瞬時功率理論在電力系統(tǒng)測量中的應(yīng)用

1、瞬時功率理論在電力系統(tǒng)測量中的應(yīng)用 班級：農(nóng)電111 學(xué)號：1102130117 姓名：覃曉君瞬時功率理論在電力系統(tǒng)測量中的應(yīng)用 傳統(tǒng)功率理論無法對非正弦電路中的功率現(xiàn)象加以解釋，現(xiàn)有的瞬時功率理論的物理意義又都不夠明確。針對這一問題，本文提出了一種基于最小傳輸能量損失的有功及無功功率定義。該定義物理意義明確，能夠與傳統(tǒng)正弦電路功率理論、弗蘭芝單相無功理論和赤術(shù)泰文三相無功理論相統(tǒng)一。在該定義體系中，單相電路與三相電路的有功、無功確定原則是一致的。該文還提出了一種廣義諧波理論，該理論所定義的諧波不僅具有傳統(tǒng)的傅立葉諧波兩兩正交的優(yōu)點，而且可以直觀地衡量負載的非 線性程度，并將諧波理論與本文所提

2、功率理論相統(tǒng)一。 1.瞬時功率理論研究的重要性 隨著電力系統(tǒng)中非線性負荷的增多，諧波污染日益嚴重，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世紀初到現(xiàn)在，始終沒有一個結(jié)論被廣泛接受?，F(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。因此，瞬時功率理論研究就顯得十分重要。 2.瞬時功率理論的出發(fā)點在傳統(tǒng)

3、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。有功代表了負載在一個周期內(nèi)消耗電能的情況，無功代表了電源與負載間(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。在滿足負載需求的情況下，通過補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，補償裝置輸出的電流為無功電流這是本文提出的瞬時功率理論的出發(fā)點。由這一出發(fā)點可以看出，在負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。 3.瞬時功率定義3.1

4、單相電路瞬時功率定義在單相電路中，無功代表電源與負載間的能量交換。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。 3.2三相電路瞬時功率的定義在三相電路中，無功不僅在電源與負載間流動，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。 3.瞬時功率定義 3.3通用瞬時功率理論及定義 通用瞬時功率理論是基于最小能量傳輸損失或電流最小做功能力損失提出的。該理論的核心是當(dāng)利用無源裝置將負載補償?shù)街幌挠泄﹄娏鲿r在三相線路參數(shù)一致的情況下，電源發(fā)出的

5、電流在傳輸線路上所引起的傳輸損失最小。利用一個周期內(nèi)電流平方的積分來代表電流做功能力。上述思想也可表述為當(dāng)利用無源裝置將負載補償?shù)街幌挠泄﹄娏鲿r，電源發(fā)出的電流做功能力最小，即電源電流的做功能力與其實際所做功的大小相等。 4.瞬時功率理論的意義本文提出的功率理論可以明確地解釋Fryze單相功率定義的物理意義。赤木泰文(HAkagi)的三相電路瞬時功率定義在有源濾波(APF)中得到了比較成功的運用，但其物理意義不太清晰。本文所提出的瞬時功率理論能夠明確解釋其物理意義，并指出其適用條件。瞬時功率的引出是由于電力系統(tǒng)中非線性負荷造成了電壓、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

6、、電流分別獨立進行傅立葉正交分解，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。 4.瞬時功率理論的意義 (1)應(yīng)用最優(yōu)化理論，以線路能量傳輸損失最小為目標(biāo)函數(shù)在一定的約束條件下，可以導(dǎo)出瞬時有功電流的求解數(shù)學(xué)模型，從而進一步定義出瞬時有功功率、瞬時無功功率。一個完善的功率體系，只要三相電壓、電流函數(shù)沒有發(fā)生變化，其所定義的瞬時有功、無功電流就不應(yīng)發(fā)生變化。因此，本文的三相電路瞬時有功電流、無功電流定義應(yīng)這樣理解：在三相傳輸線參數(shù)(主要指電阻)一致的情況下，有功電流導(dǎo)致的傳輸

