2.3 功率因数补偿

2.3.1 要点。
1.供配电设计应通过正确选择电动机，变压器的容量以及照明灯具启动器，降低线路感抗等措施，提高用电单位的自然功率因数。
2.当采用提高自然功率因数措施后，仍达不到电网合理运行要求时，应采用并联电力电容器作为无功补偿装置。如经过技术经济论证，确认采用同步电动机作为无功功率补偿装置合理时，也可采用同步电动机。
3.高压电气设备的无功功率宜由高压电容器补偿，低压电器设备的无功功率宜由低压电容器补偿。
4.当采用高(中)、低压自动补偿装置效果相同时，宜采用低压自动补偿装置。
5.补偿基本无功功率的高压或低压电容器组，宜在配变电所内集中补偿。
6.容量较大、负载稳定且长期运行的用电设备的无功功率宜单独就地补偿。
7.当补偿电容器所在线路谐波较严重时，高压电容器应串联适当参数的电抗器，低压电容器宜串联适当参数的电抗器。
8.当配电系统中谐波电流较严重时，无功功率补偿容量的计算应考虑谐波的影响。
9.电容器分组时，应满足下列要求：
  1)分组电容器投切时，不应产生谐振。
  2)适当减少分组组数和加大分组容量，必要时应设置不同容最的电容器组，以适应负载的变化。
  3)应与配套设备的技术参数相适应。
  4)应在电压偏差的允许范围内。
2.3.2 功率因数补偿容量的计算。
1.功率因数定义。功率因数指有功功率和视在功率的比值。
2.功率因数的数值要求。功率因数的数值应满足当地供电部门的要求。当无明确要求时，应满足如下值：
  1)高压用户的功率因数应为0.9以上。
  2)低压用户的功率因数应为0.85以上。
3.功率因数补偿容量的计算。
  1)不考虑谐波的计算方法：
    ①简化的功率因数补偿容量计算方法。

式中：P——有功功率（kW）；
          S——视在功率（kV▪A）。
    ②基于减少申报的最大视在功率的补偿容量计算（图2.3.2-1）。

图2.3.2-1  补偿容量计算示意图

式中：——每个用电设备的无功功率（kvar）；
          ——每个用电设备的有功功率（kW）；
         ——目标功率因数；
         ——需要补偿电容器容量。
    ③为增加有效有功功率输出而补偿的补偿容量计算（表2.3.2-1）。

表2.3.2-1  负载功率因数与变压器有功功率输出能力的关系

    ④对变压器吸收的无功电能进行补偿的补偿容量计算。
当变压器所吸收的无功功率不能忽略时，可采用以下公式近似计算：

变压器负载率为n%时：

变压器满载时：

变压器半载时：

[例]△u%=6%，S=1600kV•A
满负荷时：

半负荷时：

变压器的实际补偿容量应按变压器的实际负载率（例如按变压器计算负载率的0.7）来确定，以避免过补偿。
当变压器的负载变化较大，精确计算有困难时，变压器的基本无功补偿容量可按变压器额定容量的5%配置。
  2）谐波环境中功率因素的计算。
理想正弦波的功率因素计算：

