功率因数范文
时间：2023-03-21 02:44:47
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篇1
【关键词】功率因数；谐波电流；功率因数校正
Abstract：This paper mainly discuss the produce reason of bad power factor，the harm of bad power factor，the source of harmonic current，the definition and calculate of power factor，the harm of harmonic current to electric net，power factor and higher the power factor’s good results etc.
Key words：power factor；harmonic current；power factor correction
一、不良功率因数的产生原因
开关电源的输入端通常采用如图1所示的由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路，220V交流输入市电整流后直接接电容器滤波，以得到波形较为平滑的直流电压。
但是由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，虽然交流输入市电电压的波形Vi是正弦的，但是整流元件的导通角不足180o，一般只有60°左右，导致输入交流电流波形严重畸变，呈图1所示的脉冲状。由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路主要存在如下的问题[1]。
（一）启动时产生很大的冲击电流，约为正常工作电流的十几倍至数十倍。
（二）正常工作时，由于整流二极管的导通角很小，形成一个高幅度的窄脉冲，电流波峰因数（CF）高、电流总谐波失真（THD）通常超过100%，同时引起电网电压波形的畸变。
（三）功率因数（PF）低，一般在0.5～0.6左右。
脉冲状的输入电流含有大量的谐波成份，但是交流输入电流中只有基波电流才做功，其余各次谐波成份不做功，即各次谐波成份的平均功率为零，但是大量的谐波电流成份会使电路的谐波噪声增加，需在整流电路的输入端增加滤波器，滤波器即贵、体积和重量又大。同时大量谐波电流成份倒流入电网，会造成电网的谐波“污染”。一则产生“二次效应”，即谐波电流流过线路阻抗造成谐波电压降，谐波电压降反过来又会使电网电压波形（原来是正弦波）发生畸变，二则会造成输入电流有效值加大，使线路和变压器过热，同时谐波电流还会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过电流而发生爆炸。对三相交流供电，由于大量的谐波电流成份还会使中线电位偏移，中线电流过电流而发生故障等。感性负载或容性负载都会使交流输入电压、电流产生附加相移，使线路功率因数降低，电能利用率降低；非电阻性负载还会产生严重的谐波失真，对电网造成干扰。
虽然输入的电压波形为正弦波，但是输入的电流波形为非正弦波，呈现脉冲状，其电流脉冲的持续时间只有交流输入电流周期的10%～20%。
由于在由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路中电流的升降速度比输入电压的升降速度快，并且输入电流的不连续性，所以产生了一系列如图2所示的奇次谐波[3]，导致供电线路功率因数降低至0.6～0.7左右，所以线路不良功率因数主要来源于输入电流波形的畸变。
从图2可以看出，偶次谐波电流成份的幅度很小，这是由于正弦波的正负半波对称，偶次谐波电流成份几乎被抵消了，只剩下了奇次谐波电流成份的原因。在图2中假定基波电流成份的幅度为100%，其它谐波电流成份的幅度被表示成了它占基波电流成份的百分比数。
二、功率因数PF的定义
功率因数PF的定义如公式（1）所示。
（1）
三、理想正弦波的讨论
在这种情况下假定输入的电流和电压波形均为正弦波形，对输入电流和电压波形的相位移定义为，这可以用矢量图3表示[1]。
对正弦交流输入市电，交流输入电流无波形失真时电路的功率因数可以用公式（2）表示。
（2）
四、非理想正弦电流波形
假定输入交流市电电压波形为理想正弦波，有效值可以用公式（3）表示。
（3）
如果输入电流为非正弦的周期电流波，通过傅立叶级数变换有公式（4）成立。
（4）
式中I0为直流电流成分，I1RMS为基波电流有效值成分，I2RMS-InRMS为2～n次正弦谐波电流有效值成分，对正弦交流电而言，I0=0，而基波电流I1RMS由不同相位的I1RMSP和90°相位差的基波电流成份I1RMSQ构成。所以，交流总输入电流的有效值可以利用公式（5）表示。
（5）
有功功率可以用公式（6）表示。
（6）
由于表示交流输入电压与交流输入基波电流之间的相位移，即：
有公式（7）成立。
（7）
这样有公式（8）和公式（9）成立。
（8）
（9）
功率因数可以利用公式（10）表示。
（10）
可以利用系数k表示，有公式（11）成立。
（11）
k表示谐波电流波形失真因数，系数k是一个和电流谐波成份有关的系数，如果交流输入电流2次以上的谐波电流成份为0，有系数k=1。如果谐波电流波形失真用一个相位角θ有关的参数表示表示，有公式（12）成立。
（12）
这样，功率因数PF和几波电压和基波电流相位移角、谐波电流波形失真等有关功率成份之间的关系可以利用图4表示。
在图4中，表示基波电流和电压之间的相位差，θ表示和谐波电流有关的失真角，无功功率Q和失真功率D均会使输入同样有功功率的情况下输入更大的交流电流有效值，从而产生额外的功耗，降低供电回路的供电效率。可见，可以通过以下途径提高电路的功率因数PF。
（一）01降低I1RMS和V之间的相位移；
（二）θ01降低交流输入电流IRMS总的谐波电流成份。
五、谐波电流的主要来源
通过分析发现产生谐波电流的主要来源有以下几种[2]。
（一）开关电源；
（二）调光装置；
（三）电流调节装置；
（四）频率变换器；
（五）脉冲宽度调制的电源变换器；
（六）低功率灯；
（七）电弧炉；
（八）电焊机；
（九）由于磁芯饱和而导致不规则磁化电流的感应电动机；
（十）由于开关装置与/或具有非线性V/I特性的负载等。
六、谐波电流对电网的危害
脉冲状的交流输入电流波形中含有大量的谐波电流成分，大量的谐波电流倒流入电网会对电网造成“污染”，供电电网中的谐波电流会对电网产生以下不利影响。
（一）谐波电流的“二次效应”，即谐波电流流过线路阻抗而造成的谐波电压降反过来会使电网电压波形（原来是正弦波）发生畸变。
（二）过大的谐波电流会引起供电线路故障，从而损坏用电设备。例如过大的谐波电流会使线路和配电设备过热，谐波电流还会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过电流、过热而导致电容器损坏。
（三）在三相四线制电路中，三次谐波在中线中的电流同相位，导致合成中线电流很大，有可能超过相线电流，中线又无保护装置，使中线因过电流而导致中线过热引起火灾，并损坏电气设备。
（四）谐波电流对自身及同一系统中的其他电子设备会产生恶劣的影响，例如会引起电子设备的误动作和电子设备的故障等。
由于目前开关电源得到了广泛的应用，由此产生的输入电流高次谐波成分的问题不容忽视，因此功率因数校正技术的应用显得十分迫切。
七、功率因数校正的常用方法
常用功率因数校正电路按工作原理划分主要有以下2类。
（一）无源功率因数校正电路
无源功率因数校正电路利用电感和电容等元器件组成滤波器，将输入电流波形进行相移和整形，采用这种方法可使功率因数（PF）达0.9以上。优点是电路简单，适用于小功率应用场合。缺点是在某频率点可能产生谐振而损坏用电设备。
（二）有源功率因数校正电路
有源功率因数校正电路的基本工作原理是利用控制电路强迫输入交流电流波形跟踪输入交流电压波形而实现交流输入电流正弦化，并与交流输入电压同步。其中关键电路是乘法器和除法器，有源功率因数校正电路的特点是：
1.功率因数高，PF可达0.99以上；
2.总谐波失真低，THD
3.交流输入电压范围宽，交流输入电压范围可达90～270VAC；
4.输出电压稳定；
5.所需磁元件小。
有源功率因数校正电路的缺点是电路比较复杂，由于有源功率因数校正电路的引入，降低了电路的总体工作效率，并且电磁辐射干扰（EMI）较大。
八、提高电源功率因数的意义
（一）用户和供电部门都会从高功率因数中获益
例如，功率因数为1的220V标准交流市电供电，在降低至最低85V时需为负载提供15A的有功供电电流，当电路的功率因数降低至0.6时只能为负载提供9A的有功供电电流。例如，同样一个壁式电源插座，功率因数为1时可为4台功率为280W的电器设备供电，当功率因数为0.6时仅可以为2台功率为280W的电器设备供电。功率因数低意味在为负载提供同等功率的情况下要提供更大的电流，因而供电线路的损耗要加大，并且供电线路导线的线径也要加大，使供电线路的供电效率降低，而需多提供的功率和谐波电流成份有关。同时由于交流输入电流的波形失真而引入的谐波电流还会致使交流市电过零检测电路不能正常工作，在零线产生过电流和过电压。
