发布时间：2022-09-20 21:39:35
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的功率因数样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
Sun Hui
（Guangdong Technical College of Water Conservancy and Electric Engineering，Guangzhou 510635，China）
摘要：本文叙述了供电系统的传统无功补偿装置及其控制，介绍了用半导体开关器件控制、响应速度快的特点。随着电力电子器件与计算机控制技术的发展，动态无功补偿器SVC正朝着高电压和大容量方向发展。
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.
关健词：传统的无功补偿的特点 动态无功补偿分析
Key words: the characteristics of traditional reactive power compensation；analysis of dynamic reactive power compensation
中图分类号：TM7 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）15-0054-01
0引言
在供电系统中，系统的构成有发电机、变压器、输电线及用户的负荷。工业用户负荷中、除电阻炉是电阻负荷外，其他常用的负截如电动机、感应加热设备、整流装置等是感性负截，从电路的角度看，均可等效为电阻与电感的串联或并联。而输电线路除个别高压系统由于输电线的分布电容较大，使线路可等效为容性外，其他供电线路，特别是低压系统，都可将供电线路等效为集中参数的线路电阻与电感中联。
1传统的无功功率补偿的方法
根据调节同步电机可以调节其无功电流和功率因数的特点，它是专门制造用来改善电网功率因数、不带任何机械负载的同步电机，即同步补偿机，它实属是空载的同步电动机，它的励磁电流It与电枢电流lm的V形曲线如图1所示。
将同步补偿机工作在过励状态，Im的为超前电网电压的容性电流，用它可以补偿负载的感性无功电流。为保持在各种情况时，负载端电压比较稳定和电网的功率因数在某一范围内，将同步补偿机与负载并联接入电网。同步补偿机的励磁置用U2大小cosφ2大小进行自动控制，以自己改变励磁电流大小，从而使电网具有较好的质量。同步补偿机调节范围宽，但结构复杂，起动和控制也麻烦，运行费用较高，所以一般在大容量系统中用。在过励运行的同步电动机也能向电网供给超前的无功，所以对不调速的大容量机械，应尽量采用同步电动机拖动，以得到改善电网功率因数的效益。
并联电容器
一般厂用电多用并联电容器的方法进行功率因数的改善。若将电容直接接在感性负载如感应电动机端，则补偿效果就可直接改善厂内的功率因数。为集中管理，多数还是将补偿电器设置在变电所内，可以在高压侧补偿，、也可在低压侧补偿。
并联电容补偿无功提高功率因数是分组投切的，所以不能很好地保证cosφ和U2的调节，且其响应速度慢，所以对于要求响应较快的无功补偿系统来说，就应采用静止无功补偿装置（SVC），由于SVC动态性能好，所以又叫它们为动态无功功率补偿装置。
2静止无功功率补偿装置（Svc）
对无功功率变化急剧的情况，如电弧炉，大容量变流器等设备的无功功率补偿，常用静止无功功率补偿装置（SVC）。它的响应速度快，动态性能好，可以克服电容切换的分段控制，可以进行cosφ的动态补偿，它是现在电力电子装置在供电系中容量非常大的设备。常用的有用晶闸管或积极可关断晶闸管（GTO）控制的固定电容调电感式无功补偿装置（TCR），也可用固定电感调电容式的无功补偿装置。
3采用PWM控制方式的整流器是提高有整流器功率因数的最好方法
对大容量的整流器，由于晶闸管的导通角要根据负载要求进行调节，在导通角改变的一般情况下，其功率因数只有0.4-0.6，导通角小时cosφ更低。所以若将晶闸管相控制整流，改为PWM脉宽调制式整流，就可提高电网的功率因数，用GTO的PWM式整流器电路如图2（a）所示，图2（b）画出整流输出的问题波形。
由于PWM频率比工频高得多，所以滤波器流参数和尺寸就比工频带的小得多。改变脉冲的占空比即可方便调整输出的直流电压动态的无功功率补偿装置由于用半导体开关器件控制，有很好的动态特性，虽现在它们的造价比起并联电容器的传统方法贵得多，但对无功负荷变化迅速的重要负载来说，采用静止无功补偿装置的技术和经济效益还是十分显著的，随着电力电子器件与计算机控制技术的发展，动态无功补偿器SVC正朝着高电压和大容量方向发展。所以它应是今后的发展和推广应用的方向。
参考文献：
[1]晶闸管串联调压电容无功的方法（论文期刊，李民族，吴晓楠）.
