近年來，我國電力系統的“高比例可再生能源接入與高比例電力電子設備應用”特性凸顯，電力系統結構正在發生深刻變化。電源側高比例新能源的隨機性、間歇性、波動性，電網側電力電子變換器的接入，以及負荷側用電設備的隨機性、自趨利性等特點，導致系統的功率和能量平衡等問題日益突出，多時間尺度（寬頻帶）動態、低慣量、低阻尼和弱電壓支撐等特性明顯，電力系統穩定性面臨重大挑戰，亟需新型儲能技術參與維持電力系統穩定。
超級電容器作為典型的短時高頻儲能技術，具備高功率密度、長循環壽命、高安全性等特點，極其適用于新型電力系統短時高頻功率補充場景，目前已經成為新型儲能技術領域研究熱點。但是，目前與超級電容相關的綜述類文獻數量較少，現有文獻多聚焦于超級電容電極材料研發及特定場景應用技術研究兩個方面，尚無文獻系統性總結超級電容在新型電力系統短時高頻功率補充場景中的重要作用和代表性應用。
鑒于此，本文首先分析超級電容儲能技術的基本原理和特性；在此基礎上從火電調頻、電網慣量支撐、新能源場站出力波動抑制、車網互動4個方面對超級電容儲能應用關鍵技術進行梳理和分析，深入剖析超級電容在具體應用場景的適用性與技術內涵；最后對超級電容儲能在新型電力系統短時高頻功率補充場景中的應用進行總結。
1 超級電容儲能技術
1.1 超級電容器的定義與分類
超級電容器是一種新興的電化學儲能器件，其性能介于物理電容器和蓄電池之間，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形成的贗電容進行儲能，在恒流充放電過程中，時間-電壓關系曲線通常近似為線性。
超級電容器根據儲能機理可分為雙電層超級電容器、贗電容超級電容器和混合型超級電容器。雙電層超級電容器的電極材料主要由活性炭、石墨烯、碳納米管等碳材料構成，通過靜電力作用在電極/電解質界面形成雙電層進行能量存儲，即在充電過程中，陽離子和陰離子分別向負極和正極移動，在電極表面形成的緊密吸附層和在溶液一側形成的擴散層，即Helmholtz雙電層，該雙電層體系可等效為兩個串聯的平板電容器，通過物理吸附方式實現電荷的靜電存儲，雙電層超級電容器的儲能過程不涉及氧化還原反應或相變等化學變化，僅為離子的物理吸附與脫附過程。
雙電層電容器的電容量最高可達104 F級，但是其能量密度較低，儲能時長為s級。贗電容超級電容器的電極材料主要由金屬氧化物和導電聚合物構成，通過電極材料表面及近表面發生的快速、可逆的法拉第氧化還原反應進行能量存儲。與雙電層電容器僅依靠離子物理吸附存儲電荷不同，贗電容超級電容器在充放電過程中，電極活性物質與電解質中的離子發生化學反應，通過電子轉移實現電荷存儲。混合型超級電容器融合體相儲能+表層儲能新機制，一極為雙電層，另一極為不完全雙電層，兼具雙電層超級電容器和電池的特性，在保證功率密度的同時，能量密度顯著提升。
1.2 超級電容器的基本特性
超級電容器具有循環壽命長、功率密度高、充放電速度快、大電流充放電能力強、工作溫度范圍廣、安全可靠等突出特點，具體分析如下。
1）循環壽命長。雙電層超級電容器通過電解液中的正負離子移動在電極-電解液的界面形成兩個雙電層進行儲能，不涉及氧化還原反應，是可逆的物理過程，具有非常好的充放電可逆性，無“記憶效應”，深度充放電循環使用次數可達50萬次。混合型超級電容器中的鋰離子電容器，循環壽命較雙電層超級電容器低，但也可達10萬次以上。
2）功率密度高。由于超級電容器的能量存儲過程部分或全部發生在電極材料的表面，不受離子擴散速率的制約，因此可以實現能量的快速存儲和釋放，輸出功率可達10～106 W/kg。
3）充放電速度快。由于超級電容器充放電過程主要為表面物理過程，不受電化學動力學限制，通常10 s～10 min即可達到額定容量的95%以上。