目前在欧盟和美国已对电器设备的功率因数这个技术指标提出了严格要求，规定在欧盟销售的功率大于75W的电器设备，要求它们的功率因数技术指标应满足欧洲技术标准EN61000-3-2（IEC61000-3-2）的要求，否则不能进入欧洲市场，同样在美国也做出了类似的技术要求。在EN61000-3-2
（IEC61000-3-2）中对用电设备的供电输入高至39次的谐波电流幅度做出了限制要求，所以，今后的电子产品如不能满足有关功率因数技术指标要求则不能进入国际市场[2]。
（二）下游变换器的元器件成本降低
在同等输出功率的情况下如果采用了PFC电路，对下游变换器的功率开关管的技术要求也要低些，例如对下游变换器功率开关管的导通电阻的要求就可以低些。同时，采用PFC电路后下游变换器的功率变压器的体积可以小些，导线线径也可以小些，采用有源PFC电路后由于稳压范围宽（85VAC～265VAC），所以也可以省掉110/220VAC的电源选择开关，也可以在不加大滤波电容器容量的情况下提高供电电路的保持时间。
（三）有源功率因数校正电路对电网的影响
当然功率因数校正电路会产生一些对电网的高频谐波干扰，对这些高频谐波干扰需设计专门的EMI和RFI滤波器（如图5所示）加以滤除[4]，图5表示采用了有源功率因数校正和没有采用功率因数的电路对比，实用中需根据具体技术要求选用PFC电路结构和相应的工作模式。
九、结论
由于对电网供电质量要求越来越高，在设计开关电源时需考虑IEC 555-2和IEC61000-3-2标准的有关技术要求，采用功率因数校正技术的开关电源可以很好的改善开关电源的技术性能，同时采用有源功率因数校正后，开关电源的供电直流电压更为稳定，还可以省掉110/220VAC交流输入市电电压选择开关。
参考文献
[1]L.Wuidart.Application note understanding power factor[Z].AN824/1003,2003,.
[2]路秋生.功率因数校正技术与应用[M].机械工业出版社,ISBN7-111-18381-9,2006,02:1-10.
[3]AND8147/D An Innovation Approach to Achieving Single Stage APFC and Step-down Conversion for Distributive Systems On Semiconductor.
[4]AND8124/D 90W,Universal Input,Single Stage,APFC Converter On Semiconductor.
作者简介：
篇2
【关键词】功率因数；节约电能；供电质量
功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中，我们所希望的是功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。用户功率因数的高低，对于电力系统发、供、用电设备的充分利用，有着显著的影响。适当提高用户的功率因数，不但可以充分地发挥发、供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以提高用户用电设备的工作效率和为用户本身节约电能。因此，对于全国广大供电企业、特别是对现阶段全国性的一些改造后的农村电网来说，若能有效地搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，改善提高用户功率因数，而且能够有效地降低电能损失，减少用户电费。其社会效益及经济效益都会是非常显著的。
一、影响功率因数的主要因素
首先我们来了解功率因数产生的主要原因。功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。当有功功率P有一定时，如减少无功功率P无，则功率因数便能够提高。在极端情况下，当P无=0时，则其功率因素=1。因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。影响功率因素主要是下面几个方面。
（一）异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备
异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成的。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。
（二）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响
当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
（三）电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响
我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。
二、低压网无功补偿的一般方法
低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。
1.随机补偿
随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补偿磁无功为主，此种方式可较好地限制农网无功峰荷。
随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等特点。
2.随器补偿
随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。
随器补偿的优点是：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
3.跟踪补偿
跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
跟踪补偿的优点是：运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。
三、采取适当措施，设法提高系统自然功率因数
提高自然功率因数是在不添置任何补偿设备，采用降低各用电设备所需的无功功率减少负载取用无功来提高工矿企业功率因数的方法，它不需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。下面将对提高自然功率因数的措施作一些简要的介绍。
1.合理使用电动机（下转第122页）
（上接第199页）
合理选用电动机的型号、规格和容量，使其接近满载运行。在选择电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电器指标。若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确地合理地选择电动机的容量。
2.提高异步电动机的检修质量
实验表明，异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。
3.采用同步电动机或异步电动机同步运行提高功率因数
由电机原理知道，同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功取决于转子中的励磁电流大小，在欠激状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过激状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过激状态，就可以使同步电机向电网“送出”无功功率，减少电网输送给工矿企业的无功功率，从而提高了工矿企业的功率因数。异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行，这就是“异步电动机同步化”。因而只要调节电机的直流励磁电流，使其呈过激状态，即能向电网输出无功，从而达到提高低压网功率因数的目的。
4.合理选择配变容量，改善配变的运行方式
对负载率比较低的配变，一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。
通过以上一些提高加权平均功率因数和自然功率因数的叙述，或许我们已经对“功率因数”这个简单的电力术语有了更深的了解和认识。
【参考文献】
篇3
关键词：自然功率；输电线路；无功功率；功率因数；无功补偿
中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）11-0180-03
当电能沿供电系统中的导线输送时，既有有功也有无功存在，在长距离输电线路中，线路越长无功损耗越不能忽略，特别是负荷较小、线路较长时，线路呈现容性，较大的无功对功率因数的影响就凸显出来。本文结合实际从线路长度、电量情况对功率因数的影响进行了分析，并查找原因，研究降低线路容性无功、提高用户功率因数的措施。
