一种基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定装置及其方法

摘要

本发明公开了一种基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定装置及其方法，包括检测电路、控制电路、变换电路及混合储能模块，所述检测电路通过电压传感器、电流传感器连接在直流母线上；控制电路包括中央处理单元，所述中央处理单元根据检测到的直流母线上的电压值，控制电压补偿母线回路和电容充电回路的通断；变换电路采用双向DC/DC Buck‑Boost电路，用于对混合储能模块充电或使混合储能模块对直流电网进行补偿；所述混合储能模块包含超级电容组阵列和蓄电池组阵列；超级电容组阵列由若干单元超级电容采用串并联的形式组成，蓄电池组阵列由若干单元蓄电池采用串并联的形式组成。本发明能够改善智能园区内的数据中心电能质量，确保数据中心进线电压稳定。

权利要求

1.一种基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定方法，采用基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定装置，包括检测电路、控制电路、变换电路及混合储能模块，所述检测电路通过电压传感器并联连接在直流母线上；控制电路用于根据检测到的直流母线上的电压值，控制变换电路的通断；所述变换电路采用双向DC/DC Buck‑Boost电路，用于对混合储能模块充电或使混合储能模块对直流电网进行补偿；所述混合储能模块包含超级电容组阵列和蓄电池组阵列；所述超级电容组阵列由n组超级电容器组并联组成，且n为偶数，所述超级电容器组由若干单元超级电容串联组成，所述蓄电池组阵列由n组蓄电池组并联组成，且n为偶数，所述蓄电池组由m个单元蓄电池串联组成；

其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：检测电路通过电压传感器测量直流母线电压，并把数据发送到控制单元，经过计算电压变化率和电压值，并与预设值作比较；当检测到的电压值超过额定电压且电压变化率达到每秒0.2％，则定义为电压过冲，当电压低于额定值且电压变化率达到每秒0.2％，则定义为电压跌落；另外当电压值在0.975UN到0.995UN，1.005UN到1.025UN,定义为Ⅰ区，当电压值在1.025UN到1.05UN和0.95UN到0.975UN定义为Ⅱ区；

步骤B：控制电路对电压变化率和电压值进行判断，决定混合储能如何参与变换电路运行；

具体包括：

步骤B1：判断电压变化率是否达到预设值，若没有达到预设值再判断稳态电压值是否发生变化，若稳态电压值发生变化，当若电压值高于UN，则经过计算补偿电压后，使变换电路工作在Buck模式，这时再次判断检测到的电压值在Ⅰ区还是Ⅱ区，若是在Ⅰ区，则使 组蓄电池组工作在充电状态，若是在Ⅱ区则使n组蓄电池组工作在充电状态；当电压值低于UN，则经过计算补偿电压后，使变换电路工作在Boost模式，这时再次判断检测到的电压值在Ⅰ区还是Ⅱ区，若是在Ⅰ区，则使 组蓄电池组工作在放电状态，若是在Ⅱ区则使n组蓄电池组工作在放电状态；

步骤B2：当电压变化率达到预设值且稳态电压在0.995UN到1.005UN内，只控制超级电容组阵列进行平抑母线电压突变，当电压高于UN时，经过计算补偿电压后，使变换电路工作在Boost模式，超级电容组阵列工作在充电状态；当电压低于UN时，经过计算补偿电压后，使变换电路工作在Buck模式，超级电容组阵列工作在放电状态；

步骤B3：当电压变化率达到预设值且稳态电压发生变化在Ⅰ区或Ⅱ区时，当电压高于UN且稳态电压稳定在Ⅰ区，经过计算补偿电压，先控制 组超级电容组进行母线电压平抑，把母线电压降到稳定状态，再控制 组蓄电池组平抑母线电压；当电压高于UN且稳态电压稳定在Ⅱ区，经过计算补偿电压，先控制n组超级电容组进行母线电压平抑，把母线电压降到稳定状态，再控制n组蓄电池组平抑母线电压；当电压低于UN且稳态电压稳定在Ⅰ区，经过计算补偿电压，先控制 组超级电容组进行母线电压平抑，把母线电压升到稳定状态，再控制 组蓄电池组平抑母线电压；当电压低于UN且稳态电压稳定在Ⅱ区，经过计算补偿电压，先控制n组超级电容组进行母线电压平抑，把母线电压升到稳定状态，再控制n组蓄电池组平抑母线电压；