4）大電流充放電能力強。超級電容器大電流能量循環效率≥90%，特別適用于短時大功率充放電應用場景。
5）工作溫度范圍廣。超級電容器可以在-40～85℃的環境溫度中正常使用，具有非常優越的低溫特性，可做到低污染和免維護。
1.3 超級電容器的典型應用場景
超級電容器在火電、新能源、交通等行業有著突出的應用優勢，已形成完整的產業鏈，在電力領域的應用逐漸增多。超級電容器在電力行業中主要應用于短時高頻的功率補充場景。
2 超級電容儲能在火電調頻領域的應用
在“雙碳”目標驅動下，我國新能源裝機規模大幅增長。傳統火電機組難以滿足日益增長的調頻需求，且機組頻繁變換功率運行會加重機組設備疲勞和磨損，影響機組運行壽命。通過配置儲能輔助火電機組調頻，已成為提升火電機組綜合電力調頻性能的重要技術路徑。
儲能耦合火電機組調頻技術是一種通過儲能與火電機組協同出力實現靈活快速響應調頻指令的技術。利用儲能系統可快速調節輸出功率的能力，通過靈活調整儲能出力補充電網調頻指令與機組輸出功率之間的差值來維持電力系統頻率穩定，從而在電網頻率波動發生初期起到頻率支撐作用，達到提升機組調頻性能的目的。
傳統儲能輔助火電機組調頻項目中，通常使用鋰電池作為儲能介質，但鋰電池循環壽命較低，通常只有3000～5000次，在頻繁充放電的調頻場景下其運行壽命僅為3年左右，后期更換及安全維護成本較高。超級電容具有充放電速度快、壽命長、安全性高的特點，天然適合電力調頻場景，且全壽命周期經濟性好。
以遼寧某電廠2臺350 MW超臨界供熱機組為例，配置10MW/10MW∙h鋰電池儲能輔助調頻系統和10 MW×10 min超級電容儲能輔助調頻系統的經濟性對比見表3。由表3可知，盡管超級電容的初始投資高于鋰電池，但由于其循環壽命長，具備一次調頻能力，全壽命周期成本低，投資回收期較鋰電池短，投資收益率較鋰電池高，具有顯著的經濟優勢，更適合火儲調頻場景。
超級電容儲能輔助火電機組調頻工程呈現出由與鋰電池構成混合儲能系統的方式到純超級電容替代鋰電池的發展過程。目前，國內已建及在建超級電容輔助火電機組調頻項目見表4。其中，華能羅源電廠項目為全球首例超級電容混合儲能輔助火電機組調頻項目，華能伊敏電廠項目為全球容量最大的純超級電容儲能輔助火電機組調頻項目。
由中國華能集團西安熱工研究院自主研制并建設的華能羅源電廠超級電容混合儲能輔助火電機組調頻項目投運后效果良好，機組綜合性能指標提升近60%，在福建省全省火電、水電機組中處于領先水平，運行首年累計收益1696.21萬元。
根據華能羅源電廠超級電容與鋰電池的實際運行數據，結合表3中的超級電容儲能與鋰電池儲能輔助調頻經濟性分析，可以得到超級電容儲能和鋰電池儲能在火電調頻場景的性能對比，見表5。從表5可知，在火電調頻場景中，超級電容儲能的初始投資成本高于鋰電池儲能，但運行壽命和簇間運行溫差顯著優于鋰電池儲能，在長運行周期內的經濟性和安全性更優。
3 超級電容儲能在電網慣量支撐領域的應用
慣量響應是維持電力系統暫態穩定性的重要環節，響應時間尺度為s級。傳統電力系統中的同步發電機具有慣量支撐的能力，能在頻率瞬變時利用自身旋轉慣量提供能量，維持電網頻率穩定。隨著發電側新能源及高比例電力電子設備接入電網，傳統同步發電機組占比逐漸降低，新型電力系統的低慣量特征日益顯著，頻率瞬變時系統有功支撐能力減弱，電壓崩潰風險增大，暫態功角穩定性降低。
超級電容憑借自身充放電速度快、功率密度高、循環壽命長，以及短時支撐能力和短時過電流能力強的特性，相較于鋰電池儲能等能量型儲能器件，更適用于s級慣量響應場景。經市場調研，雙電層超級電容儲能、混合型超級電容儲能和鋰電池儲能（儲能+儲能變流器PCS）的功率成本隨儲能時長的變化如圖1所示，3種儲能技術路線的全壽命能量成本隨儲能時長的變化如圖2所示。
