淺談電氣節能綜合解決方案

　　本文分析總結了以電力系統節能、工業節能、道路照明節能及商業樓宇節能等各種節能措施，探討了各種節能方法，為各行業管理人員及技術人員進行節能提供了綜合解決方案。

　　《電氣傳動》(月刊)創刊于1959年，由天津電氣傳動設計研究所和中國自動化學會共同主辦，是一本電氣傳動自動化領域的專業期刊。

　　當前，能源和環境成為我國可持續發展的重大課題。為把我國建設成資源節約型環境友好型的社會主義社會，我國政府在“十一•五”規劃中就提出了單位國民生產總值能耗降低20%、主要污染物排放總量減少10%的約束性指標。電力和照明節能是電氣行業資源節能的重要組成部分，具有重大意義。為推動節能減排工作的順利實施，本文就電力系統節能與電能質量治理、工業節能、道路照明節能、商業樓宇節能等方面介紹節能綜合解決方案，供各行業管理人員及技術人員參考。

　　1、電力系統節能論文

　　1.1電力系統節電潛力巨大

　　目前，我國能源生產和消費僅次于美國，位列世界第二，但國民生產總值卻排在第八位左右，其中最重要的原因之一就是單位產值能耗太大。據不完全統計國內各類風機約800萬臺，水泵4000萬臺，空壓機600萬臺。在此類負載中，80%左右容量由大中型電機恒速驅動。因此，研究大中容量電機調速節能技術對于中國工業降低單產能耗具有重要意義。此外，在軋鋼、造紙、水泥制造、礦井提升、輪船推進器等傳統工業改造和高速列車等現代交通工具中也需要使用大容量電機調速系統，以提高系統性能和生產效率。

　　全國電動機裝機總容量已達5億多kW，年耗電量達15000億kWh，占全國總用電量的60%，占工業用電量的80%;其中風機、水泵、壓縮機的裝機總容量已超過2億kW，年耗電量達8000億kWh，占全國總用電量40%左右。70%以上的風機、水泵、壓縮機應調速運行，而至今僅有約5%左右調速運行。若按風機、水泵和壓縮機總裝機容量的50%進行調速節能改造，則可改造容量達1億kW，其中40%為中高壓電機，容量占60%。若按電機平均出力為60%，年運行4000h，平均節電率為20%～30%(平均20%)計算，則年節電潛力為480億kWh，整個電機系統的節電潛力約為1000億kWh。

　　近年來國內低壓變頻器市場逐漸進入穩定階段，變頻器生產應用開始轉移向高壓變頻器領域。電動機系統節能工程是國家發改委啟動的“十一•五”國家十大重點節能工程之一，節能空間巨大。專家預測，在未來的三年，高壓變頻器市場將高速發展。由于中國經濟的高速發展，發電裝機仍以高速發展。但電力運行的一些主要指標和裝備指標與發達國家相比仍有很大差距，如火電機組的平均煤耗較高、廠用電率較高。加上線損，中國送到用戶的電能要比發達國家多耗電8～10%，相當于20多個百萬大廠的年發電量。因此，中國的節能空間十分巨大。

　　1.2中高壓電力系統節能綜合解決方案論文

　　全方位的節能解決方案思路為變頻調速、諧波濾除、無功補償以及自動控制一體、提升設備使用效率、電網傳輸效率等。可以實現提升生產產能、提高產品質量;提升末端設備運行的可靠性;節約電能、保護環境;保護設備安全運行;用戶側配電系統自動增容擴容;純凈用電環境、提升電能效率。

　　1.基本特點

　　基于時域變換的電流檢測算法非常靈活，可以方便地檢測出基波有功無功、基波正序負序、基波零序、基波正序有功、指定次諧波等。適合對快速變化負載進行全方位補償的能效管理，從而保證能效管理系統的多種補償需求、大大提高系統的動態性能。

　　2.性能特點

　　實時采集電力系統數據，實現自適應動態在線監測。改善電力品質因數，對電能進行無功補償的和連續的無功調節，可將功率因數強制補償到0.95以上，補償后的三相電壓不平衡度在國家標準允許內，具有節能與環保的雙重功效。

