具有虚拟同步机机制的两级DETA蓄电池充电器直接功率控制
发布时间：2026-07-14 19:54:11 点击： 次
随着能源短缺和环境恶化，汽车工业正在向电动化和智能化方向发展。在过去的几十年里，电动汽车由于其良好的能源效率、环保性和低噪音特性，取得了显著进展[[1], [2], [3], [4]]。电池充电器作为电动汽车与电网之间的接口，在控制电动汽车与公用电网之间的能量交换中发挥着重要作用。
随着越来越多的电动汽车连接到电网进行充电，充电器产生的谐波和电源与负荷的不平衡导致了电网频率和电压的波动加剧[5]。因此，电网需要一种可以确保电能质量并能够与电网互动的控制策略。同时，集成的发展趋势要求充电器在最大程度上简化电路[6]。
通常，电池充电器可以是一个交流-直流转换器，其拓扑结构可以分为两种类型：单级和双级结构[7]。单级转换器只需要很少的组件，因此可以确保降低成本、减轻重量和缩小体积[8]。然而，功率开关会遭受高电气应力。通常，具有功率因数校正能力的前端交流-直流转换器和级联直流-直流转换器用于双级转换器中[9]。前端交流-直流转换器拓扑结构主要包括半桥或全桥转换器[10,11,15]、无线功率传输转换器[12]、多电平转换器[13]和矩阵转换器[14]。多电平转换器可以确保低组件应力和高效率[13]，而矩阵转换器可以消除笨重的直流母线电容器[14]。然而，与传统桥式转换器相比，多电平转换器和矩阵转换器需要更多的额外功率开关，这可能会增加转换系统的整体成本和复杂性。DC-DC转换器拓扑可以一般地分为隔离和非隔离类型。在[15]中，提出了一种隔离的双全桥LLC谐振转换器，该转换器可以实现高可靠运行、高能量效率和双向功率流。在[16]中，提出了一种简单的固定频率可重构谐振转换器基于电池充电器，可以确保恒流和恒压充电。然而，变压器的强制要求导致体积更大、成本更高、功率密度更低，比非隔离转换器差。降压/升压直流-直流转换器是最常见的非隔离直流-直流转换器，具有双向功率流控制能力，其拓扑结构紧凑，仅需两个功率开关 [17]。因此，三相全桥转换器和降压/升压直流-直流转换器的级联两阶段拓扑在电动汽车电池充电器中具有重要的实际意义。
传统上，前端交流-直流转换器和后端直流-直流转换器的控制是独立的。通常，典型的电池充电模式如恒流（CC）模式、恒压（CV）模式和恒功率模式（CP）是通过控制直流-直流转换器来实现的[18,19]。基本上，三相全桥PWM转换器中广泛使用电压/电流双环控制（VIC）[20,21]和直接功率控制（DPC）[22,23]。VIC控制可以通过母线电压调节来确保功率平衡，并通过内部电流控制环实现单位功率因数。然而，这种方法不能保证对有功功率和无功功率变化的快速响应。在DPC控制策略中，系统的有功功率和无功功率可以直接控制，而无需调节直流母线电压。同时，还可以实现无功功率补偿、谐波抑制和功率因数校正等功能。在 [22] 中，提出了一种基于双电源闭-loop 的 DPC 方法，该方法可以在电网需求变化时确保良好的动态响应。在 [23] 中，提出了模型预测 DPC，其中价值函数是实际功率和命令功率的函数，并选择最佳开关组合。其中，值函数由电力的实际值和指令值构成，并选择最佳开关组合。其中，值函数由电力的实际值和指令值构成，并选择最佳开关组合。
与传统的VIC和DPC方法不同，虚拟同步机（VSM）技术可以使转换器具有一定的虚拟惯性和阻尼，从而反映类似于同步电机的运行特性。在[24,25]中，提出了同步转换器技术来模拟传统的同步电机，其中核心算法嵌入在常规同步电机的数学模型中。同步转换器技术具有独立的频率和电压调节能力，可以确保转换器与电网之间的稳定和友好互动。正如在[26]中提出的那样，基于单相VSM的电动汽车充电器可以参与电网的频率控制并调节局部电压或无功功率。在[27]中，感应式电动汽车充电系统的控制器可以通过在线调节充电水平和增加高虚拟惯性来有效应对电网频率波动。
传统上，通过控制直流母线电压来实现电源和负载之间的功率平衡。然而，在负载变化的条件下，母线电压的扰动可能会导致参考功率的波动。同时，VSM的内阻惯性和阻尼会同时调整，这容易导致功率振荡。此外，在两级功率转换器中，转换器损耗难以实时准确地估计。因此，传统控制方法无法确保对电网侧功率和电池充电功率进行实时和准确的调节。这个问题在电动汽车充放电应用中尤为突出。在电网到车辆和车辆到电网的操作模式下，充电器不仅需要进行能量转换，还需要根据调度指令实现精确的功率跟踪和能量交互。因此，需要研究一种控制方法，能够直接实现级间功率平衡并提高功率调节精度。
为了解决上述问题，提出了一种具有VSM机制的DPC来控制两阶段电池充电器。在所提出的方法中，可以从交流电网（交流侧功率）或电池充电功率（直流侧功率）中选择进行跟踪控制。一旦交流侧功率参考被预设用于跟踪，直流侧功率补偿算法将用于处理源和负载之间的功率平衡。同样，当选择直流侧功率进行跟踪控制时，可以应用交流侧功率补偿算法。基于所提出的功率补偿策略，可以在不估计转换器中实时功率损耗的情况下实现功率平衡控制。由于VSM方案的核心算法仍然在前级交流-直流转换器阶段的控制中采用，该方法可以实现准确和稳定的功率控制，同时保持VSM调节电网频率和电压的能力。而且，由于不需要对直流母线电压进行闭环控制，可以将直流母线电压传感器从测试平台硬件中移除，这可以确保更紧凑的系统结构和降低的成本。
