瞬時(shí)功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

前言

　　“瞬時(shí)有功和無(wú)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(duì)此概念的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)，如對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)以適用于三相四線(xiàn)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(gè)主題并沒(méi)有看到有專(zhuān)門(mén)的書(shū)籍出版，寫(xiě)作本書(shū)的主要目的就是為了填補(bǔ)這個(gè)空白。瞬時(shí)功率理論，簡(jiǎn)稱(chēng)為“理論”，揭示了三相電路中瞬時(shí)有功和無(wú)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?！　≡诒緯?shū)寫(xiě)作的開(kāi)始階段，我們就決定對(duì)瞬時(shí)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(shū)的結(jié)構(gòu)是按如下方式安排的。第1章講述與非線(xiàn)性負(fù)載相關(guān)的諧波問(wèn)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(shí)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(jì)理論，特意給出了大量相關(guān)材料。第3章的另一部分專(zhuān)門(mén)講述瞬時(shí)功率定義的其他體系。其中的一個(gè)體系被稱(chēng)為“改進(jìn)的理論”，它將原始虛功率定義擴(kuò)展到具有3個(gè)分量的虛功率矢量。另外一個(gè)體系，被稱(chēng)為“abe理論”，則直接采用abc相電壓和相電流來(lái)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?！　〉?章專(zhuān)門(mén)講述并聯(lián)型有源濾波器，包括不同結(jié)構(gòu)的有源濾波器。本章清楚地展示了諸如電容器和電感器等儲(chǔ)能元件是否必需的原因，以及有源濾波器對(duì)這些儲(chǔ)能元件理論上的依賴(lài)程度。這種對(duì)儲(chǔ)能元件必要性的評(píng)估是瞬時(shí)功率理論的一個(gè)強(qiáng)項(xiàng)。第5章講述串聯(lián)型有源濾波器，包括有源和無(wú)源濾波器相結(jié)合的混合型結(jié)構(gòu)?；旌闲徒Y(jié)構(gòu)也許能提供一種解決諧波問(wèn)題的經(jīng)濟(jì)方案，特別是對(duì)于中壓變速驅(qū)動(dòng)裝置?！　〉?章講述串聯(lián)和并聯(lián)電力調(diào)節(jié)器的結(jié)合，包括統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）和屬于柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）。最后，引出了通用有源線(xiàn)路調(diào)節(jié)器（UPLC），它是UPQC和UPFC功能的集成?！　⒗碚撻_(kāi)拓性地應(yīng)用于電力調(diào)節(jié)的例子遍布全書(shū)，它有助于讀者理解瞬時(shí)功率理論的真實(shí)本質(zhì)，以及與傳統(tǒng)理論的根本差別?！　」P者們要感謝來(lái)自很多同事的不同形式的鼓勵(lì)和支持。第一作者要感謝日本Nagaoka.技術(shù)大學(xué)他的前同事A.Nabae教授、已故的I.Takahashi教授。

內(nèi)容概要

　　《瞬時(shí)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(gè)理論基礎(chǔ)——瞬時(shí)功率理論．并對(duì)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(mǎn)足現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展的需要。同時(shí)書(shū)中有一半章節(jié)講述了瞬時(shí)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(xiàn)路調(diào)節(jié)器等電力調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用。書(shū)中包含有大量的實(shí)例，便于讀者理解?！端矔r(shí)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(kāi)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(dòng)化專(zhuān)業(yè)的教師和研究生閱讀。

作者簡(jiǎn)介

　　Hirofumi Akagi（赤木泰文），東京技術(shù)學(xué)院（Tokyo In stitute ofTechnology）電氣工程學(xué)教授，講授電力電子學(xué)。1996年當(dāng)選為IEEE會(huì)士（1EEE Fellow）.1998～1999年被選為I E E E工業(yè)應(yīng)用學(xué)會(huì)和電力電子學(xué)會(huì)的杰出演講者（IEEEDistinguished Lecturer），2001年獲得國(guó)際電力電子學(xué)領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)——IEEE William E.Neweli獎(jiǎng).2004年獲得IEEE工業(yè)應(yīng)用學(xué)會(huì)杰出成就獎(jiǎng)?！　dson Hirokazu Watanabe：巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)（UFRJ）電氣工程學(xué)教授，lEEE高級(jí)會(huì)員，在lEEE和IEE雜志上發(fā)表論文多篇，2005年獲巴西國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)?！　auricio Aredes巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦大學(xué)（UFRJ）電氣工程學(xué)副教授.講授電力電子學(xué)。已發(fā)表經(jīng)同行評(píng)審的期刊論文20篇，另外發(fā)表會(huì)議論文80篇。

