隨著生活水平的提高，人們對(duì)供電質(zhì)量的要求也在不斷提升。供電質(zhì)量是電能質(zhì)量的重要組成部分，電能質(zhì)量與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)。

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的過程中，電能質(zhì)量的提升也面臨著許多方面的挑戰(zhàn)。為了給人們提供更安心的用電體驗(yàn)，供電企業(yè)和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)在提升電能質(zhì)量方面做了長(zhǎng)期努力，其中重要的是積極構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)。

電能質(zhì)量影響廣泛

衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有電壓、頻率和波形。從普遍意義上講，包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量。這些指標(biāo)可能聽起來有些復(fù)雜，對(duì)應(yīng)到生活中，則意味著電燈是不是穩(wěn)定照明，精密儀器能不能正常使用……

“世紀(jì)大停電”引發(fā)的思考

盡管已經(jīng)過去十年，但那場(chǎng)被稱為“世紀(jì)大停電”的美加大停電仍然讓不少人記憶猶新。2003年8月14日下午，美國(guó)東北部、中西部8個(gè)州和加拿大安大略省發(fā)生了北美歷史上最大規(guī)模的停電事故，引起地鐵、隧道、橋梁關(guān)閉，不少航班取消，商家停業(yè)，美國(guó)通用汽車等汽車巨頭的54座工廠停產(chǎn)，近5000萬人口受到影響。

調(diào)查顯示，天氣炎熱負(fù)荷激增，線路重載跳閘后造成某地區(qū)電壓進(jìn)一步降低并引起一連串故障，是停電的客觀原因之一，而一座發(fā)電廠因受雷擊發(fā)生火災(zāi)則被認(rèn)為是停電的直接原因。

更多專業(yè)人士由此展開了對(duì)大城市供電可靠性的一系列研究。

供電可靠性是衡量供電質(zhì)量的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。從另一個(gè)角度說，電能質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的供電安全和供電質(zhì)量，電能質(zhì)量是對(duì)優(yōu)質(zhì)供電進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要方面。

專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中，電能質(zhì)量是指電力系統(tǒng)指定點(diǎn)處的電特性，根據(jù)預(yù)定的基準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)來評(píng)價(jià)。這些參數(shù)大多與供電和負(fù)荷之間的兼容性有關(guān)，包括電網(wǎng)頻率、供電電壓、電壓諧波和間諧波、電壓中的載波信號(hào)以及快速電壓變化等等，并受到諸多因素影響。

重慶電力科學(xué)研究院的專業(yè)人士介紹，影響電能質(zhì)量的因素主要有三個(gè)方面：一是自然現(xiàn)象，如雷擊、風(fēng)暴、雨雪等;二是電力設(shè)備及裝置的自動(dòng)保護(hù)及正常運(yùn)行，如大型電力設(shè)備的啟動(dòng)和停運(yùn)、自動(dòng)開關(guān)的跳閘及重合等;三是電力用戶的非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷等大量投運(yùn)，如煉鋼電弧爐、電氣化機(jī)車運(yùn)行等，會(huì)使公用電網(wǎng)產(chǎn)生大量的諧波干擾，產(chǎn)生電壓擾動(dòng)、電壓波動(dòng)與閃變等。

備受關(guān)注的電壓質(zhì)量

10月23日，在重慶市巴南區(qū)接龍鎮(zhèn)荷花村六陽(yáng)社，村民余國(guó)彬看著不遠(yuǎn)處正在放線的供電員工，臉上就帶起了笑：“變壓器換了，電線也粗了，這下高峰期用電也能放心了。”

六陽(yáng)社是個(gè)山里的小村莊。近年來,隨著生活水平不斷提高，村里各家各戶都置辦了不少大功率家電，在用電高峰時(shí)出現(xiàn)了時(shí)段性的低電壓現(xiàn)象。余國(guó)彬說，這使得好多機(jī)器開不起來，打米、加工農(nóng)作物都很困難，現(xiàn)在新增了變壓器，還改造了線路，用電問題能解決了。

