淺談民用建筑無功補償的優化

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，以及政府對節能的重視，民用建筑內的用電設備已經發生了巨大變化。 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模應用，建筑內各類負載的實際運行功率因數發生了很大的變化。 筆者依托現有建筑能耗監控系統的實測數據，對比平時設計過程中功率因數的取值以及采取的功率因數補償措施，對功率因數取值進行一定程度上的修正，并提出優化設計措施，希望各位同行批評指正。

1 研究現狀

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

各負載類型功率因數設計值 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為依據，通過一系列計算，求得變壓器低壓側的自然功率因數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。

國家電網科［2008］1 282 號文件《國家電網公司電力系統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%，負荷自然功率因數為0.85 考慮，補償到變壓器最大負荷時其高壓側功率因數不低于0.95，或按照變壓器容量的20%～40%進行配置。 這份文件發布于2008 年，到目前負載功率因數有了較大變化，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綜合體能耗監測數據為依據，選取照明、風冷熱泵、地源熱泵、電梯、LED屏、數據機房等負載在實際運行中的功率因數，同時對變壓器低壓側無功補償運行情況進行統計。

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、商業于一體的大型商業綜合體建筑，地下共4 層為車庫、設備用房及部分商業，地上裙房共7 層均為商業，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部分變壓器數據進行了統計。 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；商業部分為集購物、餐飲、娛樂為一體的大型商業綜合體。

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值如表2所示。

各負載類型功率因數實測值 表2

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

由于所測數據均取自于能耗監控系統平臺，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；但商業綜合體項目由于物業方管理規定等原因，無法對現場進行核實，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曲線圖為例進行分析。

辦公樓普通照明日功率因數曲線如圖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在－0.7 左右，其他時間段功率因數基本在－0.9 左右。

圖1 普通照明日功率因數曲線

辦公樓的普通照明負載一直處于容性狀態，而商業綜合體項目功率因數基本維持在0.92 以上，呈高功率因數的感性狀態。 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綜合體項目，從整體來看，普通照明負載的功率因數實測值相對于平時設計過程中功率因數取值均有較大區別。

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

圖2 空調系統（風冷熱泵）日功率因數曲線

圖3 空調系統（地源熱泵）日功率因數曲線

生活水泵作為純動力負載，并未呈現出明顯的感性狀態，功率因數基本接近于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的功率因數提高到了0.95 以上。 平時設計過程中針對生活水泵的功率因數取值均為0.8，相對實測值偏低。 生活水泵日功率因數曲線見圖4。

圖4 生活水泵日功率因數曲線

根據圖5 電梯系統日功率因數曲線顯示，電梯設備功率因數在較大幅度內變化。 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的表現，同時由于能耗監控平臺數據為離散數據，無法完整反映數據的實時變化情況。 但考慮到本樣本中電梯用電量在建筑能耗中占比較小，對配電網絡的整體功率因數影響也較小，故不再展開討論。

圖5 電梯系統日功率因數曲線

弱電機房屬于常年穩定運行的負載，無論是功耗還是功率因數都很穩定，如圖6 所示，實測出功率因數均接近于1 或呈－0.98 左右的低容性狀態，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曲線

2.2 無功補償投入情況

根據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計數據，但通過現場情況及從物業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，系統整體自然功率因數均維持在較高的水平；而商業綜合體無功補償電容普遍投入率偏低，空調系統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數據，分別摘取了空調季節和非空調季節中某一天的數據，如圖7～8 所示。

圖7 變壓器低壓側（2019－8－11）日功率因數曲線

圖8 變壓器低壓側（2019－10－21）日功率因數曲線

非空調季節，變壓器低壓側功率因數基本在－0.8～－0.98，呈容性狀態運行；空調季節，白天功率因數基本在感性0.97 以上，而夜間也變為了容性狀態。 考慮非空調季節空調沒有運行，負載以容性的照明負載為主，故長期處于容性狀態運行。 空調季節呈感性的空調負載在白天投入運行，將運行狀態由容性變為了感性狀態。

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

3 設計優化

3.1 負荷計算功率因數取值優化

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，根據負載特性合理選擇功率因數取值，為無功補償容量的配置提供更加準確合理的數據支撐。

筆者根據對以上兩個案例的實測數據分析，提出各類型負載功率因數設計參考值供參考，如表3所示。

各類型負載功率因數設計參考值 表3

3.2 無功補償容量配置優化

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的誤差留有一定裕量，不要盲目地根據變壓器容量來確定補償容量。

同時考慮到目前實測數據中，有大量負載在運行過程中呈容性狀態，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，實現動態無功補償，可以對負荷實現感性、容性雙向快速補償和連續調節。

4 結束語

隨著科學技術的發展，民用建筑內的用電設備也發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情況也隨之發生了較大變化。 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、規范要求的前提下，以經濟的投資，提供最優的設計方案。