步骤B4：若电压变化率和稳态电压值均为发生变化，则结束平抑母线电压程序；

步骤C：经过步骤B判断后，控制电路开始控制变换电路的运行，确定变换电路如何工作；

步骤D：设定直流母线额定电压为UN，再次检测母线电压，判断稳态电压值是否在

0.995UN到1.005UN内且电压变化率是否低于预设值，若达到要求，则结束平抑母线电压平抑，若未达到要求，重复步骤A到D。

2.根据权利要求1所述的一种基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定方法，其特征在于，步骤C具体包括：

步骤C1：经过步骤B的判断，需要变换电路工作，变换电路中开关管V1、开关管V2均采用全控型开关管IGBT，变换电路的结构是混合储能与大电感串联后并联在开关管V2上，开关管V2反并联一个二极管，开关管V1的发射极与开关管V2集电极相连，开关管V1反并联一个二极管，开关管V1、开关管V2与大电容并联后接在直流母线上，若变换电路工作在Buck模式，这时开关管V1开通，开关管V2完全关断，在开关管V1导通期间，由于直流侧电压大于混合储能电压，因此直流电网内能量会经过电感吸收后对混合储能模块进行充电；在开关管V1关断期间，电感中储存的电磁能经由开关管V2的反并联二极管D2续流继续向混合储能充电，同样通过控制开关管V1的开关工作周期和占空比改变混合储能的充电电压；

步骤C2：经过步骤B的判断，若变换电路工作在Boost模式，这时开关管V2开通，开关管V1完全关断，设开关周期为Ts，在开关管V2导通期间Ton＝D Ts，其中D为占空比，Ton为导通时间，混合储能模块通过开关管V2将能量储存在电感L中；在开关管V2关断期间Toff＝(1‑D)Ts，电感L中储存的电磁能经过开关管V1的反并联二极管D1释放至直流侧，通过控制开关管V2的工作周期和占空比调节直流侧电压大小。

说明书

一种基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定装置及

其方法

技术领域

[0001] 本发明属于直流电网技术领域，具体涉及一种基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定装置及其方法。

背景技术

[0002] 随着分布式电源的发展，直流微网作为一种高效利用的系统被广泛应用。直流微电网一般由多个电源、恒功率负载等功率模块组成，当分布式电源或者负载投切进直流电
网时会导致母线电压的突变，而且由于微电网中的分布式能源容易受环境因素影响，导致
输出的功率具有波动性和随机性，这样更加导致电压突变。电压突变具体包含两种表现形
式：一是电压跌落，二是电压过冲。

[0003] 数据中心是智能园区的典型负荷之一，当母线电压发生突变时，将对数据中心设备安全造成很大的威胁。可能会导致系统振荡，过压或欠压保护误动作，轻则降低数据中心
内的设备运行效率和寿命，重则会导致数据中心大量使用的开关电源退出运行，严重时还
将烧毁设备。

[0004] 现有的技术中，平抑母线电压波动只有在交流系统中有，随着直流配电网的发展，当直流配电网发生电压突变的时候需要一种用于直流配电网的母线电压平抑设备，保证负
载的稳定运行。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定装置及其方法，以克服现有技术的缺陷，本发明能够改善智能园区内的数据中心电能质量，确
保数据中心进线电压稳定。

[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定装置，包括检测电路、控制电路、变换电路及混合储能模块，所述检测电路通过电压传感器并联连接在直流母线上；控
制电路用于根据检测到的直流母线上的电压值，控制变换电路的通断；所述变换电路采用
双向DC/DC Buck‑Boost电路，用于对混合储能模块充电或使混合储能模块对直流电网进行
补偿；所述混合储能模块包含超级电容组阵列和蓄电池组阵列；所述超级电容组阵列由n组
超级电容器组并联组成，且n为偶数，所述超级电容器组由若干单元超级电容串联组成，所
述蓄电池组阵列由n组蓄电池组并联组成，且n为偶数，所述蓄电池组由m个单元蓄电池串联
组成。

