無功功率與有功功率匯總

有功功率和無功功率在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無功功率。有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。比如：5.5千瓦的電動機就是把5.5千瓦的電能轉(zhuǎn)換為機械能，帶動水泵抽水或脫粒機脫粒；各種照明設備將電能轉(zhuǎn)換為光能，供人們生活和工作照明。有功功率的符號用P表示，單位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)。無功功率比較抽象，它是用于電路內(nèi)電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈，除需40多瓦有功功率(鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率)來發(fā)光外，還需80乏左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對外做功，才被稱之為“無功”。無功功率的符號用Q表示，單位為乏(Var)或千乏(kVar)。無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而帶動機械運動，電動機的轉(zhuǎn)子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產(chǎn)生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉(zhuǎn)動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。為了形象地說明這個問題，現(xiàn)舉一個例子：農(nóng)村修水利需要開挖土方運土，運土時用竹筐裝滿土，挑走的土好比是有功功率，挑空竹筐就好比是無功功率，竹筐并不是沒用，沒有竹筐泥土怎么運到堤上呢?在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，那么，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。無功功率對供、用電產(chǎn)生一定的不良影響，主要表現(xiàn)在：(1)降低發(fā)電機有功功率的輸出。(2)降低輸、變電設備的供電能力。(3)造成線路電壓損失增大和電能損耗的增加。(4)造成低功率因數(shù)運行和電壓下降，使電氣設備容量得不到充分發(fā)揮。從發(fā)電機和高壓輸電線供給的無功功率，遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設備才能在額定電壓下工作。這就是電網(wǎng)需要裝設無功補償裝置的道理。設負荷視在功率為S，有功功率為P，無功功率為Q，電壓有效值為，電流有效值為I，則功率三角形如圖1-3。圖中：P=S·cosj=IcosjQ=S·sinj=IsinjS=I有功功率常用單位為瓦或千瓦，無功功率為乏或千乏，視在功率為伏安或千伏安，相位角j為有功功率與視在功率的夾角，稱為力率角或功率因數(shù)角，cosj表示有功功率P和視在功率S的比值，稱為力率或功率因數(shù)。圖1-3功率三角形在感性電路中，電流落后于電壓，j>0，Q為正值，而在容性電路中，電流超前于電壓，j<0，Q為負值。交流電在通過純電阻的時候,電能都轉(zhuǎn)成了熱能,而在通過純?nèi)菪曰蛘呒兏行载撦d的時候,并不做功.也就是說沒有消耗電能,即為無功功率.當然實際負載,不可能為純?nèi)菪载撦d或者純感性負載,一般都是混合性負載,這樣電流在通過它們的時候,就有部分電能不做功,就是無功功率,此時的功率因數(shù)小于1,為了提高電能的利用率,就要進行無功補償。在大系統(tǒng)中，無功補償還用于調(diào)整電網(wǎng)的電壓，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。在小系統(tǒng)中，通過恰當?shù)臒o功補償方法還可以調(diào)整三相不平衡電流。按照wangs定理：在相與相之間跨接的電感或者電容可以在相間轉(zhuǎn)移有功電流。