這篇文章介紹電力系統運作的基本原理,包括重要參數和物理觀念。


交流電的基本參數

一般電力系統上輸送的電力為交流電。交流電和直流電相同,皆有電壓與電流等參數,所不同的是,其電壓和電流隨著時間,會有明顯的週期性變化。

頻率與相位角

頻率(frequency)是週期性函數的基本參數,描述一函數在固定時間內往返完整週期的次數。正常狀況下,電力系統的頻率為50hz(每秒往返50個週期)或60hz(每秒往返60個週期);不同國家的正常電頻標準不同,但通常都需落在一極小區間中,方能確保合格的電力品質。

同樣頻率和波型的週期性函數,彼此的差距可以相位角(phase angle)表示。相位角反映兩週期性函數「貼合」的程度:當相位角是0的時候,兩週期性函數完全貼合、彼此相等;當相位角是$\pi$的時候,兩週期性函數距離「最遠」。

兩頻率相同的週期性函數,僅會存有相位角的差異。此相位差反映兩函數彼此之間的「距離」。圖片來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phase_shift.svg

兩頻率相同的週期性函數,僅會存有相位角的差異。此相位差反映兩函數彼此之間的「距離」。圖片來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Phase_shift.svg

電壓、電流、和阻抗的複數形式

所有週期性函數中,三角函數最為單純和基本;任何週期性函數皆可以分解成許多三角函數。

由於一餘弦函數可以視為某一複數的實部,交流電中的所有重要參數,包括電壓、電流、以及阻抗,都可以用複數形式表達。

從直流電到交流電的數學(待完成)

有效、無效與視在電力

在交流電中,電力輸出也可以用複數來表達。電力輸出的實部被稱為有效電力(real power),是實際上傳遞給用戶的電功率;電力輸出的虛部則是無效電力(reactive power),是電路中電感和電容不斷吸收/釋放的電功率,用戶無法使用。電力輸出的絕對值被稱為視在電力(apparent power),代表電路中實際上輸送的電功率(在底下討論電網的電力潮流限制時會使用的參數)。有效電力和視在電力的比值被稱為功率因子(capacity factor)。

有效、無效與視在電力的關係。Chapter 7: Active, Reactive, and Apparent Power;Electromechanical Dynamics

有效、無效與視在電力的關係。Chapter 7: Active, Reactive, and Apparent Power;Electromechanical Dynamics

為了在物理限制下盡可能允許最多的電力潮流在電力系統中輸送,我們會希望功率因子越接近1越好。這代表必須盡可能減少電路或負載端的電感(因為大部分的電子元件和線路都是電感性的)。

節點、線路、與克西荷夫電流定律

在電路學常用術語中,線路(line)就是傳送電力的導線,而節點(node)為同時連接至少三條線路之點(在一般的網絡理論中,則以vertice和edge稱呼節點與線路)。線路包括和導線連接的各種阻抗性電子元件,電池、發電機等能在線路中間的電壓源,則以Thevenin-Norton理論求出等效併聯電流源置換。