　　對諧波、浪涌沖擊、閃變、電壓波動、頻差等諸多電能質量問題同時進行改善，減少能源的附加損耗，從而有效提高電能質量。

　　3.適用范圍論文

　　適用于電力、冶金、輕工、建材、紡織、化工、機械等行業的供電系統的節能、電能質量改善及電能監控管理。例如洛陽軸研科技股份有限公司用電系統是一個生產性用電系統，主要設備有空壓機、車床、空調、加熱爐、鍛壓設備等，產生的諧波、浪涌較為嚴重，整個系統效率較低。通過節電設備對整個用電系統進行布控改造。改造后整體節電效率達9%以上，有效降低設備維護率、延長設備壽命。

　　2、電能質量治理

　　2.1中國電能質量現狀

　　1.工作中經常會碰到的電能質量問題：

　　·電腦死機

　　·屏幕頻閃

　　·燈光頻閃

　　·在負載適中情況下的變壓器過熱現象

　　·感應電動機的額外損耗、發熱增加

　　·集膚效應所引起的導線過熱

　　·工藝控制裝置(PLC)的不正常運行

　　·數據網絡堵塞

　　·功率因數補償設備生成額外的電壓或者電流

　　·特殊(長)線路或投切重負載時導致更高的電壓擾動

　　·中性線過載

　　·保護裝置的誤跳閘

　　·程控交換設備的故障率增高

　　·數控機床控制部分的頻繁損壞

　　·磁盤矩陣損壞，重要數據丟失

　　2.當前，對供電質量及供電可靠性的要求越來越多，電能質量受到人們的日益重視。例如：工業生產中的大型生產線、通信系統、機場、大型金融商廈、大型醫院等重要場合的計算機系統一旦失電，或因受電力網上瞬態電磁干擾影響，致使計算機系統無法正常運行，將會帶來巨大的經濟損失。電梯、空調等變頻設備、電視機、計算機、復印機、電子式鎮流器熒光燈等已成為人民日常生活的一部分，如果這些裝置不能正常運行，必定擾亂人們的正常生活。但是，上述用電負載大都是非線性負載，都是諧波源，這些諧波電流注入公用電網將會污染公用電網，使公用電網電源的波形畸變，增加諧波成份。

　　3.近年來，傳感技術、光纖、微電子技術、計算機技術及信息技術日臻成熟。集成度愈來愈高的微電子技術使計算器的功能更加完美，體積愈來愈小，從而促使各種電器設備的控制向智能型控制器方向發展，微電子器件工作電壓變得更低，耐壓水平也相對更低，更易受外界電磁場干擾而導致控制單元損壞或失靈。例如，上世紀計算機迅速普遍推廣，電磁干擾及抑制問題更是十分突出，一些功能正常的計算機常出現誤動作，而無法找出原因。因此，受諧波電流污染的公用電源干擾設備正常運行影響人們的正常生活和生產秩序，造成嚴重經濟損失。

　　2.2電能質量不良的產生原因主要有電源本身諧波和非線性負載。諧波危害的主要后果有：污染公用電網、變壓器發熱、輸電功耗增加等。諧波使接入該電網的設備(電視機、計算機等)無法正常工作，甚至會造成故障，而且還會造成向公用電網的中性線注入更多電流，造成超載、發熱，影響電力正常輸送。諧波電流，特別是3次(及其倍數)諧波侵入三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環流，使繞組發熱。高次諧波會使電纜線路形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。

　　2.3電能質量治理解決方案論文

　　采用最新的動態抑制諧波和補償無功技術，通過并聯的方式，對頻率大小、相位變化的諧波和無功進行補償，實時檢測負載的諧波和無功分量。采用PWM調制技術，將與諧波和無功分量大小相等、方向相反的電流注入供配電系統中，實現濾除諧波、動態補償無功的功能，是一種能治理各種電能質量問題的理想方案。

　　1.基本原理

　　用電流互感器采集網側線路上的電流信號，經A/D采樣，將所得到的電流信號與標準的基波電流信號進行對比，比較得出的PWM調制信號，使變流器產生與諧波信號大小相等、方向相反的諧波電流，將線上的諧波電流抵消掉。向電網注入或吸收需補償的諧波和無功電流，保證系統補償電流的有效輸出，從而使電網電能質量得到改善。