因此，對于三相電流不平衡的系統(tǒng)，只要恰當?shù)卦诟飨嗯c相之間以及各相與零線之間接入不同容量的電容器，不但可以將各相的功率因數(shù)均補償至1，而且可以使各相的有功電流達到平衡狀態(tài)。無功補償原理：無功補償?shù)幕驹恚弘娋W(wǎng)輸出的功率包括兩部分;一是有功功率：直接消耗電能,把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,熱能,化學能或聲能,利用這些能作功,這部分功率稱為有功功率;二是無功功率：不消耗電能;只是把電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能,這種能作為電氣設備能夠作功的必備條件,并且,這種能是在電網(wǎng)中與電能進行周期性轉(zhuǎn)換,這部分功率稱為無功功率,如電磁元件建立磁場占用的電能,電容器建立電場所占的電能.電流在電感元件中作功時,電流滯后于電壓90度.而電流在電容元件中作功時,電流超前電壓90度.在同一電路中,電感電流與電容電流方向相反,互差180度.如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件,使兩者的電流相互抵消,使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小,無功補償?shù)木唧w實現(xiàn)方式：把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。無功補償?shù)囊饬x：⑴補償無功功率，可以增加電網(wǎng)中有功功率的比例常數(shù)。⑵減少發(fā)、供電設備的設計容量，減少投資，例如當功率因數(shù)cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95時，裝1Kvar電容器可節(jié)省設備容量0.52KW；反之，增加0.52KW對原有設備而言，相當于增大了發(fā)、供電設備容量。因此，對新建、改建工程，應充分考慮無功補償，便可以減少設計容量，從而減少投資。⑶降低線損，由公式ΔΡ%=（1-cosΦ/cosΦ）×100%得出其中cosΦ為補償后的功率因數(shù)，cosΦ為補償前的功率因數(shù)則：cosΦ>cosΦ，所以提高功率因數(shù)后，線損率也下降了，減少設計容量、減少投資，增加電網(wǎng)中有功功率的輸送比例，以及降低線損都直接決定和影響著供電企業(yè)的經(jīng)濟效益。所以，功率因數(shù)是考核經(jīng)濟效益的重要指標，規(guī)劃、實施無功補償勢在必行。電網(wǎng)中常用的無功補償方式包括：①集中補償：在高低壓配電線路中安裝并聯(lián)電容器組；②分組補償：在配電變壓器低壓側(cè)和用戶車間配電屏安裝并聯(lián)補償電容器；③單臺電動機就地補償：在單臺電動機處安裝并聯(lián)電容器等。加裝無功補償設備，不僅可使功率消耗小，功率因數(shù)提高，還可以充分挖掘設備輸送功率的潛力。確定無功補償容量時，應注意以下兩點：①在輕負荷時要避免過補償，倒送無功造成功率損耗增加，也是不經(jīng)濟的。②功率因數(shù)越高，每千伏補償容量減少損耗的作用將變小，通常情況下，將功率因數(shù)提高到0.95就是合理補償就三種補償方式而言，無功就地補償克服了集中補償和分組補償?shù)娜秉c，是一種較為完善的補償方式：⑴因電容器與電動機直接并聯(lián)，同時投入或停用，可使無功不倒流，保證用戶功率因數(shù)始終處于滯后狀態(tài)，既有利于用戶，也有利于電網(wǎng)。⑵有利于降低電動機起動電流，減少接觸器的火花，提高控制電器工作的可靠性，延長電動機與控制設備的使用壽命。無功就地補償容量可以根據(jù)以下經(jīng)驗公式確定：Q≤UΙ0式中：Q---無功補償容量（kvar）；U---電動機的額定電壓（V）；Ι0---電動機空載電流（A）；但是無功就地補償也有其缺點：⑴不能全面取代高壓集中補償和低壓分組補償；眾所周之，無功補償按其安裝位置和接線方法可分為：高壓集中補償、低壓分組補償和低壓就地補償。其中就地補償區(qū)域最大，效果也好。但它總的電容器安裝容量比其它兩種方式要大，電容器利用率也低。高壓集中補償和低壓分組補償?shù)碾娙萜魅萘肯鄬^小，利用率也高，且能補償變壓器自身的無功損耗。