古工业大学毕业论文 目目 录录 绪 论1 第一章 超级电容器2 1.1 超级电容器的概述.2 1.2 超级电容器的原理.2 1.3 超级电容器的特点.3 1.4 超级电容器的发展前景.4 第二章 超级电容器的应用领域6 2.1 小功率电子设备的后备电源、替换电源或主电源6 2.2 电动汽车和混合电动汽车7 2.3 可再生能源发电系统.7 2.4 变频驱动系统的能量缓冲器.7 2.5 军事装备领域.8 第三章 超级电容器的性能8 3.1 超级电容器的电极材料.8 3.2 超级电容器的充放电性能.11 3.2.1 超级电容器的充电性能.11 3.2

3、.2 超级电容器的放电性能.11 第四章超级电容器在直流电源中的应用12 4.1 直流电源的介绍12 4.2 直流电源的分类13 4.3 超级电容器应用于直流电源问题的引出14 4.4 超级电容器单独储能的直流电源系统可行性分析15 4.5 超级电容器-蓄电池混合储能直流电源 15 总结17 致谢18 参考文献19 内蒙古工业大学毕业论文 1 绪 论 在我国 ，l10kV、35kV、10kV 终端变电站以及厂用 6kV 配电系统，广泛 采用了蓄电池直流电源和硅整流电容储能直流电源作为操作、控制以及保护电 源。由蓄电池组成的直流电源，可以存储很大的电能从而实现停电时长时间的 直流供给，在一些重要

4、变电站(如 110kV 及以上级别的变电站)应用广泛。然 而有些末端站及用户站，实际上并不需要停电后长时间的直流供给，只是在分、 合闸操作时需要直流电能。考虑到要保证事故分闸的可靠性使用了蓄电池式直 流电源，必然带来很高的运营成本，设备需要经常的维护保养且使用寿命很短。 另外故障率也因其电池的多节串联而增加，任何一节电池有问题，都将影响整 个蓄电池组的正常工作，且废弃蓄电池对环境带来很大危害。由于上述设备存 在的问题，人们迫切希望有较好的办法来解决，超级电容器的出现及其具备的 优良性能为解决这一问题带来了希望。 当前，超级电容器储能技术在国内还处于前沿探索阶段，因此对超级电容 器储能及应用技术

5、开展深入的研究具有十分重要的意义，可以为解决电力系统、 可再生能源、电动汽车以及冲击性负载中出现的问题提供一个新的解决方案。 超级电容器单独储能和超级电容器与蓄电池组成混合储能系统在我国仅仅 处于理论研究与初步试用阶段，而系统的研究超级电容器直流储能单元、超级 电容器充电均压、混合储能系统模型及其实际应用设计可以为超级电容器的产 业化发展打开市场之门，意义深远。 本文课题是基于包括以上观点进行开展的，主要介绍了超级电容器的原理 以及发展前景。作为一种新型的储能系统，在直流电源中的应用将会更加广泛， 因此，论文以直流电源中存在的问题为引，介绍了超级电容器在直流电源中的 应用。 内蒙古工业大学毕业

6、论文 2 第一章 超级电容器 1.1 超级电容器的概述 超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器, 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。 超级电容器是建立在德国物理学家亥姆霍兹提出的界面双电层理论基础上的一 种全新的电容器。众所周知，插入电解质溶液中的金属电极表

7、面与液面两侧会 出现符号相反的过剩电荷，从而使相间产生电位差。那么，如果在电解液中同 时插入两个电极，并在其间施加一个小于电解质溶液分解电压的电压，这时电 解液中的正、负离子在电场的作用下会迅速向两极运动，并分别在两上电极的 表面形成紧密的电荷层，即双电层。 它所形成的双电层和传统电容器中的电介质在电场作用下产生的极化电荷 相似，从而产生电容效应，紧密的双电层近似于平板电容器，但是，由于紧密 的电荷层间距比普通电容器电荷层间的距离更小得多，因而具有比普通电容器 更大的容量。 双电层电容器与铝电解电容器相比内阻较大，因此，可在无负载电阻情况 下直接充电，如果出现过电压充电的情况，双电层电容器将会

8、开路而不致损坏。 这一特点与铝电解电容器的过电压击穿不同。同时，双电层电容器与可充电电 池相比，可进行不限流充电，且充电次数可达 106 次以上，因此双电层电容不 但具有电容的特性，同时也具有电池特性，是一种介于电池和电容之间的新型 特殊元器件。 内蒙古工业大学毕业论文 3 1.2 超级电容器的原理 超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个 极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷， 在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上 形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相 之间的接触面上，以

