功率因数及无功补偿介绍

黃文俊2016/05/13目录一、功率及功率因数介绍二、无功补偿意义及方法1.1功率功率分三种:有功功率P、无功功率Q、视在功率S在三相交流负荷中，任何时候这三种功率都是同时存在的，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。三种功率和功率因素是一个直角功率三角形关系：S²=P²+Q²。视在功率

S=√3UI有功功率

P=√3UIcosφcosφ=P/S无功功率

Q=√3UIsinφsinφ=Q/S

相位差滞后相位差超前1.2有功功率有功功率（P）指在交流电路中一个周期内发出或负载消耗的瞬时功率的积分的平均值（或负载电阻所消耗的功率），因此也称平均功率。平常泛指将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率，以字母P表示，单位主要有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)有功功率与电压、电流间的关系：P=UIcosφ式中，U、I分别为正弦交流电的有效值，φ为电压与电流信号的相位差，测量有功功率的仪表称为有功功率表，简称有功表1.3无功功率无功功率（Q）在交流电路中，具有电感（电容）的电路里，电感（电容）在半周期的时间里把电源的能量变成磁场（电场）的能量贮存起来，在另外半周期的时间里又把贮存的磁场（电场）能量送还给电源，它们只是与电源进行能量交换，并没有真正消耗能量，我们把与电源交换能量的振幅值叫做无功功率，以字母Q表示，主要单位乏(var)、千乏(Kvar)，它是在电气设备中建立和维持磁场和电场的电功率，它与电压、电流间的关系：Q=UIsinφsinφ=Q/S。测量无功功率的仪表称为无功功率表，简称无功表无功功率是能否取消？由于无功功率对外不做功，才被称之为"无功"。无功功率决不是无用功率，它的用处很大。凡是有电磁线圈的电气设备，都要消耗无功功率。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，那么这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行。1.3无功功率-续视在功率（S）是指交流电路中电压的有效值和电流的有效值的乘积，以字母S表示。通常用视在功率表示变压器等设备的容量，常用单位为伏安(VA)和千伏安(KVA)。视在功率与电压、电流间的关系为：S=UI视在功率与有功、无功间的关系为：S²=P²+Q²可以用功率三角形来表示，它是一个直角三角形，两直角边分别为Q与P，斜边为S，S与P之间的夹角Ф为功率因数角，它反映了该交流电路中电压与电流之间的相位差（角）

1.4视在功率1.5功率因数功率因数(cosφ)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，功率因数是电力系统的一个重要的技术数据，它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。从数值上来讲，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即：cosΦ=P/S测量功率因数的仪表称为功率因数表1.5功率因数-续功率因数(cosφ)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，功率因数是电力系统的一个重要的技术数据，它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。从S²=P²+Q²来看，如果Q的kvar的值为零的话，kVA就会与kW相等，那么供电局供出来的1kVA的电就等于用户1kW的消耗，此时成本效益最高，所以功率因数是供电局非常在意的一个系数。用户如果没有达到理想的功率因数，相对地就是在消耗供电局的资源，所以这也是为什么功率因数是一个法规的限制。就国内而言功率因数规定是必须介于电感性的0.9～1之间，低于0.9时需要接受处罚2.1提高功率因数的作用1.提高供电质量，改善设备运行条件，保证设备在正常条

件工作，有利于安全生产；2.节约电能，降低企业的生产成本，减少电费开支。如避

免因功率因数低于规定值而受罚；减少内部传输和分配

无功功率造成的有功功率损耗；3.提高企业用电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力；4.减少供电线路的功率损失，提高电网输电效率；5.使发电机能做出更多的有功功率。2.1提高功率因数的作用无功补偿应遵循的基本原则：

1.提高用电单位的自然功率因数；

2.全面规划,合理布局,分级补偿,就地平衡；

3.集中补偿与分散补偿相结合,以分散补偿主；

4.高压补偿与低压补偿相结合,以低压补偿为主；

5.与降损相结合，以降损为主的原则。2.2提高功率因数的方法方法1：提高自然功率因数（优先）1.正确选用异步电动机的型号与容量2.根据负荷选用相匹配的变压器3.合理安排和调整工艺流程4.异步电动机同步化运行2.2提高功率因数的方法1.正确选用异步电动机的型号与容量据统计,我国中小型异步电动机的用电负荷约占电网总负荷的80%以上,电动机耗能占整个工业用电量的60%～68%左右，做好电动机的降损节能具有十分重要的经济意义。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

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<40%时，为非经济运行区。2.2提高功率因数的方法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，所以为了充分利用设备和提高功率因数,电力变压器不宜作轻载运行。当电力变压器负荷率小于30%且有多台变压器可联络运行时，应停用部分设备，采用联络方式供电，如无条件，应更换成容量较小的变压器。2.2提高功率因数的方法3.合理安排和调整工艺流程通过合理安排和调整工艺流程和时间，改善电机设备的运行状态,限制电焊机和机床电动机的空载运行。

