發(fā)布時(shí)間：2022-09-20 21:39:35
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的功率因數(shù)樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
Sun Hui
（Guangdong Technical College of Water Conservancy and Electric Engineering，Guangzhou 510635，China）
摘要：本文敘述了供電系統(tǒng)的傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置及其控制，介紹了用半導(dǎo)體開關(guān)器件控制、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。隨著電力電子器件與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，動態(tài)無功補(bǔ)償器SVC正朝著高電壓和大容量方向發(fā)展。
Abstract: This paper describes the traditional reactive power compensation device of in power supply system and its control, introduces characteristics of fast response when controlled by semiconductor switching device. With the development of power electronic devices and computer control technology, dynamic reactive power compensator SVC is developing to the direction of the high voltage and high-capacity.
關(guān)健詞：傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn) 動態(tài)無功補(bǔ)償分析
Key words: the characteristics of traditional reactive power compensation；analysis of dynamic reactive power compensation
中圖分類號：TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-4311（2011）15-0054-01
0引言
在供電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的構(gòu)成有發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線及用戶的負(fù)荷。工業(yè)用戶負(fù)荷中、除電阻爐是電阻負(fù)荷外，其他常用的負(fù)截如電動機(jī)、感應(yīng)加熱設(shè)備、整流裝置等是感性負(fù)截，從電路的角度看，均可等效為電阻與電感的串聯(lián)或并聯(lián)。而輸電線路除個(gè)別高壓系統(tǒng)由于輸電線的分布電容較大，使線路可等效為容性外，其他供電線路，特別是低壓系統(tǒng)，都可將供電線路等效為集中參數(shù)的線路電阻與電感中聯(lián)。
1傳統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償?shù)姆椒?/p>
根據(jù)調(diào)節(jié)同步電機(jī)可以調(diào)節(jié)其無功電流和功率因數(shù)的特點(diǎn)，它是專門制造用來改善電網(wǎng)功率因數(shù)、不帶任何機(jī)械負(fù)載的同步電機(jī)，即同步補(bǔ)償機(jī)，它實(shí)屬是空載的同步電動機(jī)，它的勵(lì)磁電流It與電樞電流lm的V形曲線如圖1所示。
將同步補(bǔ)償機(jī)工作在過勵(lì)狀態(tài)，Im的為超前電網(wǎng)電壓的容性電流，用它可以補(bǔ)償負(fù)載的感性無功電流。為保持在各種情況時(shí)，負(fù)載端電壓比較穩(wěn)定和電網(wǎng)的功率因數(shù)在某一范圍內(nèi)，將同步補(bǔ)償機(jī)與負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)。同步補(bǔ)償機(jī)的勵(lì)磁置用U2大小cosφ2大小進(jìn)行自動控制，以自己改變勵(lì)磁電流大小，從而使電網(wǎng)具有較好的質(zhì)量。同步補(bǔ)償機(jī)調(diào)節(jié)范圍寬，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，起動和控制也麻煩，運(yùn)行費(fèi)用較高，所以一般在大容量系統(tǒng)中用。在過勵(lì)運(yùn)行的同步電動機(jī)也能向電網(wǎng)供給超前的無功，所以對不調(diào)速的大容量機(jī)械，應(yīng)盡量采用同步電動機(jī)拖動，以得到改善電網(wǎng)功率因數(shù)的效益。
并聯(lián)電容器
一般廠用電多用并聯(lián)電容器的方法進(jìn)行功率因數(shù)的改善。若將電容直接接在感性負(fù)載如感應(yīng)電動機(jī)端，則補(bǔ)償效果就可直接改善廠內(nèi)的功率因數(shù)。為集中管理，多數(shù)還是將補(bǔ)償電器設(shè)置在變電所內(nèi)，可以在高壓側(cè)補(bǔ)償，、也可在低壓側(cè)補(bǔ)償。
并聯(lián)電容補(bǔ)償無功提高功率因數(shù)是分組投切的，所以不能很好地保證cosφ和U2的調(diào)節(jié)，且其響應(yīng)速度慢，所以對于要求響應(yīng)較快的無功補(bǔ)償系統(tǒng)來說，就應(yīng)采用靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC），由于SVC動態(tài)性能好，所以又叫它們?yōu)閯討B(tài)無功功率補(bǔ)償裝置。
2靜止無功功率補(bǔ)償裝置（Svc）
對無功功率變化急劇的情況，如電弧爐，大容量變流器等設(shè)備的無功功率補(bǔ)償，常用靜止無功功率補(bǔ)償裝置（SVC）。它的響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好，可以克服電容切換的分段控制，可以進(jìn)行cosφ的動態(tài)補(bǔ)償，它是現(xiàn)在電力電子裝置在供電系中容量非常大的設(shè)備。常用的有用晶閘管或積極可關(guān)斷晶閘管（GTO）控制的固定電容調(diào)電感式無功補(bǔ)償裝置（TCR），也可用固定電感調(diào)電容式的無功補(bǔ)償裝置。
3采用PWM控制方式的整流器是提高有整流器功率因數(shù)的最好方法
對大容量的整流器，由于晶閘管的導(dǎo)通角要根據(jù)負(fù)載要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，在導(dǎo)通角改變的一般情況下，其功率因數(shù)只有0.4-0.6，導(dǎo)通角小時(shí)cosφ更低。所以若將晶閘管相控制整流，改為PWM脈寬調(diào)制式整流，就可提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，用GTO的PWM式整流器電路如圖2（a）所示，圖2（b）畫出整流輸出的問題波形。
由于PWM頻率比工頻高得多，所以濾波器流參數(shù)和尺寸就比工頻帶的小得多。改變脈沖的占空比即可方便調(diào)整輸出的直流電壓動態(tài)的無功功率補(bǔ)償裝置由于用半導(dǎo)體開關(guān)器件控制，有很好的動態(tài)特性，雖現(xiàn)在它們的造價(jià)比起并聯(lián)電容器的傳統(tǒng)方法貴得多，但對無功負(fù)荷變化迅速的重要負(fù)載來說，采用靜止無功補(bǔ)償裝置的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益還是十分顯著的，隨著電力電子器件與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，動態(tài)無功補(bǔ)償器SVC正朝著高電壓和大容量方向發(fā)展。所以它應(yīng)是今后的發(fā)展和推廣應(yīng)用的方向。
參考文獻(xiàn)：
[1]晶閘管串聯(lián)調(diào)壓電容無功的方法（論文期刊，李民族，吳曉楠）.