為此，這三種補償方式各有應用范圍，應結(jié)合實際確定使用場合，各司其職。投切方式分類：1.延時投切方式延時投切方式即俗稱的"靜態(tài)"補償方式。延時投切的目的在于防止過于頻繁的動作使電容器造成損壞，更重要的是防備電容不停的投切導致供電系統(tǒng)振蕩，這是很危險的。延時投切方式用于控制電容器投切的器件可以是投切電容器專用接觸器、復合開關或者同步開關。投切電容器專用接觸器有一組輔助接點串聯(lián)電阻后與主接點并聯(lián)。在投入過程中輔助接點先閉合，與輔助接點串聯(lián)的電阻使電容器預充電，然后主接點再閉合，于是就限制了電容器投入時的涌流。復合開關就是將晶閘管與繼電器接點并聯(lián)使用，由晶閘管實現(xiàn)電壓過零投入與電流過零切除，由繼電器接點來通過連續(xù)電流，這樣就避免了晶閘管的導通損耗問題，也避免了電容器投入時的涌流。但是復合開關既使用晶閘管又使用繼電器，于是結(jié)構(gòu)就變得比較復雜，成本也比較高，并且由于晶閘管對過流、過壓及對dv/dt的敏感性也比較容易損壞。在實際應用中，復合開關故障多半是由晶閘管損壞所引起的同步開關是近年來最新發(fā)展的技術，顧名思義，就是使機械開關的接點準確地在需要的時刻閉合或斷開。對于控制電容器的同步開關，就是要在接點兩端電壓為零的時刻閉合，從而實現(xiàn)電容器的無涌流投入，在電流為零的時刻斷開，從而實現(xiàn)開關接點的無電弧分斷。由于同步開關省略了晶閘管，因此不僅成本降低，而且可靠性提高。同步開關是傳統(tǒng)機械開關與現(xiàn)代電子技術完美結(jié)合的產(chǎn)物，使機械開關在具有獨特技術性能的同時，其高可靠性以及低損耗的特點得以充分顯示出來。當電網(wǎng)的負荷呈感性時，如電動機、電焊機等負載，這時電網(wǎng)的電流滯帶后電壓一個角度，當負荷呈容性時，如過補償狀態(tài)，這時電網(wǎng)的電流超前于電壓的一個角度，功率因數(shù)超前或滯后是指電流與電壓的相位關系。通過補償裝置的控制器檢測供電系統(tǒng)的物理量，來決定電容器的投切，這個物理量可以是功率因數(shù)或無功電流或無功功率。下面就功率因數(shù)型舉例說明。當這個物理量滿足要求時，如cosΦ超前且>0.98，滯后且>0.95，在這個范圍內(nèi)，此時控制器沒有控制信號發(fā)出，這時已投入的電容器組不退出，沒投入的電容器組也不投入。當檢測到cosΦ不滿足要求時，如cosΦ滯后且<0.95，那么將一組電容器投入，并繼續(xù)監(jiān)測cosΦ如還不滿足要求，控制器則延時一段時間（延時時間可整定），再投入一組電容器，直到全部投入為止。當檢測到超前信號如cosΦ<0.98,即呈容性載荷時，那么控制器就逐一切除電容器組。要遵循的原則就是：先投入的那組電容器組在切除時就要先切除。如果把延時時間整定為300s，而這套補償裝置有十路電容器組，那么全部投入的時間就為50分鐘，切除也這樣。在這段時間內(nèi)無功損失補只能是逐步到位。如果將延時時間整定的很短，或沒有設定延時時間，就可能會出現(xiàn)這樣的情況。當控制器監(jiān)測到cosΦ〈0.95，迅速將電容器組逐一投入，而在投入期間，此時電網(wǎng)可能已是容性負載即過補償了，控制器則控制電容器組逐一切除，周而復始，形成震蕩，導致系統(tǒng)崩潰。是否能形成振蕩與負載的性質(zhì)有密切關系，所以說這個參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場情況整定，要在保證系統(tǒng)安全的情況下，再考慮補償效果。無功補償?shù)耐肚衅骷?.1，交流接觸器控制投入型補償裝置。由于電容器是電壓不能瞬變的器件，因此電容器投入時會形成很大的涌流，涌流最大時可能超過100倍電容器額定電流。涌流會對電網(wǎng)產(chǎn)生不利的干擾，也會降低電容器的使用壽命。為了降低涌流，現(xiàn)在大部分補償裝置使用電容器投切專用接觸器，這種接觸器有1組串聯(lián)限流電阻與主觸頭并聯(lián)的輔助觸頭，在接觸器吸合的過程中，輔助觸頭首先接通，使電容器通過限流電阻接入電路進行預充電，然后主觸頭接通將電容器正常接入電路，通過這種方式可以將涌流限制在電容器額定電流的20倍以下。此類補償裝置價格低廉，可靠性較高，應用最為普遍。