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申请/专利权人：华南理工大学

摘要：本发明公开了一种基于Buck‑Boost原理的非隔离型桥臂交替式直流变压器，包括：三个不同电压等级的直流电压源，分别为高压侧电源、中压侧电源和低压侧电源；三个高压电容器，分别为高压侧电容、中压侧电容和低压侧电容；四条桥臂，分别为低压侧桥臂、中压侧桥臂、高压侧桥臂和中间桥臂，所述四条桥臂均由桥臂电感和全桥型子模块级联而成；五个导向开关DS1、DS2、DS3、DS4和DS5，五个导向开关均由换流阀串联而成。本发明所需的电气元件数量和容量大大减少，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，同时更是实现了各个端口之间任意的功率方向控制，能够满足未来多电压等级的高压直流电网的应用需求。

主权项：1.一种基于Buck-Boost原理的非隔离型桥臂交替式直流变压器，其特征在于，包括：三个不同电压等级的直流电压源，分别为高压侧电源、中压侧电源和低压侧电源；三个高压电容器，分别为高压侧电容、中压侧电容和低压侧电容；四条桥臂，分别为低压侧桥臂、中压侧桥臂、高压侧桥臂和中间桥臂，所述四条桥臂均由桥臂电感和全桥型子模块级联而成；五个导向开关DS1、DS2、DS3、DS4和DS5，五个导向开关均由换流阀串联而成；高压侧电容的负极和高压侧电源的负极相连接，中压侧电容的负极和中压侧电源的负极相连接，低压侧电容的负极和低压侧电源的负极相连接，低压侧桥臂连接低压侧电源正极和低压侧电容正极，中压侧桥臂连接中压侧电源正极和中压侧电容正极，高压侧桥臂连接高压侧电源正极和高压侧电容正极，中间桥臂的一端与导向开关DS1、DS2、DS3相连接，另一端与导向开关DS4、DS5相连接；导向开关DS1与中间桥臂以及高压侧电容正极相连接，导向开关DS2与中间桥臂以及低压侧电容正极相连接，导向开关DS3与中间桥臂以及地端相连接，导向开关DS4与中间桥臂以及中压侧电容正极相连接，导向开关DS5与中间桥臂以及地端相连接；所述全桥型子模块包括四个换流阀和一个子模块电容器CSM，四个换流阀分别为第一换流阀、第二换流阀、第三换流阀和第四换流阀；子模块电容器CSM的正极与第一换流阀和第三换流阀的集电极相连接，子模块电容器CSM的负极与第二换流阀和第四换流阀的发射极相连接；第一换流阀的发射极和第二换流阀的集电极相连接并构成全桥型子模块的第一端口，第三换流阀的发射极和第四换流阀的集电极相连接并构成全桥型子模块的第二端口；所述变压器包括三种工作模式，分别为：1模式I：Boost工作模式，即中压侧端口与高压侧端口进行功率交换，此工作模式下DS4一直导通，DS5一直关断，DS2一直关断，包含两种工作状态：①工作状态IA：DS1导通，DS3关断，此时中间桥臂连接于中压侧电容和高压侧电容之间，中间桥臂的输出电压为两侧电容电压之差，中压侧电网和中间桥臂向高压侧电网和高压侧电容供电；②工作状态IB：DS1关断，DS3导通，此时中间桥臂与中压侧电容并联，中间桥臂的输出电压为中压侧电容电压，中压侧电网向中间桥臂充电，高压侧电容向高压侧电网供电；2模式II：Buck工作模式，即中压侧端口与低压侧端口进行功率交换，此工作模式下DS1一直关断，DS2一直导通，DS3一直关断，包含两种工作状态：①工作状态IIA：DS4导通，DS5关断，此时中间桥臂连接于中压侧电容和低压侧电容之间，中间桥臂的输出电压为两侧电容电压之差，中压侧电网和中压侧电容向中间桥臂和低压侧电网供电；②工作状态IIB：DS4关断，DS5导通，此时中间桥臂的输出电压为低压侧电容电压，中压侧电网向中压侧电容供电，中间桥臂向低压侧电网供电；3模式III：Buck-Boost工作模式，即高压侧端口与低压侧端口进行功率交换，此工作模式下DS3一直关断，DS4一直关断，DS5一直导通，包含两种工作状态：①工作状态IIIA：DS1导通，DS2关断，此时中间桥臂连接高压侧电容，中间桥臂的输出电压为高压侧电容电压，高压侧电容和高压侧电网向中间桥臂供电；②工作状态IIIB：DS1关断，DS2导通，此时中间桥臂连接低压侧电容，中间桥臂的输出电压为低压侧电容电压，中间桥臂向低压侧电网供电；所述变压器采用了电力电子装置“外环-内环-调制”的三层式经典控制架构；其中，外环负责实现输入输出功率控制以及各储能支路的功率平衡控制，输出低压、中间和高压侧桥臂的电流指令值；内环负责控制各个桥臂电流跟随对应的指令值，输出各个桥臂电压的指令值；调制环节负责根据电压指令值和桥臂内子模块均压的需求，生成所有换流阀的触发脉冲；外环负责实现对输出功率的精确控制以及维持各储能支路的功率平衡，并借此输出低压侧、中间和高压侧桥臂的电流指令值，控制方程为 式中，KP和KI分别为PI控制器的比例和积分增益，上标ref表示对应变量的参考值，s为拉普拉斯变换算子，上标ˉˉ表示对应变量的平均值，pL、pM和pH分别为低压侧功率、中压侧功率和高压侧功率，vL、vM和vH分别为低压侧的网侧电压、中压侧的网侧电压和高压侧的网侧电压，vCL、vCM和vCH分别表示低压侧电容电压、中压侧电容电压和高压侧电容电压，iLA、iMA和iHA分别表示低压侧桥臂的电流、中压侧桥臂的电流和高压侧桥臂的电流；对于外环控制中的桥臂平均子模块电容电压控制，低压侧桥臂、中压侧桥臂和高压侧桥臂的平均功率分别与vCL、vCM和vCH有关，通过vCL、vCM和vCH实现三个桥臂的平均子模块电容电压控制，控制方程为 式中，vCLA、vCMA和vCHA分别为低压侧桥臂、中压侧桥臂和高压侧桥臂的平均子模块电容电压；对于内环控制，高压侧桥臂、中压侧桥臂和低压侧桥臂的电流控制方程为 式中，vLA、vMA和vHA分别表示低压侧桥臂的输出电压、中压侧桥臂的输出电压和高压侧桥臂的输出电压。

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