關(guān)鍵詞：功率因數(shù) 無功功率 有功功率
0 引言
功率因數(shù)是衡量企業(yè)供電系統(tǒng)電能利用程度及電氣設(shè)備使用狀況的一個(gè)具有代表性的重要指標(biāo)之一，通常使用cosφ表示，我們可以用以下幾項(xiàng)來介紹功率因數(shù)的重要性，及提高功率因數(shù)的方法。
1 有功功率和無功功率
企業(yè)的用電設(shè)備大部分都用電磁感應(yīng)原理來工作的，比如：變壓器、電焊機(jī)、電磁感應(yīng)式電動機(jī)等等，它們都是靠電能轉(zhuǎn)化成電磁能再轉(zhuǎn)化為電能或機(jī)械能來實(shí)現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)換，這樣，用電設(shè)備就必須從電網(wǎng)上吸收兩種能量，一部分能量用于做功，即前邊提到得機(jī)械能或熱能，這部分能量大部分是為了滿足生產(chǎn)和生活的需要，稱為有功功率。另一部分能量用來產(chǎn)生交變磁場，它是變壓器、電焊機(jī)或電感線圈形成能量轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)慕橘|(zhì)，沒有了磁場，就沒有了傳輸能量的介質(zhì)，從而使能量只能在電源或用電設(shè)備內(nèi)部消耗，而不能對外傳輸，不能對外做功，這部分功率叫做無功功率。無功，顧名思義就是無用功，其實(shí)它并不是沒有用，沒有它，任何能量都只能自己消耗，不能傳輸，然而它確實(shí)在能量轉(zhuǎn)換的過程中沒有轉(zhuǎn)換成其它能量，所以叫作無功功率。有功功率和無功功率都是電能運(yùn)用所必須的，若有功功率不足，就不能滿足用電負(fù)荷的需要，會將電網(wǎng)電壓拉低，系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢，發(fā)電頻率降低，影響用電質(zhì)量，威脅發(fā)電廠和各用電設(shè)備的安全。若無功功率不足，系統(tǒng)電壓也會降低，電流將會升高，電機(jī)過流過熱，會導(dǎo)致用電設(shè)備絕緣破壞，甚至燒毀。
2 功率因數(shù)
功率因數(shù)是衡量企業(yè)供電系統(tǒng)電能利用程度及電氣設(shè)備使用狀況的一個(gè)具有代表性的重要指標(biāo)之一，通常使用cosφ表示。一個(gè)供電設(shè)備的供電容量通常是用視在功率表示，字面意思就是我們所能看到的功率，即表見功率，但不是真實(shí)功率，它的真實(shí)功率是由視在功率和功率因數(shù)的乘積決定的。所以說功率因數(shù)是一個(gè)非常重要的供電指標(biāo)，而視在功率是由有功功率的平方與無功功率的平方和，開跟號得到的。視在功率確定后，有功功率分量高就稱為功率因數(shù)高，有功功率分量低就稱為功率因數(shù)低，有功功率和無功功率都是靠發(fā)電機(jī)發(fā)出的，然而用電設(shè)備所需要的功率會因設(shè)備的感性和容性不同而不同，當(dāng)用電設(shè)備是感性時(shí)，用電設(shè)備的電壓會超前電流90°；當(dāng)用電設(shè)備是容性時(shí)，電流超前電壓90°，兩個(gè)分量將在一條直線上，但方向相反，用電設(shè)備中感性的居多，所以這就需要一個(gè)容性的負(fù)荷進(jìn)行無功補(bǔ)償了。
3 有功功率和無功功率的三角關(guān)系
上述講的有功功率和無功功率可以用直角三角形的關(guān)系來描述：三角形的兩條直角邊，一個(gè)表示有功功率，一個(gè)表示無功功率，它們的斜邊就是視在功率，有功功率和視在功率之間的夾角就是功率因數(shù)角，功率因數(shù)角的余弦值就是功率因數(shù)。無功功率越少，功率因數(shù)角就越小，它的余弦值就越大，有功功率和視在功率就越接近，也就是說，能量的轉(zhuǎn)換效率也就越高。這就提出了一個(gè)問題，怎樣減少發(fā)電機(jī)的無功輸出？或者說怎樣減少感性負(fù)何的無功吸收？
4 提高功率因數(shù)的意義
由上述3可以看出，要使發(fā)電廠和供電所更有效利用資源進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，就必須合理的進(jìn)行有功功率和無功功率的分配，在無功功率配置合理的情況下，盡量的多發(fā)有功，減少無功功率的輸出。那就要提高用電設(shè)備的功率因數(shù)。當(dāng)供電系統(tǒng)中輸送的有功功率維持恒定的情況下，無功功率增大即功率因數(shù)的降低，就會引起：①系統(tǒng)中輸送的總電流增大，使電氣元件，如變壓器、電抗器、導(dǎo)線等容量增大，從而擴(kuò)大了企業(yè)投資；②由于無功功率增大，造成輸電電流增大，從而也會增大供電設(shè)備的有功損耗；③因?yàn)橄到y(tǒng)中的總電流增大，所以電壓損失增大，造成調(diào)壓困難；④對發(fā)電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子溫度升高，發(fā)電機(jī)達(dá)不到預(yù)期出力；⑤由于系統(tǒng)電流增大，系統(tǒng)電壓降低，會造成其他設(shè)備不能正常出力。所以，我們必須提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。
5 提高功率因數(shù)和無功補(bǔ)償
企業(yè)的感性負(fù)荷大部分是異步電動機(jī)，運(yùn)行時(shí)要消耗一定的無功功率，使得電動機(jī)和輸電線路的電流增大，如果給電動機(jī)增加就地補(bǔ)償電容，不但可以使線路及配電裝置的輸送電流減小，而且還可以減少有功損耗，減少初期的投資容量。下面給出異步電動機(jī)的無功補(bǔ)償計(jì)算公式，以供大家參考：
設(shè)補(bǔ)償前電動機(jī)的無功功率為Q1，補(bǔ)償電容器后的無功功率為Q2，則補(bǔ)償電容器的無功功率為:
Qc=Q1-Q2=P1(tanφ1-tanφ2)=
式中：P1、P2為電動機(jī)運(yùn)行時(shí)輸入/輸出的有功功率，η為電動機(jī)運(yùn)行時(shí)的效率，φ1、φ2為電容器補(bǔ)償前后的功率因數(shù)角。
補(bǔ)償前的功率因數(shù)：cosφ1=(cosφe)1/k ，式中：cosφe為電動機(jī)額定負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)，可從產(chǎn)品目錄中查得，k為電機(jī)定子電流負(fù)載率，k=I1/Ie，其中I1為電機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)測定子電流（A），Ie為電機(jī)的額定電流（A）。
補(bǔ)償后的功率因數(shù)一般是0.95左右，如果再高，投入的成本太大，不經(jīng)濟(jì)，確定了所需補(bǔ)償?shù)臒o功功率Qc之后，那么補(bǔ)償電容量C=
式中：f為電源頻率（Hz），Ue為電機(jī)額定電壓（V），Qc為電容補(bǔ)償?shù)臒o功功率（Var）。
注意：個(gè)別補(bǔ)償?shù)碾娙萑萘繎?yīng)根據(jù)電動機(jī)的功率、負(fù)載率及電網(wǎng)情況適當(dāng)考慮，避免過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償狀態(tài)的出現(xiàn)。
6 補(bǔ)償方式
工業(yè)企業(yè)中常用的電容器補(bǔ)償方式大概有三種：集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償和單個(gè)補(bǔ)償。企業(yè)電力系統(tǒng)的補(bǔ)償方式的選擇，要視企業(yè)的具體情況而定。比如：從無功就地平衡來說，單個(gè)補(bǔ)償?shù)男Ч詈茫▎蝹€(gè)補(bǔ)償應(yīng)用于大容量、長期運(yùn)行、無功功率需要較大的設(shè)備，或者輸電線路較長的設(shè)備，不便于實(shí)現(xiàn)分組補(bǔ)償?shù)膱龊?，這種方式可以減少配線電流，導(dǎo)線截面，配電設(shè)備的容量），不論采取什么樣的補(bǔ)償方式，補(bǔ)償電容必須選擇適當(dāng)，而這一切都是為了提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)。
7結(jié)束語
根據(jù)功率因數(shù)進(jìn)行的無功補(bǔ)償可以有效的提高設(shè)備的利用效率，減小了企業(yè)的初期投資，對企業(yè)供用電的穩(wěn)定性有著深遠(yuǎn)的意義。
參考文獻(xiàn)：
【關(guān)鍵詞】 提高功率因數(shù) 降耗 方法