关键词：功率因数 无功功率 有功功率
0 引言
功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标之一，通常使用cosφ表示，我们可以用以下几项来介绍功率因数的重要性，及提高功率因数的方法。
1 有功功率和无功功率
企业的用电设备大部分都用电磁感应原理来工作的，比如：变压器、电焊机、电磁感应式电动机等等，它们都是靠电能转化成电磁能再转化为电能或机械能来实现的能量转换，这样，用电设备就必须从电网上吸收两种能量，一部分能量用于做功，即前边提到得机械能或热能，这部分能量大部分是为了满足生产和生活的需要，称为有功功率。另一部分能量用来产生交变磁场，它是变压器、电焊机或电感线圈形成能量转换和传输的介质，没有了磁场，就没有了传输能量的介质，从而使能量只能在电源或用电设备内部消耗，而不能对外传输，不能对外做功，这部分功率叫做无功功率。无功，顾名思义就是无用功，其实它并不是没有用，没有它，任何能量都只能自己消耗，不能传输，然而它确实在能量转换的过程中没有转换成其它能量，所以叫作无功功率。有功功率和无功功率都是电能运用所必须的，若有功功率不足，就不能满足用电负荷的需要，会将电网电压拉低，系统发电机的转速变慢，发电频率降低，影响用电质量，威胁发电厂和各用电设备的安全。若无功功率不足，系统电压也会降低，电流将会升高，电机过流过热，会导致用电设备绝缘破坏，甚至烧毁。
2 功率因数
功率因数是衡量企业供电系统电能利用程度及电气设备使用状况的一个具有代表性的重要指标之一，通常使用cosφ表示。一个供电设备的供电容量通常是用视在功率表示，字面意思就是我们所能看到的功率，即表见功率，但不是真实功率，它的真实功率是由视在功率和功率因数的乘积决定的。所以说功率因数是一个非常重要的供电指标，而视在功率是由有功功率的平方与无功功率的平方和，开跟号得到的。视在功率确定后，有功功率分量高就称为功率因数高，有功功率分量低就称为功率因数低，有功功率和无功功率都是靠发电机发出的，然而用电设备所需要的功率会因设备的感性和容性不同而不同，当用电设备是感性时，用电设备的电压会超前电流90°；当用电设备是容性时，电流超前电压90°，两个分量将在一条直线上，但方向相反，用电设备中感性的居多，所以这就需要一个容性的负荷进行无功补偿了。
3 有功功率和无功功率的三角关系
上述讲的有功功率和无功功率可以用直角三角形的关系来描述：三角形的两条直角边，一个表示有功功率，一个表示无功功率，它们的斜边就是视在功率，有功功率和视在功率之间的夹角就是功率因数角，功率因数角的余弦值就是功率因数。无功功率越少，功率因数角就越小，它的余弦值就越大，有功功率和视在功率就越接近，也就是说，能量的转换效率也就越高。这就提出了一个问题，怎样减少发电机的无功输出？或者说怎样减少感性负何的无功吸收？
4 提高功率因数的意义
由上述3可以看出，要使发电厂和供电所更有效利用资源进行电能的转换和传输，就必须合理的进行有功功率和无功功率的分配，在无功功率配置合理的情况下，尽量的多发有功，减少无功功率的输出。那就要提高用电设备的功率因数。当供电系统中输送的有功功率维持恒定的情况下，无功功率增大即功率因数的降低，就会引起：①系统中输送的总电流增大，使电气元件，如变压器、电抗器、导线等容量增大，从而扩大了企业投资；②由于无功功率增大，造成输电电流增大，从而也会增大供电设备的有功损耗；③因为系统中的总电流增大，所以电压损失增大，造成调压困难；④对发电机来说，转子温度升高，发电机达不到预期出力；⑤由于系统电流增大，系统电压降低，会造成其他设备不能正常出力。所以，我们必须提高供电系统的功率因数。
5 提高功率因数和无功补偿
企业的感性负荷大部分是异步电动机，运行时要消耗一定的无功功率，使得电动机和输电线路的电流增大，如果给电动机增加就地补偿电容，不但可以使线路及配电装置的输送电流减小，而且还可以减少有功损耗，减少初期的投资容量。下面给出异步电动机的无功补偿计算公式，以供大家参考：
设补偿前电动机的无功功率为Q1，补偿电容器后的无功功率为Q2，则补偿电容器的无功功率为:
Qc=Q1-Q2=P1(tanφ1-tanφ2)=
式中：P1、P2为电动机运行时输入/输出的有功功率，η为电动机运行时的效率，φ1、φ2为电容器补偿前后的功率因数角。
补偿前的功率因数：cosφ1=(cosφe)1/k ，式中：cosφe为电动机额定负载时的功率因数，可从产品目录中查得，k为电机定子电流负载率，k=I1/Ie，其中I1为电机运行时的实测定子电流（A），Ie为电机的额定电流（A）。
补偿后的功率因数一般是0.95左右，如果再高，投入的成本太大，不经济，确定了所需补偿的无功功率Qc之后，那么补偿电容量C=
式中：f为电源频率（Hz），Ue为电机额定电压（V），Qc为电容补偿的无功功率（Var）。
注意：个别补偿的电容容量应根据电动机的功率、负载率及电网情况适当考虑，避免过补偿或欠补偿状态的出现。
6 补偿方式
工业企业中常用的电容器补偿方式大概有三种：集中补偿、分组补偿和单个补偿。企业电力系统的补偿方式的选择，要视企业的具体情况而定。比如：从无功就地平衡来说，单个补偿的效果最好（单个补偿应用于大容量、长期运行、无功功率需要较大的设备，或者输电线路较长的设备，不便于实现分组补偿的场合，这种方式可以减少配线电流，导线截面，配电设备的容量），不论采取什么样的补偿方式，补偿电容必须选择适当，而这一切都是为了提高电力系统的功率因数。
7结束语
根据功率因数进行的无功补偿可以有效的提高设备的利用效率，减小了企业的初期投资，对企业供用电的稳定性有着深远的意义。
参考文献：