9、正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分 布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原 电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态 （通常为 3V 以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电 解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷 被外电路泄放，电解液的界面上的电荷相应减少。由此可以看出：超级电容器 的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化 学反应的蓄电池是不同的。 1.3 超级电容器的特点 由于超级电容器的结构及工作原理使其具有如下特点： 超级电容器结构框图

10、 内蒙古工业大学毕业论文 4 1.电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极与电 解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，那么两极板的表面积越大， 则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过 1F，它的出现使普通 电容器的容量范围骤然跃升了 3554 个数量级，目前单体超级电容器的最大电容 量可达 5000F。 2.充放电寿命很长，可达 500 000 次，或 90 000 小时，而蓄电池的充放电 寿命很难超过 1 000 次， 3.可以提供很高的放电电流（如 2700F 的超级电容器额定放电电流不低于 950A，放电峰值电流可达 1680A，一般蓄电池通常不能有

11、如此高的放电电流一 些高放电电流的蓄电池在杂如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。 4.可以数十秒到书分钟内快速充电，而蓄电池再如此短的时间内充满电将 是极危险的或几乎不可能。 5.可以在很宽的温度范围内正常工作（-40+70）而蓄电池很难在高温 特别是低温环境下工作。 6.超级电容器用的材料是安全的和无毒的，而铅酸蓄电池、镍镉蓄电池军 具有毒性。 7.等效串联电阻 ESR 相对常规电容器大（10F/2.5V 的 ESR 为 110m）。 8.可以任意并联使用一增加电容量，如采取均压后，还可以串联使用 1.4 超级电容器的发展前景 从结构上看，超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、端板、引线和

12、封装 材料组成，其中电极、电解质和隔膜的组成和质量对超级电容器的性能起着决 定性的影响，采用何种电极板和电解质材料将基本决定最终产品的类型与特性。 内蒙古工业大学毕业论文 5 2007 年 1 月 16 日，美国得克萨斯州一家研制电动汽车储能装置，名为 EEStor 的公司打破沉默，对外宣告了他们“里程碑”式的成果：他们的自动生产 线已经由独立的第三方分析验收，其产品的关键物质钡钛酸盐粉末已经完成了 最初的纯化，纯度达到了 99.9994%。 这一技术一旦进入成熟的工业生产，他们所研制的新型超级电容器动力系 统将替代包括从电动汽车到笔记本电脑的一切电化学电池。按照 2006 年 4 月发 表的

13、专利，EEStor 这种能量存储装置是用陶瓷粉末涂在铝氧化物和玻璃的表面。 从技术上说，它并不是电池，而是一种超级电容器，它在 5 分钟内充的电能可 以让一个 电动车走 500 英里，电费只有 9 美元。而烧汽油的内燃机车走相同里 程则要花费 60 美元。 与传统的电化学电池相比，超级电容器有很多好处。它可以无限制地接受 无数次放电和充电，超级电容器没有“记忆”。但是，一般的超级电容器也有 其弱点，就是能量存储率有限，市场上的高端超级电容器每 0.4536 千克的存储 能量只有锂电池的 1/25。 而 EEStor 开发的超级电容器，由于钡钛酸盐有足够的纯度，存储能量的能 力大大提高。EESt

14、or 公司负责人声称，该超级电容器每公斤所存储的能量可达 0.28 千瓦时，相比之下，每公斤锂电池是 0.12 千瓦时，铅酸电池只有 0.032 千 瓦时，这就让超级电容器有了可用在从电动车、起搏器到现代化武器等多种领 域的可能。好的铅酸电池能充电 500700 次，而根据 EEStor 的声明，新的超 级电容器可反复充电 100 万次以上，也不会出现材料降解问题。而且，由于它 不是化学电池，而是一种固体状态的能量储存系统，不会出现锂电池那种过热 甚至爆炸的危险，没有安全隐患。 这一发明的意义相当重大，该突破不仅从根本上改变了电动车在交通运输 中的位置，也将改进诸如风能、太阳能等间歇性能源的利

