CN114362516B

CN114362516B - 高压直流电源及其控制方法

Info

Publication number: CN114362516B
Application number: CN202111517409.7A
Authority: CN
Inventors: 罗安; 莫楠; 徐千鸣; 张家奎; 郭鹏; 胡家瑜; 徐百龙
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2021-12-13
Filing date: 2021-12-13
Publication date: 2024-01-30
Anticipated expiration: 2041-12-13
Also published as: CN114362516A

Abstract

本发明公开了一种高压直流电源及其控制方法，本发明的电源装置增加了储能系统，可以实现低压输入高压输入、低功率输入高功率输出，不需要使用高变比变压器的情况下，升压比可以做到很大。同时，由于储能系统的存在，该装置特别适用于高峰均功率比的应用场所；本发明放电阶段储能系统直接对外输出，不需要经过电能变换装置，因而本发明所有的功率只需要经过单级变换，本发明的储能系统不仅用于存储能量增加装置输出功率，同时可以提高输出端口电压，起到升压的作用。

Description

高压直流电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及高压直流电源设备领域，特别是一种高压直流电源及其控制方法。

背景技术

随着全球科技的不断进步、产业不断升级，电源设备已经成为各种工业设备的心脏，电源系统也发生很大的变化，传统的电源已经不能满足更高的需求。高输出电压等级、高功率密度、高可靠性是现在高压直流电源追求的目标。传统高压直流电源采用的电源方案是输入端接入交流市电，经过升压变压器升压为高压交流电，再整流获得高压输出，这种电源成本较低，技术成熟，但由于采用工频变压器进行隔离升压，使得系统的体积重量难以控制，同时输出电压调节精度也难以控制。随着电力电子器件的发展，高压直流电源经历了从低频到高频、小功率到大功率、低性能到高性能的发展过程。使用开关器件对输入直流进行斩波，使用变压器对高频脉冲升压整流成高压直流，这种电源体积小、效率高。因此开关型高压直流电源逐步取代传统电源应用在各行各业，比如在医疗领域、农业领域、工业领域、军事领域以及科学研究。

当今海洋已经成为各国关注的焦点，各国对海洋开发和探索的力度不断加大。这也促使声纳技术的发展不断加快，同时舰载电源系统作为声纳系统的重要组成，必然要提高其可靠性。不论是水声通信还是海底探测，收发组件在发射状态时需要远高于其接收状态的功率，使其呈现出很强的脉冲负载特性：负载峰值功率甚至能达到其平均功率的10倍；负载脉冲工作频率低且不固定，通常几Hz至数十Hz，且负载脉冲启停速度快。上述特性使得传统电源必须按照峰值功率容量设计，造成设备容量的浪费。同时强脉冲特性对供电系统造成诸如谐波电流污染、电压波动和闪变等一系列问题。此外，低频脉冲负载对供电系统形成反复的加载与卸载冲击，引起输电线路电压大幅频繁变化，影响其它负载的正常运行。

CN112769244A属于储能技术领域，对外表现为单端口系统，用于对所连接电网的功率调控。针对退役电池组AC(电网)→DC(高压直流)→DC(低压直流)→DC(高压直流)→AC(电网)、针对储能电池组AC(电网)→DC(高压直流)→AC(电网)，能量应用要经过多级变化。各个储能单元之间在充放电模式下均属于并联关系。该文件中储能系统只用于存储能量从而调控所连接电网的功率流动。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高压直流电源及其控制方法，既具备宽范围输出电压调节能力，又具备低压小功率输入、高压大功率输出的能力。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高压直流电源，包括源端变换器；所述源端变换器通过储能系统与电能应用系统连接；