式中：P——有功功率（kW）；
          S——视在功率（KV▪A）。

式中：P1——基波的有功功率（kW）；
          S1——基波的视在功率（KV▪A）。
当谐波存在时，

式中：——位移功率因数；
           ——畸变功率因数。
也可以利用基波因数来计算谐波环境中的功率因数PF：

式中：v——基波因数，它等于基波电流有效值与总电流值有效值之比，即：
上式说明了实际功率因数是由基波电流位移和电流波形畸变两个因素决定的。

图2.3.2-2  谐波电流畸变率
与功率因数PF的关系曲线

    ②工程估算方法。在实际工程设计中，谐波所致的无功功率很难估算，故上述算法实际上不可行。由于电网规摸巨大，通常可以认为电力系统的内阻为零(视作无限大系统)，因而仅考虑谐波电流而忽略谐波电压的影响，即THD_u=0。此时，功率因数与谐波电流畸变率THD_i(％)之间的关系如图2.3.2-2所示，供工程估算时参考。
图中，PF为实际功率因数；cosφ为理想正弦波的功率因数，即基波功率因数，我们传统算法所得即为此值；THD_i(％)可粗略估算得到。
从图2.3.2-2可见，在谐波电流的影响下，实际功率因数将按图示曲线下降，这是由于谐波产生了额外的无功功率。因此，在工程设计中，特别是对于选择Y，ynO连接组别变压器的中性线截面选择、配电导体(线)的中性线选择计算中，宜按上图所示曲线对功率因数进行粗略的修正，否则，计算所得的电流值将会偏小，从而导致导体(线)中性线载流能力不足。
    ③谐波环境中补偿电容器参数的确定。
      a. 根据G_h/S_n的比值确定补偿电容器的参数，见表2.3.2-2。

表2.3.2-2  根据Gn/Sn的比值确定的补偿电容器参数

注：1. Gn为连接到有电容器组的母线上所有谐波源装置（静态变换器、变频器、速度控制器等）的视在功率额定值的总和。应当注意的是，12脉及以上的整流器，已采取非常有效的谐波抑制措施的谐波源设备等均不应计入。
       2. Sn为系统中变压器视在功率额定值的矢量和。
      b. 根据实测总谐波畸变率THDi来确定补偿电容器的参数，见表2.3.2-3。

表2.3.2-3  根据实测总谐波畸变率THDi确定的补偿电容器参数

注：1. Sn为变压器视在功率。
       2. S为变压器副边实测的视在功率（满负荷且不带电容器）。
       3. THDi为变压器副边实测的电流畸变率。
    ④串联型调谐电抗器配比计算：
在调谐频率处：

式中：——电抗器基波感抗值；
           ——电容器基波容抗值；
              h——理论调谐次数。

在确定电抗器容量时，应使实际调谐频率小于理论调谐频率(即希望抑制的谐波频率)，以避免发生系统局部谐振。还应考虑一定裕度，因为当电容器使用时间较长后，其介质材料退化，从而导致电容值下降．易引起谐振频率的升高，如表2.3.2-4。

表2.3.2-4  串联型调谐电抗器配比

    ⑤系统谐振频率计算：

式中：——电容器的额定容量（Mvar）；
          ——母线短路容量（MV•A）。

补偿容量的分组应避开系统谐振点。
电容器容量的增加，导致谐振频率向低值偏移；反之，系统短路容量的增加，则导致谐振频率向高值偏移。
    ⑥晶闸管投切电容器组(TSC)。
      a. 无功功率变化较大的场所宜采用晶闸管投切电容器组；
      b. 晶闸管投切电容器组的分组应符合系统中无功功率的变化特性。
⑦静止无功发生器(SVG)。无功功率变化较大且谐波严重的系统中宜采用静止无功发生器。
2.3.3 功率因数的控制方法。
1.无功补偿装置的投切方式，具有下列情况之一时，宜采用手动投切的无功补偿装置：
  1)补偿低压基本无功功率的电容器组。
  2)常年稳定的无功功率。
  3)经常投入运行的变压器或配(变)电所内投切次数较少的高压电动机及高压电容器组。
2.无功补偿装置的投切方式，只有下列情况之一时，宜装设自动投切装置：
  1)为避免过补偿，装设无功自动补偿自动投切装置在经济上合理时。
  2)为避免在轻载时电压过高而造成某些用电设备损坏，装设无功自动补偿装置在经济上合理时。
  3)只有装设无功自动补偿装置，才能满足在各种运行负荷的情况下的电压偏差允许值。
3.无功自动补偿的调节方式，宜根据下列原则确定：
  1)以节能为主进行补偿时，采用无功功率参数调节；当三相负荷平衡时，亦可采用功率因数参数调节。
  2)无功功率随时间稳定变化时，按时间参数自动调节。