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超级电容器储能应用于分布式发电系统的能量管理及稳定性研究


中国科学院电工研究所 博士学位论文 超级电容器储能应用于分布式发电系统的能量管理及稳定性研 究 姓名:唐西胜 申请学位级别:博士 专业:电力系统及其自动化 指导教师:齐智平 20060601

超级电容器储能应用于分布式发电系统的能量管理及稳定性研究

摘 要
双电层超级电容器兼具蓄电池能量密度大和电解电容器功率密度大的优点,循环 寿命长、储能效率高、充放电速度快、高低温性能好、环境友好,具有卓越的储能潜 力。本文以光伏系统为例,研究了超级电容器储能以及超级电容器蓄电池混合储能在 分布式发电系统中的应用;并探讨了超级电容器对分布式电力系统小信号稳定性的改 善作用。 介绍了太阳能电池及光伏系统的特性,给出了一种基于 dP dD 的最大功率点跟踪控 制策略及其理论依据。介绍了超级电容器工程用等效电路模型,构建了超级电容器储 能独立光伏系统,并进行控制环节和能量管理过程设计。仿真及实验表明,超级电容 器的充放电效率高达 92.5%,所用的 MPPT 方法具有较好的跟踪速度和精度,系统在光 伏发电功率波动和负载功率脉动时,呈现出良好的稳定性。 建立了超级电容器蓄电池直接并联储能的等效模型,针对脉动负载,分析了储能 系统的性能改善及其影响因素。对三种混合储能结构进行了理论分析、仿真和实验。 在有源式混合储能结构中,采用了一种蓄电池近似恒流放电控制策略,蓄电池只以脉 动负载的平均功率输出,放电过程具有明显的优化效果。 提出了将超级电容器蓄电池混合储能应用于光伏等分布式发电系统,以优化蓄电 池的充放电过程。将光伏阵列及充电控制器等效为脉动电流源,分析了混合储能的响 应。提出了一种无源式混合储能方案,可以较好地优化蓄电池的充放电过程。给出了 一种有源式混合储能方案,并提出了一种蓄电池优化充电控制策略。对两种储能结构 进行了仿真分析和实验验证。 分析了混合储能的技术经济性。驱动脉动负载时,蓄电池的输出电流峰值远小于 负载的脉动电流峰值,可以减少蓄电池组的配置容量,降低安装成本。利用超级电容 器的储能能力和并联控制器的变流控制作用,可以减少蓄电池的充放电小循环次数, 减小放电深度,延长蓄电池的使用寿命,降低运行成本。 探讨了直流分布式电力系统的小信号稳定性问题。分析了恒功率负载的负阻性以 及各种功率模块之间较强的相互作用对系统稳定性的影响。介绍了稳定性的阻抗分析 法,包括稳定禁止区域、阻抗规范,以及稳定裕度的测试等。超级电容器的等效源阻 抗很小,本文提出,将超级电容器与系统中的直流母线并联,以降低源输出阻抗,使 系统环路增益的奈氏曲线远离禁止区域,从而提高稳定性能或带载能力。并以光伏系 统的实例分析证实了可行性。

关键词:超级电容器;分布式发电系统;独立光伏系统;蓄电池;最大功率点跟踪; 等效电路模型;混合储能系统;技术经济性;小信号稳定性

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超级电容器储能应用于分布式发电系统的能量管理及稳定性研究

Research on Energy Management and Stability of Distributed Generation System with EDLC as Energy Storage
Tang Xisheng(Power System and Automation) Directed by Professor Qi Zhiping

