瞬时功率理论在电力系统测量中的应用

1、瞬时功率理论在电力系统测量中的应用 班级：农电111 学号：1102130117 姓名：覃晓君瞬时功率理论在电力系统测量中的应用 传统功率理论无法对非正弦电路中的功率现象加以解释，现有的瞬时功率理论的物理意义又都不够明确。针对这一问题，本文提出了一种基于最小传输能量损失的有功及无功功率定义。该定义物理意义明确，能够与传统正弦电路功率理论、弗兰芝单相无功理论和赤术泰文三相无功理论相统一。在该定义体系中，单相电路与三相电路的有功、无功确定原则是一致的。该文还提出了一种广义谐波理论，该理论所定义的谐波不仅具有传统的傅立叶谐波两两正交的优点，而且可以直观地衡量负载的非 线性程度，并将谐波理论与本文所提

2、功率理论相统一。 1.瞬时功率理论研究的重要性 随着电力系统中非线性负荷的增多，谐波污染日益严重，非正弦电路的功率理论也越来越受到重视。但非正弦条件下功率现象的研究从20世纪初到现在，始终没有一个结论被广泛接受。现有的功率理论体系中，单相电路与三相电路的功率定义往往相互独立，其定义的物理意义也很不明确。而且即使是传统功率体系中的功率定义，最近也有人对其物理意义提出了疑问。因此，建立一套能将传统功率理论包括在内、物理意义明确、将单相电路与三相电路的瞬时功率理论相统一的通用功率体系，并给出简洁的数学描述，是电工界的一个前沿课题。因此，瞬时功率理论研究就显得十分重要。 2.瞬时功率理论的出发点在传统

3、的正弦电路中，有功功率和无功功率都是建立在平均值的基础上的。有功代表了负载在一个周期内消耗电能的情况，无功代表了电源与负载间(单相电路)或各相之间(三相电路)在一个周期内的能量交换情况。在非正弦电路中，无功同样也应代表往复振荡的能量。额外能量的振荡必然要增加传输线路上的能量损失。在满足负载需求的情况下，通过补偿装置使线路上的损失最小，这时电源输出的电流为有功电流，补偿装置输出的电流为无功电流这是本文提出的瞬时功率理论的出发点。由这一出发点可以看出，在负载消耗有功不变的情况下，代表额外的往复振荡能量的无功越大，线路的传输损失越大，当电源发出的无功降低为0时，传输损失最小。 3.瞬时功率定义3.1

4、单相电路瞬时功率定义在单相电路中，无功代表电源与负载间的能量交换。因此，单相电路无功电流应满足：一个周期内无功功率的积分值为0；当无功电流为0的时候，线路上的传输损失最小。 3.2三相电路瞬时功率的定义在三相电路中，无功不仅在电源与负载间流动，而且在三相电路之间流动，因此，对三相电源应综合考虑。无功电流应当满足：当三相电路电源与负载间及各相之间没有无功流动时，三相电路的总传输损失最小。 3.瞬时功率定义 3.3通用瞬时功率理论及定义 通用瞬时功率理论是基于最小能量传输损失或电流最小做功能力损失提出的。该理论的核心是当利用无源装置将负载补偿到只消耗有功电流时在三相线路参数一致的情况下，电源发出的

5、电流在传输线路上所引起的传输损失最小。利用一个周期内电流平方的积分来代表电流做功能力。上述思想也可表述为当利用无源装置将负载补偿到只消耗有功电流时，电源发出的电流做功能力最小，即电源电流的做功能力与其实际所做功的大小相等。 4.瞬时功率理论的意义本文提出的功率理论可以明确地解释Fryze单相功率定义的物理意义。赤木泰文(HAkagi)的三相电路瞬时功率定义在有源滤波(APF)中得到了比较成功的运用，但其物理意义不太清晰。本文所提出的瞬时功率理论能够明确解释其物理意义，并指出其适用条件。瞬时功率的引出是由于电力系统中非线性负荷造成了电压、电流的波形相对于标准正弦波发生了畸变。传统的谐波理论将电压