例如可采用空载自动延时断电装置流程等2.2提高功率因数的方法4.异步电动机同步化运行对于负荷率不大于0.7及最大负荷不大于90%额定功率的绕线式异步电动机，必要时可使其同步化，即当绕线式异步电动机在起动完毕以后，向转子三相绕组中送入直流励磁,即产生转矩把异步电动机牵入同步运行，其运转状态与同步电动机相似，在过励磁的情况下，电动机可向电网送出无功功率,从而达到改善功率因数的目的。2.2提高功率因数的方法方法2：人工补偿无功功率-补偿技术的发展同步调相机→开关投切固定电容→静止无功补偿器SVC

→静止无功发生器SVG（STATCOM）(最新)几个不同阶段各种无功设备各自特点如下：

1.同步调相机：响应速度慢，噪音大，损耗大，技术陈旧，

属淘汰技术；

2.开关投切固定电容：慢响应补偿方式，连续可控能力差；

3.静止无功补偿器(SVC)：目前相对先进实用技术，在输配电

电力系统中得到了广泛应用；

4.静止无功发生器（SVG）：目前有技术上局限性，属少数示范

工程阶段，但SVG是一种更为先进的新型静止型无功补偿装置，

是灵活柔性交流输电系统（FACTS）技术和定制电力（CP）技

术的重要组成部分，是未来无功功率补偿装置的发展方向2.2提高功率因数的方法电容补偿无功功率原理电流在电感元件中作功时，电流滞后于电压90°，而电流在电容元件中作功时，电流超前电压90°，在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差180°，如果在电感元件电路中有比例地安装电容元件，使两者的电流相互抵消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小，相应的功率因数就得到提高。由于无功补偿设备投资及本身也要消耗一定的能耗，所以说这是一种折中的提高功率因数的方法。2.2提高功率因数的方法电容补偿无功功率分类按安装地点分类

1.高压集中补偿2.低压分组补偿3.低压就地补偿按补偿原理分类

1.串联电容补偿2.并联电容补偿3.自动投切补偿

2.2提高功率因数的方法1.高压集中补偿

将高压电容器组集中装设在工厂变配电所的6~10kV母线

上，它只能补偿6~10kV母线前线路的无功功率2.低压分组补偿

在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿

电容器，根据功率因数大小自动投切3.低压就地补偿

在单台设备处安装并联电容器，随设备同步工作2.2提高功率因数的方法1.串联电容补偿串联补偿主要用于输电、配电线路，将电容器与线路串联，以改变线路参数、减少线路的电压损失、提高线路末端的电压水平、减少网络的功率损耗和提高输送能力2.并联电容补偿电力系统中的，利用容性负载电流超前电压角度，感性负载电流滞后电压角度的特点，在系统中并联电容器以抵消电感电流3.自动投切补偿

自动补偿是将并联电容器的固定补偿方式采用自动控制，以调整和适应无功需求的实时变化。自动补偿能克服固定补偿的缺点，优化无功补偿的效果，提高无功补偿的能力，实现无功补偿的平滑调节2.3提高功率因数的设备1.补偿控制设备（功率因数控制器）2.3提高功率因数的设备2.无功补偿设备（电容器）

2.3提高功率因数的设备3.配套设备（专用接触器、熔断器、配电柜等）

静止无功补偿器（SVC）于20世纪70年代兴起，现在已经发展成为很成熟的FACTS装置，其被广泛应用于现代电力系统的负荷补偿和输电线路补偿（电压和无功补偿），在大功率电网中，SVC被用于电压控制或用于获得其它效益，如提高系统的阻尼和稳定性等；这类装置的典型代表有：晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC）它不再采用大容量的电容器，电感器来产生所需无功功率，而是通过电力电子器件的高频开关实现对无功补偿，特别适用于中高压电力系统中的动态无功补偿。静止无功补偿器是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。它是将可控的电抗器和电力电容器（固定或分组投切）并联使用。电容器可发出无功功率（容性的），可控电抗器可吸收无功功率（感性的）。通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变到吸收无功功率（或反向进行），并且响应快速。名词解释STATCOM-（StaticSynchronousCompensator,简称STATCOM）即静止同步补偿器，是当今无功补偿领域最新技术的代表，属于灵活柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分。STATCOM并联于电网中，相当于一个可控的无功电源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿。STATCOM可在如下几个方面改善电力系统的性能：（1）输电和配电系统中的动态电压控制；（2）输电系统中功率振荡的阻尼；（3）暂态稳定性；（4）电压闪变的控制；（5）如具有直流电源，不但可以控制无功功率，而且根据需

要也可以控制所连线路上的有功功率。名词解释FACTS-FlexibleAlternativeCurrentTransmissionSystems，也叫柔性交流输电系统是综合电力电子技术、微处理和微电子技术、通信技术和控制技术而形成的用于灵活快速控制交流输电的新技术。柔性交流输电系统的主要优点：1.能在较大范围有效地控制潮流（潮流指电网的有功无功流向，主要指变电站和电厂之间）；2.线路的输送能力可增大至接近导线的热极限，例如：一条500kV线路的安全送电极限为1000~2000MW，线路的热极限为3000MW，采用FACTS技术后，可使输送能力提高50%~100%；3.备用发电机组容量可从典型的18%减少到15%，甚至更少；4.电网和设备故障的危害可得到限制，防止线路串级跳闸，以避免事故扩大；5.易阻尼消