基于超级电容储能的两级升压脉冲功率电源系统及其控制方法与流程

本发明涉及脉冲功率、电力电子和储能，具体涉及一种用于大科学装置（如粒子对撞机、高功率微波源、磁约束聚变实验装置等帕瓦级脉冲功率驱动源）的储能和升压电源系统，尤其涉及一种基于超级电容器储能模组、采用“慢充快放”两级能量管理策略的大功率升压电源装置及其控制方法。

背景技术：

1、在脉冲功率技术领域，大科学装置（如粒子对撞机、高功率微波源、托卡马克聚变实验装置等）往往需要在极短时间内实现对负载的高压（百千伏级）充电。这类装置的供电系统通常包含两个环节：前级充电系统将电网能量存储到中间储能元件中，后级通过快速开关或变换器将储能能量在极短时间内释放至负载。中间储能元件的作用是，减小脉冲装置工作过程对电网功率波动的影响。帕瓦级脉冲功率驱动源工作时具有瞬时功率极高（可达百mw级乃至gw级）、单次工作时间极短（μs~ms级）、工作频次低（间隔数秒至分钟）的特点，对前端供电系统提出了极为苛刻的要求。

2、目前，大科学装置前级充电主要采用以下几种技术路线：

3、（1）单级直接充电方案

4、传统的升压方案主要采用单级充电模式，即电源直接对储能电容充电至目标电压后通过开关放电。这种方案需要在极短时间内提供巨大功率，对电源的瞬时功率输出能力要求极高，导致电源体积大、成本高；充电过程中能量损耗较大，效率偏低；对于需要同时输出正负极性高压的场景，现有方案难以兼顾。

5、（2）单一集中式储能缓冲方案

6、在电网与充电设备之间设置一套集中式储能装置（如蓄电池组或超级电容器组），用于平抑充电功率波动。该方案虽然能够缓解电网冲击，但存在以下不足：单点故障风险高，储能系统集中设置，任一关键部件故障将导致整个系统瘫痪；扩展灵活性差，随着脉冲功率装置向更高能量等级发展，集中式系统扩容困难，需要对整个储能系统重新设计和更换；热管理难度大，集中式储能系统功率密度高，散热集中，热设计挑战大；冗余设计成本高，为实现系统可靠性，集中式方案通常采用全冗余配置，成本急剧上升。

7、（3）电网直接整流供电方案

8、通过大功率整流电源将三相交流电直接转换为直流电对脉冲电容器组充电。该方案充电瞬间从电网汲取的功率可达数mw~数十mw，造成电网电压跌落、闪变和谐波超标等电能质量问题；同时，充电设备的功率器件需承受极大的瞬时电流应力，系统可靠性下降。

9、已有文献报道了基于脉冲变压器的高压脉冲电源方案，但多采用连续充电或单次放电模式。现有方案在设计时较少考虑对电网电能质量的主动支撑功能，无法在满足充电需求的同时为电网提供无功支撑或谐波治理等辅助服务。此外，现有方案普遍缺乏模块化和可扩展性设计，难以适应大科学装置不断增长的功率需求。

10、综上，现有技术至少存在以下不足：对电源瞬时功率要求过高导致电网冲击大；单级充电效率偏低；正负极性输出困难；集中式储能方案单点故障风险高、扩展灵活性差、热管理难度大；电网直接整流方案电能质量问题突出；现有方案普遍缺乏模块化和可扩展性设计。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种基于超级电容储能的两级升压脉冲功率电源系统及其控制方法，以解决现有技术中单级充电对电源瞬时功率要求过高、充电效率偏低、正负极性输出困难、对电网冲击大、系统可靠性低以及扩展灵活性差等技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提出了一种基于超级电容储能的两级升压脉冲功率电源系统，包括：

3、交流配电单元，其输入端用于连接三相交流电网；

4、公共升压变压器，其输入端连接所述交流配电单元的输出端，用于将三相交流电升压后输出至交流母线；

5、m个储能充电模组，m≥2，每个所述储能充电模组包括依次连接的ac/dc整流桥、斩波电感、超级电容器组、dc/dc变换单元、隔离器件和熔断器；所述ac/dc整流桥的输入端连接所述交流母线，用于将交流电整流成直流电；所述dc/dc变换单元用于将电压升压后输出；所述隔离器件的输出端通过所述熔断器连接直流汇流母线；