Abstract
As a promising energy storage element, Electric Double Layer Capacitor (EDLC) has the virtues of both high energy density of battery and high power density of electrolytic capacitor. Moreover, it has long cycle life, high storage efficiency, sound temperature adaptability and environmental character. EDLC storage system and EDLC/Battery hybrid storage system and their application in Distributed Generation (DG) systems were studied in the paper with standalone Photovoltaic (PV) system as an example. Small signal stability improvement of Distributed Power System (DPS) with EDLC was explored in the paper. The character of solar cell and PV system were introduced. An effective Maximum Power Point Tracking (MPPT) method ( dP dD )and its theoretic basis were presented. An engineering-oriented simplified equivalent model of EDLC was given and then the equivalent model of stand-alone PV system with EDLC as energy storage was set up. The control loop and energy management process were designed. Simulation and experiment results show that the charging/discharging cycle efficiency of EDLC is as high as 92.5% and PV array can operate on the maximum power point quickly and precisely. System is very stable when the generating power of PV array or the load power fluctuating. The equivalent model of directly paralleled EDLC/Battery hybrid was setup and the performance and its influence factors were analyzed quantificationally with pulsant load as an example. Three hybrid structures including passive and actively controlled hybrids were explored including theoretic analysis, simulation, experiment, and character comparison. As to the actively controlled hybrid, a method was presented which can make the discharge current of battery nearly constant and its output power equal to the average power of the pulsant load. The discharge process of battery is optimized markedly. The idea of EDLC/Battery hybrid as the storage of stand-alone PV system was advanced in the paper to optimize the operating process of battery and then lengthen its lifetime. The performance of the hybrid was analyzed quantificationally taking PV array and its charge controller as pulsant power supply in an uttermost situation. A passive hybrid structure was brought forward originally which can optimize the charge/discharge process of battery. An actively controlled hybrid structure was also given which can make the energy management flexible through the control of parallel controller. As to the actively controlled structure, battery can be charged with optimized current under a special method advanced in the paper. The economic performance of the EDLC/Battery hybrid was analyzed. When driving pulsant load, the battery capacitance and cost can be reduced greatly since battery just afford

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the average power of the load. The charging and discharging cycles can be reduced thanks to the long cycle life of EDLC and the power converter between EDLC and battery. As a result, the life of battery is prolonged and then the operating cost is lessened. The small signal stability of DC DPS was explored. Two factors influencing system stability including the negative impedance of constant power converter and the interactions among converters were analyzed. The method for checking small signal stability was introduced including forbidden region, impedance specification and stability margin measurement. The idea was brought forward that the small signal stability of DC DPS can be improved with EDLC paralleled connected to the DC BUS. Due to the small equivalent impedance, the output source impedance is reduced and the Nyquist curve of the system loop gain is far from the forbidden area. It was proved proper in a PV system.

Key words:EDLC;Distributed generation system;Stand-alone PV system;Battery; MPPT;Equivalent circuit model;Hybrid energy storage;Economic analysis;Small signal stability

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致 谢

论文答辩说明
本人郑重声明:所呈交的论文是我本人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得中国科学 院电工研究所或其他研究教育机构的学位论文所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。

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关于论文使用授权的说明

本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留、使用学位论文的规 定,即:电工研究所有权保留并送交论文的复印件,允许论文被查阅和借 阅,电工研究所可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。(保密的论文在解码后也遵循此规定)

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第一章 绪论

第一章 绪 论
1.1 分布式发电系统
面对能源需求和环境保护的双重压力,世界各国采取了提高能源利用率、改善能 源结构、探索新能源、发展可再生能源等措施,以实现能源的可持续发展与和谐发 展。其中,基于可再生能源的分布式发电是最具发展潜力和前途的技术之一,加大力 度对分布式发电系统的研究和开发,具有非常重要的战略意义。我国是能源消耗大 国,尤其应该重视可再生能源的开发和利用。2006 年开始实施的国家“十一五规划”
[1]

,以及《可再生能源法》[2],把能源作为国家发展战略的重点,将可再生能源和分布 分布式发电是相对于传统的集中式供电方式而言的,是指位于或接近负荷的、模

式发电提高到战略高度,并从国家立法的角度为其发展和应用提供支持和保障。 块式的、与环境兼容的发电设施(功率为数千瓦至 50MW[3,4]),它们或接在配电网上 或独立运行,经济、高效、可靠地发电。目前的分布式发电采用内燃机、微型燃气轮 机、燃料电池、可再生能源如光伏、风力、潮汐、地热等[3-6]。分布式发电系统的特点 是规模和功率较小;高效、经济、可靠、污染小;独立运行或接在配电网上,并位于 负荷附近;对于可再生能源分布式发电,输出功率是间断的。
直流母线 光伏发电 单元 风力发电 单元 燃料电池 发电单元 燃气轮机 发电单元 DC/DC 交流 负载 直流 负载 储能 单元 并网 单元