15、用性能，增进了电网 的效率和稳定性，满足人们能源安全的需求，减少对石油的依赖。显然，该突 破也对下一代锂电池的研制者造成威胁。EEStor 公司负责人暗示，他们的技术 不仅适用于小型旅客电动车，还可能取代 220500 瓦的大型汽车。 内蒙古工业大学毕业论文 6 第二章第二章 超级电容器的应用领域超级电容器的应用领域 超级电容器具有更高的功率密度和循环寿命，特别适合应用于需要高功率 输出的环境。例如应用超级电容器可以满足汽车在加速、启动、爬坡时的高功 率要求；或作为燃料电池的启动动力、移动通讯和计算机系统的后备电源等。 电化学能量储存可用于需要高能量密度的领域，例如：电机、数字通讯系统和 为电

16、脑提高脉冲能量等。具有电池和电容器的性质，可用超级电容器调节能量 值。与普通的电容器相比，超级电容器具有较小的尺寸，因此，它拥有不同寻 常的储存大量电能的能力。此性质对于混合工具上的自动化应用程序、电池电 子工具的后备能源、风力涡轮机的电子能量应用程序有重大意义。然而由于人 多数超级f乜容器都使用有机电解液，造成单位电容的价格很高，最初只应用于 军事领域，作潜艇或坦克发动机的启动动力。近年来电极材料的比电容不断提 高，超级电容器逐渐走向民用。但是提高现有电极材料的比电容，研制在水相 电解液中具有高能跫密度的超级电容器依然是研究者面临的挑战。只有攻克这 一瓶颈问题，超级电容器才有可能在能最储存领

17、域占有不可或缺的位置。 2.1 小功率电子设备的后备电源、替换电源或主电源 1. 后备电源。 当主电源中断、由于振动产生接触不良或由于其他重载引起系统电压降低 时，超级电容器就能够起后备电源作用。其电量通常在微安或毫安级。典型的 应用有：录像机、TV 卫星接收器、汽车音频系统、出租车的计量器、无线电波 接收器、出租计费器、闹钟、控制器、家用面包机、咖啡机、照相机和电视机、 计数器、移动电话、寻呼机等。 2. 替换电源。 由于超级电容器具有高充放电次数、寿命长、使用温度范围宽、循环效率 内蒙古工业大学毕业论文 7 高以及低自放电的特点，故很适合做替换电源。例如，白天太阳能提供电源并 对超级电容器

18、充电，晚上则由超级电容器提供电源。典型的应用有太阳能手表、 路标灯、公共汽车停车站时间表灯、交通信号灯等，它们能长时间使用，不需 要任何维护。 3. 主电源。 通过一个或几个超级电容器释放持续几毫秒到几秒的大电流。放电之后， 超级电容器再由低功率的电源充电。其典型的应用有玩具车，其体积小、重量 轻，能很快跑动。 2.2 电动汽车和混合电动汽车 电动汽车的动力源有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及燃料电池等。 普通电池虽然能量密度高，行驶里程长，但是存在充电时间长、无法大电流充 电、工作寿命短等不足。与之相比，超级电容器功率大，充电速度快，输出功 率大，刹车再生能量回收效率高。由于超级电容器的寿

19、命是普通化学电池的 100 倍以上且彻底免维护，使用超级电容器作为动力源的城市交通电动汽车综 合运营成本大大低于采用电池作为动力源的电动汽车。目前世界各国都在开发 电动汽车，主要倾向是开发混合电动汽车（HEV） ，用电池为电动汽车的正常运 行提供能量，而加速和爬坡时可以由超级电容器来补充能量。另外，用超大容 量电容器存储制动时产生的再生能量。在电动车辆行驶时，起步快，加速快， 爬坡能力强。 2.3 可再生能源发电系统 在可再生能源发电或分布式电力系统中，发电设备的输出功率具有不稳定 性和不可预测性的特点。采用超级电容器储能，可以充分发挥其功率密度大、 循环寿命长、储能密度高、无需维护等优点，既

20、可以单独储能，也可以与其他 储能装置混合储能。超级电容器与太阳能电池相结合，可以应用于路灯、交通 警示牌、交通标志灯等。超级电容器还应用于风力发电、燃料电池等分布式发 电系统，可以对系统起到瞬间功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用 电源，以提高供电的稳定性和可靠性。 内蒙古工业大学毕业论文 8 2.4 变频驱动系统的能量缓冲器 超级电容器与功率变换器构成能量的缓冲器，可以用于电梯等变频驱动系 统。当电梯上升时，能量缓冲器向驱动系统中的直流母线供电，提供电机所需 的峰值功率；在电梯减速下降过程中，吸收电机通过变频器向直流母线回馈的 能量。 2.5 军事装备领域 军用装备，尤其是野战装备，大