所述储能系统包括多个级联的储能单元；

每个所述储能单元均包括储能电池组和一分控制器；

每个所述储能单元的分控制器均与主控制器连接；

当高压直流电源处于放电模式时，第一个储能单元的储能电池组与源端变换器的输出端口串联；

当储能系统处于充电模式时，源端变换器的输出端口与储能电池组并联；

当任一储能单元内电池组故障(例如电池组SOC<0.25、或者电池组温度大于70℃或小于-40℃、短路、开路等)不能进行充放电时，将该储能单元旁路。

本发明通过在电源增加储能结构，使得电源工作时输出功率可以远大于输入功率，应用于高峰均功率比的场合，可以极大地减小输入供电系统的供电压力。同时对外放电时各个储能模块之间是串联关系，共同承担输出高压应力，单个器件承受电压应力较低，使得成本降低。

优选地，所述储能单元的个数x满足以下关系式：

在保证电源输出电压满足电能应用系统需求的情况下，u≤u₁*x+u₂；

在保证放电时间维持输出电压稳定、输入功率稳定的情况下，x*Δu₁<u₂-u₁；其中，u₁为单个储能单元的额定电压，u₂为源端变换器最大输出电压；

上述计算过程能获得储能单元个数的下限值，计算简单，计算量小。

优选地，为了最大化化体现储能装置的优势，减小输入端口功率，本发明中，u₁<u₂<2*u₁。

所述源端变换器可分为2类：非隔离型与隔离型。所选源端变换器满足宽范围调压即可，实际应用时可以根据是否有隔离需要来选择相应拓扑结构。。

所述主控制电路用于连接源端变换器输出端口、储能系统中第一个级联储能单元的正输入端和高压直流电源的输出端口；主控制电路用于高压直流电源不对外输出功率时，断开源端变换器与高压直流电源输出端口的连接，以及，当高压直流电源对外输出时，断开源端变换器与储能系统正输入端的连接。这样的连接方式，源端变换器可以根据不同的应用需求进行切换，即隔离型和非隔离型，输入源端变换器仅需要满足宽范围电压调节，电压调节范围与系统中储能单元配置的数量有关。

所述储能系统通过输出继电器接所述电能应用系统；所述输出继电器的第一触点接在所述源端变换器的正输出端口和所述储能系统的第一个储能单元之间，所述输出继电器的第二触点接在所述储能系统最末端储能单元的负输出端口和所述电能应用系统之间。

所述储能单元包括储能电池和四个高压接线端，即输入正端、输入负端、输出正端以及输出负端；所述输入负端与输出负端之间连接第一开关管，该第一开关管体二极管的阳极连接在输出负端；储能电池的负极连接在输出负端；储能电池的正极通过第二开关管连接到输入负端，该第二开关管体二极管的阳极连接在输入负端；储能电池的正极通过第三开关管连接到输出正端，该第三开关管体二极管的阳极连接在储能电池的正极；输入正端与输出正端直接连接。这种方案使用的开关管数量最少，成本较低。

所述储能单元包括储能电池和四个高压接线端，即输入正端、输入负端、输出正端以及输出负端；输入负端与输出负端之间连接第一开关管，该第一开关管体二极管的阳极连接在输出负端；储能电池的负极连接在输出负端；储能电池的正极通过第二开关管连接到输入负端，该第二开关管体二极管的阳极连接在输入负端；储能电池的正极通过由第三开关管、第四开关管串联组成的双向开关管连接到输出正端，所述第三开关管体二极管、第四开关管体二极管的阳极连接在同一点；输入正端与输出正端直接连接。这种方案使用的开关管数量增加，但是控制自由度高，充放电控制简单。

所述储能单元包括储能电池和四个高压接线端，即输入正端、输入负端、输出正端以及输出负端；输入负端与输出负端之间连接第一开关管，该第一开关管体二极管的阳极连接在输出负端；储能电池的负极连接在输出负端；储能电池的正极通过第二开关管连接到负输入端，该第二开关管体二极管的阳极连接在负输入端；输入正端与输出端正通过第四开关管连接，所述第四开关管体二极管的阳极连接在输出正端。这种方案使用的开关管数量增加，但各个储能单元之间的开关管可以串联承受电压。这使得当装置中存在大量冗余储能单元时，这些开关管也不需要承受高压。减小成本，适用于电压高、储能单元数量多的情况。