交流電路中，電源提供的總功率為視在功率S；在電阻性元件（R）上的電功率稱有功功率P；而損耗在電感性元件（L）及電容性元件（C）上的這部分電功率稱無功功率Q。同時(shí)它們之間有著以下關(guān)系。無功功率則給電網(wǎng)帶來額外負(fù)擔(dān)，并且因功率因數(shù)的高低關(guān)系電源的電壓損失和電壓波動，嚴(yán)重時(shí)，會導(dǎo)致設(shè)備損壞，系統(tǒng)解列。而在《供電營業(yè)規(guī)則》中也強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。
1 功率因數(shù)的定義
交流電路中有功功率占視在功率的比率稱功率因數(shù)cosφ，即cosφ=P/S.功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)。而電力系統(tǒng)中的負(fù)載大部分是感性的，電感或電容性負(fù)載也同時(shí)存在，導(dǎo)致功率因數(shù)都小于1。為了最大程度電網(wǎng)和設(shè)備的利用率，就必須提高其功率因數(shù)。
2 功率因數(shù)低的危害
功率因數(shù)低會增加供電線路的功率損失，降低輸電效率。功率因數(shù)低造成供電線路的電壓損失導(dǎo)致供電質(zhì)量下降。連鎖反應(yīng)影響到發(fā)、供、用電設(shè)備的效率。從而增加供電企業(yè)投資成本。而供電企業(yè)對功率因數(shù)的考核，用電企業(yè)加大電費(fèi)支出。
3 影響功率因數(shù)的幾點(diǎn)重要因素
3.1 電力變壓器和異步電動機(jī)運(yùn)行不合理
變壓器的空載會產(chǎn)生大量的無功功率，因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)在長期低負(fù)載或空載狀態(tài)下運(yùn)行。在實(shí)際中由于變壓器容量過大和臺數(shù)選擇不當(dāng)，導(dǎo)致功率因數(shù)的下降。而企業(yè)中的異步電動機(jī)在額定負(fù)載在75%時(shí)，功率因數(shù)為 0.85，而空載時(shí)功率因數(shù)僅0.2-0.3，若長期處于低負(fù)載下運(yùn)行，功率損耗增大，也會使功率因數(shù)明顯降低。
3.2 用電設(shè)備自身的功率因數(shù)低
時(shí)代在發(fā)展，節(jié)能燈逐漸成了主流產(chǎn)品，加上社會的大力推廣節(jié)能燈也讓大家越來越接受，但這類照明用電的功率因數(shù)一般在 0.6-0.7左右，功率因數(shù)比較低。節(jié)能燈雖然可以節(jié)約有功電力，但消耗了大量無功電量。
3.3 補(bǔ)償切換不及時(shí)，負(fù)荷偏相調(diào)整不及時(shí)
一些企業(yè)為節(jié)約成本，聘請一些工資相對便宜的臨時(shí)電工。而這些電工經(jīng)常身兼數(shù)職，加上專業(yè)水平并不達(dá)標(biāo)，造成客戶設(shè)備長期無人管理維護(hù)，導(dǎo)致電力設(shè)備不能處于最佳狀態(tài)運(yùn)行。
4 提高功率因數(shù)的方法及措施
提高功率因數(shù)的方法主要有兩種：一是提高自然功率因數(shù)，減少用電設(shè)備對無功的需要，二是采用無功補(bǔ)償，在用電設(shè)備處安裝能夠提供無功電力的設(shè)備，使無功功率就地得到補(bǔ)償。
4.1 提高自然功率因數(shù)
（1）合理選用電動機(jī)的型號、規(guī)格和容量，使其接近滿載運(yùn)行，防止“大馬拉小車”。
（2）合理配置變壓器，恰當(dāng)?shù)剡x擇其容量。對負(fù)載率小于30%的變壓器，在考慮供電安全的前提下，采取“撤、換、并、?！钡确椒?，使其負(fù)載率提高到最佳值。
（3）安裝空載斷電裝置，避免電動機(jī)或設(shè)備空載運(yùn)行。但是對于那些靜止力矩大、啟動時(shí)間長的機(jī)械，若停車時(shí)間不長，就不宜安裝空載限制器，以免引起頻繁停車，損傷機(jī)械設(shè)備。
（4）變壓器各項(xiàng)負(fù)荷設(shè)計(jì)均衡。負(fù)荷均衡可以減少變壓器阻抗中的無功損耗，提高負(fù)荷的自然功率因數(shù)。
4.2 加裝無功補(bǔ)償
當(dāng)企業(yè)依靠提高自然功率因數(shù)的辦法已不能滿足其對功率因數(shù)的要求時(shí)，工業(yè)企業(yè)需裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置，對功率因數(shù)進(jìn)行人工補(bǔ)償。
（1）就地補(bǔ)償。就地補(bǔ)償是將并聯(lián)補(bǔ)償電容器組裝設(shè)在需要進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)母鱾€(gè)用電設(shè)備旁邊。也稱之為分散補(bǔ)償。這樣的效果是能夠補(bǔ)償安裝部位前端的線路及變壓器的無功功率。其優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償范較大，效果明顯。而投資較大，也成了最大的弊端。
（2）集中補(bǔ)償。目前大多數(shù)企業(yè)采用的另一種無功補(bǔ)償方式，是低壓配電側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償。這種方式中的無功補(bǔ)償裝置是采用低壓并聯(lián)電容器柜，其容量多在幾十至幾百kvar不等。它是根據(jù)用戶負(fù)荷的實(shí)際波動，控制投入相應(yīng)數(shù)量的電容器來進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。其主要目的是實(shí)現(xiàn)用戶所需無功功率的就地平衡，提高專用變用戶的功率因數(shù)，同時(shí)還能在相當(dāng)程度上保障該用戶的電壓水平。
5 選擇多元化，合理補(bǔ)償無功功率
無功補(bǔ)償?shù)脑瓌t是：全面規(guī)劃，合理布局，分級補(bǔ)償，就地平衡。在實(shí)際工作中，我們應(yīng)嚴(yán)格遵循，并以此為切實(shí)做好無功補(bǔ)償工作的立足點(diǎn)和工作思路的出發(fā)點(diǎn)。實(shí)踐中，更應(yīng)根據(jù)具體情況綜合采取補(bǔ)償方式相結(jié)合：
（1）總體平衡與局部平衡相結(jié)合。即既要滿足全網(wǎng)的總無功平衡，又要滿足分線、分站的無功平衡。
（2）集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合，且以分散補(bǔ)償為主，這就要求在負(fù)荷集中的地方進(jìn)行補(bǔ)償，對用電設(shè)備處進(jìn)行分散補(bǔ)償，其目的是盡可能做到無功就地平衡，減少其長距離輸送。
（3）降損與調(diào)壓相結(jié)合，以降損為主。這是針對線路長、分支多、負(fù)荷分散且功率因數(shù)低的線路。其顯著特點(diǎn)是負(fù)荷率低且線路損失大，對這類此線路進(jìn)行無功補(bǔ)償，可明顯提高其供電能力。
6 結(jié)語
功率因數(shù)低給企業(yè)、國家造成的經(jīng)濟(jì)損失是不容忽視的。提高功率因數(shù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它需要企業(yè)內(nèi)、外的通力協(xié)作，合理的選擇補(bǔ)償方式，減少投資成本，才能達(dá)到增效益的目的。對供用電雙方和社會經(jīng)濟(jì)效益來看，都是一件利國利民的好事。嚴(yán)峻的現(xiàn)實(shí)告訴我們，企業(yè)的生存與發(fā)展不僅要抓好生產(chǎn)，還要提高自我用電意識，才能提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)：
[1]黃偉國.《提高功率因數(shù)的意義和方法》.《廣東石油化工專科學(xué)校學(xué)報(bào)》，1995.
關(guān)鍵詞： 10kV線路 功率因數(shù) 分析
近年來，由于電網(wǎng)容量的增加，對電網(wǎng)無功要求也與日俱增。無功電源如同有功電源一樣，是保證電力系統(tǒng)電能、電壓質(zhì)量、降低網(wǎng)絡(luò)損耗以及安全運(yùn)行所不可缺少的部分。在電力系統(tǒng)中，無功要保持平衡，否則，將會使系統(tǒng)電壓下降，嚴(yán)重時(shí)，會導(dǎo)致設(shè)備損壞、系統(tǒng)解列。此外，網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)和電壓降低，使電氣設(shè)備得不到充分利用，促使網(wǎng)絡(luò)傳輸能力下降、損耗增加。因此，解決好網(wǎng)絡(luò)無功補(bǔ)償問題，對網(wǎng)絡(luò)降損節(jié)能有著極為重要的意義.