　　2.性能特點

　　改善能源的品質因數，具有節能與環保的雙重功效。顯示負載及設備運行的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等一系列數據。

　　3.適用范圍

　　適用于電力、冶金、輕工、建材、紡織、化工、機械等行業的供電系統的節能和電能質量改善。例如河南中邁碳素股份公司廠區的電動機損耗現象嚴重，功率因數低，導致大量電能浪費。通過對整個用電系統進行電能治理，個別終端設備加裝控制裝置。改造后綜合節電率達20%以上，節電效果良好。

　　3、工業節能

　　3.1工業企業電費為主要成本之一

　　工業企業是我國能源消費的大戶，能源消費量占全國能源消費總量的70%左右。其中鋼鐵、有色、煤炭、電力、石油石化、化工、建材、紡織、造紙等九大重點耗能行業，其用電占整個工業用電的60%以上，但單位能耗平均卻比國外先進水平高出40%。大大影響企業利潤。在工業企業的各項成本中，電費已成為緊隨物料成本、人工成本之后的最大成本，對某些高耗能產品，電費成為主要成本。

　　3.2工業用電能源浪費巨大

　　3.2.1供配電系統運行效率低。

　　1.變壓器及配電線路配置不合理

　　工廠供配電系統中能耗最多的是電力變壓器及配電線路。由于市場需求和生產工藝的改變，往往出現按設計配置的電力變壓器容量與實際負荷不相匹配的情況，例如變壓器容量過大、負載率低、變壓器損耗大;配電線路截面和長短不合理、不規范，也導致線路損耗大幅度增加。

　　2.設備配置不合理，“大馬拉小車”情況嚴重

　　國內工業企業用電設備多為滿負荷設計，額定功率普遍偏大，實際運行效率低，占我國工業用電總量60%～70%的電機，通常的使用效率不到75%，“大馬拉小車”與低負荷運行的情況相當普遍。在此狀態下，電機消耗的電能中有相當部分是以發熱、鐵損、銅損、噪音與振動等形式被浪費掉。

　　3.用電設備及線路陳舊老化致使運行效率低、耗電多

　　4.流體設備運行工藝不合理

　　風機、水泵、壓縮機等通用機械拖動設備為我國最主要終端耗電設備，用電量巨大。而此類設備大部分設計為固定功率運行，但實際運行時所需的壓力或流量并不固定，且大多數低于電機額定功率供給的壓力或流量，電能浪費嚴重。

　　3.2.2電力品質低，電能質量差。

　　1.瞬變電壓和浪涌電流的影響;

　　2.諧波的影響;

　　3.供電電壓不穩定。

　　3.3工業節能綜合解決方案

　　1.基本原理

　　采用先進的微電腦控制技術，結合專用高效的瞬流抑制快速開關元件組，可有效地濾除電網電路中的瞬流浪涌，保護末端設備不受影響或損壞并減少由此引起的能耗增加，提高設備的運行效率，降低運營成本和維護費用，從而延長設備的使用壽命。

　　2.性能特點

　　改善電力品質因數。對三相電壓(流)不平衡、浪涌沖擊、閃變、電壓波動、頻差等諸多電能質量問題同時進行改善，并可實現分組保護，從而有效提高電能質量，減少能源的附加損耗，提高供電質量。設備與系統并聯、運用簡單、靈活，具有良好的各種保護功能，運行安全、可靠、穩定。

　　3.適用范圍

　　適用于電力、冶金、輕工、建材、紡織、化工、機械等行業的供電系統的節能和電能質量改善。例如鄭州日產公司主要用電設備有沖壓機、焊接生產線、風機、是泵、車床、壓力機等，電網諧波污染嚴重，諧波畸變率高達30%以上，整個用電系統效率低，電力浪費嚴重，設備壽命大大縮短。通過對全廠用電系統和部分低壓配電系統進行布控節能改造，達到了優化電力品質、降低電耗、保護用電設備的功效。根據現場點校評估報告指出，除了取得18.5%的節電率外，預期綜合節電效率高達35%以上，按照節電設備15年的使用年限計算，該節能改造工程可為鄭州日產帶來1800萬人民幣的直接收益。