【关键词】 提高功率因数 降耗 方法
交流电路中，电源提供的总功率为视在功率S；在电阻性元件（R）上的电功率称有功功率P；而损耗在电感性元件（L）及电容性元件（C）上的这部分电功率称无功功率Q。同时它们之间有着以下关系。无功功率则给电网带来额外负担，并且因功率因数的高低关系电源的电压损失和电压波动，严重时，会导致设备损坏，系统解列。而在《供电营业规则》中也强调了这一点。
1 功率因数的定义
交流电路中有功功率占视在功率的比率称功率因数cosφ，即cosφ=P/S.功率因数的大小与电路的负荷性质有关。而电力系统中的负载大部分是感性的，电感或电容性负载也同时存在，导致功率因数都小于1。为了最大程度电网和设备的利用率，就必须提高其功率因数。
2 功率因数低的危害
功率因数低会增加供电线路的功率损失，降低输电效率。功率因数低造成供电线路的电压损失导致供电质量下降。连锁反应影响到发、供、用电设备的效率。从而增加供电企业投资成本。而供电企业对功率因数的考核，用电企业加大电费支出。
3 影响功率因数的几点重要因素
3.1 电力变压器和异步电动机运行不合理
变压器的空载会产生大量的无功功率，因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应在长期低负载或空载状态下运行。在实际中由于变压器容量过大和台数选择不当，导致功率因数的下降。而企业中的异步电动机在额定负载在75%时，功率因数为 0.85，而空载时功率因数仅0.2-0.3，若长期处于低负载下运行，功率损耗增大，也会使功率因数明显降低。
3.2 用电设备自身的功率因数低
时代在发展，节能灯逐渐成了主流产品，加上社会的大力推广节能灯也让大家越来越接受，但这类照明用电的功率因数一般在 0.6-0.7左右，功率因数比较低。节能灯虽然可以节约有功电力，但消耗了大量无功电量。
3.3 补偿切换不及时，负荷偏相调整不及时
一些企业为节约成本，聘请一些工资相对便宜的临时电工。而这些电工经常身兼数职，加上专业水平并不达标，造成客户设备长期无人管理维护，导致电力设备不能处于最佳状态运行。
4 提高功率因数的方法及措施
提高功率因数的方法主要有两种：一是提高自然功率因数，减少用电设备对无功的需要，二是采用无功补偿，在用电设备处安装能够提供无功电力的设备，使无功功率就地得到补偿。
4.1 提高自然功率因数
（1）合理选用电动机的型号、规格和容量，使其接近满载运行，防止“大马拉小车”。
（2）合理配置变压器，恰当地选择其容量。对负载率小于30%的变压器，在考虑供电安全的前提下，采取“撤、换、并、停”等方法，使其负载率提高到最佳值。
（3）安装空载断电装置，避免电动机或设备空载运行。但是对于那些静止力矩大、启动时间长的机械，若停车时间不长，就不宜安装空载限制器，以免引起频繁停车，损伤机械设备。
（4）变压器各项负荷设计均衡。负荷均衡可以减少变压器阻抗中的无功损耗，提高负荷的自然功率因数。
4.2 加装无功补偿
当企业依靠提高自然功率因数的办法已不能满足其对功率因数的要求时，工业企业需装设无功补偿装置，对功率因数进行人工补偿。
（1）就地补偿。就地补偿是将并联补偿电容器组装设在需要进行无功补偿的各个用电设备旁边。也称之为分散补偿。这样的效果是能够补偿安装部位前端的线路及变压器的无功功率。其优点是补偿范较大，效果明显。而投资较大，也成了最大的弊端。
（2）集中补偿。目前大多数企业采用的另一种无功补偿方式，是低压配电侧进行集中补偿。这种方式中的无功补偿装置是采用低压并联电容器柜，其容量多在几十至几百kvar不等。它是根据用户负荷的实际波动，控制投入相应数量的电容器来进行跟踪补偿。其主要目的是实现用户所需无功功率的就地平衡，提高专用变用户的功率因数，同时还能在相当程度上保障该用户的电压水平。
5 选择多元化，合理补偿无功功率
无功补偿的原则是：全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡。在实际工作中，我们应严格遵循，并以此为切实做好无功补偿工作的立足点和工作思路的出发点。实践中，更应根据具体情况综合采取补偿方式相结合：
（1）总体平衡与局部平衡相结合。即既要满足全网的总无功平衡，又要满足分线、分站的无功平衡。
（2）集中补偿与分散补偿相结合，且以分散补偿为主，这就要求在负荷集中的地方进行补偿，对用电设备处进行分散补偿，其目的是尽可能做到无功就地平衡，减少其长距离输送。
（3）降损与调压相结合，以降损为主。这是针对线路长、分支多、负荷分散且功率因数低的线路。其显著特点是负荷率低且线路损失大，对这类此线路进行无功补偿，可明显提高其供电能力。
6 结语
功率因数低给企业、国家造成的经济损失是不容忽视的。提高功率因数是一项系统工程，它需要企业内、外的通力协作，合理的选择补偿方式，减少投资成本，才能达到增效益的目的。对供用电双方和社会经济效益来看，都是一件利国利民的好事。严峻的现实告诉我们，企业的生存与发展不仅要抓好生产，还要提高自我用电意识，才能提高企业经济效益。
参考文献：
[1]黄伟国.《提高功率因数的意义和方法》.《广东石油化工专科学校学报》，1995.
关键词： 10kV线路 功率因数 分析
近年来，由于电网容量的增加，对电网无功要求也与日俱增。无功电源如同有功电源一样，是保证电力系统电能、电压质量、降低网络损耗以及安全运行所不可缺少的部分。在电力系统中，无功要保持平衡，否则，将会使系统电压下降，严重时，会导致设备损坏、系统解列。此外，网络的功率因数和电压降低，使电气设备得不到充分利用，促使网络传输能力下降、损耗增加。因此，解决好网络无功补偿问题，对网络降损节能有着极为重要的意义.
