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电力系统论文

摘要

 对广大供电企业来说，用户功率因数的高低，直接关系到电力网中的功率损耗和电能损耗，关系到供电线路的电压损失和电压波动，而且关系到节约电能和整个供电区域的供电质量，这是众所周知的道理。

提高电力系统的功率因数和功率因数校正（PFC）已成为电力工业中一个重要课题。

文中简要集中探讨了影响电网功率因数的主要因素以及低压无功补偿的几种实用方法，和功率因数校正（PFC）从而提高电力系统功率因数的一般方法。

关键词：

影响因素 ，供电质量，高次谐波， 功率因数校正

目录

1绪论1

2功率因数的因素和无功补偿方法4

2.1影响功率因数因素4

2.1.2供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响4

2.1.3电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响4

2.2低压网无功补偿的一般方法5

2.2.1 随机补偿5

2.2.2随器补偿5

2.2.3跟踪补偿5

2.2.4采取适当措施，设法提高系统自然功率因数6

2.2.5合理使用电动机6

2.2.7采用同步电动机或异步电动机同步运行提高功率因数6

2.2.8合理选择配变容量，改善配变的运行方式7

2.3功率因数的人工补偿7

2.3.1静电电容器补偿7

2.3.2动态无功功率补偿9

3单相功率因数校正的基本原理9

3.1功率因数的基本概念9

3.1.1功率因数的定义9

3.1.2功率因数PF与总电流谐波畸变（THD）的关系10

3.1.3功率因数校正的分类11

3.2有源功率因数校正的基本原理11

3.3无源功率因数校正的基本原理12

4电能质量标准15

4.1电压允许偏差15

4.2公用电网谐波16

4.3电压波动和闪变16

4.4三相电压不平衡16

4.5电网频率17

参考文献18

结论19

致谢20

1绪论

随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通和家庭中的应用日益广泛，供电系统中增加了大量的非线性负载，特别是静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量用的工业交直流变换装置，由于静止变流器是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形发生畸变，引起电网的谐波“污染”。

另外，冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重，这些对电网的不利影响不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行，造成对电网的“公害”，为此，国家技术监督局相继颁布了涉及电能质量五个方面的国家标准，即：

供电电压允许偏差，供电电压允许波动和闪变，供电三相电压不允许平衡度，公用电网谐波，以及供电频率允许偏差等的指标限制。

而谐波所造成的危害也日益严重，这己经严重阻碍了电力电子技术的发展。

功率因数又叫PFC因数,大功率电源中一般都有PFC电路,市电是交流电,如果不整流成直流电,电脑是无法使用的,而功率因数就是将交流电整流成直流电的能力,这个过程是通过PFC电路来实现的PFC电路分为主动式PFC（有源）和被动式PFC（无源）两种,主动式PFC电路由高频电感、开关管和电容等元件构成，组成一个可以将输入电压提高的电路，从而减少电流在流向下级电路过程中的电能损耗。

简单地说，主动式PFC电路就是一个升压器,具有体积小、重量轻、输入电压范围宽等优越的电气性能，通常它功率因数可达99％；被动式PFC结构相对简单，它利用电感线圈内部电流不能突变的原理调节电路中的电压及电流的相位差，使电流趋向于正弦化以提高功率因素。

相对于主动式PFC电路，被动式PFC电路的功率因数要低得多，一般只有70-80％左右,同时被动PFC结构上和电感类似，在对电流和电压补偿的过程中，始终进行着充放电的过程，因而产生了磁性，最终会和周边的金属元件产生震动进而发出噪音。

静音型PFC相当于两个非静音型PFC的叠加，达到震动互相抵消的目的。

但是，在消除噪音的手段中，安装是否得当也是对静音效果影响较大的因素。

在我们

了解上述两种PFC结构后，那么我们在上面提到的PFC因数究竟是什么呢?

其实电源的PFC因数表示的就是有多少电能被电源利用了（输入电源的实际能量／电网供给电源的能量）对于主动式PFC电路来讲，功率因数可以达到99％的水平，而被动式PFC电路只能达到上面所说的70-80％而已。

通俗的说假如一款标称400W的电源，电源需要输入200W电量时,如果它采用了主动式PFC电路，那么电网只需要拉202W（200/0.99）电力过来，几乎没有损失,而如果采用的是被动式PFC电路,那么电网需要拉250W（200/0.8）左右,损失了50W,也就是说PFC因数是影响一款电源的电能利用率的指标,但损失那50W我们用户是不需要付钱的,因为那归属于是电力局线路上损失,电力局是没有权力向你要钱的。

从220V交流电网经整流供给直流是电力电子技术及电子仪器中应用极为广泛的一种基本变流方案。

在含有AC/DC变换器的电力电子装置中，DC/DC变换器或DC/AC变换器的供电电源一般是由交流市电经整流和大电容滤波后得到较为平直的直流电压。

大家都知道整流器——电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的结合，因此，虽然输入交流电压是正弦波，而输入交流电流却是一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流，波形严重畸变。

对这种畸变的输入电流进行傅立叶分析，它除含有基波外，还含有大量的高次谐波分量。

这些高次谐波倒流入电网，引起严重的谐波“污染”，造成严重危害。

其主要危害有：

（1）产生“二次效应”。

即谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压（原来是正弦波）发生畸变，影响各种电气设备的正常工作。