1、無功補(bǔ)償電容器概述
設(shè)置無功補(bǔ)償電容器是補(bǔ)償無功功率的傳統(tǒng)方法之一，目前在國內(nèi)外均得到廣泛的應(yīng)用。設(shè)置并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)。
并聯(lián)電容器的容量是按正常供電情況設(shè)計(jì)的，為了留有發(fā)展余地，還有適當(dāng)裕量。這樣，當(dāng)變電處于低谷負(fù)載時(shí)，電容器的補(bǔ)償容量勢必過大，出現(xiàn)過補(bǔ)償?shù)那闆r，母線電壓升高，電容器的補(bǔ)償容量與實(shí)際供電電壓成正比，電壓升高會使補(bǔ)償容量進(jìn)一步增大，反過來又會使電壓再升高。電壓升高會導(dǎo)致變壓器、電動機(jī)、電容器等設(shè)備損耗增大，影響使用壽命。若變電所處于高峰負(fù)載，電壓水平低于額定供電電壓，則電容器提供的補(bǔ)償容量下降，并使電壓進(jìn)一步下降，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致局部電壓崩潰。為此，采用雙級或多級自動補(bǔ)償，根據(jù)運(yùn)行情況的需要自動投切，適時(shí)地調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償容量。
電力網(wǎng)絡(luò)除了要負(fù)擔(dān)用電負(fù)荷的有功功率P，還要負(fù)擔(dān)負(fù)荷的無功功率Q，有功功率P、無功功率Q和視在功率S之間存在下述關(guān)系：S=√P2+Q2，COSφ=P/S，被定義為電力網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)，其物理意義是線路的視在功率S，供給有功功率的消耗所占百分?jǐn)?shù)。在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，我們所希望的是，功率因數(shù)越大越好，如能做到這一點(diǎn)，則電路中的視在功率將大部分用來供給有功功率，以減少無功功率的消耗。
2、提高功率因數(shù)的意義
2.1改善設(shè)備的利用率：因?yàn)楣β室驍?shù)可以表示成下述形式
COSφ=P / S=P / √3UI，其中U是線電壓（KV）I是線電流（A），可見，在一定的電壓和電流下，提高COSφ，其輸出的有功功率越大。因此，改善功率因數(shù)是充分發(fā)揮設(shè)備潛能，提高設(shè)備利用率的有效方法。提高電力網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力。視在功率與有功功率成下述關(guān)系P=SCOSφ，可見，在傳送一定有功功率的條件下，COSφ越高，所需視在功率越小。
2.2可減少電壓損失，即提高系統(tǒng)電壓。因?yàn)殡娏W(wǎng)的電壓損失可借用下式求出：U=（PR+QX）/U，可以看出，影響U的因素有四個(gè)：線路的有功功率P、無功功率Q、電阻R和電抗X。如果采用容抗為XC的電容來補(bǔ)償，則電壓損失為U={PR+Q（X-XC）}/U，故采用補(bǔ)償電容提高功率因數(shù)后，電壓損失U減小，改善了電壓質(zhì)量。
2.3減少線路損失（耗）。當(dāng)線路通過電流I時(shí)，其有功損耗P=3I2R×10-3（KW）或P=3（P/UCOSφ）2×10-3=3P2R/U2COS2φ×10-3（KW），可見，線路有共損失P與COS2φ成反比，COSφ越高，P就越小。
3、無功補(bǔ)償總?cè)萘康拇_定
3.1 對10KV線路無功補(bǔ)償容量以提高功率因數(shù)來確定。電力網(wǎng)的最大負(fù)荷月的平均有功功率為P，補(bǔ)償前的功率因數(shù)為COSφ1，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為COSφ2，則所需補(bǔ)償容量可用下式計(jì)算：
QC=P（tgφ1-tgφ2）=p{√（1/ COS2φ1-1）- √（1/ COS2φ2-1）}
有時(shí)需要將COSφ1提高到大于COSφ2而小于COSφ3，則補(bǔ)償容量應(yīng)滿足：
p{√（1/ COS2φ1-1）- √（1/ COS2φ2-1）}≤QC≤p{√（1/ COS2φ1-1）- √（1/ COS2φ3-1）}
3.2 對于低壓線路，一般可按下式計(jì)算其補(bǔ)償容量：
Qc=（20%～40%）Pn
式中 Qc――補(bǔ)償容量（Kvar）
Pn――變壓器的額定容量（KVA）
4、10kV線路無功補(bǔ)償實(shí)例分析
以下對靈璧供電公司35kV漁溝變電所10kV梁集105線路進(jìn)行實(shí)例分析：
4.1 10kV 梁集105線路功率因數(shù)現(xiàn)狀分析：
通過時(shí)間、功率因數(shù)及電量對比我們可得知：漁溝105線路無功量嚴(yán)重不足，如采取定補(bǔ)將產(chǎn)生過補(bǔ)償，我們根據(jù)該線路負(fù)荷、電流等參數(shù)決定采用智能型10kV線路無功補(bǔ)償柜。
在確定好對策方案后，我們于2010年9月10日對漁溝變電站10kV梁集105線路進(jìn)行智能型無功補(bǔ)償電容器選定及安裝工作。
4.2、智能型無功補(bǔ)償電容器選定：
經(jīng)多次研討，選定XBZW-10型高壓無功自動補(bǔ)償裝置，該裝置單元化設(shè)計(jì)、單件元件體積小、重量輕，便于搬運(yùn)運(yùn)輸；各部件之間采用帶航空插頭電纜連接，簡單方便且便于維護(hù)。
該裝置能根據(jù)線路電壓、無功功率、功率因數(shù)等綜合判斷依據(jù)依次投切電容器，從而達(dá)到動態(tài)、自動、精細(xì)補(bǔ)償線路無功的目的。
4.3、智能型無功補(bǔ)償電容器安裝、調(diào)試、投運(yùn)：
4.3.1、安裝位置的確定
根據(jù)以上線路負(fù)荷圖所示可知，梁集105線路全長14.97KM， 所帶配變總?cè)萘考s9560kVA。（29#桿與129#桿之間為兩線路并桿走線，129#桿后分為兩條10kV線路）其中：
主干線142#桿后所帶配變總?cè)萘抗布s4500kVA，約占配變總?cè)萘康?7%；
主干線129#桿往婁圩支線所帶配變總?cè)萘抗灿?jì)約1930kVA，約占配變總?cè)萘康?0%；
主干線76#桿往韓莊支線方向所帶配變總?cè)萘抗灿?jì)790kVA， 約占配變總?cè)萘康?%
主干線29#桿往馬集支線、上渡家支線所帶配變總?cè)萘抗灿?jì)約650kVA，約占配變總?cè)萘康?%。
由此可見，本線路負(fù)荷主要集中在中后部幾個(gè)大分支上，特別是末端，特別適合安裝線路高壓無功自動補(bǔ)償裝置，以降低整條線路損失，提高線路整體功率因數(shù)，提升末端電壓。
本方案為此線路共設(shè)計(jì)補(bǔ)償總?cè)萘?100kvar，根據(jù)負(fù)荷比例分配如下：
（1）142#桿后主干線上安裝一套50（定）+200（動）+200（動）kvar補(bǔ)償裝置補(bǔ)償末端占總線路近半數(shù)的無功負(fù)荷需求，降低大部分線損；
（2）129#桿后往婁圩方向支線上安裝一套50（定）+100（動）+200（動）kvar補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償此大負(fù)荷支線；
（3）76#桿往韓莊方向支線上安裝一套50（定）+100（動）kvar補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償韓莊支線所需無功缺口。
（4）主干線29#桿往馬集方向支線上安裝一套50（定）+100（動）kvar補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償馬集支線所需無功缺口。
這樣，我們在此線路上共用4套高壓無功補(bǔ)償裝置，其中兩套為一級定補(bǔ)兩級動補(bǔ)模式，兩套為一級定補(bǔ)一級動補(bǔ)模式，共投入定補(bǔ)200kvar，動補(bǔ)900kvar.既考慮到了固定的無功負(fù)荷缺口，又考慮到了動態(tài)變化的負(fù)荷波動，通過兩級、三級補(bǔ)償多種電容組合模式使線路上的無功負(fù)荷得到最大程度的補(bǔ)償，以確保線路的節(jié)能效果達(dá)到最優(yōu)化，為打造優(yōu)質(zhì)配電線路奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
4.3.2、安裝容量的確定
4.4 效果檢查及取得效益
無功補(bǔ)償對輸配電網(wǎng)的降損節(jié)能、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)供電和提高供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著極為重要的作用：
4.4.1、減少電力損失，一般工廠動力配線依據(jù)不同的線路及負(fù)載情況，其電力損耗都較大，安裝無功補(bǔ)償裝置提高功率因數(shù)后，總電流降低，可降低供電端與用戶端的電力損失。
4.4.2、改善供電品質(zhì)，提高功率因數(shù)，減少負(fù)載總電流及電壓降。
