随着智能电网的不断发展,传统的蓄电池供电方式在变电站直流供电系统的运用中逐渐暴露了一些不足之处。近几十年,超级电容器因其动态响应快、效率高、功率密度大、循环寿命长、清洁无污染等优点,得到了众多学者的广泛关注。鉴于变电站直流供电系统存在的不足和超级电容器的诸多优点,本文提出了基于超级电容储能的直流供电系统,并以超级电容器为研究对象,重点研究其工作原理、等效建模方法、电压均衡技术以及超级电容储能系统的仿真建模和优化控制。介绍了超级电容器的工作原理,并对超级电容器的几种常见的等效数学模型以及其在工作过程中的充放电特性进行了仿真分析;研究了影响超级电容器端电压上升速率的主要因素。针对DC-DC变换器法的工作模式、参数选取、能量传递效率等重要模块进行详细的分析,并在其基础电路上提出了一种基于双绕组变压器的电压均衡方式,该拓扑允许使用通过多路复用器和选择器电路的经典两绕组变压器,该电路可以应用于任意数量的串联电容器。分析所提出的基于双绕组变压器的电压均衡电路的性能,并通过仿真对其进行了探索。比较所有两组电感参数下的仿真结果可知,较低的线圈电感在电池电压变化率方面表现出更好的性能,且当实施具有较低内部电阻的开关设计时,可以进一步改善所提出的转换器的均衡性。针对双向DC/DC变换器的数学模型与控制策略进行分析,建立超级电容储能系统的数学模型。设计一种基于多元宇宙算法的最优PID控制策略,通过多元宇宙算法对PID参数进行寻优,对比传统PID控制与多元宇宙优化PID策略的单位阶跃响应,证明了多元宇宙优化控制策略具有更佳的响应速度与鲁性。最后进行超级电容储能系统仿真实验,仿真分析可知,对比传统PID控制策略,在多元宇宙优化算法控制策略下,超级电容储能系统响应速度更快,稳态精度更高。搭建了基于超级电容器模组储能的直流电源装置并设计了人机交互系统。对超级电容器储能的直流电源装置进行充放电实验和分合闸试验,验证了该装置的可靠性。该论文有图63幅,表10个,参考文献80篇。