（电机与电器专业论文）基于节能技术的dsm系统研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d e m a n ds i d em a n a g e m e n tt d s m ) i sas y s t e me n g i n e e r i n gw h i c hu s i n ge f f e c t i v em o t i v a t i o n g u i d e se l e c t r i cu 鲫v a r y i n gc o n s u m p t i o nm a n n g ro fp o w e re n e r g y , i n c r e a s e sp o w e rc o n s u m p t i o n e f f i c i e n c yo ft h et e r m i n a l ，o p t i m i z e sr e s o u r c ec o n f i g u r a t i o n s 。i m p m v e sa n dp r o t e c t st h e e n v i r o n m e n t s r e a l i z e sp o w e rc o n s u m p t i m a n a g e m e n to f t h em i n i m a l - c o s te l e c t r i cs e r v i c e , a n d p r o m o t e st h ee l e c t r i cp o w e ri n d l l s t r ya n dt h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h ew h o l es o c i e t yd e v e l o p i n g c o o r d i n a t e l y a g a i n s tt h ec r i t i c a lp r o b l e me x i s t i n gi nd s m , o v e r a l la n a l y s i si sg i v e ni nt h i sp a p e r , e m p h a s i so ne n e r g ys a v i n g , c u n 伽s u p p l yc r e d i b i l i t y , p o w e rq u a l i t y , m o n i t o r i n ga n ds e r v i c e , w h i c hh e l p i n gc r e a t i n gaf i n ee n v i r o n m e n tf o rp o w e rb u i l d i n g , d e l i v e r i n ga n dc o n s u m i n gu n d e r m a r k e t - d i r e c t e de c o n o m y t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t os i xp a r t s f i r s to fa 1 1 t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fd s mi si n t r o d u c e d , a n dt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r e s e n ts t a t u sa th o m ea n da b o a r d , e s p e c i a l l yi ne l e c t r i cm a c h i n ef i e l d , i sa n a l y z e d a tt h ee n do f t h i sp a r tt h ef o c a lp o i n to f t h ep a p e ri sp o i n t e do u t t h e nt h ep o l i c yp r o t e c t i o na n dg u i d a n c ee f f e c ti o no fg o v e r n m e n t , t h ep a r t i c i p a t i o na n d i n m r e aa l l o c a t i o ns y s t e m , t h et e c h n i c a la n de c o n o m i ca p p r a i s a lm e t h o di nd s mi sa n a l y z e d t h e m a i nt e c h n i q u ei nd s mi ss t u d i e dd e t a i l ela n dt h et e c h n i c a lc o m p a r i s o ni sg i v e no ne l e c t