提高功率因数进行无功功率补偿有什么意义?无功补偿有哪些方法?

工业之家_一心 · 发表于 2014-11-6 13:51:57

什么是无功功率？
无功功率，从字面上容易理解为“无用的功率”，这是不对的，无功功率应该是“无法对外做功的功率”，简称“无功功率”。
那么，为什么电路中有“无法对外做功的功率”呢？
我们用交流异步电动机来说明这个问题。
交流异步电动机有一个转子，有一个定子。通电以后，定子会产生一个旋转的磁场，转子也会产生一个的旋转磁场，两个磁场力相互作用，转子就转动起来了。这些磁场的力，大部分转化成动力，对外作了功了，但是总会有一小部分磁场力，要保留在电机中，用来维持电机转动，不能变成输出的动力，这部分磁场力对应的功率，就是无功功率。
由此，我们可以说：类似电机、变压器这样一些电感性的电器元件，在工作中需要建立基本的磁场，需要保留一部分不能对外做功的功率，就形成了电路中的感性无功功率。
同样，电路中的电容性元件，在工作中需要建立基本的电场，建立电场需要一部分不能对外做功的功率，就形成了电路中的容性无功功率。
定义：无功功率，是在交流电路中，一些用电设备或元件，为了建立基本的工作状态而向电源索取的功率，它们以磁场或电场的形式存在，不能对外做功。通常是在前半个周期里从电源索取，在后半个周期又退回给电源。无功功率只在设备（或元件）与电源之间不停地交换，并没有真正消耗能量。
无功功率，用字母Q表示，单位为乏（Var）。

什么是功率因数？功率因数如何计算？
通过分析电动机的特性，我们知道了电动机在工作时，不仅要向电源索取有功功率对外做功，还需要无功功率维持自身的旋转。
作为供电部门来说，总是希望把供给用户的电能，都去做有用功，都是有功功率，不希望用户设备中的无功功率太多。虽然无功功率只是不停地在设备和电源之间交换，并不消耗，但是无功功率却占用了电网的容量，使电网的效率降低。
所以供电部门要考核用户用电设备的用电效率，就是要知道用户从电网中索取的电能，有多少用来做有用功了，这就引入了功率因数的概念。
定义：功率因数η：
这里：P有：有功功率，W，或KW
PS ：视在功率，W，或KW
Q：无功功率，Var，或Kvar
因此，功率因数一个效率数据，是反映用户或设备的电能利用效率。功率因数越高，设备需要的无功功率就越少，电能利用率就好。
不过上面的公式在实际中不常使用，更多的是以电量来计算平均功率因数的数据。
供电局就是采用电量计算出用户的平均功率因数：
η平＝（Σ P有*T）/（Σ PS*T）
＝W有/WS
＝W有(W有2+F2)―――（2）
其中：W有：有功电量，Wh，或KWh
WS ：视在电量，Wh，或KWh
F：无功电量，Varh，或Kvarh
因为视在电量没有电表测量，所以最后转换成用有功电量和无功电量来计算，得出用户在一个用电时间内的平均功率因数。
工程计算的时候，有功电量W有的数据，可以是一个月的电量，也可以是一周、或一天、或一小段时间的电量，只要能得出一个可以比较准确的数据就可以了。时间间隔越长，数据就越可信。即：
W有＝上次的电表读数－此刻的电表读数
同样，无功电量F也是这样，只是读取的是无功电量数据。

为什么要重视和提高功率因数？
前面说了，功率因数是反映用户的电能的利用效率，功率因数越高，电网的电能利用率就越高。供电局是希望用户的功率因数越高越好。也就是希望用户从电网索取的，都是有功功率，无功功率越少越好。
大家可能会问：无功功率既然只是能量交换，并没有能量消耗，多一点少一点，有什么关系呢？
要解答这个问题，先要了解电网的容量问题。
电网的容量，就是电网能够提供的最大能量。电网的容量是一个定值，是有限的。有功功率是能量，无功功率也是能量，它们都是由电网提供的，所以当无功功率大了，有功功率的就小了，能提供对外做功的能量就少了。
容量与有功功率、无功功率之间的关系如下：

其中：PS:视在功率，也就是总容量
P有 :有功功率
Q：无功功率
从公式可以看出，当Ps恒定时（容量一般是固定的），若无功功率Q增加,有功功率P有就减少。当无功功率Q很大的时候，有功功率P有就会减少很多，甚至无法满足设备工作。但是用电设备是挂在电网上的，设备会强迫电网提供有功功率，这就是电网负担过重，出现过载，甚至造成电网故障（过载跳闸）。
从用户的角度看，结果也是这样：用户的变压器的容量是固定的，如果用户的设备需要的无功功率过大，就会使有功功率的出力减少，会使变压器输出电压降低，出现电压不合格。这不仅使用电设备不能正常工作，还可能造成设备损坏。
结论：用户的无功功率过大，会导致电网有功功率的输出能力减少，电压下降，频率降低，严重的就引起电网跳闸，出现电网裂解等重大事故。
2003年美国和加拿大发生的美加大停电，最初的导火线，就是因为某区域电网的无功功率不足引起的。
因此，重视补偿无功功率，最重要的原因是保证电网的无功平衡，保证电网的安全。
其次，无功功率虽然不会消耗，但是无功能量在电路上来回传送，无功电流会使能量在线路上产生损耗，造成电能的浪费，而且负荷与电源的距离越远，无功电流造成的损耗就越大。这就是国家提倡大型电动机要就地补偿的原因。

