淺談民用建筑無功補償?shù)膬?yōu)化

王 忠， 張 俊

（湖南省建筑設計院有限公司，長沙410012）

0 引言

隨著技術的進步，以及政府對節(jié)能的重視，民用建筑內的用電設備已經(jīng)發(fā)生了巨大變化。 隨著LED 燈具的普及，個人電腦等電子設備的大量使用，以及變頻器在風機、水泵、電梯、空調等用電設備的大規(guī)模應用，建筑內各類負載的實際運行功率因數(shù)發(fā)生了很大的變化。 筆者依托現(xiàn)有建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，對比平時設計過程中功率因數(shù)的取值以及采取的功率因數(shù)補償措施，對功率因數(shù)取值進行一定程度上的修正，并提出優(yōu)化設計措施，希望各位同行批評指正。

1 研究現(xiàn)狀

筆者搜集了幾個大型甲級設計院的負荷計算書，統(tǒng)計了計算書中各類型負載的功率因數(shù)，取值如表1 所示。

各負載類型功率因數(shù)設計值 表1

各設計院在變壓器低壓母線無功補償容量的配置上，有兩大主流設計原則，一部分設計院以表1中各類負載功率因數(shù)為依據(jù)，通過一系列計算，求得變壓器低壓側的自然功率因數(shù)后換算取得需配置的補償容量；而大部分設計院以變壓器容量的30%配置補償容量。

國家電網(wǎng)科［2008］1 282 號文件《國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)無功補償配置技術原則》對10／0.4kV變壓器低壓側集中補償容量做了如下規(guī)定：配電變壓器的無功補償裝置容量可按變壓器最大負載率為75%，負荷自然功率因數(shù)為0.85 考慮，補償?shù)阶儔浩髯畲筘摵蓵r其高壓側功率因數(shù)不低于0.95，或按照變壓器容量的20%～40%進行配置。 這份文件發(fā)布于2008 年，到目前負載功率因數(shù)有了較大變化，同時大部分設計院在按此文件設計時，直接取中間值，即按30%變壓器容量配置補償容量，而未按該條文前半段所描述的方法進行計算。

2 案例分析

以某辦公樓及某商業(yè)綜合體能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，選取照明、風冷熱泵、地源熱泵、電梯、LED屏、數(shù)據(jù)機房等負載在實際運行中的功率因數(shù)，同時對變壓器低壓側無功補償運行情況進行統(tǒng)計。

案例一是位于湖南省長沙市的一棟多層辦公建筑。 建筑高度23.9m，辦公樓地上7 層，面積約2.5 萬m2，配套地下室面積約1.1 萬m2。 項目設有兩臺1 000kVA 變壓器。 項目特點：內部照明大范圍采用LED 光源；空調采用風冷熱泵與地源熱泵相結合的形式；內部辦公以電腦、打印機等設備為主。

案例二是位于湖南省長沙市某個集辦公、商業(yè)于一體的大型商業(yè)綜合體建筑，地下共4 層為車庫、設備用房及部分商業(yè)，地上裙房共7 層均為商業(yè)，另包含3 棟超高層塔樓均為辦公。 項目建筑面積約50 萬m2，共設9 個配電房，24 臺變壓器，變壓器安裝容量共計33 600kVA。 本文僅對該項目商業(yè)部分變壓器數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計。 項目特點：內部照明大范圍采用LED 光源；空調采用水冷主機＋燃氣鍋爐結合的中央空調形式，影院空調采用風冷熱泵形式；商業(yè)部分為集購物、餐飲、娛樂為一體的大型商業(yè)綜合體。

2.1 負載實測功率分析

2 個案例中各項負載實測功率因數(shù)值如表2所示。

各負載類型功率因數(shù)實測值 表2

部分負載在凌晨等低谷時間段待機功率因數(shù)與平時運行功率因數(shù)有較大差距，考慮待機功率較小，對配電系統(tǒng)功率因數(shù)影響有限，所以表格中未體現(xiàn)待機時間段的功率因數(shù)。

由于所測數(shù)據(jù)均取自于能耗監(jiān)控系統(tǒng)平臺，筆者對辦公樓項目每個回路實際所接負載進行了核實，各回路標注負載與實際所帶負載互相對應；但商業(yè)綜合體項目由于物業(yè)方管理規(guī)定等原因，無法對現(xiàn)場進行核實，故不能確保各回路標注負載與實際所帶負載互相對應。

從各項負載功率因數(shù)實測值來看，由于負載特點、設備品牌等原因，不同項目同類型負載功率因數(shù)有一定差距，但大體接近。 下面以辦公樓項目照明的日功率因數(shù)曲線圖為例進行分析。

辦公樓普通照明日功率因數(shù)曲線如圖1 所示，辦公樓普通照明除了在夜晚負載較低的情況下功率因數(shù)在－0.7 左右，其他時間段功率因數(shù)基本在－0.9 左右。

圖1 普通照明日功率因數(shù)曲線

辦公樓的普通照明負載一直處于容性狀態(tài)，而商業(yè)綜合體項目功率因數(shù)基本維持在0.92 以上，呈高功率因數(shù)的感性狀態(tài)。 對比兩個項目的負載情況，辦公樓項目的普通照明負載中除了LED 照明外，還有大量的個人電腦，筆者推測這些個人電腦可能是導致辦公樓項目普通照明功率因數(shù)呈容性的主要原因，但出于條件限制，目前無法對這個推測進行核實。

無論是辦公項目還是商業(yè)綜合體項目，從整體來看，普通照明負載的功率因數(shù)實測值相對于平時設計過程中功率因數(shù)取值均有較大區(qū)別。

辦公樓空調主機包括風冷熱泵、地源熱泵，從圖2～3 數(shù)據(jù)顯示，風冷熱泵和地源熱泵的實際功率因數(shù)都在0.9 左右。 平時設計過程中采用的功率因數(shù)0.8 相對偏低。