r i cl i n k s s u c ha sd e l i v e r y , t r a n s m i s s i o n , a n di n s m p t i o n t h eo b j e c tc h a r a c t e rw h i l ed s mi s b e i n g i m p l e m e n t e d , t h el o a dr e s h a p i n gt e c h n i q u ea n dl o a dm o n i t o rt e c h n i q u ei sa l w a y ss t u d i e d a i m i n g 砒e l e c t r i cm a c h i n e t h em a i ne l e c t r i c a lp o w e rc o n s u m e r , t h ee n e r g ys a v i n gm e t h o d f o re l e c t r i cm o t o ri ss t u d i e ds u b s e q u e n t l y , i n c l u d i n gt h em m s f o r m a t i o nf o rah i g he f f i c i e o c yo f t h e e l e c t r i ci t s e l fa n dt h eh i g he f f i c i e n c yo p e r a t i o no ft h ew h o l ee l e c t r i cm o t o rd r i v i n gs y s t e m t h e e l e c t r i cm o t o ri sa n a l y z e db ye s p c 2 t $ o f h i g he f f i c i a n c yd e s i g n , s p e e dr e g u l a t i o n , c o n t r o ls t r a t e g y , a n di n t e l l e c t u a lp e r f o r m a n c e t h e nt h eu n i v e r s ee f f i c i e n c yo fe v e r ys t r a t e g yi se v a l u a t e d c o n c e p t i o no fe f f i c i e n to p e r a t i n gp o i l i la n do p e r a t i n gr a n g ei sp r e s e n t e d , a n di su s e dt od e s i g n o p e r a t i o ns t r a t e g y i nt h ef o r t hp a r t , t h et e c h n i c a lm e t h o de l e c t r i ce n t e r p r i s eu s e dt oe x a m i n i n ga n de v a l u a t i n g t h ee f f e c to fd s mi s a n a l y z e d , e s p e c i a l l ye l e c t r i c a lm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gm e t h o d t h e e m p h a s i si s t h ek e ym e t h o do fp e a kl o a dc o n t r o li nd s m , r e m o t el o a dm o n i t o r , w h i c hi s a s s o c i a t e dw i t hm e d i u mo rs h o r tt e r ml o a df o r e c a s ta n dp o w e rq u a l i t ym a n a g e m e n t , t h e nt h e p o t e n t i a lt a r g e ti sp r o p o s e d , a n di t i ss u g g e s t e dt h a tt h er e l i a b l es e r v i c ed u r i n gd s mo p e r a t e d s h o u l db es t r e n g t h e n e d b a s e d0 1 1t h ei d e ao fd s m , t h o u g h to fb u i l d i n gt h ei n t e g r a t e de n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m i na ne n t e r p r i s ei s p u tf o r w a r d , t h eu t i l ba