[0008] 一种基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定方法，包括以下步骤：

[0009] 步骤A：检测电路通过电压传感器测量直流母线电压，并把数据发送到控制单元，经过计算电压变化率和电压值，并与预设值作比较；

[0010] 步骤B：控制电路对电压变化率和电压值进行判断，决定混合储能如何参与变换电路运行；

[0011] 步骤C：经过步骤B判断后，控制电路开始控制变换电路的运行，确定变换电路如何工作；

[0012] 步骤D：设定直流母线额定电压为UN，再次检测母线电压，判断稳态电压值是否在0.995UN到1.005UN内且电压变化率是否低于预设值，若达到要求，则结束平抑母线电压平
抑，若未达到要求，重复步骤A到D。

[0013] 进一步地，步骤A中：当检测到的电压值超过额定电压且电压变换率达到每秒0.2％，则定义为电压过冲，当电压低于额定值且电压变化率达到每秒0.2％，则定义为电压
跌落；另外当电压值在0.975UN到0.995UN，1.005UN到1.025UN，定义为I区，当电压值在
1.025UN到1.05UN和0.95UN到0.975UN定义为II区。

[0014] 进一步地，步骤B具体包括：

[0015] 步骤B1：判断电压变化率是否达到预设值，若没有达到预设值再判断稳态电压值是否发生变化，若稳定电压值发生变化，当若电压值高于UN，则经过计算补偿电压后，使变
换电路工作在Buck模式，这时再次判断检测到的电压值在I区还是II区，若是在I区，则使
组蓄电池组工作在充电状态，若是在II区则使n组蓄电池组工作在充电状态；当电压值低于
UN，则经过计算补偿电压后，使变换电路工作在Boost模式，这时再次判断检测到的电压值
在I区还是II区，若是在I区，则使 组蓄电池组工作在放电状态，若是在II区则使n组蓄电
池组工作在放电状态；

[0016] 步骤B2：当电压变化率达到预设值且稳态电压在0.995UN到1.005UN内，只控制超级电容组阵列进行平抑母线电压突变，当电压高于UN时，经过计算补偿电压后，使变换电路工
作在Boost模式，超级电容组阵列工作在充电状态；当电压低于UN时，经过计算补偿电压后，
使变换电路工作在Buck模式，超级电容组阵列工作在放电状态；

[0017] 步骤B3：当电压变化率达到预设值且稳态电压发生变化在I区或II区时，当电压高于UN且稳态电压稳定在I区，经过计算补偿电压，先控制 组超级电容组进行母线电压平抑，
把母线电压降到稳定状态，再控制 组蓄电池组平抑母线电压；当电压高于UN且稳态电压稳
定在II区，经过计算补偿电压，先控制n组超级电容组进行母线电压平抑，把母线电压降到
稳定状态，再控制n组蓄电池组平抑母线电压；当电压低于UN且稳态电压稳定在I区，经过计
算补偿电压，先控制 组超级电容组进行母线电压平抑，把母线电压升到稳定状态，再控制
组蓄电池组平抑母线电压；当电压低于UN且稳态电压稳定在Ⅱ区，经过计算补偿电压，先
控制n组超级电容组进行母线电压平抑，把母线电压升到稳定状态，再控制n组蓄电池组平
抑母线电压；

[0018] 步骤B4：若电压变化率和稳态电压值均为发生变化，则结束平抑母线电压程序。

[0019] 进一步地，步骤C具体包括：

[0020] 步骤C1：经过步骤B的判断，需要变换电路工作，变换电路中开关管V1、开关管V2均采用全控型开关管IGBT，变换电路的结构是混合储能与大电感串联后并联在开关管V2上，
开关管V2反并联一个二极管，开关管V1的发射极与开关管V2集电极相连，开关管V1反并联
一个二极管，开关管V1、开关管V2与大电容并联后接在直流母线上，若变换电路工作在Buck
模式，这时开关管V1开通，开关管V2完全关断，在开关管V1导通期间，由于直流侧电压大于
混合储能电压，因此直流电网内能量会经过电感吸收后对混合储能模块进行充电；在开关
管V1关断期间，电感中储存的电磁能经由开关管V2的反并联二极管D2续流继续向混合储能
充电，同样通过控制开关管V1的开关工作周期和占空比改变混合储能的充电电压；

