電容器在電網中的作用機理

谷若雨

電容器在電網中有三大作用，分別是：1、提高系統功率因素;2、改善系統電壓質量;3、減少線路損耗。而產生這三大作用的原理是無功補償，本論文將闡述無功補償的原理及分析無功補償在電網中的作用。

1.1無功功率與無功補償的基礎知識

1.1.1什么是無功功率？

在交流系統中，除白熾燈、同步電動機外的絕大部分用電設備均消耗無功功率。凡是有電磁線圈的設備，需要建立磁場，就需要消耗無功功率。比如40W的日光燈，除需要40w有功功率，還需要一定的無功功率供鎮流器的線圈建立交變磁場用，變壓器需要一次線圈產生磁場，在二次線圈上產生電壓。沒有無功功率，電動機就不能轉動，變壓器就不能變壓。

先明確有功功率的定義：在正弦電路中，有功功率是指一個周期內的平均功率。

平均功率的定義：瞬時功率在一個周期內的平均值。

A.電阻與有功功率

在交流正弦電阻回路中，設：

則，-

瞬時功率UI=2UI=UI（1-）

所以平均功率

==UI-

由于的積分，所以電阻上的功率為：P=UI

結論：

1、在電阻回路中，電壓與電流同相。

2、有功功率始終是正值，電源提供給電阻負載消耗。

A.電感與感性無功功率

電感中通過電流時：U=

設 i=I

則 U==L（I）=

-

瞬時功率UI=UIsin2wt

平均功率：=0

結論：

1、交流回路中電感是不消耗有功。

2、從功率曲線可以看出，在交流的第一和第三1/4周期內，電壓和電流同相，瞬時功率為正，電源向電感提供功率。說明此時電感內磁場能建立。在交流的第二和第三1/4周期內，電壓和電流反向，瞬時功率為負，電感向電源提供功率。說明此時電感內磁場能釋放。

3、在一個工頻周期內，電感和電源進行了四次能量交換，但并沒有消耗能量，這種能量交換的功率叫做無功功率。對于電感來說，成為感性無功功率。記作

4、雖然電感和電源之間不存在能量的消耗，但是由于實際的線路中是存在電阻的，無功電流在交換的過程中經過電阻會產生有功損耗，所以要盡量減少電感和電源之間的交換，使用無功補償，和電容交換能量，減少輸電損耗。

B.電容與無功功率

電容在交流電壓作用下流過的電流：

=C

設u=

則i= C=C（）=wC

-

瞬時功率UI=-UIsin2wt

平均功率：=0

結論：

1、與電感一樣，交流回路中電容不消耗有功功率。

2、從功率曲線可以看出，在交流的第二和第四1/4周期內，電壓和電流同相，瞬時功率為正，電源向電容充電，提供功率。說明此時電容內電場能建立。在交流的第一和第三1/4周期內，電壓和電流反向，瞬時功率為負，電容向電源放電，提供功率。說明此時電容內電場能釋放。

3、對于電容來說，這種交換的功率成為容性無功功率。記作：

說明：在電力系統中，一般把感性無功稱為無功負荷，把容性無功稱為無功電源。

1.1.2 什么是功率因數？什么是視在功率？

電網中元件分為三種：阻性元件，容性元件，感性元件。我們把電網等效為RLC串聯回路。

=R+jX? X=

阻抗模= 幅角，

設i=I，則U）

瞬時功率：=UI[]

公式表明：瞬時功率分為兩部分，一是恒定不變的UI，二是在一個周期內積分為0的），這是電感或電容與電源之間交換的功率。

有功功率：= UI

無功功率：Q==（）=UI

稱為功率因數;是功率因數角;視在功率S==

幾個概念的物理意義：

有功反應了系統的能量消耗。

無功反應了系統無功設備（容性、感性）磁場能和電場能之間的交換，沒有消耗。

視在功率反應了系統的最大容量。視在功率是電源提供給系統的總功率，其中一部分功率供有功消耗，另一部分供無功交換。

功率因數反映了系統有功功率利用率的高低水平。

1.1.3無功補償的概念

我們知道，在一個正弦周期內，第一、三個1/4周期電容電場能釋放，電感電磁能建立，第二、四個1/4周期電容電場能建立，電感磁場能釋放，二者是剛好相反的過程，如果把相同容量的電感元件和電容元件并接于電源，這種交換功率可以不用在電源和電容電感之間進行，而是在電感元件和電容元件之間進行，這就是無功補償的原理。

對于電感元件 =

對于電容元件 =

如電感元件和電容元件并聯于電源，總功率：

P=+=+=0

所以電容和電感的電抗和容抗值相等時并聯于電源，他們相互交換功率，和電源交換功率為0。這時，電容相當于代替了電源與電感進行功率交換，對于電源來說，負載為阻性，電壓電流同相，=0，=1。

2.1提高功率因數的意義

2.1.1提高功率因數可以提高設備利用率

有功功率：P=UI，當系統UI為定值時，P，這就說明，在相同的視在功率下，功率因數越高，視在功率分配給無功用于交換的功率越少，相應的有功功率越大。

2.1.2提高功率因數可以減少線路損耗

電感與電源交換的無功功率在輸電線路的電阻中會產生有功消耗，因此，用無功補償設備就地進行無功補償可以減少無功在線路流動產生的有功損耗。

2.1.3提高功率因數能改善供電質量

當輸電電路傳遞功率時，它將在線路的電阻和電感元件中產生電壓損耗。

X=

電壓損耗由兩部分組成，一部分由有功功率在線路電阻上產生的電壓損耗，一部分是無功功率在線路電抗中產生的電壓損耗。無功補償，減少了無功功率在電抗中產生的電壓損耗。

參考文獻：

[1] 羅星，王吉紅，馬釗.儲能技術綜述及其在智能電網中的應用展望[J].智能電網，2014（01）：7-12.

[2] 王彥慶.超級電容器在智能電網中的應用[J].電子元件與材料，2014（01）：79-80.

[3] 王承民，孫偉卿，衣濤，顏志敏，張焰.智能電網中儲能技術應用規劃及其效益評估方法綜述[J].中國電機工程學報，2013（07）：33-41+21.

（作者單位：深圳供電局有限公司）