面向算力集群超级大动态的双向储能电路单元及方法

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双向储能电路单元及方法。

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：(1)双向变换器的功率容量高，即连接储能单元的双向变换器通常要按照脉冲的峰值功率设计，导致其设计容量过高、功率器件承受的电压电流应力过大，大幅增加了数据/算力中心供电系统的成本；(2)功率损耗过高，由于储能单元所有充放电功率都需要经过双向变换器两次功率变换，使其带来的附加损耗过高、发热严重，严重降低了数据/算力中心的整体能耗和pue水平，而过高的发热也大幅增加了系统的散热负担；(3)功率密度过低，由于过高的设计功率容量、严重的发热，导致储能双向变换器的整体功率密度大大下降，难以满足数据/算力中心供电系统对功率密度的严苛要求。

3、此外，随着数据/算力中心供电容量的爆发式增长，其供电母线的电压不断升高。目前，算力中心供电架构正在向基于800v直流母线的高压直流供电架构演进和发展，未来将进一步向1500v母线甚至更高电压演进。然而，超级电容、储能电容等储能元件的单体电压仍较低，为了满足高压直流母线脉动功率缓冲要求，往往需要电容串联使用，这就要求额外的电压均衡电路，进一步导致双向储能单元设计、实现和控制的复杂化。不仅如此，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，也即放电时的电压能够尽量的低。但过低的放电电容电压就要求双向变换器具备更高的升压能力，这进一步增加了储能双向变换器的功率应力和损耗，导致其体积、重量、功耗和成本的进一步增加。

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双向储能电路单元，包括第一至第二电感、第一至第七开关管、第一至第二储能元件、以及直流母线；

4、所述直流母线的正极分别和第五开关管的漏极、第四开关管的漏极、第二储能元件的正极、算力集群负载的一端相连，负极分别和第七开关管的源极、算力集群负载的另一端相连；

5、所述第五开关管的源极分别和第二电感的一端、第一储能元件的正极、第一开关管的漏极相连；

6、所述第四开关管的源极分别和第二电感的另一端、第三开关管的漏极相连；

7、所述第二储能元件的负极分别和第三开关管的源极、第一电感的一端、第六开关管的漏极相连；

8、所述第一储能元件的负极分别和第七开关管的漏极、第二开关管的源极、第六开关管的源极相连；

9、所述第一开关管的源极分别和第二开关管的漏极、第一电感的另一端相连。

10、作为本发明一种面向算力集群超级大动态的双向储能电路单元进一步的优化方案，所述第一电感与所述第二电感之间形成负耦合，耦合系数大于等于0且小于等于1。

11、本发明还公开了一种该面向算力集群超级大动态的双向储能电路单元的控制方法，包括以下步骤：

12、步骤a.1），设置第二开关管与第一开关管的驱动信号互补，第四开关管与第三开关管的驱动信号互补，第一开关管的驱动信号与第三开关管的驱动信号占空比相等并交错180°；

