本發(fā)明涉及直流微電網(wǎng)，具體是一種基于功率池的雙層母線直流微電網(wǎng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著人們對(duì)能源和環(huán)境問題的日益關(guān)注，以風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的清潔能源越來越表現(xiàn)出其相對(duì)傳統(tǒng)化石能源的優(yōu)越性，但是這些分布式能源存在固有的間歇性和隨機(jī)性，為了實(shí)現(xiàn)分布式能源的高效利用，人們整合分布式電源、儲(chǔ)能和負(fù)荷，提出了微電網(wǎng)的概念。相對(duì)傳統(tǒng)交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)控制方式簡(jiǎn)單，無需考慮無功功率、頻率、相位同步等方面的問題，既可以孤島運(yùn)行，又可以并網(wǎng)運(yùn)行，因此得到國(guó)內(nèi)外專家認(rèn)可。同時(shí)，大量直流源（光伏、釩電池等）和直流負(fù)荷（LED、電動(dòng)汽車等）的出現(xiàn)和發(fā)展，為直流微電網(wǎng)的發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇。

傳統(tǒng)的單母線直流微電網(wǎng)只有一個(gè)電壓等級(jí)，所有不同電壓等級(jí)的直流微源或負(fù)荷都需要經(jīng)過DC/DC變換器連接到直流母線，這對(duì)于直流源和直流負(fù)荷接入微電網(wǎng)顯然是很不方便的，不僅增加了能量轉(zhuǎn)換損耗，而且降低了系統(tǒng)運(yùn)行效率。為了提高直流微電網(wǎng)接入的靈活性，有關(guān)學(xué)者設(shè)計(jì)了一種雙母線直流微電網(wǎng)，其通過雙向DC/DC變換器將兩直流母線連接，并設(shè)置了兩套獨(dú)立的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。然而，這種雙母線直流微電網(wǎng)存在如下問題：其一，母線諧波功率會(huì)通過DC/DC變換器會(huì)對(duì)另一母線產(chǎn)生干擾。其二，直流微電網(wǎng)中設(shè)置兩套獨(dú)立的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，由此增大了系統(tǒng)儲(chǔ)能成本，從而降低了系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。因此，現(xiàn)有雙母線直流微電網(wǎng)技術(shù)存在諸多缺陷，限制了其推廣使用?；诖耍斜匾l(fā)明一種全新的直流微電網(wǎng)，以解決現(xiàn)有直流微電網(wǎng)存在的上述問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有單母線直流微電網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換損耗高、系統(tǒng)運(yùn)行效率低，現(xiàn)有雙母線直流微電網(wǎng)容易產(chǎn)生功率干擾、系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差的問題，提供了一種基于功率池的雙層母線直流微電網(wǎng)及其控制方法。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于功率池的雙層母線直流微電網(wǎng)，包括儲(chǔ)能調(diào)壓系統(tǒng)、直流子網(wǎng)I、直流子網(wǎng)II；

所述儲(chǔ)能調(diào)壓系統(tǒng)包括功率池、鋰電池組、DC/DC變換器I、DC/DC變換器II、DC/DC變換器III；所述功率池由超級(jí)電容器和中間母線并聯(lián)構(gòu)成；鋰電池組通過DC/DC變換器III與超級(jí)電容器連接；

所述直流子網(wǎng)I包括光伏發(fā)電單元I、直流負(fù)荷I、直流母線I；所述光伏發(fā)電單元I由光伏陣列I和Boost變換器I構(gòu)成；光伏陣列I通過Boost變換器I與直流母線I連接；直流負(fù)荷I與直流母線I連接；直流母線I通過DC/DC變換器I與中間母線連接；

所述直流子網(wǎng)II包括光伏發(fā)電單元II、直流負(fù)荷II、直流母線II；所述光伏發(fā)電單元II由光伏陣列II和Boost變換器II構(gòu)成；光伏陣列II通過Boost變換器II與直流母線II連接；直流負(fù)荷II與直流母線II連接；直流母線II通過DC/DC變換器II與中間母線連接；

