“雙碳”背景下工業供配電系統節能降耗研究

徐曉玲， 丁沛沛

（1.國網湖北省電力有限公司鄂州市華容區供電公司， 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

碳達峰指某一國家或地區的碳排放到達歷史最高值后，開始持續下降；而碳中和指通過各種措施，確保碳的排放與吸收達到一個均衡，使得凈碳排放為零[1]?！半p碳”目標旨在確保中國碳排放在2030 年前達到峰值，在2060 年前實現碳中和[2]。工業作為主要的能源消費者，其供配電系統在整體能源鏈中占據著舉足輕重的地位，不僅涉及到能源輸入和輸出，還關乎到能源效率和損耗問題。節能高效的工業供配電系統可以減少碳排放，有助于實現“雙碳”目標。反之，效率低下的工業供配電系統則導致能源浪費，加大碳排放。

1 工業供配電系統概述

1.1 工業供配電系統的構成

工業供配電系統為工業企業生產提供穩定、高效的電力供應，主要由供電裝置、傳輸和分配裝置、用電設備、控制和保護裝置組成[3]。其中，供電裝置包括變壓器、發電機和其他供電設備，用于產生和調節電力供應。傳輸和分配裝置包括高中低壓電纜、開關設備、保護裝置等，確保電能安全地從電源傳輸到用電設備。用電設備包括各種電機、控制器、傳感器和其他電氣設備?？刂坪捅Ｗo裝置涵蓋繼電器、斷路器和保護繼電器等，確保系統穩定運行，隔離故障，保護設備和人員安全。

1.2 工業供配電的特點

工業用電特點明顯，首先是大容量和用電波動性強，隨著生產節奏或設備啟停，電力需求急劇變化。其次，工業用電對電能質量要求高，任何電力供應的微小波動可能影響生產效率和產品質量。最后，特殊的工業場景還會對電氣參數有特別需求，例如特定的電壓和電流。因此，供配電系統必須全面考慮這些需求，確保電力供應的穩定性、高效性，以滿足不斷變化的工業生產需求，具體見表1。

表1 工業用電特點及需求

2 當前工業供配電系統中的能源損耗問題

2.1 主要能源損耗環節

在工業供配電系統中，特定的環節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。變壓器損耗主要發生在電能電壓轉換過程中，尤其是當設備老化或超負荷運行時。無功功率損耗則與系統的反向電流和不必要的能量消耗有關，這通常是系統配置不當的結果。不可忽視的是設備的內在能耗，比如因低效電動機或驅動系統不當而產生的熱能損失。

2.2 耗能大戶及其影響

在眾多工業能源損耗設備中，存在一些特別的“耗能大戶”，對工業供配電系統的能效產生顯著影響。例如，電動機系統在工業應用中普遍存在，成為最大的電力消耗者。此外，使用陳舊技術的設備，如老化的電阻焊機和低效率照明系統，以及未經優化的驅動系統，都是工業電力使用中的主要能耗點。這些耗能大戶增加了企業的運營成本，并可能導致電力供應不穩定，影響生產效率和產品質量。更重要的是，這種高能耗行為加劇了溫室氣體的排放，給環境帶來嚴重負擔。

3 “雙碳”背景下工業供配電節能降耗的技術與策略

3.1 高效能量轉換技術

在眾多節能技術中，高效的能量轉換技術占據核心地位，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。變壓器負責電能在不同電壓等級間轉換，采用高性能材料和先進的設計，如非晶合金變壓器和固態變壓器，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代的電力電子器件如硅碳化物（SiC）和氮化鎵（GaN）半導體，因其能在更高溫度、頻率和電壓下工作，大幅度減少了轉換過程中的能量損失[4]。再者，高效電機和驅動系統也值得考慮。電機是工業生產中電能消耗的主要部分，高效電機和優化的驅動系統能顯著減少能源消耗。采用高效率電機，結合變頻驅動技術，能夠確保設備運行的連貫性和可靠性，根據負載變化自動調整運行狀態，避免無謂的電能浪費。

3.2 智能控制策略

智能控制通過精準的數據分析和實時響應，使系統的經濟性、可靠性和環境友好性得到提升。在這一框架下，自動監控和數據分析技術成為重要力量，通過物聯網（IoT）技術對設備和系統數據進行實時采集，利用云計算和大數據技術進行數據挖掘和分析，可以洞察當前的能源使用狀況，預測未來的能耗模式，及時發現并優化系統不足。在電力使用的需求側管理（DSM）管理上，通過精細化的能源消費習慣和電力使用模式調整，實現對能源的優化配置和需求的精準匹配。比如，通過峰谷電價制度，緩解電網高峰期的負荷壓力，促進電力消費均衡化，提升電網穩定性和運行效率。同時，智能調度和優化控制的應用也為實現節能減排提供有效途徑。這些控制策略通過應用模糊控制、優化算法或人工智能等先進技術，使得生產中設備在最佳狀態運行，減少不必要的能源損耗。在一系列智能控制的協同作用下，集成能源管理系統（IEMS）的概念應運而生，它通過全面監控和綜合管理各類能源，實現能源利用的最大化和系統運行效率的最優化。IEMS 的運行涵蓋了電力、熱力、水等多種能源，確保各類能源在工業生產中的高效配置和協同運作。