所述储能电池的正极通过第三开关管连接到输出正端，所述第三开关管体二极管的阳极连接在输出正端。

所述储能电池正极与输出正端之间接有充电电感。

当储能单元仅的连接方案是电池正极与输出正端之间是单向开关时，储能电池的正极应经过充电电感再与开关管连接。如果是双向开关，则仅需要在第一个储能单元与源端变换器之间连接充电电感。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种上述高压直流电源的控制方法，当检测到高压直流电源需要储能系统提供电能时，主控制器下发指令，分控制器控制所在储能单元切换至放电模式；当高压直流电源不对外输出能量且储能电池电量低于100％时，主控制器控制源端变换器向储能系统充电，分控制器根据各个储能单元的放电情况对储能单元充电；运行过程中分控制器检测到对应储能单元内电池组故障不能进行充放电时，将所在储能单元切换到旁路模式，同时上传故障信息，主控制器向其他储能单元下发放电指令，调整源端变换器输出电压，维持电源输出稳定。采用主控分控结合的形式，所有分控与总控之间仅通过2根总线进行连接。增加或减少储能单元仅需要在软件进行配置，无需增加额外的连接线，使得电源的储能单元配置灵活。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

1、本发明的电源装置增加了储能系统，可以实现低压输入高压输入、低功率输入高功率输出，不需要使用高变比变压器的情况下，升压比可以做到很大。同时，由于储能系统的存在，该装置特别适用于高峰均功率比的应用场所；本发明放电阶段储能系统直接对外输出，不需要经过电能变换装置，因而本发明所有的功率只需要经过单级变换，本发明的储能系统不仅用于存储能量增加装置输出功率，同时可以提高输出端口电压，起到升压的作用；

2、针对本发明中的功率器件，相较于传统的高压电源，需要器件承受高压，该电源可以做到输出电压远大于功率器件的耐压，使得输出电压不受限与器件的耐压；

3、储能系统单元化设计，使得该电源的输出电压可以宽范围调节。

附图说明

图1是本发明的高压直流电源的拓扑结构图；

图2是本发明的控制系统连接图；

图3(a)是本发明的源端变换器的一种非隔离型DC/DC结构；

图3(b)是本发明的源端变换器的一种单级式隔离型DC/DC结构；

图4(a)是本发明的储能单元控制电路结构1；

图4(b)是本发明的储能单元控制电路结构2；

图4(c)是本发明的储能单元控制电路结构3；

图4(d)是本发明的储能单元控制电路结构4；

图5是本发明实施例中高压直流电源的拓扑结构图；

图6是本发明实施例中电源充电状态等效电路图；

图7是本发明实施例中电源放电状态等效电路图(投入3的储能单元)；

图8是本发明实施例中高压直流电源输出电压波形；

图9是本发明实施例中放电过程中储能单元的电压曲线；

图10是本发明实施例中储能系统充电状态电压曲线以及充电电流曲线；

图11是本发明实施例中储能单元动态交替放电的放电方案；

图12是本发明实施例中储能单元固定放电的放电方案；

图13是本发明实施例中控制方法的流程图；

图14是本发明实施例中充电子程序与软启动子程序；

图15是本发明实施例中放电子程序；

图16是本发明实施例中储能系统放电控制子程序。

具体实施方式

本发明提供一种高压直流电源，在源端变换器输出端口增加储能系统，并将控制电路、储能电池组封装成储能单元，一个储能系统包含多个储能单元，各个储能单元依次级联联后通过主控制电路与源端变换器电连接。当储能系统放电时，控制电路将储能电池组与源端变换器输出端口串联后提供给电能应用系统，串联后的电压满足电能应用系统的电压要求，因此，降低了源端变换器输出电压要求，同时相同的输出功率下，减少了高压直流电源的输入端口功率。而且，储能系统可以由多个储能单元串联得到，因此，更改储能系统的容量更灵活。解决了现有高压直流电源依靠高变比变压器，适用于峰值功率远大于平均功率的应用场合。