　　4、道路照明節能

　　4.1城市路燈用電現狀

　　我國城市照明快速發展，加大了能源的需求和消耗，尤其是一些城市單純追求高亮度、多色彩、大規模、超豪華，建設和配置不切合實際的不科學的照明工程，浪費了能源，也造成了光污染，影響了居住和生態環境的和諧與平衡，加劇了供用電緊張。

　　據建設部統計數字目前城市照明(僅計算景觀照明和路燈等功能照明)的年用電量約占全國總發電量的4%至5%，相當于三峽水力發電工程投產后的年發電能力(840億度)，照明節電意義重大。

　　完善現有城市照明標準體系，制定城市照明工程強制性標準，制定城市照明規劃建設標準和光污染控制標準，必將成為今后政府引導城市照明向“高效、節能、環保、健康”方向發展的重要技術性支撐。

　　4.2城市路燈用電浪費分析

　　據統計，城市路燈照明占我國照明耗電30%左右，存在著電能利用率低，電能浪費嚴重等問題。

　　1.超負荷運行，增加電能消耗。

　　現在路燈最主要的弊端就是后半夜超功率運行，由于我國城市電網技術落后，造成線路的電壓波動大大超過國際標準，許多地區的波動甚至超過額定電壓的15%左右，特別是后半夜民用電都不工作了，電負荷的減少使得電網電壓有時接近245V，路燈超負荷運行形成浪費。

　　2.路燈系統設備維護成本較高。

　　據國家電力部門統計，由于目前城市路燈普遍在后半夜超功率運行，使得路燈的燈泡壽命也大大縮短，實際使用壽命平均不到一年。若路燈每年需要更換一次燈泡，更換一只燈泡所需費用約為120元，某小城市的兩萬多只路燈的每年費用就高達200多萬元人民幣。

　　3.監控管理滯后，造成電力浪費。

　　目前，大多數路燈照明系統的燈光控制采用是定時和人工的方式。由于一年四季的時差，采用定時器控制方式時要經常對定時器進行人工調整，消耗大量的人力資源，還由于人工調整不及時造成電力浪費。

　　4.城區路燈的控制箱和線路安全性低，節能效果差。

　　4.3道路照明節能綜合解決方案包括了兩大層面：一是在路燈系統管理控制上，應用靈活的通訊方式，實現路燈管理的“五遙”(遙控、遙測、遙訊、遙調、遙視)功能。通過聯通或中國移動通訊公共無線網絡平臺，實時對路燈系統進行數據化和網絡化管理。二是在終端燈具上，提供靈活多樣的智能化燈控方式及燈控功能，包括：經緯時控式、光控式、分時段定時控制等，通過嵌入式軟件控制技術，檢測電網電壓，智能化調節最佳節電模式，節電率得到有效提高。

　　1.工作原理

　　采用國際上先進的無諧電磁調壓技術、三相磁平衡技術、數字控制技術實現照明系統節能目的。通過控制系統對路燈負載電氣參數進行有效檢測和最適宜的跟蹤調整，動態優化供電參數，自動設置用電和節點之間最適宜的控制點，通過平滑的提高照明負載效率和電流扼流度，可以最大程度的降低照明系統的無功電耗，提高照明線路承載量。

　　2.性能特點

　　采用電磁平衡技術平衡三相電壓、減小中線電流。做到智能化調節最佳節電模式。具有分時段定時控制節電和路燈工作狀態查詢功能。

　　3.適用范圍

　　城市道路、學校、辦公樓、小區公共場所、商場、車站等場所的照明系統。例如鐵路局洛陽北站照明電費成本居高不下、整個燈光系統維護費用較高。通過對車站的照明用電系統進行了檢測和評估，安裝節電裝置，改造后經過測試對比，照明系統的節電率達到25%。

　　5、商業樓宇節能

　　5.1商場、樓宇電能損耗現狀

　　1.目前商場類商業建筑越建越大，而我國商場超市中存在著驚人的能源消耗。其中，電耗在超市的全部能耗中占有大量比重。冷凍冷藏、電熱柜等生鮮、熟食區域設備用電占超市用電量總量的40%～50%，空調用電約占25%～35%，照明設備用電約占15%～25%，扶梯等動力設備用電約占5%～10%。在零售業凈利潤僅為零售額1%～2%左右的今天，以商業用電電費每度一元計算，節約一度電的成本相當于增加大約100元的零售額。因此，節電對于零售企業，尤其對于已成規模的店來說更具吸引力，采取適合的節能降耗措施所能增加的零售額更是會成倍增長。采用高科技手段對能耗設備進行節能控制，包括冷凍冷藏設備系統的節能、照明節能、中央空調節能等，將是商場超市能耗控制的主要發展方向。

