隨著(zhù)生活水平的提高，人們對供電質(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)濟社會(huì )發(fā)展的過(guò)程中，電能質(zhì)量的提升也面臨著(zhù)許多方面的挑戰。為了給人們提供更安心的用電體驗，供電企業(yè)和相關(guān)科研機構在提升電能質(zhì)量方面做了長(cháng)期努力，其中重要的是積極構建堅強智能電網(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。這些指標可能聽(tīng)起來(lái)有些復雜，對應到生活中，則意味著(zhù)電燈是不是穩定照明，精密儀器能不能正常使用……

“世紀大停電”引發(fā)的思考

盡管已經(jīng)過(guò)去十年，但那場(chǎng)被稱(chēng)為“世紀大停電”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)，美國通用汽車(chē)等汽車(chē)巨頭的54座工廠(chǎng)停產(chǎn)，近5000萬(wàn)人口受到影響。

調查顯示，天氣炎熱負荷激增，線(xiàn)路重載跳閘后造成某地區電壓進(jìn)一步降低并引起一連串故障，是停電的客觀(guān)原因之一，而一座發(fā)電廠(chǎng)因受雷擊發(fā)生火災則被認為是停電的直接原因。

更多專(zhuān)業(yè)人士由此展開(kāi)了對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。從另一個(gè)角度說(shuō)，電能質(zhì)量直接關(guān)系到電力系統的供電安全和供電質(zhì)量，電能質(zhì)量是對優(yōu)質(zhì)供電進(jìn)行評價(jià)的重要方面。

專(zhuān)業(yè)標準規定中，電能質(zhì)量是指電力系統指定點(diǎn)處的電特性，根據預定的基準技術(shù)參數來(lái)評價(jià)。這些參數大多與供電和負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(zhuān)業(yè)人士介紹，影響電能質(zhì)量的因素主要有三個(gè)方面：一是自然現象，如雷擊、風(fēng)暴、雨雪等;二是電力設備及裝置的自動(dòng)保護及正常運行，如大型電力設備的啟動(dòng)和停運、自動(dòng)開(kāi)關(guān)的跳閘及重合等;三是電力用戶(hù)的非線(xiàn)性負荷、沖擊性負荷等大量投運，如煉鋼電弧爐、電氣化機車(chē)運行等，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，在重慶市巴南區接龍鎮荷花村六陽(yáng)社，村民余國彬看著(zhù)不遠處正在放線(xiàn)的供電員工，臉上就帶起了笑：“變壓器換了，電線(xiàn)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(lái),隨著(zhù)生活水平不斷提高，村里各家各戶(hù)都置辦了不少大功率家電，在用電高峰時(shí)出現了時(shí)段性的低電壓現象。余國彬說(shuō)，這使得好多機器開(kāi)不起來(lái)，打米、加工農作物都很困難，現在新增了變壓器，還改造了線(xiàn)路，用電問(wèn)題能解決了。

通常，電能質(zhì)量問(wèn)題主要反映為電壓質(zhì)量問(wèn)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(wèn)題還得到了更廣泛的關(guān)注。中國電子科技集團29所的研究人員徐忠曾闡釋“電壓暫降”帶來(lái)的影響?！半妷簳航怠笔侵腹╇婋妷河行е刀虝航档?，隨后恢復正常的供電現象。一些高科技設備對電壓變化很敏感，短時(shí)的供電中斷或電壓有效值下降往往會(huì )造成設備不正常運行，發(fā)生停機等事故。

引起電壓暫降的主要原因是電網(wǎng)或用電設備因雷擊、外力發(fā)生短路故障，一些用電設備(如電動(dòng)機)啟動(dòng)或突然加負荷也會(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)，造成包括計算機系統失靈、自動(dòng)化裝置停頓或誤動(dòng)、變頻調速器停頓等;引起接觸器脫扣或低壓保護啟動(dòng)，造成電動(dòng)機、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。