3.3 電能質量優化

在工業供電系統中，電能質量是影響生產穩定性和設備壽命的因素之一。電能的不穩定性可能導致生產中斷，縮短設備的使用壽命，甚至威脅人員的安全。為實現電能質量的高標準和持續穩定，采用電能質量監測設備進行實時監控是基礎工作。這些設備能及時準確檢測電能質量問題，如電壓波動、頻率偏差、諧波過多等，為后續的優化提供數據支持。在具體的優化技術中，諧波抑制技術起著至關重要的作用。工業生產中的許多設備，尤其是大量使用的非線性負載，會產生諧波污染，不僅損害電網，還影響設備的正常運行。有效的諧波抑制可以減少負面影響，保持電網的健康運行。此外，無功補償技術也是電能質量優化不可或缺的一環，適當的無功補償可以提高供電系統的效率，優化電壓質量，避免設備過載運行，減少能量損失，確保生產過程平穩運行。

3.4 電網互聯與分布式能源資源的集成

電網互聯與分布式能源資源的集成實現了能源供應的優化。電網的現代化不再是單一的、集中式的結構，而是通過引入微電網和分布式能源系統，形成互聯的、動態的供電網絡，這種轉變為實現低碳經濟提供了有力支撐。微電網的概念在這一框架下應運而生，通過集成可再生能源，如太陽能或風能，確保電力供應的可持續性和系統的靈活性。微電網在必要時與傳統電網隔離，作為獨立的能源島運行，增加整個電力系統的抗災能力，提供高效的方式平衡供需，減少對中央電網的依賴。

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。分布式能源系統的獨特之處在于能量的產生與消耗發生在同一地理位置或相鄰地區，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的可靠性和安全性，減少了對脆弱長距離輸電網絡的依賴。智能電網技術的應用使得實時數據的傳輸和分析成為可能，提供對分布式能源資源進行高效管理和協調的手段，從而實現電網運營的最優化?？傮w來看，電網互聯與分布式能源資源的集成是推動能源系統現代化，實現“雙碳”目標不可或缺的戰略路徑。

4 案例分析

4.1 案例介紹

為具體分析“雙碳”背景下采用新技術和策略在工業供配電系統中節能降耗的效果，選擇某重工公司作為研究對象。該公司是大型重工業制造企業，傳統的能源消耗量大、能源成本高、碳排放量超標，該公司依賴傳統的集中式電力系統，經常面臨電力不足、電力質量不穩定等問題，導致設備頻繁故障、生產中斷、能源浪費嚴重。公司年均電費開支達1.2 億元，年均碳排放量約10 萬t。為應對這些挑戰，公司實施一系列創新措施：引入了高效的能量轉換技術，如更新為高效變壓器和電力電子設備；實施智能控制策略，通過自動監控和數據分析優化能源使用；電能質量優化，投入諧波抑制和無功補償技術；構建微電網，并集成太陽能等可再生能源。

4.2 節能效果與經濟效益評估

4.2.1 節能效果

在轉型前，該公司依賴傳統電力供應，使用的電力設備效率較低。在實施“雙碳”背景下的改進措施后，公司引入最新的電池生產技術，提高電池制造過程的能效。此外，還投資太陽能光伏發電系統，通過自身可再生能源供電，減少對傳統電力的依賴。通過這些舉措，公司年度的電力消耗減少30%。

4.2.2 經濟效益

除顯著的節能效果，公司還獲得可觀的經濟效益。年度電費支出降低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電補貼。這些節能和經濟效益的共同作用使公司的運營成本大幅下降。

4.2.3 環境影響

通過采用可再生能源和提高電池生產的能效，顯著減少了碳排放，年度碳排放減少20%，得到了綠色認證，并樹立了環保的良好形象。

通過這一案例，可以看到在“雙碳”背景下，通過采用新技術和策略，不僅取得顯著的節能效果，還在經濟效益和環境影響方面取得積極的成果，見表2。充分表明，節能降耗對企業和社會的重要性，以及采用創新方法可以取得多重利益。

表2 轉型前后對比

5 結論

1）工業供配電系統節能降耗在實現“雙碳”目標中發揮著重要作用。通過高效轉換技術、智能控制策略、電能質量優化、電網互聯與分布式能源資源的集成可以實現工業供配電系統節能降耗，同時有助于降低碳排放。

2）工業供配電系統節能降耗還面臨技術和經濟挑戰，需要政府、行業和研究機構的共同努力來克服。技術創新將繼續推動系統的發展，包括智能化、儲能技術和需求側管理等方面的創新。政府應該制定有利于新技術發展的政策，包括財政激勵和市場改革，以鼓勵企業和投資者參與。此外，通過教育和宣傳，提高社會對“雙碳”目標的認知和接受度也至關重要。通過不斷創新和改進，這些節能降耗技術和策略有望發揮更大作用，為構建低碳、高效的電力系統做出貢獻。