[0021] 步骤C2：经过步骤B的判断，若变换电路工作在Boost模式，这时开关管V2开通，开关管V1完全关断，设开关周期为Ts，在开关管V2导通期间Ton＝D Ts，其中D为占空比，Ton为
导通时间，混合储能模块通过开关管V2将能量储存在电感L中；在开关管V2关断期间Toff＝
(1‑D)Ts，电感L中储存的电磁能经过开关管V1的反并联二极管D1释放至直流侧，通过控制
开关管V2的工作周期和占空比调节直流侧电压大小。

[0022] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0023] 本发明基于超级电容器平抑直流母线电压突变的装置中超级电容具有功率密度大、循环寿命长、充放电速度快、动态响应快的优点，能够快速的平抑直流母线电压突变；蓄
电池具有能量密度大、功率密度小等特点，能够持续稳定的平抑直流母线电压波动。本发明
的储能装置结合了超级电容和蓄电池，当单独出现直流母线电压的突变或电压波动时，本
发明能够进行快速高效的平抑，而且当直流母线同时出现电压突变和电压波动时，本发明
能够快速的平抑直流母线电压的突变和波动。

[0024] 当直流母线电压不管发生电压过冲或者电压跌落时，本装置能对直流母线电压进行快速补偿，保证负载持续稳定运行。在数据中心进线前安装配套的平抑电压突变的设备，
采取一定的控制策略，可以有效平抑电压波动，提升微电网供电质量，保证数据中心可靠运
行。

[0025] 综合来看，数据中心用户安装本装置是抑制电压突变的最可行方式。

附图说明

[0026] 图1是本发明的安装位置示意图；

[0027] 图2是本发明的结构图；

[0028] 图3是超级电容和蓄电池的阵列示意图；

[0029] 图4是双向DC/DC变换器电路原理图；

[0030] 图5是变换器控制策略控制框图；

[0031] 图6是平抑母线电压突变的流程图；

[0032] 图7是电压分区。

具体实施方式

[0033] 下面对本发明作进一步详细描述：

[0034] 一种基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定装置，包含检测电路、控制电路、变换电路、混合储能模块，其中检测电路通过电压传感器并联连接在直流母线上；控
制电路根据检测到的直流母线上的电压值，控制电压补偿母线回路和电容充电回路的通
断。其中控制电路包括中央处理单元，还包含辅助中央处理单元的周边电路，所述中央处理
单元根据检测到的直流母线上的电压值，控制变换电路的通断；变换电路是采用双向DC‑DC
变换器，既可以实现对混合储能模块的充电又能使混合储能模块对直流电网进行补偿；混
合储能模块包含超级电容组阵列和蓄电池组阵列。超级电容组阵列由很多单元超级电容采
用串并联的形式组成，蓄电池组阵列也由单元蓄电池采用串并联的形式组成。

[0035] 本发明的检测电压包含两种电压检测方式，一是检测电压变化率，当电压超过额定电压且变换率达到每秒0.2％，则定义为电压过冲，当电压低于额定值且电压变化率达到
每秒0.2％，则定义为电压跌落；二是检测稳态电压值，设定母线额定电压为UN，当电压值在
0.975UN到0.995UN，1.005UN到1.025UN，定义为I区，当电压值在1.025UN到1.05UN和0.95UN到
0.975UN定义为II区。检测电路采用电压霍尔传感器，将直流母线电压信号实时发送到控制
单元，优先计算电压变化率，再判断稳态的电压值。电压数据经过处理，计算补偿电压值。

