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user: 5. 低功耗软件控制策略 5.1. 储能电池类型选择 二次电池引起可重复利用的特点被广泛用作电子设备的储能元件，近年来超级电容因其具有较高的循环寿命和快速充放电特性受到广泛关注。表2为各种类型的储能元件特性。由表可知，传统的镍氢、镍镉及铅酸电池虽具有成本低的特点，但其能量密度和功率密度均较锂电池和超级电容低。此外，由于传统电池的工作电压较低，往往需要2~3节电池串联使用，组成的储能系统重量和体积远大于锂电池和超级电容器，并不适用于对重量和体积要求较高的架空输电线路在线监测装置。 Table 2 Characteristics of common energy storage devic 类型 种类 电压(V) 能量密度 (W∙h∙kg −1 ) 功率密度 (W∙kg −1 ) 循环寿命 (周期) 自放电率 安全性 成本 (元∙Wh −1 ) 传统电池 镍氢电池 1.2 60~80 180~320 500~1000 30%~35% 差 3.3 镍镉电池 1.2 40~60 150~300 500~1000 20%~30% 中 1.9 铅酸电池 2 30~45 200~300 300~500 4%~5% 差 2.5 锂电池 磷酸铁锂 3.2 150~190 250~450 >2000 3% 优 2.5 三元锂 3.7 250~300 200~300 >1000 <1% 中 3.1 钛酸锂 2.3 55~90 350~550 >10，000 <1% 优 3.3 电容器 超级电容 2.7/5.5 0.7~4.3 1200~16，000 >200，000 <1% 优 459.3 普通电容 宽范围 <0.1 20~150 40，000 h N/A 优 N/A 表2. 常见储能电池特性 [ 19 ] [ 20 ] 近年来由于消费电子市场和新能源汽车领域的发展，锂离子电池得到了广泛应用且性能显著提升。锂离子电池根据正负极材料的不同可分为磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池、NMC三元锂电池和钛酸锂电池等多种类型。应用最多的锂电池类型为表2所示的磷酸铁锂电池、三元锂电池和钛酸锂电池。 磷酸铁锂电池的功率密度和寿命特性较好，但其能量密度和自放电率相对其它类型的锂电池较差。当输电线路发生故障停电后，要求在线监测装置将故障线路进行录波和数据上传并提供较长时间的续航时间，此时设备仅由储能模块供电。且磷酸铁锂在低温环境下的容量和充放电性能将大幅下降，而输电线路在线监测装置多工作在室外和野外环境。冬季时设备的工作温度较低，使用磷酸铁锂电池存在储能模块供电能力不足的风险。 钛酸锂电池指负极材料为钛酸锂的锂离子电池，具有功率密度高、循环寿命长、低温性能良好的优点。但其能量密度和单体电压水平较低，组成的储能模块同样不适用于输电线路在线检测装置。 三元锂电池指正极由镍、钴、锰组成的三元材料电池，具有能量密度高、自放电率低、单体电压水平高的特点，且其在低温环境下的性能表现优于磷酸铁锂电池。综上，三元锂电池更适用于配网WAMS在线监测装置。 超级电容又称法拉电容、储能电容。不同于普通的传统电容器，超级电容是一种依靠电化学双电层原理和极化电解液进行电能储存的新型电化学双层电容器 [ 21 ]。由于电解液界面不存在离子迁移，仅通过极板上电荷转移的物理过程实现充放电。但超级电容使用多孔碳作为电极增大了吸附电荷的表面积，这使其具有介于传统电容和二次电池之间的储能特性。虽然超级电容的能量密度较低，但其功率密度远高于二次电池和普通电容，可应用于需要大电流充放电的场景 [ 22 ]。而配网WAMS在线监测装置的工作特性决定了供电电源需要瞬间释放或吸收较大电流，因此使用超级电容作为功率补充器件。 综合考虑各类型储能电池的特性和监测装置的供电要求，选择三元锂电池与超级电容作为构成HESS的储能器件。 5.2. 供电电源设计 随着智能电网的发展，监测装置的可靠性要求逐渐提高。这要求监测装置具有稳定可靠的自供电能力，图4为本文采用的电源设计方案。 