“双碳”背景下工业供配电系统设计与节能技术

“双碳”背景下工业供配电系统设计与节能技术

丁倚峰

杭州祥安电力设计咨询有限公司  浙江省杭州市310000

摘要：工业企业作为电能消耗的主力军，其电力生产涉及到电能发、输、供、配等各个环节，目前我国工业企业供配电系统依然是过多依靠火力发电机组进行发电，这也使我国成为了世界上碳排放量较高的国家之一。在工业供配电的配电终端中加大可再生能源的发电比例是完成低碳排放的重要前提，同时也可以实现工业供配电从高碳排放向低碳排放、零碳排放的转型。基于低碳排放的工业供配电设计需要统筹考虑大规模的可再生能源并网带来的不稳定风险，并在设计建设中重点考量碳排消费指标、碳净比指标、碳均衡指标等项点，进一步推动工业供配电向低碳化、清洁化方向发展。

关键词：“双碳”;工业;供配电系统;设计;节能技术

引言

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。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、低碳微生态

低碳微生态在工业配电网中突出特征是分布式可再生能源的大规模接入，利用风能、太阳能等可再生能源满足工业生产负荷用电使用需求，减小发电侧的碳排放数量。其中，风电机组、光伏电站等分布式电源作为低碳转化装置是实现低碳微生态的关键要点；储能系统作为碳调节能力主体，具有削峰填谷的作用，用来保证风、光等新能源发电系统的稳定性；供配电技术中的低压直流配电模块能够代替直流设备与交流主网间用来变换电压的大量装备，对系统的能效提高具有较大作用，如图1所示。在低碳排放目标下新能源发电因其取材方便、成本低、无污染、产电质量高等优势，在工业供用电市场上普及程度越来越高，规模也越来越大，但风光等新能源由于其自身不稳定特点造成产生的电能并入电网后，会使整个电网的负荷预测难度加大，具有较多的未知性和不确定性。当风光等新能源发电系统电源的电压、频率瞬时过高、过低时，均会造成工业供配电系统故障，甚至中断整个电力系统的运行，改变了工业配电网原有的潮流分布，扰乱正常供电秩序，因此，需要采取BP网络、小波变换、深度学习等技术对工业供配电系统的供用电负荷进行有效预测，科学调配电力系统中的电量分布，保障电力系统运行的稳定性，为解决低碳排放的工业供配电系统预测问题提供可靠的途径[1]。

图1低碳微生态搭配

2、“双碳”背景下工业供配电系统设计与节能技术

2.1搭建功能完善的自动化网络系统

根据电气工程实际要求及供配电系统节能控制需求，建立功能完善的自动化网络系统，以实现对供配电系统及电气工程的自动化节能控制。在搭建自动化网络系统时还需要完善各类设备节能功能，例如利用计算机网络技术及智能技术对中央控制设备进行自动化程序升级及调度，以满足自动化节能控制需求；利用一级控制器运行方式及以太网等完善网络通信系统，确保各类数据信息能及时被反馈到控制中心，然后发出有效的节能控制指令；智能化调试现场控制设备，确保设备运行安全及稳定；借助自动化网络将供配电系统中央控制设备与存储设备连接，以提高数据处理及存储能力，为系统节能控制提供有力支持。

2.2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。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[2]。

2.3引入变频技术

变频技术是工业供配电系统节能减排中的一种新技术，依托于自动化控制技术、计算机软件技术等,主要是依据电机转速与输入之间的比例数值f，通过改变电机电源的f值来调节电机的速度，实现电能资源的合理利用。据实际调研，2021年，我国电机总耗电量约为30000亿kW·h，工业供配电系统电机用电量在全国总用电量中占比约为63％。但是，目前我国高效率低能耗的电机在市场中占比仅为10％左右，我国在用的各类电机数量约为11亿台。因此，高效率低能耗电机的市场潜力很强。工业供配电系统采用变频技术充分降低了电机在生产工作过程中能源损耗，为企业节约资源的同时，也创造了经济利益。

2.4提高供用电设备的功率因数

采用无功补偿技术可以有效降低工业供配电系统的无功输出，提高电力设备的功率因数，减小电能损失，提高电力能源的有效利用率。通过控制配网的无功输出功率，来控制整个工业供配电系统的电力总容量、操作规模等，充分调用现有供用电设备，提升系统有功电流的输出份额。工业供配电系统引入无功补偿技术后，设备的工作功率与额定功率基本一致，配网中的各供用电设备工作稳定，在外界条件正常的情况下，可以输出稳定且高速的功率，提高设备的功率因素。通过加大有功比重，降低无功输出，可以提高工作效率，最大程度降低电能损失

[3]。

2.5科学设计供配电系统

第一，根据电气工程及其自动化供配电系统节能需求设计用电负荷标准。第二，根据电气工程及其供配电系统实际用电需求选择变压器设备，并遵循绿色与节能减排原则选择其他各类设备，尽可能降低各设备电能消耗。第三，将智能化技术、仿真技术、电网技术、云计算技术等融入电气工程及其自动化供配电系统，实现对自动化供配电系统的智能控制，包括对各设备电能消耗的实时监测及电能自动控制等。第四，设计供配电系统前需要全面分析供配电系统电能损耗原因，然后在该基础上进行系统节能控制设计，如平衡三相电压、降低零线消耗、调整控制功率因数、合理布局线路等，以达到降低系统电能损耗的目的。

2.6建筑低压干线配电方式的可靠性、经济性

设备配电线长度越长,末端电压降越大,越不利于电气设备的稳定运行。因此,为提高配电系统的稳定性和配电线缆造价的经济性,低压配电系统宜采用放射式和树干式相结合的供电方式。单台容量较大的电动机负荷（功率大,启动时对其他设备影响较大）,宜采用放射式供电方式；普通照明、安防、检修维护、采样水泵、监测仪表等连续型小负荷及一般性负荷,宜采用树干式供电方式。设计人员应根据监控中心各设施设备在运行负荷、数量、分布区域等方面的特点,优化低压配电线路的配置,最大限度地减少配电干线电缆的使用量,在稳定设备配电线末端电压的同时降低工程造价。

结束语

总之，工业是能源消耗和碳排放的主要来源，工业能源消耗占全国能源消耗的约７０％。工业厂区的供配电设计方案是否合理，不仅关系到项目初始减少投资，而且关系到后续长时间运行的成本，应多方面推敲对比，从配电站房及配电间设置、电缆选择、用电设备选择等方面着手，以“双碳”为目标，做可持续低碳节能的供配电设计。

参考文献：

[1]张笑弟，高强，潘弘.“双碳”目标下新型配电系统功能形态及规划体系[J].电力系统及其自动化学报，2019（15）：39-41.

[2]杜洋，杨心刚，郭灵瑜，等.双碳背景下配电网绿色发展与安全高效耦合评价[J].科学技术与工程，2019（11）：21-23.

[3]李宏仲，汪瑶，胡哲晟，等.双碳背景下配电网对多元接入体的承载能力评估[J].电网技术，2019（17）：45-48.