DC/AC

AC/DC

DC/DC

AC/DC

DC/DC

AC/DC

DC/AC

图 1-1 分布式发电系统结构示意图

图 1-1 所示为分布式发电系统的一个典型结构。包括,光伏发电、风力发电、燃料 电池、微型燃气轮机等分布式发电设备,各种发电设备通过相应的功率变换器以直流 的形式输出,并汇流到系统的直流母线。直流母线可以通过 DC/AC 变换器给交流负载 供电,可以通过 DC/DC 变换器给直流负载供电,可以通过双向 DC/DC 变换器与储能 单元之间进行能量交换,还可以通过双向 DC/AC 变换器与公用电网/配电网之间进行能 量交换。 在分布式发电系统中,各种发电设备在工作过程中存在一定的缺陷,如微型燃气 轮机和燃料电池的响应速度比较慢,而风力发电和光伏发电则会因为风速、风向、日 照强度、环境温度等自然条件的变化而不能持续地、稳定地输出电能,导致系统稳定

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性问题的增加[7,8],而且难以很好地跟踪负荷的变化。因而,在系统中配置一定容量的 储能装置,对分布式发电系统具有非常重要的作用[9-11]。 1、保证系统持续可靠地供电 当环境因素或外部条件变化较快,分布式发电设备不能稳定地输出电能,系统中 存储的能量可以产生一定的能量和功率支撑作用,保证对负载持续、稳定地供电。 如,燃料电池和燃气轮机在启动和工况改变时惯性较大,输出功率不能及时地跟踪负 荷的变化;而风力、光伏等可再生能源发电设备的输出功率会随环境因素变化。此 时,储能装置可以及时地将储存的能量释放出来,保证供电的持续性和可靠性。 2、对系统起稳定作用 在分布式发电系统中,能量存储使得系统在发电设备输出功率或负荷功率波动较 大时,仍然能够保持较好的稳定性。即,使得系统具有较好的大信号扰动稳定性。在 系统出现大信号扰动时[12],由储能装置释放或吸收短时峰值功率。分布式发电与储能 装置的可靠结合是解决诸如电压脉冲、跌落、涌流和瞬时供电中断等动态电能质量问 题的有效途径之一。此外,针对分布式发电系统日益突出的小信号稳定性问题[13],采 用适当的储能装置可以提高系统的小信号稳定性。 3、使发电单元具有可调度性[9] 分布式发电系统可以与电网连接,实现向电网的馈电,并可以提供削峰、紧急功 率支持等服务。而一些可再生能源分布式发电系统,如光伏发电和风力发电,受环境 因素的影响较大,因此,无法制订特定的发电规划。如果配置能量储存装置,就可以 在特定的时间提供所需的电能,而不必考虑此时发电单元的发电功率,只需按照预先 制定的发电规划进行发电。储能装置的容量越大,系统的调度就更加自由,就可以获 取更多的经济利益,但需要的投资也就越大,关键在于找到最佳经济平衡点。 鉴于分布式发电系统的特点和储能的作用,对储能装置的性能特点具有较为独特 的要求。概括起来,包括,能量密度大,能够以较小的体积重量提供较大的能量;功 率密度大,能够提供系统功率突变时所需的补偿功率,具有较快的响应速度;储能效 率高;高低温性能好,能够适应一些特殊环境;以及环境友好等。 可应用于分布式发电系统的储能装置很多,包括可充电蓄电池、抽水蓄能、超导 储能、飞轮储能、压缩空气、分解水为氢氧等 [10] 。但在中小容量的分布式发电系统 中,可充电蓄电池,尤其是铅酸蓄电池储能,是最简单可行的方案,应用非常广泛。 尽管如此,基于电化学反应的可充电蓄电池在分布式发电系统中存在着一定的局 限性,很难达到预期的性能要求和技术指标,具体体现在以下 4 个方面。 1、循环寿命问题 蓄电池在储能过程中电极活性物质参与化学反应,会引起电极结构的膨胀和收 缩,频繁的充放电过程会导致蓄电池容量的过早衰减。在分布式发电系统中,储能装 置一般工作于循环充放电状态,导致其使用寿命的缩短。如,在独立光伏系统中,蓄 电池白天充电,晚上放电,即使在白天,也可能因为日照强度、环境温度等因素的变

