开关变换器-第2章-瞬时功率理论--课件

第第2章章瞬时功率理论瞬时功率理论开关型变换器建模与分析开关型变换器建模与分析开关型变换器建模与分析开关型变换器建模与分析 InstantaneouspowertheoryInstantaneouspowertheory1PPTPPT课件课件本节内容本节内容l瞬时功率理论概述瞬时功率理论概述l瞬时功率理论瞬时功率理论l基于正交分量的功率理论基于正交分量的功率理论2PPTPPT课件课件2.1概述概述 1919世纪末，采用恒定频率、正弦波电压供电使设计变压器和世纪末，采用恒定频率、正弦波电压供电使设计变压器和输电线路（包括极长距离的输电线路）变得容易输电线路（包括极长距离的输电线路）变得容易。如果交流供电如果交流供电的负载其电流与电压同相位，那么电力网路可以做得更加高效。的负载其电流与电压同相位，那么电力网路可以做得更加高效。因此，就提出了无功功率得概念，用来描述与电源电压不同相位因此，就提出了无功功率得概念，用来描述与电源电压不同相位的负载电流所产生的电功率的量。的负载电流所产生的电功率的量。视在功率描述如果电压电流是视在功率描述如果电压电流是正弦波形且完全同相位时，就有多大的功率可以被传递或消耗。正弦波形且完全同相位时，就有多大的功率可以被传递或消耗。功率因数给出了一个电路中某点实际传递或消耗的平均功率与视功率因数给出了一个电路中某点实际传递或消耗的平均功率与视在功率之间的关系。自从在功率之间的关系。自从2020世纪世纪6060年代后期电力电子装置大量应年代后期电力电子装置大量应用以后，汲取非正弦电流的非线性负载大量增加，这样，在非正用以后，汲取非正弦电流的非线性负载大量增加，这样，在非正弦电流情况下，前面所述的功率定义是有问题的，在有些情况下弦电流情况下，前面所述的功率定义是有问题的，在有些情况下会导致错误的解释。会导致错误的解释。3PPTPPT课件课件单相系统单相系统正弦条件下的功率定义正弦条件下的功率定义瞬时功率瞬时功率有效值有效值上式也可以表示成上式也可以表示成其中，其中，P为有功功率，为有功功率，Q为无功功率，为无功功率，为无源网络阻抗为无源网络阻抗Z的阻抗角。的阻抗角。4PPTPPT课件课件有功功率与无功功率的传统概念有功功率与无功功率的传统概念对于给定的电压和电流画出来对于给定的电压和电流画出来对应对应的功率分量。的功率分量。5PPTPPT课件课件相量表示法相量表示法阻抗阻抗电压、电流、阻抗用相量表示为电压、电流、阻抗用相量表示为正弦量正弦量相量图相量图6PPTPPT课件课件这些功率定义只适合这些功率定义只适合于正弦条件，而不适于正弦条件，而不适合于非正弦条件合于非正弦条件复功率复功率视在功率视在功率功率因数功率因数在正弦波情况下，一般用复功率来描述功率特性：在正弦波情况下，一般用复功率来描述功率特性：7PPTPPT课件课件如如果果把把无无源源二二端端口口网网络络的的无无功功功功率率补补偿偿到到零零，可可以以使使得得电电源源电电流流有有效效值值I和和视视在在功功率率S最最小小化化，而而此此时时的的有有功功功功率率并并没没有有改变，因而功率因数提高到改变，因而功率因数提高到1。在单相负载是非线性负载的条件下，无功功率不一定在单相负载是非线性负载的条件下，无功功率不一定仅仅与储能元件有关，还可能出现在含开关器件的纯电阻仅仅与储能元件有关，还可能出现在含开关器件的纯电阻电路中电路中。对于非正弦电路，对于非正弦电路，波形的畸变可能很大波形的畸变可能很大。设正弦波电压有效值为设正弦波电压有效值为U U，畸变电流有效值为，畸变电流有效值为I I，基波电流有，基波电流有效值及与电压的相位差分别用效值及与电压的相位差分别用 和和 表示，这时有功功率为表示，这时有功功率为8PPTPPT课件课件功率因数：功率因数：基波因数：基波因数：位移因数（基波功率因数）：位移因数（基波功率因数）：可可见见，功功率率因因数数由由基基波波电电流流相相移移和和电电流流波波形形畸畸变变这这两个因素共同决定的。两个因素共同决定的。9PPTPPT课件课件一一般般来来说说，单单相相电电路路中中基基于于瞬瞬时时功功率率的的无无功功功功率率分分量量的的类类似似解解释释是是不不能能应应用用于于三三相相线线性性电电路路。