1、无功补偿电容器概述
设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法之一，目前在国内外均得到广泛的应用。设置并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点。
并联电容器的容量是按正常供电情况设计的，为了留有发展余地，还有适当裕量。这样，当变电处于低谷负载时，电容器的补偿容量势必过大，出现过补偿的情况，母线电压升高，电容器的补偿容量与实际供电电压成正比，电压升高会使补偿容量进一步增大，反过来又会使电压再升高。电压升高会导致变压器、电动机、电容器等设备损耗增大，影响使用寿命。若变电所处于高峰负载，电压水平低于额定供电电压，则电容器提供的补偿容量下降，并使电压进一步下降，严重时会导致局部电压崩溃。为此，采用双级或多级自动补偿，根据运行情况的需要自动投切，适时地调节无功补偿容量。
电力网络除了要负担用电负荷的有功功率P，还要负担负荷的无功功率Q，有功功率P、无功功率Q和视在功率S之间存在下述关系：S=√P2+Q2，COSφ=P/S，被定义为电力网络的功率因数，其物理意义是线路的视在功率S，供给有功功率的消耗所占百分数。在电力网的运行中，我们所希望的是，功率因数越大越好，如能做到这一点，则电路中的视在功率将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。
2、提高功率因数的意义
2.1改善设备的利用率：因为功率因数可以表示成下述形式
COSφ=P / S=P / √3UI，其中U是线电压（KV）I是线电流（A），可见，在一定的电压和电流下，提高COSφ，其输出的有功功率越大。因此，改善功率因数是充分发挥设备潜能，提高设备利用率的有效方法。提高电力网络的传输能力。视在功率与有功功率成下述关系P=SCOSφ，可见，在传送一定有功功率的条件下，COSφ越高，所需视在功率越小。
2.2可减少电压损失，即提高系统电压。因为电力网的电压损失可借用下式求出：U=（PR+QX）/U，可以看出，影响U的因素有四个：线路的有功功率P、无功功率Q、电阻R和电抗X。如果采用容抗为XC的电容来补偿，则电压损失为U={PR+Q（X-XC）}/U，故采用补偿电容提高功率因数后，电压损失U减小，改善了电压质量。
2.3减少线路损失（耗）。当线路通过电流I时，其有功损耗P=3I2R×10-3（KW）或P=3（P/UCOSφ）2×10-3=3P2R/U2COS2φ×10-3（KW），可见，线路有共损失P与COS2φ成反比，COSφ越高，P就越小。
3、无功补偿总容量的确定
3.1 对10KV线路无功补偿容量以提高功率因数来确定。电力网的最大负荷月的平均有功功率为P，补偿前的功率因数为COSφ1，补偿后的功率因数为COSφ2，则所需补偿容量可用下式计算：
QC=P（tgφ1-tgφ2）=p{√（1/ COS2φ1-1）- √（1/ COS2φ2-1）}
有时需要将COSφ1提高到大于COSφ2而小于COSφ3，则补偿容量应满足：
p{√（1/ COS2φ1-1）- √（1/ COS2φ2-1）}≤QC≤p{√（1/ COS2φ1-1）- √（1/ COS2φ3-1）}
3.2 对于低压线路，一般可按下式计算其补偿容量：
Qc=（20%～40%）Pn
式中 Qc――补偿容量（Kvar）
Pn――变压器的额定容量（KVA）
4、10kV线路无功补偿实例分析
以下对灵璧供电公司35kV渔沟变电所10kV梁集105线路进行实例分析：
4.1 10kV 梁集105线路功率因数现状分析：
通过时间、功率因数及电量对比我们可得知：渔沟105线路无功量严重不足，如采取定补将产生过补偿，我们根据该线路负荷、电流等参数决定采用智能型10kV线路无功补偿柜。
在确定好对策方案后，我们于2010年9月10日对渔沟变电站10kV梁集105线路进行智能型无功补偿电容器选定及安装工作。
4.2、智能型无功补偿电容器选定：
经多次研讨，选定XBZW-10型高压无功自动补偿装置，该装置单元化设计、单件元件体积小、重量轻，便于搬运运输；各部件之间采用带航空插头电缆连接，简单方便且便于维护。
该装置能根据线路电压、无功功率、功率因数等综合判断依据依次投切电容器，从而达到动态、自动、精细补偿线路无功的目的。
4.3、智能型无功补偿电容器安装、调试、投运：
4.3.1、安装位置的确定
根据以上线路负荷图所示可知，梁集105线路全长14.97KM， 所带配变总容量约9560kVA。（29#杆与129#杆之间为两线路并杆走线，129#杆后分为两条10kV线路）其中：
主干线142#杆后所带配变总容量共约4500kVA，约占配变总容量的47%；
主干线129#杆往娄圩支线所带配变总容量共计约1930kVA，约占配变总容量的20%；
主干线76#杆往韩庄支线方向所带配变总容量共计790kVA， 约占配变总容量的8%
主干线29#杆往马集支线、上渡家支线所带配变总容量共计约650kVA，约占配变总容量的7%。
由此可见，本线路负荷主要集中在中后部几个大分支上，特别是末端，特别适合安装线路高压无功自动补偿装置，以降低整条线路损失，提高线路整体功率因数，提升末端电压。
本方案为此线路共设计补偿总容量1100kvar，根据负荷比例分配如下：
（1）142#杆后主干线上安装一套50（定）+200（动）+200（动）kvar补偿装置补偿末端占总线路近半数的无功负荷需求，降低大部分线损；
（2）129#杆后往娄圩方向支线上安装一套50（定）+100（动）+200（动）kvar补偿装置，补偿此大负荷支线；
（3）76#杆往韩庄方向支线上安装一套50（定）+100（动）kvar补偿装置，补偿韩庄支线所需无功缺口。
（4）主干线29#杆往马集方向支线上安装一套50（定）+100（动）kvar补偿装置，补偿马集支线所需无功缺口。
这样，我们在此线路上共用4套高压无功补偿装置，其中两套为一级定补两级动补模式，两套为一级定补一级动补模式，共投入定补200kvar，动补900kvar.既考虑到了固定的无功负荷缺口，又考虑到了动态变化的负荷波动，通过两级、三级补偿多种电容组合模式使线路上的无功负荷得到最大程度的补偿，以确保线路的节能效果达到最优化，为打造优质配电线路奠定坚实的基础。