f t e rd s mi m p l e m e n t e di s a n a l y z e d s u b s e q u e n t l y , t h et h o u g h to fr e a l i z i n gr e a l - t i m em o n i t o ra n dm a n a g e m e n to fd i s t r i b u t i o n l r a n s f o r m e r sb yt h ea d v u n c e dg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ei sp r o p o s e d , a n do nt h i s f o u n d a t i o n , a d v a n c e dm a n a g e m e n tf u n c t i o ni sd e v e l o p e d , t h ep o w e rc o n s u m p t i o nm a m l e ro f n s e l _ s i sv a r i e d , a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o ne f f i c i e n c yo ft h et e r m i n a li si n c r e a s e d a sb ni m p o r t a n t t e c h n i c a lm e t h o do f o p e r a t i n gd s m ，g p r s p l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti np r o t e c t i n gp o w e rs u p p l y i n g l a s t l y , t h em a i n w o r ko f t h ep a p e ri sg e n e r a l i z e d a b s t r a c t k e y w o r d s ：e n e r g yd e m a n ds i d em a n a g e m e n t ( d s m ) ，e n e r g ys a v i n g ，e l e c t r i cm o t o r s ， r e m o t el o a dc o n t r o l ，d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e rs u p e r v i s o r y ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 毫j 亏 日期：= 7 东南大学学位论文使用授权声明 v p 7 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：三二堕导师签名： j 澎洳一必 第一章绪言 第一章绪言 1 1 电力需求侧管理( d s m ) 研究的背景和意义 2 0 世纪以来，世界能源价格持续走高，例如石油价格在2 0 0 6 年最高时超过7 0 美元，桶。能 源供应及其价格的波动对整个世界的政治、经济、外交及国家格局影响巨大。2 0 世纪7 0 年代初 ( 1 9 7 3 1 9 7 4 年) 发生的石油危机，石油价格上涨了3 倍；1 9 8 0 一1 9 8 1 年世界爆发第二次能源 苊机，引发了二次世界大战后全球最严重的经济危机，影响深远。 电力是现代工业社会的命脉，人们将之形象地比喻为国民经济发展的先行官。随着科技进步 和生活水平的提高，经济社会对电力的依赖越来越大。在“十五”期间，由于中国大多数省出现了 电力短缺，地方政府、各投资主体对电力建设的热情高涨，电力装机迅猛发展，相应的煤炭供应、 运输、环境保护等方面压力骤涨。特别是东部沿海地区二氧化硫控制不仅没能完成国家制定的“十 五”目标，反而有所上升。如江苏省二氧化硫排放应由“十五”初的1 2 0 万吨下降到期末的1 0 0 万吨， 实际却是上升到1 3 7 万吨，环境质量局部在恶化，有的地区4 场雨就有3 场是酸雨。 中国政府对资源问题非常重视，提出了建设资源节约型、环境友好型社会，将资源节约列为 基本国策，并对各地万元g d p 单位能耗进行考核，要求在十一五”期间万元g d p 能耗下降2 0 。 应该讲这项目标任务的完成非常艰巨。 电力需求侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ，简称d s m ) 是指通过采取有效的激励措施，引导 电力用户改变用电方式，提高终端用电效率，优化资源配置，改善和保护环境，实现最小成本电 力服务所进行的用电管理活动，是促进电力工业与国民经济、社会协调发展的一项系统工程。 电力企业从传统的单一商品生产者转变为满足客户需求的服务者，此时，d s m 将成为重要 的电力资源( 需求侧资源) ，积极地开发既能有效延缓巨额的电力投资，又能为系统的安全、可 靠运行提供保证，对其总体利益是有利的。