21、多不能直接由公共电网供电，而需要配置 发电设备及储能装置。军用装备对储能单元的要求是可靠、轻便、隐蔽性强。 采用超级电容器与蓄电池混合储能，可以大幅度减轻电台等背负设备的重量； 为军用运输车、坦克车、装甲车等解决车辆低温启动困难的问题，还可提升车 辆的动力性和隐蔽性；解决常规潜艇中蓄电池失效快、寿命短的问题；还可以 为雷达、通信及电子对抗系统等提供峰值功率，以减小主供电电源的功率等级。 第三章第三章 超级电容器的性能超级电容器的性能 3.1 超级电容器的电极材料 目前应用于超级电容器的电极材料有3种：炭基材料、金属氧化物材料和导电 聚合物材料。炭基材料电化学电容器能量储存的机理主要是靠炭表面附

22、近形成 的双电层，因此通常称为双电层电容。而金属氧化物和导电聚合物主要靠氧化 还原反应产生的赝电容：在这里，我们主要介绍炭基材料及金属氧化物材料。 1. 炭基电极材料 炭材料具有粉末、块状、纤维状、布、毡等多种形态，具有以下独特的物理和 化 学性质，包括： (1)高电化学导电性 (2)高比表面积(3000 m2g-1) 内蒙古工业大学毕业论文 9 (3)很好的防腐性能 (4)高热稳定性 (5)可控的孔结构 (6)可调的表面化学性质 (7)复合材料具有兼容性且易加工 (8)廉价易得 因为具有以上多种形态及特点，炭材料被广泛的用作超级电容器的电极材 料。炭材料能在不同的溶液中(从强酸到强碱)保持化

23、学性质的稳定，并且能在 较宽的温度范围下工作。通常电容值正比于电极材料的电化学活性面积和电解 液的相对介电常数，而与所形成的双电层厚度成反比。理论上，多孔炭材料的 比表面积越大，比电容越高。炭材料的多孔结构决定了离子的传输，且孔道内 电解液离子的迁移率和EDLC的性能密切相关。研究发现炭材料的电化学导电 性严重影响电化学双电层电容器的厚度。由炭材料表面上的官能团决定的炭材 料的表面湿度是影响电容器性能的另一个因素。在这些因素中，最重要的就是 要达到比表面积积和直径分布的一个平衡点。 1. 活性炭粉末 通常认为比表面积越大，在电极和电解液表面积累电压的能力就越高。众所 周知，微孔(2 nm)在形

24、成电化学双电层的过程中起到很重要的吸附作用。然而， 微孔对于电解液离子来说必须具有电化学兼容性，所以中孔的出现(2 nmd50 nm)对于电荷在大范围电极材料上的传播起到重要的作用。因此，孔道的可用 性和可湿性，以及适合电解液阴、阳离子传输的孔尺寸对获得良好的电容行为 至关重要l引。采用不同的炭源和活化工艺所制成的活性炭已被广泛的用于超级 电容器领域。我们很容易在文献中发现这样一个观点：BET表而积越高，电容 值越高。然而，大多数活性炭并不能完全遵循这一趋势。事实上，由于依附于 电解质离子的筛孔效应，狭窄的微孔可能对总双电层电容没有任何贡献。这一 观点与电容值证比于BET比表面积的观点相背离。

25、近期的研究发现，在水相电 解液中，比表面积仅为1300 m2g-1的炭材料其电容值可高达175 Fg-1。一般 的，在水性电解液中，活性炭的电容值为100200 F.g-1：在有机电解液中为 50150F.g-1。与有机电解液相比较，水性电解液具有更小的电解液离子和较 高的介电常数，所以在水性电解液中所获得电容值较高。然而由于有机电解液 具有较高的电位窗口，使得被存储的能量比在水性电解液中多的多，因此有机 内蒙古工业大学毕业论文 10 电解液更受青睐。为优化活性炭在有机电解液中的电容行为，必须选择一种具 有适合传输电解液离子的孔道的活性炭材料。考虑到正负离子的离子半径不同 而采用不同孔径的炭材