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化而处于时充时放的充放电小循环状态,导致蓄电池过早的容量损失或失效,缩短了 使用寿命。 2、深度放电后的容量恢复问题 在分布式发电系统中,当蓄电池处于深度放电状态时,如果受到自然资源或系统 故障等因素的影响,分布式发电设备不能发电或发电量很小,蓄电池放电后的容量得 不到及时恢复,致使极板硫酸盐化严重和实际容量的损失,甚至过早失效[14]。 3、高低温性能问题 蓄电池对环境温度十分敏感,其寿命和实际容量与温度有很大关系。一般地,按 浮充使用经验,温度超过 25℃时,每升高 10℃,VRLA蓄电池的寿命缩短一半;如果 温度过低,实际放出的容量也会大大降低,一般VRLA电池在-10℃时,只能放出实际 容量的 70%左右[15]。光伏、风力等分布式发电系统常常位于高原、沙漠、海岛等条件 恶劣地区,环境温度变化范围很大,会造成蓄电池使用寿命的缩短。很多系统不得不 为蓄电池配备调温设备,增加了投资和功耗。 4、充放电过程敏感 蓄电池对充电过程非常敏感[16],而在分布式发电系统中蓄电池的充电过程是不规 则的,有时充电电压不够,有时又过高,容易造成蓄电池的早期损坏;蓄电池在放电 时基本以小电流工作,由文[14]可知,小电流放电时形成的PbSO4氧化比大电流放电时 困难的多,这是因为大电流条件下形成的PbSO4 结晶颗粒比小电流时的小,大颗粒的 PbSO4溶解困难,势必影响PbSO4转换为PbO2的效率,减小了蓄电池的容量。而且,粗 大的PbSO4结晶颗粒减小了其有效面积,再充电时加快了极板的极化,进一步影响了蓄 电池的容量和使用寿命。 此外,由于蓄电池的功率密度小,等效串联内阻较大,大功率放电能力不足,导 致蓄电池在大电流放电时会出现端电压严重跌落的现象。过大的电压跌落会使保护系 统误认为蓄电池过放电而进行断电保护,使系统发生停电故障[17]。长时间驱动脉动负 载还会使蓄电池温升较大,影响其实际容量和使用寿命。为了满足负载的峰值功率需 求,往往需要加大蓄电池的配置容量,造成了系统成本的大幅度提高。 目前,为了改善蓄电池的工作过程,延长其使用寿命,对系统的能量管理做了很 多的工作,如,改进充放电方法;进行过充过放保护;根据多种条件判断蓄电池的荷 电状态,如端电压、温度、电解液密度、充放电电流等。而且,针对分布式发电系统 的特点,对蓄电池器件本身进行改进,如,优化板栅合金,加大极板厚度等[15,18]。这 些措施可以有效地延长蓄电池的使用寿命,但不能从根本上解决上述问题。

