本發(fā)明屬于雙極性直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行領(lǐng)域，具體涉及一種雙極性直流微電網(wǎng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)：

目前，隨著電力需求的快速發(fā)展，以分布式電源構(gòu)建的直流微電網(wǎng)不需要考慮無(wú)功功率、頻率等復(fù)雜參量，且線路損耗小、可靠性高，已成為新能源組網(wǎng)后并網(wǎng)的重要方式。但是以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的分布式發(fā)電自身存在不可預(yù)測(cè)性和間歇性；再加上微電網(wǎng)中大量波動(dòng)性負(fù)荷，使得電網(wǎng)質(zhì)量下降，甚至造成功率出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡。為了提高微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和優(yōu)化電能質(zhì)量，電力儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為直流微電網(wǎng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為能量型儲(chǔ)能元件的鋰電池能量密度高，但功率密度低；而超級(jí)電容作為功率型儲(chǔ)能元件，功率密度高，但能量密度低。根據(jù)兩者在輸出特性上互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，專家們將兩者結(jié)合使用，并構(gòu)成鋰電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅能夠優(yōu)化鋰電池充放電電流，延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命，而且可以提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。為了平滑鋰電池電流，有學(xué)者提出利用濾波器將直流母線上的功率波動(dòng)分為低頻分量和高頻分量。高頻分量與低頻分量的波動(dòng)分別由超級(jí)電容和鋰電池進(jìn)行補(bǔ)償。也有學(xué)者提出一種鋰電池依據(jù)超級(jí)電容荷電量來(lái)調(diào)整出力的策略，實(shí)現(xiàn)了鋰電池電流的平滑控制。

隨著微網(wǎng)群的發(fā)展，直流微電網(wǎng)的結(jié)網(wǎng)形式開(kāi)始多樣化。雙極性直流母線由于具有多等級(jí)電壓的優(yōu)勢(shì)引起了人們的關(guān)注，也成為目前重要的結(jié)網(wǎng)形式。有學(xué)者設(shè)計(jì)的住宅用雙極性直流微網(wǎng)系統(tǒng)，可根據(jù)負(fù)荷端對(duì)供電電壓的不同需求由不同母線進(jìn)行供電。傳統(tǒng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用只針對(duì)單極性直流母線。而雙極性直流母線上的功率波動(dòng)不同于以往單極性直流母線，雙極性直流母線中各條母線互有聯(lián)系，且一條母線上的功率波動(dòng)會(huì)影響另一條母線。因此，有必要發(fā)明一種適合雙極性直流微網(wǎng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決目前缺乏雙極性直流母線電壓穩(wěn)定控制方法的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種適合于雙極性直流微電網(wǎng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種雙極性直流微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法，其特征是所述雙極性直流微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括鋰電池、第一超級(jí)電容和第二超級(jí)電容；鋰電池通過(guò)第一雙向DC/DC變換器I連接于雙極性直流母線的正線與負(fù)線PN上；第一超級(jí)電容P通過(guò)第二雙向DC/DC變換器II連接于雙極性直流母線的正線與零線PO上；第二超級(jí)電容N通過(guò)第三雙向DC/DC變換器III連接于雙極性直流母線的零線與負(fù)線ON上；雙極性直流母線的三條母線通過(guò)電壓平衡器連接。

2、根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙極性直流微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法，其特征是第一雙向DC/DC變換器I采用下垂控制方式，控制鋰電池向PN母線充放電；電壓平衡器采用下垂控制方式，控制母線PO與母線ON之間能量的多能互補(bǔ)。

3、根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙極性直流微電網(wǎng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法，其特征是包括下述內(nèi)容：

(1)協(xié)調(diào)雙極性直流母線功率平衡，即兩低壓直流母線PO與ON上分別采用第一超級(jí)電容與第二超級(jí)電容單獨(dú)平滑相應(yīng)的母線電壓；兩個(gè)雙向DC/DC變換器均采用雙閉環(huán)恒壓控制方式，控制兩個(gè)超級(jí)電容充放電；其中一個(gè)雙向DC/DC變換器II以母線PO上的電壓作為其控制參量；另一個(gè)雙向DC/DC變換器III以母線ON上的電壓作為其控制參量；當(dāng)雙極性直流母線電壓發(fā)生波動(dòng)，在相應(yīng)低壓側(cè)的雙向DC/DC變換器優(yōu)先動(dòng)作，通過(guò)雙閉環(huán)控制使超級(jí)電容快速充放電；

(2)設(shè)定U_scp為第一超級(jí)電容的電壓；設(shè)定U_scn為第二超級(jí)電容的電壓；計(jì)算第一超級(jí)電容和第二超級(jí)電容的電壓均值為：設(shè)定為第一雙向DC/DC變換器I工作的參量閾值，并使得

設(shè)置第一超級(jí)電容和第二超級(jí)電容的最佳運(yùn)行區(qū)間為且在此區(qū)間內(nèi)，第一超級(jí)電容和第二超級(jí)電容能量不需要補(bǔ)償，鋰電池?zé)o需工作；