4.4.3、延長設(shè)備壽命，改善功率因數(shù)后線路總電流減少，使接近或已經(jīng)飽和的變壓器、開關(guān)等設(shè)備和線路的負(fù)荷容量降低，并因此降低溫升從而延長壽命（溫度每降低10℃，壽命可延長1倍）。
4.4.4、滿足電力系統(tǒng)對無功補(bǔ)償?shù)谋O(jiān)測要求，消除因?yàn)楣β室驍?shù)過低而產(chǎn)生的罰款。
以下就以補(bǔ)償后可降低電能損耗做出分析：
漁溝變電站梁集105線路2010年前八個(gè)月總有功電量為7352320kWh，可估算出全年總有功電量為7352320/8*12=11028480 kWh補(bǔ)償前平均力率COSΦ1為0.83，補(bǔ)償后力率COSΦ2為0.99；
按補(bǔ)償前平均線損8%計(jì)算，δP%=（1-COS2Φ1/ COS2Φ2）×100%=30.70%
式中：COSΦ1為補(bǔ)償前的平均功率因數(shù)，此處為0.83
COSΦ2為補(bǔ)償后的平均功率因數(shù)，此處為0.99
即補(bǔ)償后可降低電能損耗百分比：δP%=30.70%
經(jīng)計(jì)算，線損率可減少0.08*0.307=2.456個(gè)百分點(diǎn)，全年減少有功電量為：
11028480kWh×2.456%=270859kWh
每度電0.55元計(jì)算，該設(shè)備安裝后，漁溝變電站梁集105線路每年僅降損一項(xiàng)約有148972元左右的經(jīng)濟(jì)效益。
4.4.5、效果檢查：
2010年9-12月電量、線損、功率因數(shù)實(shí)際值：
從表中可以看出，漁溝變電站梁集105線路自安裝智能型無功補(bǔ)償裝置后功率因數(shù)及線損已達(dá)到預(yù)期目標(biāo)值。
綜上所述，無功補(bǔ)償技術(shù)是提高電網(wǎng)功率因數(shù)及供電能力、減少電壓損失和降低網(wǎng)損的一種有效措施。智能型無功補(bǔ)償電容器具有無功補(bǔ)償原理簡單、安裝方便、投資小，有功損耗小，運(yùn)行維護(hù)簡便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此，在當(dāng)前隨著電力負(fù)荷的增加，要想提高電網(wǎng)系統(tǒng)的利用率，穩(wěn)定線路功率因數(shù)，通過采用補(bǔ)償電容器進(jìn)行合理的補(bǔ)償，是能夠提高供電質(zhì)量并取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益的?！?/p>
參考文獻(xiàn)
引言
電力電子產(chǎn)品的廣泛使用，對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染。這使得功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)成為電力電子研究的一個(gè)熱點(diǎn)。功率因數(shù)校正的目的，就是采用一定的控制方法，使電源的輸入電流跟蹤輸入電壓，功率因數(shù)接近為1。傳統(tǒng)上，模擬控制在開關(guān)電源應(yīng)用中占據(jù)了主導(dǎo)地位[1]。隨著高速度，廉價(jià)的數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)，在開關(guān)電源中使用數(shù)字控制已成為發(fā)展的趨勢[2][3][4][5][6]。
本文對實(shí)現(xiàn)PFC的模擬控制方法和數(shù)字控制方法進(jìn)行了比較，介紹了采用數(shù)字控制的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)討論了采用數(shù)字信號處理器作為控制核心時(shí)的設(shè)計(jì)事項(xiàng)和方法。
1 PFC模擬控制和數(shù)字控制的比較
功率因數(shù)校正的模擬控制方法已經(jīng)使用了多年，也有現(xiàn)成的商業(yè)化集成電路芯片（比如TI/Unitrode的UC3854，F(xiàn)airchild的ML4812，STmicroelectronics的L6561等）。圖1(a)是基于UC3854的模擬控制電路結(jié)構(gòu)方框圖。電路采用平均電流控制方式，通過調(diào)節(jié)電流信號的平均幅度來控制輸出電壓。整流線電壓和電壓誤差放大器的輸出相乘，建立了電流參考信號，這樣，這個(gè)電流參考信號就具有輸入電壓的波形，同時(shí)，也具有輸出電壓的平均幅值。PFC的模擬控制方法簡單直接。但是，控制電路的元器件比較多，電路適應(yīng)性差，容易受到噪聲的干擾，而且調(diào)試麻煩。因此，模擬控制有被數(shù)字控制取代的趨勢。
圖1(b)是PFC的數(shù)字控制原理框圖。類似于模擬方法，使用了兩個(gè)控制環(huán)路：電壓環(huán)和電流環(huán)。電壓環(huán)通過調(diào)節(jié)平均輸入電流來控制直流總線電壓，電流環(huán)控制交流輸入電流使之跟蹤輸入電壓?？刂七^程由DSP完成，通過DSP的軟件來實(shí)現(xiàn)電流和電壓的調(diào)節(jié)。
數(shù)字控制方法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
1）通過軟件調(diào)整控制參數(shù)，比如，增益和帶寬，從而使系統(tǒng)調(diào)試很方便；
2）大量控制設(shè)計(jì)通過DSP來實(shí)現(xiàn)，而用模擬控制器是難以實(shí)現(xiàn)的；
3）在實(shí)際電路中，使用數(shù)字控制可以減少元器件的數(shù)量，從而減少材料和裝配的成本；
4）DSP內(nèi)部的數(shù)字處理不會受到電路噪聲的影響，避免了模擬信號傳遞過程中的畸變、失真，從而控制可靠；
5）如果將網(wǎng)絡(luò)通信和電源軟件調(diào)試技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)遙感、遙測、遙調(diào)。
現(xiàn)在，數(shù)字控制PFC方法已經(jīng)在深入研究。文獻(xiàn)[7]提出了一個(gè)基于模擬儀器公司ADMC401的數(shù)字控制PFC方案，如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，模擬控制變量〔包括輸入電流iL（t），輸入電壓vin（t）和輸出電壓vo（t）〕必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。將模擬控制變量除以他們相應(yīng)的參考值（，和），得到相對值,再由ADC變換器將獲得的相對值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其中iL,n，vin,n，vo,n分別表示相應(yīng)的第n個(gè)采樣值。
數(shù)字控制器包括一個(gè)電流環(huán)和一個(gè)電壓環(huán)。對于電流環(huán)，將指令輸入電流減去輸入電流iL,n所得的電流誤差ie,n輸入到電流環(huán)數(shù)字PI控制器。最后，將控制器輸出的占空比Dn輸入到PWM產(chǎn)生單元，控制開關(guān)S的通斷。對于電壓環(huán)，PFC變換器的輸入電導(dǎo)期待值ge,n與輸入電壓vin,n相乘，得到指令輸入電流iL,n＊。
2 數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)
在實(shí)現(xiàn)一個(gè)電力電子系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)字控制器時(shí)，需要考慮大量的因素，比如，控制處理器的選擇，采樣算法和采樣頻率的確定，PWM信號的產(chǎn)生，控制器和功率電路之間的連接，硬件設(shè)計(jì)和控制算法的軟件實(shí)現(xiàn)等。這些因素都會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大影響，需要細(xì)心設(shè)計(jì)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)。
2.1 微處理器的選擇
在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，微處理器的選擇需要考慮很多的因素，諸如功能，價(jià)格，硬件設(shè)計(jì)的簡單性和軟件支持等?，F(xiàn)在，已經(jīng)有多種內(nèi)嵌有PWM單元和A/D轉(zhuǎn)換等控制外設(shè)的DSP芯片可供選擇(比如TI的TMS320C2XX系列，AD的ADMCXXX系列，Motorola的DSP56800等)。以TI公司的TMS320C2XX系列為例，它擁有很多良好的特性，比如，多個(gè)獨(dú)立可編程的時(shí)鐘，50ns指令周期，16位并聯(lián)乘法器，兩通道多路復(fù)用的10位A/D轉(zhuǎn)換器，還有片內(nèi)RAM和EEPROM等。這使得它成為實(shí)現(xiàn)功率變換系統(tǒng)數(shù)字控制的首選。如果需要進(jìn)一步降低成本，可以選擇STmicro?controller的8位DSPST52x420。
2.2 采樣算法和采樣頻率的選擇
