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学稳定性等因素都能影响电容器的性能。其原理如图2-2所示。
图 2-1 超级电容原理图
当用直流电源为超级电容器单体充电时，电解质中的正、负离子聚集到固体电极表面，形成“电极/溶液”双电层，用以贮存电荷。双电层厚度的形成，依赖于电解质的浓度和离子的尺寸，其容量正比于电极表面积，而与“电极/溶液”双电层的厚度成反比；其贮能量受电极材料表面积、多孔电极孔隙率和电解质活度等因素的影响。
2.3 超级电容器的特点
超级电容器作为一支新型的储能元件，具有以下显著特点：
（1）超级电容的电容量非常高（0.1F~50 000F），比同体积钽、铝电解电容器的电容量大2 000~50 000倍；
（2）漏电流极小，具有电压记忆功能，电压保持时间长； （3）功率密度高，可作为功率辅助器，提供大电流；
（4）充放电效率高，具有超长的自身寿命和循环寿命，充放电次数大于10万次； （5）对过充放电有一定的承受能力，短时间的过电压不会对其产生严重的影响，能够反复的、稳定的充放电；
（6）比蓄电池安全，短路状态下，超级电容器不会发生爆炸； （7）温度范围宽-40℃~+70℃，而一般电池则只有0℃~+60℃； （8）维护费用少，材料环保，无污染。
但是，目前超级电容器还在研究和发展阶段，理所当然的会有一些需要改进的方面，比如说能量密度较低，体积能量密度较差，和电解电容器相比，工作电压较低，作为非水系电解液要求高纯度、无水，并且非水系电解液对于装配环境要求严格，造价较高。
鉴于其优良特性，超级电容器非常适合在多种系统中应用。
2.4 超级电容器的应用
超级电容器作为大功率物理二次电源，在国民经济各领域用途十分广泛：各发达国家都把超级电容的研究列为国家重点战略研究项目。1996年欧共体制定了超级电容器的发展计划，日本“新阳光计划”中列出了超级电容器的研制，美国能源部及国防部也制定了发展超级电容器的研究计划 。我国从80年代开始研究超级电容器，北京有色金属研究总院、
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锦州电力电容器有限责任公司、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学等也陆续开展超级电容器相关研究工作。2005年，中国科学院电工所完成了用于光伏发电系统的300 Wit／1 kW超级电容器储能系统的研究开发工作。2006年8月，世界首条超级电容公交商业示范线在上海率先启动，上海振华港机利用超级电容器作为轮胎式集装箱龙门起重机储能装置实现了绿色，取得良好效果。2008年8月，北京理工大学具有自主知识产权的纯电动动力系统应用到北京奥运用电动客车中。虽然针对超级电容器研究成果颇丰，但整体来看，我国的研究与应用水平明显落后于世界先进水平。目前超级电容器正逐渐步入成熟期，市场越来越大，有越来越多的公司聚焦到生产超级电容器上。超级电容器主要应用于以下几个方面：
(1) 超级电容器在便携式仪器仪表中如驱动微电机、继电器、电磁阀中可以替代电池工作，它可以避免由于瞬间负载变化而产生的误操作；
(2)应用在500A以下的，主要作为主供电的后备电源。在数字调频音响系统、可编程消费电子产品、洗衣机等中作为CMOS、RAM、IC的时钟电源并在测量仪器、自动控制模块等中提供高温85℃条件下系统时钟电源；
(3)超级电容器技术还可应用在移动无线通讯设备中。这些设备往往采用脉冲的方式保持联络，由于超级电容器的瞬时充放电能力强，可以提供的功率大，因此在这一领域的应用也非常广阔。
(4)在众多大型石化、电子、纺织等企业的重要电力系统特别是在大功率系统上的瞬态稳压稳流，超级电容器是几乎不可替代的器件。另外，芯片企业在选址时考虑电力的波动也是一个非常重要的环节,而超级电容器系统则可以完全解决这个问题；
(5)超级电容器在短时UPS系统、电磁操作机构电源、太阳能电源系统、汽车防盗系统、汽车音响系统等系统上也具有不可替代的作用。在风力发电或太阳能发电系统中，由于风力与太阳能的不稳定性，会引起蓄电池反复频繁充电，导致寿命缩短，超级电容器可以吸收或补充电能的波动，解决这一问题；
