超级电容的发展背景及目的

超级电容的发展背景及目的

随着社会发展，人们的生活水平提高，用电需求不断增加，使得可再生能源被大规模开发利用。人类目前主要依赖化石能源，而化石能源从开采到利用整个过程都对环境造成了不同程度的影响 。 所以， 推动清洁能源的发展和应用是大势所趋，是人类面对的挑战之一。 目前，如何促进新能源的发展， 是世界各国都在研究的问题。 考虑到风能，太阳能等清洁能源的不可控性，相当于是“靠天吃饭”所以在设计利用的过程中将会面临诸多困难。故开发将电能通过一定的途径方法转化到其他能量载体（蓄电池、超级电容等） 中，待到需要时再释放的储能技术有重要的研究意义。

针对传统电网的“供需平衡”， 即供电和用电要时刻保持平衡，美国提出通过智能电网来改造这种平衡，建设一个新的电力系统。 我国提出通过能抵御外部冲击，能快速适应储能系统接入的坚强智能电网来增强电网的稳定性。储能技术可以将传统的用电与供电关系改变成三个变量之间平衡的关系，而且不需要时刻平衡。向电力系统中引入储能技术可以有效提高电能的利用率，同时还可以增强电力系统的稳定性。所以，储能装置的设计目前已经在世界各国引起广泛关注。

储能单元和控制储能单元充放电的储能变流器是储能系统核心组成部分。随着国内外学者对储能系统的不断研究，促进了储能技术突飞猛进的发展。首先，储能载体的选择存在多样化，其次随着电力电子技术行业的快速发展， 使得储能单元接入PCS的方式也多种多样。

在储能元件选择上，主要考虑储能元件的循环寿命以及功率密度等，故大多选择超级电容和锂电池。目前，特别是在汽车领域上，关于储能载体的选择， 超级电容和锂电池的技术争论一直未停歇过。其实，在 2010 年的上海世博会上，以超级电容为储能载体的公交车就已经出现。超级电容以自身快速的充电速度、可靠的安全性以及较长的寿命替代了污染环境、系统复杂、造价高昂的锂电池。 故本文选用的新型储能元件为超级电容。

实际上，超级电容作为一种能量载体，以其快速的充放电，高效率，长寿命等优势已经开始逐渐应用于我们的生活中的各个领域，特别是在国防和军事上。目前，已经有不少学者提出将超级电容和储能变流器组合作为一种新型储能装置的研究思路并付诸实践，但是该系统的性能还需要不断完善，不够成熟。例如：级电容储能系统应用于中高压大功率的场合时，很多换流器中的开关管因耐压等级而被限制使用；因器件参数差异，超级电容可能会出现荷电状态不均衡现象，故需要解决系统能量均衡的问题；一旦装置发生故障， 超级电容的充放电会影响其他设备， 故该系统需要有自检和容错的能力；超级电容作为一个充放电器件，在充电时要求输入符合超级电容工作要求的电能，放电时电能的质量也会有相应的要求。

目前， PCS 的拓扑大多选用具有可靠性和稳定性的多电平换流器。 而多电平换流器中被广泛应用的电路拓扑主要有二极管钳位多电平换流器、级联 H 桥换流器以及模块化多电平换流器。其中， 关于级联 H 桥换流器与储能单元的结合应用最为广泛。储能单元分布在级联 H 桥子模块单元内，可以实现中高压有功储备， 储能单元也有利于子模块电容电压的稳定，对比储能单元的集中串并联，减小了装置的体积，同时增加了装置的安全性。

当前，具有众多优势的模块化多电平换流器已成为中高压的主流拓扑。通过将模块化多电平换流器与储能单元相结合可以直接省去变压器， 直接与中高压电网相连接，降低了成本；储能单元分散于各个子模块，降低了储能单元的电压等级， 使得储能单元稳定运行，对比级联 H 桥换流器最大优势是储能单元可以通过 MMC 的公共直流母线与直流侧进行能量交互。

针对越来越多元化的电网，大量的非线性负载的投入使用使得系统出现各种各样的电能质量问题。例如电压暂降、功率因数降低等等。这些电能质量问题直接表现在负序电流、无功电流、谐波电流上，使线路的损耗增加， 进而作用于相关设备影响其正常工作。目前电能质量问题主要存在于无功功率的补偿和电网电压的调节上。 无功补偿的是通过补偿装置的接入，向系统注入补偿电流，进而补偿电网中的无功功率。随着对无功补偿技术的不断研究，大量补偿装置出现，例如静止同步补偿器。而电网电压的调节即通过注入相应的电压来补偿电网电压，例如 DVR 串联补偿装置。

实际的工程应用中，我们一般通过储能系统控制并网功率波动，通过无功补偿装置控制电压的稳定。这样做自然会增大投资成本，但是通过将储能单元与 PCS 相结合，可以在降低成本的同时实现有功和无功的补偿。所以本文对基于超级电容的储能型 MMC的控制策略研究对提高利用率和系统稳定性有重要的意义。

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