“雙碳”背景下工業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能降耗研究

徐曉玲， 丁沛沛

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司鄂州市華容區(qū)供電公司， 湖北 鄂州 436000；2.中廣核新能源湖北分公司， 湖北 武漢 430000）

0 引言

碳達(dá)峰指某一國(guó)家或地區(qū)的碳排放到達(dá)歷史最高值后，開(kāi)始持續(xù)下降；而碳中和指通過(guò)各種措施，確保碳的排放與吸收達(dá)到一個(gè)均衡，使得凈碳排放為零[1]?！半p碳”目標(biāo)旨在確保中國(guó)碳排放在2030 年前達(dá)到峰值，在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[2]。工業(yè)作為主要的能源消費(fèi)者，其供配電系統(tǒng)在整體能源鏈中占據(jù)著舉足輕重的地位，不僅涉及到能源輸入和輸出，還關(guān)乎到能源效率和損耗問(wèn)題。節(jié)能高效的工業(yè)供配電系統(tǒng)可以減少碳排放，有助于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。反之，效率低下的工業(yè)供配電系統(tǒng)則導(dǎo)致能源浪費(fèi)，加大碳排放。

1 工業(yè)供配電系統(tǒng)概述

1.1 工業(yè)供配電系統(tǒng)的構(gòu)成

工業(yè)供配電系統(tǒng)為工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定、高效的電力供應(yīng)，主要由供電裝置、傳輸和分配裝置、用電設(shè)備、控制和保護(hù)裝置組成[3]。其中，供電裝置包括變壓器、發(fā)電機(jī)和其他供電設(shè)備，用于產(chǎn)生和調(diào)節(jié)電力供應(yīng)。傳輸和分配裝置包括高中低壓電纜、開(kāi)關(guān)設(shè)備、保護(hù)裝置等，確保電能安全地從電源傳輸?shù)接秒娫O(shè)備。用電設(shè)備包括各種電機(jī)、控制器、傳感器和其他電氣設(shè)備?？刂坪捅Ｗo(hù)裝置涵蓋繼電器、斷路器和保護(hù)繼電器等，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，隔離故障，保護(hù)設(shè)備和人員安全。

1.2 工業(yè)供配電的特點(diǎn)

工業(yè)用電特點(diǎn)明顯，首先是大容量和用電波動(dòng)性強(qiáng)，隨著生產(chǎn)節(jié)奏或設(shè)備啟停，電力需求急劇變化。其次，工業(yè)用電對(duì)電能質(zhì)量要求高，任何電力供應(yīng)的微小波動(dòng)可能影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。最后，特殊的工業(yè)場(chǎng)景還會(huì)對(duì)電氣參數(shù)有特別需求，例如特定的電壓和電流。因此，供配電系統(tǒng)必須全面考慮這些需求，確保電力供應(yīng)的穩(wěn)定性、高效性，以滿足不斷變化的工業(yè)生產(chǎn)需求，具體見(jiàn)表1。

表1 工業(yè)用電特點(diǎn)及需求

2 當(dāng)前工業(yè)供配電系統(tǒng)中的能源損耗問(wèn)題

2.1 主要能源損耗環(huán)節(jié)

在工業(yè)供配電系統(tǒng)中，特定的環(huán)節(jié)因其操作特性而成為主要的能源損耗來(lái)源。傳輸和分配損失是由于電流在高壓線路的長(zhǎng)距離傳輸以及電能分配不均所引起的。變壓器損耗主要發(fā)生在電能電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中，尤其是當(dāng)設(shè)備老化或超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)。無(wú)功功率損耗則與系統(tǒng)的反向電流和不必要的能量消耗有關(guān)，這通常是系統(tǒng)配置不當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。不可忽視的是設(shè)備的內(nèi)在能耗，比如因低效電動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不當(dāng)而產(chǎn)生的熱能損失。

2.2 耗能大戶及其影響

在眾多工業(yè)能源損耗設(shè)備中，存在一些特別的“耗能大戶”，對(duì)工業(yè)供配電系統(tǒng)的能效產(chǎn)生顯著影響。例如，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中普遍存在，成為最大的電力消耗者。此外，使用陳舊技術(shù)的設(shè)備，如老化的電阻焊機(jī)和低效率照明系統(tǒng)，以及未經(jīng)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，都是工業(yè)電力使用中的主要能耗點(diǎn)。這些耗能大戶增加了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，并可能導(dǎo)致電力供應(yīng)不穩(wěn)定，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。更重要的是，這種高能耗行為加劇了溫室氣體的排放，給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。

3 “雙碳”背景下工業(yè)供配電節(jié)能降耗的技術(shù)與策略

3.1 高效能量轉(zhuǎn)換技術(shù)