26、料作为电极的正极和负极。Shi的等人在乙腈(C2H5) 4N+BF4-电解液中研究发现，当正极材料的孔径小于负极材料的孔径时电容值 高而且电阻低。将电极材料对换，电容值降低而电阻值显著增大。此研究结果 清晰地证明了在离子尺寸和炭材料的孔径之间必须找到一个折衷点。 在不同电解液中研究材料的电化学行为表明：为获得高的电容值一个适合 的孔径比高的表商秋更为重要。在水性电解液和有机电解液中，达到孔道最仲 填允度的孔径分别为07 nm和O8 nm。科学家们用炭化物为炭源得到的炭材 料孔径小于1 nm，其电容值具有显著地提高。他们重点研究了在15 M的乙腈 TEBF4电解液中，炭材料的孔径对电荷储存的影响

27、。小于1 nm的扭曲孔道使得电 解液离子更容易聚集在电极表面上，与离子尺寸相近的孔径的利用率最高。 电容值除了与孔径分布有联系之外，炭电极材料的电化学电导率是电容行 为的另一个限制因素，尤其对功率密度。电导率与材料的多孔结构具有密切 的关系。一般的，孔道越多，电导率就越低。活性炭的电导率依赖于材料的类 型，电导率高达lOOmS.cm-1。因此，在电极材料中添加导电物质对其电化学行 为具有至关重要的意义。 由此可见，微孔和超微孔在离子吸附上起了重大作用，然而少量介孔的存 在有利于离子在电极材料中的快速传输。具有高比表面积、更适宜的小于1 nm 的孔径以及微孔和中孔率达到良好平衡的炭材料具有最佳电

28、容行为。 2. 介孔碳电极材料 介孔碳是一类新型的非硅基介孔材料，2nm孔径50nm,具有巨大的比表面 积（可高达2500m2/g）和孔体积（可高达2.25cm3/g） ，非常有望在催化剂载体、 储氢材料、电极材料等方面得到重要应用，因此受到人们的高度重视。此外介 孔材料制得的双电层电容材料的电荷储量高于金属氧化物粒子组装后的电容量， 更远高于市售的金属氧化物双电层电容器。 与纯介孔硅材料相比，介孔碳材料 表现出特殊的性质，有高的比表面积，高孔隙率；孔径尺寸在一定范围内可调； 介孔形状多样，孔壁组成、结构和性质可调；通过优化合成条件可以得到高热 稳定性和水热稳定性；合成简单、易操作、无生理毒性

29、。它的诱人之处还在于 其在燃料电池，分子筛，吸附，催化反应，电化学等领域的潜在应用价值。近 年来，介孔材料科学已经成为国际上跨化学、物理、材料、生物等学科交叉的 热点研究领域之一，更成为材料科学发展的一个重要里程碑。 内蒙古工业大学毕业论文 11 多孔碳材料尤其是活性炭材料由于具有比表面积大、价格低廉、化学和物 理稳定性好、导电性高、电极制备简单等优点，被广泛的用作超级电容器的电 极材料。然而，活性炭材料中的微孔占了很大的比重，这部分孔隙无法被电解 质离子润湿形成有效双电层，从而降低了碳材料的有效比表面积，限制了碳材 料比容量的提高。而有序介孔碳材料不仅具有高比表面积，而且孔径较大，孔 道排列

30、有序，有利于电解液离子的扩散，因此可以成为超级电容器的优良电极 材料。 Guterl等人研究发现离于实断上集中在孔径小与07 nm超微孔中，且电化 学电容器中，多数超微孔都加入了诱捕非溶剂化离子的行列。在这些模板法炭 材料中，微孔和介孔被完美的连接在一起介孔在单体硅的孔壁上形成而炭 壁上则形成微孔。在电化学极化的应用过程中，在被困在超微孔叶形成非溶剂 化离子之前，溶剂化离子很容易扩散到介孔中。然而在典型的微孔活性炭中， 这一情况却完全不同。溶剂离子要传到活性表面的通道即曲折折又漫长还有几 处瓶颈。因此，在这种情况下的极限孔径大于离子最终积累的孔径。摸板法炭 材料，尽管不易制备且成本较高，但是却

31、可以在电化学电容器充电过程中提供 孔径效应这一重要信息。 3.2 超级电容器的充放电性能 3.2.1 超级电容器的充电性能 目前,高压开关柜的操作机构大多采用CD2、CD10、CD17等型号,其合闸电流 一般在100A200A,超级电容器完全可以在短时间内提供这样大的电流,经过对 直流屏的简单改造,完全可以替代蓄电池对电磁操作机构供电.下面以直流屏 PZGN10为例,取其电路参数进行分析.电路图如图1. 其中R1浮充电流控制开关R限流电位器C超级电容器 (1.7法)因图中R1的阻值为15,功率P为100 W,选型较小,而电容器初始电压为0,内 内蒙古工业大学毕业论文 12 阻只有0.3,如果替