随着越来越多的电动汽车连接到电网进行充电，充电器产生的谐波和电源与负荷的不平衡导致了电网频率和电压的波动加剧[5]。因此，电网需要一种可以确保电能质量并能够与电网互动的控制策略。同时，集成的发展趋势要求充电器在最大程度上简化电路[6]。
通常，电池充电器可以是一个交流-直流转换器，其拓扑结构可以分为两种类型：单级和双级结构[7]。单级转换器只需要很少的组件，因此可以确保降低成本、减轻重量和缩小体积[8]。然而，功率开关会遭受高电气应力。通常，具有功率因数校正能力的前端交流-直流转换器和级联直流-直流转换器用于双级转换器中[9]。前端交流-直流转换器拓扑结构主要包括半桥或全桥转换器[10,11,15]、无线功率传输转换器[12]、多电平转换器[13]和矩阵转换器[14]。多电平转换器可以确保低组件应力和高效率[13]，而矩阵转换器可以消除笨重的直流母线电容器[14]。然而，与传统桥式转换器相比，多电平转换器和矩阵转换器需要更多的额外功率开关，这可能会增加转换系统的整体成本和复杂性。DC-DC转换器拓扑可以一般地分为隔离和非隔离类型。在[15]中，提出了一种隔离的双全桥LLC谐振转换器，该转换器可以实现高可靠运行、高能量效率和双向功率流。在[16]中，提出了一种简单的固定频率可重构谐振转换器基于电池充电器，可以确保恒流和恒压充电。然而，变压器的强制要求导致体积更大、成本更高、功率密度更低，比非隔离转换器差。降压/升压直流-直流转换器是最常见的非隔离直流-直流转换器，具有双向功率流控制能力，其拓扑结构紧凑，仅需两个功率开关 [17]。因此，三相全桥转换器和降压/升压直流-直流转换器的级联两阶段拓扑在电动汽车电池充电器中具有重要的实际意义。
传统上，前端交流-直流转换器和后端直流-直流转换器的控制是独立的。通常，典型的电池充电模式如恒流（CC）模式、恒压（CV）模式和恒功率模式（CP）是通过控制直流-直流转换器来实现的[18,19]。基本上，三相全桥PWM转换器中广泛使用电压/电流双环控制（VIC）[20,21]和直接功率控制（DPC）[22,23]。VIC控制可以通过母线电压调节来确保功率平衡，并通过内部电流控制环实现单位功率因数。然而，这种方法不能保证对有功功率和无功功率变化的快速响应。在DPC控制策略中，系统的有功功率和无功功率可以直接控制，而无需调节直流母线电压。同时，还可以实现无功功率补偿、谐波抑制和功率因数校正等功能。在 [22] 中，提出了一种基于双电源闭-loop 的 DPC 方法，该方法可以在电网需求变化时确保良好的动态响应。在 [23] 中，提出了模型预测 DPC，其中价值函数是实际功率和命令功率的函数，并选择最佳开关组合。其中，值函数由电力的实际值和指令值构成，并选择最佳开关组合。其中，值函数由电力的实际值和指令值构成，并选择最佳开关组合。
与传统的VIC和DPC方法不同，虚拟同步机（VSM）技术可以使转换器具有一定的虚拟惯性和阻尼，从而反映类似于同步电机的运行特性。在[24,25]中，提出了同步转换器技术来模拟传统的同步电机，其中核心算法嵌入在常规同步电机的数学模型中。同步转换器技术具有独立的频率和电压调节能力，可以确保转换器与电网之间的稳定和友好互动。正如在[26]中提出的那样，基于单相VSM的电动汽车充电器可以参与电网的频率控制并调节局部电压或无功功率。在[27]中，感应式电动汽车充电系统的控制器可以通过在线调节充电水平和增加高虚拟惯性来有效应对电网频率波动。
传统上，通过控制直流母线电压来实现电源和负载之间的功率平衡。然而，在负载变化的条件下，母线电压的扰动可能会导致参考功率的波动。同时，VSM的内阻惯性和阻尼会同时调整，这容易导致功率振荡。此外，在两级功率转换器中，转换器损耗难以实时准确地估计。因此，传统控制方法无法确保对电网侧功率和电池充电功率进行实时和准确的调节。这个问题在电动汽车充放电应用中尤为突出。在电网到车辆和车辆到电网的操作模式下，充电器不仅需要进行能量转换，还需要根据调度指令实现精确的功率跟踪和能量交互。因此，需要研究一种控制方法，能够直接实现级间功率平衡并提高功率调节精度。
为了解决上述问题，提出了一种具有VSM机制的DPC来控制两阶段电池充电器。在所提出的方法中，可以从交流电网（交流侧功率）或电池充电功率（直流侧功率）中选择进行跟踪控制。一旦交流侧功率参考被预设用于跟踪，直流侧功率补偿算法将用于处理源和负载之间的功率平衡。同样，当选择直流侧功率进行跟踪控制时，可以应用交流侧功率补偿算法。基于所提出的功率补偿策略，可以在不估计转换器中实时功率损耗的情况下实现功率平衡控制。由于VSM方案的核心算法仍然在前级交流-直流转换器阶段的控制中采用，该方法可以实现准确和稳定的功率控制，同时保持VSM调节电网频率和电压的能力。而且，由于不需要对直流母线电压进行闭环控制，可以将直流母线电压传感器从测试平台硬件中移除，这可以确保更紧凑的系统结构和降低的成本。