例例如如，如如图图所所示示的的对对称称(平衡平衡)三相电路中，设三相电路中，设三相负载为三相负载为三相对称系统三相对称系统瞬时功率瞬时功率10PPTPPT课件课件所所以以，不不能能从从中中提提取取出出一一个个与与无无功功功功率率表表达达式式相相对对应应的交变分量：的交变分量：在三相正弦电路中，则存在三种不同的视在功率定义方式：在三相正弦电路中，则存在三种不同的视在功率定义方式：算术视在功率为算术视在功率为几何视在功率为几何视在功率为 Buchholz视在功率为视在功率为 11PPTPPT课件课件单相系统单相系统非正弦条件下的功率定义非正弦条件下的功率定义常用的三种功率定义方法：常用的三种功率定义方法：Budeanu的功率定义的功率定义频域；频域；1927年罗马尼亚电气工程师年罗马尼亚电气工程师Fryze的功率定义的功率定义时域；时域；1931年，波兰教授年，波兰教授Czarnecki的功率定义的功率定义结合了频域与时域的分析方法；198312PPTPPT课件课件1)Budeanu：特点：特点：在在一一个个基基波波周周期期内的积分；内的积分；不不能能准准确确描描述述不不同同次次谐谐波波间间的的作作用用；(畸变功率）畸变功率）将有功功率将有功功率P和无功功率和无功功率Q分别定义为所有谐波有功功率和无功功率的叠加分别定义为所有谐波有功功率和无功功率的叠加13PPTPPT课件课件功率四面体功率四面体14PPTPPT课件课件当把当把Budeanu关于关于Q、D的定义式的定义式扩展到分析三相电路时，会导致错误的解释。不能作为设计扩展到分析三相电路时，会导致错误的解释。不能作为设计三相无源、有源滤波器的基础。三相无源、有源滤波器的基础。DB为畸变功率为畸变功率15PPTPPT课件课件Budeanu理论的不当之处在于理论的不当之处在于(1)这这个个理理论论不不能能使使视视在在功功率率最最小小化化，也也就就不不能能用用于于提提高高功功率率因数；因数；(2)无功功率无功功率QB不是对振荡能量的一种度量；不是对振荡能量的一种度量；(3)不能基于无功功率不能基于无功功率QB计算出使功率因数达到可能的最大值时计算出使功率因数达到可能的最大值时的电容值；的电容值；(4)电流有效值和畸变功率电流有效值和畸变功率D DB B之间没有直接的联系之间没有直接的联系；(5)对功率对功率QB或者或者DB进行独立补偿是不可能的；进行独立补偿是不可能的；(6)它存在对非正弦周期电路中能量现象的错误解释。它存在对非正弦周期电路中能量现象的错误解释。16PPTPPT课件课件2)Fryze17PPTPPT课件课件Fryze把把“无无功功功功率率”定定义义为为包包含含电电压压、电电流流中中所所有有对对有有功功功功率率PW不不产产生生贡贡献献部部分分的的总总和和，这这是是一一大大贡贡献献。但但其其对对于于有功功率有功功率PW和视在功率和视在功率PS的定义和的定义和Budeanu定义是一致的。定义是一致的。Fryze的的功功率率定定义义不不需需要要将将一一般般性性的的电电压压、电电流流波波形形分分解解为为Fourier级级数数，但但是是它它仍仍然然需需要要计计算算电电压压和和电电流流的的有有效效值值，因因此，它在暂态过程中不成立。此，它在暂态过程中不成立。说明说明18PPTPPT课件课件3)Czarnecki1983年年，Czarnecki同同样样是是基基于于电电流流的的正正交交分分解解，将将Fryze的的无无功功电电流流ib(t)分分解解为为电电抗抗电电流流ir(t)和和分分散散电电流流is(t)：将电阻电流分解为有功电流将电阻电流分解为有功电流ia(t)和分散电流和分散电流is(t)：得到得到19PPTPPT课件课件可假设可假设则可得到则可得到ia(t)、is(t)、ir(t)的的关系式关系式电流分解示意图电流分解示意图定义的电流是相互正交定义的电流是相互正交，则，则上式解释了为什么在非正弦周期电压下的线性电路中电流有效值上式解释了为什么在非正弦周期电压下的线性电路中电流有效值|i|比有功电流有效值比有功电流有效值|ia|大。对于大。对于，当，当Bh0或负载电导随频率变化，或负载电导随频率变化，这个现象便会出现。对于含有限次谐波的情况，采用无源这个现象便会出现。对于含有限次谐波的情况，采用无源LG二端口网二端口网络可以完全补偿电流络可以完全补偿电流ir(t)，但不能补偿电流，但不能补偿电流is(t)。