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)；

所述直流子網(wǎng)I和所述直流子網(wǎng)II的電壓等級(jí)不同。

一種基于功率池的雙層母線直流微電網(wǎng)的控制方法（該方法是基于本發(fā)明所述的一種基于功率池的雙層母線直流微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的），該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟S1：設(shè)定U_dc1為直流母線I的電壓；設(shè)定U_dc2為直流母線II的電壓；設(shè)定U_L12、U_L11、U_H11、U_H12為DC/DC變換器I工作的電壓閾值，并使得U_L12＜U_L11＜U_H11＜U_H12；設(shè)定U_L22、U_L21、U_H21、U_H22為DC/DC變換器II工作的電壓閾值，并使得U_L22＜U_L21＜U_H21＜U_H22；設(shè)定U_sc為超級(jí)電容器的端電壓；設(shè)定U_scL2、U_scL1、U_scH1、U_scH2為鋰電池組工作的電壓閾值，并使得U_scL2＜U_scL1＜U_scH1＜U_scH2；設(shè)定SOC_bat為鋰電池組的荷電狀態(tài)；設(shè)定[SOC_batmin,SOC_batmax]為鋰電池組的正常工作范圍；

步驟S2：當(dāng)直流子網(wǎng)I的功率和直流子網(wǎng)II的功率均保持平衡時(shí)，U_L11≤U_dc1≤U_H11，U_L21≤U_dc2≤U_H21，此時(shí)光伏發(fā)電單元I和光伏發(fā)電單元II均工作于MPPT控制模式，功率池不工作；

當(dāng)直流子網(wǎng)I的功率盈余導(dǎo)致U_H11<U_dc1≤U_H12時(shí)，光伏發(fā)電單元I仍然工作于MPPT控制模式，直流母線I根據(jù)DC/DC變換器I的下垂特性曲線向功率池放電，穩(wěn)定U_dc1，直至U_L11≤U_dc1≤U_H11；

當(dāng)直流子網(wǎng)I的功率缺失導(dǎo)致U_L12≤U_dc1<U_L11時(shí)，光伏發(fā)電單元I仍然工作于MPPT控制模式，功率池根據(jù)DC/DC變換器I的下垂特性曲線向直流母線I放電，穩(wěn)定U_dc1，直至U_L11≤U_dc1≤U_H11；

當(dāng)直流子網(wǎng)II的功率盈余導(dǎo)致U_H21<U_dc2≤U_H22時(shí)，光伏發(fā)電單元II仍然工作于MPPT控制模式，直流母線II根據(jù)DC/DC變換器II的下垂特性曲線向功率池放電，穩(wěn)定U_dc2，直至U_L21≤U_dc2≤U_H21；

當(dāng)直流子網(wǎng)II的功率缺失導(dǎo)致U_L22≤U_dc2<U_L21時(shí)，光伏發(fā)電單元II仍然工作于MPPT控制模式，功率池根據(jù)DC/DC變換器II的下垂特性曲線向直流母線II放電，穩(wěn)定U_dc2，直至U_L21≤U_dc2≤U_H21；

當(dāng)直流子網(wǎng)I的功率嚴(yán)重盈余導(dǎo)致U_dc1＞U_H12時(shí)，光伏發(fā)電單元I由MPPT控制模式切換至恒壓控制模式，此時(shí)光伏發(fā)電單元I作為松弛終端，通過對(duì)Boost變換器I采用雙閉環(huán)控制穩(wěn)定U_dc1，同時(shí)直流母線I根據(jù)DC/DC變換器I的下垂特性曲線向功率池放電，直至U_L11≤U_dc1≤U_H11；

當(dāng)直流子網(wǎng)I的功率嚴(yán)重缺失導(dǎo)致U_dc1<U_L12時(shí)，按照優(yōu)先級(jí)順序切除部分直流負(fù)荷I，同時(shí)功率池根據(jù)DC/DC變換器I的下垂特性曲線向直流母線I放電，直至U_L11≤U_dc1≤U_H11；

