瞬时功率、无功功率功率的概念

点击联系发帖人 时间：2020-03-25 00:11

功功率

《瞬时功率理论及其在电力调节Φ的应用》是2009年

出版的图书作者是（日）赤木泰文，（巴西）埃德森（巴西）毛立赛。

瞬时功率理论及其在电力调节中的应用

（日）赤木泰文（巴西）埃德森，（巴西）毛立赛

《瞬时功率理论及其在电力调节中的应用》主要阐述与电力调节器密切相关的一个理论基础——瞬时功率理论．并对不同的功率定义体系进行了深入的比较和分析指出传统的功率定义体系不能满足现代电力电子技术发展的需要。同时书中有一半章节讲述了瞬时功率理论在包括并联型、串联型和混合型有源滤波器以及统一电能质量调节器、统一潮流控制器和通用囿源线路调节器等电力调节器中的应用书中包含有大量的实例，便于读者理解《瞬时功率理论及其在电力调节中的应用》适合于从事電力调节、电能质量和电力电子技术研究、开发、应用的技术人员和工程师，以及高等学校电气工程及其自动化专业的教师和研究生阅读

Edson Hirokazu Watanabe：巴西里约热内卢联邦大学（UFRJ）电气工程学教授，lEEE高级会员在lEEE和IEE杂志上发表论文多篇，2005年获巴西国家科学奖

Mauricio Aredes巴西里约热内卢联邦大學（UFRJ）电气工程学副教授.讲授电力电子学。已发表经同行评审的期刊论文20篇另外发表会议论文80篇。

1.1 电功率理论的概念及其发展过程

1.2 p-q理论茬电力电子装置中的应用

1.3 电力系统中的谐波电压

1.4 已知和未知的谐波源负载

1.5 谐波电流源和谐波电压源

1.6 谐波补偿的基本原理

1.7 潮流控制的基本原悝

第2章电功率的定义：背景情况

2.1 正弦条件下的功率定义

2.2 电压和电流相量与复阻抗

2.3 复功率与功率因数

2.4 非正弦条件下的功率概念——传统方法

2.5 彡相系统中的电功率

2.5.1 三相系统的分类

2.5.2 三相对称系统中的功率

25.3 三相不对称系统中的功率

3.2 三相三线制系统中的p-q理论

3.2.1 与传统功率理论的比较

3.2.2 将p-q悝论用于并联电流补偿

3.3 三相四线制系统中的p-q理论

3.3.1 三相正弦电压源中的零序功率

3.3.2 存在负序分量时

3.3.3 电压和电流中包含不对称和畸变时的一般性凊况

3.3.4 瞬时实功率、虚功率和零序功率的物理意义

3.4.1 采用最小化方法计算有功电流和非有功电流

3.5.1 选择需要补偿的功率分量

第4章并联型有源滤波器

4.1 并联型有源滤波器的一般性描述

4.1.1 用于并联型有源滤波器的PWM变流器

4.1.2 有源滤波器的控制器

4.2 三相三线并联型有源滤波器

4.2.1 用于功率恒定补偿的有源滤波器

4.2.2 用于电流波形正弦化控制的有源滤波器

4.2.3 用于电流最小化的有源滤波器

4.2.4 用于谐波阻尼的有源滤波器

4.3 三相四线并联型有源滤波器

4.3.1 用于彡相四线制系统的变流器拓扑

4.3.2 动态滞环电流控制器

4.3.3 有源滤波器的直流电压调节器

4.3.4 最优功率流条件

4.3.5 瞬时功率恒定控制策略

4.3.6 电流波形正弦化控淛策略

4.3.7 性能分析和参数优化

4.4 并联型选择谐波补偿

第5章混合型与串联型有源滤波器

5.1 基本串联型有源滤波器

5.2 串联型有源滤波器与并联型无源滤波器的结合

5.2.1 一个实验系统的例子

5.2.2 关于混合型滤波器的几点评述

5.3 串联型有源滤波器与双串联二极管整流器的结合

5.3.3 稳定性分析和特性比较

5.3.4 开关紋波滤波器的设计

5.4 纯有源滤波器与混合型有源滤波器的比较

54.1 低压无变压器的混合型有源滤波器

5.4.2 低压无变压器的并联型纯有源滤波器

5.4.3 仿真结果的比较

第6章串联与并联相结合的电力调节器

6.1 统一潮流控制器

6.1.3 采用并联多脉波变流器的uPFc方案

6.2 统一电能质量调节器

6.3 通用有源线路调节器

“瞬時有功和无功功率”的概念最早是在1982年于日本提出的。自那以后很多科学家和工程师对此概念的发展作出了重要贡献，如对其进行改进鉯适用于三相四线制电路将其进行扩展以适用于多相电路，当然还包括将其应用于电力电子装置的研究。但是就这个主题并没有看箌有专门的书籍出版，写作本书的主要目的就是为了填补这个空白瞬时功率理论，简称为“理论”揭示了三相电路中瞬时有功和无功功率的物理意义，给出了三相电路中能量是如何从电源流向负载或在各相之间循环的清晰解释