4.3.2、安装容量的确定
4.4 效果检查及取得效益
无功补偿对输配电网的降损节能、实现经济供电和提高供电企业的经济效益有着极为重要的作用：
4.4.1、减少电力损失，一般工厂动力配线依据不同的线路及负载情况，其电力损耗都较大，安装无功补偿装置提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端与用户端的电力损失。
4.4.2、改善供电品质，提高功率因数，减少负载总电流及电压降。
4.4.3、延长设备寿命，改善功率因数后线路总电流减少，使接近或已经饱和的变压器、开关等设备和线路的负荷容量降低，并因此降低温升从而延长寿命（温度每降低10℃，寿命可延长1倍）。
4.4.4、满足电力系统对无功补偿的监测要求，消除因为功率因数过低而产生的罚款。
以下就以补偿后可降低电能损耗做出分析：
渔沟变电站梁集105线路2010年前八个月总有功电量为7352320kWh，可估算出全年总有功电量为7352320/8*12=11028480 kWh补偿前平均力率COSΦ1为0.83，补偿后力率COSΦ2为0.99；
按补偿前平均线损8%计算，δP%=（1-COS2Φ1/ COS2Φ2）×100%=30.70%
式中：COSΦ1为补偿前的平均功率因数，此处为0.83
COSΦ2为补偿后的平均功率因数，此处为0.99
即补偿后可降低电能损耗百分比：δP%=30.70%
经计算，线损率可减少0.08*0.307=2.456个百分点，全年减少有功电量为：
11028480kWh×2.456%=270859kWh
每度电0.55元计算，该设备安装后，渔沟变电站梁集105线路每年仅降损一项约有148972元左右的经济效益。
4.4.5、效果检查：
2010年9-12月电量、线损、功率因数实际值：
从表中可以看出，渔沟变电站梁集105线路自安装智能型无功补偿装置后功率因数及线损已达到预期目标值。
综上所述，无功补偿技术是提高电网功率因数及供电能力、减少电压损失和降低网损的一种有效措施。智能型无功补偿电容器具有无功补偿原理简单、安装方便、投资小，有功损耗小，运行维护简便、安全可靠等优点。因此，在当前随着电力负荷的增加，要想提高电网系统的利用率，稳定线路功率因数，通过采用补偿电容器进行合理的补偿，是能够提高供电质量并取得明显的经济效益的。■
参考文献
引言
电力电子产品的广泛使用，对电网造成了严重的谐波污染。这使得功率因数校正（PFC）技术成为电力电子研究的一个热点。功率因数校正的目的，就是采用一定的控制方法，使电源的输入电流跟踪输入电压，功率因数接近为1。传统上，模拟控制在开关电源应用中占据了主导地位[1]。随着高速度，廉价的数字信号处理器（DSP）的出现，在开关电源中使用数字控制已成为发展的趋势[2][3][4][5][6]。
本文对实现PFC的模拟控制方法和数字控制方法进行了比较，介绍了采用数字控制的独特优点。详细讨论了采用数字信号处理器作为控制核心时的设计事项和方法。
1 PFC模拟控制和数字控制的比较
功率因数校正的模拟控制方法已经使用了多年，也有现成的商业化集成电路芯片（比如TI/Unitrode的UC3854，Fairchild的ML4812，STmicroelectronics的L6561等）。图1(a)是基于UC3854的模拟控制电路结构方框图。电路采用平均电流控制方式，通过调节电流信号的平均幅度来控制输出电压。整流线电压和电压误差放大器的输出相乘，建立了电流参考信号，这样，这个电流参考信号就具有输入电压的波形，同时，也具有输出电压的平均幅值。PFC的模拟控制方法简单直接。但是，控制电路的元器件比较多，电路适应性差，容易受到噪声的干扰，而且调试麻烦。因此，模拟控制有被数字控制取代的趋势。
图1(b)是PFC的数字控制原理框图。类似于模拟方法，使用了两个控制环路：电压环和电流环。电压环通过调节平均输入电流来控制直流总线电压，电流环控制交流输入电流使之跟踪输入电压。控制过程由DSP完成，通过DSP的软件来实现电流和电压的调节。
数字控制方法具有以下几个优点：
1）通过软件调整控制参数，比如，增益和带宽，从而使系统调试很方便；
2）大量控制设计通过DSP来实现，而用模拟控制器是难以实现的；
3）在实际电路中，使用数字控制可以减少元器件的数量，从而减少材料和装配的成本；
4）DSP内部的数字处理不会受到电路噪声的影响，避免了模拟信号传递过程中的畸变、失真，从而控制可靠；
5）如果将网络通信和电源软件调试技术相结合，可实现遥感、遥测、遥调。
现在，数字控制PFC方法已经在深入研究。文献[7]提出了一个基于模拟仪器公司ADMC401的数字控制PFC方案，如图2所示。为了实现数字控制，模拟控制变量〔包括输入电流iL（t），输入电压vin（t）和输出电压vo（t）〕必须转换成数字量。将模拟控制变量除以他们相应的参考值（，和），得到相对值,再由ADC变换器将获得的相对值转换成数字量。其中iL,n，vin,n，vo,n分别表示相应的第n个采样值。
数字控制器包括一个电流环和一个电压环。对于电流环，将指令输入电流减去输入电流iL,n所得的电流误差ie,n输入到电流环数字PI控制器。最后，将控制器输出的占空比Dn输入到PWM产生单元，控制开关S的通断。对于电压环，PFC变换器的输入电导期待值ge,n与输入电压vin,n相乘，得到指令输入电流iL,n＊。
2 数字控制的实现
在实现一个电力电子系统的实际数字控制器时，需要考虑大量的因素，比如，控制处理器的选择，采样算法和采样频率的确定，PWM信号的产生，控制器和功率电路之间的连接，硬件设计和控制算法的软件实现等。这些因素都会对系统的性能产生很大影响，需要细心设计和实际实验。
2.1 微处理器的选择
在设计控制系统时，微处理器的选择需要考虑很多的因素，诸如功能，价格，硬件设计的简单性和软件支持等。现在，已经有多种内嵌有PWM单元和A/D转换等控制外设的DSP芯片可供选择(比如TI的TMS320C2XX系列，AD的ADMCXXX系列，Motorola的DSP56800等)。以TI公司的TMS320C2XX系列为例，它拥有很多良好的特性，比如，多个独立可编程的时钟，50ns指令周期，16位并联乘法器，两通道多路复用的10位A/D转换器，还有片内RAM和EEPROM等。这使得它成为实现功率变换系统数字控制的首选。如果需要进一步降低成本，可以选择STmicro?controller的8位DSPST52x420。