取能CT作为主要的供电电源向负载供电，但线路负荷过小或线路断电时无法满足负载的用电需求，此时HESS接入电路向负载独立或辅助供电。线路负荷过大时，取能CT的输出功率除向负载供电外还用于向储能系统充电。 锂电池与超级电容一般按照如图5所示的四种结构组成HESS，对四种结构作具体分析。 被动模型——如图5(a)所示，电池与超级电容直接并联，电池和超级电容的电流变化是一种被动的适配过程。电池的电流不易控制且易出现放电倍率过大的情况，HESS的可利用能量和功率受到限制。但这种结构较为简单，适用于低成本、能量和功率密度要求较低的用电设备； 半主动模型——如图5(b)~(c)所示，电池经DC/DC变换器与超级电容并联或超级电容经DC/DC变换 图4. 配网WAMS监测装置供电电源结构 图5. 锂电池与超级电容混合储能拓扑结构 器与电池并联。当电池经DC/DC变换器与超级电容并联时，DC/DC输入端电压稳定而输出端电压可在一定范围内波动，提高了超级电容的利用率。这种结构适用于超级电容主要供能且负载允许电压波动较大的用电设备；当超级电容经DC/DC变换器与电池并联时，DC/DC输出端电压较为稳定，从而限制了超级电容的能量利用。这种结构适用于电池主要供能、超级电容起功率辅助作用的用电设备。 主动模型——如图5(d)所示，超级电容和电池分别经其支路DC/DC变换器并联连接。这种结构的特点在于电池与超级电容均与负载解耦，可实现更加精准的能量流控制。但由于双DC/DC的使用，HESS的控制复杂度和能量损失进一步提升。这种结构适用于要求母线电压稳定或工况较为复杂的系统。 用于配网WAMS监测装置的HESS属于低压小电流系统，是重要的备用和辅助电源，且单片机直流系统对供电电压稳定性要求较高。因此综合考虑低功耗要求、锂电池和超级电容在监测装置HESS中的功能属性，选择图5(c)所示的半主动模型作为系统拓扑进行设计。 5.3. 储能容量选择 为了使配网WAMS设备能长期可靠运行，HESS应在线路发生故障后独立为监测装置供电不低于12小时。因此需要选用合适容量的锂电池和超级电容以满足线路断电期间监测装置的用电能量和功率需求。 锂电池作为能量器件提供HESS的平均功率。首先保持设备在线路断电和通电前后15 min处于“高速采样”和“接收–发送”模式，此时平均功率为1.9 W；还应使设备保持不低于11.5小时的低功耗工作状态，此时平均功率为0.35 W。为了保证HESS能够有效工作，综合考虑电池和周围电路特性，根据式(1)确定电池的容量： C B = P t U S S 1 S 2 η D C 1 (1) 式中，P为负载功率；t为供电时间； U S 为电路母线电压； S 1 为荷电状态(SOC)限制率，为了提高电池寿命并防止过充过放，使其工作在20%~85% SOC范围内， S 1 值为0.65。为了在电池容量衰减后仍满足供电要求，使用容量剩余比 S 2 作为设计冗余， S 2 值为0.8。锂电池工作电路效率 η D C 1 为90%。 超级电容作为功率器件提供HESS的峰值辅助功率，按照连续输出不低于10秒的最高功率、独立供电时间不低于15 min进行容量选择。本文中超级电容串联数较少，忽略等效串联电阻导致压降的影响。功率保持期间消耗的能量为： W k = 1 2 ⋅ I U s t η D C 2 (2) 根据电容的固有特性，超级电容器储存的能量为： W s = 1 2 ⋅ Q 2 C = 1 2 C U 2 (3) 超级电容器周围电路最低工作电压为4.75 V，则每个单体从5.4 V电压下降至4.75 V时释放的能量为： Δ W = 1 2 C ( U max 2 − U min 2 ) (4) 由于能量守恒， Δ W = W k ，则超级电容的容量计算公式为： C S C = 2 ⋅ Δ W U max 2 − U min 2 (5) 根据式(1)~式(5)及监测设备的功率特性参数，计算得锂电池的容量 C B > 2.5 Ah ，超级电容的容量 C S C > 223.6 F 。因此选用容量为3.4 Ah的SAMSUNG三元锂离子电池和2.7 V/50 F的Panasonic超级电容构成HESS，其中锂离子电池为1串1并结构、超级电容为2串10并结构。