7、損失最小。(2)單相電路有功電流求解模型中的約束條件和三相電路有功電流求解模型中的約束條件是有區(qū)別的：三相電路中，將三相電源綜合考慮而不是各相孤立考慮。正是這一區(qū)別，體現(xiàn)了單相電路的無功是在電源與負載間流動的，而三相電路中的無功不僅在電源與負載間流動，而且在各相間流動這一本質(zhì)特點。 4.瞬時功率理論的意義(3)采用與傅立葉分解相似的正交分解方法，可以得到電流相對于電壓的廣義諧波，從而把諧波理論與瞬時功率理論相聯(lián)系。通過廣義諧波，可以很方便地看出負載的非線性程度。 5.在電力系統(tǒng)測量中的應(yīng)用 隨著半導(dǎo)體行業(yè)和電力工業(yè)的發(fā)展，各種整流器件、換流設(shè)備以及其他非線性負荷大量安裝。在電力系統(tǒng)中，所產(chǎn)生的

8、諧波和無功功率給電網(wǎng)帶來的影響日益嚴重，要實時檢測電網(wǎng)中的諧波和無功電流并進行補償，需研究電路中的各種功率成分以及它們之間的關(guān)系。本文在三相對稱電路中應(yīng)用三角函數(shù)分析了提出的瞬時有功功率和廣義瞬時無功功率，指出它們與傳統(tǒng)功率理論的有功功率和無功功率的關(guān)系，說明了廣義瞬時無功功率理論對傳統(tǒng)功率理論的延伸。 5.在電力系統(tǒng)測量中的應(yīng)用一個合理完善的瞬時功率體系應(yīng)該做到物理概念清晰，數(shù)學(xué)體系完整，并在一定條件下與傳統(tǒng)功率理論相統(tǒng)一。從數(shù)學(xué)的角度對傳統(tǒng)功率理論體系進行了擴展，但未給出明確的物理解釋；從物理意義的角度出發(fā)，提出了最小做功能力的概念但在數(shù)學(xué)上卻不夠完美；又有人提出了一種基于最小能量傳輸損失

9、或稱作電流最小做功能力損失的通用瞬時功率理論，物理意義明確，能夠清晰地解釋各種功率現(xiàn)象，并且在該理論體系中傳統(tǒng)功率理文將從數(shù)學(xué)與幾何的角度對這一通用瞬時功率理論作進一步解釋，以使該理論形成一個完善的理論體系。對一個負載性能優(yōu)劣的評價，一般均采用負載電流各次諧波的含有量以及諧波總畸變率來進行分析，但這一方法存在下述不足： 5.在電力系統(tǒng)測量中的應(yīng)用1、當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變或三相不對稱的時候要求負載電流為對稱的標(biāo)準(zhǔn)正弦波對負載來講這是不合理的 2、當(dāng)三相電壓為理想電壓源時，若負載為不對稱的線性負載負載上的電流是不含諧波的，但這樣的負載顯然并不是理想負載 3、在電源電壓為理想情況時，對含有線性電容、線性電感的對稱線性負載，負載電流不含諧波且是對稱的，但是電感與電容的存在有可能增大負載電流從而使電源的容量不能得到充分利用。這樣的負載也是不理想的。因此有必要建立一個能夠反映負載的線性程度對稱情況及其對電源容量利用情況的綜合指標(biāo)來評價負載性能的優(yōu)劣。 5.在電力系統(tǒng)測量中的應(yīng)用 對于三相四線制電路或滿足條件ua+ub+uc=0的三相三線制電路，可以直接用三相電壓與三相電流的相關(guān)系數(shù)作為評價，三相負載好壞的指標(biāo)對于不滿足條件ua+ub+uc=0 的三相三線制電路，三相電壓中含有零序分量，而由于三相三線電路的固有約束，三相電流中不可能含有零序分量，要求負載電流與電源電壓完全一致是不可能的