配电线路太阳能驱鼠器锂电池供电方案的研究

凌忠标 关家华 何兆英

广东电网有限责任公司佛山供电局 广东佛山 528000

摘要：随着社会经济的不断发展，配电网运行重要性也愈加凸显出来。在10kV配电线路中，中性点小电阻接地系统逐渐地得到了推广应用，但是小电阻接地系统的配电线路运行容易受到鼠患的影响，造成线路故障等问题。本文设计一套运用太阳能给锂电池供电的电路系统，通过充电过程中电池特性变化将马斯充电曲线划分为预处理、恒流充电、曲线跟踪充电、脉冲充电四个阶段，提出一种锂电池四阶段智能充电方法，应用于太阳能声波驱鼠器领域的研究，针对锂电池的不同充电阶段采取相应的充电策略，动态调整充电电流，在缓解电池极化效应的同时控制电池温升，有助于提高锂电池充电效率和电池使用寿命。仿真结果表明，该方法可以实现锂电池的充电过程，满足充电需求。

关键词：锂电池；极化效应；10kV线路；太阳能充电

锂离子电池具有高能量密度、高输出电压、循环寿命长等优点，广泛应用于移动电子、混合动力交通工具、航空航天等领域。锂电池是一种二次电池，可以进行多次充电。然而，充电过饱和或者欠饱和都会对其寿命造成影响。锂电池寿命的缩短不仅会带来经济损失，还可能导致重大事故的发生，特别是在航天航空领域。因此，对每次充电剩余时间的准确预测能防止锂电池寿命缩短，对系统的安全、稳定性具有工程指导意义。

1、10kV配电线路中性点接地方式   10kV配电线路的中性点接地方式可以分为中性点不接地，中性点直接接地和中性点经小电阻接地。随着社会经济的发展，城市化进程的加快，电缆线路的逐年增多，电容电流增大，并且由于城市化的建设导致配电网运行方式需要经常改变，从而导致了消弧线圈的调整存在着困难，容易出现单相接地故障发展为两相接地故障。同时从人身、设备安全的角度考虑，近些年我国的许多城市配电网中性点接地方式渐渐地由经消弧线圈接地向经小电阻接地方向改造。笔者所在单位也于2017年开始逐渐对所管区域内的中压配电网线路进行中性点接地改造，将原有的中压线路中性点由消弧线圈接地向小电阻接地改造。

相比于消弧线圈接地系统，10kV线路小电阻接地系统在系统发生故障时由于存在着短路回路，所以导致线路故障后，系统的短路电流大，使得保护装置跳闸动作，降低了配电网供电的可靠性。根据近几年笔者所在地区的配电网运行经验，实施配电线路中性点改造以来，10kV配电线路瞬时故障跳闸率有所上升，经过运维人员巡视和统计分析，发现造成10kV配电线路瞬时故障的原因有相当大的一部分是由于老鼠爬上线路导致线路短路引起的，因此防范老鼠登塔是提升线路运行可靠性的一个非常重要的措施。

目前防范老鼠登塔主要的措施是为线路安装防暑罩，通过安装机械阻隔的方式来防范老鼠登塔,以免导致线路短路跳闸，但是由于传统的防暑罩方式会对人员的登塔作业造成不便，因此笔者从电子防鼠方式的角度出发，希望通过使用电子线路产生超声波的方式进行驱鼠。由于户外10kV架空线路取电困难和配电线路杆塔分布特点，因此采用太阳能作为电子线路的供能方式。基于太阳能供电的不稳定性的特点采用具有高能量密度、循环寿命长等优点的锂离子电池作为储能电池。

