[论文解读] 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 3

一句话总结

本文提出了一种单相系统在非正弦条件下电流物理分量（CPC）功率理论的时域解释。通过使用Iliovici的无功功率积分（定义为电压与电流之间利萨茹李斯环路的面积）将无功电流分解为平均分量和散射分量，实现了精确且可物理测量的功率补偿。其主要贡献是提出一种方法，通过并联补偿器复制与负载相反方向的利萨茹李斯环路，从而完全优化功率因数，优于传统的Budeanu方法。

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.

研究动机与目标

• 解决Budeanu功率模型在非正弦系统中的局限性，其中无功功率与畸变功率无法完全捕捉物理功率现象。
• 发展CPC功率理论的时域解释，将可测量的功率分量与负载网络中物理电流分解相联系。
• 基于Iliovici积分，提出一种具有物理解释意义的无功电流分解方法，将其划分为平均分量与散射分量。
• 通过设计能复制负载利萨茹李斯环路但方向相反的并联补偿器，实现完全的功率因数优化。
• 证明传统并联电容器仅补偿平均无功功率，而无法补偿散射无功功率，因此在非正弦系统中Budeanu方法无法实现功率因数的完全优化。

提出的方法

• 该方法基于电阻与电抗支路中的物理功率分布，将负载电流在时域中分解为有功、散射有功、无功与散射无功分量。
• 采用Iliovici的无功功率积分，定义为电压与电流轨迹形成的利萨茹图形的面积，用于量化平均无功功率。
• 有功电流与散射有功电流由与电压和电流乘积成比例的功率积分推导得出，可通过标准功率测量装置测量。
• 无功电流与散射无功电流由涉及电压与电流时间导数的积分推导得出，可通过改进的功率测量电路测量。
• 该理论基于Tellegen定理，确保各元件间功率守恒，并与保守功率理论（CPT）一致。
• 通过设计并联元件，使其生成与负载环路形状相同但方向相反的利萨茹李斯环路，从而完全抵消无功功率。

实验结果

研究问题

• RQ1 CPC功率理论的时域解释能否为非正弦条件下单相系统中的电流分量提供具有物理解释意义的分解？
• RQ2 Iliovici的无功功率积分（定义为利萨茹环路的面积）是否在非正弦系统中比Budeanu模型更准确且可测量地表示无功功率？
• RQ3 能否通过设计并联补偿器，使其复制与负载相反方向的利萨茹环路，从而完全补偿平均与散射无功功率？
• RQ4 与传统的基于Budeanu的补偿方法相比，该分解方法在谐波畸变存在时如何提升功率因数优化效果？
• RQ5 时域CPC分解与保守功率理论（CPT）之间存在何种关系？该方法是否可推广至非线性与时变负载？

主要发现

• 所提方法将无功电流分解为两个具有物理解释意义的分量：平均无功电流与散射无功电流，二者均可通过功率积分测量。
• Iliovici的无功功率积分（代表利萨茹环路的面积）在正弦系统中等价于标准无功功率，但在非正弦系统中推广为谐波无功功率的平均值。
• 对于非正弦电压下的测试RL电路，功率因数从未补偿时的0.403提升至完全补偿后的0.905，显著优于Budeanu方法。
• 仅使用并联电容器仅能补偿平均无功功率（Q_i），而无法补偿散射无功功率（Q_s），这正是Budeanu方法无法实现功率因数完全优化的原因。
• 完全补偿需要更复杂的并联结构，例如LC滤波器（L_x = 0.922 H，C_x = 0.252 F），可完全抵消Q_i与Q_s，使视在功率从50.309 VA降至22.368 VA。
• 该方法可通过标准功率测量装置物理测量有功与无功功率分量，其中P_n与Q_n分别通过积分∫u_n i_n dt与∫(du_n/dt) i_n dt直接测量。