在眾多節(jié)能技術(shù)中，高效的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)占據(jù)核心地位，通過(guò)減少能源生成、傳輸和使用過(guò)程中的能量損失，提升整體能源利用率。變壓器負(fù)責(zé)電能在不同電壓等級(jí)間轉(zhuǎn)換，采用高性能材料和先進(jìn)的設(shè)計(jì)，如非晶合金變壓器和固態(tài)變壓器，可以大幅度提高變壓器的工作效率，減少由鐵損和銅損引起的能量損耗?，F(xiàn)代的電力電子器件如硅碳化物（SiC）和氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體，因其能在更高溫度、頻率和電壓下工作，大幅度減少了轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損失[4]。再者，高效電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也值得考慮。電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中電能消耗的主要部分，高效電機(jī)和優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能顯著減少能源消耗。采用高效率電機(jī)，結(jié)合變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)，能夠確保設(shè)備運(yùn)行的連貫性和可靠性，根據(jù)負(fù)載變化自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，避免無(wú)謂的電能浪費(fèi)。

3.2 智能控制策略

智能控制通過(guò)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)響應(yīng)，使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)境友好性得到提升。在這一框架下，自動(dòng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析技術(shù)成為重要力量，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，利用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析，可以洞察當(dāng)前的能源使用狀況，預(yù)測(cè)未來(lái)的能耗模式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化系統(tǒng)不足。在電力使用的需求側(cè)管理（DSM）管理上，通過(guò)精細(xì)化的能源消費(fèi)習(xí)慣和電力使用模式調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的優(yōu)化配置和需求的精準(zhǔn)匹配。比如，通過(guò)峰谷電價(jià)制度，緩解電網(wǎng)高峰期的負(fù)荷壓力，促進(jìn)電力消費(fèi)均衡化，提升電網(wǎng)穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。同時(shí)，智能調(diào)度和優(yōu)化控制的應(yīng)用也為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提供有效途徑。這些控制策略通過(guò)應(yīng)用模糊控制、優(yōu)化算法或人工智能等先進(jìn)技術(shù)，使得生產(chǎn)中設(shè)備在最佳狀態(tài)運(yùn)行，減少不必要的能源損耗。在一系列智能控制的協(xié)同作用下，集成能源管理系統(tǒng)（IEMS）的概念應(yīng)運(yùn)而生，它通過(guò)全面監(jiān)控和綜合管理各類(lèi)能源，實(shí)現(xiàn)能源利用的最大化和系統(tǒng)運(yùn)行效率的最優(yōu)化。IEMS 的運(yùn)行涵蓋了電力、熱力、水等多種能源，確保各類(lèi)能源在工業(yè)生產(chǎn)中的高效配置和協(xié)同運(yùn)作。

3.3 電能質(zhì)量?jī)?yōu)化

在工業(yè)供電系統(tǒng)中，電能質(zhì)量是影響生產(chǎn)穩(wěn)定性和設(shè)備壽命的因素之一。電能的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，縮短設(shè)備的使用壽命，甚至威脅人員的安全。為實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的高標(biāo)準(zhǔn)和持續(xù)穩(wěn)定，采用電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是基礎(chǔ)工作。這些設(shè)備能及時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)電能質(zhì)量問(wèn)題，如電壓波動(dòng)、頻率偏差、諧波過(guò)多等，為后續(xù)的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。在具體的優(yōu)化技術(shù)中，諧波抑制技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。工業(yè)生產(chǎn)中的許多設(shè)備，尤其是大量使用的非線性負(fù)載，會(huì)產(chǎn)生諧波污染，不僅損害電網(wǎng)，還影響設(shè)備的正常運(yùn)行。有效的諧波抑制可以減少負(fù)面影響，保持電網(wǎng)的健康運(yùn)行。此外，無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)也是電能質(zhì)量?jī)?yōu)化不可或缺的一環(huán)，適當(dāng)?shù)臒o(wú)功補(bǔ)償可以提高供電系統(tǒng)的效率，優(yōu)化電壓質(zhì)量，避免設(shè)備過(guò)載運(yùn)行，減少能量損失，確保生產(chǎn)過(guò)程平穩(wěn)運(yùn)行。

3.4 電網(wǎng)互聯(lián)與分布式能源資源的集成

電網(wǎng)互聯(lián)與分布式能源資源的集成實(shí)現(xiàn)了能源供應(yīng)的優(yōu)化。電網(wǎng)的現(xiàn)代化不再是單一的、集中式的結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)引入微電網(wǎng)和分布式能源系統(tǒng)，形成互聯(lián)的、動(dòng)態(tài)的供電網(wǎng)絡(luò)，這種轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)提供了有力支撐。微電網(wǎng)的概念在這一框架下應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)集成可再生能源，如太陽(yáng)能或風(fēng)能，確保電力供應(yīng)的可持續(xù)性和系統(tǒng)的靈活性。微電網(wǎng)在必要時(shí)與傳統(tǒng)電網(wǎng)隔離，作為獨(dú)立的能源島運(yùn)行，增加整個(gè)電力系統(tǒng)的抗災(zāi)能力，提供高效的方式平衡供需，減少對(duì)中央電網(wǎng)的依賴。