有电力专家将其称为开发水电、火电、核电和可再生 能源外的“第五电力能源”。在市场经济条件下，推广应用d s m ，必须采取法律、行政、经济、技 术等多种手段。从广义上讲，如果用户主动采取了节电措施，且能够得到政府在政策上的鼓励和 电力企业在经济上的优惠，都可以纳入电力需求侧管理中来。如用户选择采用了建筑保温节能措 施，所采用的材料和设施符合国家的产业政策，且生产企业得到了国家政策的扶持，用户也就间 接地取得了经济上的优惠。d s m 的实施具有以下意义： 使电力不再成为经济发展的制约因素；如美国经济发展对电力增长的依赖不再十分明 显。 形成一定的经济激励和政策引导机制，总结起来有电价鼓励、补贴与折让、借贷优惠、 节能奖励等。其中，对电价的调控是最关键的一步，刺激政策体现了d s m 效益的利益 共享，是一条成功的经验。 逐步形成一定的规章制度、管理机制、实施机制，对不同的电力市场又都有各自的特色。 加强了环境保护，刺激了相关的科技进步。 在d s m 实施过程中，带动了节能服务行业、节能产品产业的快速发展。 1 2d s m 国内外研究和发展现状 为了满足国民经济发展和社会进步对电力的需求，必须做到电力供需平衡，实现保障供应。 东南大学博士学位论文 一般采取两种策略，即：( 1 ) 扩张电力系统，增加供应，以满足电能的新需求，即供应侧策略 ( s u p p l y - s i d ep o l i c y ) ；( 2 ) 改善电能消费方式，节约电能和降低高峰需求，以减少或减缓电力投 资，即采取需求侧策略( d e m a n d - s i d ep o l i c i e s ) 。电力供需之间的平衡是相对的，不平衡是绝对的a 电力负荷曲线是波动的，既有日负荷的峰谷差，又有一年四季间的差异。目前我国电网负荷曲线 的调节主要是通过发电机组来实现的。实际上，电力企业也能为改善电网负荷曲线作贡献d s m 就是通过主动改善面广量大的电力用户用电负荷曲线而达到改善电网负荷曲线的目的。主要措施 是改变电力用户的用电方式( 节约电力) 和提高终端的用电效率( 同时节约电量) 。 实施d s m 的目标，主要是： 一定电力负荷下最小的电量消费( k w h ) ； 一定电量的需求下，减少最大的电力需求( k w ) ： 等量能源消费下，对环境的影响最小，提倡以电能替代不洁能源等。 这些目标的实现是以全社会的经济性为前提，电力企业、电力用户和社会都具有一定的利益 回报。在实现的方式上，主要有负荷管理、能效管理技术和配套的政策引导。 美国于1 9 7 3 年就提出了电力需求侧管理概念，即对电力的需求方进行管理，并将之与供应 方视作同等重要的资源纳入能源综合平衡。美国在2 0 世纪8 0 年代末实施了1 3 0 0 多项需求侧管 理计划，吸引了1 3 0 0 万户用户参加，使高峰负荷削减了0 4 一1 4 ，相当于负荷增长率的 2 0 - 4 0 ，节电成本和节电投资只相当于新增电量成本和新建电厂投资的1 1 0 1 2 ，效果十分显 著。1 9 9 1 年，美国缅因州电力公司用于d s m 的成本为1 7 2 0 万美元，为其总收入的2 3 ，节约 电量9 1 0 0 万k w h ，削峰6 3 万k w 。1 9 9 4 年美国在d s m 上的投入达1 2 0 亿美元，削峰5 5 0 万k w ， 占美国夏季负荷的7 。到2 0 0 0 年时，美国增加的电力供应中，d s m 提供了1 6 的电量和2 8 的容量。在峰谷电价政策的激励下，美国已有数百万个家庭安装了负荷控制开关。电力公司通过 直达邮件告知用户“负荷管理能减低每个人的电费帐单”，且提供不等的经济刺激，如空调装置为 8 - 7 2 美元，年，平均为2 2 美元，年，热水器6 - 6 0 美元侔，平均2 7 美元，年等；减少电力需求，如 空调为o “1 5 k w ，平均0 9 7 k w ，热水器o 2 5 1 k w ，平均0 6 k w 。当年在美国加州爆发能源危 机后，加州政府迅速采取d s m 措施，短时间降低高峰电力需求4 0 0 万千瓦，为有效度过危机创 造了条件。 据美国劳伦斯伯克利国家实验室估计。在3 0 年内若能致力于提高终端用电效率，发展中国 家可削减能源总投资的4 0 ，至少可节约1 5 万亿美元；工业化国家可削减5 0 的能源总投资， 节省7 0 0 0 亿美元。 1 9 9 1 年英国开始了电力私有化进程，电力企业加紧了市场开拓，第一个成功的d s m 项目是 在h o l y h e a d 的“p o w e r s a v e ，通过避峰减少昂贵的电力投资。考虑到政策与社会因素、经济条件 和技术应用上的差异，英国在1 9 9 4 年发起了节能信托( e n e r g ys a v i n gt r u s t , e s t ) 以激励市场条 件下的能源平衡。 在东欧，对d s m 兴趣最大的是波兰。1 9 9 5 年，波兰电力公司制定了i r p ( 综合资源规划， i n t e r g r a t e dr e s o u r c ep l a n n i n g ，即把节电也作为一种资源纳入电力规划) 计划，推行 节能灯具等节电产品，获得如万k w 的削蜂容量，节电成本为1 美分瓜w h ，净效益为2 9 0 0 万 美元。 