6、系统控制器，分别与各所述储能充电模组通信连接，用于控制各所述ac/dc整流桥以第一功率从电网取电对所述超级电容器组进行充电，以及控制各所述dc/dc变换单元同步导通使各所述超级电容器组同时释放能量并经所述dc/dc变换单元升压后输出至所述直流汇流母线；

7、其中，所述第一功率小于所述超级电容器组释放能量的放电功率。

8、可选地，所述公共升压变压器用于将380v交流电升压至20kvac～30kvac。

9、可选地，所述超级电容器组采用多串多并结构，其工作电压为15kv～50kv，每个所述储能充电模组的储能量为4kwh～6kwh。

10、可选地，所述ac/dc整流桥采用三相pwm整流拓扑，所述三相pwm整流拓扑为vienna整流器、两电平有源前端或三电平有源前端中的一种；

11、所述dc/dc变换单元采用双向谐振变换器拓扑、交错并联变换器拓扑或多级交错并联boost拓扑，且具有高频隔离变压器，用于将电压升压至80kv～100kv。

12、可选地，所述隔离器件为隔离二极管或直流接触器。

13、可选地，每个所述储能充电模组还设置有本地控制器和本地保护单元，所述本地控制器用于控制所述ac/dc整流桥，所述本地保护单元用于监测该模组的过压、过流和过温状态，并在检测到故障时封锁该模组的dc/dc变换单元。

14、可选地，还包括能量管理单元，所述能量管理单元与上级监控系统和所述系统控制器通信连接，用于接收所述上级监控系统下发的充放电指令，并向所述系统控制器传输对应的控制指令。

15、可选地，所述系统控制器采用双dsp与fpga相结合的架构，所述双dsp包括主dsp和从dsp，所述主dsp负责任务调度、状态监测以及与能量管理单元通信，所述从dsp负责各所述储能充电模组的协调控制，所述fpga负责高速pwm脉冲生成、故障保护和同步触发信号的分配；所述系统控制器与各所述储能充电模组之间通过can总线或光纤通信总线连接。

16、本发明还提出一种以上所述的基于超级电容储能的两级升压脉冲功率电源系统的控制方法，包括：

17、储能充电步骤：系统控制器控制各储能充电模组的ac/dc整流桥以第一功率从三相交流电网取电，经公共升压变压器升压后通过交流母线送入各模组的ac/dc整流桥，经所述ac/dc整流桥整流后对各自的超级电容器组进行充电，直至所述超级电容器组达到预设电压；

18、待命保持步骤：各所述超级电容器组达到预设电压后，所述系统控制器控制各储能充电模组维持所述超级电容器组的电压，等待放电指令；

19、脉冲放电步骤：所述系统控制器接收到放电指令后，同步触发所有储能充电模组的dc/dc变换单元，使各所述超级电容器组同时释放能量，经各所述储能充电模组内的dc/dc变换单元升压后输出至所述直流汇流母线供给负载；

20、恢复步骤：放电结束后，所述系统控制器封锁各所述dc/dc变换单元的输出，并返回所述储能充电步骤。

21、可选地，所述储能充电步骤中，所述系统控制器以交错启动方式逐一启动各储能充电模组，使电网侧总功率呈阶梯式增加。

22、可选地，还包括故障容错步骤：当任一储能充电模组故障时，所述系统控制器控制该模组与所述直流汇流母线断开，其余模组以降低后的额定功率继续运行。

23、可选地，所述储能充电步骤中，所述系统控制器还根据能量管理单元从上级监控系统接收的需求响应指令，调节各所述储能充电模组的充电功率；所述系统控制器还控制所述ac/dc整流桥向三相交流电网输出无功功率。

24、本发明相较于现有技术，具有以下显著的有益效果：

25、（1）显著降低对电网的冲击

26、本发明采用分布式储能架构和“慢充快放”的两级能量管理策略：储能充电阶段，系统控制器控制各储能充电模组以第一功率（为额定充电功率的30%~50%）从电网取电对超级电容器组进行慢速充电；脉冲放电阶段，各超级电容器组同时向直流汇流母线释放能量，经dc/dc变换单元升压后供给负载。通过将电网能量缓慢存储至超级电容器组，电网侧仅需提供平均功率而非峰值功率。以一个12模组系统为例，若单级直接充电方案需直接从电网汲取10mw的瞬态功率，本发明仅需从电网汲取约180kw的持续功率对各储能模组慢速充电，电网冲击降低98%以上，电压跌落、闪变和谐波污染等问题得到根本性缓解。