書(shū)籍目錄

原書(shū)前言第1章 引言1.1 電功率理論的概念及其發(fā)展過(guò)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?.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(lèi)2.5.2 三相對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)中的功率2，5.3 三相不對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)中的功率2.6 小結(jié)參考文獻(xiàn)第3章 瞬時(shí)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(shí)有功功率3.1.4 p.q理論定義的瞬時(shí)功率3.2 三相三線(xiàn)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(duì)偶p-q理論3.3 三相四線(xiàn)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(shí)3.3.3 電壓和電流中包含不對(duì)稱(chēng)和畸變時(shí)的一般性情況3.3.4 瞬時(shí)實(shí)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(shí)abc理論3.4.1 采用最小化方法計(jì)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?.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(xiàn)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(xiàn)并聯(lián)型有源濾波器4.3.1 用于三相四線(xiàn)制系統(tǒng)的變流器拓?fù)?.3.2 動(dòng)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(shí)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(wú)源濾波器的結(jié)合5.2.1 一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的例子5.2.2 關(guān)于混合型濾波器的幾點(diǎn)評(píng)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(kāi)關(guān)紋波濾波器的設(shè)計(jì)5.3.5 實(shí)驗(yàn)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(wú)變壓器的混合型有源濾波器5.4.2 低壓無(wú)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(jì)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(xiàn)UPQC6.2.3 upcJC與無(wú)源濾波器結(jié)合(混合型uP(2c)6.3 通用有源線(xiàn)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(wèn)題6.4 小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　?。?）變壓器和電動(dòng)機(jī)的過(guò)熱。電壓或電流中的諧波分量在變壓器和電動(dòng)機(jī)的磁心中引起高頻磁通，這樣就產(chǎn)生高的損耗，從而導(dǎo)致這些電氣設(shè)備過(guò)熱。為了克服這個(gè)問(wèn)題，將變壓器或電動(dòng)機(jī)的容量放大5％～10％是很平常的事。　?。?）用于功率因數(shù)校正的電容器過(guò)熱。如果電網(wǎng)電抗與功率因數(shù)校正電容器構(gòu)成的諧振頻率與某個(gè)非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流頻率相同，電容器中將會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流。這可能會(huì)使它過(guò)熱，有可能導(dǎo)致?lián)p壞。　?。?）電壓波形畸變。諧波電流可能會(huì)引起電壓波形畸變，從而干擾其他電子設(shè)備的運(yùn)行。當(dāng)采用整流器時(shí)這是一件常見(jiàn)的事情。整流器電流使電壓波形畸變，出現(xiàn)凹口，從而改變電壓的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻。這會(huì)使整流器本身的控制電路紊亂，也會(huì)使其他設(shè)備的控制電路紊亂?！　。?）電壓閃變。在某些情況下，由非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的諧波頻譜具有低于電網(wǎng)頻率的頻率分量。這些不合需要的頻率分量，特別是8-30Hz頻率范圍內(nèi)的分量，會(huì)在白熾燈中引起閃變效應(yīng)，使人眼會(huì)產(chǎn)生非常不舒服的感覺(jué)。電弧爐是造成此類(lèi)問(wèn)題的一個(gè)主要根源?！　。?）干擾通信系統(tǒng)。非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流會(huì)對(duì)諸如電話(huà)、無(wú)線(xiàn)電、電視等通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾?！　∵^(guò)去，這些問(wèn)題是孤立的并且很少發(fā)生?，F(xiàn)在，隨著電網(wǎng)中非線(xiàn)性負(fù)載數(shù)量的增加，它們已越來(lái)越常見(jiàn)。另一方面，對(duì)高效率和高可靠性系統(tǒng)的需求已迫使研究者尋找解決這些問(wèn)題的方案。在很多情況下，諧波污染是不能容忍的?！　≌绲?章將會(huì)證明的，對(duì)瞬時(shí)實(shí)功率和瞬時(shí)虛功率進(jìn)行定義的理論是一個(gè)靈活的工具，它不但可用于諧波補(bǔ)償，而且可用于無(wú)功功率補(bǔ)償。舉例來(lái)說(shuō)，如果熟悉理論，那么就能更好地理解本章參考文獻(xiàn)[20]所提出的柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）裝置?！　∩鲜龅乃袉?wèn)題激勵(lì)了筆者寫(xiě)作本書(shū)，它將對(duì)消除電力系統(tǒng)的諧波作出貢獻(xiàn)。此外，本書(shū)還將給出一個(gè)理論有意義的應(yīng)用例子，即用于輸電線(xiàn)路的潮流控制。理論也可用于控制接在電網(wǎng)上的變流器，例如用于太陽(yáng)能系統(tǒng)的變流器，并可擴(kuò)展用于其他分布式發(fā)電系統(tǒng)，例如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池。

編輯推薦

　　《瞬時(shí)功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用》深入評(píng)價(jià)了多種功率理論，展示了瞬時(shí)功率理論是理解和設(shè)計(jì)電力調(diào)節(jié)用有源濾波器的重要理論基礎(chǔ)。家用電器和工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的非線(xiàn)性負(fù)載造成了嚴(yán)重的諧波污染，有源濾波器對(duì)減輕諧波污染具有非常重要的作用。作為此新興技術(shù)領(lǐng)域唯一的一本專(zhuān)著.《瞬時(shí)功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用》還展示了瞬時(shí)功率理論如何應(yīng)用于串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合的濾波器以及柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）中?！　　端矔r(shí)功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用》由此領(lǐng)域的世界一流專(zhuān)家所撰寫(xiě)，內(nèi)容包括：　　具有不同結(jié)構(gòu)的并聯(lián)型有源濾波器。　　串聯(lián)型有源濾波器，包括有源和無(wú)源濾波器相結(jié)合的混合型結(jié)構(gòu).　　串聯(lián)和并聯(lián)電力調(diào)節(jié)器的結(jié)合.包括統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）和統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）等。

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