一种多端口PFC变换器及其无电流传感器控制策略

一种多端口pfc变换器及其无电流传感器控制策略
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种多端口pfc变换器及其无电流传感器控制策略。


背景技术：

2.随着能源危机及环境污染问题的日益严重，光伏、储能等新能源发电及电动汽车成为了当前研究的热点。多端口pfc变换器作为集成多个能源端口的变换器，具有拓扑简单、开关器件少及可靠性高等优点，在新能源发电及电动汽车中具有广阔的应用前景。
3.专利文献cn115800753a公开了一种多端口变换器及其控制方法，器包括直流电源、辅助电池组、第一电感、变压器、开关管、第一二极管、第三二极管、第四二极管和输出模块；所述变压器包括初级绕组和次级绕组；所述输出模块包括第二电容和负载；所述开关管包括第一开关管、第三开关管和第四开关管。
4.专利文献cn107681729a公开了一种用于电动汽车集群充放电的多端口变换器，包括多端口变换器中共有n个端口，n个端口中第1端口至第n-1端口共计n-1个端口分别用于和电动汽车电池相连，n个端口中第n端口用于与直流微网中的直流母线相连；多端口变换器的控制方法是通过计算获得各开关管的占空比，并利用计算获得的占空比形成各开关管对应的驱动脉冲以控制其通断，进而实现对电动汽车电池的放电控制与充电控制。
5.现有多端口变换器为了实现输入交流电流高功率因数、高电能质量及输出侧电压的控制，通常需要采样pfc输入电流、buck-boost变换器电流及多路dc-dc变换器电流，这极大地增加了系统的成本，不利于工业应用中降低成本。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供了一种多端口变换器及其无电流传感器控制策略，从而在提高变换器电能能量的同时，可以降低系统的成本。
7.为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
8.第一方面，本发明实施例提供了一种多端口pfc变换器，包括输入单相交流源、输入滤波电路、二极管整流电路、buck-boost变换器及多路dc-dc变换器。
9.所述输入滤波电路的输入侧与单相交流源相连，输出侧与二极管整流电路中点相连。
10.所述二极管整流电路包括第一半桥和第二半桥，每个半桥由一个二极管阴极与另一个二极管的阳极相连组成。
11.所述buck-boost变换器包含双向开关管、二极管、电感和母线电容，所述双向开关管的集电极与二极管整流电路的正极相连，双向开关管的射极与电感一端及二极管的阴极相连，所述二极管的阳极与母线电容的负极相连，所述母线电容的正极与所述二极管整流电路的负极相连。
12.所述dc-dc变换器有n路，其中n≥2，每一路dc-dc变换器的输入端与母线电容两端
相连，输出端连接负载。
13.具体的，所述双向开关管带有反并联二极管。
14.具体的，所述dc-dc变换器包括非隔离型的buck变换器，boost变换器以及buck-boost变换器。
15.第二方面，针对上述多端口pfc变换器，本发明实施例提供了一种无电流传感器的控制策略，包括前级buck-boost变换器控制策略和后级多路dc-dc变换器控制策略。
16.具体的，所述前级buck-boost变换器控制策略的具体步骤如下：
17.步骤11、采集前级buck-boost变换器输出电压，并将采集获得的电压经过二倍频数字陷波器处理以获得反馈电压；
18.步骤12、设置母线电容的参考电压为恒定，将所述参考电压与所述反馈电压作差，将作差后的值输入电压环控制器；
19.步骤13、将所述电压环控制器的输出作为第一调制波，并将第一调制波与给定的载波比较，生成第一脉宽调制波驱动双向开关管执行开关动作。
20.具体的，在buck-boost变换器控制中，需控制buck-boost变换器的电感电流工作在断续(dcm)或临界运行模式(crm)，即需满足如下等式：
[0021][0022]
式中v
gm
为电网电压幅值，po为输出功率，fs为开关频率，l0为buck-boost变换器电感，v
dc
为母线电压。
[0023]
具体的，所述后级多路dc-dc变换器控制策略的具体步骤如下：
[0024]
步骤21、设置后级第i(i＝1
…
n)路dc-dc变换器的参考电压，将所述参考电压与第i路变换器的反馈电压作差后送入电压环控制器，将所述电压环控制器的输出作为第二调制波；
[0025]
步骤22、将第二调制波与给定的载波进行比较，以生成第二脉宽调制波来驱动第i路dc-dc变换器的开关管进行开关动作。
[0026]