[0036] 变换电路采用双向DC/DC Buck‑Boost电路，可以实现功率的双向流动，对混合储能进行充放电。混合储能与大电感串联后并联在全控性开关管V2上，开关管V2需要反并联
一个二极管，开关管V1的发射极与开关管V2集电极相连，开关管V1也需反并联一个二极管，
开关管V1、开关管V2与大电容并联后接在直流母线上。电路如图4。控制策略采用电压下垂
控制和电压外环电流内环控制，基于常用的电压电流环，另加一个电压下垂控制环，可以使
变换器控制更加准确，控制策略如图5。当采集到的直流母线电压值高于母线电压额定值
时，变换电路工作在Buck模式，能量由直流电网流向储能模块，以此平抑直流母线的电压波
动和降低直流母线电压，维持直流母线电压在额定范围内，使得数据中心进线电压不产生
较大波动；当采集的直流母线电压值低于母线电压额定值时，变换电路工作在Boost模式，
能量由混合储能模块流向直流电网，以此平抑直流母线电压波动和提高直流母线电压。

[0037] 混合储能模块包含超级电容组阵列和蓄电池组阵列，超级电容具有能量密度小、功率密度大、循环寿命长、充放电速度快、动态响应快等特点当发生电压过冲和电压跌落时
能快速平抑直流母线电压突变；蓄电池具有能量密度大、功率密度小、循环寿命短、充放电
速度慢、动态响应慢等特点，适合平抑母线电压值稳定在Ⅰ区和Ⅱ区时的电压波动。其中超
级电容组阵列并不是单一的电容，而是由单元电容串并联组成电容组。超级电容有三种组
成方式：串联，并联，串并混联。单个电容工作电压不高，无法满足实际工况需求，所以需要
电容串联。但是电容串联也存在问题，由于电容存在固有差异，在电路里将会存在电压不均
衡问题，严重时会影响电容器，导致整体性能受到影响。并联的电容可以输入输出很大的电
流，但是由于充放电电阻的存在导致调整电阻的控制电路及其复杂，难以控制。串并混联的
超级电容电池组具有串联和并联的优点，而且避免了两种方式的不足。蓄电池也存在上述
串并联方式带来的问题，故本发明的超级电容组和蓄电池组均采用串并联的方式。混合储
能模块中，超级电容组阵列由n组超级电容器组并联组成，且n为偶数，所述超级电容器组由
若干单元超级电容串联组成，所述蓄电池组阵列由n组蓄电池组并联组成，且n为偶数，所述
蓄电池组由m个单元蓄电池串联组成。

[0038] 混合储能的能量管理策略为：当只有母线电压变换率发生变化时，经过控制单元计算补偿电压后，只让超级电容进行充放电，能快速平抑母线电压的突变。当只发生稳态电
压超过额定电压时，记过控制单元计算补偿电压后，只让蓄电池充放电，因为当母线电压稳
定在一定值时，电容的功率不够补偿，这是利用蓄电池的能量密度大的优点，可以平稳平抑
母线电压的波动。当同时母线电压变换率发生变化和稳态电压越限超过II区时，经过控制
单元计算补偿电压后，先使超级电容组平抑母线电压，把母线电压拉回到II区，再使用蓄电
池对母线电压进行补偿。补偿过后检测直流母线电压是否达到额定范围内及0.995UN到
1.005UN，若到到预设范围则不在进行补偿，若未达到预设范围则继续补偿。

[0039] 本发明还提供一种基于超级电容平抑直流母线电压突变的电压稳定方法，本发明方法有良好的动态响应，能够快速平抑电压突变，维持系统电压稳定。由于数据中心对电能
质量要求较高，常见的电能质量问题如电压跌落、电压过冲十分影响数据中心的正常运行。
故数据中心入户线前端安装平抑装置抑制电压突变是最可行的方式。

[0040] 结合附图6对如何平抑母线电压突变进一步说明。

[0041] 步骤A：检测电路通过电压传感器测量直流母线电压，并把数据发送到控制单元，经过计算电压变化率和电压值，并与预设值作比较。当电压超过额定电压且变换率达到每
秒0.2％，则定义为电压过冲，当电压低于额定值且电压变化率达到每秒0.2％，则定义为电
压跌落；二是检测稳态电压值，当电压值在0.975UN到0.995UN，1.005UN到1.025UN，定义为I
区，当电压值在1.025UN到1.05UN和0.95UN到0.975UN定义为II区。经过处理后进行下一步
骤。