用户做无功补偿的好处有那些？
有用户认为：你供电局有电表，管我有功无功多大，反正我都交钱。为何要罚款？
其实，供电局对于无功功率是不能收费的，因为无功功率并没有损耗，只是占用电网容量。
也有用户知道：提高用户的功率因数，最终是为了提高电网的功率因数，提高电网的效率，保证电网安全，保证电网的电压和频率质量，对于用户来说，好像无关紧要。那么用户做无功补偿有什么好处？
其实，用户做无功补偿，好处是很多的。直观的看，就是为用户省大笔的金钱！有以下几点：
1、利国利己，少被罚款。国家为了电网安全，要求功率因数达到要求，这是法律，任何人都得服从。不被罚款的，虽然被动，但是减少花钱，就等于多赚钱。
2、减少线路损耗。理论上，无功功率不产生损耗。但实际上因为无功功率是在设备和电网之间的电线上来回传递的，电线是有电阻的，无功电流在电线上会发热而产生损耗，虽然损耗不多，但是成年累月下来，数据还是很可观的。做无功补偿，就能减少无功电流的损耗，是省电，等于省钱。
特别是对于大功率设备，如果采用就地补偿，节电效果就会更好。
3、提高电压质量。用户补偿了无功功率，会使变压器的有功输出能力提高，保证变压器输出的电压稳定。电压稳定了，设备工作才会正常。就能减少变压器和设备发生故障的机会，提高设备效率，等等，这都等于少花钱。
4、减少谐波干扰。补偿电容对电网中的高频杂波有一定的吸收作用，能提高电能质量，减少对电子设备（如电脑等）的干扰，增加设备正常工作时间，等于少花钱。许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；因此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。
在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cosφ，其计算公式为：
cosφ=P/S=P/[(P2+Q2)^(1/2)]
P为有功功率，Q为无功功率。
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。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。
1 影响功率因数的主要因素
(1)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。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了60％～70％；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的60％～70％。所以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。
(2)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。
(3)供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。
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。

无功补偿通常采用的方法主要有3种：低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。下面简单介绍这3种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。
(1)低压个别补偿:
低压个别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(如大中型异步电动机)的无功消耗，以补励磁无功为主。低压个别补偿的优点是：用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。
(2)低压集中补偿：
低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。低压补偿的优点：接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。
(3)高压集中补偿：
高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的6～10kV高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端，用户本身又有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用；补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。同时便于运行维护，补偿效益高。

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。
(1)合理使用电动机；
(2)提高异步电动机的检修质量；
(3)采用同步电动机：同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功功率取决于转子中的励磁电流大小，在欠励状态时，定子绕组向电网"吸取"无功，在过励状态时，定子绕组向电网"送出"无功。因此，对于恒速长期运行的大型机构设备可以采用同步电动机作为动力。
异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组适当连接并通入直流励磁电流，使其呈同步电动机运行，这就是"异步电动机同步化"。
(4)合理选择配变容量，改善配变的运行方式：对负载率比较低的配变，一般采取"撤、换、并、停"等方法，使其负载率提高到最佳值，从而改善电网的自然功率因数。

电力系统的无功电源除了同步电机外，还有静电电容器、静止无功补偿器以及静止无功发生器，这4种装置又称为无功补偿装置。除电容器外，其余几种既能吸收容性无功又能吸收感性无功。
(1)同步电机：
同步电机中有发电机、电动机及调相机3种。
①同步发电机：
同步发电机是唯一的有功电源，同时又是最基本的无功电源，当其在额定状态下运行时，可以发出无功功率：
Q=S×sinφ=P×tgφ
其中

、S、P、φ是相对应的无功功率、视在功率、有功功率和功率因数角。
发电机正常运行时,以滞后功率因数运行为主,向系统提供无功，但必要时,也可以减小励磁电流,使功率因数超前,即所谓的"进相运行"，以吸收系统多余的无功。
②同步调相机:
同步调相机是空载运行的同步电机，它能在欠励或过励的情况下向系统吸收或供出无功，装有自励装置的同步电机能根据电压平滑地调节输入或输出的无功功率，这是其优点。但它的有功损耗大、运行维护复杂、响应速度慢，近来已逐渐退出电网运行。
③并联电容器：
并联电容器补偿是目前使用最广泛的一种无功电源，由于通过电容器的交变电流在相位上正好超前于电容器极板上的电压，相反于电感中的滞后，由此可视为向电网"发送”无功功率：
Q=U2/Xc
其中：Q、U、Xc分别为无功功率、电压、电容器容抗。
并联电容器本身功耗很小，装设灵活，节省投资；由它向系统提供无功可以改善功率因数，减少由发电机提供的无功功率。
④静止无功补偿器：
静止无功补偿器是由晶闸管所控制投切电抗器和电容器组成，由于晶闸管对于控制信号反应极为迅速，而且通断次数也可以不受限制。当电压变化时静止补偿器能快速、平滑地调节，以满足动态无功补偿的需要，同时还能做到分相补偿；对于三相不平衡负荷及冲击负荷有较强的适应性；但由于晶闸管控制对电抗器的投切过程中会产生高次谐波，为此需加装专门的滤波器。
⑤静止无功发生器：
它的主体是一个电压源型逆变器，由可关断晶闸管适当的通断，将电容上的直流电压转换成为与电力系统电压同步的三相交流电压，再通过电抗器和变压器并联接入电网。适当控制逆变器的输出电压，就可以灵活地改变其运行工况，使其处于容性、感性或零负荷状态。
与静止无功补偿器相比，静止无功发生器响应速度更快，谐波电流更少，而且在系统电压较低时仍能向系统注入较大的无功。