1 功率因数与自然功率的研究
1.1 功率因数
功率因数是衡量供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个重要电气参数，是有功功率和视在功率的比值，表示用电设备（供电设备、配电设备，等等，均看作广义用电设备）的用电效率。
功率因数的大小与电路的负荷性质有关，电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感或电容性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据，是反映电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。
功率因数的三种计算方法：
（1）瞬时功率因数：是针对某一时刻的功率因数；按下式计算：
（2）平均功率因数：指某一规定时间内功率因数的平均值，亦称加权平均功率因数，由消耗的有功电能及无功电能得出的，按下式计算：
供电企业每月向用户计收电费，平均功率因数低于规定标准时，要增收一定比例的电费；而高于规定标准时，可适当减收一定比例的电费，标准按《供电营业规则》的规定执行。比如实际运行中供电公司对神华准池铁路的4个牵引变电站功率因数调整电费的考核标准为0.9，当平均功率因数低于0.9时，供电公司对准池公司要增收一定比例的电费，即接受不同程度的罚款，对铁路的运行成本有非常大的影响，准池铁路有3个变电站供电公司的计量在其出口变电站，功率因数考核也以此为准。
（3）最大荷时的功率因数：指在年最大负荷时的功率因数，按cosφ=P/S计算。
《供电营业规则》规定“除电网有特殊要求的用户外，用户在当地供电企业规定的电网高峰负荷时的功率因数，应达到下列规定：100千伏安及以上高压供电的用户功率因数为0.90以上。其他电力用户和大、中型电力排灌站、趸购转售电企业，功率因数为0.85以上。农业用电，功率因数为0.80。”
1.2 自然功率
通电中的高压输电线路既能产生无功功率（由于分布电容）又消耗无功功率（由于串联阻抗），当线路输送有功功率达到某个值的时候，此时线路消耗和产生的无功正好平衡，此时输送的功率就称为自然功率。
当线路输送自然功率时，由于线路对地电容产生的无功与线路电抗消耗的无功相等，因此送电端和受电端的功率因数一致；在高压输电时，当输送功率低于自然功率时，由于充电功率大于线路消耗无功，即感性无功小于容性无功，必然导致线路末端电压升高；相反，当线路输送功率大于自然功率，由于无功不足，需要额外的无功补偿，在没有无功补偿的情况下，线路电压末端就会下降。所以，线路在输送自然功率的时候，经济性最好、最合理。
2 功率因数低对电网和用户的危害
2.1 增加了供电线路的功率损失，降低输电效率
在电力系统中，当电源U是负载端电压的有效值时，负载吸收的有功功率为P=UIcosφ，则负载上的电流I=P/（Ucosφ），由此可以看出在传输同样有功功率时，如果负载cosφ较低，则线路中的电流I会增大；而输电线路的损耗为P1=I2R，即电流I增大引起线路损耗增大，所以降低了输电效率。因此当U和P不变时，提高功率因数cosφ会降低输电线上的损耗，减少系统的运行成本。
2.2 增加供电线路的电压损失，造成电压波动，影响供电质量
前面已经说过功率因数越低，线路上的电流I越大，正比于系统中流过电流的电压损失增加，使线路电压降低。若电压损失过大，电网末端就会长期处于低电压运行状态，引起变压器过负荷、电动机过热、日光灯不能启动、电灯昏暗等后果，从而影响电压质量，对生产和生活造成很大的影响。
2.3 降低发、供、用电设备的有效利用率
由功率因数表达式cosΦ=P/可知，在输出的功率一定的情况下，功率因数低，无功功率大，有功输出也降低，有用的功减少了，发、供、用电设备的有效利用率就降低了。
2.4 增加了供电企业和用户电力设备的投资成本
对于电力企业而言，功率因数较低时，线路中的电流增大，线路损耗增大，为尽量减小输电线路上的功率损耗，往往增加导线截面积，同时由于总电流增加，使得供电系统中的测量仪表等规格尺寸增大，因此加大了投资。
对于用户而言，由功率因数表达式可以看出，有功功率P一定时，功率因数低，无功功率增加，导致视在功率S增加，为满足有功负荷用电需要，增加了所需变压器的容量，增加了用户投资和损耗。
比如一台额定电压10kV的变压器，额定电流是46A，当变压器在功率因数等于0.7时可带有功负荷：
P=cosΦ
=1.732*10*46*0.7
=557.7KW
当功率因数由0.7提高到0.9时变压器可带的有功负荷由上面的公式计算得717KW。
可见，功率因数高，同等需用变压器容量所带的有功负荷就大，节约了用户投资。
2.5 功率因数低于标准用户增加调整电费支出
前面提到用户的平均功率因数将依据《供电营业规则》实行功率因数调整电费，达不到规定标准时，则需要多收电费，而高于规定标准，可相应地减少电费。
3 影响功率因数的因素
（1）对于用户来说大量的电感性设备，如异步电动机、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60%～70%；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60%～70%。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。
（2）变压器运行不合理是功率因数降低的重要原因。变压器的空载无功功率占无功功率的80%左右，变压器消耗无功的主要成份就是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。
（3）供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右，当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使功率因数有所提高，但供电电压降低会影响电气设备的正常工作，因此，应当采取必要措施使供电电压尽可能保持稳定。
（4）输电线路无功对系统功率因数也有非常大的影响。由于各类因素的存在，用户的负荷是不固定的，特别是像牵引电气化铁路这样的负荷波动更大。
110KV线路感性无功功率为：Ql=I2XlL
110KV线路容性无功功率为：Qc=U2B=U2ClωL
由上面的式子可以看出，感性无功与负荷大小有直接关系，而容性无功与负荷大小关系不大，只是由线路的长度和电压确定，趋于一个稳定的数值。
在实际的输电线路中感性无功与容性无功功率相比，数值很小，而线路容性无功负荷对功率因数起到了至关重要的作用。以准池铁路2017年2月份和3月份统计的高家堡变电所各项数据为例进行分析，具体计量电度如下表1所示。
高家堡变电所110KV电源线有两条，分别是向高线，长度27.49公里；玉高线，长度10.37公里。2017年2月份向高线带高家堡变电所，玉高线带电热备用，在上游变电站计量到的无功功率为：向高线1168200Kvar，玉高线920700Kvar，合计2088900Kvar，力率调整电费罚款3万元。
2017年3月份玉高线带高家堡沟变电所，向高线带电热备用，在上游变电站计量到的无功功率为：向高线1023000Kvar，玉高线491700Kvar，合计1514700Kvar，力率调整电费奖励0.4万元。
变电站一主一备的两条电源线，热备用一般都是电送到用户变电站入口隔离开关的电源侧，因此对于变电所内集中动态无功补偿来说，对热备用线路的补偿无能为力。通过上两表可以看出，上下游统计的有功功率变化不大，而无功功率相差非常大。因上游变电站计算功率因数时，有功功率、无功功率均是两条电源线的和，由上表可以看出向高线（长线路）带负荷时上游变电站整体功率因数比玉高线（短线路）带负荷时高，因下游变电站及所带负荷的感性设备可以消耗掉一部分线路容性无功，即设备负荷大于容性无功负荷，力率调整电费罚款才会有所下降。
4 提高功率因数的方法及措施
提高功率因数的方法主要有两种：一是提高自然功率因数，减少用电设备对无功的需要，二是采用人工无功补偿，在用电设备处或线路上安装能够提供无功电力的设备，使无功功率就地得到补偿，以减少线路中的无功输送。
4.1 提高自然功率因数
（1）合理选则和使用电动机。应保证电动机在75%以上的负荷状态下运行，尽量减小备用容量。
（2）合理配置、使用变压器，恰当地选择其容量。低损耗的变压器最佳负载率为50%，运行中要均衡变压器负荷，及时切除空载变压器，减少变压器的空载损失，使其负载率提高到最佳值。
（3）改变电动机接线降压运行。
4.2 加装并联电容器进行用户的无功功率就地补偿
（1）供电系统的用户端由于有大量的感应电动机、变压器、电焊机等感应负载，特别是大功率电力电子拖动设备的应用，使得功率因数降低。把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而当感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿。
