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1、功率因数与无功补偿,石家庄通合电子有限公司,通合知识培训教材,无功补偿,校正技术,组件功能,典型,概念介绍,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,功率因数,在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号cos表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cos=P/S。功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电
2、损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,功率因数,最基本分析拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。(使用了70个单位的有功功率，你付的就是70个单位的消耗)在这个例子中，功率因数是0.7(如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款)，这种无功损耗主要存在于电机设备中(如鼓风机、抽水机、压缩机等)，又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。,通合知识
3、培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,功率因数,基本分析每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有用功(叫kw)及电抗性的无用功。功率因数是有用功与总功率间的比率。功率因数越高，有用功与总功率间的比率便越高，系统运行则更有效率。高级分析在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,对于功率因数改善,电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。因此在电网中安
4、装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿的效益。无功补偿的主要目的就是提升补偿系统的功率因数。因为供电局发出来的电是以KVA或者MVA来计算的，但是收费却是以KW，也就是实际所做的有用功来收费，两者之间有一个无效功率的差值，一般而言就是以KVAR为单位的无功功率。大部分的无效功都是电感性，也就是一般所谓的电动机、变压器、日光灯，几乎所有的无效功都是电感性，电容性的非常少见，例如：变频器就是容性的，在变
5、频器电源端加入电抗器可提高功率因数。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,功率因数提高的好处,供电局为了提高他们的成本效益要求用户提高功率因数，那提高功率因数对我们用户端有什么好处呢？通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。藉由良好功因值的确保，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。可以增加系统的裕度，挖掘出了发供电设备的潜力。如果系统的功率因数低，那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负载的容量。举例而言，将1000K
6、VA变压器之功率因数从0.8提高到0.98时：补偿前：10000.8=800KW 补偿后：10000.98=980KW 同样一台1000KVA的变压器，功率因数改变后，它就可以多承担180KW的负载。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,功率因数提高的好处,减少了用户的电费支出；透过上述各元件损失的减少及功率因数提高的电费优惠。此外，有些电力电子设备如整流器、变频器、开关电源等；可饱和设备如变压器、电动机、发电机等；电弧设备及电光源设备如电弧炉、日光灯等，这些设备均是主要的谐波源，运行时将产生大量的谐波。谐波对发动机、变压器、电动机、电容器等所有连接于电网的电器设备都有大小不等的危
7、害，主要表现为产生谐波附加损耗，使得设备过载过热以及谐波过电压加速设备的绝缘老化等。并联到线路上进行无功补偿的电容器对谐波会有放大作用，使得系统电压及电流的畸变更加严重。另外，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，会使电容器的电流有效值增加，造成温度升高，减少电容器的使用寿命。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,功率因数提高的好处,谐波电流使变压器的铜损耗增加，引起局部过热、振动、噪音增大、绕组附加发热等。谐波污染也会增加电缆等输电线路的损耗。而且谐波污染对通讯质量有影响。当电流谐波分量较高时，可能会引起继电保护的过电压保护、过电流保护的误动作。因此，如果系统量测出谐波含量过高时，除
8、了电容器端需要串联适宜的调谐（detuned）电抗外，并需针对负载特性专案研讨加装谐波改善装置。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,改善电能质量的理由,电力系统向用户供电的电压，是随着线路所输送的有功功率和无功功率变化而变化的。当线路输送一定数量的有功功率时，如输送的无功功率越多，线路的电压损失越大。即送至用户端的电压就越低。如果110KV以下的线路，其电压损失可近似为：U=(PR+QX)/Ue 其中：U线路的电压损失，KV Ue线路的额定电压，KV P线路输送的有功功率，KW Q线路输送的无功功率，KVAR R线路电阻，欧姆 X线路电抗，欧姆 由上式可见，当用户功率因数提高以后