1.2 超级电容器及其储能系统
超级电容器的出现,以及近年来超级电容器在储能应用方面的发展,给分布式发 电系统的储能带来了新的发展机遇。

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1.2.1 超级电容器 目前,关于超级电容器的分类方法并未完全统一,一般认为超级电容器包括双电 层电容器(Electric Double Layer Capacitor,EDLC)和电化学电容器(Electrochemical Capacitor)两大类[19]。其中,双电层电容器采用高比表面积活性炭,并基于碳电极与 电解液界面上的电荷分离而产生双电层电容[20]。电化学电容器采用 RuO2 等贵金属氧化 物作电极,在氧化物电极表面及体相发生氧化还原反应而产生吸附电容,又称为法拉 第准电容[20,21]。由于法拉第准电容的产生机理与电池反应相似,在相同电极面积的情 况下,它的电容量是双电层电容的几倍;但双电层电容器瞬间大电流放电的功率特性 比法拉第电容器好。本文所研究和应用的超级电容器,主要是指基于双电层原理工作 的双电层超级电容器。 双电层原理是德国人Helmholtz于 1879 年提出的[19]。当金属插入电解液中时,金属 表面上的净电荷将从溶液中吸引部分不规则分配的带异种电荷的离子,使它们在电极溶液界面的溶液一侧离电极一定距离排成一排,形成一个电荷数量与电极表面剩余电 荷数量相等而符号相反的界面层。这个界面层由两个电荷层组成,一层在电极上,另 一层在溶液中,因此形成双电层(Helmholtz Layer)。由于界面上存在一个位垒,两层 电荷都不能越过边界彼此中和,按照电容器原理将形成一个平板电容器[19]。 由此可见,超级电容器的充放电过程始终是物理过程,不发生电化学反应。因 此,其性能稳定,能量存取速度快,充放电损耗小,与可充电蓄电池相比,具有较大 的性能优势。 根据电容器原理,电容的容值取决于电极间距和电极的表面积。采用活性炭或活 性炭纤维多孔化电极的双电层电容器,电极与电解液的接触面积大幅度增加,可以获 得极大的比面积,高达 1000~3000m2/g[20,22,23];而且,双电层之间的距离非常小,仅 为几个电解液分子,或者约为 10-10m[22]。因而,超级电容器具有极大的电容量,可以 存储很大的静电能量。一般地,双电层电容器的电容量很容易超过 1F,比普通电解电 容器高 3~4 个数量级。目前,单体超级电容器的最大电容量可以达到 5000F[24]。 电解液的分解电压决定了超级电容器的最高工作电压。当电容器两极板间电压低 于电解液的氧化还原电极电位时,电解液界面上的电荷不会脱离电解液,超级电容器 为正常工作状态。当两极板间电压超过电解液的氧化还原电极电位时,电解液将分 解,为非正常状态。电解液的成分不同,其分解电压也不同。一般地,采用水电解液 的双电层电容器的单体工作电压约为 1V,而采用有机电解液的双电层电容器单体电压 可达 3~3.5V[23,24]。 1.2.2 超级电容器储能的特点 作为新兴能量储存器件,超级电容器与蓄电池及普通电解电容器相比,具有明显 的特点和优点,表 1-1 所示为超级电容器、铅酸蓄电池、普通电解电容器典型产品的性 能指标对比[19,25]。可以看出,超级电容器兼具蓄电池能量密度大和普通电容器功率密

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度大的优点,充放电速度快,充放电效率高,循环寿命长,高低温性能好。此外,超 级电容器的材料几乎没有毒性,环境友好,而且在使用中无需维护。
表 1-1 超级电容器、铅酸蓄电池、电解电容器的性能比较
性能 循环寿命(次) 充放电效率 充电时间 温度范围 能量密度(Wh/Kg) 功率密度(kW/Kg) 超级电容器 >500,000 90~95% 秒级 -40~70℃ 5~10 2~10 铅酸蓄电池 1000~2000 70~90% 数小时 室温 25~45 0.1~0.5 电解电容器 >106 ≈1 10-6~10-3秒 -40~105℃ <0.2 10~1000