建筑的供热供冷用电负荷非常大，发展节能型建筑能够实现节能。如瑞典在建筑业利用地热 资源方面走在欧洲前列。据统计，从1 9 7 0 至1 9 9 0 年，瑞典的房屋面积从4 亿平方米增加到了6 亿平方米，建筑面积增加了5 0 ，但能源的消耗量却与2 0 年前持平。 在一些发展中国家，也已开始实施d s m 项目。在马来西亚，t e a n g a n a s i o n a l b e r h a d b ) 于 1 9 9 2 年即开始与美国c a l i f o r n i a 能源委员会进行d s m 合作研究，并独立开展了多项d s m 项目， 更新照明系统如使用电子整流器、紧凑型荧光灯。在印度，农业用电占总电量的3 0 以上，水泵 负荷占农业峰荷的6 0 - 8 0 ，于8 0 年代后期开始实施的农业灌溉d s m 计划，在四级供电体系中 2 第一章绪言 区别可控制负荷( 如水泵) 和不控制负荷，采用水泵的循环控制技术，降低了5 0 的最大峰荷， 经济效益非常明显。 国际上d s m 的经验告诉我们，d s m 适合市场经济运行机制，有利于开拓电力市场，有利于 对电力客户的服务，有利于促进社会、资源和环境的协调发展。通过d s m ，可以给社会和政府、 电力公司和电力用户带来共同利益。对于经济高速发展、资源消耗急剧增加、市场机制正在完善、 增长方式亟需转变的中国，d s m 是方兴未艾、大有作为。 1 9 9 2 年d s m 引进我国，引起了国家有关部委的高度重视，国内科研机构也积极开展d s m 的技术跟踪和转化研究。1 9 9 3 年国家计划委员会委托中国科学院能源研究所和深圳能源总公司合 作在深圳进行试点研究，同年底完成了试点任务，取得了显著的效益。1 9 9 3 年夏，中国能源研究 会系统工程专委会与能源经济专委会合作在清华大学举办了首届d s m 政策研讨会。同年，丹麦 d s m 专家对南京卷烟厂，无锡机床厂等进行了电能使用考察审计，并于次年在无锡举办了d s m 研讨班。1 9 9 4 年华北电力大学和清华大学技术经济与能源系统分析研究所相继开展了电网级和国 家级d s m 和i r p 的可行性研究工作。同期，国际能源促进会与清华大学合作建立了d s m i r p 综 合资源规划国内合作网，开展研究和培训工作。1 9 9 5 年上海计划委员会立项，委托清华大学开展 电力需求侧管理与综合资源规划的应用潜力分析和应用途径研究。同时，江西省电力局和东北电 力局也进行有关地区d s m 的潜力分析和应用推广机制研究。1 9 9 8 年1 月，在无锡成立了国家电 力公司电力需求侧管理指导中心，从政策、技术等各个方面推进d s m 在全国展开。1 9 9 8 年1 1 月，o p e c 组织d s m 第十次联络组会议在无锡举办，来自l o 个国家和地区的2 6 位专家代表参 加了会议，并举办了“全国电力需求侧管理新产品、新技术展示会”。2 0 0 0 年，江苏省经贸委和省 电力公司合作开展江苏省电力需求侧管理研究，并在省科委立项。可见，全社会从国家政策 部门、电力企业、高校和研究院所、电力用户已开始接受d s m 的观念并开始全方位的研究探索。 从国家政策和电力发展规划的角度，能源节约与资源综合利用已成为我国经济和社会发展的 一项长远战略方针，对全面贯彻落实国民经济和社会发展长远目标具有保障和推进作用。中华 人民共和国节约能源法已于1 9 9 9 年1 月1 日起实旖，而d s m 的开展正是贯彻执行节能法 的有效举措。1 9 9 8 年起，国家电力公司推广进行蓄热式电热锅炉开发低谷电力促进，目标是移峰 填谷。为充分发挥价格在市场条件下的杠杆作用，从2 0 0 0 年起，全国许多省市都相继制定了优 惠电价、梯级电价，引导电力用户的削峰填谷。2 0 0 2 年，国家经济贸易委员会和国家发展计划委 员会联合制定了 节约用电管理方法，明确了d s m 工作的各项具体措施和奖惩方法，并对九种 高耗电产品制定了电耗最高限额。 节能服务已形成一个新兴的行业。节能中心或节能服务公司在d s m 的实施过程中起着重要 作用。基于一般用户缺乏充足的专业知识和足够的资金，节能公司有能力向各个行业和用户提供 有关高能效设备、咨询服务及技术支持。同时，可借鉴国际上广泛采用的“合同能源管理”模式， 由节能公司向电力用户提供资金或设备投资、能源效率分析、项目设计施工、工作人员培训、设 备保养和维修及节能效果监测等一条龙服务，并在节能服务中，与用户分享节能效益。节能技术 网站也成了一个更新鲜的服务和宣传途径，如中国节能服务网，提供了d s m 节能相关的动态、 机制、案例、培训、设备、法规等全方位的信息服务。 节能产品和节能技术的不断进步，推动了全社会开展节能降耗和资源综合利用，研究和开发 了许多节电技术。重点是发展高效电动机、高压大功率变频调速技术、高效电光源及镇流器技术、 s 9 以上变压器和非晶态合金铁芯变压器技术、蓄冷蓄热技术，以及家用电器、电解电镀电源、输 变电网系统、工业电炉等先进节电技术。节能空调，节能冰箱、节能观念己应用到越来越多的产 品中。 