當(dāng)直流子網(wǎng)II的功率嚴(yán)重盈余導(dǎo)致U_dc2＞U_H22時(shí)，光伏發(fā)電單元II由MPPT控制模式切換至恒壓控制模式，此時(shí)光伏發(fā)電單元II作為松弛終端，通過對(duì)Boost變換器II采用雙閉環(huán)控制穩(wěn)定U_dc2，同時(shí)直流母線II根據(jù)DC/DC變換器II的下垂特性曲線向功率池放電，直至U_L21≤U_dc2≤U_H21；

當(dāng)直流子網(wǎng)II的功率嚴(yán)重缺失導(dǎo)致U_dc2<U_L22時(shí)，按照優(yōu)先級(jí)順序切除部分直流負(fù)荷II，同時(shí)功率池根據(jù)DC/DC變換器II的下垂特性曲線向直流母線II放電，直至U_L21≤U_dc2≤U_H21；

步驟S3：當(dāng)功率池的儲(chǔ)存能量適宜時(shí)，U_scL1≤U_sc≤U_scH1，此時(shí)鋰電池組不工作；

當(dāng)功率池的儲(chǔ)存能量盈余導(dǎo)致U_scH1<U_sc≤U_scH2時(shí)，功率池根據(jù)DC/DC變換器III的下垂特性曲線向鋰電池組放電，直至U_scL1≤U_sc≤U_scH1；

當(dāng)功率池的儲(chǔ)存能量缺失導(dǎo)致U_scL2≤U_sc<U_scL1時(shí)，鋰電池組根據(jù)DC/DC變換器III的下垂特性曲線向功率池放電，直至U_scL1≤U_sc≤U_scH1；

當(dāng)功率池的儲(chǔ)存能量嚴(yán)重盈余導(dǎo)致U_sc＞U_scH2，或者功率池的儲(chǔ)存能量嚴(yán)重缺失導(dǎo)致U_sc<U_scL2時(shí)，功率池停止工作；

步驟S4：當(dāng)SOC_bat超出[SOC_batmin,SOC_batmax]時(shí)，鋰電池組停止工作。

與現(xiàn)有直流微電網(wǎng)相比，本發(fā)明所述的一種基于功率池的雙層母線直流微電網(wǎng)及其控制方法具備如下優(yōu)點(diǎn)：一、本發(fā)明通過設(shè)置兩個(gè)電壓等級(jí)不同的直流子網(wǎng)，提高了直流源和直流負(fù)荷接入的靈活性，由此不僅有效減少了能量轉(zhuǎn)換損耗，而且有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。二、本發(fā)明通過設(shè)計(jì)功率池，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)直流子網(wǎng)互為備用，由此有效避免了兩個(gè)直流子網(wǎng)的諧波功率相互干擾。三、本發(fā)明通過采用兩個(gè)直流子網(wǎng)共用一套儲(chǔ)能調(diào)壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，有效節(jié)省了系統(tǒng)儲(chǔ)能成本，由此有效提高了系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。四、本發(fā)明通過設(shè)計(jì)兩個(gè)直流子網(wǎng)、鋰電池組、功率池之間的功率交換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)高、低頻波動(dòng)功率在功率池和鋰電池組之間的合理分配，由此有效延長(zhǎng)了鋰電池組的使用壽命。

本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有單母線直流微電網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換損耗高、系統(tǒng)運(yùn)行效率低，現(xiàn)有雙母線直流微電網(wǎng)容易產(chǎn)生功率干擾、系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差的問題，適用于各種領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中一種基于功率池的雙層母線直流微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中DC/DC變換器I的下垂特性曲線示意圖。

圖3是本發(fā)明中DC/DC變換器II的下垂特性曲線示意圖。

圖4是本發(fā)明中DC/DC變換器III的下垂特性曲線示意圖。

圖2中：U_dcr1表示直流母線I的額定電壓；I_poolmin表示功率池的充電電流的限值；I_poolmax表示功率池的放電電流的限值；I_1ref表示功率池經(jīng)DC/DC變換器I充放電電流的參考值。

