无功功率补偿与功率因数的有效改善

无功功率补偿与功率因数的有效改善

伴随科技技术的发展与提高，社会的发展对电力的依赖性逐渐增强，电力也是生产与发展的重要能源之一。在对电力需求不断提高的同时，对电力功率的有效性也提高了要求。发电设备在输出有功功率的同时也在发送无功功率，两种功率同时存在，而无功功率或有功功率的大小与功率因数相关，若功率因数较小，无偿功率就会增大，就会降低电力功率的作用效果，而功率因数较大的情况下，才能保证有功功率得到良好的应用。因此，对无功功率补偿与功率因数的改善方法进行研究，对于电力能源的高效应用具有重要意义。

标签：无功补偿；功率因数；有功功率；改善

Abstract： With the development and improvement of science and technology， the dependence of social development on electric power is gradually increased. Power is also one of the important energy sources for production and development. At the same time， the efficiency of power is also improved. Generation equipment is always in the output of active power at the same time in the transmission of reactive power， so two kinds of power exist at the same time， while reactive power or active power is related to the size of the power factor. If the power factor is small， free power will increase， and it will reduce the effect of power， while the power factor， when it is large， can ensure that the active power to get a good application. Therefore， the study of reactive power compensation and the improvement of power factor is of great significance for the efficient application of power energy.

Keywords： reactive power compensation； power factor； active power； improvement

1 无功功率与功率因数的概念分析

1.1 有功与无功功率的概念

生活中，我们常用的电力为交流电，而交流电的电源在供电过程中，通常会提供两种负载形式的电功功率，即有功功率与无功功率。有功功率是对用电设备有用的功率，其在用电设备的运行过程中，将电能转换为光能、机械能、热能等形式；而无功功率则是在电路中的内电场与磁场的交换中发生作用，对电气设备中的磁场建立与维持起到作用，不会对外做功，在带有电磁线圈的电气设备运行过程中，会造成无功功率的消耗。

1.2 功率因数的概念

电动机、变压器等电力负荷设备在电网中是既有电感、又有电阻的点感性负载设备。而点感性负载中的电压与电流之间存在一个相位差（Φ），研究界将这个相位差的余弦称为功率因数，即cosΦ，这个功率因数在数值上相当于有功功

率（P）与视在功率（S）的比值，也就是说cosΦ=P/S[1]。功率因数是对电源输出的视在功率的有效应用的几率，所以在实际的电力应用中，总会希望功率因数大一点。想要达到这个目的，就只能将无功功率降低，这样才能提高有功功率在视在功率中所在的比例，从而用电设备的做功效率提升，对电力能源的消耗降低，达到改善供电效率的目的。

2 产生无功功率的原理及其作用

2.1 产生无功功率的原理

带有电感或电容的电网运行中，每1/2个周期内就会发生电感将电源能量转变成电场进行（或磁场）进行贮存，贮存的电场再将能量向电源释放的循环过程。在这个循环过程中，只有能量的相互交换过程，不会导致能量的消耗，所以将这个交换过程中的电力功率成为无功功率。相对有功功率来说，無功功率更加抽象，是在电网电路中不断循环流动的。无功功率不会做功，其对于一个元件来说功率为零，是对电感（或电容）贮存或释放过程的磁场能量或电场能量需要的真实功率的反应。电力电网结构中的电源、电感元件、电容元件直接的能量交换，而与无功功率相对应的能量是贮存的电感性与电容性能量的总和。

2.2 无功功率的作用

无功功率与无用功率不是等同关系，无功工艺也有其独特的用处。例如，在电动机的运行过程中，需要建立和维持旋转磁场，促进转子的转动，然后才能带动机械设备的运转，其中电动机的转子磁场就需要吸取电源中的无功功率来形成；再如，变压器的工作中也需要借助无功功率，才能在变压器的一次线圈中产生磁场，而二次线圈作出感应电压[2]。所以，无功功率也是有用的功率，如果没有无功功率的存在，电动机将不会正常运转，变压器也无法正常工作，交流接触器不会吸合等。

3 无功功率补偿与功率因数的改善方案

无功补偿的目的是为了提高电网与负载的功率因数，降低设备中所需要的容量，减少电力的不必要的消耗；对电网电压做到稳定的作用，增强电网质量，促进长距离输电的稳定性，提高其输电能力；而在三相负载不平衡的情况下，平衡三相视在功率的作用。因此，无功功率补偿是改善功率因数的重要方式。3.1 高压集中补偿方案

集中补偿主要是将电容组集中装设在企业或地方的总降压变电网6～10kV的母线上，以此实现提高整个变电所的功率因数的目的，保持供电所的供电范围内的无功功率达到相对平衡的状态。集中补偿不仅能够很好的保障供电所的电压质量，同时还能有效降低高压线路对电力的无功消耗。这种集中补偿方式主要是将配电系统中需要的无功补偿的容量整体集中在变电所或配电变压器的馈电汇流母线上，实现统一无功补偿的目的。