9、，它向电力系统吸取的无功功率就要减少，因此电压损失也要减少，从而改善了用户的电压质量。在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以COS表示，其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,如何提高功率因素,（1）提高自然功率因数。自然功率因数是在没有任何补偿情况下，用电设备的功率因数。提高自然功率因数的方法：合理选择异步电机；避免变压器空载运行；合理安排和调整工艺流程，改善机电设备的运行状况；
10、在生产工艺允许条件下，采用同步电动机代替异步电动机。对应PFC和APFC。（2）采用人工补偿无功功率。装用无功功率补偿设备进行人工补偿，电力用户常用的无功功率补偿设备是电力电容器。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,功补偿的一般方法,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。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,功补偿的一般方法,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(即开关)。通
11、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。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,功补偿的一般方法,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
12、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。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,功补偿的一般方法,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610kV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。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,采取适当措施，设法提高系统自然功
13、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。(1)合理使用电动机；(2)提高异步电动机的检修质量；,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,采取适当措施，设法提高系统自然功率因数,(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
14、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。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,采取适当措施，设法提高系统自然功率因数,(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。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,无功功率补偿装置的主要作用,提高负载和系统的功率因数，减少设备的功率损耗，稳定电压，提高供电质量。在长距离输电中，提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载的有功和无功功率等。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,无功功率补偿
15、技术的现状,目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿(如风机、水泵等)，其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,无功功率补偿技术的现状,同步调相机 早期的无功功率补偿装置主要为同步调相机，多为高压侧集中补偿。同步调相机目前在现场仍有少量使用。静止补偿装置 静止补偿器的基本作用是连续而迅速地控制无功功率，即以快速的响应，通过发出或吸收无功功率来控制它所连接的输电系统的节点电压。静止补偿器由于其价格较低、维护简单、工作可靠，在国内仍是主流补偿装置。,通合知识培训教材,
16、概念介绍,校正技术,无功补偿,无功功率补偿技术的现状,静止补偿器(SVC)先后出现过不少类型，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型3种。上述第二种又可分为：固定连接电容器加可控硅控制的电抗器(fixed capacitorthyristor controlled reactor，FCTCR)；可控硅开关操作的电容器加可控硅控制的电抗器(thyristor switched capacitorthyristor controlled reactor，TSCTCR)。实际上，由断路器(电磁型交流接触器)操作的电容器和电抗器在电网中正在大量使用，可以说
