超級電容的發(fā)展背景及目的

隨著社會發(fā)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(guī)模開發(fā)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(huán)境造成了不同程度的影響 。 所以， 推動清潔能源的發(fā)展和應(yīng)用是大勢所趨，是人類面對的挑戰(zhàn)之一。 目前，如何促進新能源的發(fā)展， 是世界各國都在研究的問題。 考慮到風(fēng)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(shè)計利用的過程中將會面臨諸多困難。故開發(fā)將電能通過一定的途徑方法轉(zhuǎn)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(shù)有重要的研究意義。

針對傳統(tǒng)電網(wǎng)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(wǎng)來改造這種平衡，建設(shè)一個新的電力系統(tǒng)。 我國提出通過能抵御外部沖擊，能快速適應(yīng)儲能系統(tǒng)接入的堅強智能電網(wǎng)來增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性。儲能技術(shù)可以將傳統(tǒng)的用電與供電關(guān)系改變成三個變量之間平衡的關(guān)系，而且不需要時刻平衡。向電力系統(tǒng)中引入儲能技術(shù)可以有效提高電能的利用率，同時還可以增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，儲能裝置的設(shè)計目前已經(jīng)在世界各國引起廣泛關(guān)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(tǒng)核心組成部分。隨著國內(nèi)外學(xué)者對儲能系統(tǒng)的不斷研究，促進了儲能技術(shù)突飛猛進的發(fā)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(shù)行業(yè)的快速發(fā)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(huán)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(lǐng)域上，關(guān)于儲能載體的選擇， 超級電容和鋰電池的技術(shù)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(jīng)出現(xiàn)。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(huán)境、系統(tǒng)復(fù)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(yōu)勢已經(jīng)開始逐漸應(yīng)用于我們的生活中的各個領(lǐng)域，特別是在國防和軍事上。目前，已經(jīng)有不少學(xué)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(tǒng)的性能還需要不斷完善，不夠成熟。例如：級電容儲能系統(tǒng)應(yīng)用于中高壓大功率的場合時，很多換流器中的開關(guān)管因耐壓等級而被限制使用；因器件參數(shù)差異，超級電容可能會出現(xiàn)荷電狀態(tài)不均衡現(xiàn)象，故需要解決系統(tǒng)能量均衡的問題；一旦裝置發(fā)生故障， 超級電容的充放電會影響其他設(shè)備， 故該系統(tǒng)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(zhì)量也會有相應(yīng)的要求。

目前， PCS 的拓撲大多選用具有可靠性和穩(wěn)定性的多電平換流器。 而多電平換流器中被廣泛應(yīng)用的電路拓撲主要有二極管鉗位多電平換流器、級聯(lián) H 橋換流器以及模塊化多電平換流器。其中， 關(guān)于級聯(lián) H 橋換流器與儲能單元的結(jié)合應(yīng)用最為廣泛。儲能單元分布在級聯(lián) H 橋子模塊單元內(nèi)，可以實現(xiàn)中高壓有功儲備， 儲能單元也有利于子模塊電容電壓的穩(wěn)定，對比儲能單元的集中串并聯(lián)，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(yōu)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(jié)合可以直接省去變壓器， 直接與中高壓電網(wǎng)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(wěn)定運行，對比級聯(lián) H 橋換流器最大優(yōu)勢是儲能單元可以通過 MMC 的公共直流母線與直流側(cè)進行能量交互。

針對越來越多元化的電網(wǎng)，大量的非線性負載的投入使用使得系統(tǒng)出現(xiàn)各種各樣的電能質(zhì)量問題。例如電壓暫降、功率因數(shù)降低等等。這些電能質(zhì)量問題直接表現(xiàn)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(guān)設(shè)備影響其正常工作。目前電能質(zhì)量問題主要存在于無功功率的補償和電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)上。 無功補償?shù)氖峭ㄟ^補償裝置的接入，向系統(tǒng)注入補償電流，進而補償電網(wǎng)中的無功功率。隨著對無功補償技術(shù)的不斷研究，大量補償裝置出現(xiàn)，例如靜止同步補償器。而電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)即通過注入相應(yīng)的電壓來補償電網(wǎng)電壓，例如 DVR 串聯(lián)補償裝置。

實際的工程應(yīng)用中，我們一般通過儲能系統(tǒng)控制并網(wǎng)功率波動，通過無功補償裝置控制電壓的穩(wěn)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(jié)合，可以在降低成本的同時實現(xiàn)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(tǒng)穩(wěn)定性有重要的意義。

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