提高工廠供配電系統(tǒng)功率因數(shù)的方法分析

王道連

（安徽海螺建材設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241070）

1 功率因數(shù)概述

電力系統(tǒng)供配電網(wǎng)絡(luò)中的電能是以交流形式傳輸?shù)模秒娯?fù)荷可以分為電阻性、電容性、電感性三種，電力系統(tǒng)的電源-負(fù)載等效電路如圖1所示。其中，純電阻性負(fù)荷消耗的功率為有功功率；電容性負(fù)荷和電感性負(fù)荷在交流供配電系統(tǒng)中的變壓器、電動(dòng)機(jī)等常見電力系統(tǒng)元件建立交變電磁場(chǎng)和反應(yīng)磁通過程中需要無功功率；電力系統(tǒng)供電電源輸出的總功率為視在功率。圖2所示為供配電系統(tǒng)中有功功率、無功功率和視在功率之間的關(guān)系，可以看出，三者之間的關(guān)系滿足下式：

式中，S表示視在功率，單位為VA、kVA；P表示有功功率，單位為W、kW；Q 表示無功功率，單位為Var、kVar。這時(shí)引入功率因數(shù)的定義：交流電路中，電壓與電流之間相位差的余弦值，用符號(hào)cosφ表示，其值可以通過計(jì)算有功功率與視在功率之比得到，即：

式中，λ表示功率因數(shù)，φ為有功功率與視在功率之間的夾角，即功率因數(shù)角，功率因數(shù)能夠直觀地反映出電力負(fù)荷的電能利用情況。功率因數(shù)可分為自然功率因數(shù)、瞬時(shí)功率因數(shù)、加權(quán)功率因數(shù)等幾類：自然功率因數(shù)是指用電設(shè)備在未安裝無功補(bǔ)償裝置時(shí)設(shè)備自身具備的功率因數(shù)，其數(shù)值由用電設(shè)備的負(fù)荷屬性來決定；瞬時(shí)功率因數(shù)指在某一瞬時(shí)時(shí)刻的功率因數(shù)，與用電設(shè)備的負(fù)荷類型、負(fù)荷大小及供電電壓有關(guān)；加權(quán)功率因數(shù)是指某一段時(shí)間內(nèi)功率因數(shù)的平均值。

圖1 電力系統(tǒng)的電源-負(fù)載等效電路

電系統(tǒng)中有功功率、無功功率和視在功率的關(guān)系圖

2 提高工廠供配電系統(tǒng)功率因數(shù)的方法

2.1 無功補(bǔ)償裝置的選擇

1）串聯(lián)電抗器，隨著工廠生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，供配電系統(tǒng)的波動(dòng)性增強(qiáng)，帶有沖擊性負(fù)荷。電氣設(shè)備運(yùn)行期間，會(huì)產(chǎn)生大量諧波，導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，甚至出現(xiàn)閃變、三相不平衡等問題。從電容器的特點(diǎn)來看，雖然具有抗諧波能力，但也會(huì)放大諧波，增大電容器的損壞程度。對(duì)此，針對(duì)存在諧波干擾的部位，可以增加濾波裝置。其中，有源濾波器的效果好，但是價(jià)格昂貴，其運(yùn)行可靠性有待驗(yàn)證；無源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但占地面積大，會(huì)耗費(fèi)大量銅線、電容器，而且系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生變化，會(huì)削弱濾波效果。

2）無功發(fā)生器，采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）整流控制技術(shù)，實(shí)時(shí)采集工廠供配電系統(tǒng)的電壓、電流等參數(shù)，輔助利用高性能數(shù)字信號(hào)處理器，計(jì)算出電網(wǎng)的無功功率，繼而實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償。以靜止無功發(fā)生器（SVG）為例，是由檢測(cè)模塊、控制運(yùn)算模塊、補(bǔ)償輸出模塊組成。運(yùn)行時(shí)，首先外部CT檢測(cè)供配電系統(tǒng)的電流信息，控制芯片分析當(dāng)前的電流信息，象視在功率S、無功功率Q、功率因數(shù)PF等；然后控制器發(fā)出補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由逆變回路發(fā)出補(bǔ)償電流。SVG的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了無功補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)性、連續(xù)性，既能補(bǔ)償感性無功，又能補(bǔ)償容性無功，將電網(wǎng)的功率因數(shù)穩(wěn)定在0.98以上。

2.2 提高自然功率因數(shù)

用電設(shè)備的自然功率因數(shù)由設(shè)備本身的用電負(fù)荷屬性決定，因此用電設(shè)備自然功率因數(shù)的提高將關(guān)注點(diǎn)放在合理的使用和維護(hù)設(shè)備上。考慮到變壓器、電動(dòng)機(jī)的自然功率因數(shù)與其負(fù)載之間的關(guān)系最為密切，故在工廠供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，變壓器、電動(dòng)機(jī)的選型應(yīng)充分考慮其預(yù)期承載負(fù)載的容量大致范圍，選取最佳容量的變壓設(shè)備和電動(dòng)機(jī)，并保證其工作時(shí)的負(fù)載比例處于其良好運(yùn)行的最佳區(qū)間，既不空載也不過載。同時(shí)，重視變壓器和電動(dòng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)工作能夠使設(shè)備在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于健康工作狀態(tài)，也有利于維持自然功率因數(shù)的穩(wěn)定；另外，在輸配電線路架設(shè)時(shí)應(yīng)當(dāng)注重線纜的選型，選取感抗參數(shù)較小的的線纜，合理架設(shè)輸電線路，降低輸電線路的無功損耗。

3 結(jié)語

現(xiàn)如今，各個(gè)生產(chǎn)行業(yè)的諸多工廠都存在著供配電系統(tǒng)電能利用率不高，電能浪費(fèi)的情況，通過提高工廠供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)來實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)效能和經(jīng)營(yíng)效益的提高仍有很大的發(fā)揮空間。本文分析了各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域工廠供配電系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了幾種提高功率因數(shù)的方法舉措，對(duì)于各個(gè)行業(yè)工廠優(yōu)化供電網(wǎng)路、提高功率因數(shù)具有一定的參考價(jià)值。