提高工廠供配電系統(tǒng)功率因數(shù)的方法分析

王道連

（安徽海螺建材設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241070）

1 功率因數(shù)概述

電力系統(tǒng)供配電網(wǎng)絡(luò)中的電能是以交流形式傳輸?shù)?，用電負荷可以分為電阻性、電容性、電感性三種，電力系統(tǒng)的電源-負載等效電路如圖1所示。其中，純電阻性負荷消耗的功率為有功功率；電容性負荷和電感性負荷在交流供配電系統(tǒng)中的變壓器、電動機等常見電力系統(tǒng)元件建立交變電磁場和反應(yīng)磁通過程中需要無功功率；電力系統(tǒng)供電電源輸出的總功率為視在功率。圖2所示為供配電系統(tǒng)中有功功率、無功功率和視在功率之間的關(guān)系，可以看出，三者之間的關(guān)系滿足下式：

式中，S表示視在功率，單位為VA、kVA；P表示有功功率，單位為W、kW；Q 表示無功功率，單位為Var、kVar。這時引入功率因數(shù)的定義：交流電路中，電壓與電流之間相位差的余弦值，用符號cosφ表示，其值可以通過計算有功功率與視在功率之比得到，即：

式中，λ表示功率因數(shù)，φ為有功功率與視在功率之間的夾角，即功率因數(shù)角，功率因數(shù)能夠直觀地反映出電力負荷的電能利用情況。功率因數(shù)可分為自然功率因數(shù)、瞬時功率因數(shù)、加權(quán)功率因數(shù)等幾類：自然功率因數(shù)是指用電設(shè)備在未安裝無功補償裝置時設(shè)備自身具備的功率因數(shù)，其數(shù)值由用電設(shè)備的負荷屬性來決定；瞬時功率因數(shù)指在某一瞬時時刻的功率因數(shù)，與用電設(shè)備的負荷類型、負荷大小及供電電壓有關(guān)；加權(quán)功率因數(shù)是指某一段時間內(nèi)功率因數(shù)的平均值。

圖1 電力系統(tǒng)的電源-負載等效電路

電系統(tǒng)中有功功率、無功功率和視在功率的關(guān)系圖

2 提高工廠供配電系統(tǒng)功率因數(shù)的方法

2.1 無功補償裝置的選擇

1）串聯(lián)電抗器，隨著工廠生產(chǎn)規(guī)模擴大，供配電系統(tǒng)的波動性增強，帶有沖擊性負荷。電氣設(shè)備運行期間，會產(chǎn)生大量諧波，導(dǎo)致整個電網(wǎng)的電壓波動，甚至出現(xiàn)閃變、三相不平衡等問題。從電容器的特點來看，雖然具有抗諧波能力，但也會放大諧波，增大電容器的損壞程度。對此，針對存在諧波干擾的部位，可以增加濾波裝置。其中，有源濾波器的效果好，但是價格昂貴，其運行可靠性有待驗證；無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單，但占地面積大，會耗費大量銅線、電容器，而且系統(tǒng)負載發(fā)生變化，會削弱濾波效果。

2）無功發(fā)生器，采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）整流控制技術(shù)，實時采集工廠供配電系統(tǒng)的電壓、電流等參數(shù)，輔助利用高性能數(shù)字信號處理器，計算出電網(wǎng)的無功功率，繼而實現(xiàn)無功功率的補償。以靜止無功發(fā)生器（SVG）為例，是由檢測模塊、控制運算模塊、補償輸出模塊組成。運行時，首先外部CT檢測供配電系統(tǒng)的電流信息，控制芯片分析當(dāng)前的電流信息，象視在功率S、無功功率Q、功率因數(shù)PF等；然后控制器發(fā)出補償驅(qū)動信號，由逆變回路發(fā)出補償電流。SVG的特點實現(xiàn)了無功補償?shù)膭討B(tài)性、連續(xù)性，既能補償感性無功，又能補償容性無功，將電網(wǎng)的功率因數(shù)穩(wěn)定在0.98以上。

2.2 提高自然功率因數(shù)

用電設(shè)備的自然功率因數(shù)由設(shè)備本身的用電負荷屬性決定，因此用電設(shè)備自然功率因數(shù)的提高將關(guān)注點放在合理的使用和維護設(shè)備上?？紤]到變壓器、電動機的自然功率因數(shù)與其負載之間的關(guān)系最為密切，故在工廠供配電系統(tǒng)設(shè)計時，變壓器、電動機的選型應(yīng)充分考慮其預(yù)期承載負載的容量大致范圍，選取最佳容量的變壓設(shè)備和電動機，并保證其工作時的負載比例處于其良好運行的最佳區(qū)間，既不空載也不過載。同時，重視變壓器和電動機的維護保養(yǎng)工作能夠使設(shè)備在更長時間內(nèi)處于健康工作狀態(tài)，也有利于維持自然功率因數(shù)的穩(wěn)定；另外，在輸配電線路架設(shè)時應(yīng)當(dāng)注重線纜的選型，選取感抗參數(shù)較小的的線纜，合理架設(shè)輸電線路，降低輸電線路的無功損耗。

3 結(jié)語

現(xiàn)如今，各個生產(chǎn)行業(yè)的諸多工廠都存在著供配電系統(tǒng)電能利用率不高，電能浪費的情況，通過提高工廠供配電系統(tǒng)的功率因數(shù)來實現(xiàn)工廠生產(chǎn)效能和經(jīng)營效益的提高仍有很大的發(fā)揮空間。本文分析了各個行業(yè)領(lǐng)域工廠供配電系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了幾種提高功率因數(shù)的方法舉措，對于各個行業(yè)工廠優(yōu)化供電網(wǎng)路、提高功率因數(shù)具有一定的參考價值。