17、这种补偿技术是静态的，因为它不能及时响应无功功率的波动。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,无功功率补偿技术的现状,这种装置以电磁型交流接触器为投切开关，由于受电容器承受涌流能力、放电时间及电容器分级以及接触器操作频率、使用寿命等因素制约，因而无法避免以下不足：(1)补偿是有级的、定时的，因而补偿精度差，跟随性不强，不能适应负荷变化快的场合；受交流接触器操作频率及寿命的限制，静态补偿装置一般均设有投切延时功能，其延时时间一般为30s。对一般稳定负荷，即负荷变化周期大于30s的负荷，这类补偿装置是有效的，但对一些变化较快的负荷，如电梯、起重、电焊等，这类补偿装置就无法进行跟踪补偿。
18、(2)不能做到无涌流投入电容器，对于接触器加电抗器方案，增加损耗较大，对于容性接触器方案，事故率较大，对金属化电容器的使用寿命影响很大；目前，低压电力电容器以金属化自愈式电容器为主，这种电容器的引线喷金属端面对涌流承受能力有限，因此，涌流的大小及次数是影响电容器使用寿命的主要因素。(3)运行噪声较大。(4)由于控制部分的负载是接触器的线圈，在投切过程中，造成火花干扰，影响补偿装置的可靠性和使用寿命。针对上述问题，基于智能控制策略的TSC补偿装置正在引起关注。TSC的基本结构如图1所示。事实上，如果能够进行动态无功功率补偿则能够克服以上不足。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,无功
19、功率补偿技术的发展趋势,电力有源滤波器的交流电路分为电压型和电 流型。目前实用的装置90以上为电压型。从与补偿对象的连接方式来看，电力有源滤波器可分为并联型和串联型。并联型中有单独使用、LC滤波器混合使用及注入电路方式，目前并联型占实用装置的大多数。目前电力有源滤波器仍存在一些问题，如电流中有高次谐波，单台容量低，成本较高等。随着电力半导体器件向大容量、高频化方向发展，这类既能补偿谐波又能补偿无功的装置必然有很好的发展前景。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,无功功率补偿技术的发展趋势,综合潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)将一个由
20、晶闸管换流器产生的交流电压串入并叠加在输电线相电压上，使其幅值和相角皆可连续变化，从而实现线路有功和无功功率的准确调节，并可提高输送能力以及阻尼系统振荡。美国西屋电气公司研制出一种简化的UPFC称为串联潮流控制器(serial power flow controller，SPFC)，其基本结构和SVG类似，区别是其输出变压器串联接入输电线。SPFC造价明显低于UPFC，功能可与之相比且优于SVG。中国电力科学研究院、东南大学、清华大学等单位也进行了理论研究和仿真实验，研究结果表明：UPFC具有良好的效果和功能。,通合知识培训教材,概念介绍,校正技术,无功补偿,无功功率补偿技术的发展趋势,由于性
21、价比较高，目前我国广泛使用的还是静止补偿器(SVC)。其中，能够进行无功功率动态补偿的基于智能控制策略的TSC仍然需要大力推广。实际上，国内外对SVC的研究仍在继续，研究的重点集中在控制策略上，试图借助于人工智能提高SVC的性能。随着大功率电力电子器件技术的高速发展，未来的功率器件容量将逐步提高，应用有源滤波器进行谐波抑制，以及应用柔性交流输电系统技术进行无功功率补偿，必将成为今后电力自动化系统的发展方向。,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,模块电源的有源功率因数校正,近年来，随着电子技术的发展，各种办公自动化设备，家用电器，计算机被大量使用。这些设备的内部都需要一个将市电转化为直流的电源
22、部分。在这个转换过程中，由于一些非线性元件的存在，导致输入的交流电压虽然是正弦的，但输入的交流电流却严重畸变，包含大量谐波。而谐波的存在，不但降低了输入电路的功率因数，而且对公共电力系统产生污染，造成电路故障。模块电源，开关电源，电源模块，军品电源,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,模块电源的有源功率因数校正,有源功率因数校正技术能够解决上述问题，实现各种电源装置网侧电流正弦化，使功率因数接近1，极大地减少电流的高次谐波，消除无功损耗。本文旨在阐明功率因数校正的基本原理，分析功率因数校正变换器的实现方法，进而提出设计变换器的相关要求。,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补
23、偿,有源功率因数校正的基本原理,一般开关电源的输入整流电路为图1所示。,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正的基本原理,市电经整流后对电容充电,其输入电流波形为不连续的脉冲，如图2所示。,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正的基本原理,这种电流除了基波分量外还含有大量的谐波，其有效值I为：I=式中，I1，I2，In，分别为电流基波分量与次谐波电流的有效值。谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变，我们将各次谐波有效值与基波有效值的比称之为总谐波畸变THD（Total Harmonic Distortion）：THD=用来衡量电网的污染程度。,
24、概念介绍,：,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正的基本原理,模块电源，开关电源，电源模块，军品电源功率因数（PF）定义为有功功率（P）与视在功率（S）的比值，如下式：PF=式中：U为电网电压有效值Cos 为基波电压、基波电流位移因数I1I为电网电流畸变因数当=0时，由式（1）、（2）可见功率因数与总谐波畸变THD的关系为：PF=,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正的基本原理,由式（3）可见THD越小，功率因数越高。因此改善开关整流设备功率因数的关键就是要降低THD。综上所述，只要设法抑制输入电流中的谐波分量，通过电路方法，将输入电流波形校正为或