（2）电容器补偿的一般原则和补偿方法。无功电力应就地平衡，按照电压等级进行逐级补偿。对于用电负荷比较集中而补偿容量较大的用户，可以采用高、低压混合补偿的方式进行补偿。对于容量较大，负荷平稳且经常使用的用电设备的无功功率，单独就地补偿。补偿基本无功的电容器组宜在变配电所内集中补偿。目前，普遍采用可控硅动态无功补偿装置，根据用户端的无功是过补偿还是欠补偿，由可控硅调节励磁电抗器的感性负荷投入和退出的比例，从而使功率因数保持在要求的水平上。
4.3 采用同步调相机
同步调相机实际上就是一个大容量的空载运行的同步电动机，在过励磁时，它相当一个无功发电机。由于同步调相机投资高，有功功率损耗大（比电容器大5～10倍），运行、维护管理都较复杂，工矿企业很少采用。
4.4 降低线路容性无功对功率因数的影响
（1）在线路中并联电抗器进行无功补偿。当线路空载且长距离敷设时，在架空地线分布电容的影响下，线路电抗呈现容性，采用全电缆敷设的线路尤为严重。从本文第3节第4条的分析可以看出，线路的无功功率对系统的整体功率因数影响巨大。因此，常采用在长距离输电线路或电缆线路上并联安装电抗器进行无功补偿。在实际应用中，因为电压等级越高，成本越高，维护难度越大，因此我们经常能看到10KV线路安装电抗器的较多，而110KV以上线路较少。
（2）降低电压运行。因为容性无功与电压的平方成正比。有条件的情况下，若能使电压降在允许范围内，则可以采用降压运行方式。
（3）改变供电方式。从分析可以看出，输电线路越长容性无功越大，因此在实际的运行中，对于有两条电源线的用户来说，尽量使用长的线路带负荷运行，这样用户的感性无功可以平衡掉一部分线路产生的容性无功，从而使功率因数有所提高。
（4）合理调整利用厂内无功补偿设备，无功补偿装置就地补偿，补偿数值综合考虑用户端厂内设备和供电端输电线路损耗的影响。
（5）由于电力电缆的相间距离更小，因此电缆线路的电容比架空线路大的多，在设计时根据变电站的位置，应尽量减少输电线路及电缆的长度，避免传送更多的容性无功功率。
5 结语
本文通过对供电系统的功率损耗的介绍，自然功率和功率因数研究，影响功率因数因素的分析，提出提高功率因数的方法和措施。研究中以实际用户运行数据为依据，通过对不同时期上下游变电站统计的有功功率、无功功率及功率因数进行理论数值计算和实际分析，着重阐述了输电线路的自然功率和容性无功功率与用户功率因数不可忽视的关系。在实际运行中要保证用电设备始终经济运行，功率因数达到考核标准，避免不必要的经济损失，需要在不同的生产状态下采取相应的措施，以使功率因数达到最优。
对于供电企业与电力用户来说节能降耗都是有利于企业经济发展的，将电力损耗控制在合理范围内，提高功率因数，加强无功功率的管理，是一项双赢的工作。因此，我们在平时工作中必须加深各类无功补偿原因分析和解决措施的理解，不断深入的研究，采取更加有效的办法和措施，研究线路无功采取用户端就地高压补偿的方法，达到不但能补偿下游变电站本身产生的感性无功，也能补偿线路产生的容性无功的目的。通过对系统进行综合分析，加强过补偿和欠补偿的测试，结合提高功率因数的方法确定合理的系统补偿方案，从而保证用电设备经济、安全、可靠的运行。
参考文献
篇4
【关键词】功率因数；电路基础；工程应用
1.功率因数的基本理论
企业中的用电设备，大部分都是用电磁感应原理来进行工作：比如电力变压器、电焊机和感应电动机就是用电磁感应的原理而实现的。这样的用电设备必须从电网上吸收两种能量，一部分能量用于做功，转化为机械能、热能、化学能及光能等能量形式，这部分能量用于生产和生活所需，即有功功率；另一部分能量用来产生交变磁场，是依靠磁场来传送和转换能量，这种转换只在电源和用电设备之间进行，不对外输出能量，即无功功率。有功功率与无功功率都是电能的应用所必需的。若有功功率不足，则不能满足用电负荷的需要，且电网质量变坏，威胁发电厂的安全；若无功功率不足，电网质量同样变坏，电网电压降低，用电设备电流上升，电机过流、发热，导致用电设备的绝缘损坏，甚至烧毁。
平均功率P可反映电路网络实际吸收的有功功率，根据定义，平均功率为：。它不仅与电压、电流的有效值有关，而且还与电压、电流的相位差有关。称为电路的功率因数，又称为功率因数角。一方面电路的功率因数直接影响发电设备的利用率，另一方面当输送相同的功率时，功率因数低，则电流大，流过电路时造成的损耗就大。为提高发电设备的利用率和降低输电线上的损耗，需要提高功率因数[1]。
图1 并联电容进行功率因数补偿的
电路图及相量图
在交流电路中，纯电阻负载中电流IR与电压U同相位，纯电感负载中电流IL滞后电压90°，而纯电容负载中电流IC超前电压90°。电力系统中的负载多是感性负载（电感性和电阻性），因此总电流I滞后于电压U一个小于90°的功率因数角。为了提高功率因数，一般在感性负载上并联电容器，如图1所示，其目的是让电容的电流抵消部分电感电流，使电流I减小到I′，在提高功率因数、降低线路损耗的同时，又不会影响原感性负载的工作状态。
工业企业电力系统常用的电容器补偿方式有三种：集中补偿、分组补偿和个别补偿。企业电力系统的补偿方式的选择，要视企业的具体情况而确定。例如，从无功就地平衡来说，个别补偿效果最好（个别补偿应用于大容量、长期稳定运行、无功功率需要较大的用电设备，或者距电源较远，不便于实现分组补偿的场合，这种方式可以减少配线电流、导线截面及配电变压器的容量）。不论采用什么样的补偿方式，补偿电容的容量必须选择适当，而这一切都是为了提高交流电力系统的功率因数。功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标。
2.提高功率因数电容值的两种算法
电路如图1所示，现假设负载的功率P、端电压U及功率因数均已知，此外电源的角频率也已知，现将电路的功率因数提高到，求需并联多大的电容C。
（1）利用相量图计算 [2]
以端电压为参考相量画出电路的相量图如图2所示。其中，为负载所在支路的电流，为电容所在支路的电流，为并联电容后电路的总电流。在相量图中，将负载所在支路的电流作水平和垂直的分解，得到两个分量和。其中，由于和电压同相位，两者的有效值相乘后得到电路的有功功率，因此，称为电流的有功分量。而由于和电压相位差为90°，两者有效值相乘后得到电路的无功功率，因此，称为电流的无功分量。然后再将并联电容后的总电流作同样的分解，得到两个分量和。从相量图中可以看到：并联电容前后电路的有功功率没有发生变化，但无功功率发生了变化。
图2 用相量图法求解并联电容容值
由此可得如下方程组：
解方程组即可求出补偿电容值：
（2）利用功率三角形计算
图3 功率三角形
电容为储能元件，本身不消耗能量，但是要与外界发生能量的交换。因此，并联电容后电路的有功功率不发生改变，而无功功率改变。由于电容和电感两个元件的性质相反，在感性负载两侧并联电容后电路的无功功率会减小。
由此可画出电路在并联电容前后的功率三角形，如图3所示。其中，P、Q、S为并联电容前后电路的有功、无功和视在功率，QC为电容的无功功率。从功率三角形可看出，并联电容前后电路的无功功率的变化量即为电容的无功功率。由此可列出如下方程组：
解方程组即可求出补偿电容值：
（3）结论
从以上两种计算方法可以看出：第一种方法根据相量图进行计算，思路清楚，无需知道电路的能量转换情况，但涉及数学知识多，求解过程麻烦。第二种方法根据电路的能量转换情况求解，涉及数学知识少，计算简单快捷，但需知道电路的能量转换情况。教学中可根据具体情况选择求解方案。
3.应用举例
一台132kW的电机，用150mm2的塑料铜芯电缆供电运行电缆温度正常，后来在这根电缆上再增加一台30kW的电机后，电缆的温度很高，不能持续运行，现试并接50kvar的电容器。问题是：并接电容器之前功率因数是多少？并接电容器之后的功率因数又是多少？现在的有功功率是多少？我们投、切电容器，测出电容器投入时电缆的负载电流为250A，电容器切出后为300A，实测电容器电流为76A。根据之前推导结果代入可得：P=135kW，，。可知：虽然投入使用的电机总容量为132kW+30kW=162kW，但实际有功功率为135kW；增投电容器进行无功补偿之后，功率因数由0.687提高到0.824，使电缆的负载电流由300A降低到250A，这根电缆虽然增加了30kW的负载，但电流并未增加仍可安全运行。
根据电力部门的要求，功率因数应该等于0.95时为最佳。按照135kW的有功功率，功率因数在提高到0.95计算，此时电缆电流降低到216A。即在功率因数由0.824提高至0.95后，在有功功率不变的情况下，电缆电流由原来的250A降低到216A。
4.结束语
功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标。提高功率因数便提高了电源设备的供电能力，减小了供电线路的电能损耗，本文根据电路基础的基本理论，探讨了功率因数的测量和计算，提高功率因数的方法，并联电容器提高功率因数时电容值的两种算法以及在生产实际中的应用。
参考文献
[1]王松林,吴大正,李小平,等.电路基础(第三版)[M].西安:电子科技大学出版社,2008.
