功率因数校正的选型与设计：按需定制，提升电能利用率

# 1. 功率因数校正概述**

功率因数校正（PFC）是改善交流电系统中功率因数的技术。功率因数是衡量电气负载消耗真实功率与视在功率之比的指标，理想值为1。当功率因数较低时，系统中会产生无功功率，导致电网效率降低和电能浪费。

PFC技术通过在负载中增加电容或电抗器等元件，来补偿无功功率，提高功率因数。这可以减少电网中的无功功率，提高电能利用率，降低电费成本，并延长电气设备的使用寿命。

# 2. 功率因数校正技术

### 2.1 无源功率因数校正

#### 2.1.1 电容补偿

**原理：**

电容补偿是一种通过并联电容来补偿感性负载产生的滞后功率因数的方法。电容的容抗与感抗相反，当电容并联在感性负载上时，电容的容抗与感抗抵消，从而提高功率因数。

**优点：**

* 成本低廉
* 结构简单
* 易于维护

**缺点：**

* 补偿效果有限
* 可能产生谐波谐振

**应用场景：**

* 感性负载较多的场合，如电动机、变压器等。

#### 2.1.2 电抗器补偿

**原理：**

电抗器补偿是一种通过串联电抗器来补偿容性负载产生的超前功率因数的方法。电抗器的感抗与容抗相反，当电抗器串联在容性负载上时，电抗器的感抗与容抗抵消，从而提高功率因数。

**优点：**

* 补偿效果好
* 不产生谐波谐振

**缺点：**

* 成本较高
* 结构复杂
* 维护困难

**应用场景：**

* 容性负载较多的场合，如电容器组、电缆线等。

### 2.2 有源功率因数校正

#### 2.2.1 有源滤波器

**原理：**

有源滤波器是一种通过使用电力电子器件来产生与负载电流相反的补偿电流，从而消除谐波和提高功率因数的方法。有源滤波器可以实时检测负载电流，并产生与负载电流幅值和相位相反的补偿电流，从而抵消负载电流中的谐波分量。

**优点：**

* 补偿效果好
* 不产生谐波谐振
* 可以同时补偿谐波和功率因数

**缺点：**

* 成本较高
* 结构复杂
* 维护困难

**应用场景：**

* 谐波含量较高的场合，如变频器、整流器等。

#### 2.2.2 无源滤波器与有源滤波器的对比

| 特征 | 无源滤波器 | 有源滤波器 |
|---|---|---|
| 补偿效果 | 一般 | 优异 |
| 谐波谐振 | 可能产生 | 不产生 |
| 成本 | 低 | 高 |
| 结构 | 简单 | 复杂 |
| 维护 | 容易 | 困难 |
| 适用场景 | 感性或容性负载 | 谐波含量高的负载 |

**代码示例：**

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 定义负载电流
load_current = np.array([10, 10*np.cos(np.pi/3), 10*np.cos(2*np.pi/3)])

# 定义有源滤波器补偿电流
compensation_current = np