先进的能源管理策略，用于提升混合储能系统的太阳能光伏电动汽车充电站HAWKER蓄电池寿命

集成太阳能光伏（PV）的电动汽车充电站（EVC）需要高效的电力管理，以确保电网稳定性和电池寿命。本研究提出了一种混合储能系统（HESS），结合超导磁储能系统（SMES）和电池储能系统（BESS），以减轻瞬态电力波动并优化能量分配。所提出的电流控制策略通过MATLAB/Simulink模拟在变负载常量产生（VLCG）和恒定负载变量产生（CLVG）场景下验证。结果显示，中小企业集成在连接EV-1和EV-2后，分别将峰值电池电流降低了52.63%和32.72%，从而延长了电池寿命。此外，利用dSPACE DS1202平台进行实时验证，确认该系统在 不同负载和发电条件下有效稳定电网电压，并优化电力流。研究结果显示HESS在减少峰值瞬态电流和提升太阳能光伏支持EVC整体可靠性方面的有效性。

简介

近年来，直流（DC）微电网引起了研究人员的广泛关注。由于直流配电的效率和可靠性更高，可以更简化地控制更多电子负载、储能系统和可再生能源[1]。直流子电网的重要性和必要性因所有现代住宅和工业负载均由直流供电而进一步增强。多个直流电源，包括光伏和电池储能系统，通过独立的变流器与直流耦合点（CP）相连。直流微电网面临各种运行挑战，如负载变化、输入功率波动、分布式分布式电网的MPPT控制、临时故障和通信延迟[2]。负载需求的突变和电源供应不稳定会破坏稳定性，影响系统的整体效率和可靠性。直流微电网缺乏自然的零交叉点，因此在接触分离时熄灭电弧成为一个关键挑战[3]。Mishra等人[4]回顾了直流微电网中各种故障类型及其保护中面临的挑战。直流微电极包含大量转换器，每个转换器配有具有多种功能的电容，如谐波滤波。这些电容器可能快速放电，导致明显的电流尖峰，对微电网的稳定和高效运行构成重大挑战[2]。然而，直流系统与交流系统没有共同的问题，比如频率调节、无功功率或相位偏移问题。因此，储能可以直接平滑可再生能源的间歇性电力输出。直流供电的系统组件，如储能设备（ESD）[5]、电动车[6]、互联网数据中心（IDC）[7]和分布式发电机（DGs），可以在无需额外转换级的情况下集成到直流配电网络中。CP用于电动汽车充电的净电力在一天中可能会因容量需求变化而变化。充电过程中所用的能量受多种因素影响，如电池电压、充电速率、充电状态（SOC）和电池容量。有效管理电动汽车电池的充电和放电过程需要合适的方法。电动汽车储能系统通常直接充电到低压电网。电动汽车比传统汽油车更节能，并有助于引入可再生能源（RE）以减少碳排放[8]。由于再生能源的输出功率（如风能和光伏）具有变化性，中小企业系统预计将在可再生能源与电动汽车充电的整合中发挥重要作用。参考文献[9]中实现了能源管理系统（EMS），用于调节电池与电网之间的能量流动，用于电动汽车充电应用。该研究由参考文献[10]进行，通过实施模型预测控制，研究了电动汽车负载动态对光伏支持直流微电网电池的影响。该直流电网包括脉冲负载、SMES、电池储能系统（BESS）和用于航运应用的交流发电机。参考文献[11]中，基于虚拟惯性控制的实现用于稳定燃料电池混合动力车的车辆移动性。然而，由于电动汽车的特性以及车辆频繁的启动和停止，电池充放电的特性差异很大。现代电网中使用的电池系统由于电池寿命的限制，直接受充放电周期以及电池与电网之间交换的峰值电流影响，会影响整体系统性能。
一种选择是开发一种HESS以增强系统瞬态稳定性[12]。这些HESS系统旨在找到比能（主要来自电池）和比功率（来自其他储能设备）之间的平衡。与更传统的储能方法（如BESS）不同，基于SMES的HESS因其高功率密度[13]和快速响应[14]而常被青睐。许多实验性中小企业设计最近在涉及电力分配和终端用户的场景中进行了测试和验证[15]。中小企业可以储存能量，从而调节瞬态电力，延长电池寿命，并提升电力系统效率。此外，SMES会减缓电池响应速度，导致电池电流明显变慢。电池承受的压力更小，寿命更长。如果没有合适的平滑方法，电动汽车产生的瞬态电流和噪声可能会传播到主电网，从而影响本地电网的稳定性。HESS应与SMES电池类似，在需要长期和短期瞬态支持时使用。当仅需要短期临时支持时，应使用SMES或超级电容器[16]。基于超电容的HESS可以减少主栅中瞬变的影响。然而，与超电容器不同，SMES直接储存能量而不转化为能量形式，从而提高了效率。因此，在拟议系统中，基于SMES的HESS用于减少直流电网中的瞬态电流影响。此外，SMES以其快速响应时间和高能量密度著称。它在电动汽车充电站（EVCS）快速变化的负载条件下提供卓越的电流控制。SMES在高负载电流需求期间提供瞬态能源援助。它在瞬态情况下提供多余能量，并将能量储存在稳态状态。
