“双碳”背景下工业供配电系统节能降耗研究

徐晓玲， 丁沛沛

（1.国网湖北省电力有限公司鄂州市华容区供电公司， 湖北 鄂州 436000；2.中广核新能源湖北分公司， 湖北 武汉 430000）

0 引言

碳达峰指某一国家或地区的碳排放到达历史最高值后，开始持续下降；而碳中和指通过各种措施，确保碳的排放与吸收达到一个均衡，使得净碳排放为零[1]。“双碳”目标旨在确保中国碳排放在2030 年前达到峰值，在2060 年前实现碳中和[2]。工业作为主要的能源消费者，其供配电系统在整体能源链中占据着举足轻重的地位，不仅涉及到能源输入和输出，还关乎到能源效率和损耗问题。节能高效的工业供配电系统可以减少碳排放，有助于实现“双碳”目标。反之，效率低下的工业供配电系统则导致能源浪费，加大碳排放。

1 工业供配电系统概述

1.1 工业供配电系统的构成

工业供配电系统为工业企业生产提供稳定、高效的电力供应，主要由供电装置、传输和分配装置、用电设备、控制和保护装置组成[3]。其中，供电装置包括变压器、发电机和其他供电设备，用于产生和调节电力供应。传输和分配装置包括高中低压电缆、开关设备、保护装置等，确保电能安全地从电源传输到用电设备。用电设备包括各种电机、控制器、传感器和其他电气设备。控制和保护装置涵盖继电器、断路器和保护继电器等，确保系统稳定运行，隔离故障，保护设备和人员安全。

1.2 工业供配电的特点

工业用电特点明显，首先是大容量和用电波动性强，随着生产节奏或设备启停，电力需求急剧变化。其次，工业用电对电能质量要求高，任何电力供应的微小波动可能影响生产效率和产品质量。最后，特殊的工业场景还会对电气参数有特别需求，例如特定的电压和电流。因此，供配电系统必须全面考虑这些需求，确保电力供应的稳定性、高效性，以满足不断变化的工业生产需求，具体见表1。

表1 工业用电特点及需求

2 当前工业供配电系统中的能源损耗问题

2.1 主要能源损耗环节

在工业供配电系统中，特定的环节因其操作特性而成为主要的能源损耗来源。传输和分配损失是由于电流在高压线路的长距离传输以及电能分配不均所引起的。变压器损耗主要发生在电能电压转换过程中，尤其是当设备老化或超负荷运行时。无功功率损耗则与系统的反向电流和不必要的能量消耗有关，这通常是系统配置不当的结果。不可忽视的是设备的内在能耗，比如因低效电动机或驱动系统不当而产生的热能损失。

2.2 耗能大户及其影响

在众多工业能源损耗设备中，存在一些特别的“耗能大户”，对工业供配电系统的能效产生显著影响。例如，电动机系统在工业应用中普遍存在，成为最大的电力消耗者。此外，使用陈旧技术的设备，如老化的电阻焊机和低效率照明系统，以及未经优化的驱动系统，都是工业电力使用中的主要能耗点。这些耗能大户增加了企业的运营成本，并可能导致电力供应不稳定，影响生产效率和产品质量。更重要的是，这种高能耗行为加剧了温室气体的排放，给环境带来严重负担。

3 “双碳”背景下工业供配电节能降耗的技术与策略

3.1 高效能量转换技术

在众多节能技术中，高效的能量转换技术占据核心地位，通过减少能源生成、传输和使用过程中的能量损失，提升整体能源利用率。变压器负责电能在不同电压等级间转换，采用高性能材料和先进的设计，如非晶合金变压器和固态变压器，可以大幅度提高变压器的工作效率，减少由铁损和铜损引起的能量损耗。现代的电力电子器件如硅碳化物（SiC）和氮化镓（GaN）半导体，因其能在更高温度、频率和电压下工作，大幅度减少了转换过程中的能量损失[4]。再者，高效电机和驱动系统也值得考虑。电机是工业生产中电能消耗的主要部分，高效电机和优化的驱动系统能显著减少能源消耗。采用高效率电机，结合变频驱动技术，能够确保设备运行的连贯性和可靠性，根据负载变化自动调整运行状态，避免无谓的电能浪费。

3.2 智能控制策略

智能控制通过精准的数据分析和实时响应，使系统的经济性、可靠性和环境友好性得到提升。在这一框架下，自动监控和数据分析技术成为重要力量，通过物联网（IoT）技术对设备和系统数据进行实时采集，利用云计算和大数据技术进行数据挖掘和分析，可以洞察当前的能源使用状况，预测未来的能耗模式，及时发现并优化系统不足。在电力使用的需求侧管理（DSM）管理上，通过精细化的能源消费习惯和电力使用模式调整，实现对能源的优化配置和需求的精准匹配。比如，通过峰谷电价制度，缓解电网高峰期的负荷压力，促进电力消费均衡化，提升电网稳定性和运行效率。同时，智能调度和优化控制的应用也为实现节能减排提供有效途径。这些控制策略通过应用模糊控制、优化算法或人工智能等先进技术，使得生产中设备在最佳状态运行，减少不必要的能源损耗。在一系列智能控制的协同作用下，集成能源管理系统（IEMS）的概念应运而生，它通过全面监控和综合管理各类能源，实现能源利用的最大化和系统运行效率的最优化。IEMS 的运行涵盖了电力、热力、水等多种能源，确保各类能源在工业生产中的高效配置和协同运作。

