功率因数对供电系统的影响分析及无功补偿

机电研究及设计制造 《机电技术》2010年第4期

图2 相量关系图

图3 功率三角形

功率因数对供电系统的影响分析及无功补偿

周晓华 覃金飞

(广西工学院 电子信息与控制工程系，广西 柳州 545006)

摘 要：针对工厂供电系统中常用的并联电容器无功补偿方式，介绍了并联电容器补偿的基本原理，利用MATLAB 软件分析了功率因数对供电系统的影响，讨论了三种并联电容器补偿方式下无功补偿容量的选择问题。

关键词：功率因数；供电系统；影响分析；无功补偿；补偿容量

中图分类号：TM714.1 文献标识码：A 文章编号：1672－4801(2010)04－071－03

在工厂用电设备中，虽然存在过励状态下的同步电动机等阻容性负荷以及电阻、电容与电感性质的线缆损耗，但是综合了供用电设备负荷之后的供电负荷一般呈阻感性质，甚至呈感性。因此，在运行过程中，除了消耗有功功率外，还需要大量的无功功率在电源至负荷之间交换，从而导致功率因数大大降低，这给工厂供配电系统造成了不利影响。在工厂供配电系统中，补偿无功功率提高功率因数的方法通常是并联电力电容器。根据补偿装置装设地点的不同，工厂供电系统中电力电容器的设置主要有高压集中补偿、低压成组补偿和分散就地补偿三种方式[1]。针对并联电力电容器补偿无功功率以提高功率因数的方法，本文利用MATLAB 软件分析了功率因数对工厂供配电系统的影响，并讨论了三种并联电力电容器无功补偿方式下无功补偿容量的选择方法。

1 电容器补偿原理

图1所示为电容无功补偿原理电路图，未并

联电容C 之前，RL 串联负载流过的电流为L

I ，功率因数角为1φ，在RL 串联负载上并联电容C

之后，产生电容电流C

I ，电路的功率因数角变为2φ。对应的相量关系如图2所示。

根据电路原理的相关知识可知，电感电流L

I 滞后于电压U

，1φ为滞后的功率因数角，

而电容电流C

I 超前于电压U

，2φ为超前的功率因数角。并联

电容C 后，电流I 由L I 与C

I 合成，由图2可以看出，并联电容之后，I 比I L 小，

2φ比1φ小，即功率因数提高了。

图3所示为功率三角形示意图，从图上可以明显看出功率因数的提高与无功功率和视在功率变化的关系。在有功功率P 30不变的情况下，并联电容C 后，无功功率由Q 30

减少到30

Q ′，视在功率S 30也相应地减少到30

S ′，而功率因数从φcos 提高到

'cos φ

2 功率因数对供电系统的影响分析

在图1中，设t U

314cos 2220= V ,在并联电容C 之前，RL 串联负载的有功功率P =10kW ，

功率因数cos 0.6φ=。根据功率三角形，可以得到功率因数与并联电容以及功率因数与电流I 的数学关系[2]

cos φ=

(1)

cos P

I U φ

=

(2)

通过MATLAB 编程运行之后，可以绘出功率因数与电容的关系曲线以及功率因数与电流I

的

图1 电容无功补偿原理电

《机电技术》2010年第4期机电研究及设计制造

关系曲线分别如图4、图5所示。

图4 功率因数与电容的关系曲线

图5 功率因数与电流I的关系曲线

由图4可以看出，功率因数从0.6提高到0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95、1，所并联的电容值呈递增趋势。但是，功率因数从0.9提高到1，曲线变化越来越慢，所以在工程实际中，如果要求用户将功率因数提高到0.9以上，将大大增加电容设备的投资，带来的经济效益却并不显著，供电部门一般要求用户将功率因数保持在0.9左右。

由图5可以看出，随着并联电容值的增加，功率因数不断提高，电流I逐渐递减。

综上所述，功率因数对工厂供配电系统的影响主要表现在以下两个方面：

(1)在输送的有功功率相同的情况下，较低的功率因数将导致系统电流增加。系统电流增加将产生以下后果：

①增加供配电系统中变压器、线缆、母线、开关、互感器等供电设备的容量，从而增加系统的投资成本；

②增加供配电系统的功率损耗，从而增加系统的运行成本；

③增加电压损失，从而降低供电质量，电气设备运行条件变差。

(2)由于在低功率因数情况下，变压器输出的有功功率减少，系统输送的有功成分减少，无功成分增加，降低了供电设备的有效利用率。

3 并联电容器无功补偿容量的选择

3.1 低压电容器自动补偿

这种方式是把低压电容器组装设在车间变压器低压380V母线上，实际补偿容量随自然功率因数的变化而调整，能补偿低压母线前的高压电网、地区电网和整个电力系统的无功功率，并且能使变压器的视在功率减小，从而变压器容量可选得小一些，比较经济，由于安装在变电所低压配电室内，运行维护比较方便。对于工厂存在的谐波源，车间变压器也起到了隔离和衰减谐波的作用，有利于低压移相电容器的安全稳定运行[3]。

此方式下的补偿容量的计算可由图3推得：在图3中，并联电容C后，功率因数从cosφ提高到cosφ′，无功功率由Q30减少到

30

Q′，此时无功

功率的减少量Q30－

30

Q′即为无功功率补偿的容量Q C，即

303030

(tan tan)

C

Q Q Q Pφφ

′′

=−=− (3) 式中tanφ，tanφ′分别为补偿前后功率因数角的正切值。

3.2 高压电容器固定补偿

这种方式是在变电所6~10kV母线上集中装设移相电容器组，只能补偿6~10kV母线前所有向该母线供电的线路上的无功功率，而母线后的用户电网并没有得到无功补偿，因而对于用户来讲，经济效益较差。但由于用户6~10kV母线上无功功率变化比较平稳，因而便于运行管理和调节，而且利用率高，还可提高供电变压器的负荷能力。从全局上看可以改善地区电网，甚至区域大电网的功率因数，所以至今仍是城市及大中型工矿企业的主要无功补偿方式。其无功补偿容量可按下式确定：

30

(tan tan)(tan tan)

C av av av

Q P P

φφαφφ

′′

=−=− (4) 式中:α为月平均负载率，主要考虑由计算负荷计算出的瞬时功率因数与平均功率因数的差异而引入，通常取0.7~0.8

α=。

3.3 分散就地补偿

这种方式是将电容器组分别装设在各组用电