25、无限接近正弦波，即可实现功率因数校正。为此在整流器和负载之间接入一个DC-DC开关变换器，应用电压、电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦。从而使输入端THD小于5%，而功率因数可提高到0.99或更高。由于这个方案中应用了有源器件，故称为有源功率因数校正（APFC）。,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正的实现方法,模块电源，开关电源，电源模块，军品电源实现功率因数校正的电路有很多，从原理上说，任何一种DC-DC变换器拓扑都可以用作功率因数校正（PFC）的主电路。但是由于Boost变换器具有诸多优点，大部分功率因数校正都用它来
26、作主电路。以Boost变换器为基础，基本的PFC电路可分为三类：硬开关PFC电路，软开关PFC电路，隔离式PFC电路。,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正的实现方法,模块电源，开关电源，电源模块，军品电源实现功率因数校正的电路有很多，从原理上说，任何一种DC-DC变换器拓扑都可以用作功率因数校正（PFC）的主电路。但是由于Boost变换器具有诸多优点，大部分功率因数校正都用它来作主电路。以Boost变换器为基础，基本的PFC电路可分为三类：硬开关PFC电路，软开关PFC电路，隔离式PFC电路。,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正的实现
27、方法,图3为一个Boost硬开关PFC电路的原理图。由于功率开关管的开通或关断是在器件上的电压或电流不为零的状态下进行的，即强迫器件在其电压不为零时开通，或电流不为零时关断，所以称之为硬开关PFC电路。由图可见，主电路由单相桥式整流器和DC-DC Boost变换器组成，虚线框内为控制电路，包括：电压误差放大器VA及基准电压Vr，电流误差放大器CA，乘法器M，脉宽调制器和驱动器等，负载可以是一个开关电源。,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正的实现方法,PFC的工作原理如下：主电路的输出电压VO和基准电压Vr比较后，输入给电压误差放大器VA，整流电压Vdc检测值VA的
28、输出电压信号共同加到乘法器M的输入端，乘法器M的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流is检测值比较后，经过电流误差放大器CA加到PWM（图中未画出）及驱动器，以控制开关Tr的通断，从而使输入电流（即电感电流）iL的波形与整流电压Vdc的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率。由于功率因数校正器同时保持输出电压恒定，使下一级开关电源设计更容易些。硬开关PFC电路具有输入电流连续，EMI小；电感电流即输入电流，便于电流控制；输入端电感可吸收电网电压尖峰；容易驱动，发射极（源极）电位为零等优点。但同时该电路也存在着缺点，即Tr管承受较大的电流应力和开通功耗，同时会产生很大的难以克
29、服的电磁噪声，Tr容易损坏。,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正的实现方法,软开关PFC电路,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正的实现方法,图4为一个软开关PFC电路的原理图。所谓软开关指的是零电压开关或零电流开关。它是应用谐振原理，使开关变换器的开关器件中电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断；或电压为零时，使器件开通，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫（MHz）级水平。由图可见，模块电源，开关电源，电源模块，军品电源在主开关Tr上除并联有谐振电容Cr外，还并联有一个谐振电感支路，由谐振电感Lr
30、、辅助开关Tr1及二极管D1组成。辅助开关Tr1先于主开关Tr导通，使谐振网络工作。电容电压（即主开关电压）谐振下降到零，创造了主开关零电压导通的条件。同时谐振电感电流线性上升，而二极管D的电流线性下降直到零，D在零电流下关断。,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正的实现方法,控制电路如图4下半部分所示，采用双环控制原则。外环为电压环，起稳定输出电压的作用，内环为电流环，把桥整后的电压取样信号与电压误差放大器的输出信号相乘，作为电流环的电流基准信号。用Rs取样入端电流信号作为电流环的另一输入，其输出信号与定频锯齿波比较SPWM控制信号，此信号经处理生成Tr和Tr1的
31、控制信号。软开关PFC电路的主要优点是：主开关管零电压导通；二极管D能零电流截止，因此在输出大功率、高电压情况下应用，可避免因二极管反向恢复使关断损耗过大的问题；电流与电压应力小。它的不足之处是辅助开关Tr1不在软开关条件下运行，具有一定的损耗。,概念介绍,通合知识培训教材,校正技术,无功补偿,有源功率因数校正与无功补偿的比较,目前，国网公司标准在设计的时候都有无功补偿装置的配置要求，在模块电源设计的时候也需要进行功率因数校正。在考虑可靠性和成本的前提下，电源模块可采用无源PFC即可。设计的时候没有无功补偿装置时，建议采用有源PFC。无功补偿装置目前市场价格在0.2-0.4元/法拉。APFC的价格在0.3元/瓦。（个人了解，不是很准确仅供参考）,概念介绍,通合智能一体化电源系统,系统特点,系统组成,组件功能,典型方案,概念介绍,谢谢各位专家！,