2.2 采样算法和采样频率的选择
在设计数字控制器时，选择合适的采样频率起着重要的作用，因为，采样频率直接影响到可完成的功能和数字控制系统的可靠性，因此，它应该在合成控制器之前确定。对于更高的系统带宽要求，应该使用更高的采样频率。然而，采样频率的提高也对字长和数字控制器的计算速度提出了更高的要求。工程设计的目标总是使用更低的采样频率来达到给定的设计要求。
由于Boost变换器的输入电流含有大量谐波。因此，采样频率必须远高于开关频率，输入电流才能不失真地还原。由于开关频率已经很高（>20kHz），要采用更高的采样频率是困难的，而且，处理器也来不及处理相应的控制计算任务。而使用比较低的频率将产生频谱重叠。虽然可以在A/D转换前加入前置滤波，但是，这样又需要更高的带宽。因此，采样频率选择与开关频率同步，这样，开关纹波就成为隐性振荡，不会在还原信号中出现。这种采样方法在一个周期中只采样一次，称为SSOP（singlesamplinginoneperiod）方法。采用这种采样方法时，有一个采样点确定的问题。电感电流在开关的瞬间存在电流尖峰，如图3所示。显然，应该避免在开关点进行采样，否则系统将不能正常工作。在PFC应用中，输入电流必须跟踪输入电压，而且输出电压要保持恒定，PWM信号将在一个大的范围内变动，因此，这个问题变得更加突出。
为了保证在每次开关周期中确定一个固定的采样点，而且远离开关点，一个简单的设想就是在两个尖峰之间（上升沿或者下降沿）的中点进行采样，即采样平均电流。但是，当上升沿或者下降沿非常窄的时候（即开关的占空比非常窄或者非常宽），采样信号的准确度仍然会受到开关噪音的影响。如图4所示，如果采用上升沿采样，当导通时间较长时〔图4（b）〕，采样点（Ai）是可靠的，反之是不可靠的〔图4（a）〕。为了克服这个缺点，采用改进的采样算法。这个算法同样是同步采样，但是，采样边沿的选择取决于开关的导通时间。如果导通时间大于关断时间，选择上升沿；反之采用下降沿。这样便很好地避免了开关噪声的影响。而且算法本身简单，计算量少。如图5所示。
2.3 PWM信号的产生
为了叙述方便，定义一个开关周期的起点p，如图6所示。对大多数数字PWM单元来说，占空比的值应该在开关周期开始之前装载入寄存器，因此，控制变量的采样应该在p点之前准备好，以便控制算法的计算及时完成。这里采用平均电流控制，选择采样点，得到每个开关周期的输入平均电流测量值。
理想的采样点si和实际采样点sr之间有一个时间延迟τd。τd由两个原因造成，一个是在信号链中低通滤波器产生的相移，另一个是开关S的开关指令和实际开关动作之间的延迟。这样，留给处理器完成控制计算的时间就是τc。延迟τd和计算时间τc共同决定了反馈环路的延迟。
式中：Ts为开关周期。
使用顶点规则采样PWM方法产生开关指令。如图7和图8所示。对于输入信号u在平衡值附近的小偏移，顶点规则采样PWM的响应可以描述为
|gPWM(jω)|=cos(ωTo) （2）
∠gPWM(jω)=wTs/2 （3）
式中：To是稳态时开关导通时间的一半。
因为，期望的电流环的带宽在1kHz到10kHz之间（开关频率为50kHz），PWM的增益趋于统一。因此，顶点规则采样PWM的传输函数可以近似为
2.4 电流环和电压环的数字PI控制器
电压环和电流环都包括PI控制器。参看图1，一个数字PI控制器可以表达为
un=A0xn＋A1xn－1＋un－1 （5）
或者
gPI(z)=U(z)/X(z)=(A0z+A1)/(z-1) （6）
等效模拟控制器的传输函数是
gPI(s)=U(s)/X(s)=KPI(1+1/stPI) （7）
因为采样频率有限，当一个模拟转换函数采样生成离散时间函数时，如果模拟函数包含了频率高于1/2采样频率的分量，会发生重叠效应，如图9所示。
为了消除高频分量（频率大于fs/2）的影响，使用Tustin规则
s=2/Ts(z-1)/(z+1) (8)
那么数字控制器的参数A0和A1和模拟等效参数KPI和τPI的关系为
3 结语
关键词：用电；功率因数；提高；措施。
中图分类号： F407.61文献标识码：A 文章编号：
一、项目概述
茂名热电厂1×600MW “上大压小”燃煤汽轮发电机组工程项目施工中，使用的施工电源取自茂名市供电局市用电，其施工工区有水工工区、生活区、混泥土搅拌站、钢筋厂、物管中心等。主要负荷使用机具为打桩机、焊机、切割机、钢筋加工机、龙门吊、塔吊等机械设备，因此大部分负载为感性设备负载，且较多时候没有负荷，为空载状态。本工程工期较长，每月电费高达十几万元，且电费都因功率因素过低，导致供电局的力率罚款。为节约电费成本，响应国家节约能源政策及原则，项目部明确了采取节能降耗措施的需要。
二、现状调查
(1)施工用电调查
2010年9月份水工部施工用电情况汇总成9月份施工用电情况表（见表1，此表数据来自供电局收取电费发票）。
表1、
(2)外部信息搜集
根据国家电力监管部门力率因素调整电费知识宣传信息，其罚款系数见（表2）。
表2、
注：该表已作部分省略处理。
根据电力监管相关部门提供的功率因数调整电费增减查对表，可知需罚款电费高达总电费的37%，总费用为13041.70元。其中罚款电费为3426.74元。根据供电局提供的其他区域发票及计算统计，其9月份电费约为156780元，其中罚款电费约为43900元。
但是同时也了解到，当用电功率因数达到0.85时可免罚款，高于0.85可以获得奖励。用电功率因数越高，奖励系数越大。
三、原因分析
根据降低功率因数原理:①提高异步电动机负载，减少电动机欠载、空载率；②降低感性电流影响。
从人、料、机、法、环五个方面，用因果关系图进行分析功率因素低的原因（图一）。
分析功率因数低的原因及措施（表3）
表3、
四、措施实施
针对未采用电容补偿，指定专人研究分析电容补偿的原理，制作安装电容补偿器。
（1）电容补偿方式选择
电容补偿方式有三种：高压集中补偿、低压分散补偿、低压成组补偿。高压集中补偿补偿范围小，投入小。低压分散补偿补偿范围最大，效果最好，但投资大，利用率不高。低压成组补偿补偿范围较大，投入适中，运行维护方便。因此，选择低压成组补偿。
（2）设备的选择
