面向算力集群超级大动态的集成开关储能单元及方法

本发明涉及电力电子技术，尤其涉及面向算力集群超级大动态的集成开关储能单元及方法。

背景技术：

1、近年来，随着人工智能技术的迅猛发展，以图形处理器（graphics processingunit，gpu）为代表的ai加速器正在推动数据/算力中心供电需求呈指数级增长。如何降低数据/算力中心的能耗，实现数据中心绿色、高效、高质量发展，成为迫切需要解决的问题。gpu是典型的脉冲功率型负载，根据微软、openai与英伟达等机构联合发表的《powerstabilization for ai training datacenters》，在执行训练任务时，gpu单卡功耗会在接近2倍热设计功耗与低功耗模式之间频繁切换——即形成所谓“超级大动态”工作模式。当算力中心的gpu集群同步运行时，这种功率波动会被放大到机架、机房、甚至电网层面，从而在多个层面引发严重挑战。超级大动态引发的超大电流冲击会直接引发系统母线电压骤升骤降，产生周期性电压闪变与宽频谐波扰动。剧烈的母线功率波动不仅可能会造成算力中心供电电源过欠压保护误触发，进而导致训练任务中断、算力数据丢失、集群宕机等重大故障。此外，功率冲击还会冲击前端配电网，引发变压器功率振荡、线路损耗激增等问题，大幅增加了算力/数据中心运维成本与设备故障率。

2、为了应对算力集群超级大动态带来的影响，英伟达公司在2026年ieee apec国际会议上发表的论文（l. gu, a. habih, et al. active power buffer for smoothinggpu workload transients in data center power delivery. ieee apec, 2026, pp.158-162）中提出，将电容、超级电容或蓄电池等储能单元通过双向直流变换器挂接在直流母线上，利用双向直流变换器主动调控储能单元充放电，实现脉冲功率缓冲、进而消除脉冲功率对供电系统带来的影响。该方案虽然能够有效应对功率波动带来的影响，但存在以下问题：

3、(1)双向变换器的器件应力大：高电压电流应力一方面导致硬开关状态下开关损耗与导通损耗急剧攀升，不仅显著降低变换效率，恶化系统热环境性。另一方面选型必须完全依据峰值裕度进行，被迫选用更高耐压/耐流规格的器件，硬件成本与开发难度大幅提高。

4、(2)双向变换器的器件数量多：随着算力集群超级大动态的功率快速跃升，须采用多模块冗余并联架构。此举使开关管用量成倍增加，直接推高增大算力/数据中心硬件成本与降低功率密度。

5、(3)配套设备导致系统机功率密度下降：由于过高的设计功率容量、严重的发热，迫使系统配置大容量风冷或液冷散热装置，严重侵占算力/数据中心内部空间，严重制约数据中心高集成供电架构的实现。

6、(4)变换器升压能力要求苛刻使应力与损耗加剧：为了充分利用释放电容的储能能力，储能电容在工作时往往要求其电压能够尽量大幅度的波动。但电容过低的放电电压就要求变换器具备更高的升压能力，这进一步增加了变换器的应力和损耗，导致其体积、重量、功耗和成本的进一步增加。

7、(5)电容串联均压使设计控制复杂化：随着数据/算力中心供电架构正在向基于800v乃至1500v母线甚至更高电压演进。超级电容、储能电容等储能元件的单体电压仍较低，往往需要电容串联使用，进一步导致双向储能单元设计、实现和控制复杂化以实现电压均衡。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种面向算力集群超级大动态的双向储能电路单元及方法。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、一种面向算力集群超级大动态的集成开关储能单元，包括第一至第二电感、第一至第四开关管、第一至第二储能元件、滤波电容和直流母线；

4、所述直流母线的正极分别和滤波电容的一端、第一开关管的漏极、第一储能元件的正极、算力集群负载的一端相连，负极分别和滤波电容的另一端、第四开关管的源极、算力集群负载的另一端相连；

5、所述第一开关管源极分别和第二电感的一端、第三开关管的漏极相连；

6、所述第二电感的另一端和第二储能元件的正极相连；

7、所述第二储能元件的负极分别和第四开关管的漏极、第二开关管的源极相连；

8、所述第二开关管的漏极分别和第三开关管的源极、第一电感的一端相连；

9、所述第一电感的另一端和所述第一储能元件的负极相连。

10、本发明还公开了一种该面向算力集群超级大动态的集成开关储能单元的控制方法，包括以下步骤：

11、步骤1），当所述第一储能元件和第二储能元件电压之和小于或等于直流母线电压时：

12、步骤1.1），设置第二开关管与第一开关管驱动信号同步且占空比相等；

13、步骤1.2），设置第四开关管与第一开关管驱动信号互补；

14、步骤1.3），设置三开关管保持导通；

15、步骤1.4），调整第四开关管占空比d4实现对第一储能元件及第二储能元件电压的调节。

16、步骤2），当所述第一储能元件和第二储能元件电压之和大于直流母线电压时：

17、步骤2.1），设置第二开关管与第一开关管驱动信号同步且占空比相等；

18、步骤2.2），设置第三开关管与第一开关管驱动信号互补；

19、步骤2.3），设置四开关管保持导通；

20、步骤2.4），调整第三开关管占空比d3实现对第一储能元件及第二储能元件电压的调节。

21、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

22、1. 有效降低了开关器件电压电流应力与系统成本：

23、本发明通过双向储能电路单元的内部拓扑连接创新，显著降低开关管与电感电压电流应力。大幅降低有源器件开关、导通损耗，线路铜损与磁性元件铁损，降低数据/算力中心供电系统开发难度与运维成本；

24、2. 实现了系统级的功率密度提升：

25、得益于本发明中双向储能电路单元更低的功率容量与功率损耗，显著降低变换器自身乃至与之相关的热管理系统的体积与质量，实现系统级功率密度的跨越式提升，能够很好地适应算力中心供电系统对空间利用率的苛刻约束；

26、3. 实现开关管集成，降低硬件成本：

27、对于用于连接两组储能元件的双向变换器中的开关管进行集成处理，减少功率器件数量，降低双向变换器的复杂度，进一步提升算力中心供电系统的功率密度，进一步降低系统的硬件成本与功率损耗。

28、4. 储能元件电压能够从0、大范围调节：

29、储能元件电压从0开始调节，可以自动实现所述集成开关储能单元的缓启动，由此可以有效抑制带有大储能元件的储能电路单元上电瞬间的大电流冲击；储能元件电压从大范围调节，可以增大储能元件的放电深度，由此可以有效提升储能电路单元算力集群超级大动态的消纳能力，有效降低储能元件用量，提升系统密度；

30、5. 控制方法简单，无需额外均压控制：

31、本发明中双向储能电路内的第一，第二储能单元电压电流自然均衡，从根本上解决了算力中心超级大动态平抑场景下因储能元件串联、并联使用所带来的均衡难题，避免了额外的采样与控制电路，进一步降低了系统成本并提升了可靠性。

32、6. 储能元件串并连模式自由切换，降低变换器升压要求：

33、在储能元件电压低电压模式下，所述集成开关储能单元中储能元件等效串联工作，有效降低变换器的升压压力；在储能元件高电压模式下，所述集成开关纯能电路单元中储能元件等效并联，有效提升储能电路单元超级大动态消纳能力。