當(dāng)雙極性直流微電網(wǎng)中有功率盈余時(shí)，此時(shí)母線上升電壓波動(dòng)的低頻分量較大，兩側(cè)超級(jí)電容電壓均值持續(xù)上升直至超出最佳運(yùn)行區(qū)間；

當(dāng)時(shí)，第一雙向DC/DC變換器I開(kāi)始工作，并根據(jù)下垂曲線控制鋰電池平滑充電；

當(dāng)雙極性直流微電網(wǎng)的功率出現(xiàn)缺額時(shí)，此時(shí)母線跌落電壓波動(dòng)的低頻分量較大，兩側(cè)超級(jí)電容電壓均值持續(xù)下降直至超出最佳運(yùn)行區(qū)間；

當(dāng)有：時(shí)，第一雙向DC/DC變換器I根據(jù)下垂曲線控制鋰電池平滑放電；

(3)計(jì)算兩組超級(jí)電容電壓差值為：ΔU_SC＝U_scp-U_scn；

設(shè)定-ΔU_H，-ΔU_L，ΔU_L，ΔU_H為電壓平衡器工作的參量閾值，并使得-ΔU_H＜-ΔU_L＜ΔU_L＜ΔU_H；

設(shè)置[-ΔU_L，ΔU_L]區(qū)間為雙極性直流微電網(wǎng)不均衡帶，電壓平衡器不需要?jiǎng)幼?，超?jí)電容單獨(dú)平滑雙側(cè)直流母線高頻波動(dòng)的不均衡電壓；

當(dāng)PO母線上的功率嚴(yán)重高于ON母線上的功率時(shí)，則兩個(gè)超級(jí)電容電壓偏差將超出不均衡帶；

當(dāng)ΔU_H≥ΔU_SC≥ΔU_L時(shí)，電壓平衡器開(kāi)始運(yùn)行，根據(jù)下垂曲線使兩側(cè)能量進(jìn)行交換，將功率從PO側(cè)轉(zhuǎn)換至ON側(cè)；

當(dāng)ON母線上的功率嚴(yán)重高于PO母線上的功率時(shí)，則兩個(gè)超級(jí)電容電壓偏差將超出不均衡帶；

當(dāng)-ΔU_H≤ΔU_SC≤-ΔU_L時(shí)，電壓平衡器開(kāi)始運(yùn)行，根據(jù)下垂曲線使兩側(cè)能量進(jìn)行交換，將功率從ON側(cè)轉(zhuǎn)換至PO側(cè)。

本發(fā)明具備如下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明通過(guò)采用兩個(gè)超級(jí)電容分別抑制雙極性直流母線中兩個(gè)低壓等級(jí)母線上的功率波動(dòng)，提高了雙極性直流微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2、本發(fā)明通過(guò)采用兩個(gè)超級(jí)電容電壓關(guān)系參量作為控制鋰電池和電壓平衡器的工作信號(hào)，有效平滑了鋰電池的充放電電流，避免了電壓平衡器的頻繁動(dòng)作。

3、本發(fā)明有效解決了雙極性直流微電網(wǎng)中母線電壓波動(dòng)、母線間功率互相干擾等問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中一種雙極性直流微電網(wǎng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中第一雙向DC/DC變換器I的下垂特性曲線示意圖。

圖3是本發(fā)明中電壓平衡器的下垂特性曲線示意圖。

圖中：k_b為鋰電池充放電的下垂系數(shù)；I_b，I_bm分別為鋰電池充放電電流和允許電流限值；為鋰電池充放電電流達(dá)到限值時(shí)對(duì)應(yīng)的兩組超級(jí)電容平均電壓臨界值；為鋰電池動(dòng)作閥值。因此兩超級(jí)電容最佳運(yùn)行電壓區(qū)間為此區(qū)間內(nèi)，鋰電池?zé)o需動(dòng)作，避免了鋰電池運(yùn)行狀態(tài)的頻繁切換。

k_p，k_n分別為電壓平衡器的運(yùn)行下垂系數(shù)；I_busm為電壓平衡器最大動(dòng)作電流；-ΔU_H和ΔU_H為電壓平衡器最大均衡電流對(duì)應(yīng)的超級(jí)電容臨界電壓差值；設(shè)置區(qū)間[-ΔU_L，ΔU_L]為雙極性直流微電網(wǎng)不均衡帶，電壓平衡器不需要?jiǎng)幼?，超?jí)電容單獨(dú)平滑雙側(cè)直流母線高頻波動(dòng)的不均衡電壓。

具體實(shí)施方式

圖1所示，一種雙極性直流微電網(wǎng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括鋰電池、超級(jí)電容P和超級(jí)電容N，以及變換器。

變換器為3個(gè)雙向DC/DC變換器和一個(gè)電壓平衡器。

所述鋰電池采用雙向DC/DC變換器I連接于雙極性直流母線PN上；超級(jí)電容P通過(guò)DC/DC變換器II連接于母線PO上；超級(jí)電容N通過(guò)DC/DC變換器III連接于母線ON上；雙極性直流母線的三條母線通過(guò)電壓平衡器連接。