圖2 空調系統(tǒng)（風冷熱泵）日功率因數(shù)曲線

圖3 空調系統(tǒng)（地源熱泵）日功率因數(shù)曲線

生活水泵作為純動力負載，并未呈現(xiàn)出明顯的感性狀態(tài)，功率因數(shù)基本接近于1。 目前生活水泵普遍采用變頻水泵，筆者通過查閱一些資料了解到，單變頻器輸入端功率因數(shù)較低，約為0.7～0.75，但大部分變頻器都在內部加裝了電抗器，使得變頻器調速系統(tǒng)的功率因數(shù)提高到了0.95 以上。 平時設計過程中針對生活水泵的功率因數(shù)取值均為0.8，相對實測值偏低。 生活水泵日功率因數(shù)曲線見圖4。

圖4 生活水泵日功率因數(shù)曲線

根據(jù)圖5 電梯系統(tǒng)日功率因數(shù)曲線顯示，電梯設備功率因數(shù)在較大幅度內變化。 電梯的拽引電機有一般電機、變頻電機、永磁同步電機等形式，運行工況也較復雜，這些都會直接影響到電梯功率因數(shù)的表現(xiàn)，同時由于能耗監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，無法完整反映數(shù)據(jù)的實時變化情況。 但考慮到本樣本中電梯用電量在建筑能耗中占比較小，對配電網(wǎng)絡的整體功率因數(shù)影響也較小，故不再展開討論。

圖5 電梯系統(tǒng)日功率因數(shù)曲線

弱電機房屬于常年穩(wěn)定運行的負載，無論是功耗還是功率因數(shù)都很穩(wěn)定，如圖6 所示，實測出功率因數(shù)均接近于1 或呈－0.98 左右的低容性狀態(tài)，平時設計過程中選取的0.85 相對較低。

圖6 弱電機房日功率因數(shù)曲線

2.2 無功補償投入情況

根據(jù)對兩個案例的實地考察，了解到配電房低壓補償量基本按變壓器容量的30%配置。 由于變配電所電容補償投入情況無統(tǒng)計數(shù)據(jù)，但通過現(xiàn)場情況及從物業(yè)管理人員處了解到的情況看，不同變壓器的無功補償電容投入情況各不相同：辦公樓兩臺變壓器無功補償電容在絕大部分時間未投入，系統(tǒng)整體自然功率因數(shù)均維持在較高的水平；而商業(yè)綜合體無功補償電容普遍投入率偏低，空調系統(tǒng)專用變壓器補償電容投入率相對較高，但高負荷時投入容量也不足補充容量的30%。

筆者調取了辦公樓變壓器低壓出線開關處的功率因數(shù)數(shù)據(jù)，分別摘取了空調季節(jié)和非空調季節(jié)中某一天的數(shù)據(jù)，如圖7～8 所示。

圖7 變壓器低壓側（2019－8－11）日功率因數(shù)曲線

圖8 變壓器低壓側（2019－10－21）日功率因數(shù)曲線

非空調季節(jié)，變壓器低壓側功率因數(shù)基本在－0.8～－0.98，呈容性狀態(tài)運行；空調季節(jié)，白天功率因數(shù)基本在感性0.97 以上，而夜間也變?yōu)榱巳菪誀顟B(tài)。 考慮非空調季節(jié)空調沒有運行，負載以容性的照明負載為主，故長期處于容性狀態(tài)運行。 空調季節(jié)呈感性的空調負載在白天投入運行，將運行狀態(tài)由容性變?yōu)榱烁行誀顟B(tài)。

由此可見，在設計過程中，變壓器補償容量配置大多數(shù)情況下可能偏高，補償投入率偏低，造成了較大的一次投資浪費。

3 設計優(yōu)化

3.1 負荷計算功率因數(shù)取值優(yōu)化

在設計過程中，進行負荷計算時建議綜合考慮所帶負載特性，如照明燈具是否大量采用LED燈、空調主機是否為變頻空調、電梯是否為變頻電機等，根據(jù)負載特性合理選擇功率因數(shù)取值，為無功補償容量的配置提供更加準確合理的數(shù)據(jù)支撐。

筆者根據(jù)對以上兩個案例的實測數(shù)據(jù)分析，提出各類型負載功率因數(shù)設計參考值供參考，如表3所示。

各類型負載功率因數(shù)設計參考值 表3

3.2 無功補償容量配置優(yōu)化

在設計過程中配置電容補償容量時，建議充分參考負荷計算結果，同時針對負荷計算可能出現(xiàn)的誤差留有一定裕量，不要盲目地根據(jù)變壓器容量來確定補償容量。

同時考慮到目前實測數(shù)據(jù)中，有大量負載在運行過程中呈容性狀態(tài)，建議在配置無功補償措施時，適當考慮采用基于電力電子技術的靜止無功發(fā)生裝置SVG，該設備采用全控型半導體器件組成的逆變電路，實現(xiàn)動態(tài)無功補償，可以對負荷實現(xiàn)感性、容性雙向快速補償和連續(xù)調節(jié)。

4 結束語

隨著科學技術的發(fā)展，民用建筑內的用電設備也發(fā)生了翻天覆地的變化，電力電子、智能化等更多的新技術應用在各種用電設備上。 用電設備的功率因數(shù)情況也隨之發(fā)生了較大變化。 設計師在進行民用建筑配電設計時應綜合考慮負載實際情況，選用合理的功率因數(shù)取值，同時結合負荷計算結果，合理確定無功補償方案，在滿足政策、規(guī)范要求的前提下，以經(jīng)濟的投資，提供最優(yōu)的設計方案。