[发明专利]一种基于Boost原理的非隔离型桥臂交替式直流变压器

说明书

本发明公开了一种基于Boost原理的非隔离型桥臂交替式直流变压器，包括：两个不同电压等级的直流电压源，分别为高压侧电源和低压侧电源；两个高压电容器，分别为高压侧电容和低压侧电容；三条桥臂，分别为低压侧桥臂、高压侧桥臂和中间桥臂，所述三条桥臂均由桥臂电感和若干全桥型子模块级联而成；两个导向开关DS₁和DS₂，两个导向开关均由若干换流阀串联而成。相比现有的主流技术路线，本发明提供的直流变压器的子模块数量大大减少，显著降低了设备的体积与成本，且不依赖次级功率回路实现桥臂功率平衡，导通损耗低，具备更高的换流效率。

技术领域

本发明涉及高压直流输电、直流电网和直流变压器领域，尤其涉及一种基于Boost原理的非隔离型桥臂交替式直流变压器。

背景技术

直流电网是构建高比例可再生能源接入的能源互联网的重要技术手段，是电力系统的未来发展方向之一。直流变压器是建设多电压等级直流电网的核心设备，须满足以下技术要求：1)能够实现不同电压等级直流电网之间的功率交换，并能够控制功率大小和方向；2)网侧谐波含量少，能够实现高质量的电能输出；3)经济成本合适，具备工业应用和推广价值。

在高压场合，一般会采用模块级联换流器技术(Modular Multilevel Converter，MMC)以减轻单个器件承担的电压应力。经过对现有技术的进一步检索，目前存在的基于MMC技术的直流变压器技术路线有以下几种：隔离式、谐振式、直接式和桥臂交替式。

隔离式直流变压器通过逆变-升压-整流的方法，借助交流变压器实现电压变换以及两侧直流电网的隔离，技术较为成熟，但存在换流环节多、元器件需求量大、设备体积较大等缺点。

谐振式直流变压器使用LC谐振原理变压，在电压变比较高的场合可以提升设备的功率密度、降低设备体积，但谐振环节的电气应力较大，且在高压场合，谐振网络参数的一致性难以保证，制约了其推广应用。

直接式直流变压器使用子模块级联桥臂直接连接两侧电网，通过控制桥臂输出电压补偿两侧电压差，仅需一级变换就可以实现电压变换，结构简单，换流效率高，但是由于直流系统的电压和电流极性均不会翻转，为了维持各桥臂的子模块电压，必须设计次级功率回路以维持各桥臂的功率平衡，导致换流器所需的器件数量和容量大幅升高，经济指标有所下降。

针对直接式直流变压器依赖次级功率回路实现桥臂功率平衡的缺陷，有学者提出了桥臂交替式直流变压器(Alternate Arm DC-DC Transformer，AADCT)的概念。AADCT包含三个电路单元，每个电路单元由一个模块级联桥臂和两个导向开关组成，通过控制导向开关的开关状态，可以改变桥臂的连接方式和充放电状态。与直接式直流变压器相比，AADCT的变压原理相似，但采用了桥臂交替充、放电的运行策略实现各桥臂的功率平衡，不需要次级功率回路。然而，交替充放电的工作模式意味着单个电路单元的运行是断续的，必须依赖三个电路单元移相运行的方法以保证网侧电能的持续、稳定输送，平均每个电路单元只工作1/3的时间，设备利用率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于Boost原理的非隔离型桥臂交替式直流变压器。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种基于Boost原理的非隔离型桥臂交替式直流变压器，包括：两个不同电压等级的直流电压源，分别为高压侧电源和低压侧电源；两个高压电容器，分别为高压侧电容和低压侧电容；三条桥臂，分别为低压侧桥臂、高压侧桥臂和中间桥臂，所述三条桥臂均由桥臂电感和若干全桥型子模块级联而成；两个导向开关DS₁和DS₂，两个导向开关均由若干换流阀串联而成；