(6)超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车和特殊载重车辆方面也有着巨大的应用价值和市场潜力。作为电动汽车和混合动力汽车的动力电源，可以单独使用超级电容器或将其与蓄电池联用。这样，超级电容器在用作电动汽车的短时驱动电源时，可以在汽车启动和爬坡时快速提供大电流从而获得大功率以提供强大的动力；在正常行驶时由蓄电池快速充电；在刹车时快速存储发电机产生的瞬时大电流，回收能量，从而减少电动汽车对蓄电池大电流放电的限制，延长蓄电池的循环使用寿命，提高电动汽车的实用性；
(7)超级电容器在电动助力车市场上的应用也正在扩展。电动助力车上的蓄电池由于其充放电电流要求苛刻，能量难以进行瞬时回收，而超级电容器非常容易满足这些要求。超级电容器在电动助力车起动、加速与爬坡时对系统进行能源补充，并在刹车时完全回收能量，提高系统性能。
2.5 本章小结
本章主要介绍了超级电容的产生背景、原理、特点以及应用范围。从基本上讲解了超级电容这一新型的电网补偿装置的原理及发展，其优良的性能是它迅速成为了现在研究的一个热点。
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3 超级电容器储能系统结构及控制技术
3.1 超级电容器的等效电路模型
超级电容的基本结构包括：集电板、电极、电解质和隔离膜。超级电容的储能原理基于多
孔材料“电极/溶液”界面的双电层结构，从阻抗角度分析，等效电路为一般的RC电路，其等效电路如图2-5所示。其中，EPR为等效并联内阻，ESR为等效串联内阻，C为等效容抗，L为等效感抗。EPR主要影响超级电容的漏电流，从而影响超级电容的长期储能性能，EPR通常很大，可以达到几万欧姆，所以漏电流非常小。L代表超级电容器的感性成分，他是与工作频率有关的分量。
图3-1 超级电容的等效电路模型
3.2 超级电容器储能系统基本理论
随着社会的发展和科技的进步，各行各业对于生产过程和产品的质量要求越来越高，这也就使得它们对于电能质量的要求也越来越高，从而使得各种各样的电能质量控制装置不断接入配电系统之中。对于这些装置，不仅要求其输出电压稳定可靠，而且要求其输出电压正弦度好，动态响应速度快。经过一段时间的研究，其控制技术得到了不断的发展，由最早的开环控制发展到输出电压瞬时反馈控制，由模拟控制逐渐发展到了全数字控制，性能有了极大的提高。
而如今，变流技术领域的一个研究热点就是逆变器的数字控制方法，并且出现了多种逆变器离散化的控制方法，主要包括数字PID控制、状态反馈控制、无差拍控制、重复控制、模糊控制以及神经网络控制等。这其中，最常用的方法是PID。控制与其它控制方法相比，PID算法具有如下优点：PID算法蕴涵了动态控制过程中过去、现在和将来的主要信息，可以使控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果；PID控制算法在设计过程中不过分依赖系统参数，因此系统参数的变化对控制效果的影响很小，控制的适应性好，有较强鲁棒性；PID算法简单明了，已经形成了一套完整的设计和参数调整方法。但是，数字PID控制算法也不可避免的会有一些局限性。一方面是系统的采样量化误差降低了算法的分辨率，使得PID调节器的控制精度变差；另一方面，采样和计算延时使得被控系统成为一个具有纯时间滞后的系统，造成了PID调节器的设计困难，稳定域减小。随着高速信号处理器DSP及高速A/D的出现，才使得数字PID技术有了进一步应用。
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3.3 超级电容器储能控制系统主电路
众所周知，电压、频率、波形和三相平衡是影响电压质量问题的四个主要方面，其中包括用电的可靠性、稳定性和连续性，电网系统要求尽量易于操作，合理利用和节约能源以及较少的维护费用等。能够影响电能质量的电力网络上的电气干扰的情况主要包括：电压的突然跌落和上升及电压的完全中断，电压的谐波分量，电压的波动与闪变，电压的三相不平衡等，其中最为严重的电能质量问题就是电压的突然跌落以及电压的完全中断。而如今超级电容器则可以很好的解决这问题。本文主要研究超级电容器储能系统并联在系统和负荷之间，通过整流器将电能储存在超级电容器中。当储能系统向外供电时，逆变器将直流电能转换为交流电能，通过变压器将能量输送回电网或负荷。由于超级电容器储能系统具有储能单元，在配电系统发生供电电压中断时可以向负荷短时供电，所以，该系统可以有效抑制负荷扰动造成的电压波动，在提高系统的供电能力和供电可靠性方面也有很好的作用。