通常，電能質(zhì)量問題主要反映為電壓質(zhì)量問題。各地供電企業(yè)都在積極治理低電壓，提升供電的電能質(zhì)量。此外，電壓質(zhì)量問題還得到了更廣泛的關(guān)注。中國(guó)電子科技集團(tuán)29所的研究人員徐忠曾闡釋“電壓暫降”帶來的影響?！半妷簳航怠笔侵腹╇婋妷河行е刀虝航档停S后恢復(fù)正常的供電現(xiàn)象。一些高科技設(shè)備對(duì)電壓變化很敏感，短時(shí)的供電中斷或電壓有效值下降往往會(huì)造成設(shè)備不正常運(yùn)行，發(fā)生停機(jī)等事故。

引起電壓暫降的主要原因是電網(wǎng)或用電設(shè)備因雷擊、外力發(fā)生短路故障，一些用電設(shè)備(如電動(dòng)機(jī))啟動(dòng)或突然加負(fù)荷也會(huì)造成電網(wǎng)電壓瞬時(shí)下降。電壓暫降會(huì)引起敏感控制器不必要的動(dòng)作(引起跳閘)，造成包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)失靈、自動(dòng)化裝置停頓或誤動(dòng)、變頻調(diào)速器停頓等;引起接觸器脫扣或低壓保護(hù)啟動(dòng)，造成電動(dòng)機(jī)、電梯等停頓;引起高溫光源(碘鎢燈)熄滅，造成公共場(chǎng)所失去照明。

對(duì)此，評(píng)價(jià)電能質(zhì)量的所有參數(shù)都是重要的，但不同用戶、不同用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的關(guān)注方面不同。他舉例說，供電的電壓質(zhì)量是否處于規(guī)定的理想范圍內(nèi)，可影響用戶設(shè)備是否能夠正常運(yùn)行，但普通居民客戶用電設(shè)備比較單純，一般不會(huì)受到影響，而計(jì)算機(jī)存量大的信息中心對(duì)電能質(zhì)量中的電壓暫降、暫升、短時(shí)中斷就比較關(guān)注，一般都配置不間斷電源(UPS)以防止此類問題發(fā)生。

不可忽視的諧波污染

你家里的電燈有沒有忽明忽暗的現(xiàn)象?如果已排除其他原因，那么這種現(xiàn)象有可能是由諧波污染造成的。而電視機(jī)、洗衣機(jī)等已相當(dāng)普及的家電，有可能就是諧波源之一。

專家解釋，非線性負(fù)荷從電網(wǎng)吸收非正弦電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，通稱為諧波源。諧波引起電壓波動(dòng)和閃變產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，使用電設(shè)備受到高能量沖擊，最直觀的感覺就是引起如上述照明燈光閃爍等問題。

近年來，隨著人們對(duì)可再生能源的利用日漸重視，風(fēng)能、太陽(yáng)能等清潔能源發(fā)電的規(guī)模和速度日趨增大，此外，高速電氣化鐵路不斷投入運(yùn)營(yíng)，鋼鐵企業(yè)大容量電弧爐和軋機(jī)等沖擊性負(fù)荷日益增加，這些都使得電網(wǎng)的非線性、非對(duì)稱性和波動(dòng)性問題日趨嚴(yán)重，直接影響到電網(wǎng)電能質(zhì)量及對(duì)客戶的供電質(zhì)量。

客戶側(cè)的非線性電力設(shè)備的比例逐漸增大，成為引起電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的主要原因之一。如熒光燈、計(jì)算機(jī)、變頻設(shè)備、整流設(shè)備、不間斷電源、開關(guān)電源、電弧爐、焊接設(shè)備、電梯、復(fù)印機(jī)等的使用都會(huì)污染電網(wǎng)電能質(zhì)量。這些非線性負(fù)載所產(chǎn)生的大量諧波電流涌入電網(wǎng)，導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變現(xiàn)象。電能質(zhì)量涉及供電企業(yè)和電流用戶兩個(gè)方面，這兩方面互為影響，兩者在電力系統(tǒng)中以公共連接點(diǎn)(PCC)為連接紐帶。供電企業(yè)提升供電的電能質(zhì)量，為客戶提供優(yōu)質(zhì)供電服務(wù);同時(shí)，客戶的非線性負(fù)荷能給電網(wǎng)帶來電壓畸變，因此負(fù)載的諧波電流由用電客戶負(fù)責(zé)，并不得超過規(guī)定值，這反映的是用電質(zhì)量。