图1示出了本发明实施例一种高压直流电源的框图，该高压直流电源包括源端变换器以及至少两个储能单元，各个储能单元级联后通过控制电路连接到源端变换器的输出端口。该高压直流电源可以应用于舰载水声通信系统的直流供电端，此种应用场景中，电能应用系统是声呐系统。

高压直流电源输出端口包括正接线端和负接线端，各个储能单元的输入端和输出端顺次级联形成储能系统。即，第一个储能单元的输入端连接到源端变换器，第一个储能单元的输出端连接第二个储能单元的输入端，第二个储能单元的输出端连接第三个储能单元的输入端，依次类推形成级联电路；其中，第一储能单元的正输入端是储能系统的正接线端，第一储能单元的负输入端是储能系统的负接线端，级联系统中最后一个储能单元的正接线端不进行连接，级联系统中最后一个储能单元的负输出接线端是高压直流电源的输出端口负接线端，高压直流电源的输出端口正接线端由控制电路引出。该电源的输出端口与电能应用系统连接，实现电能存储(即，充电)与使用(即，放电)。

其中，储能系统中级联的储能单元数量由储能系统容量、储能单元容量以及输入输出电压的比值决定，此数量一般而言应满足，当所有储能单元与源端变换器串联时，使得高压直流电源的输出电压不小于电能应用系统的电压需求，使得高压直流电源对电能应用系统传输功率时，考虑储能系统因放电导致电压下降时仍能保证电能应用系统的电压需求。

假定该电源工作在如下工作状态之下：1)、工作时输出功率p，输出电压u，输出电流i，单次工作时放电时长为t；2)、单个储能单元额定电压为u₁，源端变换器最大输出电压u₂；3)、单个超级电容组的容值为c，放电过程中投入的电容组电压波动值，△u该电源保证可靠供电的情况下最少应有x个储能单元。满足以下关系。

1)、保证电源输出电压可以达到电能应用系统需求：

u≤u₁*x+u₂ (式1-1)

2)、保证放电时间维持输出电压稳定、输入功率稳定：

3)、最大化体现储能装置的优势，减小输入端口功率：

u₁<u₂<2*u₁ (式1-3)

系统设计时，根据不同的需求，侧重点不同：若考虑装置体积与重量优先，输入端口功率足够的情况下，选择单元数量少，电容组容值低的组合。以输出满足电压要求为侧重点。当稳定运行为重点时，优先考虑源端变换器输出电压变化，以u2变化最小为设计目标。

如图2所示，每个储能单元均包括控制电路、储能电池组、电池管理单元(BMS)以及分控制板。

在本发明一种可能的实现方式中，储能电池组是由多个超级电容串并联后与电池管理单元集成在一起得到。

电池管理单元与超级电容组电连接，用于检测超级电容组的外特性参数(例如，电压、电流、温度等)，然后根据超级电容组的状态进行热管理、电量均衡、超级电容状态检测及控制等。其中，热管理是指电池管理单元检测超级电容组的温度，并根据该温度控制加热器或冷却系统工作。例如，冬季温度太低时需要启动加热器；又如，夏季温度较高时需要启动冷却系统)。电量均衡是将超级电容组内各个电容的电量均衡，包括主动均衡方式和被动均衡方式；充放电管理用于防止超级电容组内的电芯过充电、过放电、电流超过允许值等。