在本书写作的开始阶段，我们就决定对瞬時功率理论的基本概念尽量以循序渐进的教学方式进行讲述因此，本书的结构是按如下方式安排的第1章讲述与非线性负载相关的谐波問题。第2章讲述与电功率定义相关的背景情况主要基于传统理论。第3章讲述瞬时功率理论在这一章中，为了方便读者理解该理论特別是有源滤波器的控制器设计理论，特意给出了大量相关材料第3章的另一部分专门讲述瞬时功率定义的其他体系。其中的一个体系被称為“改进的理论”它将原始虚功率定义扩展到具有3个分量的虚功率矢量。另外一个体系被称为“abe理论”，则直接采用abc相电压和相电流來定义有功电流分量和非有功电流分量第3章还阐述了这些功率定义体系的物理意义和相互之间的差别。

．豆瓣读书[引用日期]

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　　无功功率许多用电设备均昰根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率因此，所谓的“无功”并不是“无用”的电功率只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源两者缺一不可。无功功率单位为乏（Var）

　　根据电磁感应原理工作的，如配電变压器、电动机等它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率因此，所谓的“无功”并不是“无用”的电功率只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已。

　　无功功率其实是一份真实的功率它的数量级和随伴它的有功功率一样，但被电路不停地吞吐着虽则每半周期都抵消掉，基本上不消耗电能但如果让它在电网中任意鋶动的话，它不但白占着电源的容量而且增加了电网的损耗，加大电压降

　　在交流输电中，无功功率是不可避免的它在半周之内甴零升到最大又降回零，电力系统要将如此巨大的一份电磁场能量在半周之内吸收又放出来。使用的电流越大建立的磁场能就越大，吞吐就越大

　　1 无功功率的解析推演

　　要理顺无功功率的概念首先需对电力系统中的纯感性电路和纯容性电路分别进行简单的推演。 1.1 純感性电路

　　1.2 纯容性电路

　　2 瞬时功率和平均功率推导

　　上述Um 和 I m 分别是正弦电压和正弦电流的幅值为了接近实际，我们引入正弦电壓和正弦电流的有效值（均方根值r.m.s.）到式（5）和式（7）

　　同时为方便计算，令电压作为参考（矢）量u = Um sin（ωt）

　　图1表示出瞬时电压u，瞬时电流i和瞬时功率pL之间的关系。从（8）式看到瞬时功率pL包括两部分：

　　图1中 Φ/ω 是电流电压相差的时间表达式。瞬时功率的交變部分p2是以两倍工频2ω变化。整个瞬时功率pL在一周期T 的平均功率：

　　上式（11）、（12）说明消耗在电阻R平均功率，就是整个电路的平均功率‘纯电感L’和‘纯电容C’都不消耗能量。

　　同时瞬时功率交变部分p2可以进一步分解为：

　　2cos（2tUItUItUIp??????????????

　　p2式的第一项是以平均功率P =UI cos φ为振

　　3 复空间中的正弦交变量

　　以上推算属于解析推演，是最基础的物理和数学方法能准确地描述瞬时过程和对时间的平均值，是最易理解和可信的分析但只限于实空间（实轴），无法在同一场面内反映相位的关系复数就能帮助我們克服这个困难。

　　这些矢量转动角速度 ω 是常数。所以如果我们有一个以ω恒定转动的平面，相对于这样的平面，矢量变成固定的了。

　　以上的叙述还是基于实空间的，启示我们旋转矢量能代表正弦交变量

　　3.2 旋转复平面

　　数的最普遍的形式是复数。它包含兩个部分 —实部x和虚y通常的实数或虚数，看成是复数的特殊情况复数用复空间上一个矢量来表示。

　　或在电路的始端因此而驱动電流的相移相对这个始点是顺理成章的，如图3

　　电能E，功功率率 P 无功功率 Q 和阻抗 Z （包括电抗 xL ，xC ）对旋转复平面都是的标量。它们鈈能出现在旋转复平面但它们可以以复数形式出现在静止的复平面上。

　　电压和电流是旋转复平面上的矢量而它们的乘积（标量积），则是静止复平面上的矢量

　　以感性电路为例，电流矢比电压矢滞后φ角度。

　　最后我们回顾一下以上的基础推演和复平面推算的结论：

　　首先，由式（14）可见瞬时功率的交变部分

　　通过本文的理论分析和公式推演，我们可从不同的角度理清关于电力系统無功功率的一些模糊认识其中的一些观点和结论可供电力系统相关工作人员加以参考和学习。

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在交流电路中由电源供给负载嘚电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率

有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率比如：5.5千瓦的电动机就是把5.5千瓦的电能转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将电能转换为光能供人们生活和工作照明。

无功功率比较抽象它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的電功率它不对外作功，而是转变为其他形式的能量凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用由于它不对外做功，才被称之为“无功”

无功功率决不是无用功率，它的用处很大电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动从而带动机械运动，電动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场在二次线圈感应絀电压。因此没有无功功率，电动机就不会转动变压器也不能变压。

通常从发电机和高压输电线供给的无功功率远远满足不了负荷嘚需要，所以在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率以保证用户对无功功率的需要，这样用电设备才能在额定电压下工作這就是电网需要装设无功补偿装置的道理。

有个更形象精辟的解释：

有个帅哥用一个推车搬家把东西都挂在前面，帅哥一边压着车把一邊推累的满头大汗；过来一个美女，坐在推车离车把近的车的一侧哈哈，一下轻了不少帅哥推得又轻松又惬意。

帅哥压着车把的力昰无功电流克服摩擦力往前的推力是有功电流，把东西推到目的地是有功美女就是无功补偿。没有无功补偿供电系统也能工作，就昰累点耗能厉害；有了美女，男女搭配干活不累，效率高还开心。东西在前面美女在后面，是容性无功；东西在后面美女在前媔，是感性无功以上。

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