[2]杜瑞红.采用并联电容器提高功率因数的算法[J].中国电力教育,2010:263-268.
[3]陈俊章.用测电流法计算功率因数及其应用[J].电子报,2008:571.
作者简介：
陈姝（1983—），女，硕士研究生，讲师，主要研究方向：电路与系统。
篇5
关键词：功率的因数；无功补偿；节省电量
中图分类号：TM714.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0107-02
在农村地区分布的电网，电量的负载荷主要在生活照明、以及较小的工厂方面使用，这些用功消耗大都为感性的负载荷，用的功率都很小，但相对与电网的成本投入比较，是不经济的。面对这些问题，应该增加无功补偿器，这样可以提高整个电网的功率以及效率，最终能够节省电力资源，还能减少电量的损失。
1 提升功率的因数
①通过改善功率的因素变化曲线，减少电力设备的使用，例如：电线、变压器等。这样可以减少电网的投资成本，节省电力的资源。
②藉由良好功因值的确保，减低电网中的电源浪费，而且能使整个电网的负载降低，升高电力的质量。如110 kV以下的线路，其电压损失可近似为：U （PRQX）/Ue，其中，U为线路的电压损失，kV；Ue为线路的额定电压，kV；P为线路输送的有功功率，kW；Q为线路输送的无功功率，kvar；R为线路电阻；X为线路电抗。
由上式可见，当用户功率因数提高以后，它向电力系统吸取的无功功率就要减少，因此电压损失也要减少，从而改善了用户的电压质量。
③能够增加电网系统的涨幅度，尽力挖掘各个设备的能力。在现有的设备中，添设了电容器，就可以提升因数，进一步提升负载荷的容量。
2 功率因数与无功功率的关系
在交流电路中，电压与电流之间的相位差（φ）的余弦叫做功率因素（Power Factor），用符号cos表示，在数值上，功率的因数曲线图是为了显示有功消耗、以及视在消耗的功率的关联，cosφ呈现出来为：
cosφ=p/s（1）
电力设备的需要的功率中，有功以及无功的关联显示为：
Q=S×sinφ（2）
综上式（1）、（2）得出：
Q=P×tgφ（3）
得出功率的因数由cosφ1变化至cosφ2，所要无功补偿的容量是：
Qc=P（tgφ1-tgφ2）（4）
式中，P为用电设施的有用功功率，kW；Q表示用电设施在不变的功率因数时所需求无功功率，kvar；Qc当功率因数从cosφ1上升到cosφ2时那么无功的补偿容量也要增加，kvar；补偿前的功率的因数角用φ1表示，φ2则表示补偿以后的因数角。
在式（4）中可以得出要想使功率因数变大，一定要使无功功率变小并且把补偿设备的数量变大从静电容器的特点出发，因其具有轻便、易安装、能量损失少、维护方便并且可以自动投切等优点。所以目前大部分采用的都是通过静电容器来使功率因数变大的方法。
3 变压器的功率因数和有功功率损耗的关系
变压器在工作时，在提供额定的有功功率的情况下，变压器的铜损消耗掉的电能和其载荷的视在功率的二次方存在着成反比的关系表示如下：
s=p/cosφ（5）
功率因数变大前其铜损耗的表示：
Pt1=（S1/Se）2Pk=[P/（Secosφ1）]2Pk（6）
功率因数变大后其铜损耗的表示：
Pt2=（S2/Se）2Pk=[P/（Secosφ2）]2Pk（7）
式中，S代表变压器的对外提供的视在功率，kVA；增大功率因数的前后其视在功率分别用S1和S2表示，kVA；P表示变压器提供的有功功率，kW；变压器的额定铜损消耗用Pk表示，kW；Pt1和Pt2分别表示变压器的功率因数被增大前后的铜损消耗，kW；Se表示额定容量，kVA；cosφ1和cosφ2表示功率因数的值在提高前后的大小。
因此在功率因数变化下，变压器在铜损消耗上的下降用百分数表示如下：
η=[（Pt1-Pt2）/Pt1]×100%=[1-（cosφ1/cosφ2）2]×100% （8）
4 增大功率因数的主要办法
如何降低电力系统各组成部分无功功率的消耗是增大功率因数的主要办法，尤其是在负载方面消耗的功率的减少，让电力系统在提供有功功率的时候，减少无功电流在这过程中所的消耗。有很多种方法可以用来提高功率因素，以下介绍两种。
4.1 如何提高自然功率因数
改善用电设备的功率因数和降低用电设备的无功功率的方法，就是提高自然功率因数的方法，主要有以下几点：
①正确选用异步电动机，使其额定容量与所带负载相配合，对于改善功率因数是十分重要的。在选型方面，要注意选用节能型，淘汰高能耗的电动机，并依据电机机械工作对启动力矩、启动次数、调速等方面的具体要求，选用不同的型号。电动机的效率η与功率因数cosφ是反映电动机经济运行水平的主要指标，都与负载率β有密切关系。GB/T12497-90对三相异步电机三个运行区域规定如下：当负载率β在70%～100%之间时，为经济运行区；当40%≤β≤70%时，为一般运行区；当β
②根据负荷选用相匹配的变压器。电力变压器一次侧功率因数不但与负荷的功率因数有关，而且与负荷率有关。若变压器满载运行，一次侧功率因数仅比二次侧降低约3%～5%；若变压器轻载运行，当负荷小于0.6时，一次侧功率因数就显著下降，下降达11%～18%，所以电力变压器的负荷率在0.6以上运行时才较经济，一般应在60%～70%比较合适。为了充分利用设备和提高功率因数，电力变压器一般不宜作轻载运行。当电力变压器负荷率小于30%时，应当更换成容量较小的变压器。
4.2 如何用补偿方法提高功率因数
运用补偿的方法提高功率因数就是通过发电组提供无功功率设备所消耗的无功功率，以提高功率因数。然而，必须要通过增加黑色金属、有色金属的供应量和增加新设备的方法来提高功率因数。除此之外，因为补偿设备工作时也会有功率损失，如何提高自然功率的因数才是重中之重。但是如果功率因数太小而不足以达到相关规范所要求的数值时，对功率因素的提高，就要采用专门的补偿性方法。通过人工的方式对无功功率进行补偿的方法有：采用同步电动机、应用静电电容器和通过同步调相机进行补偿这三种方法。
5 结 语
通过对上述情况的分析，得出了如下结论：提高功率因数无论对用电设备还是用电者都有很大价值。它能节约电能、降低损耗，不仅如此，而且对国家的能源利用、企业的经济效益起到促进作用，是保证电力系统电能质量、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的条件。应根据不同情况采取相应措施来提高功率因数，降低无功损耗，从而提高经济效益。尤其是对于当下正在进行的农村电网的建设和改造来讲，不仅要按相关规定的要求进行勘察、按照施工要求进行设计和施工，而且要根据农村用电荷的主要特点，在进行农村电网建设和改造的同时进行无功补偿设备的安装和建设。
篇6
公式：功率因数=实际功率P/视在功率S
视在功率：即交流电压和交流电流的乘积，用公式表示为：S=UI（单位是VA，即伏安）；U是额定输出电压（单位是V），我们国家一般为220V或380V等；I是额定输出电流（单位是A）。
视在功率包括有功功率（P）和无功功率（Q）两部分。用公式表示为：P=S×cosθ=UI×cosθ＝UI×F，Q=S×sinθ=UI×sinθ。在公式中功率因数F=cosθ，而θ是在非线性负载时电压电流不同相时的相位差。功率因数值越大，有功功率就越大，而无功功率就越小，也就是电网输入的电能的利用率高。
小提示：
有功功率是指直接做功的部分，比如使灯发亮、电机转动等，这个功率做功后都变成了热能或动能，可以直接被人们感觉到，所以有些人就产生一个错觉，即把有功功率当成了视在功率；而无功功率则是储藏在电路中但不直接做功的那部分功率，即在负载里循环但并不传输电能的那部分电流所产生的功率，此时我们称为该电流为电抗电流或谐波电流。
计算机需要有用功，也需要无用功
一般用户都认为计算机之类的设备只需要有功功率，而不需要无功功率。既然无功功率不做功，要它何用？于是有人认为功率因数为1的电源最好，因为它能给出最大输出功率。然而，实际情况并非如此，为什么呢？
假如有一台计算机，当交流市电输入后进行整流，就得到脉动直流电压，虽然这时电源的功率因数接近于1，若不将脉动电压进行任何工就直接提供给计算机电路，毫无疑问，电路根本无法正常工作。道理很简单，计算机电路正常工作需要的是平滑的直流电压，这个“平滑”工作必须由电源整流器后面的滤波电容器来完成。这个滤波电容器就像一个水库，电容器里面必须储存足够数量的电荷，在整流半波之间的空白时，使电路上的工作电压仍能保持原来的电平。
换句话说，即使在两个脉动半波之间无输入电能时，UC的电压电平也无显著的变化，这个功能是靠电容器内的储能来实现的，储存在电容器内的这部分能量就是无功功率。在某种意义上，我们可以认为计算机是靠无功功率的支持，才能保证电路正确运用有功功率实现正常运行的。因此可以说，计算机不但需要有功功率，也需要无功功率，两者缺一不可。