同时，分控制器通过通信线与总控制器电连接，该通信线可以是CAN总线、RS485总线、RS232总线。通信主要用于接收总控下发的指令，控制所在单元的储能电池工作与不同的模态；分控制器还与电池管理单元电连接，用于将电池管理单元获得的储能电池的状态信息上传至主控制器，便于主控制器制定充放电方案。

在本发明一种可能的实现方式中，储能单元控制电路可能的几种方式如图4(a)～图4(d)所示，控制电路用于对储能单元的工作状态进行调整，即，控制储能单元与源端变换器并联充电或储能单元与源端变换器串联升压放电。其中，控制电路的工作状态由电能应用系统的系统电压V1(即，额定工作电压)和该储能单元中超级电容组的端电压以及源端变换器的输出电压范围决定。即，电能应用系统的系统电压＝超级电容组电压*n+源端变换器输出端口电压。例如，电能应用系统的系统电压为750V每个储能单元中超级电容组的端电压为200V，则一共需要3个储能单元通过串并联控制器串接在高压直流电源输出端口，同时，源端变换器应输出150V电压。

本发明实施例中每个储能单元所采用的电池组控制电路如图4(b)所示，这种连接方式，使得放电状态下储能单元的投入更加灵活，不需要去考虑严格的放电顺序，适用于所提出的任意一种放电策略。

在本发明一种可能的实现方式中，源端变换器可以采用非隔离型电路，或者，隔离型电路。例如，非隔离型Buck电路和隔离型移相全桥电路。本实施例中采用的是非隔离型Buck电路。如图3所示，采用非隔离型Buck电路实现的源端变换器的原理示意图，非隔离型Buck电路包括输入直流电源，电感L和开关管S1、S2。

下面将详细介绍储能系统的工作过程：

(1)充电过程

当高压直流电源不需要对电能应用系统提供能量时，主控制器通过电池管理单元获得各个储能单元的状态信息；当检测到存在储能单元SOC<1时，将储能系统切换至充电模式；在充电模式下，主控制器会根据各个储能单元的放电深度，制定充电策略，主要包括设置充电顺序与充电电流；充电模式下，储能系统中各个储能单元之间通过双向开关连接，即，所有储能电池的负极与源端变换器连接到一起，同时两两之间正极通过双向开关连接。因此不需要考虑对低压单元充电时，相对电压较高的单元对充电的影响。源端变换器对输入电压进行变换后对储能系统进行充电，充电时间与充电功率以及储能单元放电深度有关，可以根据不同的应用需求来设定。

在对超级电容组充电的过程中，各个储能单元根据自身管理超级电容组的状态情况进行热管理和充电管理；充电策略包括恒流充电和恒功率充电，源端变换器根据储能系统内的超级电容组状态，调整不同的充电策略，使得超级电容组的充电电压稳定。

超级电容组要求设计系统的能量管理策略：

1)结合超级电容的SOC决定超级电容储能装置的工作状态，通常基于超级电容寿命和安全的考虑，当SOC<0.25时，禁止释能；0.25<SOC<1时，由控制器超级电容储能或释能；SOC＝1时，禁止储能；

2)结合电能应用系统电压幅值决定储能系统的能量流动状态(电能应用系统电压高于额定电压上限设定值时，储能系统停止释能；电能应用系统电压低于额定电压下限设定值时，储能系统释能)。

(2)放电过程

当高压直流电源检测到电能应用系统需要提供电能且储能系统有电能可以放出时，将储能单元切换至放电模式。在放电模式下，控制电路将单元内的超级电容组的正负端口与源端变换器的输出端口串联；超级电容组内存储的电能传输至电能应用系统，实现超级电容组放电过程。