超级电容器储能系统的主电路结构主要包括：整流单元、储能单元和逆变单元。整流单元采用三相全桥整流器，给超级电容器充电以及为逆变单元提供直流电能。逆变单元采用IGBT组成的三相电压型逆变器，通过变压器与电网相联。超级电容正常工作时，通过IGBT的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波频率时，可以将超级电容器储能系统等效为幅值和相位均可控制的交流同期电压源。
超级电容器储能系统的结构及连接方式如图3-2所示：
负载整流器超级电容器逆变器
图3-2 超级电容储能系统结构
3.4 整流单元的选择
工作于开关状态的功率半导体器件是现代电力电子技术的核心，半控型功率开关元件的问世标志着现代电力电子技术时代的开始。现代电力电子器件是指全控型的电力半导体器件，可分为双极型、单极型和全控型三大类。现代电力电子器件向着全控化、集成化、高频化、多功能化和智能化方向发展。双极型功率开关器件的主要特点是通态压降低、阻断电阻高和电流容量大，适用于较大容量的变流系统。其主要有电力晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)和静电感应晶闸管(SITH)等。其中GTR具有控制方便和通态压降低的优点，但存在二次击穿问题和耐压难以提高的缺点。一般应用于几十千伏安以下、开关频率低于10kHz的场合。GTO是目前能做到耐压最高、电流容量最大的功率开关器件之一，
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现在最大容量可达5000V、4500A。但其关断增益小，门极反向关断电流较大。需设置专门的驱动电路，开关频率一般为1～2kHz，多应用在200kVA以上的大容量变流设备中。SITH是大功率控开关器件。它的通态电阻小、开关速度快，可用于高频感应加热电源。但其制造工艺复杂，成本较高。
单极型功率开关器件的典型产品主要有功率场效应晶体管(MOSFET)和静电感应晶体管(SIT)。它们属于电压控制器件，驱动功率小。MOSFET的电流容量和耐压难以提高，多用于中小容量、开关频率较高的场合。SIT的输出功率大，多用于高音质音频放大器、通讯设施和空间技术等领域。
混合型功率开关器件是由单极型和双极型功率开关器件集成混合制造，利用耐压高、电流密度大、导通压降低的双极型器件作为输出级，同时利用输入阻抗高、响应速度快的单极型MOS器件作为输入级，兼有两者的优点。这类器件的典型产品有绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS晶闸管(MCT)和功率集成电路(PIC)等。MCT是晶闸管和MOSFET的混合集成，它阻断电压高，电流容量大，通态压降和损耗小，开关速度高，开关损耗小，是最有发展前景的全控型功率半导体器件。但现在实际应用很少。PIC是指功率开关器件与驱动电路、控制电路、保护电路等的总体集成，使强电和弱电达到完美的结合，完成了信息与动力的统一，推动电力电子技术进入智能化时代。但其耐压和电流容量很小。IGBT是MOSFET与GTR复合形成的一种新型器件，自八十年代中期以来发展十分迅速，开关频率已超过20kHz。它既具有功率MOSFET的电压驱动、开关频率高、无二次击穿问题等优点，又具有GTR通态电流大、反向阻断电压高等优点。近年来，在开关电源、电机控制以及其它要求开关频率高、损耗低的中小容量变流设备中，IGBT有取代功率MOSFET和GTR的趋势，成为应用最广泛的功率开关器件之一。
基于以上对各种常用全控型功率开关器件的对比分析，本文设计的三相桥式逆变器的功率开关元件采用IGBT。
三相全桥整流电路由于其较好的优越性，在现如今的工业上取得了广泛应用。三相全桥式全控整流电路的电路如图3-3所示。三相全桥整流电路通过对两组桥臂晶闸管元件的有序控制，可构成电源系统对负载供电的6条回路。每一整流回路中含有2只晶闸管元件，1只为共阴极组的某相元件；另1只则应为共阳极组的另一相元件。各整流回路的交流电源电压为两元件所在相间的线电压，等值电路和单相半波可控整流电路相同。
图3-3 三相全桥整流电路