32、代蓄电池其初始充电电流较大,因此须在浮充电器中加一个 合适的限流电阻,开始充电时将其调至最大位置,电容器端压升高后,再把R调至 最低,保证浮充过程中电流平稳,按照以上线路对电容器进行充电,其过程按RC电 路的零状态响应进行分析计算,大约需要T=RC为15分钟左右,电容器端电压达额 定值. 3.2.2 超级电容器的放电性能 考虑直流屏的电源主要是为高压开关柜提供的,放电过程主要是通过合、分 闸线圈完成的.以CD10操作机构为例,其合闸线圈电阻为R=2.22,合闸时间=0.2 秒,蓄电池组由180节、1.2 V、20 Ah镉镍电池组成,充足电后电压可达230 V、 内阻=0.04/20180=0.

33、36.选用电容器2只220 V260 V、0.85 F的超级电容 器并联组成的电容器组,并联后内阻r=0.3,电压为230 V,为便于比较,如图2所 示,为蓄电池和电容器的放电回路。 合闸时K闭合,合闸后K断开,动作时间为0.2秒. 电磁机构合闸的动作完成, 其辅助开关K切断合线圈回路,在0.2秒内,电容器的端压和电流稍有下降,但其平 均值与蓄电池基本相同,表明:在合闸过程中,电容器能提供与蓄电池同样大的功 率和能量.由于电容器此时处在浮充状态,其充电时的能量的恢复要比蓄电池快 得多,能够及时满足下次分、合闸要求,这是电容器优于蓄电池的一个很好的性 能.从以上的分析可以看出,用超级电容器可以很

34、方便的替代直流屏蓄电池进行 分、合闸操作,在电气线路整改方面,如果充电机容量足够大,可调电位器功率满 内蒙古工业大学毕业论文 13 足要求,电气线路不必做整改,而如果上述条件不能满足要求,只需对其充电线路 中加合适的限流电阻即可用电容器替代屏中的蓄电池。 第四章超级电容器在直流电源中的应用 4.1 直流电源的介绍 直流电源中的操作直流电源是保证发电厂和变电所正常、安全运行的电源 设备亦可以用于石化、冶金、矿山、建筑及电气化铁路等需要220V（110V）直 流电源的场合。 在发电厂和变电所中，直流控制负荷和动力负荷对安全性、可靠性和运行 定性要求较高。直流控制负荷包括电气和热工系统的控制电路、信

35、号回路、保 护路、通信设备、自动装置、事故照明和某些执行机构等，直流动力负荷包括 断路器合闸的操作机构，火电厂中的汽轮机润滑油泵、发电机氢密封油泵及给 水润滑油的直流电动机等，直流电源系统，作为变电站中不可或缺的二次设备， 对发电厂变电站正常、安全运行乃至整个电力系统的稳定运行，都起着极为重 要的作用。流电源系统在电力系统中兼有控制电源和保安电源的双重作用，电 力操作直流电部分由充电模块、电池组、调压和微机监控等几部分构成。 4.2 直流电源的分类 1. 镉镍蓄电池直流电源 直流母线输出 220V电压时，一般由180只蓄电池组成。蓄电池在加工生产 中不可能做到每只电池的充放电特性完全一致，虽然

36、生产厂家在出厂时进行匹 配组合，到了用户手中就没有多少挑选的余地。在使用中用同一个充电电源， 向同一负荷放电，久而久之由于个别电池的特性差别越来越大，而影响整个装 置性能。镉镍蓄电池在运行中长期处于浮充状态，充电机性能的好坏直接影响 电池寿命。一般厂家承诺电池寿命大于l0年，但在实际运用中往往只有35年。 这是为了浮充电流如果过大 ，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，如果通风不良就有可能发生危险。过充电会使电池冒 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 内蒙古工业大学毕业论文 14 电增加。过充电还会产生氧化还原反应，在负极板上生成氧

37、化镉，减少极板有 效面积，容量减小，这就是俗称的“记忆”效应。镉镍电池有较硬的放电特性， 放电量达到80时，电压下降也不明显，因此稍有疏忽就会造成电池过放电， 导致极性反转而报废。由于直流电源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，直流电源是日常必检项目。 2. 密封铅酸蓄电池直流电源 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，无需加水，这给维护带来 很多好处 ，但同时也给观测和维护带来困难。“免维护”这一名词给使用者 带来认识上的错误，导致使用者放松对蓄电的日常维护和管理。由于阀控蓄电 池在我国问世