有關(guān)資料表明，諧波會(huì)惡化電能質(zhì)量指標(biāo)，降低電網(wǎng)可靠性，增加電網(wǎng)損失，縮短電氣設(shè)備的壽命，在一些情況下還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量降低，數(shù)量減少。李濤永舉例說，工廠大型流水線一般就會(huì)對(duì)諧波、閃爍等比較關(guān)注，因?yàn)檫@些問題會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障率上升，影響生產(chǎn)效率。諧波污染是國(guó)際公認(rèn)的電網(wǎng)公害，對(duì)諧波的治理不容忽視。

超級(jí)電容的優(yōu)劣勢(shì)與未來應(yīng)用

現(xiàn)在，當(dāng)說到電動(dòng)汽車動(dòng)力總成設(shè)計(jì)時(shí)，“電池”不再是唯一浮現(xiàn)我們腦海中的詞匯。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，“超級(jí)電容”的誕生為電動(dòng)/混動(dòng)汽車開啟了全新的篇章。超級(jí)電容是繼機(jī)械式儲(chǔ)能方式和化學(xué)式儲(chǔ)能方式之后的第三代儲(chǔ)能方式——物理式儲(chǔ)能方式。

超級(jí)電容的最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠快速地進(jìn)行充放電，并且功率密度要遠(yuǎn)高于鎳氫電池。得益于此，超級(jí)電容不僅能夠起到儲(chǔ)能、供能的作用，而且還具有使電動(dòng)汽車短時(shí)功率提升的效用。

超級(jí)電容不僅具有超高充放電效率，同時(shí)還能給制動(dòng)能量再生系統(tǒng)和啟停系統(tǒng)帶來積極作用。一些歐洲和日本車企的微混汽車中采用超級(jí)電容，因?yàn)檫@些車型主要針對(duì)經(jīng)常需要啟停的城市路況，超級(jí)電容能更好地進(jìn)行能力回收。今年的法蘭克福車展上，豐田Yaris Hybrid-R便采用了超級(jí)電容。

現(xiàn)在全球消費(fèi)電子業(yè)務(wù)營(yíng)收額約為3.66億美元，其中包括超導(dǎo)體和渦輪葉片控制器這類元件。這項(xiàng)數(shù)字將以每年18%的幅度增長(zhǎng)。到2018年，重型商用車中將大幅配備超級(jí)電容，營(yíng)收額將達(dá)3.23億美元，而乘用車中設(shè)計(jì)超級(jí)電容的營(yíng)收額將達(dá)到1.52億美元。

傳統(tǒng)電池通過緩慢的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，而超級(jí)電容是通過在電極表面高速移動(dòng)電子產(chǎn)生電能，也就是說超級(jí)電容能的產(chǎn)電效率更高。每個(gè)超級(jí)電容中含有一對(duì)圖上了活性炭的金屬板。

活性炭為多孔結(jié)構(gòu)，因此其表面積非常大，無論采用化學(xué)方式還是物理方式，都能牢牢地“鎖”住電荷。

電極對(duì)浸于有機(jī)電解質(zhì)中，用于加速電荷運(yùn)行。當(dāng)超級(jí)電容充滿時(shí)，每個(gè)碳電極上擁有兩層電荷載體涂層表面。這也是超級(jí)電容被稱為雙電層電容的原因之一。

汽車中的超級(jí)電容

本田開創(chuàng)了將超級(jí)電容用于汽車的先河。2002款FCX燃料電池試驗(yàn)車中搭載了本田稱作“ultracapacitor”的超級(jí)電容。

不過，直到幾年前標(biāo)致雪鐵龍與Maxwell技術(shù)公司簽訂合約，為旗下標(biāo)致和雪鐵龍微混汽車購(gòu)買了一批超級(jí)電容器，用于e-HDI系統(tǒng)中，超級(jí)電容才算正式進(jìn)入量產(chǎn)化應(yīng)用階段。同樣地，馬自達(dá)在其i-ELOOP系統(tǒng)中采用了類似的電容技術(shù)，使電池在保證啟停功能的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收的功能。

超級(jí)電容技術(shù)的支持者表示，超級(jí)電容相比傳統(tǒng)電池更適合于長(zhǎng)時(shí)間工作，因?yàn)樗鼈兏€(wěn)定。不過在一般微混汽車中，車企仍然偏愛傳統(tǒng)電池，因?yàn)榇钶d超級(jí)電容將附帶一系列其他元件，包括直流-交流轉(zhuǎn)換器、發(fā)電機(jī)等。這些元件將增加汽車的成本，除此以外，車身重量也將有所增加。

車企主要考慮在中混汽車中使用超級(jí)電容，或?qū)⑵渥鳛橐粋€(gè)能夠提升峰值功率的元件。Lux的分析師Laslau表示：“有多家原始設(shè)備制造商的工程師對(duì)超級(jí)電容器的應(yīng)用表現(xiàn)出興趣，例如在中混汽車中利用30-50個(gè)超級(jí)電容形成電容組。這將實(shí)現(xiàn)節(jié)能7%左右?！?

