[發明專利]基于Buck-Boost原理的非隔離型橋臂交替式直流變壓器

在審

• 申請號: 202210387297.6
• 申請日: 2022-04-14
• 公開（公告）號: CN114785126A
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 劉沈全;譚?？?/a>;黃云峰;黃浩珉;王鋼
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02M1/14;H02M1/088
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 鄭秋松

本發明公開了一種基于Buck?Boost原理的非隔離型橋臂交替式直流變壓器，包括：三個不同電壓等級的直流電壓源，分別為高壓側電源、中壓側電源和低壓側電源；三個高壓電容器，分別為高壓側電容、中壓側電容和低壓側電容；四條橋臂，分別為低壓側橋臂、中壓側橋臂、高壓側橋臂和中間橋臂，所述四條橋臂均由橋臂電感和全橋型子模塊級聯而成；五個導向開關DS₁、DS₂、DS₃、DS₄和DS₅，五個導向開關均由換流閥串聯而成。本發明所需的電氣元件數量和容量大大減少，顯著降低了設備的體積與成本，且不依賴次級功率回路實現橋臂功率平衡，導通損耗低，具備更高的換流效率，同時更是實現了各個端口之間任意的功率方向控制，能夠滿足未來多電壓等級的高壓直流電網的應用需求。

技術領域

本發明涉及高壓直流輸電、直流電網和直流變壓器領域，具體地說，涉及一種能夠實現多端口間功率交換的基于Buck-Boost原理的非隔離型橋臂交替式直流變壓器。

背景技術

直流電網是構建高比例可再生能源接入的能源互聯網的重要技術手段，是電力系統的未來發展方向之一。直流變壓器是建設多電壓等級直流電網的核心設備，須滿足以下技術要求：1)能夠實現不同電壓等級直流電網之間的功率交換，并能夠控制功率大小和方向；2)網側諧波含量少，能夠實現高質量的電能輸出；3)經濟成本合適，具備工業應用和推廣價值。在高壓場合，一般會采用模塊級聯換流器技術(Modular Multilevel Converter，MMC)以減輕單個器件承擔的電壓應力。目前存在的基于MMC技術的直流變壓器技術路線有以下幾種：隔離式、諧振式、直接式和橋臂交替式。

隔離式直流變壓器通過逆變-升壓-整流的方法，借助交流變壓器實現電壓變換以及兩側直流電網的隔離，技術較為成熟，但存在換流環節多、元器件需求量大、設備體積較大等缺點。諧振式直流變壓器使用LC諧振原理變壓，在電壓變比較高的場合可以提升設備的功率密度、降低設備體積，但諧振環節的電氣應力較大，且在高壓場合，諧振網絡參數的一致性難以保證，制約了其推廣應用。

直接式直流變壓器使用子模塊級聯橋臂直接連接兩側電網，通過控制橋臂輸出電壓補償兩側電壓差，僅需一級變換就可以實現電壓變換，結構簡單，換流效率高，但是由于直流系統的電壓和電流極性均不會翻轉，為了維持各橋臂的子模塊電壓，必須設計次級功率回路以維持各橋臂的功率平衡，導致換流器所需的器件數量和容量大幅升高，經濟指標有所下降。

橋臂交替式直流變壓器(Alternate Arm DC-DC Transformer，AADCT)包含三個電路單元，每個電路單元由一個模塊級聯橋臂和兩個導向開關組成，通過控制導向開關的開關狀態，可以改變橋臂的連接方式和充放電狀態。與直接式直流變壓器相比，AADCT的變壓原理相似，但采用了橋臂交替充放電的運行策略實現各橋臂的功率平衡，不需要次級功率回路。然而，交替充放電的工作模式意味著單個電路單元的運行是斷續的，必須依賴三個電路單元移相運行的方法以保證網側電能的持續、穩定輸送，平均每個電路單元只工作1/3的時間，設備利用率較低。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于Buck-Boost原理的非隔離型橋臂交替式直流變壓器，所需的電氣元件數量和容量均大大減少，顯著降低了設備的體積與成本，且不依賴次級功率回路實現橋臂功率平衡，導通損耗低，具備更高的換流效率，同時更是實現了各個端口之間任意的功率方向控制。

為了實現上述目的，本發明所采用的技術方案如下：