所述DC/DC變換器I、DC/DC變換器II、DC/DC變換器III均采用雙向Boost-Buck電路結(jié)構(gòu)；電壓平衡器采用反極性升降壓變換器電路結(jié)構(gòu)。

一種雙極性直流微電網(wǎng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制方法，包括如下內(nèi)容：

1、雙極性直流母線由P線(正線)、O線(零線)、和N線(負(fù)線)組成，O線與大地相接。由此直流微電網(wǎng)能夠提供三個(gè)母線電壓，PO母線電壓為U_PO，ON母線電壓為U_ON，PN母線電壓為U_PN；其中PO與ON母線為低壓母線，可以接低壓直流設(shè)備；由PO與ON母線組成的PN母線為高壓母線，其中U_PN＝U_PO+U_ON。

為了協(xié)調(diào)雙極性直流母線上功率平衡，兩低壓直流母線PO與ON上分別采用超級(jí)電容P與超級(jí)電容N單獨(dú)平滑相應(yīng)的母線電壓。雙向DC/DC變換器II與雙向DC/DC變換器III均采用雙閉環(huán)恒壓控制方式，控制超級(jí)電容P和超級(jí)電容N充放電。雙向DC/DC變換器II以母線PO上的電壓作為其控制參量；雙向DC/DC變換器III以母線ON上的電壓作為其控制參量。當(dāng)雙極性直流母線電壓發(fā)生波動(dòng)，在相應(yīng)低壓側(cè)的雙向DC/DC變換器優(yōu)先動(dòng)作，通過(guò)雙閉環(huán)控制使超級(jí)電容快速充放電。

2、雙向DC/DC變換器I采用下垂控制方式，控制鋰電池向PN母線充放電。

設(shè)定U_scp為超級(jí)電容P的電壓；設(shè)定U_scn為超級(jí)電容N的電壓；計(jì)算兩組超級(jí)電容電壓均值為：將作為雙向DC/DC變換器I的控制參量。

設(shè)定為雙向DC/DC變換器I工作的參量閾值，并使得

設(shè)置兩超級(jí)電容最佳運(yùn)行區(qū)間為此區(qū)間內(nèi)，超級(jí)電容能量不需要補(bǔ)償，鋰電池?zé)o需工作。

當(dāng)雙極性直流微電網(wǎng)中有功率盈余時(shí)，此時(shí)母線上升電壓波動(dòng)的低頻分量較大，兩側(cè)超級(jí)電容電壓均值持續(xù)上升直至超出最佳運(yùn)行區(qū)間。當(dāng)有：時(shí)，雙向DC/DC變換器I開(kāi)始工作，并根據(jù)下垂曲線控制鋰電池平滑充電。

當(dāng)雙極性直流微電網(wǎng)的功率出現(xiàn)缺額時(shí)，此時(shí)母線跌落電壓波動(dòng)的低頻分量較大，兩側(cè)超級(jí)電容電壓均值持續(xù)下降直至超出最佳運(yùn)行區(qū)間。當(dāng)有：時(shí)，雙向DC/DC變換器I根據(jù)下垂曲線控制鋰電池平滑放電。

3、電壓平衡器采用下垂控制方式，控制母線PO與母線ON之間能量的多能互補(bǔ)。

通過(guò)采集超級(jí)電容P的電壓U_scp與超級(jí)電容N的電壓U_scn，并計(jì)算兩組超級(jí)電容電壓差值為：ΔU_SC＝U_scp-U_scn，將ΔU_SC作為電壓平衡器的控制參量。

設(shè)定-ΔU_H，-ΔU_L，ΔU_L，ΔU_H為電壓平衡器工作的參量閾值，并使得-ΔU_H＜-ΔU_L＜ΔU_L＜ΔU_H；

設(shè)置區(qū)間[-ΔU_L，ΔU_L]為雙極性直流微電網(wǎng)不均衡帶，電壓平衡器不需要?jiǎng)幼?，超?jí)電容單獨(dú)平滑雙側(cè)直流母線高頻波動(dòng)的不均衡電壓。

當(dāng)PO母線上的功率嚴(yán)重高于ON母線上的功率時(shí)，則兩個(gè)超級(jí)電容電壓偏差將超出不均衡帶，當(dāng)ΔU_H≥ΔU_SC≥ΔU_L時(shí)，電壓平衡器開(kāi)始運(yùn)行，根據(jù)下垂曲線使兩側(cè)能量進(jìn)行交換，將功率從PO側(cè)轉(zhuǎn)換至ON側(cè)。

當(dāng)ON母線上的功率嚴(yán)重高于PO母線上的功率時(shí)，則兩個(gè)超級(jí)電容電壓偏差將超出不均衡帶，當(dāng)-ΔU_H≤ΔU_SC≤-ΔU_L時(shí)，電壓平衡器開(kāi)始運(yùn)行，根據(jù)下垂曲線使兩側(cè)能量進(jìn)行交換，將功率從ON側(cè)轉(zhuǎn)換至PO側(cè)。