提高功率因数的意义
篇7
[关键词] 功率因数
影响因素
补偿方法
容量确定
许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的"无功"并不是"无用"的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。
在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数COSφ，其计算公式为：
COSφ=P/S=P/（P2+Q2）1/2
在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。
用户功率因数的高低，对于电力系统发、供、用电设备的充分利用，有着显著的影响。适当提高用户的功率因数，不但可以充分的发挥发、供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以提高用户用电设备的工作效率和为用户本身节约电能。因此，对于全国广大供电企业、特别是对现阶段全国性的一些改造后的农村电网来说，若能有效的搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，改善提高用户功率因数，而且能够有效地降低电能损失，减少用户电费。其社会效益及经济效益都会是非常显著的。
1 影响功率因数的主要因素
1.1 电感性设备和电力变压器是耗用无功功率的主要设备
大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60％～70％；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60％～70％。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。电力变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10％～15％，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。
1.2 供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大影响
当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110％时，一般无功将增加35％左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
1.3 电网频率的波动也会对异步电动机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响
综上所述，我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。
2 低压网的无功补偿
2.1 低压网无功补偿的一般方法
低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿和跟踪补偿。下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。
2.1.1 随机补偿
随机补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补励磁无功为主。此种方式可较好地限制农网无功峰荷。
随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，不会造成无功倒送，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。
2.1.2 随器补偿
随器补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器二次侧，以无功补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。
随器补偿的优点：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。
2.1.3 跟踪补偿
跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4KV母线上的补偿方式。适用于100KVA以上的专用配电用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。
跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。
2.2 采用适当措施，设法提高系统自然功率因数
提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，这是一种最经济的提高功率因数的方法。下面将对提高自然功率因数的措施做一些简要的介绍。
2.2.1合理选用电动机
合理选择电动机，使其尽可能在高负荷率状态下运行。在选择电动机时，既要注意它们的机械特性，又要考虑它们的电气指标。举例说，三相异步电动机（100KW）在空载时功率因数仅为0.11，1/2负载时约为0.72，而满负载时可达0.86。所以核算负荷小于40%的感应电动机，应换以较小容量的电动机，并合理安排和调整工艺流程，改善运行方式，限制空载运转。故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确合理的选择电动机的容量。
2.2.2 提高异步电动机的检修质量
实验表明，异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动是对异步电动机无功功率的大小有很大影响。因此检修时要特别注意不使电动机的气隙增大，以免使功率因数降低。
2.2.3 采用同步电动机或异步电动机同步运行补偿
由电机原理可知，同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功取决于转子中的励磁电流大小，在欠激状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过激状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过激状态，就可以使同步电机向电网“送出”无功功率，减少电网输送给工矿企业的无功功率，从而提高了工矿企业的功率因数。异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行状态，这就是“异步电动机同步化”。因而只要调节电机的直流励磁电流，使其呈过激状态，即可以向电网输出无功，从而达到提高低压网功率因数的目的。
2.2.4 正确选择变压器容量提高运行效益
对于负载率比较低的变压器，一般采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。如：对平均负荷小于30%的变压器宜从电网上断开，通过联络线提高负荷率。
通过以上一些提高加权平均功率因数和自然功率因数的叙述，或许我们已经对“功率因数”这个简单的电力术语有了更深的了解和认识。知道了功率因数的提高对电力企业的深远影响，下面我们将简单介绍对用电设备进行人工补偿的方式和对补偿容量的确定方法。
3 功率因数的人工补偿
功率因数是工厂电气设备使用状况和利用程度的具有代表性的重要指标，也是保证电网安全、经济运行的一项主要指标。供电企业仅仅依靠提高自然功率因数的办法已经不能满足工厂对功率因数的要求，工厂自身还需要装设补偿装置，对功率因数进行人工补偿。
3.1 静电电容器补偿
静电电容器既电力电容器。利用电容器进行补偿，具有投资省、有功功率损耗小、运行维护方便、故障范围小等优点。但当通风不良、运行温度过高时，油介质电容器易发生漏油、鼓肚、爆炸等故障。因此，建议使用粉状介质电容器。
当企业感性负载比较多时，它们从供电系统吸取的无功是滞后（负值）功率，如果用一组电容器和感性负载并联，电容需要的无功功率是超前（正值）功率，如果电容器选的合适，令Qc+Ql=0，这时企业已不需要向供电系统吸取无功功率，功率因数为1，达到最佳值。
3.1.1 电容器补偿容量的确定
电力电容器的补偿容量Qc可按下式计算：
Qc=α·Pjs（tgφ1-tgφ2）
