瞬時功率簡介

隨著電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷的增多，諧波污染日益嚴(yán)重，非正弦電路的功率理論也越來越受到重視。但非正弦條件下功率現(xiàn)象的研究從20世紀(jì)初，始終沒有一個結(jié)論被廣泛接受。

現(xiàn)有的功率理論體系中，單相電路與三相電路的功率定義往往相互獨立，其定義的物理意義也很不明確。而且即使是傳統(tǒng)功率體系中的功率定義，最近也有人對其物理意義提出了疑問。因此，建立一套能將傳統(tǒng)功率理論包括在內(nèi)、物理意義明確、將單相電路與三相電路的瞬時功率理論相統(tǒng)一的通用功率體系，并給出簡潔的數(shù)學(xué)描述，是電工界的一個前沿課題。

在傳統(tǒng)的正弦電路中，有功功率和無功功率都是建立在平均值的基礎(chǔ)上的。有功代表了負(fù)載在一個周期內(nèi)消耗電能的情況，無功代表了電源與負(fù)載間(單相電路)或各相之間(三相電路)在一個周期內(nèi)的能量交換情況。在非正弦電路中，無功同樣也應(yīng)代表往復(fù)振蕩的能量。額外能量的振蕩必然要增加傳輸線路上的能量損失。在滿足負(fù)載需求的情況下，通過補(bǔ)償裝置使線路上的損失最小，這時電源輸出的電流為有功電流，補(bǔ)償裝置輸出的電流為無功電流。

在負(fù)載消耗有功不變的情況下，代表額外的往復(fù)振蕩能量的無功越大，線路的傳輸損失越大，當(dāng)電源發(fā)出的無功降低為0時，傳輸損失最小。

瞬時功率的引出是由于電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷造成了電壓、電流的波形相對于標(biāo)準(zhǔn)正弦波發(fā)生了畸變。傳統(tǒng)的諧波理論將電壓、電流分別獨立進(jìn)行傅立葉正交分解，這不僅很難看出電壓與電流間線性關(guān)系的好壞，而且由于對應(yīng)于各次諧波電壓、電流都存在有功、無功分量，而這些分量又不能簡單疊加成總的有功、無功，從而造成了功率分析的復(fù)雜性。

諧波理論不僅具有傅立葉級數(shù)的優(yōu)點(兩兩正交)，而且在這種諧波理論中，電壓總是只含有廣義基波，從而保證了電流的有功分量只存在于廣義基波中，各次廣義諧波都是無功分量。這就把瞬時功率問題與廣義諧波理論統(tǒng)一起來。通過廣義基波的大小，還可以很容易的看出電壓與電流的相似程度 。

在單相電路中，無功代表電源與負(fù)載間的能量交換。因此，單相電路無功電流應(yīng)滿足，一個周期內(nèi)無功功率的積分值為0，當(dāng)無功電流為0的時候，線路上的傳輸損失最小。

在三相電路中，無功不僅在電源與負(fù)載間流動，而且在三相電路之間流動，因此，對三相電源應(yīng)綜合考慮。無功電流應(yīng)當(dāng)滿足；當(dāng)三相電路電源與負(fù)載間及各相之間沒有無功流動時，三相電路的總傳輸損失最小 。

廣義諧波的性質(zhì)與物理意義有:

1.廣義諧波是對電流進(jìn)行正交分解，其各次諧波是兩兩正交的，其基波分量與電壓有關(guān)。電壓總是只含有廣義基波，而不含有廣義諧波；

2.傳統(tǒng)的諧波理論是對電流進(jìn)行傅立葉分解，與電壓無關(guān)。在電壓畸變的情況下，傳統(tǒng)諧波理論對負(fù)載線性程度的反映很不直觀。而廣義諧波理論則可以直觀地提供負(fù)載的線性程度信息，只要是線性負(fù)載，其電流就只含有廣義基波，其線性度為1，非線性度為0。這是十分合理的，只要負(fù)載上的電流能夠線性地實時跟蹤加在其上的電壓，這就是最理想的負(fù)載。在電壓為任意波形的情況下，要求負(fù)載電流為正弦波形是沒有道理的；

