电容器在电网中的作用机理

谷若雨

电容器在电网中有三大作用，分别是：1、提高系统功率因素;2、改善系统电压质量;3、减少线路损耗。而产生这三大作用的原理是無功补偿，本论文将阐述无功补偿的原理及分析无功补偿在电网中的作用。

1.1无功功率与无功补偿的基础知识

1.1.1什么是无功功率？

在交流系统中，除白炽灯、同步电动机外的绝大部分用电设备均消耗无功功率。凡是有电磁线圈的设备，需要建立磁场，就需要消耗无功功率。比如40W的日光灯，除需要40w有功功率，还需要一定的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用，变压器需要一次线圈产生磁场，在二次线圈上产生电压。没有无功功率，电动机就不能转动，变压器就不能变压。

先明确有功功率的定义：在正弦电路中，有功功率是指一个周期内的平均功率。

平均功率的定义：瞬时功率在一个周期内的平均值。

A.电阻与有功功率

在交流正弦电阻回路中，设：

则，-

瞬时功率UI=2UI=UI（1-）

所以平均功率

==UI-

由于的积分，所以电阻上的功率为：P=UI

结论：

1、在电阻回路中，电压与电流同相。

2、有功功率始终是正值，电源提供给电阻负载消耗。

A.电感与感性无功功率

电感中通过电流时：U=

设 i=I

则 U==L（I）=

-

瞬时功率UI=UIsin2wt

平均功率：=0

结论：

1、交流回路中电感是不消耗有功。

2、从功率曲线可以看出，在交流的第一和第三1/4周期内，电压和电流同相，瞬时功率为正，电源向电感提供功率。说明此时电感内磁场能建立。在交流的第二和第三1/4周期内，电压和电流反向，瞬时功率为负，电感向电源提供功率。说明此时电感内磁场能释放。

3、在一个工频周期内，电感和电源进行了四次能量交换，但并没有消耗能量，这种能量交换的功率叫做无功功率。对于电感来说，成为感性无功功率。记作

4、虽然电感和电源之间不存在能量的消耗，但是由于实际的线路中是存在电阻的，无功电流在交换的过程中经过电阻会产生有功损耗，所以要尽量减少电感和电源之间的交换，使用无功补偿，和电容交换能量，减少输电损耗。

B.电容与无功功率

电容在交流电压作用下流过的电流：

=C

设u=

则i= C=C（）=wC

-

瞬时功率UI=-UIsin2wt

平均功率：=0

结论：

1、与电感一样，交流回路中电容不消耗有功功率。

2、从功率曲线可以看出，在交流的第二和第四1/4周期内，电压和电流同相，瞬时功率为正，电源向电容充电，提供功率。说明此时电容内电场能建立。在交流的第一和第三1/4周期内，电压和电流反向，瞬时功率为负，电容向电源放电，提供功率。说明此时电容内电场能释放。

3、对于电容来说，这种交换的功率成为容性无功功率。记作：

说明：在电力系统中，一般把感性无功称为无功负荷，把容性无功称为无功电源。

1.1.2 什么是功率因数？什么是视在功率？

电网中元件分为三种：阻性元件，容性元件，感性元件。我们把电网等效为RLC串联回路。

=R+jX  X=

阻抗模= 幅角，

设i=I，则U）

瞬时功率：=UI[]

公式表明：瞬时功率分为两部分，一是恒定不变的UI，二是在一个周期内积分为0的），这是电感或电容与电源之间交换的功率。

有功功率：= UI

无功功率：Q==（）=UI

称为功率因数;是功率因数角;视在功率S==

几个概念的物理意义：

有功反应了系统的能量消耗。

无功反应了系统无功设备（容性、感性）磁场能和电场能之间的交换，没有消耗。

视在功率反应了系统的最大容量。视在功率是电源提供给系统的总功率，其中一部分功率供有功消耗，另一部分供无功交换。

功率因数反映了系统有功功率利用率的高低水平。

1.1.3无功补偿的概念

我们知道，在一个正弦周期内，第一、三个1/4周期电容电场能释放，电感电磁能建立，第二、四个1/4周期电容电场能建立，电感磁场能释放，二者是刚好相反的过程，如果把相同容量的电感元件和电容元件并接于电源，这种交换功率可以不用在电源和电容电感之间进行，而是在电感元件和电容元件之间进行，这就是无功补偿的原理。

对于电感元件 =

对于电容元件 =

如电感元件和电容元件并联于电源，总功率：

P=+=+=0

所以电容和电感的电抗和容抗值相等时并联于电源，他们相互交换功率，和电源交换功率为0。这时，电容相当于代替了电源与电感进行功率交换，对于电源来说，负载为阻性，电压电流同相，=0，=1。

2.1提高功率因数的意义

2.1.1提高功率因数可以提高设备利用率

有功功率：P=UI，当系统UI为定值时，P，这就说明，在相同的视在功率下，功率因数越高，视在功率分配给无功用于交换的功率越少，相应的有功功率越大。

2.1.2提高功率因数可以减少线路损耗

电感与电源交换的无功功率在输电线路的电阻中会产生有功消耗，因此，用无功补偿设备就地进行无功补偿可以减少无功在线路流动产生的有功损耗。

2.1.3提高功率因数能改善供电质量

当输电电路传递功率时，它将在线路的电阻和电感元件中产生电压损耗。

X=

电压损耗由两部分组成，一部分由有功功率在线路电阻上产生的电压损耗，一部分是无功功率在线路电抗中产生的电压损耗。无功补偿，减少了无功功率在电抗中产生的电压损耗。

参考文献：

[1] 罗星，王吉红，马钊.储能技术综述及其在智能电网中的应用展望[J].智能电网，2014（01）：7-12.

[2] 王彦庆.超级电容器在智能电网中的应用[J].电子元件与材料，2014（01）：79-80.

[3] 王承民，孙伟卿，衣涛，颜志敏，张焰.智能电网中储能技术应用规划及其效益评估方法综述[J].中国电机工程学报，2013（07）：33-41+21.

（作者单位：深圳供电局有限公司）