超級電容的發展背景及目的

隨著社會發展，人們的生活水平提高，用電需求不斷增加，使得可再生能源被大規模開發利用。人類目前主要依賴化石能源，而化石能源從開采到利用整個過程都對環境造成了不同程度的影響 。 所以， 推動清潔能源的發展和應用是大勢所趨，是人類面對的挑戰之一。 目前，如何促進新能源的發展， 是世界各國都在研究的問題。 考慮到風能，太陽能等清潔能源的不可控性，相當于是“靠天吃飯”所以在設計利用的過程中將會面臨諸多困難。故開發將電能通過一定的途徑方法轉化到其他能量載體（蓄電池、超級電容等） 中，待到需要時再釋放的儲能技術有重要的研究意義。

針對傳統電網的“供需平衡”， 即供電和用電要時刻保持平衡，美國提出通過智能電網來改造這種平衡，建設一個新的電力系統。 我國提出通過能抵御外部沖擊，能快速適應儲能系統接入的堅強智能電網來增強電網的穩定性。儲能技術可以將傳統的用電與供電關系改變成三個變量之間平衡的關系，而且不需要時刻平衡。向電力系統中引入儲能技術可以有效提高電能的利用率，同時還可以增強電力系統的穩定性。所以，儲能裝置的設計目前已經在世界各國引起廣泛關注。

儲能單元和控制儲能單元充放電的儲能變流器是儲能系統核心組成部分。隨著國內外學者對儲能系統的不斷研究，促進了儲能技術突飛猛進的發展。首先，儲能載體的選擇存在多樣化，其次隨著電力電子技術行業的快速發展， 使得儲能單元接入PCS的方式也多種多樣。

在儲能元件選擇上，主要考慮儲能元件的循環壽命以及功率密度等，故大多選擇超級電容和鋰電池。目前，特別是在汽車領域上，關于儲能載體的選擇， 超級電容和鋰電池的技術爭論一直未停歇過。其實，在 2010 年的上海世博會上，以超級電容為儲能載體的公交車就已經出現。超級電容以自身快速的充電速度、可靠的安全性以及較長的壽命替代了污染環境、系統復雜、造價高昂的鋰電池。 故本文選用的新型儲能元件為超級電容。

實際上，超級電容作為一種能量載體，以其快速的充放電，高效率，長壽命等優勢已經開始逐漸應用于我們的生活中的各個領域，特別是在國防和軍事上。目前，已經有不少學者提出將超級電容和儲能變流器組合作為一種新型儲能裝置的研究思路并付諸實踐，但是該系統的性能還需要不斷完善，不夠成熟。例如：級電容儲能系統應用于中高壓大功率的場合時，很多換流器中的開關管因耐壓等級而被限制使用；因器件參數差異，超級電容可能會出現荷電狀態不均衡現象，故需要解決系統能量均衡的問題；一旦裝置發生故障， 超級電容的充放電會影響其他設備， 故該系統需要有自檢和容錯的能力；超級電容作為一個充放電器件，在充電時要求輸入符合超級電容工作要求的電能，放電時電能的質量也會有相應的要求。

目前， PCS 的拓撲大多選用具有可靠性和穩定性的多電平換流器。 而多電平換流器中被廣泛應用的電路拓撲主要有二極管鉗位多電平換流器、級聯 H 橋換流器以及模塊化多電平換流器。其中， 關于級聯 H 橋換流器與儲能單元的結合應用最為廣泛。儲能單元分布在級聯 H 橋子模塊單元內，可以實現中高壓有功儲備， 儲能單元也有利于子模塊電容電壓的穩定，對比儲能單元的集中串并聯，減小了裝置的體積，同時增加了裝置的安全性。

當前，具有眾多優勢的模塊化多電平換流器已成為中高壓的主流拓撲。通過將模塊化多電平換流器與儲能單元相結合可以直接省去變壓器， 直接與中高壓電網相連接，降低了成本；儲能單元分散于各個子模塊，降低了儲能單元的電壓等級， 使得儲能單元穩定運行，對比級聯 H 橋換流器最大優勢是儲能單元可以通過 MMC 的公共直流母線與直流側進行能量交互。

針對越來越多元化的電網，大量的非線性負載的投入使用使得系統出現各種各樣的電能質量問題。例如電壓暫降、功率因數降低等等。這些電能質量問題直接表現在負序電流、無功電流、諧波電流上，使線路的損耗增加， 進而作用于相關設備影響其正常工作。目前電能質量問題主要存在于無功功率的補償和電網電壓的調節上。 無功補償的是通過補償裝置的接入，向系統注入補償電流，進而補償電網中的無功功率。隨著對無功補償技術的不斷研究，大量補償裝置出現，例如靜止同步補償器。而電網電壓的調節即通過注入相應的電壓來補償電網電壓，例如 DVR 串聯補償裝置。

實際的工程應用中，我們一般通過儲能系統控制并網功率波動，通過無功補償裝置控制電壓的穩定。這樣做自然會增大投資成本，但是通過將儲能單元與 PCS 相結合，可以在降低成本的同時實現有功和無功的補償。所以本文對基于超級電容的儲能型 MMC的控制策略研究對提高利用率和系統穩定性有重要的意義。

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