3.線性度是指嚴(yán)格意義上的線性，即電壓與電流的瞬時值之比保持不變的能力。對于傳統(tǒng)提法的理想線性電容、電感元件，其線性指的是其電容值、電感值不隨外加電壓、電流而改變。在廣義諧波體系中，由于其廣義基波總是為。其線性度也總是為0，非線性度總是為1；

4.瞬時有功電流與廣義基波相等，瞬時無功電流與各廣義諧波之和相等。通過廣義諧波的定義，可以將無功補(bǔ)償?shù)韧趯V義諧波的補(bǔ)償 。2100433B

《瞬時功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用》主要闡述與電力調(diào)節(jié)器密切相關(guān)的一個理論基礎(chǔ)——瞬時功率理論．并對不同的功率定義體系進(jìn)行了深入的比較和分析，指出傳統(tǒng)的功率定義體系不能滿足現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展的需要。同時書中有一半章節(jié)講述了瞬時功率理論在包括并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型有源濾波器以及統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器、統(tǒng)一潮流控制器和通用有源線路調(diào)節(jié)器等電力調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用。書中包含有大量的實例，便于讀者理解?！端矔r功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用》適合于從事電力調(diào)節(jié)、電能質(zhì)量和電力電子技術(shù)研究、開發(fā)、應(yīng)用的技術(shù)人員和工程師，以及高等學(xué)校電氣工程及其自動化專業(yè)的教師和研究生閱讀。

“瞬時有功和無功功率”的概念最早是在1982年于日本提出的。自那以后，很多科學(xué)家和工程師對此概念的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)，如對其進(jìn)行改進(jìn)以適用于三相四線制電路，將其進(jìn)行擴(kuò)展以適用于多相電路，當(dāng)然，還包括將其應(yīng)用于電力電子裝置的研究。但是，就這個主題并沒有看到有專門的書籍出版，寫作本書的主要目的就是為了填補(bǔ)這個空白。瞬時功率理論，簡稱為“理論”，揭示了三相電路中瞬時有功和無功功率的物理意義，給出了三相電路中能量是如何從電源流向負(fù)載或在各相之間循環(huán)的清晰解釋。

在本書寫作的開始階段，我們就決定對瞬時功率理論的基本概念盡量以循序漸進(jìn)的教學(xué)方式進(jìn)行講述。因此，本書的結(jié)構(gòu)是按如下方式安排的。第1章講述與非線性負(fù)載相關(guān)的諧波問題。第2章講述與電功率定義相關(guān)的背景情況，主要基于傳統(tǒng)理論。第3章講述瞬時功率理論。在這一章中，為了方便讀者理解該理論，特別是有源濾波器的控制器設(shè)計理論，特意給出了大量相關(guān)材料。第3章的另一部分專門講述瞬時功率定義的其他體系。其中的一個體系被稱為“改進(jìn)的理論”，它將原始虛功率定義擴(kuò)展到具有3個分量的虛功率矢量。另外一個體系，被稱為“abe理論”，則直接采用abc相電壓和相電流來定義有功電流分量和非有功電流分量。第3章還闡述了這些功率定義體系的物理意義和相互之間的差別。

原書前言

第1章 引言

1.1 電功率理論的概念及其發(fā)展過程

1.2 p-q理論在電力電子裝置中的應(yīng)用

1.3 電力系統(tǒng)中的諧波電壓

1.4 已知和未知的諧波源負(fù)載

1.5 諧波電流源和諧波電壓源

1.6 諧波補(bǔ)償?shù)幕驹?

1.7 潮流控制的基本原理

參考文獻(xiàn)

第2章 電功率的定義：背景情況

2.1 正弦條件下的功率定義

2.2 電壓和電流相量與復(fù)阻抗

2.3 復(fù)功率與功率因數(shù)

2.4 非正弦條件下的功率概念——傳統(tǒng)方法

2.4.1 Budeanu的功率定義

2.4.2 腳ze的功率定義

2.5 三相系統(tǒng)中的電功率

2.5.1 三相系統(tǒng)的分類

2.5.2 三相對稱系統(tǒng)中的功率

2，5.3 三相不對稱系統(tǒng)中的功率

2.6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第3章 瞬時功率理論

3.1 p-q理論的基礎(chǔ)