1）投切方式选择
电容投切有两种，即人工投切和自动投切。因施工用电功率因数变化大，人工投切操作繁重，无法实现及时准确投切，自动投切方式自动跟踪功率因数，合理选择投切电容，准确快速。因此选用JKG系列无功功率自动补偿控制器，该控制器能随意设定投入门限、投入延时、切除延时、过压门限、过压延时、欠流切除等参数，能自动跟踪功率因数变化合理选择电容组数，还能在功率因数超前时快速切除已投电容。
2）电容器选择
BSMJ0.4-20-3型自愈式移相电容器额定工作电压400V，容量20千乏，三相三角形接法，具有自放电功能，最高过电压110％额定电压（每24小时不超过8小时），最高过电流130％额定电流，符合使用要求。因此，选用10组BSMJ0.4-20-3型自愈式移相电容器。
其他配件选择
户外配电箱1台；总开关（NM1-400/3300350A）1把；电互感器（LMZ1-0.5 300/5）3只；空气开关（DZ47-60/3 D45）10个，接触器（CJ19-32220V）10个；电流表（6L2-A300/5）3只；氧化锌避雷器（F-0.22KV）3只；采样用电流互感器（400/5）1只，信号灯10只。配线若干米。
接线
接线详见电容补偿器接线及实物图（图二）。
（3）建立巡检制度
由工程部牵头，建立巡检制度并实施。①确定巡检人员，由持证电工巡检，保证电容补偿器良好的运行功况。②确定巡检时间，上班、下班前各检查一遍，雨天中午上班前增加检查一次。③与厂家保持良好的沟通，在设备（特别是电容）出现故障时，第一时间得到厂家技术支持。
五、效果检查
（1）补偿效果
通过以上措施，用电功率因数有了较高的提高，由0.49提高到0.97，已经有两组电容投入补偿，提高的幅度较大（图三）。
图三、补偿后控制器显示效果
（2）节约施工成本
水工工区电量估计为50万千瓦时，补偿后功率因数从0.49提高到0.97。即使不计算补偿后损耗减少增加的收益，仅从功率因数奖罚就获得很高的经济回报。功率因数0.49情况下，根据功率因数调整电费增减查对表（表2），可以查得需在标准电费外额外多交37%的电费：
实交电费＝用电量×标准用电单位×（1＋奖罚额 %）
＝500000×0.8105×（1＋37%）
＝555192.5 （元）
功率因数0.97情况下，根据功率因数调整电费增减查对表（表2），可以查得需在标准电费外额外奖励1.10%的电费：
实交电费＝用电量×标准用电单位×（1＋奖罚额 %）
＝500000×0.8105×（1－1.10%）
＝400792.25 （元）
电容补偿装置购置费用为7000元。
经济效益：555192.5－400792.25－7000＝147400.25 （元）
（3）改善用电质量，促进施工顺利进行
电压趋于稳定，电压波动明显减少，改善施工用电质量，有利施工机具安全使用，延长施工机具寿命。促进施工顺利进行，保证按计划施工，为整个项目施工做好支援。
推广应用
根据水工工区施工用电采用电容补偿所取得的效果，该措施应用到其他工区，及本单位其他施工工地。
六、结语
功率因素低的情况下对用电户及电力企业都是十分不利的， 其主要方面有：降低发电、供电设备能力，降低用电设备的利用率，增大设备投资；增大系统电压损失，容易造成电压波动，电能质量严重下降，用电设备寿命受影响，企业产品质量下降；大大增加电能输送过程的损耗（因设备出力不变的情况下，功率因素越低所需电流越大，电能损失自然增大，P=UICOSφ）；增加用户电费费用等。因此在我过，提高功率因数是我国电力监管部门大力支持的一项基本政策。希望本论文给相关用电企业一些参考。
参考文献：
[1]《电路》中国电力出版社 杨欢红、杨尔滨、刘荣晖编
[2]《电路原理》清华大学出版社陆文娟 编
引言
近年来，功率因数校正（PFC）技术引起了人们的广泛关注。传统的两级PFC电路的主要缺点是成本高以及控制电路复杂。单级功率因数校正（SSPFC）变换器[1][2][3][4]，将PFC级和DC/DC级结合在一起大大降低了成本。然而，SSPFC变换器在负载变轻时存在直流母线电压过高的问题。文献[2]采用反馈线圈虽然降低了直流母线电压，但却减小了线电流的导通角，从而增加了总谐波畸变（THD）。
为了解决上述问题，确保在负载变化时降低直流母线电压和减少THD，本文提出了一种具有恒功率控制的SSPFC变换器。能量直接传递方式使得该电路在没有减小线电流导通角的情况下降低了直流母线电压。恒功率控制使得变换器的输出在输出电压高的时候可以看成电压源，在输出电压低的时候可以看成电流源，并且当输出电压在一定范围内变化的时候，输出功率近似恒定。
1 电路工作原理
单级功率因数校正电路的原理图如图1所示。它实际上是由一个Boost变换器和一个flyback变换器组合而成的。Boost变换器工作在DCM模式，在占空比和频率恒定的情况下可以达到功率因数校正的目的。flyback变换器可以工作在DCM或CCM模式。
为了分析方便，假定整流电压在一个开关周期中为定值，电容CB足够大使得电压VB基本恒定，flyback变压器视为理想变压器，在原边并联励磁电感Lm，flyback变换器工作在CCM模式。则该电路有3种工作模式如图2所示，主要工作波形如图3所示。
工作模式1（t0－t1）t0时刻开关S导通，直流母线电压VB加在励磁电感Lm上，由于flyback变换器工作在CCM模式，则电流im线性上升可表示为
im=VB/Lm(t－t0)＋im(t0) （1）
而电感Lb工作在DCM模式，电流iLb由零线性上升，其表达式为
iLb=|Vin|/Lb(t－t0) （2）
开关S上流过的电流可表示为
isw=iLb＋im （3）
由于二级管Df反向偏置，所以线圈Ns和Np上没有电流流过。
工作模式2（t1－t2）开关S在t1时刻关断，二极管Df正向偏置，励磁电感Lm上的电压为nVo(其中n=Np/Ns)，则电流im线性下降可表示为
im=－nVo/Lm(t－t1)＋im(t1) （4）
开关S上的漏源电压VDS为VB＋nVo，电感Lb上的电流iLb流过线圈Np和电容CB线性下降，其表达式为
iLb=－(VB+nVo-|Vin|)/Lb(t－t1)＋iLb(t1) （5）
因此，原边线圈Np和副边线圈Ns上流过的电流可分别表示为
ip=iLb＋im （6）
is=nip=n(iLb＋im) （7）