從圖中可以看出，在儲能時長8 s內，雙電層超級電容儲能的功率成本及能量成本最低，鋰電池儲能成本最高；在儲能時長8 s～8 min，混合型超級電容儲能的功率成本及能量成本最低。因此，在s級慣量支撐應用場景中，超級電容儲能與鋰電池儲能相比優勢明顯。
靜止同步調相機（static self-synchronous com- pensator, SSC）是一種以超級電容為儲能介質，采用構網型（grid-forming, GFM）控制策略，具備獨立電壓源特性、自主慣量響應和頻率調節功能的電力裝備。SSC采用構網型控制策略，借助控制算法模擬慣量環節，通過逆變器控制超級電容儲存的能量的釋放，等效為控制同步機慣量機械能或阻尼能量，該控制方法可以根據系統的不同需求靈活調整SSC的慣量、阻尼、調頻調壓系數、響應時間等，還可以實現靈活諧波補償、靈活負序補償、靈活抑制阻尼振蕩等同步調相機無法實現的功能，可應用在弱聯網系統，提高系統短路容量。
SSC和傳統同步調相機一樣，均可在系統發生故障瞬間維持內電勢恒定，為系統提供電壓支撐，但是，二者時域特性等性能存在顯著差異。從圖3所示SSC與傳統分布式調相機階躍響應曲線和表6中階躍響應關鍵參數可以看出，SSC響應階躍指令的上升時間顯著優于傳統分布式調相機；且傳統分布式調相機峰值誤差較大，存在明顯超調，而SSC幾乎無超調；此外，SSC的恢復時間極短，而傳統分布式調相機恢復時間較長。其中，PN為額定功率。
目前，主流的SSC拓撲結構方案有2種：一種是南瑞繼保研發的PCS9585，其拓撲結構如圖4所示，采用超級電容直接并用直流電容的方案，系統結構簡單；另一種是上海思源電氣研發的雙星形SSC，其拓撲結構如圖5所示，采用將超級電容連在兩個靜止無功發生器（static var generator, SVG）之間并網的方案，所需超級電容的數量減少，成本降低。
目前，針對基于構網型儲能技術的靜止同步調相機的研究仍處于示范應用階段。由南瑞繼保生產的世界首套靜止同步調相機于2024年2月在吉林華能八面風電場正式投運。該項目所進行的多層級全電磁暫態仿真和過載能力、慣量響應、實際電壓小擾動等19項現場試驗成功驗證了靜止同步調相機的實際性能，可以為電力系統提供故障瞬時保護和主動穩定支撐。
4 超級電容儲能在新能源場站的應用
4.1 風電變槳后備電源
變槳距控制系統是大型并網風電機組的核心部件之一，對機組的安全穩定運行起著重要作用。變槳距控制系統位于風電輪轂中，其工作原理是根據不同風速和風向實時調整槳距角，從而改變氣流對風機葉片的攻角，實現風機機械載荷最小化。
為了保證變槳過程的安全性，風機變槳系統均配備儲能裝置作為后備電源，風機正常運行時儲能裝置通過充電器浮充電至額定電壓，當槳距角需要調整時由儲能裝置提供大電流，保證順利變槳；當電網故障時由儲能裝置提供能量，防止風機轉速跌落，保證風機維持一定轉速至安全角度收槳，確保風機安全停運；此外，在并網點電壓跌落時，儲能后備電源還可以增強風電機組的低電壓穿越能力。
傳統的變槳控制系統后備電源多以鉛酸蓄電池為主，成本較低，但由于風電場極端天氣較多，最低溫度可達-40℃，對后備電源的低溫特性要求高，且風電場運行狀況受環境因素影響較大，后備電源須頻繁動作，對儲能系統的循環壽命要求高。鉛酸蓄電池在低溫條件下容量大幅減少，性能顯著下降，難以滿足風電機組的變槳需求，且自身循環壽命短，在風電機組設計周期內需多次維護與更換，電池模塊的初始投資和后續更換與維護費用占變槳系統總投資的50%以上，對系統的經濟性產生負面影響。
超級電容低溫特性好，可以在-40℃的低溫環境下正常使用，且循環壽命長、運行過程中免維護，雖然初始投資較蓄電池高，但考慮后期運維與更換成本，超級電容儲能的全壽命周期成本更低，是一種理想的風機變槳后備電源。