2、太阳能充电装置结构

①辅助电源的设计。硬件电路的主电源包括 5V 直流电源和 3.7V 直流电源，主要器件包括充放电保护电路、DC-DC 电路和滤波电路。首先，充放电保护电路将太阳能电池板的输出电压进行降压，然后通过电容滤波后，由DC-DC 变换器稳定电压后对电池进行充电。由于振荡器电路的工作电压为5V，而锂电池的工作电压为3.7V，所以需要DC-DC 变换器提升电压后对后续模块供电，保护电路选用3A肖特基二极管IN5822；功率转换芯片选用三端可调稳压器 LM317。②声波模块设计。声波模块主要由功率放大电路、振荡电路两部分组成。功率放大器可以向负载输出大功率信号。本电子电路系统中，因为放大振荡输出用于能量功率，波形失真其实不重要，这样不但具备充足的振幅，并且电路简单。③充放电智能控制电路的设计。控制电路的计划必需考虑锂电池充电时的电压稳定性限定和锂电池的充电保护以及电池过度放电的保护。主要目标是避免充电过程当中过电流和过充电。另外，控制方案还必需选择适合的锂电池充电策略。此外，相比于模拟电路和单片机来讲，利用专门的充电管理芯片是一个更好的选择。

3、充电剩余时间预测策略

3.1支持向量回归训练过程

步骤1：数据预处理。为了获得更好的预测效果，训练之前将自变量与因变量进行归一化。

（1）

式中：max为样本最大值；min为样本最小值。实验过程中，将自变量转化到区间[0,1]内，将因变量转化到区间[100,500]内。

步骤2：建立训练样本对。在实验过程中，选取锂电池电压BV、锂电池电流BI、锂电池温度C、充电电压CV和充电电流CI作为特征向量，充电剩余时间作为支持向量机输出，建立如式(1)的训练样本对。

（2）

步骤3：训练SVR模型。根据网格划分在解空间寻找最优的格点进行搜索，得到最佳的惩罚参数C和核参数g，通过样本训练得到式中的w和b，确定最终的模型。

3.2模糊信息粒化

模糊信息粒化一方面可以降低样本规模提高训练的效率，另一方面，提供了输出的概率分布，实现了区间估计，提高了置信度。其步骤包括：步骤1，设置模糊窗口数，即设置每一个窗口数目包含的模糊粒子数，对式(2)中的x和y进行模糊化，从而生成具有代表性的小规模训练样本对；步骤2，重新生成训练样本对，每个窗口生成的代表性数据有最小值、平均值和最大值，将这些数据按照式(2)进行重新组合得到新的训练样本对。

4、仿真研究

在Matlab/Simulink环境下搭建实验仿真模型，S-function函数编写控制程序，Battery模型选用锂电池，参数设为3.7V，1500mAh，初始容量10%，通过控制受控电流源对电池进行充电测试。曲线跟踪充电和脉冲充电两个主要阶段的仿真结果。曲线跟踪阶段仿真结果，充电过程中根据电池充电容量动态调整充电电流，可发现实际充电电流呈指数减小，与马斯充电曲线走势一致。前半程充电电流较大，由于极化作用，端电压先较快上升；当充电电流减小时，极化电压下降，电池端电压有所减小，但随着充电时间延长，电池内电动势升高，端电压总体呈上升趋势。该阶段充电电流随时间减小，因此极化效应和温升现象不会持续累积，而是被控制在一定范围内，这对电池的充电是有帮助的。工程应用中检测电池容量是实现该过程的关键。脉冲充电阶段的电压、电流变化情况。虚线圆框内指示了一个脉冲周期端电压的变化情况：脉冲充电时，电池端电压突升后随脉冲充电时间逐渐抬升；停充时，由于极化效应存在，端电压有小幅跌落，之后引入反向脉冲放电，端电压快速衰减，相比于自然静置去极化方法的效果更优。随着脉冲数增多，端电压总体呈逐渐上升趋势。

5、结束语

综上所述，基于电压降补偿的快速充电系统，压降补偿法的引入有效延长了大电流恒流充电的时间，加快了整体充电速度。采用模糊自适应PID控制改进后的充电控制系统兼具模糊控制和PID控制两者的优势，操作简单且能较好处理系统的非线性、时变性和不确定性造成稳定性干扰的问题，实现了对充电系统的精准控制，有效提高了充电系统稳定性与锂电池的充电速度，从而确保了太阳能驱鼠器的运行可靠性和设备的使用时间，从而有效地提升了线路的防鼠水平，提高线路的运行可靠性。

参考文献

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［2］陈浩，郭利进，李辉．电动汽车铅酸蓄电池智能充电及其策略［J］．电子科技，2012 (11)

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