太阳能微电网中电池-超级电容器混合储能的分层控制框架下的健康状态耦合功率分配

《Journal of Energy Storage》：State-of-health-coupled power sharing in a hierarchical control framework for battery-supercapacitor hybrid energy storage in solar-powered microgrids

　　

• 针对光伏直流微电网中的电池-超级电容混合储能系统，提出了一种分层LADRC-ISMC控制框架。• 引入健康状态耦合的动态阻抗整形，实现退化感知的实时功率分配。• 在储能状态与变换器级电流分配之间建立了直接的健康状态-控制关联。• 相比基准方法，将直流母线过冲降低至0.7 V，RMS电压误差降至0.08 V。• 在保证混合储能系统均衡利用的同时减轻了电池应力，并实现了96%的效率。

**引言**

光伏发电在低压直流微电网中的渗透率日益提高，使得需要储能系统（ESS）来维持功率平衡、稳定直流母线并在间歇性太阳能发电和快速变化的负荷需求下确保可靠供电的需求不断增长。直流微电网尤其适用于光伏应用，因为多种电源和负荷（包括光伏阵列、电池储能单元、电动汽车以及许多现代电子负荷）本身即为直流形式。这种结构可以减少不必要的变换环节，同时提高整体效率和可控性。然而，这也给储能系统带来了巨大压力。在实际应用中，光伏发电与负荷需求之间的不匹配必须通过储能单元来补偿，该储能单元需要在抑制直流母线电压波动的同时限制自身的老化。因此，光伏供电直流微电网中的储能控制不仅是一个电压调节问题，也是一个耐久性、应力管理和实时功率路由问题[1], [2], [3], [4]。

在可用的储能技术中，电池-超级电容混合储能系统（HESS）已成为可再生能源直流微电网最有前景的解决方案之一，因为它结合了两种互补的器件。电池具有高能量密度，适合持续的或低频功率支持；而超级电容则具有高功率密度、快速充放电能力和长循环寿命，适合短时瞬态工况[1], [2], [3], [4]。这种互补行为已在文献中得到充分证实。Jing等[1]表明，频繁的电流峰值、突然的充放电反转以及深度循环会加速电池退化并缩短使用寿命。Jing等[2]采用数据驱动方法进一步证明，在独立光伏系统中，电池与超级电容之间的适当协调可以显著降低储能应力。Dong等[3]也强调，电池-超级电容HESS的优势不仅取决于储能器件的组合，还取决于变换器拓扑和控制策略。

因此，大量研究集中在独立光伏系统和直流微电网的HESS拓扑和功率管理策略上。早期方法主要依赖于基于滤波器的功率分解、基于规则的调度或固定电流共享规则，其中电池提供需求信号的平均或低频分量，而超级电容处理快速变化分量。例如，Jing等[4]提出了针对独立光伏微电网的动态功率分配策略，并证明混合化可以减少快速的电池应力。Jing等[5]随后报告了通过智能HESS插接模块改善独立光伏系统的电池寿命。在独立光伏系统和直流微电网的相关研究中也得出了类似的结论，即增加超级电容可以改善瞬态支持，并在动态运行条件下减轻电池负担[6], [7]。然而，这些方法仍然很大程度上依赖于预设滤波器或启发式规则，并未明确考虑储能器件的演变状态。

近年来，文献逐步向自适应和智能HESS控制发展。Malik等[8]提出了一种用于直流微电网混合储能的自适应虚拟电容下垂策略，通过调整超级电容的有效下垂行为来改善动态电流共享。Babaei等[9]开发了一种电池-超级电容组合储能系统的控制策略，旨在改善母线稳定化和能量管理。Jing等[10]引入了一种基于模型预测控制和混合PI调节的快速联合控制方法，用于电池-超级电容HESS。在同一方向上，Sta?a和Kroi?s [11]研究了光伏供电直流微电网功率分配的自适应下垂控制。其他近期研究探索了模糊下垂、ANN辅助预测控制以及混合储能直流微电网的高级功率管理策略[12], [13], [14], [15], [16]。这些工作清楚地表明，自适应变换器级协调可以改善瞬态性能和直流母线调节。然而，主要的自适应信号仍然一般基于荷电状态、电压偏差或预测的功率不匹配，而非来自储能器件健康状态的直接反馈。