在超级电容组放电过程中，电池管理单元根据监测到的超级电容组的状态，对超级电容组进行热管理、电量均衡和放电管理；同时，主控制器根据所投入的储能电池组的状态调整源端变换器输出的电压，通过串并联控制器串联在高压电源输出端口的电压越接近于目标电压，源端变换器端口需要输出的电压越小，电源输入端口承载的电功率也越小；反之，随着串接进入系统的超级电容组放电深度的增大，其电压会降落，此时源端变换器需要补充电压缺口，电源输入端口的电功率随时间逐步增大；当电压缺口增大到一定量时，切换串接的超级电容组，使得高压直流电源的输入功率减小。使得源端变换器与储能系统中其它串并联控制器一起确保高压直流电源的传输电压及传输功率稳定。

对于这一过程，可以制定不同的放电策略，主要基于是否动态调整投入的储能电池组进行考虑。两种不同的放电策略下，储能电池的电压变化如图11、图12所示。两种策略都可以维持输出电压稳定。

本实施例提供的高压直流电源，包含源端变换器、储能单元以及控制电路，各个储能单元依次级联后通过控制电路与源端变换器和电能应用系统连接，并根据电能应用系统的状态切换工作模式(充电/放电)。每个储能单元均包括控制电路、电池管理单元和超级电容组；当高压直流电源工作在放电模式时，串并联控制器将选定的超级电容组与源端变换器串联，能量传输至电能应用系统，串联升压后的电压满足储能系统的电压要求，从而降低了源端变换器的输出端口电压要求同时减小高压直流电源的输入端口功率，减少了源端变换器中功率器件的电压应力。因此，降低了源端变换器的复杂度也降低了电能应用系统对供电系统的功率冲击。而且，多个储能单元可以依次级联，当经过串联升压后的电压不能满足电能应用系统的电压要求时，可以增加级联的储能单元数量以满足更高的电压需求。

如图7所示，放电开关的第二端与储能电池组正接线端连接，旁路开关的第一端和第二端分别连接在放电开关的第一端和储能电池组的负接线端，旁路开关和放电开关的控制端连接到分控制板。由电池管理单元检测该储能单元的状态，通过分控制板上传至主控制器以后产生相应的控制信号，输出至开关的控制端，从而控制旁路开关和放电开关的导通/断开状态。

当主控制器收到电池管理单元检测信号，判断该储能单元内的超级电容组无法参与储能系统的工作时，产生导通控制信号输出至该储能单元的旁路开关和充电开关的控制端，充电开关接收到控制信号后断开，同时，旁路开关闭合，此时，旁路开关K相当于一根导线，将该储能单元从高压直流电源中短路掉，即实现失效隔离功能。同时，主控制器会向其他储能单元下发指令投入储能电池并调整源端变换器控制输出电压稳定。正常处于放电状态的储能单元，其旁路开关相当于阻值无穷大的电阻。

相应于上述的储能系统实施例，本发明还提供了该储能系统的控制方法实施例。

请参见图13，示出了本发明实施例一种储能系统的控制方法的流程图，该方法应用于图5所示高压直流电源中。

如图13所示，该控制方法包括：

步骤1，确定当前控制电路的目标工作模式。该目标工作模式包括充电模式、以及放电模式。

在本发明一种可能的实现方式中，各个储能单元通过分控制器与主控制器实现相互通信，此种应用场景下，主控制器根据电能应用系统的电能需求，确定储能系统的工作模式(充电/放电)；以及，根据储能系统的工作模式确定控制电路的工作模式，即确定控制电路将所在储能单元串联或者并联在电路中，或是从电路中旁路。当该电能应用系统需要供电时，确定当前控制电路的目标工作模式是放电模式。当该电能应用系统不需要供电，且存在储能单元SOC<1时，确定当前串并联控制器的目标工作模式是充电模式。