（2）谐波会造成输电线路故障，使变电设备损坏。

例如，线路和配电变压器过热、过载。

在高压远距离输电系统中，谐波电流会使变压器的感抗与系统的容抗发生LC谐振；在三相电路中，中线电流是三相三次谐波电流的叠加，因此，谐波电流会使中线电流过流而损坏，等等。

（3）谐波影响用电设备。

例如，谐波电流对电机除增加附加损耗外，还会产生附加谐波转矩、机械振动等，这些都严重影响电机的正常运行;谐波可能使白炽灯工作在较高的电压一下，这将导致灯丝工作温度过高，缩短灯丝的使用寿命，等等。

（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准。

（5）谐波会对通信电路造成干扰。

电力线路谐波电流会通过电场祸合、磁场祸合和共地线祸合对通信电路造成影响。

近年来，高频开关电源在国民生活中的使用越来越广泛，特别是现在提倡“绿色电源”，要求装置对电网无污染，主要包括谐波含量、功率因数、波形畸变等。

解决这个问题的积极办法就是改善功率因数，提高供电质量。

2功率因数的因素和无功补偿方法

2.1影响功率因数因素

首先我们来了解功率因数产生的主要原因。

功率因数的产生主要是因为交流用电设备在其工作过程中，除消耗有功功率外，还需要无功功率。

当有功功率P一定时，如减少无功功率Q，则功率因数便能够提高。

在极端情况下，当Q=0时，则其力率=1。

因此提高功率因数问题的实质就是减少用电设备的无功功率需要量。

2.1.1异步电动机和电力变压器是耗用无功功率的主要设备

异步电动机的定子与转子间的气隙是决定异步电动机需要较多无功的主要因素。

而异步电动机所耗用的无功功率是由其空载时的无功功率和一定负载下无功功率增加值两部分所组成。

所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。

变压器消耗无功的主要成份是它的空载无功功率，它和负载率的大小无关。

因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长其处于低负载运行状态。

2.1.2供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响

当供电电压高于额定值的10%时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110%时，一般工厂的无功将增加35%左右。

当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。

但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。

所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。

2.1.3电网频率的波动也会对异步电机和变压器的磁化无功功率造成一定的影响

综上所述，我们知道了影响电力系统功率因数的一些主要因素，因此我们要寻求一些行之有效的、能够使低压电力网功率因数提高的一些实用方法，使低压网能够实现无功的就地平衡，达到降损节能的效果。

2.2低压网无功补偿的一般方法

低压无功补偿我们通常采用的方法主要有三种：

随机补偿、随器补偿、跟踪补偿。

下面简单介绍这三种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。

2.2.1 随机补偿

随机补偿就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。

随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制农网无功峰荷。

随机补偿的优点是：

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，而且不需频繁调整补偿容量。

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。

2.2.2随器补偿

随器补偿是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。

配变在轻载或空载时的无功负荷主要是变压器的空载励磁无功，配变空载无功是农网无功负荷的主要部分，对于轻负载的配变而言，这部分损耗占供电量的比例很大，从而导致电费单价的增加，不利于电费的同网同价。

随器补偿的优点：

接线简单、维护管理方便、能有效地补偿配变空载无功，限制农网无功基荷，使该部分无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低无功网损，具有较高的经济性，是目前补偿无功最有效的手段之一。

2.2.3跟踪补偿

跟踪补偿是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4kv母线上的补偿方式。

适用于100kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。

跟踪补偿的优点是运行方式灵活，运行维护工作量小，比前两种补偿方式寿命相对延长、运行更可靠。

但缺点是控制保护装置复杂、首期投资相对较大。

但当这三种补偿方式的经济性接近时，应优先选用跟踪补偿方式。

2.2.4采取适当措施，设法提高系统自然功率因数

提高自然功率因数是在不添置任何补偿设备，采用降低各用电设备所需的无功功率减少负载取用无功来提高工矿企业功率因数的方法，它不需要增加投资，是最经济的提高功率因数的方法。

下面将对提高自然功率因数的措施作一些简要的介绍。

2.2.5合理使用电动机

合理选用电动机的型号、规格和容量，使其接近满载运行。

在选择电动机时，既要注意它们的机械性能，又要考虑它们的电器指标。

若电动机长期处于低负载下运行，既增大功率损耗，又使功率因数和效率都显著恶化。

故从节约电能和提高功率因数的观点出发，必须正确的合理的选择电动机的容量。

2.2.6提高异步电动机的检修质量

实验表明，异步电动机定子绕组匝数变动和电动机定、转子间的气隙变动时对异步电动机无功功率的大小有很大的影响。

2.2.7采用同步电动机或异步电动机同步运行提高功率因数

由电机原理知道，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，而无功取决于转子中的励磁电流大小，在欠激状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过激状态时，定子绕组向电网“送出”无功。

因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过激状态，就可以使同步电机向电网“送出”无功功率，减少电网输送给工矿企业的无功功率，从而提高了工矿企业的功率因数。

异步电动机同步运行就是将异步电动机三相转子绕组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”。

因而只要调节电机的直流励磁电流，使其