3.1.1 p.q理論的歷史背景

3.1.2 Clarke變換

3.1.3 基于Clarkej分量的三相瞬時有功功率

3.1.4 p.q理論定義的瞬時功率

3.2 三相三線制系統(tǒng)中的p-q理論

3.2.1 與傳統(tǒng)功率理論的比較

3.2.2 將p-q理論用于并聯(lián)電流補(bǔ)償

3.2.3 對偶p-q理論

3.3 三相四線制系統(tǒng)中的p-q理論

3.3.1 三相正弦電壓源中的零序功率

3.3.2 存在負(fù)序分量時

3.3.3 電壓和電流中包含不對稱和畸變時的一般性情況

3.3.4 瞬時實功率、虛功率和零序功率的物理意義

3.3.5 在p.q理論中避免Clarke變換

3.3.6 改進(jìn)的p-q理論

3.4 瞬時abc理論

3.4.1 采用最小化方法計算有功電流和非有功電流

3.4.2 廣義Fryze電流最小化方

3.5 p-q理論與abc理論的比較

3.5.1 選擇需要補(bǔ)償?shù)墓β史至?

3.6 小結(jié)

參考文獻(xiàn)。

第4章 并聯(lián)型有源濾波器

4.1 并聯(lián)型有源濾波器的一般性描述

4.1.1 用于并聯(lián)型有源濾波器的PWM變流器

4.1.2 有源濾波器的控制器

4.2 三相三線并聯(lián)型有源濾波器

4.2.1 用于功率恒定補(bǔ)償?shù)挠性礊V波器

4.2.2 用于電流波形正弦化控制的有源濾波器

4.2.3 用于電流最小化的有源濾波器

4.2.4 用于諧波阻尼的有源濾波器

4.2.5 數(shù)字控制器

4.3 三相四線并聯(lián)型有源濾波器

4.3.1 用于三相四線制系統(tǒng)的變流器拓?fù)?

4.3.2 動態(tài)滯環(huán)電流控制器

4.3.3 有源濾波器的直流電壓調(diào)節(jié)器

4.3.4 最優(yōu)功率流條件

4.3.5 瞬時功率恒定控制策略

4.3.6 電流波形正弦化控制策略

4.3.7 性能分析和參數(shù)優(yōu)化

4.4 并聯(lián)型選擇諧波補(bǔ)償

4.5 小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第5章 混合型與串聯(lián)型有源濾波器

5.1 基本串聯(lián)型有源濾波器

5.2 串聯(lián)型有源濾波器與并聯(lián)型無源濾波器的結(jié)合

5.2.1 一個實驗系統(tǒng)的例子

5.2.2 關(guān)于混合型濾波器的幾點評述

5.3 串聯(lián)型有源濾波器與雙串聯(lián)二極管整流器的結(jié)合

5.3.1 第l代控制電路

5.3.2 第2代控制電路

5.3.3 穩(wěn)定性分析和特性比較

5.3.4 開關(guān)紋波濾波器的設(shè)計

5.3.5 實驗結(jié)果

5.4 純有源濾波器與混合型有源濾波器的比較

54.1 低壓無變壓器的混合型有源濾波器

5.4.2 低壓無變壓器的并聯(lián)型純有源濾波器

5.4.3 仿真結(jié)果的比較

5.5 結(jié)論

參考文獻(xiàn)

第6章 串聯(lián)與并聯(lián)相結(jié)合的電力調(diào)節(jié)器

6.1 統(tǒng)一潮流控制器

6.1.1 FACTS和UPFC原理

6.1.2 uPFC的一種設(shè)計方法

6.1.3 采用并聯(lián)多脈波變流器的uPFc方案

6.2 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器

6.2.1 uPQc的一般性描述

6.2.2 三相四線UPQC

6.2.3 upcJC與無源濾波器結(jié)合(混合型uP(2c)

6.3 通用有源線路調(diào)節(jié)器

6.3.1 UPL.c的一般性描述

6.3.2 UPLC的控制器

6.3.3 UPLC的性能

6.3.4 一般性問題

6.4 小結(jié)

參考文獻(xiàn)