據統計，全球已有超過30%的風力渦輪機安裝了超級電容儲能作為后備電源，首批系統由德國風能公司Enercon于2006年安裝使用，Maxwell、Skeleton Technology、LICAP、UCAP Power等公司推動了超級電容在風電變槳領域的全球性業務推廣與應用。
其中，Maxwell專門開發了包含被動平衡電路的針對風電槳距控制的超級電容模塊BOOSTCAP；Skeleton Technology與歐洲風力渦輪機服務商Empower 4Wind合作，將開發出的SkelMod 17 V、171 V超級電容模塊應用于波羅的海沿岸和北歐地區的風電場站。根據預測，2027年全球超級電容在風力變槳領域應用的市場規模將達到3.479億美元，復合年增長率15.12%。
4.2 新能源出力波動平抑
新能源輸出功率受天氣條件變化等因素影響較大，具有隨機性、間歇性、波動性等特點。以光伏發電為例，受云層變化影響，其輸出功率有時會在5 min內出現80%的波動，如果將其直接并入電網會對電網的穩定性造成極大影響。國家電網的統計數據顯示，2019年全國新能源日最大功率波動達1.07億kW，占總裝機的31%，新能源平抑與消納問題亟待解決。儲能可以補償新能源出力波動，平滑新能源并網輸出功率，還可以對用電峰谷進行調節，已成為輔助新能源發電的關鍵技術。
超級電容儲能可以獨立對短時間尺度下的波動進行平抑，也可以通過參與構成“能量型儲能器件（電池）+功率型儲能器件（超級電容）”混合儲能系統的方式實現對多時間尺度下波動的平抑，延長電池的壽命。張步涵等提出一種利用串并聯型超級電容儲能系統平抑風電輸出功率波動的方法，并聯補償用于平滑出力，串聯補償用于抑制電壓暫降，保障電壓穩定性。鄭新昊等提出一種光伏直流微電網并網模式下超級電容對并網電流脈動補償控制方案，提高電能質量。MASAKI M S等利用南非某社區實際太陽輻照量數據進行仿真，驗證了超級電容的加入可以在平滑光伏輸出功率的同時延長電池儲能系統的使用壽命。
2016年，杜克能源公司在北卡萊羅納州Gaston變電站部署了一套超級電容器與電池的混合儲能系統，其中超級電容容量為100 kW/300 kW∙h。該混合儲能系統采用Maxwell超級電容器，用來平抑短時快速的光伏出力波動。目前，在風電場中應用的超級電容儲能規模均較小，通常在1 MW以下。2015年11月正式投入示范運行的國電集團北鎮風電場（1 MW×2 min）超級電容儲能示范項目，是當前世界上規模最大的風電場超級電容儲能系統。
5 超級電容儲能在車網互動領域的應用
5.1 超級電容在軌道交通能量回收中的應用
地鐵列車多采用接觸網的方式運行，列車起動時從電網吸收能量并將其轉化為自身動能，列車制動時將動能轉化為電能回饋至接觸網，實現能量交換。由于地鐵列車站間間隔距離較短，列車制動、起動頻繁，產生大量制動再生能量，不處理會導致接觸網電壓升高，影響正常起動、制動過程并造成大量能量浪費。通過超級電容儲能設備吸收多余的制動能量，抑制直流電網電壓升高，并在車輛加速時釋放，減少列車起動時對電網牽引功率的需求，可在減小電網負荷的同時有效利用回收的能量，并為電網提供電壓支撐。
目前，超級電容已被廣泛應用于地鐵制動能量系統中，主流的制造商有ABB、旁巴迪、西門子和Adetel等。ABB公司的Enviline EES在墨爾本、華沙等城市的地鐵中均有應用，其中華沙3.3 MW/ 11.1 kW∙h超級電容儲能裝置是全球容量最大的超級電容能量回收系統，每天可節約3000 kW∙h。2014年，ABB將Maxwell的超級電容器用于美國費城地區東南賓夕法尼亞州交通局（Southeastern Pennsylvania Transportation Authority, SEPTA）的鐵路能量回收項目，用于回收列車制動時的能量。實際運行數據表明，該超級電容器能量回收系統投運后，SEPTA鐵路車輛耗電量降低20%左右，平均每天可以回收1.5～2 MW∙h的能量。