在設(shè)計(jì)數(shù)字控制器時(shí)，選擇合適的采樣頻率起著重要的作用，因?yàn)?，采樣頻率直接影響到可完成的功能和數(shù)字控制系統(tǒng)的可靠性，因此，它應(yīng)該在合成控制器之前確定。對于更高的系統(tǒng)帶寬要求，應(yīng)該使用更高的采樣頻率。然而，采樣頻率的提高也對字長和數(shù)字控制器的計(jì)算速度提出了更高的要求。工程設(shè)計(jì)的目標(biāo)總是使用更低的采樣頻率來達(dá)到給定的設(shè)計(jì)要求。
由于Boost變換器的輸入電流含有大量諧波。因此，采樣頻率必須遠(yuǎn)高于開關(guān)頻率，輸入電流才能不失真地還原。由于開關(guān)頻率已經(jīng)很高（>20kHz），要采用更高的采樣頻率是困難的，而且，處理器也來不及處理相應(yīng)的控制計(jì)算任務(wù)。而使用比較低的頻率將產(chǎn)生頻譜重疊。雖然可以在A/D轉(zhuǎn)換前加入前置濾波，但是，這樣又需要更高的帶寬。因此，采樣頻率選擇與開關(guān)頻率同步，這樣，開關(guān)紋波就成為隱性振蕩，不會在還原信號中出現(xiàn)。這種采樣方法在一個(gè)周期中只采樣一次，稱為SSOP（singlesamplinginoneperiod）方法。采用這種采樣方法時(shí)，有一個(gè)采樣點(diǎn)確定的問題。電感電流在開關(guān)的瞬間存在電流尖峰，如圖3所示。顯然，應(yīng)該避免在開關(guān)點(diǎn)進(jìn)行采樣，否則系統(tǒng)將不能正常工作。在PFC應(yīng)用中，輸入電流必須跟蹤輸入電壓，而且輸出電壓要保持恒定，PWM信號將在一個(gè)大的范圍內(nèi)變動，因此，這個(gè)問題變得更加突出。
為了保證在每次開關(guān)周期中確定一個(gè)固定的采樣點(diǎn)，而且遠(yuǎn)離開關(guān)點(diǎn)，一個(gè)簡單的設(shè)想就是在兩個(gè)尖峰之間（上升沿或者下降沿）的中點(diǎn)進(jìn)行采樣，即采樣平均電流。但是，當(dāng)上升沿或者下降沿非常窄的時(shí)候（即開關(guān)的占空比非常窄或者非常寬），采樣信號的準(zhǔn)確度仍然會受到開關(guān)噪音的影響。如圖4所示，如果采用上升沿采樣，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間較長時(shí)〔圖4（b）〕，采樣點(diǎn)（Ai）是可靠的，反之是不可靠的〔圖4（a）〕。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，采用改進(jìn)的采樣算法。這個(gè)算法同樣是同步采樣，但是，采樣邊沿的選擇取決于開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。如果導(dǎo)通時(shí)間大于關(guān)斷時(shí)間，選擇上升沿；反之采用下降沿。這樣便很好地避免了開關(guān)噪聲的影響。而且算法本身簡單，計(jì)算量少。如圖5所示。
2.3 PWM信號的產(chǎn)生
為了敘述方便，定義一個(gè)開關(guān)周期的起點(diǎn)p，如圖6所示。對大多數(shù)數(shù)字PWM單元來說，占空比的值應(yīng)該在開關(guān)周期開始之前裝載入寄存器，因此，控制變量的采樣應(yīng)該在p點(diǎn)之前準(zhǔn)備好，以便控制算法的計(jì)算及時(shí)完成。這里采用平均電流控制，選擇采樣點(diǎn)，得到每個(gè)開關(guān)周期的輸入平均電流測量值。
理想的采樣點(diǎn)si和實(shí)際采樣點(diǎn)sr之間有一個(gè)時(shí)間延遲τd。τd由兩個(gè)原因造成，一個(gè)是在信號鏈中低通濾波器產(chǎn)生的相移，另一個(gè)是開關(guān)S的開關(guān)指令和實(shí)際開關(guān)動作之間的延遲。這樣，留給處理器完成控制計(jì)算的時(shí)間就是τc。延遲τd和計(jì)算時(shí)間τc共同決定了反饋環(huán)路的延遲。
式中：Ts為開關(guān)周期。
使用頂點(diǎn)規(guī)則采樣PWM方法產(chǎn)生開關(guān)指令。如圖7和圖8所示。對于輸入信號u在平衡值附近的小偏移，頂點(diǎn)規(guī)則采樣PWM的響應(yīng)可以描述為
|gPWM(jω)|=cos(ωTo) （2）
∠gPWM(jω)=wTs/2 （3）
式中：To是穩(wěn)態(tài)時(shí)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間的一半。
因?yàn)?，期望的電流環(huán)的帶寬在1kHz到10kHz之間（開關(guān)頻率為50kHz），PWM的增益趨于統(tǒng)一。因此，頂點(diǎn)規(guī)則采樣PWM的傳輸函數(shù)可以近似為
2.4 電流環(huán)和電壓環(huán)的數(shù)字PI控制器
電壓環(huán)和電流環(huán)都包括PI控制器。參看圖1，一個(gè)數(shù)字PI控制器可以表達(dá)為
un=A0xn＋A1xn－1＋un－1 （5）
或者
gPI(z)=U(z)/X(z)=(A0z+A1)/(z-1) （6）
等效模擬控制器的傳輸函數(shù)是
gPI(s)=U(s)/X(s)=KPI(1+1/stPI) （7）
因?yàn)椴蓸宇l率有限，當(dāng)一個(gè)模擬轉(zhuǎn)換函數(shù)采樣生成離散時(shí)間函數(shù)時(shí)，如果模擬函數(shù)包含了頻率高于1/2采樣頻率的分量，會發(fā)生重疊效應(yīng)，如圖9所示。
為了消除高頻分量（頻率大于fs/2）的影響，使用Tustin規(guī)則
s=2/Ts(z-1)/(z+1) (8)
那么數(shù)字控制器的參數(shù)A0和A1和模擬等效參數(shù)KPI和τPI的關(guān)系為
3 結(jié)語
關(guān)鍵詞：用電；功率因數(shù)；提高；措施。
中圖分類號： F407.61文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
一、項(xiàng)目概述
茂名熱電廠1×600MW “上大壓小”燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組工程項(xiàng)目施工中，使用的施工電源取自茂名市供電局市用電，其施工工區(qū)有水工工區(qū)、生活區(qū)、混泥土攪拌站、鋼筋廠、物管中心等。主要負(fù)荷使用機(jī)具為打樁機(jī)、焊機(jī)、切割機(jī)、鋼筋加工機(jī)、龍門吊、塔吊等機(jī)械設(shè)備，因此大部分負(fù)載為感性設(shè)備負(fù)載，且較多時(shí)候沒有負(fù)荷，為空載狀態(tài)。本工程工期較長，每月電費(fèi)高達(dá)十幾萬元，且電費(fèi)都因功率因素過低，導(dǎo)致供電局的力率罰款。為節(jié)約電費(fèi)成本，響應(yīng)國家節(jié)約能源政策及原則，項(xiàng)目部明確了采取節(jié)能降耗措施的需要。
二、現(xiàn)狀調(diào)查
(1)施工用電調(diào)查
2010年9月份水工部施工用電情況匯總成9月份施工用電情況表（見表1，此表數(shù)據(jù)來自供電局收取電費(fèi)發(fā)票）。
表1、
(2)外部信息搜集
根據(jù)國家電力監(jiān)管部門力率因素調(diào)整電費(fèi)知識宣傳信息，其罰款系數(shù)見（表2）。
表2、
注：該表已作部分省略處理。
根據(jù)電力監(jiān)管相關(guān)部門提供的功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)增減查對表，可知需罰款電費(fèi)高達(dá)總電費(fèi)的37%，總費(fèi)用為13041.70元。其中罰款電費(fèi)為3426.74元。根據(jù)供電局提供的其他區(qū)域發(fā)票及計(jì)算統(tǒng)計(jì)，其9月份電費(fèi)約為156780元，其中罰款電費(fèi)約為43900元。
但是同時(shí)也了解到，當(dāng)用電功率因數(shù)達(dá)到0.85時(shí)可免罰款，高于0.85可以獲得獎勵(lì)。用電功率因數(shù)越高，獎勵(lì)系數(shù)越大。
三、原因分析
根據(jù)降低功率因數(shù)原理:①提高異步電動機(jī)負(fù)載，減少電動機(jī)欠載、空載率；②降低感性電流影響。
從人、料、機(jī)、法、環(huán)五個(gè)方面，用因果關(guān)系圖進(jìn)行分析功率因素低的原因（圖一）。
分析功率因數(shù)低的原因及措施（表3）
表3、
四、措施實(shí)施
針對未采用電容補(bǔ)償，指定專人研究分析電容補(bǔ)償?shù)脑?，制作安裝電容補(bǔ)償器。
（1）電容補(bǔ)償方式選擇
電容補(bǔ)償方式有三種：高壓集中補(bǔ)償、低壓分散補(bǔ)償、低壓成組補(bǔ)償。高壓集中補(bǔ)償補(bǔ)償范圍小，投入小。低壓分散補(bǔ)償補(bǔ)償范圍最大，效果最好，但投資大，利用率不高。低壓成組補(bǔ)償補(bǔ)償范圍較大，投入適中，運(yùn)行維護(hù)方便。因此，選擇低壓成組補(bǔ)償。
（2）設(shè)備的選擇
1）投切方式選擇