1、循环寿命长 室温条件下,超级电容器深度充放电时的充放电循环次数可达 50 万次以上[26,27], 或可以工作 90000 小时。作为能量储存装置,其使用寿命与系统中的功率变换器、控 制器等装置相当甚至更长,在很多应用场合均可视为永久性器件,可以做到“一经安 装,无需更换”。 2、功率密度大 超级电容器属于物理储能器件,其充放电过程实质上就是导电离子在电极上的吸 附和脱附过程,电极材料巨大的表面积使得这一过程几乎没有任何障碍,因而其充放 电过程理论上不受限制[28],具有很大的功率密度,约为铅酸蓄电池的 20 倍。大功率输 出和输入能力很强。例如,当环境温度为 25℃时,容量为 2400F的某型超级电容器的 额定放电电流不低于 468A,而放电电流峰值则高达 1920A[26]。采用超级电容器储能, 在各种需要短时大功率充放电和负载功率脉动等应用场合中具有很好的适应性,能够 以较小的容量实现较大的功率输出。 3、充放电速率快 超级电容器可以等效为一个等效串联内阻与理想电容器的阻容结构[23,29,30],由于 等效串联内阻很小,因而超级电容器的充放电时间常数很小,可以允许以很大的速率 充放电。超级电容器可以在数十秒或数分钟的时间内完成快速充电或放电。蓄电池在 充放电过程中会受到参与电化学反应的离子扩散速度的限制,因而充放电速率慢。 4、充放电效率高 超级电容器的等效串联内阻很小,在充放电过程中的能量损耗小,因而具有很高 的充放电效率,其充放电周期效率可以达到 90%以上[27,32,69]。在包括功率变换器能量 损耗的情况下,超级电容器的充放电周期损耗约为 10%,蓄电池则为 20%~30%[25]。 5、高低温性能好 超级电容器在能量的交换过程中不发生电化学反应,因而与可充电蓄电池相比, 对环境温度的依赖性大为减弱,具有良好的高低温性能。超级电容器能够在-40℃~+70 ℃温度范围内正常工作[26],而不会发生明显的性能降低。 6、能量管理简单准确

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超级电容器的储能量与端电压之间具有确定的关系,即, W = CU 2 2 。因而对荷电 状态(SOC)的判断简单而准确,只需检测端电压,就可以准确确定所储存的能量, 方便了系统的能量管理。 7、环境友好 双电层超级电容器使用的材料安全、无毒、环保。电极材料主要由碳组成,不含 铅、镉等重金属,不会对环境带来污染,也不会对生产或使用人员造成伤害。此外, 超级电容器属于静止储能器件,没有转动的机械部分,在使用中安全可靠,不会给环 境带来噪声污染。 当然,超级电容器也存在着较明显的不足之处,尤其是应用于长期的、大容量的 电力储能场合。从目前的产品情况来看,主要存在以下的不足之处。 1、能量密度较低 超级电容器的能量密度与蓄电池相比偏低,大约是铅酸蓄电池的 20%。在相同的 能量需求条件下,其体积重量比蓄电池组大得多,应用范围受到制约,还不适宜于大 容量的电力储能。 但从近年来超级电容器的发展趋势看,其能量密度提高较快。如日本电子于 2003 年 10 月 3 日发布的新型双电层电容器,能量密度高达 50~75Wh/kg,几乎提高了 10 倍,已经达到了甚至超过了蓄电池的水平[31]。能量密度的提高,使超级电容器从高功 率密度应用领域步入高能量密度应用领域成为可能。 2、端电压波动范围大 超级电容器的端电压随着储能量的变化波动较大,在充放电过程中会不断地上升 或下降。如,当超级电容器放出 75%的储能量时,其端电压下降到了原来的 50%。 负载在工作过程中一般要求端电压稳定,因而,需要在超级电容器与负载之间配 置一个电压适配器,以达到稳压的目的[81,82]。电压适配器的使用,造成了系统的结构 复杂、成本上升和能量转化效率下降。 3、串联均压问题 超级电容器的单体电压较低、储能量较小,一般需要进行串并联组合才能达到要 求的电压等级和储能容量。由于电容量和等效并联内阻等器件参数的差异,导致串联 单体电容电压在工作过程中的不一致[22,79]。 如,同一批产品的电容量允许偏差一般为-10%~20%[26],由 ?U = I ? ?t C 可知,串联 支路中各单体电容在充放电过程中电压的变化率不一致。导致一部分单体电容电压过 低,容量不能被充分利用,而一部分的电压过高,内部电解液发生分解而失效。因 此,需要进行串联均压处理[22,80],以提高电容器的容量利用率和安全性。但增加了系 统的复杂程度,并造成了一定的能量损耗。 此外,目前超级电容器的价格较贵,大容量电力储能的成本很高。但主要原因不 是材料和工艺问题,而是产业化程度问题。从近年来价格变化曲线可以预见,在不远 的将来,随着超级电容器应用范围的扩展和产业化进程的加快,其成本会大幅度降 低,达到合理化的程度和具有较强市场竞争力的水平。

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