本發明屬于雙極性直流微電網的穩定運行領域，具體涉及一種雙極性直流微電網的混合儲能系統協調控制方法。

背景技術：

目前，隨著電力需求的快速發展，以分布式電源構建的直流微電網不需要考慮無功功率、頻率等復雜參量，且線路損耗小、可靠性高，已成為新能源組網后并網的重要方式。但是以風能、太陽能為代表的分布式發電自身存在不可預測性和間歇性；再加上微電網中大量波動性負荷，使得電網質量下降，甚至造成功率出現嚴重不平衡。為了提高微電網運行的可靠性和優化電能質量，電力儲能技術應運而生，成為直流微電網中的一個關鍵環節。作為能量型儲能元件的鋰電池能量密度高，但功率密度低；而超級電容作為功率型儲能元件，功率密度高，但能量密度低。根據兩者在輸出特性上互補的優勢，專家們將兩者結合使用，并構成鋰電池-超級電容混合儲能系統。

混合儲能系統不僅能夠優化鋰電池充放電電流，延長儲能系統壽命，而且可以提高混合儲能系統動態響應。為了平滑鋰電池電流，有學者提出利用濾波器將直流母線上的功率波動分為低頻分量和高頻分量。高頻分量與低頻分量的波動分別由超級電容和鋰電池進行補償。也有學者提出一種鋰電池依據超級電容荷電量來調整出力的策略，實現了鋰電池電流的平滑控制。

隨著微網群的發展，直流微電網的結網形式開始多樣化。雙極性直流母線由于具有多等級電壓的優勢引起了人們的關注，也成為目前重要的結網形式。有學者設計的住宅用雙極性直流微網系統，可根據負荷端對供電電壓的不同需求由不同母線進行供電。傳統的混合儲能系統應用只針對單極性直流母線。而雙極性直流母線上的功率波動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系，且一條母線上的功率波動會影響另一條母線。因此，有必要發明一種適合雙極性直流微網的混合儲能系統協調控制方法。

技術實現要素：

為了解決目前缺乏雙極性直流母線電壓穩定控制方法的問題，本發明提供一種適合于雙極性直流微電網的混合儲能系統協調控制方法。

本發明的技術方案：一種雙極性直流微電網混合儲能系統協調控制方法，其特征是所述雙極性直流微電網混合儲能系統，包括鋰電池、第一超級電容和第二超級電容；鋰電池通過第一雙向DC/DC變換器I連接于雙極性直流母線的正線與負線PN上；第一超級電容P通過第二雙向DC/DC變換器II連接于雙極性直流母線的正線與零線PO上；第二超級電容N通過第三雙向DC/DC變換器III連接于雙極性直流母線的零線與負線ON上；雙極性直流母線的三條母線通過電壓平衡器連接。

2、根據權利要求1所述一種雙極性直流微電網混合儲能系統協調控制方法，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。

3、根據權利要求1所述一種雙極性直流微電網混合儲能系統協調控制方法，其特征是包括下述內容：

(1)協調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電容與第二超級電容單獨平滑相應的母線電壓；兩個雙向DC/DC變換器均采用雙閉環恒壓控制方式，控制兩個超級電容充放電；其中一個雙向DC/DC變換器II以母線PO上的電壓作為其控制參量；另一個雙向DC/DC變換器III以母線ON上的電壓作為其控制參量；當雙極性直流母線電壓發生波動，在相應低壓側的雙向DC/DC變換器優先動作，通過雙閉環控制使超級電容快速充放電；