20PPTPPT课件课件总结：总结：1、建立在求一个电源周期内变量的积分运算基础之上的，因、建立在求一个电源周期内变量的积分运算基础之上的，因此只适用于稳态分析，而不是用与暂态分析；此只适用于稳态分析，而不是用与暂态分析；2、在正弦条件下能得到理想结果，但在非正弦条件下不完、在正弦条件下能得到理想结果，但在非正弦条件下不完善；善；3、不能直接推广到三相系统；、不能直接推广到三相系统；暂态暂态任意波形信号任意波形信号三相系统三相系统瞬时功率理论瞬时功率理论传统功率理论的局限性：传统功率理论的局限性：21PPTPPT课件课件2.2瞬时功率理论瞬时功率理论瞬时功率理论的定义与解释瞬时功率理论的定义与解释传传统统电电力力系系统统控控制制装装置置的的响响应应时时间间大大多多在在数数十十毫毫秒秒到到秒秒级级，而而电电力力电电子子装装置置的的响响应应时时间间则则在在微微秒秒到到毫毫秒秒级级，远远远远小小于于电电力力系系统统20ms的的工工频频周周期。期。传传统统电电力力系系统统的的交交流流电电压压和和电电流流的的有有效效值值、有有功功功功率率、无无功功功功率率的的概概念念都都是是建建立立在在工工频频周周期期的的基基础础上上。而而对对于于时时间间常常数数小小于于工工频频周周期期的的FACTS装装置置，采采用用传传统统的的功功率率定定义义，无无法法准准确确描描述述装装置置在在一一个个时时间间常常数数的的时时间间内内有有功功功功率率和和无无功功功功率率的的变变化化，需需要要建建立立能能描描述述功功率率、电电压压瞬瞬时时变变化化的瞬时有功功率、瞬时无功功率、瞬时电压、电流等概念。的瞬时有功功率、瞬时无功功率、瞬时电压、电流等概念。22PPTPPT课件课件传传统统功功率率理理论论中中的的有有功功功功率率、无无功功功功率率等等都都是是在在平平均均值值基基础础或或相相量量意意义义上上定定义义的的，它它们们只只适适用用与与电电压压、电电流流为为正正弦弦波波时时以以及及稳稳态态的的情情况况。而而瞬瞬时时无无功功功功率率理理论论中中的的概概念念都都是是在在瞬瞬时时值值的的基基础础上上定定义义的的，它它不不仅仅适适用用于于正正弦弦波波，也也适适用用于于非非正正弦弦波波和和任任何何过过渡渡过过程程的的情情况况。从从以以上上定定义义可可以以看看出出，瞬瞬时时无无功功功功率率理理论论中中的的概概念念，在在形形式式上上和和传传统统理理论论非非常常相相似似，可可看成是传统理论的推广和延伸。看成是传统理论的推广和延伸。23PPTPPT课件课件Pq理论理论在分析三相系统时，在分析三相系统时，1983年日本的年日本的Akagi（赤木泰文）（赤木泰文）和和Nabae提出了瞬时功率理论提出了瞬时功率理论(pq理论理论)。该理论可以通过简。该理论可以通过简单的数学运算就可以计算出某些给定意义下的最优电流。单的数学运算就可以计算出某些给定意义下的最优电流。p-q理论的基础知识理论的基础知识1、Clark变换变换1）基本形式基本形式24PPTPPT课件课件Clark变换的一个突出优点：能分离零序分量变换的一个突出优点：能分离零序分量25PPTPPT课件课件不考虑零序分量时，不考虑零序分量时，Clark变换可简化为变换可简化为2）不考虑零序分量时，电压、电流的矢量表达）不考虑零序分量时，电压、电流的矢量表达26PPTPPT课件课件经过经过Clark变换得变换得27PPTPPT课件课件坐标系坐标系abc坐标系：坐标系：恒功率变换：恒功率变换：28PPTPPT课件课件p-q理论的基础知识理论的基础知识2、用、用变量表示的三相瞬时功率变量表示的三相瞬时功率对于不含零序分量的系统：对于不含零序分量的系统：29PPTPPT课件课件三相三线系统的三相三线系统的p-q理论理论1）三相瞬时有功功率）三相瞬时有功功率p、瞬时无功功率、瞬时无功功率q30PPTPPT课件课件2）瞬时有功电流、瞬时无功电流）瞬时有功电流、瞬时无功电流求逆求逆31PPTPPT课件课件、轴轴的的瞬瞬时时电电流流被被分分解解为为有有功功分分量量和和无无功功分分量量32PPTPPT课件课件3）轴的瞬时功率轴的瞬时功率轴瞬时有功功率轴瞬时有功功率轴瞬时有功功率轴瞬时有功功率轴瞬时无功功率轴瞬时无功功率轴瞬时无功功率轴瞬时无功功率33PPTPPT课件课件三相瞬时有功功率三相瞬时有功功率三相瞬时无功功率三相瞬时无功功率34PPTPPT课件课件改进的改进的pq理论理论 Akagi的的pq理论虽然简单有效，不能应用于供电电压理论虽然简单有效，不能应用于供电电压不对称系统中。