孟焕平：办公建筑电能质量分析及改善方案

大楼基本概况

【资料图】

办公楼于2016年建成运行，获得三星级绿色建筑设计标识，建筑面积38 421 m²。大楼空调系统2 ~ 3层选用地源热泵系统，地下1层、1层、4 ~ 7层选用风冷热泵系统，照明灯具均选用LED光源，大楼设2台1 000 kVA变压器，变压器容量指标为52.1 VA / m²，采用“千里眼”远程运维平台、“云能效”管理系统及PME电力监控系统，所有低压配电断路器选用智能数字化产品。

实测电能质量数据分析

>>>>功率因数实测数据

我院办公楼变配电所设置2台300 kvar电容补偿柜。通过对变配电所2017年、2018年两年运行数据分析可知，办公楼电气系统白天功率因数高，补偿电容几乎未投入运行；夜间功率因数较低，其总功率因数在0.95（感性）到0.74（容性）之间。图1为大楼低压配电室总功率因数曲线图，从图1可以看出，晚上22：00功率因数由感性变为容性。笔者分析原因如下：白天为上班时间，VRV空调开启为感性负载，LED照明灯具、大量电脑开机为容性负载。因白天有大量感性与容性负荷同时运行，故功率因数高，补偿电容未投入。晚上22：00以后，大楼空调负荷通过BA系统集中控制停机，切除了大量感性负载，楼内主要用电设备为LED灯具及部分开机的电脑，无功特性呈现容性。由于传统的电容无功补偿是对感性无功进行静态补偿，无法补偿容性无功，故夜间功率因数转为容性。

笔者同时对空调VRV主机回路及照明回路进行实测，测量结果如图2所示。可以看出空调回路电压相位超前电流，为感性负载；而照明回路电流相位超前电压，为容性负载。笔者通过仪表检测，验证了空调负荷为感性负载、LED照明及插座（电脑）为容性负载。

>>>>谐波数据分析

为分析办公楼配电系统谐波，笔者在变压器低压侧母线上进行谐波实测，得到谐波频谱如图3所示。从图3可以看出，大楼配电系统中3次、5次、7次谐波，尤其是5次谐波较大。笔者同时对VRV空调配电回路、照明配电回路、插座配电回路进行电能质量检测，实测数据反映这些回路中奇次（3次、5次、7次、9次）谐波较大，究其原因主要由变频空调、电脑、LED光源等产生。笔者为了解谐波对电流及电压产生的畸变影响，在1^#变压器进线柜检测了电流值、电流总谐波畸变率值、电压总谐波畸变率值，结果如图4所示。从图4可见，当电流为1 200 A时，系统电流总谐波畸变率THD_i为20 %、电压总谐波畸变率THD_u为8 %。该两项指标均偏高，其中电压总谐波畸变率超过国标GB / T 14549 - 1993《电能质量 公用电网谐波》“4 谐波电压限值”，对系统的稳定性存在不良影响，亟需进行谐波治理。

电能质量解决思路

考虑到办公楼变配电系统谐波严重，电容补偿装置在夜间无法补偿容性无功，白天功率因数高无需补偿，因此整改方案需要同时解决谐波污染及容性无功补偿问题。经市场调研及各类产品比选，最终选用新型有源滤波补偿装置解决我院配电系统的电能质量问题。基于成本控制、空间美观、施工难易程度等考量，决定采用在原电容柜内利旧改造方案，即保留柜体和主开关、拆除电容柜内元器件，将新型有源电力滤波器（APF）装置安装于原柜体内。

>>>>APF工作原理

APF是用于动态抑制谐波、补偿无功和调节三相不平衡的新型电力电子装置。APF通过外部电流互感器实时检测负载电流，同时通过内部DSP计算提取出负载电流的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流注入电网，抵消负载中的相应谐波，实现动态跟踪补偿。此外，通过内部DSP计算可将负载功率矢量分解成有功功率和无功功率，然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载无功电流大小相等、方向相反的无功电流注入电网，抵消负载中相应无功功率，实现动态跟踪补偿。图5为APF抑制谐波、补偿无功示意图。

>>>>大楼APF容量计算

通过仪表实时检测出系统中的电流有效值和电流总谐波畸变率（THD_i），根据公式计算系统中的谐波电流值：

经查阅，办公楼低压配电系统电流有效值为1 200 A，电流总谐波畸变率为20 %，经计算系统谐波电流为：

通过电力监控后台及多功能计量表的数据分析可知系统总容性无功，即需要补偿的最大无功功率。经查阅办公楼进线柜多功能表，总无功功率为120 kvar，对应无功电流为182 A，经计算可得APF补偿电流IAPF：

经计算可得IAPF为297 A，故办公楼选择的APF额定容量为300 A。

>>>>采用APF补偿后的电能质量数据分析

......

本文有删减，全文载于《建筑电气》2023年第6期，详文请见杂志。

版权归《建筑电气》所有。

作者：

孟焕平，男，湖南省建筑设计院集团股份有限公司，研究员级高级工程师，总院副总工程师。

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