無功功率補償與功率因數的有效改善

肖明愷

摘 要：伴隨科技技術的發展與提高，社會的發展對電力的依賴性逐漸增強，電力也是生產與發展的重要能源之一。在對電力需求不斷提高的同時，對電力功率的有效性也提高了要求。發電設備在輸出有功功率的同時也在發送無功功率，兩種功率同時存在，而無功功率或有功功率的大小與功率因數相關，若功率因數較小，無償功率就會增大，就會降低電力功率的作用效果，而功率因數較大的情況下，才能保證有功功率得到良好的應用。因此，對無功功率補償與功率因數的改善方法進行研究，對于電力能源的高效應用具有重要意義。

關鍵詞：無功補償；功率因數；有功功率；改善

中圖分類號：TM714.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0077-02

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 無功功率與功率因數的概念分析

1.1 有功與無功功率的概念

生活中，我們常用的電力為交流電，而交流電的電源在供電過程中，通常會提供兩種負載形式的電功功率，即有功功率與無功功率。有功功率是對用電設備有用的功率，其在用電設備的運行過程中，將電能轉換為光能、機械能、熱能等形式；而無功功率則是在電路中的內電場與磁場的交換中發生作用，對電氣設備中的磁場建立與維持起到作用，不會對外做功，在帶有電磁線圈的電氣設備運行過程中，會造成無功功率的消耗。

1.2 功率因數的概念

電動機、變壓器等電力負荷設備在電網中是既有電感、又有電阻的點感性負載設備。而點感性負載中的電壓與電流之間存在一個相位差（Φ），研究界將這個相位差的余弦稱為功率因數，即cosΦ，這個功率因數在數值上相當于有功功率（P）與視在功率（S）的比值，也就是說cosΦ=P/S[1]。功率因數是對電源輸出的視在功率的有效應用的幾率，所以在實際的電力應用中，總會希望功率因數大一點。想要達到這個目的，就只能將無功功率降低，這樣才能提高有功功率在視在功率中所在的比例，從而用電設備的做功效率提升，對電力能源的消耗降低，達到改善供電效率的目的。

2 產生無功功率的原理及其作用

2.1 產生無功功率的原理

帶有電感或電容的電網運行中，每1/2個周期內就會發生電感將電源能量轉變成電場進行（或磁場）進行貯存，貯存的電場再將能量向電源釋放的循環過程。在這個循環過程中，只有能量的相互交換過程，不會導致能量的消耗，所以將這個交換過程中的電力功率成為無功功率。相對有功功率來說，無功功率更加抽象，是在電網電路中不斷循環流動的。無功功率不會做功，其對于一個元件來說功率為零，是對電感（或電容）貯存或釋放過程的磁場能量或電場能量需要的真實功率的反應。電力電網結構中的電源、電感元件、電容元件直接的能量交換，而與無功功率相對應的能量是貯存的電感性與電容性能量的總和。

2.2 無功功率的作用

無功功率與無用功率不是等同關系，無功工藝也有其獨特的用處。例如，在電動機的運行過程中，需要建立和維持旋轉磁場，促進轉子的轉動，然后才能帶動機械設備的運轉，其中電動機的轉子磁場就需要吸取電源中的無功功率來形成；再如，變壓器的工作中也需要借助無功功率，才能在變壓器的一次線圈中產生磁場，而二次線圈作出感應電壓[2]。所以，無功功率也是有用的功率，如果沒有無功功率的存在，電動機將不會正常運轉，變壓器也無法正常工作，交流接觸器不會吸合等。

3 無功功率補償與功率因數的改善方案

無功補償的目的是為了提高電網與負載的功率因數，降低設備中所需要的容量，減少電力的不必要的消耗；對電網電壓做到穩定的作用，增強電網質量，促進長距離輸電的穩定性，提高其輸電能力；而在三相負載不平衡的情況下，平衡三相視在功率的作用。因此，無功功率補償是改善功率因數的重要方式。endprint

3.1 高壓集中補償方案

集中補償主要是將電容組集中裝設在企業或地方的總降壓變電網6～10kV的母線上，以此實現提高整個變電所的功率因數的目的，保持供電所的供電范圍內的無功功率達到相對平衡的狀態。集中補償不僅能夠很好的保障供電所的電壓質量，同時還能有效降低高壓線路對電力的無功消耗。這種集中補償方式主要是將配電系統中需要的無功補償的容量整體集中在變電所或配電變壓器的饋電匯流母線上，實現統一無功補償的目的。

高壓集中補償的優勢表現為：在保障變壓器的容量不發生改變的情況下，能夠提高變壓器的供電能力，從而提高設備的利用率；其次，對變壓器的有功輸出也具有提高作用；降低變壓器、高壓輸電線路、母線對電力的有功損耗；再次，可以有效的節約能源，當負荷發生變化時，此種方式能夠很好的對母線進行調節，從而改善電壓質量，達到電容器組自動投切補償；最后，各個設備的利用程度很高，便于操作和監督，從而提高設備的利用率[3]。