本发明的上述方案有如下的有益效果：
[0027]
(1)多端口输出的同时，可实现交流输入侧高功率因数、高电能质量。
[0028]
(2)无需任何电流传感器实现电网同步及系统控制，成本低可靠性高。
附图说明
[0029]
图1为本实施例提供的一种多端口pfc变换器的拓扑结构图；
[0030]
图2为本实施例提供的无电流传感器控制策略图；
[0031]
图3为本实施例提供的多端口pfc变换器执行无电流传感器控制策略时的稳态仿真波形图；
[0032]
图4为本实施例提供的多端口pfc变换器执行无电流传感器控制策略时的动态仿真波形图；
[0033]
图中，1、输入滤波电路；2、二极管整流电路；3、buck-boost变换器；4、多路dc-dc变换器。
具体实施方式
[0034]
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0035]
如图1所示，本实施例提供一种多端口pfc变换器，包括输入单相交流源vg、输入滤波电路1、二极管整流电路2、buck-boost变换器3及多路dc-dc变换器4。
[0036]
输入滤波电路1选用lc滤波器，该滤波电路1输入侧与单相交流源vg相连，输出侧与二极管整流电路2的中点a和b相连；
[0037]
二极管整流电路2包括第一半桥和第二半桥，每个半桥由一个二极管阴极与另一个二极管的阳极相连组成。
[0038]
buck-boost变换器3包含一个双向开关管s0、一个二极管d0、一个电感l0和母线电容c
dc
，其中双向开关管s0的集电极与二极管整流电路2的正极相连，双向开关管s0的射极与电感l0一端及二极管的阴极相连，二极管阳极与母线电容c
dc
负极相连，电容c
dc
正极与二极管整流电路负极相连。
[0039]
其中，双向开关管s0带有反并联二极管。
[0040]
dc-dc变换器有n路，组成直流多端口输出，其中n≥2，每一路dc-dc变换器的输入端与母线电容c
dc
两端相连，输出端连接负载；其中，dc-dc变换器选用非隔离型buck、boost、buck-boost变换器中任意一种，为了便于说明，本实施例以buck变换器为例进行说明。
[0041]
如图2所示，该多端口pfc变换器的无电流传感器控制策略包括前级buck-boost变换器控制策略和后级多路dc-dc变换器控制策略。
[0042]
其前级buck-boost变换器控制策略的实现步骤如下：
[0043]
首先，采集前级buck-boost变换器输出电压v
dc
(母线电压)，并将母线电压v
dc
经过二倍频数字陷波器处理；其次，设置母线电容电压参考值恒定为v
dcref
，将母线电容参考电压与经过二倍频陷波器处理后的反馈电压作差，将作差后的值输入电压环控制器；最后，将电压环控制器的输出为第一调制波，将该第一调制波与设定的载波比较后，生成第一脉宽调制(pwm)波来驱动开关管s0。
[0044]
需要特别指出的是，为了实现多端口pfc变换器输入侧电流高电能质量和高功率因数，buck-boost变换器的电感电流需控制工作在断续或临界运行模式。
[0045]
其后级多路dc-dc变换器控制策略的实现步骤如下：
[0046]
首先，设置第i(i＝1
…
n)路dc-dc变换器的参考电压为v
oiref
，将参考电压与第i路变换器反馈电压v
oi
作差后送入电压环控制器，将电压环控制器的输出作为第二调制波；其次，将第二调制波与设定的载波进行比较，生成第二脉宽调制(pwm)波波来驱动第i路dc-dc变换器的开关管。
[0047]
为了验证所提多端口pfc变换器及其无电流传感器控制策略的有效性，搭建了三端口的pfc变换器仿真验证平台，其中输入端口连接交流电网，输出侧两端口连接电阻负载，系统参数如下表1所示。
[0048]
表1系统参数
[0049][0050]
如图3所示，可以看出输入电流高功率因数且高正弦度，buck-boost电流工作在断续模式，各输入侧电压恒定且稳态误差小。
[0051]
如图4所示，为pfc变换器的端口2负载突跳时的动态仿真波形图，从图中可以看出，当端口2负载突跳时，端口2电压调节时间小于50ms，且基本不影响端口3输出电压，因此所提控制策略具有良好的动态性能。从上述图中可以看出，本发明所提多端口pfc变换器及其无电流传感器控制策略具有多端口输出的同时，无需电流传感器即可实现良好的动稳态性能，因此所提pfc变换器及控制策略非常适合于光伏储能发电，电动汽车充电桩，交直流微电网等应用场合。
[0052]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。