　　2.中國的樓宇市場容易非常大，而落后的能源分配管理模式，導致樓宇管理者僅從保障人員及設備的安全角度對電能進行分配和管理，不大著眼于用電設備的效率和使用成本來進行精益管理;用電設備數量規格眾多繁雜，由于大量非線性負載的使用，導致負荷嚴重非線性，產生電壓瞬變、電流浪涌及諧波等不良電力品質現象，消耗了大量的無用功率，導致電力系統功率因數低下，電力污染嚴重。

　　3.我國樓宇年電力消耗總量占全國總消耗量的10%，中央空調和照明是最大的兩個“電老虎”。中央空調系統一般占各類商用建筑能耗的40%以上，主要原因在于設計選型時設備余量一般為20%左右，卻很少在滿負荷狀態下運行，造成空載功耗偏高;其次，為了節省一次投資成本，系統缺少調控裝置，導致風機、水泵長期處于最大流量運行狀態，不能根據實際運行工況的負荷進行有效調節，產生不必要的能源浪費;另外，主輔機和末端之間缺乏合理動態調節和合理匹配，導致系統效率低下。

　　4.照明系統是樓宇尤其是酒店、飯店及娛樂場所的第二大能耗，其特點是各類燈具多，品種多，單個燈具功率小，若針對每個燈具進行改造非常不劃算;即使是全部采用節能燈具，也會因為節能燈的質量和使用壽命參差不齊，使得用戶在選用節能燈時面臨省電不省錢的尷尬局面。

　　5.鍋爐耗能也是樓宇耗能的主要部分，大量能源消耗在管道和閥門上，而電機通常運行在額定的轉速狀態下，為了控制熱量而調節閥門，導致的結果是，系統阻力加大，流量減少，而電能功耗不但沒有減少，反而可能加大。供排水系統，柜機空調、家用電器等也存在不同程度的能源合理使用，節能降耗空間也相當大。

　　5.2商場樓宇節能綜合解決方案

　　隨著國家“節能減排”工作的不斷深入，樓宇能耗降低必將作為政府及各企事業單位的形象工程和重點工程予以實施。相比制度管理來講，采用高科技手段對能耗設備進行節能控制，包括中央空調、照明、辦公設備、高精尖電子儀器、鍋爐節能及供排水系統、室外照明節能等，將是樓宇能耗控制的主要途徑。

　　1.基本原理

　　采集網側線路上的電流信號，經A/D采樣，將所得到的電流信號和基波電流信號進行對比后，控制功率元件產生與諧波信號大小相等、方向相反的諧波電流，將線路上的諧波電流抵消掉。

　　2.性能特點

　　采用第三代IGBT功率元件，高頻開關方式下工作。實時跟蹤，動態補償，諧波、無功同時補償。提高電網輸送能力和減小電網的配變容量。增加變壓器帶負載能力。

　　3.適用范圍

　　辦公樓宇、賓館、飯店、娛樂場所、大型場等照明系統。例如五星電器在全國的60多個賣場的主要設備為中央空調、燈光等，用電量大、線路復雜、電能浪費嚴重。通過安裝節電設備對空調和照明分別進行采集參數、設計配電改造，改造后節電率為15.7%-17.4%，取得了較好的節能效益。

　　6、結束語

　　綜上分析，電氣浪費問題突出，而節能潛力和決策層抓節能改造的決心都很大，而具體實施困難的主要原因是認識還不夠，一次性基建投資偏大等。因此加強宣傳，深入效益分析、推廣優秀技術方案和新技術成為各部門的重要職責。

　　參考文獻

　　楊志榮.節能與能效管理.北京：中國電力出版社，2009.

　　中國建筑科學研究院.GB50034-2004建筑照明設計標準.北京：中國建筑工業出版社，2004.