此外，該系統回收的多余能量還可以供給美國電力聯營體，用于頻率調節服務。2016年，國內首套具有自主知識產權的1500 V地鐵列車用超級電容器儲能裝置，在廣州地鐵6號線潯峰崗站正式掛網運行。廣州地鐵6號線接觸網加裝DC 1500 V線路超級電容儲能裝置后，日平均向接觸網回饋電能1500 kW∙h，能量回送效率超過90%，實現了對接觸網電壓的“削峰填谷”，有效維持了接觸網電壓穩定。此外，還降低了系統產熱，減小了冷卻系統的壓力和冷卻系統工作用電消耗量。2020年，由北京交通大學自主研制的世界首套MW級城軌交通地面式超級電容/電池混合儲能裝置在北京地鐵八通線梨園站掛網試驗成功，工作日日均節能1500 kW∙h，節電率達14.4%。
5.2 超級電容在電動汽車V2G中的應用
電動汽車V2G模式的基本原理是，將電動汽車視為并網儲能裝置，通過雙向能量傳輸實現車網互聯。傳統電動汽車多采用鋰電池作為自身動力源，當電動汽車處于V2G模式下時，頻繁的充放電會導致電池壽命降低。有文獻指出，電池的壽命損耗已成為V2G技術推廣應用的一項重大技術挑戰，在30%～90%荷電狀態（state of charge, SOC）范圍內循環充放電為電網提供支撐，會導致車用鋰電池壽命大幅降低。同時，當汽車所連接電網出現大規模短時功率波動時，由于鋰電池功率密度低，難以進行超短時快速響應。將超級電容與鋰電池組合構成兼具高能量密度和高功率密度的混合動力系統，可以提升V2G模式下電動汽車對電網需求的響應能力，延長車用鋰電池的壽命。
目前，電動汽車V2G技術主要以家用微電網后備電源和負荷聚合商兩種模式進行應用。在聚合商模式下，車用超級電容可以參與電網調峰調頻服務，促進新能源消納，提升電力系統穩定性。當前，相關技術與政策正處于發展階段，尚未大規模應用。2024年3月，廣汽能源在廣汽埃安V2G示范中心成功完成了全國首例V2G技術與虛擬電廠結合的二次調頻實車試驗，也是全國首個車-網調頻互動示范案例。
6 結論
在新型電力系統建設的新挑戰下，本文梳理了超級電容在多領域應用的關鍵技術與應用現狀，剖析了超級電容在短時高頻功率補充場景中發揮的優勢特性，得出如下結論：
1）超級電容具備高功率密度、長循環壽命、寬工作溫域、充放電速度快、短時支撐與過電流能力強等優勢特性，適用于火電調頻、電網慣量支撐、風力變槳、制動能量回收、新能源出力波動抑制等多種電力應用場景，保障新型電力系統安全穩定運行。
2）超級電容在火儲調頻領域展現出卓越的性能，可以顯著提升機組調頻性能，與鋰電池相比，其運行溫度低、溫差小，安全性高；且全壽命周期成本低，投資回收期短，投資收益率高，未來有望實現全容量替代，應用前景廣闊。
3）目前，對不同場景所應用的超級電容的類型尚未有明確的劃分，未來需要對超級電容的選型、運行狀態與安全性評估、成本效益等形成規范的評價體系，建立完善的電力儲能用超級電容技術標準體系。
4）超級電容作為一種新型儲能器件，在部分應用場景中仍處于示范應用階段，但由于其自身性能的優越性，目前已在新型電力系統短時高頻應用場景中展現出顯著優勢。未來隨著超級電容產業技術的發展和市場需求的增加，超級電容的成本將進一步下降，應用范圍將進一步擴大，有望推動我國新型儲能產業快速升級，促進我國新質生產力的高質量發展。
本工作成果發表在2025年第11期《電氣技術》，論文標題為“ 超級電容儲能在新型電力系統短時高頻功率補充場景中的應用 ”，本項目得到華能集團科技項目的支持。
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