13、步骤a.2），设置第六开关管与第五开关管的驱动信号占空比相等并交错180°，第五开关管、第六开关管的驱动信号取或后得到的信号和第七开关管的驱动信号互补；

14、步骤a.3），令直流母线电压为直流母正极与直流母线电压负极间电压差，当第一储能元件与第二储能元件电压之和小于或等于直流母线电压时：

15、第一开关管与第三开关管保持导通，第二开关管与第四开关管保持关断，通过调节第五开关管的驱动信号占空比d5实现对第一储能元件以及第二储能元件电压的调节；

16、步骤a.4），当第一储能元件以及第二储能元件电压之和大于直流母线电压时：

17、第七开关管保持导通，第五开关管与第六开关管保持关断，调整第一开关管占空比d1实现对第一储能元件以及第二储能元件电压的调节。

18、本发明还公开了另一种该面向算力集群超级大动态的双向储能电路单元的控制方法，包括以下步骤：

19、步骤b.1），设置第一开关管与第二开关管的驱动信号互补，第三开关管与第一开关管的驱动信号同步，第四开关管与第二开关管的驱动信号同步；

20、步骤b.2），设置第七开关管与第五开关管的驱动信号互补，第六开关管与第五开关管的驱动信号同步；

21、步骤b.3），令直流母线电压为直流母正极与直流母线电压负极间电压差，当第一储能元件与第二储能元件电压之和小于或等于直流母线电压时：

22、第一开关管与第三开关管保持导通，第二开关管与第四开关管保持关断，通过调节第五开关管的驱动信号占空比d5实现对第一储能元件以及第二储能元件电压的调节；

23、步骤b.4），当第一储能元件以及第二储能元件电压之和大于直流母线电压时：

24、第七开关管保持导通，第五开关管与第六开关管保持关断，调整第一开关管的驱动信号占空比d1实现对第一储能元件以及第二储能元件电压的调节。

25、本发明还公开了另一种面向算力集群超级大动态的双向储能电路单元，包括第一至第二电感、第一至第六开关管、第一至第二储能元件、以及直流母线；

26、所述直流母线的正极分别和第四开关管的漏极、第二储能元件的正极、算力集群负载的一端相连，负极分别和第七开关管的源极、算力集群负载的另一端相连；

27、所述第四开关管的源极分别和第二电感的另一端、第三开关管的漏极相连；

28、所述第二储能元件的负极分别和第三开关管的源极、第一电感的一端、第五开关管的漏极相连；

29、所述第二电感的另一端分别和第一储能元件的正极、第一开关管的漏极相连；

30、所述第一储能元件的负极分别和第六开关管的漏极、第二开关管的源极、第五开关管的源极相连；

31、所述第一开关管的源极分别和第二开关管的漏极、第一电感的另一端相连。

32、作为该另一种面向算力集群超级大动态的双向储能电路单元进一步的优化方案，所述第一电感与所述第二电感之间形成负耦合，耦合系数大于等于0且小于等于1。

33、本发明还公开了一种以上面向算力集群超级大动态的双向储能电路单元的控制方法，包括以下步骤：

34、步骤c.1），设置第二开关管与第一开关管的驱动信号互补，第四开关管与第三开关管的驱动信号互补，第一开关管的驱动信号与第三开关管的驱动信号占空比相等并交错180°；

35、步骤c.2），设置第五开关管与第六开关管的驱动信号互补；

36、步骤c.3），令直流母线电压为直流母正极与直流母线电压负极间电压差，当第一储能元件与第二储能元件电压之和小于或等于直流母线电压时：

37、第一开关管与第三开关管保持导通，第二开关管与第四开关管保持关断，通过调节第五开关管的驱动信号占空比d5实现对第一储能元件以及第二储能元件电压的调节；

38、步骤c.4），当第一储能元件以及第二储能元件电压之和大于直流母线电压时：

39、第六开关管保持导通，第五开关管保持关断，调整第一开关管占空比d1实现对第一储能元件以及第二储能元件电压的调节。

40、本发明还公开了第三种面向算力集群超级大动态的双向储能电路单元，包括第一至第二电感、第一至第六开关管、第一至第二储能元件、以及直流母线；

41、所述直流母线的正极分别和第五开关管的漏极、第四开关管的漏极、第二储能元件的正极、算力集群负载的一端相连，负极分别和第六开关管的源极、算力集群负载的另一端相连；

42、所述第五开关管的源极分别和第二电感的一端、第一储能元件的正极、第一开关管的漏极相连；

43、所述第四开关管的源极分别和第二电感的另一端、第三开关管的漏极相连；

44、所述第二储能元件的负极分别和第三开关管的源极、第一电感的一端相连；

45、所述第一电感的另一端分别和第开关管的源极、第二开关管的漏极相连；

46、所述第一储能元件的负极分别和第六开关管的漏极、第二开关管的源极相连。

47、作为该第三种面向算力集群超级大动态的双向储能电路单元进一步的优化方案，所述第一电感与所述第二电感之间形成负耦合，耦合系数大于等于0且小于等于1。

48、本发明还公开了一种以上面向算力集群超级大动态的双向储能电路单元的控制方法，包括以下步骤：

49、步骤d.1），设置第二开关管与第一开关管的驱动信号互补，第四开关管与第三开关管的驱动信号互补，第一开关管的驱动信号与第三开关管的驱动信号占空比相等并交错180°；

50、步骤d.2），设置第五开关管与第六开关管的驱动信号互补；

51、步骤d.3），令直流母线电压为直流母正极与直流母线电压负极间电压差，当第一储能元件与第二储能元件电压之和小于或等于直流母线电压时：

52、第一开关管与第三开关管保持导通，第二开关管与第四开关管保持关断，通过调节第五开关管的驱动信号占空比d5实现对第一储能元件以及第二储能元件电压的调节；

53、步骤d.4），当第一储能元件以及第二储能元件电压之和大于直流母线电压时：

54、第六开关管保持导通，第五开关管保持关断，调整第一开关管占空比d1实现对第一储能元件以及第二储能元件电压的调节。

55、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：

56、1. 有效降低了开关器件电压电流应力与系统成本：

57、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；

58、2. 实现了系统级的功率密度提升：

59、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；

60、3. 串并连模式自动切换，降低了变换器升压能力要求：

61、当所述第一、第二储能元件电压之和小于或等于直流母线电压时，两储能元件等效串联工作，反之则等效并联工作。有效解决储能电容深度放电时电压过低对双向变换器升压能力的严苛要求，降低了双向储能电路单元的设计裕量和成本。

62、4. 储能元件电压能够从零开始连续、大范围调节：

63、能够自动实现缓启动、电压电流全范围调节、适应储能电压大范围波动等应用需求，特别是当选用电容储能时，通过允许电容电压宽范围波动，能够大幅降低对储能电容容量、体积重量和成本的需求；

64、5. 控制方法简单，无需额外均压控制：

65、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，从根本上解决了高压直流母线场景下因储能元件串联使用所带来的电压均衡难题，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。