38、只有10年左右，至今还没有特别成熟的制造、运行经验。 2.4超级电容器在直流电源中的应用 4.3 超级电容器应用于直流电源问题的引出 我国 20 世纪 6080 年代建设的 35kV 变电站及 10kV 开关站，绝大多数 高压开关（断路器）操动机构是 CDX 型电磁操动机构。在变电站或配电站的 配电室中专门配有相应的直流系统，作为分、合闸操作、控制和保护用的直流 电源。这些直流电源设备，主要是电容储能式硅整流分合闸装置和由蓄电池组 构成的直流电源。经过多年的运行，这些变电站的直流设备主要存在充电机不 能正常运行，并且无法修复，蓄电池损坏严重等问题。由于这些问题的存在， 如果发生站内短路事故，所

39、用变电压将迅速降低，此时若蓄电池组不能提供足 够的能量跳开断路器，将发生越级跳闸事故；如果当交流供电电源停电或直流 稳压器有故障时，又不能提供足够的合闸能量。直流系统存在的这些问题已经 直接影响到变电站的安全可靠运行。 由于电容储能式硅整流分、合闸装置具有结构简单、成本低、维护量小的 特点， 因此在当时的这些末端站得到了广泛的应用，但是这些装置在实际使用 中暴露出一个致命的缺陷：事故分闸的可靠性差，其原因是使用的储能电解电 容器组的容量有限(只有几千个微法)，漏电流较大。有限的储能及较大的漏电， 使其无法在任何情况下保证事故分闸所需要的能量，由此造成的严重事故时有 发生。有些用户不得不将其换成

40、小容量的蓄电池组，其目的就是为了能保障分 闸的能量。抛开蓄电池价格昂贵、寿命有限的不足，单就从必须按规定对其进 内蒙古工业大学毕业论文 15 行维护保养才能正常工作这一点来说，就是让工作人员头疼的问题，因为这里 的蓄电池组不承担合闸任务，长时间处于备用状态，有些问题（如单个电池不 良和记忆效应等）不象蓄电池组直流电源那样从合闸操作中发现，这就要求工 作人员主动定期地对蓄电池进行维护保养。由于工作量大，实际中这些工作在 现场很难做到百分之百落实，甚至有些工作人员编造工作记录蒙混过关，因此 蓄电池组的内部状态是否正常已很难保证，如不及时发现蓄电池组中有问题的 蓄电池并进行更换，一旦供电线路出现事故

41、需迅速分闸时，就有可能提供不了 足够的能量，有可能造成更大的事故。 由蓄电池组成的直流电源，能存储很大的电能而实现停电后的长时间的直 流供给。在一些重要变、配电站(如110kV 及以上级别的变电站)这是必要的功 能，然而有些不重要的末端站及用户站，实际上并不需要停电后长时间的直流 供给。考虑到要保证事故分闸的可靠性而使用了这样的设备，然而带来的却是 很高的运营成本，经常的维护保养以及不长的使用寿命，另外故障率也因其电 池的多节串联而增加。这些问题希望有较好的办法来解决，超级电容器的出现 及其具备的优良性能为解决这一问题带来了希望。 4.4 超级电容器单独储能的直流电源系统可行性分析 在110K

42、V、35KV、10KV的中小型末端变电站以及企业内部的6KV配电系统中， 经常性负荷通常小于5A。模拟当电网失电后，由电容放电来维持直流母线电压 的试验。根据电力工程设计手册中，关于直流系统控制母线电压允许波动范围 为85110Un ，额定电压Un =220V时，控制母线电压允许波动范围为 187242V。电容维持控制母线电压实验采用耐压280V，容量0.85F的超级电容 器。控制母线电流小于2A时，将保持30s的跳合闸能力，在实际运用中，将配备 多台电容互为热备用，因而在极端的情况下，经常性负荷达4A，维持母线电压 能达数十秒，对于任何一种继电保护，其动作时间都能在数秒钟内完成，因为 留有了