Prinz團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)是解決現(xiàn)有燃料電池在燃燒過程中一系列問題，氧離子在高溫下的移動(dòng)速度遠(yuǎn)高于低溫，這就意味著如果想獲得高的工作效能，則必須讓燃料電池保持在高溫環(huán)境，原有的技術(shù)所要求的工作溫度往往高于500攝氏度，但這樣的高溫足以融化電池中經(jīng)常使用的鋅材料。像熔爐或由電池功能的加熱器可以用來為燃料電池提供反應(yīng)初始熱量，以加快氧離子穿越薄膜的速度;一旦氧氣和燃料開始發(fā)生反應(yīng)，所產(chǎn)生的熱量能夠反過來為薄膜加熱，讓它始終保持在合適的工作溫度。當(dāng)降低燃料電池工作溫度的時(shí)候，氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生能量中用于加熱薄膜的熱量供應(yīng)將會(huì)明顯的降低，但同時(shí)氧離子流動(dòng)速度也會(huì)顯著減緩，這種情況下工程師們開始研發(fā)適用燃料電池結(jié)構(gòu)的更多材料，希望新型材料既要有高的性價(jià)比，還要有過硬的質(zhì)量保證。

較低的工作溫度代表著較慢的反應(yīng)速度和較低的氧離子傳遞速度，原來的做法是在速度和溫度之間做出權(quán)衡，但是Prinz團(tuán)隊(duì)則希望在更低溫的工作環(huán)境下，他們研發(fā)的燃料電池既不會(huì)減緩氧離子移動(dòng)速度，也不會(huì)降低系統(tǒng)的效能。他們開展的核心工作是重新設(shè)計(jì)了固體氧化物薄膜結(jié)構(gòu)，使其在低溫下有著更好的氧離子傳遞效率。氧氣是制約燃料電池發(fā)展的瓶頸，這也是為什么Prinz團(tuán)隊(duì)把他們的絕大多數(shù)努力和創(chuàng)新研究都集中在了薄膜的氧氣側(cè)。

傳統(tǒng)的固體氧化物燃料電池薄膜都是平板結(jié)構(gòu)，平面薄膜易于加工生產(chǎn)，但沒能最充分地利用空間，所以Prinz團(tuán)隊(duì)對(duì)這種薄膜進(jìn)行了一系列的提升。首先，它們?cè)O(shè)計(jì)制造的薄膜坑坑洼洼、凹凸不平，從而增大了可以用來傳遞氧離子的表面面積;其次在起皺的表面設(shè)計(jì)出微型顆粒凸起結(jié)構(gòu)，看起來跟砂紙類似，進(jìn)一步增加了固體氧化物和氧氣的潛在接觸點(diǎn);然后薄膜的厚度也得到了不小的減低，氧離子移動(dòng)到燃料側(cè)變得更簡(jiǎn)單方便。這款創(chuàng)新薄膜厚度僅有60納米，大約是玻璃紙厚度的兩百分之一。

Prinz團(tuán)隊(duì)工作人員還提到了一項(xiàng)提高燃料電池效能的創(chuàng)新技術(shù)，那就是他們?yōu)楸∧娡苛艘环N全新的催化劑，但具體材料還沒有公布。最后工程師們還為催化劑層使用了納米級(jí)顆粒凸起結(jié)構(gòu)，與砂紙式薄膜表面結(jié)構(gòu)有著異曲同工之妙：氧離子有更多的機(jī)會(huì)被吸收，以參與之后的氧化還原反應(yīng)。

Prinz相信他們的新技術(shù)將有效地推進(jìn)低溫環(huán)境下固體氧化劑燃料電池的研發(fā)進(jìn)程，低溫高效能的特性為將來推廣到商用供電電源領(lǐng)域打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。