将SMES集成到拟议的基于HESS的太阳能EVCS中，具有显著优势，尤其是在瞬态功率补偿和电池寿命延长方面。然而，其实际可行性受部署成本、运营效率和维护挑战等多种因素影响。本研究中，SMES装置设计的储能容量是负荷需求的十倍，确保了强健的瞬态电力支持。虽然SMES提供接近零的电阻损耗和快速响应，但其经济可行性受到低温冷却高昂成本及对高温超导材料（HTS）依赖的影响[17]。SMES系统的整体成本由电感值、工作电流和冷却系统效率等参数决定，这些因素都会影响系统的经济性。维护挑战主要包括淬火保护机制、在不同操作条件下的热稳定性[17]以及超导线圈的长期可靠性。尽管面临这些挑战，HTS材料和紧凑型低温冷却技术的进步正在逐步降低成本，提升了中小企业在实际应用中的可行性。初始投资与长期收益之间的权衡凸显了最佳中小企规模规模对于实现EVCS部署中成本效益高且可靠的能源管理的重要性。
在光伏支持的EVCS中，基于中小企业的HESS减少了瞬态电流对电网的影响，并在EVCS运行时提升了整体电网稳定性。此外，SME的寿命延长、响应时间优异、功率密度高、自放电率低、稳定性提升和灵活性，使其非常适合多种应用，包括可再生能源集成和电网稳定[18]。在EVCS中，SMES系统作为功率补偿器，用于调节电网的无功功率和有功功率[19]。许多研究者研究了SMES在增强负载波动条件中的应用[20]。SMES集成的统一电源质量调节器被用于提升EVCS的功率质量[21]。基于PI控制器的SMES已被实现用于EVCS中的故障清除应用[22]。基于SMES的无串联电压恢复器（TSVR）通过PI控制器实现直流总线稳定[23]。然而，PI控制器的设计需要复杂的计算[24]。在可变电动车负载条件下实现了分阶控制方法[25]。然而，电阻被视为电动汽车负载，在实际负载的瞬态条件下，电阻无法匹配真实电动汽车特性。脉冲负载波动对直流电网稳定性的影响已在参考文献[26]中利用SMES切换的下垂控制进行了分析。然而，SMES系统和电池的下垂因子设计带来了特殊难题。HESS中功率输出与功率需求的线性关系使得下垂控制器在电力系统发生哪怕是微小的变动（如增加或移除负载或发电机）时也无效。参考文献[27]实现了海军微电网中HESS控制的双模型预测控制（DMPC）。然而，负载变化对电网稳定性的影响并未被分析。研究了利用模型预测控制（MPC）控制的SMES在DGs支持的直流微电网中实现的功率波动抑制[28]。参考文献[29]设计并分析了基于滑动模式控制（SMC）的HESS以抑制直流电网的功率波动。此外，基于SMES的HESS系统已应用于全电动船舶的直流电力系统，以提升稳定性[30]。实施以往工作中使用的控制技术需要精确的系统模型，不确定性可能影响其效果。对这些控制的建模通常需要严谨的数学分析。另一方面，所提的负载电流控制易于实现，且不需要对系统的精确数学建模。电流控制可根据连接到电网的电动车数量，使SME能够实现模式切换控制（MSC）。表I展示了现有文献中不同类似系统的比较以及一个提出的系统。比较基于多个标准，如光伏系统、离网能力、电池储能、SMES、负载电流控制和EVC。
本研究展示了中小企业电池系统在光伏支持的直流微电网中有效能源管理中的电动汽车充电应用。此外，SMES及其变换器的控制器基于负载电流控制方法开发逻辑门。
具体贡献如下。

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  拟议的负载电流控制是在直流电网极端功率波动条件下实现的中小企业开关。
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  实现MSC控制，用于估算依赖于电网连接的电动车数量的参考负载电流。
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  拟议的控制系统在SMES、BESS、光伏电源和EVC之间实现了有效的能量管理，使BESS能够提供稳态负载电力。相比之下，SMES提供瞬态负载功率。