由式（7）可以看出副边电流由两部分组成，负载不但从励磁电感Lm上获取能量而且直接从电感Lb上获取能量，这就意味着一部分能量可以不经过储能电容CB而直接传递给负载，因此，大大提高了效率并且降低了直流母线电压。
工作模式3（t2－t3）t2时刻电流iLb下降到零，二极管Db反向偏置，励磁电流继续以斜率nVo/Lm线性下降直到t3时刻开关S再次导通。此时原边线圈Np和副边线圈Ns上的电流可分别表示为：
ip=im （8）
is=nip=nim （9）
2 恒功率控制方法
图4给出了恒功率控制的框图，图中KVV和KIIo分别为电压采样值和电流采样值，通过电阻R3及R4的分压得到第一个运放的正向输入端电压为＋，信号放大后得到运放的输出端电压为，这一点的电压和第二个运放的反向输入端电压相等，根据运放的虚短特性，得到第一个运放的输出电压与第二个运放的正向输入端电压相等，即=Vref，由此可得到式（10）。
(KiIoR4/R3+R4)＋(KVVoR3/R3+R4)=VrefR1/(R1+R2) （10）
假设a=R2/R1，b=R4/R3，则式（10）表示为
(KiI0b/1+b)＋(KvV0/1+b)=(Vref)/(1+a) （11）
从式(11)可以得到输出功率Po的表达式为
Po=VoIo=－(Kv/K1b)Vo2＋[Vref(1+b)/K1b(1+a)]Vo （12）
从式（12）可以看出Po～Vo曲线是一条抛物线，在抛物线的顶点附近，输出功率Po近似恒定。以输出电压80V，输出功率80W为例，取KV=0.01，KI=0.1，Vref=5V，使抛物线的顶点位于Vo=80V，Po=80W处，则可以计算出a=27.13，b=8.00。于是式(12)可表示为
Po=－0.0125Vo2＋2Vo （13）
当输出电压变化范围为60V～100V（±25％）时，输出功率变化为6.25％。
该电路同?具有限压和限流的功能，通过变换式(11)可得
Io=2－0.0125Vo （14）
Vo=160－80Io （15）
可见在输出短路时电流被限制在2A，在输出开路时电压被限制在160V。
3 仿真与实验结果
基于上述主电路及控制电路，采用以下参数进行了仿真与试验：Lb=300μH，CB=470μF/450V，Lp=Ls=600μH，fs=50kHz，RL=80Ω。
图5为输入线电压和线电流实验波形；图6为输入电压变化时，测量的电路效率，可以看出电路效率在较宽的输入电压范围内可以达到82％以上，比文献[2][3]中所提出的电路的效率要高；图7和图8分别为不同输入电压时，功率因数和THD的测量结果，由图7可见，电路的功率因数在输入电压为100～150V时可以达到0.98，在输入电压为220V时也可达到0.96；图9为输入电压为220V时，在不同负载下直流母线电压VB的仿真与实验结果，仿真与实验都证明在负载变化时直流母线电压VB可以控制在380V以下。
【关键词】 提高功率因数 补偿方法 供电企业
很多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的"无功"并不是"无用"的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。适当提高用户的功率因数，不但可以充分的发挥发、供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质量，而且可以提高用户用电设备的工作效率和为用户本身节约电能。对于全国广大供电企业、特别是对现阶段全国性的一些改造后的农村电网来说，若能有效的搞好低压补偿，不但可以减轻上一级电网补偿的压力，改善提高用户功率因数，而且能够有效地降低电能损失，减少用户电费。其社会效益及经济效益都会是非常显著的。
1 影响功率因数的几个主要因素
电感性设备和电力变压器是耗用无功功率的主要设备，大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。电力变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的10%～15%，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大影响。当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般无功将增加35%左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。电网频率的波动也会对异步电动机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响，综上所述，我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。
2 低压网的无功补偿
随机补偿。随机补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行的无功消耗，以补励磁无功为主。此种方式可较好地限制农网无功峰荷。随器补偿。随器补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器二次侧，以无功补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。跟踪补偿。跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kV母线上的补偿方式。适用于100kVA以上的专用配电用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。采用适当措施，设法提高系统自然功率因数。提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，这是一种最经济的提高功率因数的方法。
3 功率因数的人工补偿
功率因数是工厂电气设备使用状况和利用程度的具有代表性的重要指标，也是保证电网安全、经济运行的一项主要指标。供电企业仅仅依靠提高自然功率因数的办法已经不能满足工厂对功率因数的要求，工厂自身还需要装设补偿装置，对功率因数进行人工补偿。