3.3 电能质量优化

在工业供电系统中，电能质量是影响生产稳定性和设备寿命的因素之一。电能的不稳定性可能导致生产中断，缩短设备的使用寿命，甚至威胁人员的安全。为实现电能质量的高标准和持续稳定，采用电能质量监测设备进行实时监控是基础工作。这些设备能及时准确检测电能质量问题，如电压波动、频率偏差、谐波过多等，为后续的优化提供数据支持。在具体的优化技术中，谐波抑制技术起着至关重要的作用。工业生产中的许多设备，尤其是大量使用的非线性负载，会产生谐波污染，不仅损害电网，还影响设备的正常运行。有效的谐波抑制可以减少负面影响，保持电网的健康运行。此外，无功补偿技术也是电能质量优化不可或缺的一环，适当的无功补偿可以提高供电系统的效率，优化电压质量，避免设备过载运行，减少能量损失，确保生产过程平稳运行。

3.4 电网互联与分布式能源资源的集成

电网互联与分布式能源资源的集成实现了能源供应的优化。电网的现代化不再是单一的、集中式的结构，而是通过引入微电网和分布式能源系统，形成互联的、动态的供电网络，这种转变为实现低碳经济提供了有力支撑。微电网的概念在这一框架下应运而生，通过集成可再生能源，如太阳能或风能，确保电力供应的可持续性和系统的灵活性。微电网在必要时与传统电网隔离，作为独立的能源岛运行，增加整个电力系统的抗灾能力，提供高效的方式平衡供需，减少对中央电网的依赖。

此外，分布式能源资源的利用是解决能源损耗问题的前瞻性策略。分布式能源系统的独特之处在于能量的产生与消耗发生在同一地理位置或相邻地区，大大减少能源在长距离传输过程中的损耗，降低碳排放。同时，就地取材的方式提高了电力供应的可靠性和安全性，减少了对脆弱长距离输电网络的依赖。智能电网技术的应用使得实时数据的传输和分析成为可能，提供对分布式能源资源进行高效管理和协调的手段，从而实现电网运营的最优化。总体来看，电网互联与分布式能源资源的集成是推动能源系统现代化，实现“双碳”目标不可或缺的战略路径。

4 案例分析

4.1 案例介绍

为具体分析“双碳”背景下采用新技术和策略在工业供配电系统中节能降耗的效果，选择某重工公司作为研究对象。该公司是大型重工业制造企业，传统的能源消耗量大、能源成本高、碳排放量超标，该公司依赖传统的集中式电力系统，经常面临电力不足、电力质量不稳定等问题，导致设备频繁故障、生产中断、能源浪费严重。公司年均电费开支达1.2 亿元，年均碳排放量约10 万t。为应对这些挑战，公司实施一系列创新措施：引入了高效的能量转换技术，如更新为高效变压器和电力电子设备；实施智能控制策略，通过自动监控和数据分析优化能源使用；电能质量优化，投入谐波抑制和无功补偿技术；构建微电网，并集成太阳能等可再生能源。

4.2 节能效果与经济效益评估

4.2.1 节能效果

在转型前，该公司依赖传统电力供应，使用的电力设备效率较低。在实施“双碳”背景下的改进措施后，公司引入最新的电池生产技术，提高电池制造过程的能效。此外，还投资太阳能光伏发电系统，通过自身可再生能源供电，减少对传统电力的依赖。通过这些举措，公司年度的电力消耗减少30%。

4.2.2 经济效益

除显著的节能效果，公司还获得可观的经济效益。年度电费支出降低150 万元，同时，由于采用可再生能源，公司获得政府的太阳能发电补贴。这些节能和经济效益的共同作用使公司的运营成本大幅下降。

4.2.3 环境影响

通过采用可再生能源和提高电池生产的能效，显著减少了碳排放，年度碳排放减少20%，得到了绿色认证，并树立了环保的良好形象。

通过这一案例，可以看到在“双碳”背景下，通过采用新技术和策略，不仅取得显著的节能效果，还在经济效益和环境影响方面取得积极的成果，见表2。充分表明，节能降耗对企业和社会的重要性，以及采用创新方法可以取得多重利益。

表2 转型前后对比

5 结论

1）工业供配电系统节能降耗在实现“双碳”目标中发挥着重要作用。通过高效转换技术、智能控制策略、电能质量优化、电网互联与分布式能源资源的集成可以实现工业供配电系统节能降耗，同时有助于降低碳排放。

2）工业供配电系统节能降耗还面临技术和经济挑战，需要政府、行业和研究机构的共同努力来克服。技术创新将继续推动系统的发展，包括智能化、储能技术和需求侧管理等方面的创新。政府应该制定有利于新技术发展的政策，包括财政激励和市场改革，以鼓励企业和投资者参与。此外，通过教育和宣传，提高社会对“双碳”目标的认知和接受度也至关重要。通过不断创新和改进，这些节能降耗技术和策略有望发挥更大作用，为构建低碳、高效的电力系统做出贡献。