不同电力形势下，形成了不同的d s m 实施策略。当系统总体供过于求时，研究了如何积极 开拓用电市场，如农村电力，以提高电力系统的总体负荷率，保证系统高效运行。当电力形势严 峻时，形成了一整套调节措施，如： 3 东南大学博士学位论文 根据优先确保优势产业，严格限制劣势产业用电原则，落实对有关企业限电措旌。 电力价格杠杆措施：进一步拉大峰谷电价差，促进用户使用低谷电；取消电石、铁合金 等行业的优惠电价；试行避峰电价、部分可中断电价；在峰时段限制最大负荷需求；奖 励电厂峰时超发电等。 需求侧调节措施：合理组织安排企业错峰、避峰用电；高温期间政府机关带头，控制空 调温度不低于2 6 c ( 包括商场、商务楼、宾馆和高档娱乐场所) 。 企业轮休假措施：对有条件的企业，在高温时期试行集中分批轮休假。 通过加强宣传，增强全社会节电节能意识；鼓励大型建筑物使用燃气中央空调；推广绿 色照明、空调系统冰蓄冷、变频调速等技术；并加大节电节能执法力度。 通过多年的实践，对d s m 有了崭新的认识。首先，它是适应电力走向市场的一项全新的工 作，必须通过有效积极的宣传和事例示范争取全社会的理解和支持；其次，它从科学用电、合理 用电、延伸到客户服务的方方面面，有丰富的内容；现处于新旧体制交替变更过程中，它将遇到 种种困难和矛盾，改革势在必行，政策扶持必不可少。技术上的进步具有普遍适用性，但采取合 适的d s m 激励策略对于不同的国情和电力市场具有特殊性。这些都是必须考虑和研究的新内容。 经过3 0 多年的发展，许多国家和地区积累了丰富的d s m 经验，工业化和信息技术的发展为 d s m 的推广提供了良好的技术条件。而且随着技术进步，措施的不断应用与完善，d s m 已扩大 到整个北美、欧盟以及亚洲等地区。d s m 的两大应用即负荷管理系统和节电技术在实践中取得 了明显的成效。由于效益显著，d s m 很快被工业发达国家和部分发展中国家采用和发展。2 0 世 纪9 0 年代以来，国际能源与环境方面的有关组织机构与不少国家政府都非常关注d s m 的推广和 应用，经常召开世界性的研讨会，以期对全球资源的有效利用和环境保护做出贡献。 1 3d s m 主要技术发展 为了平衡电力负荷，d s m 所采用的主要技术有： ( 1 ) 削峰，即减小高峰期用户负荷。在具体实施中，削峰的技术有直接负荷控制和可中断 负荷控制。其中，由于降低了供电可靠性，直接负荷控制多用于居民用电，对其他用户需评估停 电损失和事故影响。可中断负荷控制是根据供需间的供用电合约，使用户有准备的停电方式，其 经济策略主要是较低的电价和可中断补偿。 ( 2 ) 填谷，即增加低谷期用户负荷。填谷技术主要有增加季节性用户负荷，调节年低谷时 段负荷；增加低谷用电设备和增加蓄能用电负荷，提高日低谷负荷。其经济激励政策主要有较低 的谷期电价等，可适用于一般电力用户。 ( 3 ) 负荷转移，改变用户用电时间，使从高峰期向低谷期转移，同时有削峰和填谷作用。 负荷转移即移峰填谷，可采用蓄热蓄冷技术、错峰轮休、生产流程优化等，也包括在电力尖峰的 能源替代，如太阳能、燃气能源等。用户经济上的收益和生产工艺上的可行是实行负荷转移的主 要因素。 ( 4 ) 提高能效，通过提高用电效率减小总体用电量和电力需求。提高能效即提高用电效率， 技术上可选用高效设备( 如高效电机) 、节能设备( 如节能灯器具，热泵空调) ，节能控制和经济 运行方式( 如变频变速运行) 、余能回馈利用等。提高用电效率既节约了用电设备对电力负荷的 需求，又节省了总用电量，对电力企业和电力用户都有明显的经济效益。 每种d s m 技术的推广实施都需技术措施和经济政策两方面的支持。 4 第一章绪言 1 4 电机领域d s m 技术研究现状 电机是电能的最广泛使用者，在工业化社会中，消耗超过5 0 0 , 6 的电能总量，其中三相交流电 机占5 0 以上。因此，电机的节能是实现总体节能目标的关键。电机领域d s m 技术研究主要在 以下两方面： ( 1 ) 高效电机技术 随着能源价格的提高，电机设计的效率标准从1 9 7 9 年起就逐步提高，且产生了明显的经济 效益。如对2 5 h p 电动机在额定负载时，1 9 4 4 年设计效率8 9 5 ，1 9 5 5 年9 0 5 ，1 9 6 5 年标准效 率8 9 0 , 6 ，1 9 8 1 年和1 9 9 1 年贴现效率分别为9 3 6 0 d 日9 4 1 ，1 9 9 2 年能源法案最低效率为9 2 4 ， 1 9 9 3 年n e m a 设计标准为9 3 6 ，1 9 9 6 年9 4 5 - 9 5 。美国于1 9 9 7 年1 0 月2 4 日正式实施“全面 的国家能源政策法案”( e p a c t1 9 9 2 ) ，其中详细规定了电机效率的最小值标准和测试方法，在 n e m a 称为“能效”电动机。加拿大，英国、欧盟等也相继制定了相关的能源法案或措施，以推动 能效电机的发展，如制定了最低效率标准，低于此标准的电机从2 0 0 2 年起禁止在欧盟市场销售。 此外，还用标准规定了电机测试和效率计算的方法，如i e e e1 1 2 b 的直接输入输出法、i e c3 4 - 2 损耗分离法。