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

設置第一超級電容和第二超級電容的最佳運行區間為且在此區間內，第一超級電容和第二超級電容能量不需要補償，鋰電池無需工作；

當雙極性直流微電網中有功率盈余時，此時母線上升電壓波動的低頻分量較大，兩側超級電容電壓均值持續上升直至超出最佳運行區間；

當時，第一雙向DC/DC變換器I開始工作，并根據下垂曲線控制鋰電池平滑充電；

當雙極性直流微電網的功率出現缺額時，此時母線跌落電壓波動的低頻分量較大，兩側超級電容電壓均值持續下降直至超出最佳運行區間；

當有：時，第一雙向DC/DC變換器I根據下垂曲線控制鋰電池平滑放電；

(3)計算兩組超級電容電壓差值為：ΔU_SC＝U_scp-U_scn；

設定-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；

設置[-ΔU_L，ΔU_L]區間為雙極性直流微電網不均衡帶，電壓平衡器不需要動作，超級電容單獨平滑雙側直流母線高頻波動的不均衡電壓；

當PO母線上的功率嚴重高于ON母線上的功率時，則兩個超級電容電壓偏差將超出不均衡帶；

當ΔU_H≥ΔU_SC≥ΔU_L時，電壓平衡器開始運行，根據下垂曲線使兩側能量進行交換，將功率從PO側轉換至ON側；

當ON母線上的功率嚴重高于PO母線上的功率時，則兩個超級電容電壓偏差將超出不均衡帶；

當-ΔU_H≤ΔU_SC≤-ΔU_L時，電壓平衡器開始運行，根據下垂曲線使兩側能量進行交換，將功率從ON側轉換至PO側。

本發明具備如下優點：

1、本發明通過采用兩個超級電容分別抑制雙極性直流母線中兩個低壓等級母線上的功率波動，提高了雙極性直流微電網的電能質量。

2、本發明通過采用兩個超級電容電壓關系參量作為控制鋰電池和電壓平衡器的工作信號，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作。

3、本發明有效解決了雙極性直流微電網中母線電壓波動、母線間功率互相干擾等問題。

附圖說明

圖1是本發明中一種雙極性直流微電網的混合儲能系統結構示意圖。

圖2是本發明中第一雙向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；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到限值時對應的兩組超級電容平均電壓臨界值；為鋰電池動作閥值。因此兩超級電容最佳運行電壓區間為此區間內，鋰電池無需動作，避免了鋰電池運行狀態的頻繁切換。

k_p，k_n分別為電壓平衡器的運行下垂系數；I_busm為電壓平衡器最大動作電流；-ΔU_H和ΔU_H為電壓平衡器最大均衡電流對應的超級電容臨界電壓差值；設置區間[-ΔU_L，ΔU_L]為雙極性直流微電網不均衡帶，電壓平衡器不需要動作，超級電容單獨平滑雙側直流母線高頻波動的不均衡電壓。

具體實施方式

圖1所示，一種雙極性直流微電網的混合儲能系統，包括鋰電池、超級電容P和超級電容N，以及變換器。

變換器為3個雙向DC/DC變換器和一個電壓平衡器。

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；超級電容P通過DC/DC變換器II連接于母線PO上；超級電容N通過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電路結構；電壓平衡器采用反極性升降壓變換器電路結構。

一種雙極性直流微電網的混合儲能系統的控制方法，包括如下內容：

1、雙極性直流母線由P線(正線)、O線(零線)、和N線(負線)組成，O線與大地相接。由此直流微電網能夠提供三個母線電壓，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。

為了協調雙極性直流母線上功率平衡，兩低壓直流母線PO與ON上分別采用超級電容P與超級電容N單獨平滑相應的母線電壓。雙向DC/DC變換器II與雙向DC/DC變換器III均采用雙閉環恒壓控制方式，控制超級電容P和超級電容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。當雙極性直流母線電壓發生波動，在相應低壓側的雙向DC/DC變換器優先動作，通過雙閉環控制使超級電容快速充放電。

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。

設定U_scp為超級電容P的電壓；設定U_scn為超級電容N的電壓；計算兩組超級電容電壓均值為：將作為雙向DC/DC變換器I的控制參量。

設定為雙向DC/DC變換器I工作的參量閾值，并使得

設置兩超級電容最佳運行區間為此區間內，超級電容能量不需要補償，鋰電池無需工作。

當雙極性直流微電網中有功率盈余時，此時母線上升電壓波動的低頻分量較大，兩側超級電容電壓均值持續上升直至超出最佳運行區間。當有：時，雙向DC/DC變換器I開始工作，并根據下垂曲線控制鋰電池平滑充電。

當雙極性直流微電網的功率出現缺額時，此時母線跌落電壓波動的低頻分量較大，兩側超級電容電壓均值持續下降直至超出最佳運行區間。當有：時，雙向DC/DC變換器I根據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。

通過采集超級電容P的電壓U_scp與超級電容N的電壓U_scn，并計算兩組超級電容電壓差值為：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；

設置區間[-ΔU_L，ΔU_L]為雙極性直流微電網不均衡帶，電壓平衡器不需要動作，超級電容單獨平滑雙側直流母線高頻波動的不均衡電壓。

當PO母線上的功率嚴重高于ON母線上的功率時，則兩個超級電容電壓偏差將超出不均衡帶，當ΔU_H≥ΔU_SC≥ΔU_L時，電壓平衡器開始運行，根據下垂曲線使兩側能量進行交換，將功率從PO側轉換至ON側。

當ON母線上的功率嚴重高于PO母線上的功率時，則兩個超級電容電壓偏差將超出不均衡帶，當-ΔU_H≤ΔU_SC≤-ΔU_L時，電壓平衡器開始運行，根據下垂曲線使兩側能量進行交換，將功率從ON側轉換至PO側。