高压集中补偿的优势表现为：在保障变压器的容量不发生改变的情况下，能够提高变压器的供电能力，从而提高设备的利用率；其次，对变压器的有功输出也具有提高作用；降低变压器、高压输电线路、母线对电力的有功损耗；再次，可以有效的节约能源，当负荷发生变化时，此种方式能够很好的对母线进行调节，从而改善电压质量，达到电容器组自动投切补偿；最后，各个设备的利用程度很高，便于操作和监督，从而提高设备的利用率[3]。

高压集中补偿的缺点表现在：首先，这种补偿方式会受到补偿点的限制，以补偿点为界，仅能够对补偿点以上的无功功率进行补偿，无法补偿补偿点以下的功率；其次，高压侧补偿方式，会造成补偿投资的增大，而为了降低设备投资，通常只在母线的关键点上装1～2组电容器，且采取人工操作的方式，需要投切的容量较大，合闸时还会产生较大的电流，在切除与轻载的情况下还容易发生过电压的情况，使得系统的运行稳定性受到影响。

3.2 就地补偿方案

就地补偿方案与集中补偿存在一定差异，这种补偿方法是通过在用电设备附近安装电容，通过与就近的电动机的供电回路形成并联线路，从而达到补偿用电系统最末端的电动机对无功功率的消耗的作用，提高配电系统中的功率因数，达到有效的就地补偿的结果。

就地补偿的优点体现在：采取就地补偿方案，可以减小导线的截面，降低电器元件的容量，增强网络的供电容量，具有较好的适应性。同时，就地补偿方案还可以有效防止无功电流向其他电网流动，减少电压的损耗，从而降低无功损耗，不仅能够对用户内部的无功损耗进行补偿，同时还能够对系统进行有效补偿，避免了电能的大量流失，从而减少用电费用，具有较好的经济效益。还有，在三相补偿或容量较大的电动机中也可以应用就地补偿，可以应用于个别补偿、二相以及单相补偿中，利用相对较小补偿装置容量，电容器投切冲击过程产生的电流较小，不会发生过电压的情况[4]。

就地补偿的劣势表现在，在年利用率较小的设备进行无功补偿时，具有较小的利用率；而且就地补偿相对于集中补偿来说，其投资会更大，因为在进行相同的无功负荷补偿时，需要增加相应的电容量；还有一个缺点就是其安装点比较分散，后期维护与管理难度较大，需要经常在现场运行，操作环境差。

3.3 分散补偿方案

分散补偿也就是分组补偿，它的补偿方式主要是通过分配配电系统中的无功补偿容量，在电网10kV配电线路或者公用变低压侧根据局部分配的负载大小进行电力电容器的投放，从而达到无功补偿的目的， 分散补偿方案主要适用于在负荷较分散的情况下进行补偿。

分散补偿的优势表现在：分组补偿可以改善电力用户负荷分散的情况，从而实现内部无功分区控制和分区平衡，其补偿方式非常灵活，可以应对不同的情况，

在负载不变的情况下，能够增加网络的输出容量[5]。分散补偿方案还可以减少电能消耗，改善电力线路运行的特性，提高整个供电网络的电压质量。

分散补偿的缺点主要体现在：对低压配电线路的无功损耗没有太大的作用，只能用于减少变压器和高压配电线路的无功负荷，相对于集中补偿方式来说，在设备的利用率上，分散补偿也比较欠缺，利用率较低，安装也比较分散，不便于维护与管理[6]。

本文首先对无功功率与功率因数的概念进行了概述，然后对产生无功功率的原理及其作用进行了简单的介绍，最后详细阐述了无功功率补偿与功率因数的改善方案，主要介绍了高压集中补偿方案、就地补偿方案和分散补偿方案，并对每一种补偿方案的优点和缺点进行了详细的介绍。介于本人的理论知识水平还有所缺乏，因此相关方法的介绍可能还不够全面，还需要更多的专家学者加强对无功功率与功率因数的相关探索，提出更优的改善策略。本文也将不断学习与探索，需求更全面的无功功率与功率因数的改善措施，促进我国电力能源能够更加高效的利用。

参考文献：

[1]陈超，张烁，闫宝，等.基于SVG与可变电容器组的综合无功补偿装置研究[J].科技展望，2017，27（28）：102-103.

[2]王波，辛東昊，王乐媛，等.基于恒功率因数控制的风电场无功控制策略优化方法[J].内蒙古电力技术，2017，35（02）：97-100.

[3]贾科，魏宏升，李晨曦，等.基于SVG功率因数调节的光伏电站集中孤岛检测法[J].电力系统自动化，2017，41（06）：92-97+112.

[4]张立，李莉.基于瞬时功率理论的矿井提升机无功补偿策略分析[J].煤矿机械，2017，38（01）：40-42.

[5]周明江，刘永梅.基于PLC的静止动态无功补偿系统的设计与实现[J].淮北职业技术学院学报，2016，15（04）：127-128.

[6]武正飞.企业光伏发电对用电功率因数的影响若干问题探讨[J].科技经济导刊，2016（23）：82-83.

[7]邹少琴.无功补偿自动控制中电力电子技术的应用研究分析[J].电子技术与软件工程，2016（07）：155-156.

[8]肖朝霞，樊世军，杨庆新.基于分层控制策略的光伏-蓄电池系统动态提高并网点功率因数[J].电工技术学报，2016，31（07）：107-117.