電容投切有兩種，即人工投切和自動投切。因施工用電功率因數(shù)變化大，人工投切操作繁重，無法實(shí)現(xiàn)及時(shí)準(zhǔn)確投切，自動投切方式自動跟蹤功率因數(shù)，合理選擇投切電容，準(zhǔn)確快速。因此選用JKG系列無功功率自動補(bǔ)償控制器，該控制器能隨意設(shè)定投入門限、投入延時(shí)、切除延時(shí)、過壓門限、過壓延時(shí)、欠流切除等參數(shù)，能自動跟蹤功率因數(shù)變化合理選擇電容組數(shù)，還能在功率因數(shù)超前時(shí)快速切除已投電容。
2）電容器選擇
BSMJ0.4-20-3型自愈式移相電容器額定工作電壓400V，容量20千乏，三相三角形接法，具有自放電功能，最高過電壓110％額定電壓（每24小時(shí)不超過8小時(shí)），最高過電流130％額定電流，符合使用要求。因此，選用10組BSMJ0.4-20-3型自愈式移相電容器。
其他配件選擇
戶外配電箱1臺；總開關(guān)（NM1-400/3300350A）1把；電互感器（LMZ1-0.5 300/5）3只；空氣開關(guān)（DZ47-60/3 D45）10個(gè)，接觸器（CJ19-32220V）10個(gè)；電流表（6L2-A300/5）3只；氧化鋅避雷器（F-0.22KV）3只；采樣用電流互感器（400/5）1只，信號燈10只。配線若干米。
接線
接線詳見電容補(bǔ)償器接線及實(shí)物圖（圖二）。
（3）建立巡檢制度
由工程部牽頭，建立巡檢制度并實(shí)施。①確定巡檢人員，由持證電工巡檢，保證電容補(bǔ)償器良好的運(yùn)行功況。②確定巡檢時(shí)間，上班、下班前各檢查一遍，雨天中午上班前增加檢查一次。③與廠家保持良好的溝通，在設(shè)備（特別是電容）出現(xiàn)故障時(shí)，第一時(shí)間得到廠家技術(shù)支持。
五、效果檢查
（1）補(bǔ)償效果
通過以上措施，用電功率因數(shù)有了較高的提高，由0.49提高到0.97，已經(jīng)有兩組電容投入補(bǔ)償，提高的幅度較大（圖三）。
圖三、補(bǔ)償后控制器顯示效果
（2）節(jié)約施工成本
水工工區(qū)電量估計(jì)為50萬千瓦時(shí)，補(bǔ)償后功率因數(shù)從0.49提高到0.97。即使不計(jì)算補(bǔ)償后損耗減少增加的收益，僅從功率因數(shù)獎罰就獲得很高的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。功率因數(shù)0.49情況下，根據(jù)功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)增減查對表（表2），可以查得需在標(biāo)準(zhǔn)電費(fèi)外額外多交37%的電費(fèi)：
實(shí)交電費(fèi)＝用電量×標(biāo)準(zhǔn)用電單位×（1＋獎罰額 %）
＝500000×0.8105×（1＋37%）
＝555192.5 （元）
功率因數(shù)0.97情況下，根據(jù)功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)增減查對表（表2），可以查得需在標(biāo)準(zhǔn)電費(fèi)外額外獎勵(lì)1.10%的電費(fèi)：
實(shí)交電費(fèi)＝用電量×標(biāo)準(zhǔn)用電單位×（1＋獎罰額 %）
＝500000×0.8105×（1－1.10%）
＝400792.25 （元）
電容補(bǔ)償裝置購置費(fèi)用為7000元。
經(jīng)濟(jì)效益：555192.5－400792.25－7000＝147400.25 （元）
（3）改善用電質(zhì)量，促進(jìn)施工順利進(jìn)行
電壓趨于穩(wěn)定，電壓波動明顯減少，改善施工用電質(zhì)量，有利施工機(jī)具安全使用，延長施工機(jī)具壽命。促進(jìn)施工順利進(jìn)行，保證按計(jì)劃施工，為整個(gè)項(xiàng)目施工做好支援。
推廣應(yīng)用
根據(jù)水工工區(qū)施工用電采用電容補(bǔ)償所取得的效果，該措施應(yīng)用到其他工區(qū)，及本單位其他施工工地。
六、結(jié)語
功率因素低的情況下對用電戶及電力企業(yè)都是十分不利的， 其主要方面有：降低發(fā)電、供電設(shè)備能力，降低用電設(shè)備的利用率，增大設(shè)備投資；增大系統(tǒng)電壓損失，容易造成電壓波動，電能質(zhì)量嚴(yán)重下降，用電設(shè)備壽命受影響，企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量下降；大大增加電能輸送過程的損耗（因設(shè)備出力不變的情況下，功率因素越低所需電流越大，電能損失自然增大，P=UICOSφ）；增加用戶電費(fèi)費(fèi)用等。因此在我過，提高功率因數(shù)是我國電力監(jiān)管部門大力支持的一項(xiàng)基本政策。希望本論文給相關(guān)用電企業(yè)一些參考。
參考文獻(xiàn)：
[1]《電路》中國電力出版社 楊歡紅、楊爾濱、劉榮暉編
[2]《電路原理》清華大學(xué)出版社陸文娟 編
引言
近年來，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的兩級PFC電路的主要缺點(diǎn)是成本高以及控制電路復(fù)雜。單級功率因數(shù)校正（SSPFC）變換器[1][2][3][4]，將PFC級和DC/DC級結(jié)合在一起大大降低了成本。然而，SSPFC變換器在負(fù)載變輕時(shí)存在直流母線電壓過高的問題。文獻(xiàn)[2]采用反饋線圈雖然降低了直流母線電壓，但卻減小了線電流的導(dǎo)通角，從而增加了總諧波畸變（THD）。
為了解決上述問題，確保在負(fù)載變化時(shí)降低直流母線電壓和減少THD，本文提出了一種具有恒功率控制的SSPFC變換器。能量直接傳遞方式使得該電路在沒有減小線電流導(dǎo)通角的情況下降低了直流母線電壓。恒功率控制使得變換器的輸出在輸出電壓高的時(shí)候可以看成電壓源，在輸出電壓低的時(shí)候可以看成電流源，并且當(dāng)輸出電壓在一定范圍內(nèi)變化的時(shí)候，輸出功率近似恒定。
1 電路工作原理
單級功率因數(shù)校正電路的原理圖如圖1所示。它實(shí)際上是由一個(gè)Boost變換器和一個(gè)flyback變換器組合而成的。Boost變換器工作在DCM模式，在占空比和頻率恒定的情況下可以達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。flyback變換器可以工作在DCM或CCM模式。
為了分析方便，假定整流電壓在一個(gè)開關(guān)周期中為定值，電容CB足夠大使得電壓VB基本恒定，flyback變壓器視為理想變壓器，在原邊并聯(lián)勵(lì)磁電感Lm，flyback變換器工作在CCM模式。則該電路有3種工作模式如圖2所示，主要工作波形如圖3所示。
工作模式1（t0－t1）t0時(shí)刻開關(guān)S導(dǎo)通，直流母線電壓VB加在勵(lì)磁電感Lm上，由于flyback變換器工作在CCM模式，則電流im線性上升可表示為
im=VB/Lm(t－t0)＋im(t0) （1）
而電感Lb工作在DCM模式，電流iLb由零線性上升，其表達(dá)式為
iLb=|Vin|/Lb(t－t0) （2）
開關(guān)S上流過的電流可表示為
isw=iLb＋im （3）
由于二級管Df反向偏置，所以線圈Ns和Np上沒有電流流過。
工作模式2（t1－t2）開關(guān)S在t1時(shí)刻關(guān)斷，二極管Df正向偏置，勵(lì)磁電感Lm上的電壓為nVo(其中n=Np/Ns)，則電流im線性下降可表示為
im=－nVo/Lm(t－t1)＋im(t1) （4）
開關(guān)S上的漏源電壓VDS為VB＋nVo，電感Lb上的電流iLb流過線圈Np和電容CB線性下降，其表達(dá)式為
iLb=－(VB+nVo-|Vin|)/Lb(t－t1)＋iLb(t1) （5）
因此，原邊線圈Np和副邊線圈Ns上流過的電流可分別表示為
ip=iLb＋im （6）
is=nip=n(iLb＋im) （7）
由式（7）可以看出副邊電流由兩部分組成，負(fù)載不但從勵(lì)磁電感Lm上獲取能量而且直接從電感Lb上獲取能量，這就意味著一部分能量可以不經(jīng)過儲能電容CB而直接傳遞給負(fù)載，因此，大大提高了效率并且降低了直流母線電壓。
工作模式3（t2－t3）t2時(shí)刻電流iLb下降到零，二極管Db反向偏置，勵(lì)磁電流繼續(xù)以斜率nVo/Lm線性下降直到t3時(shí)刻開關(guān)S再次導(dǎo)通。此時(shí)原邊線圈Np和副邊線圈Ns上的電流可分別表示為：
ip=im （8）
is=nip=nim （9）
2 恒功率控制方法
圖4給出了恒功率控制的框圖，圖中KVV和KIIo分別為電壓采樣值和電流采樣值，通過電阻R3及R4的分壓得到第一個(gè)運(yùn)放的正向輸入端電壓為＋，信號放大后得到運(yùn)放的輸出端電壓為，這一點(diǎn)的電壓和第二個(gè)運(yùn)放的反向輸入端電壓相等，根據(jù)運(yùn)放的虛短特性，得到第一個(gè)運(yùn)放的輸出電壓與第二個(gè)運(yùn)放的正向輸入端電壓相等，即=Vref，由此可得到式（10）。
