[科普中国]-瞬时功率

简介

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，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。

在传统的正弦电路中，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。

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。

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、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。

谐波理论不仅具有傅立叶级数的优点(两两正交)，而且在这种谐波理论中，电压总是只含有广义基波，从而保证了电流的有功分量只存在于广义基波中，各次广义谐波都是无功分量。这就把瞬时功率问题与广义谐波理论统一起来。通过广义基波的大小，还可以很容易的看出电压与电流的相似程度1。

单相电路瞬时功率在单相电路中，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。

三相电路瞬时功率在三相电路中，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2。

广义谐波的性质与物理意义广义谐波的性质与物理意义有:

1.广义谐波是对电流进行正交分解，其各次谐波是两两正交的，其基波分量与电压有关。电压总是只含有广义基波，而不含有广义谐波；

2.传统的谐波理论是对电流进行傅立叶分解，与电压无关。在电压畸变的情况下，传统谐波理论对负载线性程度的反映很不直观。而广义谐波理论则可以直观地提供负载的线性程度信息，只要是线性负载，其电流就只含有广义基波，其线性度为1，非线性度为0。这是十分合理的，只要负载上的电流能够线性地实时跟踪加在其上的电压，这就是最理想的负载。在电压为任意波形的情况下，要求负载电流为正弦波形是没有道理的；

3.线性度是指严格意义上的线性，即电压与电流的瞬时值之比保持不变的能力。对于传统提法的理想线性电容、电感元件，其线性指的是其电容值、电感值不随外加电压、电流而改变。在广义谐波体系中，由于其广义基波总是为。其线性度也总是为0，非线性度总是为1；

4.瞬时有功电流与广义基波相等，瞬时无功电流与各广义谐波之和相等。通过广义谐波的定义，可以将无功补偿等同于对广义谐波的补偿3。