式中
Pjs——最大有功计算负荷，KW
tgφ1、tgφ2——补偿前、后功率因数角的正切值
α——平均负荷系数，一般取0.7～1，视Pjs的计算情况而定。如果在计算时已采用了较小系数值，α可取1。
某些已进行生产的工矿企业，可由下式确定其有功电能消耗量：
Ap=Pjs·Tmax·p
(KW·H)
式中
Ap——有功电能消耗量
Pjs——有功计算负荷
Tmax·p——最大有功计算负荷年利用小时数
3.1.2 并联补偿移相电容器，应满足以下电压和容量的要求
Ue·c≥Ug·c
nQg·c≥Qc
式中
Ue·c——电容器的额定电压（KV）
Ug·c——电容器的工作电压（KV）
n——并联的电容器总数
Qg·c——电容器的工作容量（Kvar）
Qc——电容器的补偿容量（Kvar）
3.2 动态无功功率补偿
动态无功功率补偿一般应用于用电容量大、生产过程其负载急剧变化且具有重复冲击性的大型钢铁企业。这种波动频繁、急剧、幅值很大的动态无功功率，采用调相机或固定电容器进行补偿已远远满足不了要求，目前一般采用的新型动态无功功率补偿设备是静止无功补偿器。它具有稳定系统电压、改善电网运行性能、动态补偿反应迅速、调节性能优越等优点。但最明显的缺点是投资大、设备体积大、占地面积大。
3.3 分相补偿
在民用建筑中大量使用的是单相负荷，照明、空调等由于负荷变化的随机性大，容易造成三相负载的严重不平衡，尤其是住宅楼在运行中三相不平衡更为严重。由于调节补偿无功功率的采样信号取自三相中的任意一相，造成未检测的两相要么过补偿，要么欠补偿。如果过补偿，则过补偿相的电压升高，造成控制、保护元件等用电设备因过电压而损坏；如果欠补偿，则补偿相的回路电流增大，线路及断路器等设备由于电流的增加而导致发热被烧坏。这种情况下用传统的三相无功补偿方式，不但不节能，反而浪费资源，难以对系统的无功补偿进行有效补偿，补偿过程中所产生的过、欠补偿等弊端更是对整个电网的正常运行带来了严重的危害。
据有关资料介绍，某地综合楼是集商场、银行、办公、车库、宾馆为一体的一类高层建筑，总建筑面积3.2万m2。主要用电设备有空调机组、水泵、风机及照明灯具等，其中照明灯具均为单相负荷，功率因数在0.45～0.75之间。低压有功计算负荷2815KW，其中，照明用电有功负荷1086.5KW，其它负荷基本为空调、风机、水泵、电梯等三相负荷。补偿前无功功率31872Kvar，若整体功率因数补偿到0.92，需补偿1982Kvar，补偿后无功功率1200Kvar。原设计采用低压配电室并联电容器组三相集中自动补偿，工程竣工投入使用后，经常出现仪器、灯具等用电设备烧坏或不能正常使用等情况，影响正常经营和工作。经现场测试，发现低压馈线回路三相负荷不平衡，差距很大，电流差异大，最大相电流差为900A；检测母线电压，三相母线电压有的高达260V，有的低到190V。通过分析是三相电容自动补偿造成的结果。
对于三相不平衡及单相配电系统采用分相电容自动补偿是解决上述问题的一种较好的办法，其原理是通过调节无功功率参数的信号取自三相中的每一相，根据每相感性负载的大小和功率因数的高低进行相应的补偿，对其它相不产生相互影响，故不会产生欠补偿和过补偿的情况。
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在选择一项功率因数校正方案时，非常重要的一点是要认识到电子电源转换设备中的不良功率因素和拥有感性电机负载的传统不良功率因素是不同的，因此需要不同的校正手段。
两种不良功率因数的来源
最简单的情况是电流与电压的波形不匹配，超前或滞后于电压，导致出现由阻抗性的线性电路引起的不良功率因数。此类不良功率因数很容易通过在负载上并联一个反向的阻抗元件得到校正。
另一种情况是，电子电源转换设备中的非线性电路单元会导致功率因数低到不可接受的程度。对大多数离线式电源来说，AC－DC转换器前端由桥式整流器和一个大容量的电容组成。在此类电路中，只有当线路峰值电压超过储能电容器的电压时，才会有电流从线路流出。由于电流的升降速度比线电压的升降速度快，以及外加电流的不连续性，会引起一系列极明显的奇数谐波，正是这些谐波引起配电系统中的问题。这种不良因数可通过在线路上增加一系列电感或减小储能电容器的容值来拉长电导角而得到改进，但这两种方案都严重地限制线路的功率输出。
解决有源功率因数校正的办法
图1所示为具有有源功率因数校正的电路中各节点电压＼电流的情况。
采取有源的措施是解决电子供电中不良功率因数最有效的方法。如图2所示，拥有有源功率因数校正的电路在工作时，输入线电压通过桥式整流器产生全波校正输出(A)。由于线路电压峰值低于母线电压，所以没有电流通过储能电容器，只有当线电压升高到超过存储能量电容器电压时，才有电流通过。因此，可通过控制电路去调解附升电压(B－A)来保持正弦波式的输入电流。
从图2可以看出，为了保持正弦波式的输入电流，控制电路可采用输入电压波形作为参考。通过测量输入电流并将其与输入电压波形相比较进而控制电路去调解附升电压，从而可以得到与输入电压波形一致的输入电流(I)。与此同时，控制电路将检测母线电压并调节附升电压，进而维持调解过的直流输出(B)。由于控制电路的主要功能是保持正弦波式的输入电流，所以可允许直流母线电压有微小变化。
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关键词: 节电技术 功率因数 无功补偿
0 引言
无功补偿，就其概念而言早为人所知，它就是借助于无功补偿设备提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量。无功补偿的合理配置原则：①总体平衡与局部平衡相结合，以局部为主。②电力部门补偿与用户补偿相结合。在配电网络中，用户消耗的无功功率约占50%～60%，其余的无功功率消耗在配电网中。因此，为了减少无功功率在网络中的输送，要尽可能地实现就地补偿，就地平衡，所以必须由电力部门和用户共同进行补偿。③分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。集中补偿，是在变电所集中装设较大容量的补偿电容器。分散补偿，指在配电网络中分散的负荷区，如配电线路，配电变压器和用户的用电设备等进行的无功补偿。集中补偿，主要是补偿主变压器本身的无功损耗，以及减少变电所以上输电线路的无功电力，从而降低供电网络的无功损耗。但不能降低配电网络的无功损耗。因为用户需要的无功通过变电所以下的配电线路向负荷端输送。所以为了有效地降低线损，必须做到无功功率在哪里发生，就应在哪里补偿。所以，中、低压配电网应以分散补偿为主。④降损与调压相结合，以降损为主。
1 影响功率因数的主要因素
1.1 异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备 异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。
1.2 供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响 当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。
1.3 电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响
1.4 以上论述了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此必须要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。
2 低压配电网无功补偿的方法
提高功率因数的主要方法是采用低压无功补偿技术，我们通常采用的方法主要有三种：随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。
2.1 随机补偿 随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷。随机补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，而且不需频繁调整补偿容量。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活，维护简单、事故率低等。