此外，分布式能源資源的利用是解決能源損耗問(wèn)題的前瞻性策略。分布式能源系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于能量的產(chǎn)生與消耗發(fā)生在同一地理位置或相鄰地區(qū)，大大減少能源在長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中的損耗，降低碳排放。同時(shí)，就地取材的方式提高了電力供應(yīng)的可靠性和安全性，減少了對(duì)脆弱長(zhǎng)距離輸電網(wǎng)絡(luò)的依賴。智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸和分析成為可能，提供對(duì)分布式能源資源進(jìn)行高效管理和協(xié)調(diào)的手段，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的最優(yōu)化?？傮w來(lái)看，電網(wǎng)互聯(lián)與分布式能源資源的集成是推動(dòng)能源系統(tǒng)現(xiàn)代化，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)不可或缺的戰(zhàn)略路徑。

4 案例分析

4.1 案例介紹

為具體分析“雙碳”背景下采用新技術(shù)和策略在工業(yè)供配電系統(tǒng)中節(jié)能降耗的效果，選擇某重工公司作為研究對(duì)象。該公司是大型重工業(yè)制造企業(yè)，傳統(tǒng)的能源消耗量大、能源成本高、碳排放量超標(biāo)，該公司依賴傳統(tǒng)的集中式電力系統(tǒng)，經(jīng)常面臨電力不足、電力質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題，導(dǎo)致設(shè)備頻繁故障、生產(chǎn)中斷、能源浪費(fèi)嚴(yán)重。公司年均電費(fèi)開(kāi)支達(dá)1.2 億元，年均碳排放量約10 萬(wàn)t。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，公司實(shí)施一系列創(chuàng)新措施：引入了高效的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，如更新為高效變壓器和電力電子設(shè)備；實(shí)施智能控制策略，通過(guò)自動(dòng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析優(yōu)化能源使用；電能質(zhì)量?jī)?yōu)化，投入諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)；構(gòu)建微電網(wǎng)，并集成太陽(yáng)能等可再生能源。

4.2 節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

4.2.1 節(jié)能效果

在轉(zhuǎn)型前，該公司依賴傳統(tǒng)電力供應(yīng)，使用的電力設(shè)備效率較低。在實(shí)施“雙碳”背景下的改進(jìn)措施后，公司引入最新的電池生產(chǎn)技術(shù)，提高電池制造過(guò)程的能效。此外，還投資太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)自身可再生能源供電，減少對(duì)傳統(tǒng)電力的依賴。通過(guò)這些舉措，公司年度的電力消耗減少30%。

4.2.2 經(jīng)濟(jì)效益

除顯著的節(jié)能效果，公司還獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。年度電費(fèi)支出降低150 萬(wàn)元，同時(shí)，由于采用可再生能源，公司獲得政府的太陽(yáng)能發(fā)電補(bǔ)貼。這些節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益的共同作用使公司的運(yùn)營(yíng)成本大幅下降。

4.2.3 環(huán)境影響

通過(guò)采用可再生能源和提高電池生產(chǎn)的能效，顯著減少了碳排放，年度碳排放減少20%，得到了綠色認(rèn)證，并樹(shù)立了環(huán)保的良好形象。

通過(guò)這一案例，可以看到在“雙碳”背景下，通過(guò)采用新技術(shù)和策略，不僅取得顯著的節(jié)能效果，還在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響方面取得積極的成果，見(jiàn)表2。充分表明，節(jié)能降耗對(duì)企業(yè)和社會(huì)的重要性，以及采用創(chuàng)新方法可以取得多重利益。

表2 轉(zhuǎn)型前后對(duì)比

5 結(jié)論

1）工業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能降耗在實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)中發(fā)揮著重要作用。通過(guò)高效轉(zhuǎn)換技術(shù)、智能控制策略、電能質(zhì)量?jī)?yōu)化、電網(wǎng)互聯(lián)與分布式能源資源的集成可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能降耗，同時(shí)有助于降低碳排放。

2）工業(yè)供配電系統(tǒng)節(jié)能降耗還面臨技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)，需要政府、行業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的共同努力來(lái)克服。技術(shù)創(chuàng)新將繼續(xù)推動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，包括智能化、儲(chǔ)能技術(shù)和需求側(cè)管理等方面的創(chuàng)新。政府應(yīng)該制定有利于新技術(shù)發(fā)展的政策，包括財(cái)政激勵(lì)和市場(chǎng)改革，以鼓勵(lì)企業(yè)和投資者參與。此外，通過(guò)教育和宣傳，提高社會(huì)對(duì)“雙碳”目標(biāo)的認(rèn)知和接受度也至關(guān)重要。通過(guò)不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，這些節(jié)能降耗技術(shù)和策略有望發(fā)揮更大作用，為構(gòu)建低碳、高效的電力系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。