圖3中：U_dcr2表示直流母線II的額定電壓；I_poolmin表示功率池的充電電流的限值；I_poolmax表示功率池的放電電流的限值；I_2ref表示功率池經(jīng)DC/DC變換器II充放電電流的參考值。

圖4中：I_batmin表示鋰電池組的充電電流的限值；I_batmax表示鋰電池組的放電電流的限值；I_batref表示鋰電池組的充放電電流的參考值。

具體實(shí)施方式

一種基于功率池的雙層母線直流微電網(wǎng)，包括儲(chǔ)能調(diào)壓系統(tǒng)、直流子網(wǎng)I、直流子網(wǎng)II；

所述儲(chǔ)能調(diào)壓系統(tǒng)包括功率池、鋰電池組、DC/DC變換器I、DC/DC變換器II、DC/DC變換器III；所述功率池由超級(jí)電容器和中間母線并聯(lián)構(gòu)成；鋰電池組通過DC/DC變換器III與超級(jí)電容器連接；

所述直流子網(wǎng)I包括光伏發(fā)電單元I、直流負(fù)荷I、直流母線I；所述光伏發(fā)電單元I由光伏陣列I和Boost變換器I構(gòu)成；光伏陣列I通過Boost變換器I與直流母線I連接；直流負(fù)荷I與直流母線I連接；直流母線I通過DC/DC變換器I與中間母線連接；

所述直流子網(wǎng)II包括光伏發(fā)電單元II、直流負(fù)荷II、直流母線II；所述光伏發(fā)電單元II由光伏陣列II和Boost變換器II構(gòu)成；光伏陣列II通過Boost變換器II與直流母線II連接；直流負(fù)荷II與直流母線II連接；直流母線II通過DC/DC變換器II與中間母線連接；

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)；

所述直流子網(wǎng)I和所述直流子網(wǎng)II的電壓等級(jí)不同。

一種基于功率池的雙層母線直流微電網(wǎng)的控制方法（該方法是基于本發(fā)明所述的一種基于功率池的雙層母線直流微電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的），該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟S1：設(shè)定U_dc1為直流母線I的電壓；設(shè)定U_dc2為直流母線II的電壓；設(shè)定U_L12、U_L11、U_H11、U_H12為DC/DC變換器I工作的電壓閾值，并使得U_L12＜U_L11＜U_H11＜U_H12；設(shè)定U_L22、U_L21、U_H21、U_H22為DC/DC變換器II工作的電壓閾值，并使得U_L22＜U_L21＜U_H21＜U_H22；設(shè)定U_sc為超級(jí)電容器的端電壓；設(shè)定U_scL2、U_scL1、U_scH1、U_scH2為鋰電池組工作的電壓閾值，并使得U_scL2＜U_scL1＜U_scH1＜U_scH2；設(shè)定SOC_bat為鋰電池組的荷電狀態(tài)；設(shè)定[SOC_batmin,SOC_batmax]為鋰電池組的正常工作范圍；

步驟S2：當(dāng)直流子網(wǎng)I的功率和直流子網(wǎng)II的功率均保持平衡時(shí)，U_L11≤U_dc1≤U_H11，U_L21≤U_dc2≤U_H21，此時(shí)光伏發(fā)電單元I和光伏發(fā)電單元II均工作于MPPT控制模式，功率池不工作；

當(dāng)直流子網(wǎng)I的功率盈余導(dǎo)致U_H11<U_dc1≤U_H12時(shí)，光伏發(fā)電單元I仍然工作于MPPT控制模式，直流母線I根據(jù)DC/DC變換器I的下垂特性曲線向功率池放電，穩(wěn)定U_dc1，直至U_L11≤U_dc1≤U_H11；