由于交流接觸器的觸頭壽命有限，不適合頻繁投切，因此這類補償裝置不適用頻繁變化的負荷情況。1.2，晶閘管控制投入型補償裝置。這類補償裝置就是SVC分類中的TSC子類。由于晶閘管很容易受涌流的沖擊而損壞，因此晶閘管必須過零觸發(fā)，就是當晶閘管兩端電壓為零的瞬間發(fā)出觸發(fā)信號。過零觸發(fā)技術可以實現(xiàn)無涌流投入電容器，另外由于晶閘管的觸發(fā)次數(shù)沒有限制，可以實現(xiàn)準動態(tài)補償（響應時間在毫秒級），因此適用于電容器的頻繁投切，非常適用于頻繁變化的負荷情況。晶閘管導通電壓降約為1V左右，損耗很大（以額定容量100Kvar的補償裝置為例，每相額定電流約為145A，則晶閘管額定導通損耗為145×1×3=435W），必須使用大面積的散熱片并使用通風扇。晶閘管對電壓變化率（dv/dt）非常敏感，遇到操作過電壓及雷擊等電壓突變的情況很容易誤導通而被涌流損壞，即使安裝避雷器也無濟于事，因為避雷器只能限制電壓的峰值，并不能降低電壓變化率。此類補償裝置結(jié)構(gòu)復雜，價格高，可靠性差，損耗大，除了負荷頻繁變化的場合，在其余場合幾乎沒有使用價值。1.3，復合開關控制投入型補償裝置。復合開關技術就是將晶閘管與繼電器接點并聯(lián)使用，由晶閘管實現(xiàn)電壓過零投入與電流過零切除，由繼電器接點來通過連續(xù)電流，這樣就避免了晶閘管的導通損耗問題，也避免了電容器投入時的涌流。但是復合開關技術既使用晶閘管又使用繼電器，于是結(jié)構(gòu)就變得相當復雜，并且由于晶閘管對dv/dt的敏感性也比較容易損壞。1.4，同步開關投入型補償裝置。同步開關技術是近年來最新發(fā)展的技術，顧名思義，就是使機械開關的接點準確地在需要的時刻閉合或斷開。對于控制電容器的同步開關，就是要在開關接點兩端電壓為零的時刻閉合，從而實現(xiàn)電容器的無涌流投入，在電流為零的時刻斷開，從而實現(xiàn)開關接點的無電弧分斷。同步開關技術中拒絕使用可控硅，因此仍然不適用于頻繁投切。可以預見：使用磁保持繼電器的同步開關必將替代復合開關和交流接觸器。2.瞬時投切方式瞬時投切方式即人們熟稱的"動態(tài)"補償方式，應該說它是半導體電力器件與數(shù)字技術綜合的技術結(jié)晶，實際就是一套快速隨動系統(tǒng)，控制器一般能在半個周波至1個周波內(nèi)完成采樣、計算，在2個周期到來時，控制器已經(jīng)發(fā)出控制信號了。通過脈沖信號使晶閘管導通，投切電容器組大約20-30毫秒內(nèi)就完成一個全部動作，這種控制方式是機械動作的接觸器類無法實現(xiàn)的。動態(tài)補償方式作為新一代的補償裝置有著廣泛的應用前景?，F(xiàn)在很多開關行業(yè)廠都試圖生產(chǎn)、制造這類裝置且有的生產(chǎn)廠已經(jīng)生產(chǎn)出很不錯的裝置。當然與國外同類產(chǎn)品相比從性能上、元器件的質(zhì)量、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上還有一定的差距。動態(tài)補償?shù)木€路方式2.1LC串接法原理如圖1所示這種方式采用電感與電容的串聯(lián)接法，調(diào)節(jié)電抗以達到補償無功損耗的目的。從原理上分析，這種方式響應速度快，閉環(huán)使用時，可做到無差調(diào)節(jié)，使無功損耗降為零。從元件的選擇上來說，根據(jù)補償量選擇1組電容器即可，不需要再分成多路。既然有這么多的優(yōu)點，應該是非常理想的補償裝置了。但由于要求選用的電感量值大，要在很大的動態(tài)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，所以體積也相對較大，價格也要高一些，再加一些技術的原因，這項技術到目前來說還沒有被廣泛采用或使用者很少。2.2采用電力半導體器件作為電容器組的投切開關，較常采用的接線方式如圖2。圖中BK為半導體器件，C1為電容器組。這種接線方式采用2組開關，另一相直接接電網(wǎng)省去一組開關，有很多優(yōu)越性。作為補償裝置所采用的半導體器件一般都采用晶閘管，其優(yōu)點是選材方便，電路成熟又很經(jīng)濟。其不足之處是元件本身不能快速關斷，在意外情況下容易燒毀，所以保護措施要完善。