直流微电网是解决未来大规模分布式能源接入、提高电能质量、增强电网系统可靠性和安全性的重要手段,因此是未来智能配电系统的重要组成部分。随着智能电网和屋顶太阳能技术的快速发展,包含太阳能发电和蓄电池储能的家庭直流微电网受到越来越多的关注。家庭能源管理系统(Home Energy Management System,HEMS)是家庭直流微电网中的控制核心。在智能电网背景下,它的主要功能是通过智能电表和传感器等检测设施、控制方法和优化调度方法来优化家庭中能源使用情况,提高能源使用效率和用户的舒适度,并且达到节能减耗的目的。目前针对家庭能源管理系统的研究主要集中在优化调度算法和网络通信等方面,而对家庭直流微电网的运行状态及其结构的研究还不是很充分。因此本文分别构建了并网运行下和独立运行下的家庭直流微电网结构模型,研究相应的家庭能源管理系统,希望能够达到提高电能质量和节能减耗的目的。主要研究内容如下:(1)介绍了家庭直流微电网的基本构成,重点研究了光伏发电系统和蓄电池储能系统的等效电路模型、工作原理和控制方法。介绍了光伏发电系统常用的三种最大功率跟踪控制方法,并针对电导增量法的算法和判定条件比较复杂的缺点,提出了基于PI控制的改进电导增量法。(2)构建了并网运行下的家庭直流微电网并研究了其家庭能源管理系统,它可以分为两层:变换器基本控制层和上层调度层。其中变换器基本控制层接收来自于上层调度层的信号对家庭直流微电网中的各个变换器进行控制,实现相应的控制目的。上层调度层是基于需求响应策略,在负荷高峰时调度蓄电池供电,在负荷低谷时给蓄电池充电,以实现负荷转移,起到削峰填谷的作用。为了响应HEMS的调度,建立了家庭交流负荷模型。最后通过MATLAB仿真验证了所提出的HEMS调度策略在各种工况下的有效性。(3)构建了独立运行下的家庭直流微电网。由于缺少了交流电网的功率支撑,直流微电网中加入可以调度的柴油机发电系统,并且研究了其工作原理和相关控制系统。为了提高负荷的电能质量,DC/AC变换器采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)拓扑结构。相比于两电平变换器,MMC的电压输出质量高,损耗小,节省了滤波装置,但是其控制比较复杂。因此重点研究了它的调制策略和电容电压平衡控制策略。(4)研究了独立运行下的家庭能源管理系统。由于不需要与交流电网实时交互,HEMS的目标则是提高整个系统运行的稳定性和可靠性。在蓄电池供电不足时,HEMS开始调整柴油机供电系统和蓄电池储能系统的运行方式,保证负荷的正常工作和家庭直流微电网的稳定运行。