[科普中国]-功率因数补偿技术

概念

电网中无功功率的减少可降低输配电线路中变压器以及母线因输送无功功率而造成的电能损耗，所采取的措施便称之为功率因数补偿。

交流电路中的有功功率与视在功率比值则为功率因素。因为在交流电路中存在大量电感、电容元件，其电感磁场与电容电场的建立都需要电源提供，从而使部分电流不参与机械做功，它们被称为无功电流。一般来说，无功电流的大小和有功负荷（机械负荷）之间不存在任何关系，其相位和有功电流相差90°。1

功率因素补偿方法固定补偿（1）串联补偿。串联补偿主要用于输电、配电线路，将电容器与线路串联，已改变线路参数、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）并联补偿。电力系统中的感性负载总电流滞后电压一个角度，若将电容器与负载并联，就能抵消一部分电感电流，从而降低了总电流，这就是并联补偿的原理。降低用电设备所需无功功率，提高功率因数，称为提高自然功率因数，其主要方法有：合理选择电机容量，控制电动机和电焊机的空载运行等。

自动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，但自动补偿装置的结构相对较为复杂，设备造价也相对较高。
无功功率补偿的方法包括了并联电容器补偿、同步电机补偿、动态无功功率补偿等。由于并联电容器具有功率损耗小、安装、运行、维护方便等优点，目前得到了普遍的应用。但固定并联补偿存在补偿功率不能平滑调节的缺点，同时由于电容器输出无功功率与电压平方成正比，当系统电压偏低时，需要更多的无功功率进行补偿以提高系统电压，电容器却因电压低而降低了出力。反之，系统不需无功补偿时，由于电容器的接入，将使负载端电压过分升高，影响补偿效果，这也是电容器补偿的一个缺点。
此外，有些电力电子设备如整流器、变频器、开关电源等；可饱和设备如变压器、电动机、发电机等；电弧设备及电光源设备如电弧炉、日光灯等，这些设备均是主要的谐波源，运行时将产生大量的谐波。谐波对发动机、变压器、电动机、电容器等所有连接于电网的电器设备都有大小不等的危害，主要表现为产生谐波附加损耗，使得设备过载过热以及谐波过电压加速设备的绝缘老化等。
并联到线路上进行无功补偿的电容器对谐波会有放大作用，使得系统电压及电流的畸变更加严重。另外，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，会使电容器的电流有效值增加，造成温度升高，减少电容器的使用寿命。
谐波电流使变压器的铜损耗增加，引起局部过热、振动、噪音增大、绕组附加发热等。
谐波污染也会增加电缆等输电线路的损耗。而且谐波污染对通讯质量有影响。当电流谐波分量较高时，可能会引起继电保护的过电压保护、过电流保护的误动作。
因此，如果系统量测出谐波含量过高时，除了电容器端需要串联适宜的调谐（detuned）电抗外，并需针对负载特性专案研讨加装谐波改善装置。2

原理分析功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等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。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。
（1）最基本分析：拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。在这个例子中，功率因数是0.7（如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款），这种无功损耗主要存在于电机设备中（如鼓风机、抽水机、压缩机等），又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。
（2）基本分析：每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用功（叫千瓦）及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。
（3）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。保尔金能使两个峰值重新接近在一起，从而提高系统运行效率。3