与此同时，另一研究方向将健康感知引入HESS管理。Yükek和Alkaya [17]提出了一种自适应能量管理方法，其中电池健康状态（SoH）被用作监控变量来更新允许的C率和放电深度。他们的结果表明，SoH信息可以改善与静态策略相比的电池保护效果。Lin等[18]为混合储能系统中的锂离子电池和超级电容开发了一种在线SoH估计器，证明两种器件的状态都可以在统一框架内进行跟踪。关于在线参数估计和状态估计的其他研究进一步支持了从电池-超级电容系统中实时提取退化相关信息在实践上的可行性[19], [20]。这些研究很重要，因为它们使HESS管理超越了纯粹的荷电状态感知。然而，在大多数情况下，SoH仍然只是一个监控或监督变量。它很少被用于直接塑造决定瞬态电流负担如何在电池和超级电容之间分配的转变器级功率共享动态。

更广泛的直流微电网文献也指向同一方向。针对具有负荷估计能力的电池-超级电容HESS，开发了基于优化的功率管理策略[21]，并且最近报告了面向全主动HESS的分层实时控制框架，以改善可控性和计算效率[22]。ANN辅助模型预测控制[13]、孤岛太阳能直流微电网的自适应HESS协调[23]以及基于混合储能的直流微电网能量管理方法[24]均表明该领域正朝着更加灵活和鲁棒的控制结构发展。此外，分布式分层控制方案已开始将荷电状态以及某些情况下的部分健康信息纳入自适应下垂层[25]。然而，健康感知、瞬态补偿和阻抗或下垂重塑仍然常常被作为相关但独立的设计问题来处理。

因此，一个重要研究空白仍然存在。现有研究表明，电池-超级电容混合化可以减少电池应力并改善直流母线调节[1], [2], [4], [5]。其他工作证明自适应下垂、模糊控制和预测控制可以改善瞬态共享和调节性能[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]。另一组研究表明，电池和超级电容的健康状态可以被估计并用于监督决策[17], [18], [19], [20]。大多数文献中仍然缺乏的是一个直接的健康状态-控制关联，其中电池和超级电容的演变状态被转化为决定实时功率路由的自适应变换器级阻抗特性。这个问题不仅仅是概念性的。随着电池老化，其内阻增加且可用容量降低，降低了其对高瞬态电流应力的耐受性。超级电容老化也会改变其有效电容和等效串联电阻，从而修改其动态能力。忽略这些变化的控制器在短期内可能仍然能有效地调节直流母线，但会逐渐将HESS推向不利的寿命-性能权衡。

为弥补这一空白，本文提出了一种面向光伏直流微电网电池-超级电容HESS的健康状态耦合动态阻抗整形策略。其核心理念是储能健康状态不应仅作为诊断或监督量保留，而应直接影响变换器级控制决策。在所提框架中，健康指标被映射为自适应虚拟阻抗参考值，从而决定电池和超级电容的实时参与程度。这建立了退化演化与功率路由行为之间的明确物理关联。随着电池退化，其在高应力和快速瞬态运行期间的有效贡献逐步降低。同时，超级电容的贡献根据其动态角色和自身状态进行协调。这样，控制器不仅适应微电网的即时运行状态，还适应储能器件自身的演变能力。