27、（2）系统可靠性高，具备故障容错能力

28、本发明采用分布式储能架构和“n-m”冗余设计：m个储能充电模组各自独立工作，当任一储能充电模组故障时，系统控制器控制该模组与直流汇流母线断开，其余模组仍可继续降额运行，不影响脉冲功率装置的核心任务。相较于单一集中式储能缓冲方案中任一关键部件故障即导致整个系统瘫痪的缺陷，本发明从根本上消除了单点故障风险，系统可用性大幅提升。

29、（3）扩展灵活，容量可平滑升级

30、本发明采用模块化设计，各储能充电模组可独立增减。随着脉冲功率装置能量需求提升，只需增加储能充电模组的数量即可实现系统扩容，无需重新设计整个充电系统。当新增储能充电模组接入时，系统控制器自动识别该新增模组并将其纳入调度，真正实现“按需配置、积木式搭建”，大幅降低了系统扩容成本和周期。

31、（4）热管理设计难度低

32、本发明将总功率分散到m个独立的储能充电模组中，每个模组的功率密度和热流密度显著降低，散热设计更加简单可靠。相较于集中式储能方案中功率密度高、散热集中的问题，本发明可采用风冷或液冷等多种方式灵活组合，热设计难度和成本均大幅降低。

33、（5）电网侧电能质量友好，具备主动支撑功能

34、本发明中每个储能充电模组的ac/dc整流桥采用三相pwm整流拓扑，可实现单位功率因数运行（功率因数不低于0.99）和低谐波并网（电流总谐波畸变率不高于5%），避免了电网直接整流供电方案中因大功率整流装置引起的电压跌落、闪变和谐波超标等问题。更重要的是，系统控制器还可根据能量管理单元从上级监控系统接收的需求响应指令，控制ac/dc整流桥向三相交流电网输出无功功率，在电网负荷高峰时段降低各储能充电模组的充电功率，或在电网异常时为电网提供无功支撑，变“电网污染源”为“电网友好型负荷”。

35、（6）储能元件寿命与脉冲功率装置工作特性高度匹配

36、本发明采用超级电容器组作为储能元件。超级电容器循环寿命可达50万次以上，远优于蓄电池的数千次循环寿命，与脉冲功率装置频繁充放电的工作特性高度匹配。以每天充放电100次计算，超级电容器组的使用寿命可达13年以上，而蓄电池组在相同工况下仅能维持数月。因此，本发明在全生命周期内无需频繁更换储能元件，系统维护成本和全生命周期成本显著降低。

37、（7）响应速度快，满足脉冲功率装置严苛要求

38、本发明中，系统控制器采用双dsp与fpga相结合的架构，fpga负责同步触发信号的分配。当系统控制器接收到放电指令后，fpga在50μs内同时向所有储能充电模组的dc/dc变换单元发出同步驱动脉冲，系统从接收到放电指令到输出达到额定值的总响应时间小于1ms，充分满足脉冲功率装置对供电及时性的严苛要求。

39、（8）储能系统工作电压低，安全性高

40、本发明采用低压储能方案：超级电容器组的工作电压为15kv~50kv，远低于负载所需的80kv~100kv高压。能量释放时通过dc/dc变换单元（含高频隔离变压器）升压至高压后输出至负载，大幅降低了储能系统的高电压停留时间，绝缘和安全性要求相对降低，系统寿命延长。

41、（9）支持正负极性输出

42、对于需要同时输出正负极性高压的场景（如某些粒子加速器或聚变实验装置的特定需求），本发明可采用两台极性相反的恒流源分别进行正极性和负极性充电，兼顾正负输出需求，扩展了系统的应用范围。

43、（10）充电效率高，能量损耗低

44、本发明中，电网电能以慢速充电方式存储至超级电容器组，充电过程平稳，ac/dc整流桥工作于最佳效率区间，能量转换效率高。储能充电阶段各模组以恒流方式充电，待电压达到预设值后转入恒压浮充，充电策略优化了充电效率和储能利用率。单级直接充电方案因需要在极短时间内完成充电而导致大量能量损耗，而本发明的慢速充电方案有效降低了充电过程中的能量损耗。

45、本发明具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。