如n e m a 定义e 设计电动机，通过精确设计，额定负载时转子损耗降低，转差减 小。对流体负载系统效率有大的影响，因为流量、扬程( 或压力) 和轴功率分别正比于轴转速、 转速的平方和三次方，如泵的轴转速轻微的增大，将有效增加流量和压力。 能效电机一般具有或部分具有以下特征：较长的转子、高性能铁磁材料、大规格的绕组导体、 低磁通密度、小的空气隙、小的转差率和较低的温升。为提高电机的效率，电机制造技术不断进 步。在材料上，从热轧硅钢片到冷轧硅钢片，铁耗不断降低。如晶格趋向性钢片比非趋向性钢片 减少铁耗5 0 0 , 6 以上，硅硼镍铁合金铁损只有普通硅钢片的1 0 ；采用高绝缘等级的复合绝缘材料， 提高电气性能和热稳定性。在制造工艺上，从片间绝缘的氧化工艺，叠片紧固的机械应力分析、 转子脱模和转子刨圆对附加损耗的影响等方面进行优化控制，如转子铸铝热套技术等在设计上 使用高导磁低损耗铁磁材料，在提高效率的同时，可以减少有效材料消耗，产生明显的经济效益。 我国在电机的效率优化设计上也进行了全面的研究和开发工作，从2 0 世纪8 0 年代全面推广 y 系列电机替代传统的j o 和j 0 2 系列电机，效率提高l 左右，其中y x 高效系列效率提高2 - 3 。 9 0 年代改型产生y x 2 、 y b x 、y a x 系列，主要通过对电磁设计进行优化，控制电机中各种损耗 分配比例，采用导磁性能好的优质冷轧硅钢片，降低铁耗，在保证温升的前提下适当地缩小风扇 外径，既降低了风扇损耗，又降低了通风噪声，提高电机零件加工精度和装配质量，以降低机械 损耗，合理选用低谐波绕组、电机气隙值以及采用先进的转子加工及表面处理新工艺，有效地控 制了电机杂散损耗。效率平均值9 1 8 7 ，效率提高3 ，达到或超过了美国e p a c t 效率指标， 通用性、可靠性均达到当时国际先进标准要求。为了大力推广使用高效电机，节约能源，我国于 2 0 0 2 年8 月1 日起正式实施强制性国家标准g b1 8 6 1 3 - - 2 0 0 2 中小型三相异步电动机能效限定 值及节能评价值，规定了电动机的最低效率指标。因此，普通中小型系列电机于2 0 0 2 年采用冷 轧硅钢片进行y 3 系列电机的联合设计，采用冷轧钢片为铁磁材料，达到欧洲e i f 2 能效标准，采 用f 级绝缘，按b 级考核温升，安全可靠性高。 ( 2 ) 电机节能运行控制技术 目前主要研究电机拖动系统节能特性。固定转速的电机经过改型一般可提高效率几个百分 点，而对转速有变动要求的负载( 如风机、泵类) 选用合适的配套电机，在降速运行时，总能耗 节约可达到2 0 - 3 0 ，因此调速研究非常重要。传统的直流电机可改变电枢电压调速，鼠笼异步 电机降压调速，线绕异步机串电阻、串接调速等方案均可采用，异步机变极，采用各种离合器( 电 磁、液力等) 调速也很广泛。随着电力电子技术的发展，交流机的变频和矢量控制调速装置价格 下降且可靠性提高。对使用电子器件和电机结合的自动调速系统，分析计算较困难，一般采用模 拟、仿真技术进行研究。 5 东南大学博士学位论文 在轻载时降低电压运行能改善功率因数，原理是在一定的负载条件下降低电压可使定子电流 达到最小值，铁耗和定子电流中的铁耗分量都将减少。如基于两点电流最小的半导体晶闸管闭环 控制，通过搜索法确定最佳的定子电压，对恒速负载，只改变电压大小；对变速负载须同时改 变电压的大小和频率，搜索法适应性慢、需要精确的负载信息。流体系统整体的效率一直是节能 研究的重点，其控制已基本从节流阀或循环控制，改变为基于速度的控制，其速度控制的形式很 多。文献【l 】对泵变频调速的节能估计进行了详细的实验研究，根据不同的工况特征泵本体具有交 化的效率，部分纠正了泵的关系曲线，使节能的估计更接近真实值。为了更有效地实现效率优化， 文献【2 】对中型电动机驱动的转换器的效率进行了初步的分析研究，通过测量二极管和晶体管的传 导电压与开关能量( 如二极管关断、晶体管开通和关断) ，建立转换器的损耗模型。 随着计算机技术和电力电子技术的快速发展，电动机综合控制装置的研究和应用推动了电动 机节能的控制运行。综合控制的控制量有功率因数、定子电流及定子电压等。综合控制装置具有 断相、短路、过载及起动时的电流保护等功能，电动机的软起动器能实现异步电动机的恒流起动， 不但消除了大型电动机起动时对电网的影响，同时起到了较好的节能效果，电动机的寿命也得到 了保障。文献f 3 】详细研究了实用状况下电机节能的效率问题，考虑不同的负载条件和运行温度、 电源条件如电压波动、电压不平衡以及谐波因素， 各国的实践反映出，影响电机高效替换的主要因素有：缺乏了解，替换成本偏高、未有广泛 应用效应、延续传统，在部分国家缺乏政府强制等。在电机领域d s m 技术推广过程中，政策约 束和经济刺激是推进此进程的两大外在因素。( 1 ) 政府的政策主要是制定能效标准、提高市场准 入等。( 2 ) 采用经济刺激以诱导用户购买高效电机，此激励可以针对电机生产厂和终端使用者。 1 5 本论文主要研究内容 能源、环境已成为制约经济发展的关键因素，电能作为现代社会的主要能源形式，其可靠供 给是经济和生活的基础。