當解決了保護問題，作為電容器組投切開關應該是較理想的器件。動態(tài)補償?shù)难a償效果還要看控制器是否有較高的性能及參數(shù)。很重要的一項就是要求控制器要有良好的動態(tài)響應時間，準確的投切功率，還要有較高的自識別能力，這樣才能達到最佳的補償效果。當控制器采集到需要補償?shù)男盘柊l(fā)出一個指令（投入一組或多組電容器的指令），此時由觸發(fā)脈沖去觸發(fā)晶閘管導通，相應的電容器組也就并入線路運行。需要強調(diào)的是晶閘管導通的條件必須滿足其所在相的電容器的端電壓為零，以避免涌流造成元件的損壞，半導體器件應該是無涌流投切。當控制指令撤消時，觸發(fā)脈沖隨即消失，晶閘管零電流自然關斷。關斷后的電容器電壓為線路電壓交流峰值，必須由放電電阻盡快放電，以備電容器再次投入。元器件可以選單相晶閘管反并聯(lián)或是雙向晶閘管，也可選適合容性負載的固態(tài)接觸器，這樣可以省去過零觸發(fā)的脈沖電路，從而簡化線路，元件的耐壓及電流要合理選擇，散熱器及冷卻方式也要考慮周全。2.3.混合投切方式實際上就是靜態(tài)與動態(tài)補償?shù)幕旌希徊糠蛛娙萜鹘M使用接觸器投切，而另一部分電容器組使用電力半導體器件。這種方式在一定程度上可做到優(yōu)勢互補，但就其控制技術，目前還見到完善的控制軟件，該方式用于通常的網(wǎng)絡如工礦、小區(qū)、域網(wǎng)改造，比起單一的投切方式拓寬了應用范圍，節(jié)能效果更好。補償裝置選擇非等容電容器組，這種方式補償效果更加細致，更為理想。還可采用分相補償方式，可以解決由于線路三相不平行造成的損失。3.無功功率補償裝置的選擇選擇哪一種補償方式，還要依電網(wǎng)的狀況而定，首先對所補償?shù)木€路要有所了解，對于負荷較大且變化較快的工況，電焊機、電動機的線路采用動態(tài)補償，節(jié)能效果明顯。對于負荷相對平穩(wěn)的線路應采用靜態(tài)補償方式，也可使用動態(tài)補償裝置。一般電焊工作時間均在幾秒鐘以上，電動機啟動也在幾秒鐘以上，而動態(tài)補償?shù)捻憫獣r間在幾十毫秒，按40毫秒考慮則從40毫秒到5秒鐘之內(nèi)是一個相對的穩(wěn)態(tài)過程，動態(tài)補償裝置能完成這個過程。無功補償控制器無功功率補償控制器有三種采樣方式，功率因數(shù)型、無功功率型、無功電流型。選擇那一種物理控制方式實際上就是對無功功率補償控制器的選擇?？刂破魇菬o功補償裝置的指揮系統(tǒng)，采樣、運算、發(fā)出投切信號，參數(shù)設定、測量、元件保護等功能均由補償控制器完成。十幾年來經(jīng)歷了由分立元件--集成線路--單片機--DSP芯片一個快速發(fā)展的過程，其功能也愈加完善。就國內(nèi)的總體狀況，由于市場的需求量很大，生產(chǎn)廠家也愈來愈多，其性能及內(nèi)在質(zhì)量差異很大，很多產(chǎn)品名不符實，在選用時需認真對待。在選用時需要注意的另一個問題就是國內(nèi)生產(chǎn)的控制器其名稱均為"XXX無功功率補償控制器"，名稱里出現(xiàn)的"無功功率"的含義不是這臺控制器的采樣物理量。采樣物理量取決于產(chǎn)品的型號，而不是產(chǎn)品的名稱。1.功率因數(shù)型控制器功率因數(shù)用cosΦ表示，它表示有功功率在線路中所占的比例。當cosΦ=1時，線路中沒有無功損耗。提高功率因數(shù)以減少無功損耗是這類控制器的最終目標。這種控制方式也是很傳統(tǒng)的方式，采樣、控制也都較容易實現(xiàn)。*"延時"整定，投切的延時時間，應在10s-120s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)"靈敏度"整定，電流靈敏度，不大于0-2A。*投入及切除門限整定，其功率因數(shù)應能在0.85（滯后）-0.95（超前）范圍內(nèi)整定。*過壓保護設量*顯示設置、循環(huán)投切等功能這種采樣方式在運行中既要保證線路系統(tǒng)穩(wěn)定、無振蕩現(xiàn)象出現(xiàn)，又要兼顧補償效果，這是一對矛盾，只能在現(xiàn)場視具體情況將參數(shù)整定在較好的狀態(tài)下工作。即使調(diào)整的較好，也無法禰補這種方式本身的缺陷，尤其是在線路重負荷時。舉例說明：設