[0042] 步骤B：控制电路对电压变化率和电压值进行判断，决定混合储能如何参与变换电路运行。

[0043] (B1)判断电压变化率是否达到预设值，若没有达到预设值再判断稳态电压值是否发生变化，若稳定电压值发生变化，当发生电压值高于UN，则经过计算补偿电压后，使变换
电路工作在Buck模式，这时需要再次判断检测到的电压值在I区还是II区，若是在I区，则使
组蓄电池组工作在充电状态。若是在II区则使n组蓄电池组工作在充电状态；当电压值低
于UN，则经过计算补偿电压后，使变换电路工作在Boost模式，这时需要再次判断检测到的
电压值在I区还是II区，若是在I区，则使 组蓄电池组工作在放电状态。若是在II区则使n
组蓄电池工作在放电状态；

[0044] (B2)当电压变化率达到预设值且稳态电压在0.995UN到1.005UN内，只控制超级电容组进行平抑母线电压突变，因为结合超级电容的特点，能快速充放电，可以达到很好的平
抑直流母线电压突变的效果。当电压高于UN时，经过计算补偿电压后，使变换电路工作在
Boost模式，超级电容组工作在充电状态；当电压低于UN时，经过计算补偿电压后，使变换电
路工作在Buck模式，超级电容组工作在放电状态。

[0045] (B3)当电压变化率达到预设值且稳态电压发生变化在I区或II区时，当电压高于UN且稳态电压稳定在I区，经过计算补偿电压，先控制 组超级电容组进行母线电压平抑，把
母线电压降到稳定状态，再控制 组蓄电池组平抑母线电压；当电压高于UN且稳态电压稳定
在II区，经过计算补偿电压，先控制n组超级电容组进行母线电压平抑，把母线电压降到稳
定状态，再控制n组蓄电池组平抑母线电压；当电压低于UN且稳态电压稳定在I区，经过计算
补偿电压，先控制 组超级电容组进行母线电压平抑，把母线电压升到稳定状态，再控制
组蓄电池组平抑母线电压；当电压低于UN且稳态电压稳定在II区，经过计算补偿电压，先控
制n组超级电容组进行母线电压平抑，把母线电压升到稳定状态，再控制n组蓄电池组平抑
母线电压。

[0046] (B4)若电压变化率和稳态电压值均为发生变化，则结束平抑母线电压程序。

[0047] 步骤C：经过步骤B判断后，控制电路开始控制变换电路的运行，确定变换电路如何工作。

[0048] (C1)经过步骤B的判断，若变换电路工作在Buck模式，这时开关管V1开通，开关管V2完全关断，在开关管V1导通期间，由于直流侧电压大于混合储能电压，因此直流电网内能
量会经过电感吸收后对混合储能模块进行充电；在开关管V1关断期间，电感中储存的电磁
能经由开关管V2的反并联二极管D2续流继续向混合储能充电，同样通过控制开关管V1的开
关工作周期和占空比改变混合储能的充电电压；

[0049] (C2)经过步骤B的判断，若变换电路工作在Boost模式，这时开关管V2开通，开关管V1完全关断，设开关周期为Ts，在开关管V2导通期间Ton＝DTs，其中D为占空比，Ton为导通
时间，混合储能模块通过开关管V2将能量储存在电感L中；在开关管V2关断期间Toff＝(1‑
D)Ts，电感L中储存的电磁能经过开关管V1的反并联二极管D1释放至直流侧，通过控制开关
管V2的工作周期和占空比调节直流侧电压大小。

[0050] 步骤D：设定直流母线额定电压为UN，再次检测母线电压，判断稳态电压值是否在0.995UN到1.005UN内且电压变化率是否低于预设值，若达到要求，则结束平抑母线电压平
抑，若未达到要求，重复步骤A到D。

[0051] 本发明当直流母线电压发生突变时，系统产生一个合适的补偿电压注入直流电网系统，保证数据中心电压稳定，确保受保护的设备不受电压变化的影响，直至直流母线电压
恢复正常。该系统在直流母线电压正常时处于待机状态，发生电压过冲时为储能充电，发生
电压跌落时储能放电。