對此，評價(jià)電能質(zhì)量的所有參數都是重要的，但不同用戶(hù)、不同用電設備對電能質(zhì)量的關(guān)注方面不同。他舉例說(shuō)，供電的電壓質(zhì)量是否處于規定的理想范圍內，可影響用戶(hù)設備是否能夠正常運行，但普通居民客戶(hù)用電設備比較單純，一般不會(huì )受到影響，而計算機存量大的信息中心對電能質(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(lèi)問(wèn)題發(fā)生。

不可忽視的諧波污染

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

專(zhuān)家解釋?zhuān)蔷€(xiàn)性負荷從電網(wǎng)吸收非正弦電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，通稱(chēng)為諧波源。諧波引起電壓波動(dòng)和閃變產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，使用電設備受到高能量沖擊，最直觀(guān)的感覺(jué)就是引起如上述照明燈光閃爍等問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著(zhù)人們對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)電的規模和速度日趨增大，此外，高速電氣化鐵路不斷投入運營(yíng)，鋼鐵企業(yè)大容量電弧爐和軋機等沖擊性負荷日益增加，這些都使得電網(wǎng)的非線(xiàn)性、非對稱(chēng)性和波動(dòng)性問(wèn)題日趨嚴重，直接影響到電網(wǎng)電能質(zhì)量及對客戶(hù)的供電質(zhì)量。

客戶(hù)側的非線(xiàn)性電力設備的比例逐漸增大，成為引起電力系統電能質(zhì)量問(wèn)題的主要原因之一。如熒光燈、計算機、變頻設備、整流設備、不間斷電源、開(kāi)關(guān)電源、電弧爐、焊接設備、電梯、復印機等的使用都會(huì )污染電網(wǎng)電能質(zhì)量。這些非線(xiàn)性負載所產(chǎn)生的大量諧波電流涌入電網(wǎng)，導致電壓波形發(fā)生畸變現象。電能質(zhì)量涉及供電企業(yè)和電流用戶(hù)兩個(gè)方面，這兩方面互為影響，兩者在電力系統中以公共連接點(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(hù)提供優(yōu)質(zhì)供電服務(wù);同時(shí)，客戶(hù)的非線(xiàn)性負荷能給電網(wǎng)帶來(lái)電壓畸變，因此負載的諧波電流由用電客戶(hù)負責，并不得超過(guò)規定值，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，降低電網(wǎng)可靠性，增加電網(wǎng)損失，縮短電氣設備的壽命，在一些情況下還會(huì )導致產(chǎn)品質(zhì)量降低，數量減少。李濤永舉例說(shuō)，工廠(chǎng)大型流水線(xiàn)一般就會(huì )對諧波、閃爍等比較關(guān)注，因為這些問(wèn)題會(huì )導致設備故障率上升，影響生產(chǎn)效率。諧波污染是國際公認的電網(wǎng)公害，對諧波的治理不容忽視。

超級電容的優(yōu)劣勢與未來(lái)應用

現在，當說(shuō)到電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成設計時(shí)，“電池”不再是唯一浮現我們腦海中的詞匯。隨著(zhù)儲能技術(shù)的發(fā)展，“超級電容”的誕生為電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)開(kāi)啟了全新的篇章。超級電容是繼機械式儲能方式和化學(xué)式儲能方式之后的第三代儲能方式——物理式儲能方式。

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

超級電容不僅具有超高充放電效率，同時(shí)還能給制動(dòng)能量再生系統和啟停系統帶來(lái)積極作用。一些歐洲和日本車(chē)企的微混汽車(chē)中采用超級電容，因為這些車(chē)型主要針對經(jīng)常需要啟停的城市路況，超級電容能更好地進(jìn)行能力回收。今年的法蘭克福車(chē)展上，豐田Yaris Hybrid-R便采用了超級電容。

現在全球消費電子業(yè)務(wù)營(yíng)收額約為3.66億美元，其中包括超導體和渦輪葉片控制器這類(lèi)元件。這項數字將以每年18%的幅度增長(cháng)。到2018年，重型商用車(chē)中將大幅配備超級電容，營(yíng)收額將達3.23億美元，而乘用車(chē)中設計超級電容的營(yíng)收額將達到1.52億美元。