高壓集中補償的缺點表現在：首先，這種補償方式會受到補償點的限制，以補償點為界，僅能夠對補償點以上的無功功率進行補償，無法補償補償點以下的功率；其次，高壓側補償方式，會造成補償投資的增大，而為了降低設備投資，通常只在母線的關鍵點上裝1～2組電容器，且采取人工操作的方式，需要投切的容量較大，合閘時還會產生較大的電流，在切除與輕載的情況下還容易發生過電壓的情況，使得系統的運行穩定性受到影響。

3.2 就地補償方案

就地補償方案與集中補償存在一定差異，這種補償方法是通過在用電設備附近安裝電容，通過與就近的電動機的供電回路形成并聯線路，從而達到補償用電系統最末端的電動機對無功功率的消耗的作用，提高配電系統中的功率因數，達到有效的就地補償的結果。

就地補償的優點體現在：采取就地補償方案，可以減小導線的截面，降低電器元件的容量，增強網絡的供電容量，具有較好的適應性。同時，就地補償方案還可以有效防止無功電流向其他電網流動，減少電壓的損耗，從而降低無功損耗，不僅能夠對用戶內部的無功損耗進行補償，同時還能夠對系統進行有效補償，避免了電能的大量流失，從而減少用電費用，具有較好的經濟效益。還有，在三相補償或容量較大的電動機中也可以應用就地補償，可以應用于個別補償、二相以及單相補償中，利用相對較小補償裝置容量，電容器投切沖擊過程產生的電流較小，不會發生過電壓的情況[4]。

就地補償的劣勢表現在，在年利用率較小的設備進行無功補償時，具有較小的利用率；而且就地補償相對于集中補償來說，其投資會更大，因為在進行相同的無功負荷補償時，需要增加相應的電容量；還有一個缺點就是其安裝點比較分散，后期維護與管理難度較大，需要經常在現場運行，操作環境差。

3.3 分散補償方案

分散補償也就是分組補償，它的補償方式主要是通過分配配電系統中的無功補償容量，在電網10kV配電線路或者公用變低壓側根據局部分配的負載大小進行電力電容器的投放，從而達到無功補償的目的， 分散補償方案主要適用于在負荷較分散的情況下進行補償。

分散補償的優勢表現在：分組補償可以改善電力用戶負荷分散的情況，從而實現內部無功分區控制和分區平衡，其補償方式非常靈活，可以應對不同的情況，在負載不變的情況下，能夠增加網絡的輸出容量[5]。分散補償方案還可以減少電能消耗，改善電力線路運行的特性，提高整個供電網絡的電壓質量。

分散補償的缺點主要體現在：對低壓配電線路的無功損耗沒有太大的作用，只能用于減少變壓器和高壓配電線路的無功負荷，相對于集中補償方式來說，在設備的利用率上，分散補償也比較欠缺，利用率較低，安裝也比較分散，不便于維護與管理[6]。

本文首先對無功功率與功率因數的概念進行了概述，然后對產生無功功率的原理及其作用進行了簡單的介紹，最后詳細闡述了無功功率補償與功率因數的改善方案，主要介紹了高壓集中補償方案、就地補償方案和分散補償方案，并對每一種補償方案的優點和缺點進行了詳細的介紹。介于本人的理論知識水平還有所缺乏，因此相關方法的介紹可能還不夠全面，還需要更多的專家學者加強對無功功率與功率因數的相關探索，提出更優的改善策略。本文也將不斷學習與探索，需求更全面的無功功率與功率因數的改善措施，促進我國電力能源能夠更加高效的利用。

參考文獻：

[1]陳超，張爍，閆寶，等.基于SVG與可變電容器組的綜合無功補償裝置研究[J].科技展望，2017，27（28）：102-103.

[2]王波，辛東昊，王樂媛，等.基于恒功率因數控制的風電場無功控制策略優化方法[J].內蒙古電力技術，2017，35（02）：97-100.

[3]賈科，魏宏升，李晨曦，等.基于SVG功率因數調節的光伏電站集中孤島檢測法[J].電力系統自動化，2017，41（06）：92-97+112.

[4]張立，李莉.基于瞬時功率理論的礦井提升機無功補償策略分析[J].煤礦機械，2017，38（01）：40-42.

[5]周明江，劉永梅.基于PLC的靜止動態無功補償系統的設計與實現[J].淮北職業技術學院學報，2016，15（04）：127-128.

[6]武正飛.企業光伏發電對用電功率因數的影響若干問題探討[J].科技經濟導刊，2016（23）：82-83.

[7]鄒少琴.無功補償自動控制中電力電子技術的應用研究分析[J].電子技術與軟件工程，2016（07）：155-156.

[8]肖朝霞，樊世軍，楊慶新.基于分層控制策略的光伏-蓄電池系統動態提高并網點功率因數[J].電工技術學報，2016，31（07）：107-117.endprint