步骤2，控制当前控制电路工作在目标工作模式。

1)当控制电路的目标工作状态是充电模式时：

a)根据电池管理单元采集的各个储能单元的SOC状态，确定需要充电的储能单元；

b)对需要充电的储能单元进行充电排序，顺序按照电压从低到高的顺序排列；

c)根据高压直流电源的输入端网络能够提供的电功率，以及电能应用系统的用电间隔来制定充电方案，具体包括充电功率，充电电流的大小，以满足充电时间的要求；

d)由源端变换器控制充电电流和充电功率，同时电池管理单元检测储能电池的运行状态，分阶段将需要充电的储能单元按照电压排序投入；同时检测储能单元是否存在故障，将有故障的单元从系统中旁路；

f)充电完成，断开充电开关；

2)当控制电路的目标工作模式是放电模式时：

a)根据电能应用系统用电需求确定需要投入的储能单元数量；

b)闭合输出继电器；高压直流电源软启动：

i)由源端变换器向输出侧电容缓慢充电，当检测到输出电压等于单个储能单元的电压时，将源端变换器的输出电压调为0，投入第一个储能电池；

ii)源端变换器重复i)中的操作，直至将所需的储能单元全部投入

iii)源端变换器闭环输出电压，保证高压直流电源输出电压满足电能应用系统的用电需求。

c)电池管理电源检测投入的储能电池的工作状态，在检测到电池存在异常时将其旁路；上传检测电压，便于源端变换器跟踪电源输出，维持电压稳定；检测到储能电池SOC<0.25时，将其从系统中替换，防止电池放电过深；

步骤3，充电/放电完成，重复步骤1。

本实施例提供的储能系统的控制方法，其中，储能系统包含多个储能单元，各个储能单元依次串联后与电能应用系统连接，并根据电能应用系统的状态切换工作模式(充电/放电)。每个储能单元均包括串控制电路和超级电容组；当储能系统工作在放电模式时，储能系统与源端变换器输出串联升压以后传输至电能应用系统，升压后的电压满足储能系统的电压要求。从而降低了变换器输出的电压、功率要求。而且，当经过串并联控制器串联升压后的电压不能满足电能应用系统的电压要求时，可以增加级联的储能单元数量，这样，能保证高压直流电源输入端口电压以及功率不变的情况下，宽范围调节输出端口的电压以及功率。

4、仿真验证

如图6所示，在PLECS仿真平台上搭建了包含本发明高压直流电源仿真模型，HV-DCP(High Voltage DC Power，HV-DCP)表示本发明中的高压直流电源。高压直流电源主要参数见表1，仿真结果见表2。

表1仿真参数

参数	值	单位
			直流电源电压	250	V
源端输出电感	80	uH
			输出电感	160	uH
充电电感	100	uH
			输出电容	4700	uF
负载电阻	17	Ω
			超级电容组容值	10	F
超级电容组额定电压	200	V
			设定输出电压	920	V
源端变换器开关频率	50	kHz
			储能子模块开关频率	400	Hz

表2仿真测量与计算

参数	值	单位
			输入电压有效值	250	V
输入峰值功率	8.474	kW
			输出电压瞬时值	917.69	V
输出电流瞬时值	53.98	A
			瞬时输出功率	49.539	kW
放电持续时间	5	S

仿真波形如图8-10所示，分别表示放电模式下软启动以及负载投切过程、放电模式下超级电容电压变化波形、充电状态下充电电流以及储能电池电压变化波形。根据仿真数据可以得到，4储能单元情况下，输出920V情况下，升压比达到3.68，输入输出功率比达到5.84。且输出电压偏差仅为0.251％，其充电功率最大仅为6kW(恒流充电20A情况下)，放电时输入峰值功率为8.474kW，放电时输出功率达到49.539kW。电源输入端口功率远小于输出端口功率。

Claims

1.一种高压直流电源，包括源端变换器；其特征在于，所述源端变换器通过储能系统与电能应用系统连接；

所述储能系统包括多个级联的储能单元；

每个所述储能单元均包括储能电池组和一分控制器；

每个所述储能单元的分控制器均与主控制器连接；所述主控制器用于连接源端变换器输出端口、储能系统中第一个级联储能单元的正输入端和高压直流电源的输出端口；主控制器用于高压直流电源不对外输出功率时，断开源端变换器与高压直流电源输出端口的连接，以及，当高压直流电源对外输出时，断开源端变换器与储能系统正输入端的连接；