不对称系统中。1995年有人提出了称为年有人提出了称为“改进的改进的pq理论理论”的瞬时功率理论，在供电电压不对称和低畸变的情况下的瞬时功率理论，在供电电压不对称和低畸变的情况下都是适用的。都是适用的。瞬时有功功率和无功功率分别定义为瞬时有功功率和无功功率分别定义为正交电压正交电压分别是通过相电压分别是通过相电压相移相移后得到的。后得到的。35PPTPPT课件课件可以证明，在三相电压对称时，改进的可以证明，在三相电压对称时，改进的pq理论与原理论与原pq理论是等效的。理论是等效的。“改进改进pq理论理论”应用范围更广。应用范围更广。同步参考系坐标变换瞬时功率理论同步参考系坐标变换瞬时功率理论同步参考坐标变换理论又称广义的同步参考坐标变换理论又称广义的pq理论，适用理论，适用于供电电压畸变的情形。它将输入信号向量从三相静于供电电压畸变的情形。它将输入信号向量从三相静止坐标系变换到旋转止坐标系变换到旋转d-q坐标系中坐标系中，称为派克（，称为派克（Park）变换。共分两步走，第一步将三相坐标系中的向量变变换。共分两步走，第一步将三相坐标系中的向量变换到换到直角坐标系中直角坐标系中，第二步将，第二步将坐标系中的向量坐标系中的向量变换到旋转变换到旋转dq坐标系中。坐标系中。36PPTPPT课件课件派克变换派克变换坐标变换坐标变换37PPTPPT课件课件同样的，同样的，实行实行反变换反变换可以实现将向量从可以实现将向量从dq旋转坐标到三相旋转坐标到三相静止坐标的转换。这样变换的优点是不再需要计算瞬时有功和无功功率。这样变换的优点是不再需要计算瞬时有功和无功功率。如果函数如果函数的变化过程与的变化过程与a相基波电压的变化过程一致，相基波电压的变化过程一致，那么，那么，dq坐标系与基波电压同步旋转。坐标系与基波电压同步旋转。同步参考坐标系变换理论不需要计算瞬时有功功率和同步参考坐标系变换理论不需要计算瞬时有功功率和无功功率，从而使得在每个计算周期中，所需要的数学运无功功率，从而使得在每个计算周期中，所需要的数学运算量明显减少，方便控制系统设计，大大提高了补偿系统算量明显减少，方便控制系统设计，大大提高了补偿系统的动态性能。即使供电电压为周期性畸变电压时，锁相环的动态性能。即使供电电压为周期性畸变电压时，锁相环确定的角度确定的角度也能够保证对最优电流和补偿电流的计算都是也能够保证对最优电流和补偿电流的计算都是准确的。准确的。38PPTPPT课件课件2.3基于正交分量的功率理论基于正交分量的功率理论如果采用傅里叶级数描述三相电路电流和电压的波如果采用傅里叶级数描述三相电路电流和电压的波形，以列向量形式描述相电压的列向量形，以列向量形式描述相电压的列向量u为为相电流的列向量相电流的列向量i的表示为的表示为39PPTPPT课件课件在在如如图图所所示示的的正正弦弦电电压压和和电电流流电电路路中中，电电流流可以表述如下：可以表述如下：为等效导纳为等效导纳40PPTPPT课件课件对对于于上上述述这这个个电电路路，可可将将其其电电流流分分解解为为三三个个相相互互正交的分量：正交的分量：称为称为“无功电流无功电流”，与相移有关，与相移有关。称为称为“有功电流有功电流”，与恒定的能量转换有关。，与恒定的能量转换有关。称为称为“不平衡电流不平衡电流”，与负载的不平衡有关。，与负载的不平衡有关。41PPTPPT课件课件如果一个系统含有如果一个系统含有非线性负载非线性负载，电压和电流的，电压和电流的波形是畸变的，那么，就可以用下面的等式来描述波形是畸变的，那么，就可以用下面的等式来描述供电电压：供电电压：此时的电源电流可以分解为四个分量：此时的电源电流可以分解为四个分量：为有功电流，对应电源到负载的能量流动。为有功电流，对应电源到负载的能量流动。42PPTPPT课件课件为分散电流，不参与电源到负载的能量流动。为分散电流，不参与电源到负载的能量流动。为无功电流为无功电流，这个电流分量也不参与从电源，这个电流分量也不参与从电源到负载的能量传输。到负载的能量传输。不平衡电流，不平衡电流，这个电流分量也不参与从电源到负载的这个电流分量也不参与从电源到负载的能量传输。能量传输。43PPTPPT课件课件