所提方法通过分层三层控制结构来实现。外层使用线性主动抗扰控制（LADRC）来调节直流母线电压，并在光伏和负荷扰动下产生HESS所需的总参考电流。中间监督层执行带有非线性自适应校正的健康状态耦合动态阻抗整形，使电池健康状态、超级电容状态、荷电状态偏差和瞬态严重程度共同决定电流共享因子。内层采用积分滑模控制（ISMC）以确保在变换器不确定性和扰动存在时，对电池和超级电容电流参考信号进行鲁棒跟踪。这种组合是所提框架的主要优势：LADRC在母线层面提供强抗扰性能，ISMC在变换器层面确保鲁棒电流跟踪，而监督阻抗整形层通过实时退化感知功率分配机制将两者联系起来。这种方法与现有HESS策略在多个重要方面有所不同。首先，它不依赖于电池和超级电容之间的固定频率划分，如许多基于滤波器的方法那样。其次，与大多数自适应下垂或预测控制方法不同，其自适应不仅由荷电状态、电压误差或功率不匹配驱动，还由两种储能器件的演变健康状态驱动。第三，与主要收紧运行限制或调整允许功率范围的监督型SoH感知策略不同，所提方法直接重塑直流母线所看到的阻抗，从而修改瞬态功率共享动态本身。这一区别是贡献的核心。控制器不仅仅观察到退化并做出间接反应；而是利用健康信息来决定电池和超级电容应如何在实时中分担动态调节负担。因此，该方法旨在减轻电池应力，而不仅仅是将整个负担转移给超级电容，从而实现HESS更均衡且更具物理意义的利用。

在此背景下，本工作的主要贡献可总结如下。第一，构建了一个协调的HESS管理框架，其中电池健康状态和超级电容状态被明确纳入监督电流共享过程。第二，开发了一种动态阻抗整形律，将储能健康信息转化为自适应变换器级功率共享动作。第三，建立了统一的分层控制结构，结合基于LADRC的直流母线调节、健康状态耦合的非线性电流分配以及基于ISMC的支路电流跟踪，适用于光伏直流微电网。最后，所提框架旨在减轻电池应力的同时保持有效的超级电容支持，从而避免以电池保护为代价而过度使用超级电容的常见缺陷。如表1所述，先前的研究通常仅提供不带明确健康耦合的自适应功率共享，或提供不带直接阻抗整形的健康感知监督。本工作通过建立从储能健康状态到光伏直流微电网电池-超级电容功率路由的实时阻抗整形的明确映射，同时解决了这两个方面。

**分节摘要**

**系统描述**：如图1所示，所考虑的系统是一个光伏直流微电网，由光伏发电装置、电池-超级电容混合储能系统（HESS）、公共直流母线和可变直流负荷组成。光伏源通过DC-DC变换器接入直流母线，而电池和超级电容通过独立的双向DC-DC变换器连接，实现其充放电电流的解耦控制。这种配置在光伏供电直流微电网中被广泛采用。

**所提分层控制策略**：本节介绍所提的控制架构，用于集成在光伏直流微电网中的电池-超级电容混合储能系统（HESS）。该策略组织为分层三层框架。外层通过线性主动抗扰控制（LADRC）调节直流母线电压，并产生HESS所需的总参考电流。中间层执行带有非线性……的健康状态耦合动态阻抗整形。

**仿真结果与讨论**：本节描述了孤立光伏直流微电网的仿真结果，并对所提分层控制策略在不同运行条件下的性能进行评估。在相同的测试场景下，对所提方法与PI-ISMC、SOH-ISMC和LADRC-ISMC进行了比较。启动、负荷变化和光伏发电变化是既可以分析瞬态行为又可以分析稳态行为的场景。比较结果……

**结论**：本文提出了一种面向光伏直流微电网电池-超级电容HESS的分层LADRC-SoH-ISMC控制框架。

主要贡献是一种健康状态耦合的动态阻抗塑形层，它将存储健康度、荷电状态（SOC）偏差和瞬态严重程度转化为实时电流共享系数。LADRC 外环提供强大的直流母线扰动抑制能力，而 ISMC 内环确保鲁棒的支路电流跟踪。所提出的监督层减少了电池
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
作者感谢科学研究和技术发展总方向（DGRSDT）的财政支持。
Mohammed Amine Soumeur | Aissa Behammou | Abdallah Ben Abdelkader | Jamel Ghouili