所述储能系统通过输出继电器接所述电能应用系统；所述输出继电器的第一触点接在所述源端变换器的正输出端口和所述储能系统的第一个储能单元之间，所述输出继电器的第二触点接在所述储能系统最末端储能单元的负输出端口和所述电能应用系统之间；

当任一储能单元内电池组故障不能进行充放电时，将该储能单元旁路；

所述储能单元的个数满足以下关系式：

在保证电源输出电压满足电能应用系统需求的情况下，；

在保证放电时间维持输出电压稳定、输入功率稳定的情况下，；其中，/>为单个储能单元的额定电压，/>为源端变换器最大输出电压；/>；i为高压直流电源的输出电流，t为高压直流电源单次工作时放电时长为；c为储能电池组中单个超级电容组的容值；/>。

2.根据权利要求1所述的高压直流电源，其特征在于，所述源端变换器为buck电路、boost电路、buck-boost电路、移相全桥电路、双有源桥电路中的一种。

3.根据权利要求1所述的高压直流电源，其特征在于，所述储能单元包括储能电池和四个高压接线端，即输入正端、输入负端、输出正端以及输出负端；所述输入负端与输出负端之间连接第一开关管，该第一开关管体二极管的阳极连接在输出负端；储能电池的负极连接在输出负端；储能电池的正极通过第二开关管连接到输入负端，该第二开关管体二极管的阳极连接在输入负端；储能电池的正极通过第三开关管连接到输出正端，该第三开关管体二极管的阳极连接在储能电池的正极；输入正端与输出正端直接连接。

4.根据权利要求1所述的高压直流电源，其特征在于，所述储能单元包括储能电池和四个高压接线端，即输入正端、输入负端、输出正端以及输出负端；输入负端与输出负端之间连接第一开关管，该第一开关管体二极管的阳极连接在输出负端；储能电池的负极连接在输出负端；储能电池的正极通过第二开关管连接到输入负端，该第二开关管体二极管的阳极连接在输入负端；储能电池的正极通过由第三开关管、第四开关管串联组成的双向开关管连接到输出正端，所述第三开关管体二极管、第四开关管体二极管的阳极连接在同一点；输入正端与输出正端直接连接。

5.根据权利要求1所述的高压直流电源，其特征在于，所述储能单元包括储能电池和四个高压接线端，即输入正端、输入负端、输出正端以及输出负端；输入负端与输出负端之间连接第一开关管，该第一开关管体二极管的阳极连接在输出负端；储能电池的负极连接在输出负端；储能电池的正极通过第二开关管连接到负输入端，该第二开关管体二极管的阳极连接在负输入端；输入正端与输出端正通过第四开关管连接，所述第四开关管体二极管的阳极连接在输出正端。

6.根据权利要求5所述的高压直流电源，其特征在于，所述储能电池的正极通过第三开关管连接到输出正端，所述第三开关管体二极管的阳极连接在输出正端。

7.根据权利要求3～6之一所述的高压直流电源，其特征在于，所述储能电池正极与输出正端之间接有充电电感。

8.一种权利要求1～7之一所述高压直流电源的控制方法，其特征在于，当检测到高压直流电源需要储能系统提供电能时，主控制器下发指令，分控制器控制所在储能单元切换至放电模式；当高压直流电源不对外输出能量且储能电池电量低于100%时，主控制器控制源端变换器向储能系统充电，分控制器根据各个储能单元的放电情况对储能单元充电；运行过程中分控制器检测到对应储能单元内电池组故障不能进行充放电时，将所在储能单元切换到旁路模式，同时上传故障信息，主控制器向其他储能单元下发放电指令，调整源端变换器输出电压，维持电源输出稳定。