超級(jí)電容的發(fā)展背景及目的

隨著社會(huì)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(gè)過程都對(duì)環(huán)境造成了不同程度的影響 。 所以， 推動(dòng)清潔能源的發(fā)展和應(yīng)用是大勢所趨，是人類面對(duì)的挑戰(zhàn)之一。 目前，如何促進(jìn)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(dāng)于是“靠天吃飯”所以在設(shè)計(jì)利用的過程中將會(huì)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(jí)電容等） 中，待到需要時(shí)再釋放的儲(chǔ)能技術(shù)有重要的研究意義。

針對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的“供需平衡”， 即供電和用電要時(shí)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(gè)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(chǔ)能系統(tǒng)接入的堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)來增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。儲(chǔ)能技術(shù)可以將傳統(tǒng)的用電與供電關(guān)系改變成三個(gè)變量之間平衡的關(guān)系，而且不需要時(shí)刻平衡。向電力系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能技術(shù)可以有效提高電能的利用率，同時(shí)還可以增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，儲(chǔ)能裝置的設(shè)計(jì)目前已經(jīng)在世界各國引起廣泛關(guān)注。

儲(chǔ)能單元和控制儲(chǔ)能單元充放電的儲(chǔ)能變流器是儲(chǔ)能系統(tǒng)核心組成部分。隨著國內(nèi)外學(xué)者對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的不斷研究，促進(jìn)了儲(chǔ)能技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。首先，儲(chǔ)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(chǔ)能單元接入PCS的方式也多種多樣。

在儲(chǔ)能元件選擇上，主要考慮儲(chǔ)能元件的循環(huán)壽命以及功率密度等，故大多選擇超級(jí)電容和鋰電池。目前，特別是在汽車領(lǐng)域上，關(guān)于儲(chǔ)能載體的選擇， 超級(jí)電容和鋰電池的技術(shù)爭論一直未停歇過。其實(shí)，在 2010 年的上海世博會(huì)上，以超級(jí)電容為儲(chǔ)能載體的公交車就已經(jīng)出現(xiàn)。超級(jí)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(jià)高昂的鋰電池。 故本文選用的新型儲(chǔ)能元件為超級(jí)電容。

實(shí)際上，超級(jí)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(gè)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(jí)電容和儲(chǔ)能變流器組合作為一種新型儲(chǔ)能裝置的研究思路并付諸實(shí)踐，但是該系統(tǒng)的性能還需要不斷完善，不夠成熟。例如：級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于中高壓大功率的場合時(shí)，很多換流器中的開關(guān)管因耐壓等級(jí)而被限制使用；因器件參數(shù)差異，超級(jí)電容可能會(huì)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(jí)電容的充放電會(huì)影響其他設(shè)備， 故該系統(tǒng)需要有自檢和容錯(cuò)的能力；超級(jí)電容作為一個(gè)充放電器件，在充電時(shí)要求輸入符合超級(jí)電容工作要求的電能，放電時(shí)電能的質(zhì)量也會(huì)有相應(yīng)的要求。

目前， PCS 的拓?fù)浯蠖噙x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?fù)渲饕卸O管鉗位多電平換流器、級(jí)聯(lián) H 橋換流器以及模塊化多電平換流器。其中， 關(guān)于級(jí)聯(lián) H 橋換流器與儲(chǔ)能單元的結(jié)合應(yīng)用最為廣泛。儲(chǔ)能單元分布在級(jí)聯(lián) H 橋子模塊單元內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)中高壓有功儲(chǔ)備， 儲(chǔ)能單元也有利于子模塊電容電壓的穩(wěn)定，對(duì)比儲(chǔ)能單元的集中串并聯(lián)，減小了裝置的體積，同時(shí)增加了裝置的安全性。

當(dāng)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?fù)洹Ｍㄟ^將模塊化多電平換流器與儲(chǔ)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(chǔ)能單元分散于各個(gè)子模塊，降低了儲(chǔ)能單元的電壓等級(jí)， 使得儲(chǔ)能單元穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)比級(jí)聯(lián) H 橋換流器最大優(yōu)勢是儲(chǔ)能單元可以通過 MMC 的公共直流母線與直流側(cè)進(jìn)行能量交互。

針對(duì)越來越多元化的電網(wǎng)，大量的非線性負(fù)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(fù)序電流、無功電流、諧波電流上，使線路的損耗增加， 進(jìn)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(bǔ)償和電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)上。 無功補(bǔ)償?shù)氖峭ㄟ^補(bǔ)償裝置的接入，向系統(tǒng)注入補(bǔ)償電流，進(jìn)而補(bǔ)償電網(wǎng)中的無功功率。隨著對(duì)無功補(bǔ)償技術(shù)的不斷研究，大量補(bǔ)償裝置出現(xiàn)，例如靜止同步補(bǔ)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(bǔ)償電網(wǎng)電壓，例如 DVR 串聯(lián)補(bǔ)償裝置。

實(shí)際的工程應(yīng)用中，我們一般通過儲(chǔ)能系統(tǒng)控制并網(wǎng)功率波動(dòng)，通過無功補(bǔ)償裝置控制電壓的穩(wěn)定。這樣做自然會(huì)增大投資成本，但是通過將儲(chǔ)能單元與 PCS 相結(jié)合，可以在降低成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)有功和無功的補(bǔ)償。所以本文對(duì)基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能型 MMC的控制策略研究對(duì)提高利用率和系統(tǒng)穩(wěn)定性有重要的意義。

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