提高工厂供配电系统功率因数的方法分析

王道连

（安徽海螺建材设计研究院有限责任公司，安徽 芜湖 241070）

1 功率因数概述

电力系统供配电网络中的电能是以交流形式传输的，用电负荷可以分为电阻性、电容性、电感性三种，电力系统的电源-负载等效电路如图1所示。其中，纯电阻性负荷消耗的功率为有功功率；电容性负荷和电感性负荷在交流供配电系统中的变压器、电动机等常见电力系统元件建立交变电磁场和反应磁通过程中需要无功功率；电力系统供电电源输出的总功率为视在功率。图2所示为供配电系统中有功功率、无功功率和视在功率之间的关系，可以看出，三者之间的关系满足下式：

式中，S表示视在功率，单位为VA、kVA；P表示有功功率，单位为W、kW；Q 表示无功功率，单位为Var、kVar。这时引入功率因数的定义：交流电路中，电压与电流之间相位差的余弦值，用符号cosφ表示，其值可以通过计算有功功率与视在功率之比得到，即：

式中，λ表示功率因数，φ为有功功率与视在功率之间的夹角，即功率因数角，功率因数能够直观地反映出电力负荷的电能利用情况。功率因数可分为自然功率因数、瞬时功率因数、加权功率因数等几类：自然功率因数是指用电设备在未安装无功补偿装置时设备自身具备的功率因数，其数值由用电设备的负荷属性来决定；瞬时功率因数指在某一瞬时时刻的功率因数，与用电设备的负荷类型、负荷大小及供电电压有关；加权功率因数是指某一段时间内功率因数的平均值。

图1 电力系统的电源-负载等效电路

电系统中有功功率、无功功率和视在功率的关系图

2 提高工厂供配电系统功率因数的方法

2.1 无功补偿装置的选择

1）串联电抗器，随着工厂生产规模扩大，供配电系统的波动性增强，带有冲击性负荷。电气设备运行期间，会产生大量谐波，导致整个电网的电压波动，甚至出现闪变、三相不平衡等问题。从电容器的特点来看，虽然具有抗谐波能力，但也会放大谐波，增大电容器的损坏程度。对此，针对存在谐波干扰的部位，可以增加滤波装置。其中，有源滤波器的效果好，但是价格昂贵，其运行可靠性有待验证；无源滤波器结构简单，但占地面积大，会耗费大量铜线、电容器，而且系统负载发生变化，会削弱滤波效果。

2）无功发生器，采用脉冲宽度调制（PWM）整流控制技术，实时采集工厂供配电系统的电压、电流等参数，辅助利用高性能数字信号处理器，计算出电网的无功功率，继而实现无功功率的补偿。以静止无功发生器（SVG）为例，是由检测模块、控制运算模块、补偿输出模块组成。运行时，首先外部CT检测供配电系统的电流信息，控制芯片分析当前的电流信息，象视在功率S、无功功率Q、功率因数PF等；然后控制器发出补偿驱动信号，由逆变回路发出补偿电流。SVG的特点实现了无功补偿的动态性、连续性，既能补偿感性无功，又能补偿容性无功，将电网的功率因数稳定在0.98以上。

2.2 提高自然功率因数

用电设备的自然功率因数由设备本身的用电负荷属性决定，因此用电设备自然功率因数的提高将关注点放在合理的使用和维护设备上。考虑到变压器、电动机的自然功率因数与其负载之间的关系最为密切，故在工厂供配电系统设计时，变压器、电动机的选型应充分考虑其预期承载负载的容量大致范围，选取最佳容量的变压设备和电动机，并保证其工作时的负载比例处于其良好运行的最佳区间，既不空载也不过载。同时，重视变压器和电动机的维护保养工作能够使设备在更长时间内处于健康工作状态，也有利于维持自然功率因数的稳定；另外，在输配电线路架设时应当注重线缆的选型，选取感抗参数较小的的线缆，合理架设输电线路，降低输电线路的无功损耗。

3 结语

现如今，各个生产行业的诸多工厂都存在着供配电系统电能利用率不高，电能浪费的情况，通过提高工厂供配电系统的功率因数来实现工厂生产效能和经营效益的提高仍有很大的发挥空间。本文分析了各个行业领域工厂供配电系统的现状，提出了几种提高功率因数的方法举措，对于各个行业工厂优化供电网路、提高功率因数具有一定的参考价值。