无功功率与端电压

上次写的太匆忙，这次稍微完善一下，原文：吸收/发出——感性无功/容性无功？你弄对了么？

电力系统中不少的工程师，包括SVG厂家的现场调试人员，还有知名的电力系统业界专家，在讨论无功功率与电网电压的关系的时候，都流传着一种这样的说法：

输出感性无功让电网电压降低，输出容性无功让电网电压升高。这个观点正确么？

弄清楚这个问题以前，我们先说明一下有功功率和无功功率，感性无功和容性无功的概念和关系。

在电网中，由电源供给负载的电功率有两种：一种是有功功率，另一种是无功功率 。有功功率将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。

无功功率不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源吸收无功功率建立的。变压器也同样需要吸收无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器不会吸合。

上段中的无功功率的说法又有些模糊，在实际工作中，我们有的时候又把无功功率分为感性无功功率和容性无功功率。有一种常见的说法就是发出感性无功功率等于吸收容性无功功率。那么对于电容器、电抗器、SVG、SVC工作在什么样的状态是发出感性功率，什么样的状态是发出容性功率？你搞明白了么？

弄清这个问题之前，先弄清几个概念

感性无功电流、容性无功电流

在交流电路中，电源的电压或电流均是按照正弦方式变化的，由于负载类型不同，由此电压或电流的相位将产生区别，用矢量图来表示如下：

（1）当负载为纯电阻负载时（比如电炉丝），电流和电压的相位是相同的；

（2）当负载为纯电感负载时（比如电抗器），电流的相位滞后电压的相位90度；

（3）当负载为纯电容负载时（比如电容器），电流的相位超前电压的相位90度。

即定义为：滞后电压90度的电流为感性电流，超前电压90度的电流为容性电流。

吸收功率、发出功率

撇开无功功率不谈，我们先看有功功率，并且只看直流电路。

从电路的知识，我们知道：电压与电流方向相同，那么该器件吸收功率，如果相反，那么发出功率。

比如一个10V的电源，1个5Ω的电阻组成的电路。

1）电压和电流采用相同参考方向时，负载吸收的有功功率是：20W，电源吸收的有功功率为-20W；

2）电压和电流采用相反参考方向时，负载发出的有功功率是：-20W，电源发出的有功功率为20W。

那么将上述定论推广到交流领域的矢量图呢？我们可以这么看，由于电阻肯定是负载元器件是吸收有功功率的，所以从矢量图上等价于U和IR同向量为吸收有功功率。

电阻电流IR，实际电压U为参考方向，由于电压和电流方向相同，所以定义为吸收功率。

此时此刻，电流IL滞后电压U90度，所以被定义为感性电流，所以电感吸收感性无功功率。电流IC超前电压U90度，所以被定义为容性电流，所以电容吸收容性无功功率。 

以电阻电流IR，虚拟电压-U为参考方向（矢量图为图中虚线），由于电压和电流方向相反，所以发出为发出功率。

此时此刻，电流IL超前电压U90度，所以被定义为容性电流，所以电感发出容性无功功率。电流IC滞后电压U90度，所以被定义为感性电流，所以电容发出感性无功功率。

电容器发出感性无功功率，吸收容性无功功率。电感器吸收感性无功功率，发出容性无功功率。由于SVG和SVC是耗能负载元器件，所以表征他们对外的特性时，只需要把他们等价为上图中最简单的模式，电阻和电容器的并联回路（R//C）或者电阻和电抗器并联回路（R//L）就可以了。

那么究竟是输出感性无功提高电压还是输出容性无功提高电压？

此时我们不妨把电源等价为理想交流电压源，输电线路参数等价为电感，负荷为纯电阻，电压电流同相位定义为吸收功率，则有：

电源电压=负荷电压 电感电压，在幅值上UAC＞ULoad。

如果负荷包含有电容，则依旧满足公式：电源电压=负荷电压 电感电源，但由于存在容性电流，总电流I发生了相位偏移，因此负载电压ULoad的幅值得到了增大，即负载端电压得到了提高，电压幅值甚至可能大于电源

结合上面结论，电容发出感性无功，可推断出发出感性无功让负载端电压提高。

那如果负载时电源，往电网输出纯有功功率呢？

此时我们不妨把电源等价为理想交流电压源，输电线路参数等价为电感，负载电源为电流跟随电压的受控电流源（注意不是理想电流源），电源发出功率，电压与电流相位相反，则有：

电源电压=负荷电压 电感电压，在幅值上UAC＞USource？

怎么会电源电压＜电网电压？这不科学！一般从常识来讲不是电源电压＞电网电压，这与上述结论矛盾么？

不矛盾！因为常规的电源出了发出有功功率外，还会发出感性无功功率，用来给输电线路的无功损耗提供供给。即相当于在电源侧并联了一个电容，此时总电流I发生了相位偏移，如图所示。电源侧的电压幅值得到了增大，此时电源侧电压幅值就可能大于电网侧。

那有没有电源只发出有功功率导致电源侧电压小于网测电压的特例从而证明我上述的结论呢？

有，当光伏逆变器进行低电压穿越测试时，限流电抗器投入时，会发生光伏逆变器交流侧电压暂降现象。

终上所述，流传的观点是错误的，正确的结论则正好相反。

输出感性无功让电网电压降低，输出容性无功让电网电压升高。（×）

无论是电源还是负载，输出感性无功让电网电压升高，输出容性无功让电网电压降低。（√）

通常来说，根据公式Q=UIsinθ公式可知，我们可以通常把感性无功功率定义为无功功率，这样就和本文的第二段的表述相一致了。我个人也比较赞成这种说法。如果约定俗成之后，则定义：电容器发出无功功率，电抗器吸收无功功率；发出无功功率可以抬升端电压吸收无功功率降低端电压。