实验室级基于光伏、卡特蓄电池和超级电容器的实验室级LVDC微电网电源管理和控制实验研究

事实上，微电网（MG）是小规模电力系统，成为将可再生能源（RES）集成到分布式系统中的一个有吸引力的解决方案[1]。MG结合了可再生能源系统（RES），如太阳能电池板、风力涡轮机、小型发电机和/或燃料电池（FC），无论是否配备储能系统（ESS）和负载[2]。它们可采用并网、断网或孤立模式工作。对于并网系统，机械电网与电网共享电力，以从电网进口缺口或出口多余电力。在这种模式下，能源管理单元为电网提供了能源韧性，有助于电网稳定，主要应用于工业和城市社区;此外，它们还需要双向电压源转换器和电网同步工艺。在电网断开模式下，机枪可以与主电网交互或必要时断开，这为本地系统提供了可靠性和灵活性。在孤立模式中，机枪独立于电网端工作，通过增强本地系统的韧性，为住宅应用和偏远地区提供局部电力[3]。
MG的广泛采用使其分为交流MG和直流MG，后者因换频级、损耗和传输线路减少而获得更高效率，且控制复杂度较低[5]，因此比交流MG更受关注[4]。交流机枪需要更多的同步、电压和频率控制、无功补偿等适配阶段[6]。如光伏（PV）、FCs（电力供应）等可再生能源（DC）以及如电池和超级电容器（SC）的ESS的直流特性，以及工业、家电、船舶、大学和研究实验室中直流负载的发展，使得直流MG元件之间通过合适的集中控制迅速相互作用[7]。
近年来，低压直流MG（LVDC MG）已被应用于路灯[8]、电信站[9]、数据中心[10]、电动汽车[11]、偏远离网城市[3]、船舶[12]以及直流海上[13]。使用这种机枪的关键在于选择LV级、连续电压变化（CVV）和电压纹波（VR）。根据IEC 60092-101指南，CVV必须保持在[-10%、+10%]范围内，VR不得超过5%。因此，LV电平的选择在系统的可靠性和稳定性方面仍然是个挑战。因此，相关研究文章在此背景下进行了，同时考虑了系统的效率、安全性和成本[14,15]。研究确定极低电压（VLV）电压为12伏，其余电压则属于其多重范围，包括极低电压、2*VLV和1500伏[16]。对于农村和偏远地区的LVDC电台，IEEE Std 2030.10-2021规定额定LV电平为48V。该标准基于ISO 21780：2020，要求设备在36V至58V的电压范围内工作。这种类型的MG具有诸多优势，包括减轻电力变换器压力、确保系统的安全性、可靠性和效率，以及在ESS管理上提供灵活性。实际上，这类 MG 的控制问题在于系统组件之间的功率共享和平衡，确保负载的高品质电源，保持稳定的直流总线电压，并最大限度地减少存储设备的压力。因此，为克服这些挑战，拟议的LVDC MG选择了48V的直流母线电压。
目前，LVDC机枪中使用多种电池以确保可靠高效的能量储存，其中铅酸电池相比锂离子电池更为常见，得益于其低成本、知名技术和广泛供应[17]。这些电池具有高能量密度，使其能够在 RES 或脉冲负载的间歇性期间提供所需的电力。在非最佳条件下工作会降低电池寿命，影响整个系统的可靠性和成本。为增强这些持久性，结合电池和SCs被用作混合ESS（HESS），实现高能量高功率密度[18]。除了电池-SC方案[[19]、[20]、[21]]，文献中还报道了其他HESS配置[22,23]，如电池-飞轮HESS [24]、电池-FC HESS [25]、FC-SC HESS [26]和电池-FC-SC HESS [27]。每种配置根据应用上下文各有优势和局限性[22]，如表1总结。这些研究证实，杂交是一种多功能方法，可以提升LVDC机动体的动态性能和能量自主性。
此外，不建议如[28]建议的那样，直接将HESS连接到直流母线，因为这会导致电流不受调节，缩短其寿命。因此，必须使用双向转换器来管理其充电状态（SoC），电池的充电状态应保持在[20%-80%]范围内，SC则应超过50%。为确保这一点，建议采用考虑SoC平衡和直流母线电压稳定的电源管理策略（PMS）[29]。
得益于MGs领域的贡献和广泛研究，包括[[30]、[31]、[32]、[33]]的研究，MGs的控制被组织成三个不同的层次。主层负责控制电力变换器，次级层负责系统组件的功率管理，三层则负责其能量管理。对于LVDC机枪来说，PMS在系统控制中起着关键作用。它侧重于优化局部系统，调节直流母线电压，并考虑所用微源的动态和稳态限制，如最优功耗、SoC和频率响应。PMS可以分为基于优化的方法（OBMs）和基于非优化的方法（N-OBMs）[34]。
对于OBM来说，可以重点介绍几项近期的工作。在[35]中，应用了庞特里亚金最小原理来优化HESS器件之间的功率分配。在[36]中，第一控制层采用传统的下垂方法，然后以去中心化方式共享包括电池SoC和负载功率需求的优化过程。参考文献[37]侧重于利用改进的软演员-批判者算法优化LV MG的能量，以降低数学建模的复杂性。[38]中提出了一种双级斯塔克尔伯格博弈方法，以最大化DC机枪的利润。此外，近期基于人工智能的技术已被应用于增强存储设备（如SC）的健康状态（SoH）估计[39]。OBM复杂的计算负担、庞大的数据存储和处理仍然是其实时实现面临的主要挑战[5]。
在N-OBMs方面，可以找到用于DC MG的HESS死拍控制[40]、用作集中控制器的快速积分终端滑动模式[41]、基于全滤波器的分散式控制带SoC平衡[42]、基于规则的多目标协调控制[43]以及自适应模糊集成分数阶PD-PI和FOPID控制器[44,45]。这些方法侧重于两个控制层，用于局部优化直流功率点跟踪（MPPT）算法、直流总线电压调节、双向变换器控制，以及通过低通滤波器（LPF）分隔频率功率参考的互联MG器件的功率管理。除了经典的低功率滤波器外，还有几种功率解耦策略被报道用于协调HESS功率共享，包括基于频率的低功率场分频和滞后[46]、可变带宽滤波[47]和自适应频率功率滤波器[48]。其中，LPF因其简单、性能可预测以及适合MG应用的实时实现而被广泛使用。在大多数用于N-OBM的PMS中，为了保证电力可靠性，会考虑以下参数，即可再生能源、非可再生能源和HESS的功率;峰值功率需求;电池SoC和SoH。由于这些方法在LVDC MG中被广泛采用，因为它们具有较简单的计算流程和简单的实时实现概念[5]。
然而，大多数关于基于HESS的LVDC机枪PMS的研究忽略了SC SoC在控制策略中的明确考虑[49]，尽管引入这一因素可以引入更多操作模式，提升系统的可靠性和稳健性。此外，许多报道的策略主要依赖基于仿真的验证，而未证明实验可行性[50]。其他研究主要聚焦于转换器级控制或尺寸调整方法，未整合协调多种操作模式的完整PMS[51]。相比之下，本文提出了一种显式集成SC SoC约束的PMS，确保稳健的直流母线电压调节，并延长HESS的寿命和可靠性。PMS利用电池作为高能器件和SC作为高功率器件的互补特性，在瞬变事件中减轻电池压力，提升整体系统稳健性。重要的是，该策略不仅通过模拟验证，还在dSPACE 1104上采用集中控制架构的实验室规模LVDC MG原型验证，证明其在基于仿真研究之外的实用性和有效性。