6、、电流分别独立进行傅立叶正交分解，这不仅很难看出电压与电流间线性关系的好坏，而且由于对应于各次谐波电压、电流都存在有功、无功分量，而这些分量又不能简单叠加成总的有功、无功，从而造成了功率分析的复杂性。 4.瞬时功率理论的意义 (1)应用最优化理论，以线路能量传输损失最小为目标函数在一定的约束条件下，可以导出瞬时有功电流的求解数学模型，从而进一步定义出瞬时有功功率、瞬时无功功率。一个完善的功率体系，只要三相电压、电流函数没有发生变化，其所定义的瞬时有功、无功电流就不应发生变化。因此，本文的三相电路瞬时有功电流、无功电流定义应这样理解：在三相传输线参数(主要指电阻)一致的情况下，有功电流导致的传输

7、损失最小。(2)单相电路有功电流求解模型中的约束条件和三相电路有功电流求解模型中的约束条件是有区别的：三相电路中，将三相电源综合考虑而不是各相孤立考虑。正是这一区别，体现了单相电路的无功是在电源与负载间流动的，而三相电路中的无功不仅在电源与负载间流动，而且在各相间流动这一本质特点。 4.瞬时功率理论的意义(3)采用与傅立叶分解相似的正交分解方法，可以得到电流相对于电压的广义谐波，从而把谐波理论与瞬时功率理论相联系。通过广义谐波，可以很方便地看出负载的非线性程度。 5.在电力系统测量中的应用 随着半导体行业和电力工业的发展，各种整流器件、换流设备以及其他非线性负荷大量安装。在电力系统中，所产生的

8、谐波和无功功率给电网带来的影响日益严重，要实时检测电网中的谐波和无功电流并进行补偿，需研究电路中的各种功率成分以及它们之间的关系。本文在三相对称电路中应用三角函数分析了提出的瞬时有功功率和广义瞬时无功功率，指出它们与传统功率理论的有功功率和无功功率的关系，说明了广义瞬时无功功率理论对传统功率理论的延伸。 5.在电力系统测量中的应用一个合理完善的瞬时功率体系应该做到物理概念清晰，数学体系完整，并在一定条件下与传统功率理论相统一。从数学的角度对传统功率理论体系进行了扩展，但未给出明确的物理解释；从物理意义的角度出发，提出了最小做功能力的概念但在数学上却不够完美；又有人提出了一种基于最小能量传输损失

9、或称作电流最小做功能力损失的通用瞬时功率理论，物理意义明确，能够清晰地解释各种功率现象，并且在该理论体系中传统功率理文将从数学与几何的角度对这一通用瞬时功率理论作进一步解释，以使该理论形成一个完善的理论体系。对一个负载性能优劣的评价，一般均采用负载电流各次谐波的含有量以及谐波总畸变率来进行分析，但这一方法存在下述不足： 5.在电力系统测量中的应用1、当电网电压出现畸变或三相不对称的时候要求负载电流为对称的标准正弦波对负载来讲这是不合理的 2、当三相电压为理想电压源时，若负载为不对称的线性负载负载上的电流是不含谐波的，但这样的负载显然并不是理想负载 3、在电源电压为理想情况时，对含有线性电容、线性电感的对称线性负载，负载电流不含谐波且是对称的，但是电感与电容的存在有可能增大负载电流从而使电源的容量不能得到充分利用。这样的负载也是不理想的。因此有必要建立一个能够反映负载的线性程度对称情况及其对电源容量利用情况的综合指标来评价负载性能的优劣。 5.在电力系统测量中的应用 对于三相四线制电路或满足条件ua+ub+uc=0的三相三线制电路，可以直接用三相电压与三相电流的相关系数作为评价，三相负载好坏的指标对于不满足条件ua+ub+uc=0 的三相三线制电路，三相电压中含有零序分量，而由于三相三线电路的固有约束，三相电流中不可能含有零序分量，要求负载电流与电源电压完全一致是不可能的