[論文レビュー] A Novel Time-Domain Perspective of the CPC Power Theory: Single-Phase Systems

Dimitri Jeltsema, J.W. van der Woude+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2014

Microgrid Control and Optimization参考文献 14被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、非正弦波条件下における単相系のCurrents' Physical Components (CPC) 電力理論について、時間領域における新規な解釈を提示する。Ilioviciの無効電力積分（電圧と電流のリサージュ軌跡間の面積として定義される）を用いて無効電流を平均成分と散乱成分に分解することで、物理的に測定可能な電力補償を可能にする。主な貢献は、リサージュ軌跡を逆向きに再現するシャント補償素子を用いることで、従来のBudeanuに基づく手法を上回る完全な力率最適化を実現する手法の開発である。

ABSTRACT

This paper presents a novel time-domain perspective of the Currents' Physical Components (CPC) power theory for single-phase systems operating under nonsinusoidal conditions. The proposed CPC decomposition reveals some appealing physical characteristics of the load current components in terms of measurable powers that are distributed over the branches in the load network. Instrumental in the time-domain equivalent of the reactive current is the concept of Iliovici's reactive power, which is a measure of the area of the loop formed by the Lissajous figure when plotting the current against the voltage. For sinusoidal systems, Iliovici's reactive power integral is included in the IEEE Standards on power definitions. Furthermore, the reactive current is decomposed into two new currents that represent the reactive counterparts of the active and scattered current.

研究の動機と目的

• 非正弦波系において、無効電力と歪み電力が物理的電力現象を完全に捉えていないBudeanuの電力モデルの限界を解消すること。
• 抵抗分路およびリアクタンス分路における物理的電力分布に基づき、負荷ネットワークにおける物理的電流分解に結びつく時間領域におけるCPC電力理論の解釈を確立すること。
• Ilioviciの積分を基盤として、無効電流を平均成分と散乱成分に物理的に意味のある形で分解すること。
• 負荷のリサージュ軌跡と反対向きに同じ形状のリサージュ軌跡を再現する補償素子を設計することで、完全な力率改善を実現すること。
• 従来のシャントコンデンサが非正弦波系においては平均無効電力のみを補償し、散乱無効電力を補償しないことの理由を明らかにすること。

提案手法

• 抵抗分路およびリアクタンス分路における物理的電力分布に基づき、負荷電流を有効電流、散乱有効電流、無効電流、散乱無効電流に時間領域で分解する手法を導入する。
• 電圧と電流のプロットから形成されるリサージュ図形の面積として定義されるIlioviciの無効電力積分を用い、平均無効電力を定量的に評価する。
• 有効電流および散乱有効電流は、電圧および電流の積に比例する電力積分から導出され、標準的な電力測定装置で測定可能である。
• 無効電流および散乱無効電流は、電圧および電流の時間微分を含む積分から導出され、修正された電力測定回路で測定可能である。
• 理論はTellegenの定理に基づき、個々の素子間で電力保存則が保たれることを保証し、Conservative Power Theory (CPT) と整合する。
• 補償は、負荷のリサージュ軌跡と同一形状だが反対向きのリサージュ軌跡を生成するシャント素子を設計することで達成され、無効電力が完全にキャンセルされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間領域におけるCPC電力理論の解釈は、非正弦波条件下における単相系において、物理的に意味のある電流成分に分解可能か？
• RQ2 リサージュ軌跡の面積として定義されるIlioviciの無効電力積分は、非正弦波系においてBudeanuモデルよりもより正確かつ測定可能な無効電力の表現を提供するか？
• RQ3 負荷のリサージュ軌跡と反対向きに同じ形状を再現するシャント補償素子を設計することで、平均および散乱無効電力を完全に補償可能か？
• RQ4 提案手法の分解は、高調波歪みが存在する場合、従来のBudeanuに基づく補償と比較して力率最適化をどのように向上させるか？
• RQ5 時間領域におけるCPC分解とConservative Power Theory (CPT) の関係は何か？また、非線形および時変負荷へも拡張可能か？

主な発見

• 提案手法は、無効電流を物理的に意味のある2つの成分（平均無効電流と散乱無効電流）に分解でき、両者とも電力積分により測定可能である。
• Ilioviciの無効電力積分（リサージュ軌跡の面積として表現される）は正弦波系では標準的無効電力と等価であるが、非正弦波系では高調波無効電力の平均値として一般化される。
• 非正弦波電圧を有するテストRL回路において、力率は補償なしで0.403から完全補償で0.905に向上し、Budeanu法を上回る顕著な改善が確認された。
• シャントコンデンサ単体では平均無効電力（Q_i）のみが補償され、散乱無効電力（Q_s）は補償されないため、Budeanu法では力率最適化が達成できない。
• 完全な補償には、LCフィルタ（L_x = 0.922 H, C_x = 0.252 F）などのより複雑なシャント構成が必要であり、これによりQ_iおよびQ_sが完全にキャンセルされ、視在電力は50.309 VAから22.368 VAに減少した。
• 本手法により、標準的な電力測定装置を用いて有効電力および無効電力成分を物理的に測定可能であり、P_nおよびQ_nはそれぞれ積分∫u_n i_n dtおよび∫(du_n/dt) i_n dtにより直接測定可能である。