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

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

電極對浸于有機電解質(zhì)中，用于加速電荷運行。當超級電容充滿(mǎn)時(shí)，每個(gè)碳電極上擁有兩層電荷載體涂層表面。這也是超級電容被稱(chēng)為雙電層電容的原因之一。

汽車(chē)中的超級電容

本田開(kāi)創(chuàng )了將超級電容用于汽車(chē)的先河。2002款FCX燃料電池試驗車(chē)中搭載了本田稱(chēng)作“ultracapacitor”的超級電容。

不過(guò)，直到幾年前標致雪鐵龍與Maxwell技術(shù)公司簽訂合約，為旗下標致和雪鐵龍微混汽車(chē)購買(mǎi)了一批超級電容器，用于e-HDI系統中，超級電容才算正式進(jìn)入量產(chǎn)化應用階段。同樣地，馬自達在其i-ELOOP系統中采用了類(lèi)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)現制動(dòng)能量回收的功能。

超級電容技術(shù)的支持者表示，超級電容相比傳統電池更適合于長(cháng)時(shí)間工作，因為它們更穩定。不過(guò)在一般微混汽車(chē)中，車(chē)企仍然偏愛(ài)傳統電池，因為搭載超級電容將附帶一系列其他元件，包括直流-交流轉換器、發(fā)電機等。這些元件將增加汽車(chē)的成本，除此以外，車(chē)身重量也將有所增加。

車(chē)企主要考慮在中混汽車(chē)中使用超級電容，或將其作為一個(gè)能夠提升峰值功率的元件。Lux的分析師Laslau表示：“有多家原始設備制造商的工程師對超級電容器的應用表現出興趣，例如在中混汽車(chē)中利用30-50個(gè)超級電容形成電容組。這將實(shí)現節能7%左右?！?

Prinz團隊的研究重點(diǎn)是解決現有燃料電池在燃燒過(guò)程中一系列問(wèn)題，氧離子在高溫下的移動(dòng)速度遠高于低溫，這就意味著(zhù)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(lái)為燃料電池提供反應初始熱量，以加快氧離子穿越薄膜的速度;一旦氧氣和燃料開(kāi)始發(fā)生反應，所產(chǎn)生的熱量能夠反過(guò)來(lái)為薄膜加熱，讓它始終保持在合適的工作溫度。當降低燃料電池工作溫度的時(shí)候，氧化還原反應產(chǎn)生能量中用于加熱薄膜的熱量供應將會(huì )明顯的降低，但同時(shí)氧離子流動(dòng)速度也會(huì )顯著(zhù)減緩，這種情況下工程師們開(kāi)始研發(fā)適用燃料電池結構的更多材料，希望新型材料既要有高的性?xún)r(jià)比，還要有過(guò)硬的質(zhì)量保證。

較低的工作溫度代表著(zhù)較慢的反應速度和較低的氧離子傳遞速度，原來(lái)的做法是在速度和溫度之間做出權衡，但是Prinz團隊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 )降低系統的效能。他們開(kāi)展的核心工作是重新設計了固體氧化物薄膜結構，使其在低溫下有著(zhù)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團隊把他們的絕大多數努力和創(chuàng )新研究都集中在了薄膜的氧氣側。

傳統的固體氧化物燃料電池薄膜都是平板結構，平面薄膜易于加工生產(chǎn)，但沒(méi)能最充分地利用空間，所以Prinz團隊對這種薄膜進(jìn)行了一系列的提升。首先，它們設計制造的薄膜坑坑洼洼、凹凸不平，從而增大了可以用來(lái)傳遞氧離子的表面面積;其次在起皺的表面設計出微型顆粒凸起結構，看起來(lái)跟砂紙類(lèi)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團隊工作人員還提到了一項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(méi)有公布。最后工程師們還為催化劑層使用了納米級顆粒凸起結構，與砂紙式薄膜表面結構有著(zhù)異曲同工之妙：氧離子有更多的機會(huì )被吸收，以參與之后的氧化還原反應。

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(lái)推廣到商用供電電源領(lǐng)域打下了堅實(shí)的基礎。