研究电力危机下的应对策略，是一个涉及经济、技术、观念、政策的综 合性课题，具有挑战性。 本论文研究主要针对d s m 中的若干关键问题进行全面分析，主要关注节能、可靠供电、高 质量、监控和服务，为市场经济体制下创建电力建设、生产和使用的良好环境提供支持。 ( 1 ) 分析d s m 中的政府的政策保障与引导作用和各方面参与及利益分配，重点讨论d s m 中的技术手段。研究d s m 的技术经济评价计算方法和共享利益机制。并从电力生产传输一吏 用等环节进行技术的比较，重点分析d s m 实施中的对象特征和负荷整形技术。 ( 2 ) 电机是主要的电能使用对象，电机的节能又有广阔的潜力和技术保证。电动机的节能 包括电动机本身的高效率改造和电动机拖动系统整体的高效率运行。从电机的高效优化设计、调 速与控制策略、智能化运行等方面进行分析，并对各策略的总体效益进行评价。提出能效工作点 和工作范围的概念，用于设计智能化的运行策略。 ( 3 ) 电力企业检验和评估d s m 效果的技术措施主要是电力监测和控制手段，电力企业的服 务能加快d s m 理念被广泛接受和认同。主要研究在d s m 中实现峰荷控制的主要措施远程负 荷监控，重点是监测和分析，并将其与中短期负荷预测和电能质量管理相结合，提出在d s m 实 施中加强用户可靠性服务及主要可能达成的目标。基于d s m 的理念，提出在企业建立综合能量 管理体系的思想，并分析实施d s m 的综合效用。 ( 4 ) 提出利用先进成熟的g p r s 无线通信技术实现配变实时监测管理，并在此基础上拓展 高级管理功能，改变用户的用电方式，提高终端的用电效率，作为开展需求侧管理工作的重要技 术手段，对保障全社会有序供电具有重要的作用。 6 第二章电力需求侧管理的主体技术分析 第二章电力需求侧管理的主体技术分析 电力需求侧管理将需求侧的能源节约作为与供应侧的电力建设同等重要的替补资源看待，通 过改变电力客户的用电方式平衡负荷，通过提高电力终端的总体用电效率减低电力和电量的需 求，从而在经济增长的同时减少电力需求增长，延缓电厂和电网的投资成本。因此，d s m 对资 源的合理利用、环境的保护和可持续发展具有重要的战略意义。 d s m 的主要内容包括电力市场调查、用户和设备用电特性调查、负荷管理、新技术采用、 战略性节能措施、电气化、用户发电站和市场机制的调整等等【4 】，因此它需要多方面的配合与协 调，从d s m 的运营经验和经济分析可知，d s m 非常强调整体经济利益的分享。在d s m 实施中。 政府、电力企业和电力用户都通过具体的措施为社会作出贡献，也得到相应的利益回报，这样才 能促进和保障d s m 项目的不断进行。 d s m 的实施是由多种手段构成的，技术是提高效率和负荷整形目标的基本手段，而行政约 束与规范、财政鼓励与刺激、宣传与引导等对d s m 的有效推广和加快实施起到相应的作用。 本章主要分析d s m 中的政策保障与引导作用、各方面参与及利益分配，重点讨论d s m 中的 技术手段。并从电力生产传输使用等环节进行技术的比较。 2 1d s m 中的政策保障与引导作用研究分析 需求侧管理是社会性的活动，电力企业、电力用户、节能服务机构等直接参与，为协调、保 障、督促d s m 的稳步推进，政府作为社会利益的代表理应承担起积极的责任。在市场基础上， 一般可以通过法规、标准和制度来控制和规范电力消费行为，达到鼓励节能、约束浪费、保护环 境的综合目标。 2 1 1 政策保障机制 国外经验及国内需求侧管理实施实践表明，政府的政策介入和推动是有效实施需求侧管理的 基本保障。 作为一项复杂性的非完全技术性的活动，在市场机制下，d s m 必须得到法律法规、行政、 政策等方面的支持和保障。在此保障下，才能得到其它方面如金融、审计的配合，才能得到社会 参与者的认同，也才能激发电力企业实施d s m 的积极性。 1 9 9 5 年，英联邦通过一则法律修正案，将居民能效管理的责任下放到地方政府翻。根据t h e h o m ee n e r g yc o n s e r v a t i o na c t ( h e c a ) 法案，地方当局必须将私人住宅能效与公共寓所的能效一 同考虑t 并提出在1 0 - 1 5 年内提高居民能效3 0 的策略，为推动国家能源政策起到了重要的作用。 日本是一个能源匮乏的国家，几乎所有的石油、天然气和煤炭等能源都依赖进口。为此，日 本政府一直十分重视节约能源，并通过立法促使企业提高能源使用效率。早在1 9 7 2 年就设立了 日本热能源技术协会，并于1 9 7 8 年成立了“节能中心”，全面协调和指导国民和企业的节能以及 节能技术的研究开发。1 9 7 9 年，日本颁布实施了节约能源法，又分别于1 9 9 8 年和2 0 0 2 年进 行了修改。“节能法”根据能源消耗多少对能源使用单位进行分类，对一类能源管理单位规定其必 须建立节能管理机制，任命节能管理负责人，向国家提交节能计划，定期报告能源的使用情况。 美国加州由州能源委员会和公用事业委员会制定d s m 的具体政策，并根据每年该州电力需 求的具体情况编制预算，在州参议院和众议院审议通过后，以参议院法案和众议院法案的形式