43、充足的跳合闸的能量，所以说它非常可靠。这种超级电容器直流电源由 于没有蓄电池，不需要复杂的充电电路，真正实现了免维护，大大降低了人员 的劳动强度。超级电容器采用物理技术储能，对环境没有污染，循环寿命长， 节约了成本，符合国家节能减排政策。 内蒙古工业大学毕业论文 16 4.5 超级电容器-蓄电池混合储能直流电源 现在运行中的少油断路器中，大都配备的是CDX型电磁操动机构，其合闸 冲击电流高达120A以上，是变电站经常性直流负荷电流的10倍以上，在分合闸 操作时就迫使蓄电池组大电流放电，这不仅需要配备大容量的功率型蓄电池组 才能满足要求，并且对蓄电池本身造成了极大损害。抛开蓄电池组价格昂贵、 寿

44、命有限的不足，单就从必须按规定定期对其进行维护保养这一点来说，就是 让工作人员头疼的问题，而且大量的蓄电池长时间处于备用状态，造成了巨大 的人力和物力的浪费。如果仅采用超级电容器储能组成直流电源，虽满足分合 闸操作要求，但一些重要的变电站在电网停电后需要24小时的直流供给，超 级电容器的能量密度比较低，无法保证长时间的持续供电。为了解决这一问题， 采用超级电容器-蓄电池混合储能直流电源方案是最好的选择。 蓄电池与超级电容器在技术性能上具有较强的互补性，蓄电池的能量密度 大，但功率密度小，充放电效率低，循环寿命短，大功率充放电和频繁充放电 的适应性不强。而超级电容器则相反，其功率密度大，充放电效

45、率高，循环寿 命长，非常适应于大功率充放电和循环充放电的场合。二者结合起来，无疑会 大大提高储能装置的性能。 内蒙古工业大学毕业论文 17 总结 作为新兴的能量储存器件，超级电容器能够实现快速充放电，具有极高的 功率密度。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，但在能量密度方面处于劣势。论文主要完成了一下级个 部分： 1. 通过对比超级电容器与普通的蓄电池之间的差别，对超级电容器的前景 进行了分析。 2. 对现如今直流电源的问题做出了分析，从而以超级电容器弥补它的缺点。 超级电容器直流电源由于没有蓄电池，不需要复杂的充电电路，真正实现了免 维护，大大降低

46、了人员的劳动强度。超级电容器采用物理技术储能，对环境没 有污染，循环寿命长，节约了成本，符合国家节能减排政策。 3. 蓄电池组价格昂贵、寿命有限的不足，单就从必须按规定定期对其进行 维护保养这一点来说，就是让工作人员头疼的问题，而且大量的蓄电池长时间 处于备用状态，造成了巨大的人力和物力的浪费。通过超级电容器，其功率密 度大，充放电效率高，循环寿命长，非常适应于大功率充放电和循环充放电的 场合。二者结合起来，无疑会大大提高储能装置的性能，可以更加有效的改善 这一缺点。 内蒙古工业大学毕业论文 18 致谢致谢 行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学时光也即 将敲响结束的钟声。离

47、别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万 千，一种感恩之情油然而生。生我者父母。感谢生我养我，含辛茹苦的父母。 是你们，为我的学习创造了条件；是你们，一如既往的站在我的身后默默的支 持着我。没有你们就不会有我的今天。谢谢你们，我的父亲母亲！ 在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下 度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师乌岳老师，她对我进行了无私的指 导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资 料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和 指导过我的各位老师表示最中心的感谢！ 感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文

48、引用了数位学者的研究文献，如 果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。 感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在 论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。 由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友 批评和指正！ 内蒙古工业大学毕业论文 19 参考文献 1 刘建新.超级电容器在直流电源中的应用. 华东交通大学学报.2002-9-30 2 范伟. 超级电容器直流电源的研制及应用. 华北电力大学（河北）.2007- 12-28 3 胡安等. 超级电容器在直流电力系统中应用研究. 船电技术.2004，12-15 4 张慧妍，超级

49、电容器直流储能系统控制技术的研究. 中国科学院研究生院. 2006-5-23 5 刘志祥等. 千法级超级电容器的制备. 电源技术，2001-5 6 王海杰. 超级电容器在电力驱动系统中应用.电气技术.2007-8 7 李志强. 超级电容器研究及其应用.稀有金属.2003-3 8戴艳阳. 超级电容器应用设计.电源技术.2004-6 9王晓峰. 碳纳米管超级电容器的研制和应用.电源技术 2005-1 10 李海东.超级电容器模块化技术的研究. 中国科学院研究生院（电工研究 所）.2006 11冷超.超级电容器储能系统发电控制的研究. 华北电力大学（河北）.2004 内蒙古工业大学毕业论文 20 12薛洪发.超级电容器在变配电站直流系统中的应用.电气时代.2011-11