電容器在電網(wǎng)中的作用機(jī)理

谷若雨

電容器在電網(wǎng)中有三大作用，分別是：1、提高系統(tǒng)功率因素;2、改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量;3、減少線路損耗。而產(chǎn)生這三大作用的原理是無功補(bǔ)償，本論文將闡述無功補(bǔ)償?shù)脑砑胺治鰺o功補(bǔ)償在電網(wǎng)中的作用。

1.1無功功率與無功補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)知識

1.1.1什么是無功功率？

在交流系統(tǒng)中，除白熾燈、同步電動(dòng)機(jī)外的絕大部分用電設(shè)備均消耗無功功率。凡是有電磁線圈的設(shè)備，需要建立磁場，就需要消耗無功功率。比如40W的日光燈，除需要40w有功功率，還需要一定的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場用，變壓器需要一次線圈產(chǎn)生磁場，在二次線圈上產(chǎn)生電壓。沒有無功功率，電動(dòng)機(jī)就不能轉(zhuǎn)動(dòng)，變壓器就不能變壓。

先明確有功功率的定義：在正弦電路中，有功功率是指一個(gè)周期內(nèi)的平均功率。

平均功率的定義：瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。

A.電阻與有功功率

在交流正弦電阻回路中，設(shè)：

則，-

瞬時(shí)功率UI=2UI=UI（1-）

所以平均功率

==UI-

由于的積分，所以電阻上的功率為：P=UI

結(jié)論：

1、在電阻回路中，電壓與電流同相。

2、有功功率始終是正值，電源提供給電阻負(fù)載消耗。

A.電感與感性無功功率

電感中通過電流時(shí)：U=

設(shè) i=I

則 U==L（I）=

-

瞬時(shí)功率UI=UIsin2wt

平均功率：=0

結(jié)論：

1、交流回路中電感是不消耗有功。

2、從功率曲線可以看出，在交流的第一和第三1/4周期內(nèi)，電壓和電流同相，瞬時(shí)功率為正，電源向電感提供功率。說明此時(shí)電感內(nèi)磁場能建立。在交流的第二和第三1/4周期內(nèi)，電壓和電流反向，瞬時(shí)功率為負(fù)，電感向電源提供功率。說明此時(shí)電感內(nèi)磁場能釋放。

3、在一個(gè)工頻周期內(nèi)，電感和電源進(jìn)行了四次能量交換，但并沒有消耗能量，這種能量交換的功率叫做無功功率。對于電感來說，成為感性無功功率。記作

4、雖然電感和電源之間不存在能量的消耗，但是由于實(shí)際的線路中是存在電阻的，無功電流在交換的過程中經(jīng)過電阻會(huì)產(chǎn)生有功損耗，所以要盡量減少電感和電源之間的交換，使用無功補(bǔ)償，和電容交換能量，減少輸電損耗。

B.電容與無功功率

電容在交流電壓作用下流過的電流：

=C

設(shè)u=

則i= C=C（）=wC

-

瞬時(shí)功率UI=-UIsin2wt

平均功率：=0

結(jié)論：

1、與電感一樣，交流回路中電容不消耗有功功率。

2、從功率曲線可以看出，在交流的第二和第四1/4周期內(nèi)，電壓和電流同相，瞬時(shí)功率為正，電源向電容充電，提供功率。說明此時(shí)電容內(nèi)電場能建立。在交流的第一和第三1/4周期內(nèi)，電壓和電流反向，瞬時(shí)功率為負(fù)，電容向電源放電，提供功率。說明此時(shí)電容內(nèi)電場能釋放。

3、對于電容來說，這種交換的功率成為容性無功功率。記作：

說明：在電力系統(tǒng)中，一般把感性無功稱為無功負(fù)荷，把容性無功稱為無功電源。

1.1.2 什么是功率因數(shù)？什么是視在功率？

電網(wǎng)中元件分為三種：阻性元件，容性元件，感性元件。我們把電網(wǎng)等效為RLC串聯(lián)回路。

=R+jX? X=

阻抗模= 幅角，

設(shè)i=I，則U）

瞬時(shí)功率：=UI[]

公式表明：瞬時(shí)功率分為兩部分，一是恒定不變的UI，二是在一個(gè)周期內(nèi)積分為0的），這是電感或電容與電源之間交換的功率。

有功功率：= UI

無功功率：Q==（）=UI

稱為功率因數(shù);是功率因數(shù)角;視在功率S==

幾個(gè)概念的物理意義：

有功反應(yīng)了系統(tǒng)的能量消耗。

無功反應(yīng)了系統(tǒng)無功設(shè)備（容性、感性）磁場能和電場能之間的交換，沒有消耗。

視在功率反應(yīng)了系統(tǒng)的最大容量。視在功率是電源提供給系統(tǒng)的總功率，其中一部分功率供有功消耗，另一部分供無功交換。

功率因數(shù)反映了系統(tǒng)有功功率利用率的高低水平。

1.1.3無功補(bǔ)償?shù)母拍?/p>

我們知道，在一個(gè)正弦周期內(nèi)，第一、三個(gè)1/4周期電容電場能釋放，電感電磁能建立，第二、四個(gè)1/4周期電容電場能建立，電感磁場能釋放，二者是剛好相反的過程，如果把相同容量的電感元件和電容元件并接于電源，這種交換功率可以不用在電源和電容電感之間進(jìn)行，而是在電感元件和電容元件之間進(jìn)行，這就是無功補(bǔ)償?shù)脑怼?/p>

對于電感元件 =

對于電容元件 =

如電感元件和電容元件并聯(lián)于電源，總功率：

P=+=+=0

所以電容和電感的電抗和容抗值相等時(shí)并聯(lián)于電源，他們相互交換功率，和電源交換功率為0。這時(shí)，電容相當(dāng)于代替了電源與電感進(jìn)行功率交換，對于電源來說，負(fù)載為阻性，電壓電流同相，=0，=1。

2.1提高功率因數(shù)的意義

2.1.1提高功率因數(shù)可以提高設(shè)備利用率

有功功率：P=UI，當(dāng)系統(tǒng)UI為定值時(shí)，P，這就說明，在相同的視在功率下，功率因數(shù)越高，視在功率分配給無功用于交換的功率越少，相應(yīng)的有功功率越大。

2.1.2提高功率因數(shù)可以減少線路損耗

電感與電源交換的無功功率在輸電線路的電阻中會(huì)產(chǎn)生有功消耗，因此，用無功補(bǔ)償設(shè)備就地進(jìn)行無功補(bǔ)償可以減少無功在線路流動(dòng)產(chǎn)生的有功損耗。

2.1.3提高功率因數(shù)能改善供電質(zhì)量

當(dāng)輸電電路傳遞功率時(shí)，它將在線路的電阻和電感元件中產(chǎn)生電壓損耗。

X=

電壓損耗由兩部分組成，一部分由有功功率在線路電阻上產(chǎn)生的電壓損耗，一部分是無功功率在線路電抗中產(chǎn)生的電壓損耗。無功補(bǔ)償，減少了無功功率在電抗中產(chǎn)生的電壓損耗。

參考文獻(xiàn)：

[1] 羅星，王吉紅，馬釗.儲(chǔ)能技術(shù)綜述及其在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用展望[J].智能電網(wǎng)，2014（01）：7-12.

[2] 王彥慶.超級電容器在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電子元件與材料，2014（01）：79-80.

[3] 王承民，孫偉卿，衣濤，顏志敏，張焰.智能電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用規(guī)劃及其效益評估方法綜述[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013（07）：33-41+21.

（作者單位：深圳供電局有限公司）