(KiIoR4/R3+R4)＋(KVVoR3/R3+R4)=VrefR1/(R1+R2) （10）
假設(shè)a=R2/R1，b=R4/R3，則式（10）表示為
(KiI0b/1+b)＋(KvV0/1+b)=(Vref)/(1+a) （11）
從式(11)可以得到輸出功率Po的表達(dá)式為
Po=VoIo=－(Kv/K1b)Vo2＋[Vref(1+b)/K1b(1+a)]Vo （12）
從式（12）可以看出Po～Vo曲線是一條拋物線，在拋物線的頂點(diǎn)附近，輸出功率Po近似恒定。以輸出電壓80V，輸出功率80W為例，取KV=0.01，KI=0.1，Vref=5V，使拋物線的頂點(diǎn)位于Vo=80V，Po=80W處，則可以計(jì)算出a=27.13，b=8.00。于是式(12)可表示為
Po=－0.0125Vo2＋2Vo （13）
當(dāng)輸出電壓變化范圍為60V～100V（±25％）時(shí)，輸出功率變化為6.25％。
該電路同?具有限壓和限流的功能，通過變換式(11)可得
Io=2－0.0125Vo （14）
Vo=160－80Io （15）
可見在輸出短路時(shí)電流被限制在2A，在輸出開路時(shí)電壓被限制在160V。
3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
基于上述主電路及控制電路，采用以下參數(shù)進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)：Lb=300μH，CB=470μF/450V，Lp=Ls=600μH，fs=50kHz，RL=80Ω。
圖5為輸入線電壓和線電流實(shí)驗(yàn)波形；圖6為輸入電壓變化時(shí)，測量的電路效率，可以看出電路效率在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)可以達(dá)到82％以上，比文獻(xiàn)[2][3]中所提出的電路的效率要高；圖7和圖8分別為不同輸入電壓時(shí)，功率因數(shù)和THD的測量結(jié)果，由圖7可見，電路的功率因數(shù)在輸入電壓為100～150V時(shí)可以達(dá)到0.98，在輸入電壓為220V時(shí)也可達(dá)到0.96；圖9為輸入電壓為220V時(shí)，在不同負(fù)載下直流母線電壓VB的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，仿真與實(shí)驗(yàn)都證明在負(fù)載變化時(shí)直流母線電壓VB可以控制在380V以下。
【關(guān)鍵詞】 提高功率因數(shù) 補(bǔ)償方法 供電企業(yè)
很多用電設(shè)備均是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，如配電變壓器、電動機(jī)等，它們都是依靠建立交變磁場才能進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換和傳遞。為建立交變磁場和感應(yīng)磁通而需要的電功率稱為無功功率，因此，所謂的"無功"并不是"無用"的電功率，只不過它的功率并不轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、熱能而已；在供用電系統(tǒng)中除了需要有功電源外，還需要無功電源，兩者缺一不可。在電力網(wǎng)的運(yùn)行中，功率因數(shù)反映了電源輸出的視在功率被有效利用的程度，我們希望的是功率因數(shù)越大越好。適當(dāng)提高用戶的功率因數(shù)，不但可以充分的發(fā)揮發(fā)、供電設(shè)備的生產(chǎn)能力、減少線路損失、改善電壓質(zhì)量，而且可以提高用戶用電設(shè)備的工作效率和為用戶本身節(jié)約電能。對于全國廣大供電企業(yè)、特別是對現(xiàn)階段全國性的一些改造后的農(nóng)村電網(wǎng)來說，若能有效的搞好低壓補(bǔ)償，不但可以減輕上一級電網(wǎng)補(bǔ)償?shù)膲毫?，改善提高用戶功率因?shù)，而且能夠有效地降低電能損失，減少用戶電費(fèi)。其社會效益及經(jīng)濟(jì)效益都會是非常顯著的。
1 影響功率因數(shù)的幾個(gè)主要因素
電感性設(shè)備和電力變壓器是耗用無功功率的主要設(shè)備，大量的電感性設(shè)備，如異步電動機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等設(shè)備是無功功率的主要消耗者。要改善異步電動機(jī)的功率因數(shù)就要防止電動機(jī)的空載運(yùn)行并盡可能提高負(fù)載率。電力變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無功功率約為滿載時(shí)的1/3。因而，為了改善電力系統(tǒng)和企業(yè)的功率因數(shù)，變壓器不應(yīng)空載運(yùn)行或長期處于低負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)。供電電壓超出規(guī)定范圍也會對功率因數(shù)造成很大影響。當(dāng)供電電壓高于額定值的10%時(shí)，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)供電電壓為額定值的110%時(shí)，一般無功將增加35%左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，無功功率也相應(yīng)減少而使它們的功率因數(shù)有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設(shè)備的正常工作。所以，應(yīng)當(dāng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。電網(wǎng)頻率的波動也會對異步電動機(jī)和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響，綜上所述，我們知道了影響電力系統(tǒng)功率因數(shù)的一些主要因素，因此我們要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電力網(wǎng)功率因數(shù)提高的一些實(shí)用方法，使低壓網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)無功的就地平衡，達(dá)到降損節(jié)能的效果。
2 低壓網(wǎng)的無功補(bǔ)償
隨機(jī)補(bǔ)償。隨機(jī)補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對無功的需要量將單臺或多臺低壓電容器組分散地與用電設(shè)備并接，它與用電設(shè)備共用一套斷路器。通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償個(gè)別大容量且連續(xù)運(yùn)行的無功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無功為主。此種方式可較好地限制農(nóng)網(wǎng)無功峰荷。隨器補(bǔ)償。隨器補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓開關(guān)接在配電變壓器二次側(cè)，以無功補(bǔ)償配電變壓器空載無功的補(bǔ)償方式。配變在輕載或空載時(shí)的無功負(fù)荷主要是變壓器的空載勵(lì)磁無功，配變空載無功是農(nóng)網(wǎng)無功負(fù)荷的主要部分，對于輕負(fù)載的配變而言，這部分損耗占供電量的比例很大，從而導(dǎo)致電費(fèi)單價(jià)的增加，不利于電費(fèi)的同網(wǎng)同價(jià)。跟蹤補(bǔ)償。跟蹤補(bǔ)償是指以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶0.4kV母線上的補(bǔ)償方式。適用于100kVA以上的專用配電用戶，可以替代隨機(jī)、隨器兩種補(bǔ)償方式，補(bǔ)償效果好。這三種補(bǔ)償方式的經(jīng)濟(jì)性接近時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用跟蹤補(bǔ)償方式。采用適當(dāng)措施，設(shè)法提高系統(tǒng)自然功率因數(shù)。提高自然功率因數(shù)是不需要任何補(bǔ)償設(shè)備投資，僅采取各種管理上或技術(shù)上的手段來減少各種用電設(shè)備所消耗的無功功率，這是一種最經(jīng)濟(jì)的提高功率因數(shù)的方法。
3 功率因數(shù)的人工補(bǔ)償
功率因數(shù)是工廠電氣設(shè)備使用狀況和利用程度的具有代表性的重要指標(biāo)，也是保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一項(xiàng)主要指標(biāo)。供電企業(yè)僅僅依靠提高自然功率因數(shù)的辦法已經(jīng)不能滿足工廠對功率因數(shù)的要求，工廠自身還需要裝設(shè)補(bǔ)償裝置，對功率因數(shù)進(jìn)行人工補(bǔ)償。