當(dāng)直流子網(wǎng)I的功率缺失導(dǎo)致U_L12≤U_dc1<U_L11時(shí)，光伏發(fā)電單元I仍然工作于MPPT控制模式，功率池根據(jù)DC/DC變換器I的下垂特性曲線向直流母線I放電，穩(wěn)定U_dc1，直至U_L11≤U_dc1≤U_H11；

當(dāng)直流子網(wǎng)II的功率盈余導(dǎo)致U_H21<U_dc2≤U_H22時(shí)，光伏發(fā)電單元II仍然工作于MPPT控制模式，直流母線II根據(jù)DC/DC變換器II的下垂特性曲線向功率池放電，穩(wěn)定U_dc2，直至U_L21≤U_dc2≤U_H21；

當(dāng)直流子網(wǎng)II的功率缺失導(dǎo)致U_L22≤U_dc2<U_L21時(shí)，光伏發(fā)電單元II仍然工作于MPPT控制模式，功率池根據(jù)DC/DC變換器II的下垂特性曲線向直流母線II放電，穩(wěn)定U_dc2，直至U_L21≤U_dc2≤U_H21；

當(dāng)直流子網(wǎng)I的功率嚴(yán)重盈余導(dǎo)致U_dc1＞U_H12時(shí)，光伏發(fā)電單元I由MPPT控制模式切換至恒壓控制模式，此時(shí)光伏發(fā)電單元I作為松弛終端，通過對(duì)Boost變換器I采用雙閉環(huán)控制穩(wěn)定U_dc1，同時(shí)直流母線I根據(jù)DC/DC變換器I的下垂特性曲線向功率池放電，直至U_L11≤U_dc1≤U_H11；

當(dāng)直流子網(wǎng)I的功率嚴(yán)重缺失導(dǎo)致U_dc1<U_L12時(shí)，按照優(yōu)先級(jí)順序切除部分直流負(fù)荷I，同時(shí)功率池根據(jù)DC/DC變換器I的下垂特性曲線向直流母線I放電，直至U_L11≤U_dc1≤U_H11；

當(dāng)直流子網(wǎng)II的功率嚴(yán)重盈余導(dǎo)致U_dc2＞U_H22時(shí)，光伏發(fā)電單元II由MPPT控制模式切換至恒壓控制模式，此時(shí)光伏發(fā)電單元II作為松弛終端，通過對(duì)Boost變換器II采用雙閉環(huán)控制穩(wěn)定U_dc2，同時(shí)直流母線II根據(jù)DC/DC變換器II的下垂特性曲線向功率池放電，直至U_L21≤U_dc2≤U_H21；

當(dāng)直流子網(wǎng)II的功率嚴(yán)重缺失導(dǎo)致U_dc2<U_L22時(shí)，按照優(yōu)先級(jí)順序切除部分直流負(fù)荷II，同時(shí)功率池根據(jù)DC/DC變換器II的下垂特性曲線向直流母線II放電，直至U_L21≤U_dc2≤U_H21；

步驟S3：當(dāng)功率池的儲(chǔ)存能量適宜時(shí)，U_scL1≤U_sc≤U_scH1，此時(shí)鋰電池組不工作；

當(dāng)功率池的儲(chǔ)存能量盈余導(dǎo)致U_scH1<U_sc≤U_scH2時(shí)，功率池根據(jù)DC/DC變換器III的下垂特性曲線向鋰電池組放電，直至U_scL1≤U_sc≤U_scH1；

當(dāng)功率池的儲(chǔ)存能量缺失導(dǎo)致U_scL2≤U_sc<U_scL1時(shí)，鋰電池組根據(jù)DC/DC變換器III的下垂特性曲線向功率池放電，直至U_scL1≤U_sc≤U_scH1；

當(dāng)功率池的儲(chǔ)存能量嚴(yán)重盈余導(dǎo)致U_sc＞U_scH2，或者功率池的儲(chǔ)存能量嚴(yán)重缺失導(dǎo)致U_sc<U_scL2時(shí)，功率池停止工作；

步驟S4：當(dāng)SOC_bat超出[SOC_batmin,SOC_batmax]時(shí)，鋰電池組停止工作。