2.2 随器补偿 随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是用电单位无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加。随器补偿的优点：接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。
2.3 跟踪补偿 跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。
3 无功功率补偿容量的选择方法
无功补偿容量以提高功率因数为主要目的时，补偿容量的选择分两大类讨论，即单负荷就地补偿容量的选择（主要指电动机）和多负荷补偿容量的选择（指集中和局部分组补偿）。
3.1 单负荷就地补偿容量的选择的几种方法
3.1.1 美国资料推荐：Qc=(1/3)Pe
3.1.2 日本方法：从电气计算日文杂志中查到：1/4~1/2容量计算 考虑负载率及极对数等因素，按此法选取的补偿容量，在任何负载情况下都不会出现过补偿，而且功率因数可以补偿到0.90以上。此法在节能技术上广泛应用，对一般情况都可行，特别适用于Io/Ie比值较高的电动机和负载率较低的电动机。但是对于Io/Ie较低的电动机额定负载运行状态下，其补偿效果较差。
3.1.3 经验系数法：由于电机极数不同，按极数大小确定经验系数选择容量 比较接近实际需要的电容器，采用这种方法一般在70%负荷时，补后功率因数可在0.95~0.97之间
电机容量大时选下限，小时选上限；电压高时选下限，小时选上限4、Qc=P实际测试比较准确方法此法适用于任何一般感性负荷需要精确补偿的就地补偿容量的计算。
3.1.4 如果测试比较麻烦，可以按下式：Qc≤ √3UeIo×10-3 (kvar)
Io-空载电流=2Ie(1-COSφe ) 瑞典电气公司推荐公式：Qo
若电动机带额定负载运行，即负载率β=1，则：Qo
根据电机学知识可知，对于Io/Ie较低的电动机（少极、大功率电动机），在较高的负载率β时吸收的无功功率Qβ与激励容量Qo的比值较高，即两者相差较大，在考虑导线较长，无功经济当量较高的大功率电动机以较高的负载率运行方式下，此式来选取是合理的。
3.1.5 按电动机额定数据计算：Q=k(1-cos2φe )3UeIe×10-3(kvar)
K为与电动机极数有关的一个系数
极数： 2 4 6 8 10
K值： 0.7 0.8 0.85 0.9
3.2 多负荷补偿容量的选择 多负荷补偿容量的选择是根据补偿前后的功率因数来确定。
3.2.1 对已生产企业欲提高功率因数，其补偿容量Qc按下式选择：Qe=KmKj(tgφ1-tgφ2)/Tm 。式中：Km为最大负荷月时有功功率消耗量，由有功电能表读得；Kj为补偿容量计算系数，可取0.8～0.9;Tm为企业的月工作小时数；tgφ1、tgφ2意义同前，tgφ1由有功和无功电能表读数求得。
3.2.2 对处于设计阶段的企业，无功补偿容量Qc按下式选择：
Qc=KnPn(tgφ1-tgφ2)。式中Kn为年平均有功负荷系数，一般取0.7～0.75;Pn为企业有功功率之和；tgφ1、tgφ2意义同前。tgφ1可根据企业负荷性质查手册近似取值，也可用加权平均功率因数求得cosφ1。多负荷的集中补偿电容器安装简单，运行可靠、利用率较高。但电气设备不连续运转或轻负荷运行时，会造成过补偿，使运行电压抬高，电压质量变坏。因此这种方法选择的容量，对于低压来说最好采用电容器组自动控制补偿，即根据负荷大小自动投入无功补偿容量的多少，对高压来说应考虑采取防过补偿措施。
4 无功补偿的效益
在现代用电企业中，在数量众多、容量大小不等的感性设备连接于电力系统中，以致电网传输功率除有功功率外，还需无功功率。如自然平均功率因数在0.70～0.85之间。企业消耗电网的无功功率约占消耗有功功率的60%～90%，如果把功率因数提高到0.95左右，则无功消耗只占有功消耗的30%左右。由于减少了电网无功功率的输入，会给用电企业带来效益。
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[关键词]功率因数；SVC系统装置；动态补偿
中图分类号：TM933.3+1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0340-01
1 引言
电力系统是一庞大的系统，其电能损耗的数值相当可观，能源的合理配置是极需解决的问题。功率因数是决定发、供电系统经济效益的一个极为重要的因素， 它直接反映了系统中有功功率与无功功率的分配。对于发、供电系统来说，对负荷不但要求有高的负荷率， 而且也要求有高的功率因数。
在供电系统中，绝大多数用电设备都具有电感的特性（诸如：感应电动机、电力变压器，电焊机等）。这些设备不仅需要从电力系统吸收有功功率，还要吸收无功功率以提供这些设备正常工作所需要的交变磁场。然而在输送有功功率一定的情况下，无功功率增大，就会降低供电系统的功率因数。而且在生产过程中设备负荷起制动频繁，产生大量高次谐波，产生无功冲击，供电电压波形畸变，
极大地降低了供电系统的功率因数，供电质量下降，影响生产线的稳定和产品质量，因此，通过对功率因数补偿改造，在供电母线上增加晶闸管相控电抗器（TCR）型静止型动态无功补偿装置（SVC）， 从而提高功率因数，改善供电电网的电能质量，提高企业的经济效益。
2 功率因数补偿的理论分析
在交流电路中，电压与电流之间的相位差（φ）的余弦叫做功率因数，用符号 cosφ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即 cos φ =P/S，式中P―有功功率；Q―无功功率。
功率因数的大小与电路的负荷性质有关，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于 1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。
⑴基本分析。在感性负载电路中，电压与电流的存在相位差φ，功率因数 cosΦ
⑵高级分析。在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。功率因数补偿使两个峰值重新接近在一起，从而提高系统运行效率。
3 SVC动态补偿的应用
3.1 SVC工作原理
交流电路中电感负载会产生感性无功，电容负载会产生容性无功，感性无功和容性无功有相互抵消的作用。SVC装置可以通过连续调节其自身无功功率来补偿母线上的无功功率。
（图1）为SVC主接线原理图，系统主要由调功器TCR及滤波器FC两部分组成：
（1）TCR按三角形连接，每边由反并联晶闸管与等电抗值的二个电抗器组成交流控制器。通过控制晶闸管的触发角大小，使交流控制器的电流从零调节到额定值，从而改变 TCR回路的感性无功功率，动态连续调节无功。
（2）FC回路兼顾滤波及提供容性无功功率，使TCR型SVC可具备从容性到感性区间的无功调节能力，滤波器组同时还可滤除 TCR自身产生的及系统其他负荷产生的谐波。
（图2）所示为晶闸管触发角α与电抗器回路基波电流Il的关系。每半周波电抗器导通角及电抗器电流取决于触发角α，当α为180°时，电抗器不投入运行，当α为90°时，电抗器电流达最大值。TCR理论触发角α的范围为 90°～180°，当α不是90°时，电流波形并非正弦波，含有谐波成分，图3为TCR谐波电流分量Ih与触发角α的关系。
设备负荷无功为 QLod，FC回路提供容性无功QFC。SVC的调节器自动跟踪负载的工作状态，通过TCR回路的感性无功功率 QTCR的调节跟随作用，使负荷流入电网的无功功率趋于零（或一定值），如式1所示
ΣQ=QTCR+QFC+QLod≈0 （1）
调节器的动态响应速度快，响应时间小于 10ms，即实现了无功功率的实时动态补偿。
3.2 SVC系统的选定参数
35kV母线侧SVC装置组成容量：TCR补偿容量40Mvar；FC补偿容量40Mvar。
FC型滤波及无功补偿装置由滤波专用电容器和滤波电抗器组成。在特征谐波频率下可以形成LC串联谐振，对该特征谐波相当于低阻抗通道，使谐波电流大部分流入滤波回路。FC滤波通道由三次（HP3）二阶高通滤波器、五次（HP5）二阶高通滤波器和七次（H7）单调谐滤波器组成。由于系统设备交交变频装置供电的轧机，将产生旁频，采用二阶高通滤波器，可以拓宽频带，有利于吸收设备产生的旁频，有利系统稳定，避免发生谐波放大。
FC装置还有个更重要的作用是提供无功功率，提高系统功率因数。所以实际应用中应该从并联电容容量满足无功补偿和滤除谐波两方面综合考虑设计滤波器。对于满足滤波要求的 FC装置如果无功容量不满足要求可以加装并联电容器。
4 SVC系统组成结构
