“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)峰指某一國家或地區(qū)的碳排放到達(dá)歷史最高值后，開始持續(xù)下降；而碳中和指通過各種措施，確保碳的排放與吸收達(dá)到一個均衡，使得凈碳排放為零[1]。“雙碳”目標(biāo)旨在確保中國碳排放在2030 年前達(dá)到峰值，在2060 年前實現(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。控制和保護(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)用電對電能質(zhì)量要求高，任何電力供應(yīng)的微小波動可能影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。最后，特殊的工業(yè)場景還會對電氣參數(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源。傳輸和分配損失是由于電流在高壓線路的長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)換過程中，尤其是當(dāng)設(shè)備老化或超負(fù)荷運(yùn)行時。無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，比如因低效電動機(jī)或驅(qū)動系統(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”，對工業(yè)供配電系統(tǒng)的能效產(chǎn)生顯著影響。例如，電動機(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，通過減少能源生成、傳輸和使用過程中的能量損失，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間轉(zhuǎn)換，采用高性能材料和先進(jìn)的設(shè)計，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。現(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)換過程中的能量損失[4]。再者，高效電機(jī)和驅(qū)動系統(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)載變化自動調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，避免無謂的電能浪費(fèi)。

3.2 智能控制策略

智能控制通過精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析和實時響應(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，自動監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析技術(shù)成為重要力量，通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)對設(shè)備和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，利用云計算和大數(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)測未來的能耗模式，及時發(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，通過精細(xì)化的能源消費(fèi)習(xí)慣和電力使用模式調(diào)整，實現(xiàn)對能源的優(yōu)化配置和需求的精準(zhǔn)匹配。比如，通過峰谷電價制度，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，智能調(diào)度和優(yōu)化控制的應(yīng)用也為實現(xiàn)節(jié)能減排提供有效途徑。這些控制策略通過應(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，它通過全面監(jiān)控和綜合管理各類能源，實現(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)量優(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)測設(shè)備進(jìn)行實時監(jiān)控是基礎(chǔ)工作。這些設(shè)備能及時準(zhǔn)確檢測電能質(zhì)量問題，如電壓波動、頻率偏差、諧波過多等，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，無功補(bǔ)償技術(shù)也是電能質(zhì)量優(yōu)化不可或缺的一環(huán)，適當(dāng)?shù)臒o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)備過載運(yùn)行，減少能量損失，確保生產(chǎn)過程平穩(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)，而是通過引入微電網(wǎng)和分布式能源系統(tǒng)，形成互聯(lián)的、動態(tài)的供電網(wǎng)絡(luò)，這種轉(zhuǎn)變?yōu)閷崿F(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，通過集成可再生能源，如太陽能或風(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)，大大減少能源在長距離傳輸過程中的損耗，降低碳排放。同時，就地取材的方式提高了電力供應(yīng)的可靠性和安全性，減少了對脆弱長距離輸電網(wǎng)絡(luò)的依賴。智能電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使得實時數(shù)據(jù)的傳輸和分析成為可能，提供對分布式能源資源進(jìn)行高效管理和協(xié)調(diào)的手段，從而實現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)營的最優(yōu)化。總體來看，電網(wǎng)互聯(lián)與分布式能源資源的集成是推動能源系統(tǒng)現(xiàn)代化，實現(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)開支達(dá)1.2 億元，年均碳排放量約10 萬t。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，公司實施一系列創(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；實施智能控制策略，通過自動監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析優(yōu)化能源使用；電能質(zhì)量優(yōu)化，投入諧波抑制和無功補(bǔ)償技術(shù)；構(gòu)建微電網(wǎng)，并集成太陽能等可再生能源。

4.2 節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益評估

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)，提高電池制造過程的能效。此外，還投資太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過自身可再生能源供電，減少對傳統(tǒng)電力的依賴。通過這些舉措，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 萬元，同時，由于采用可再生能源，公司獲得政府的太陽能發(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)營成本大幅下降。

4.2.3 環(huán)境影響

通過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，并樹立了環(huán)保的良好形象。

通過這一案例，可以看到在“雙碳”背景下，通過采用新技術(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，見表2。充分表明，節(jié)能降耗對企業(yè)和社會的重要性，以及采用創(chuàng)新方法可以取得多重利益。

表2 轉(zhuǎn)型前后對比

5 結(jié)論

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

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)的共同努力來克服。技術(shù)創(chuàng)新將繼續(xù)推動系統(tǒng)的發(fā)展，包括智能化、儲能技術(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，包括財政激勵和市場改革，以鼓勵企業(yè)和投資者參與。此外，通過教育和宣傳，提高社會對“雙碳”目標(biāo)的認(rèn)知和接受度也至關(guān)重要。通過不斷創(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)。