（电气工程专业论文）电力节能降耗技术的研究.pdf

摘要 摘要 节能降耗已经成为关系到国民经济安全、国际市场竞争能力、资源保护和环境保护 等社会经济可持续发展的重大闯题。在所有能源中，电力与人类的生产生活最为息息相 关。中国目前的电力缺口很大，到2 0 1 0 年还会剧增。必须把节约能源，提高能效，减 少环境污染作为持续、健康发展的内在动力，以“节能降耗，可持续发展”为主题，实 现电力的可持续发展。有效的无功补偿对电力系统的安全、经济、优质运行非常重要， 采用无功补偿技术，提高低压电网和用电设备的功率因数，已成为节电工作的一项重要 措旆。 本文研究的对象是电力系统的节能降耗技术一无功补偿技术。本文分析了无功补偿 的原理和作用以及补偿容量的选择方法，论述了瞬时无功功率理论和无功电流检测方 法。无功补偿装置已经由同步调相机、并联电容器发展到基于电力电子器件的静态无功 补偿。本文对几种主要的无功补偿技术的原理和特点进行了分析、比较，对目前常用的 无功补偿电容器投切控制方案所存在的不足进行了详细的分析，给出了补偿电容器投切 的优化控制方案，并在m a t l a b 电力仿真环境下进行了仿真试验。结果表明，所提出 的优化方案达到较理想的效果，并展望了采用静止无功发生器进行无功补偿的前景。 关键词：节能降耗，电力系统，无功补偿，s v c 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n e r g yl e s o u r o ec o n s e r v a t i o nh a sb e c o m eav i t a li s s u et h a tr e l a t e st ot h es a f e t yo f n a t i o n a le c o n o m y , t h ea b i l i t yo fc o m p e t i t i o ni nt h eg l o b a lm a r k e t , t h ei e s o u i c 圮sa n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n , a n do t h e rs o c i a le c o n o m yi s s u e sr e f e r r e dt os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t c o m p a r i n g 喇t ho t h e re n e r 萄e s ，e l e c t r i cp o w e rh a sac l o s e s tl i n k a g ew i t hh a m a nb e i n g s p r o d u c t i o na n dl i v i n g n o w a d a y s t h es h o r t a g eo ft h ee l e c t r i cp o w e ri nc h i n ai sv e r yl a r g e ， a n dw i l li n c r e a s eb yt h ey e a ro f2 0 1 0 t h e r e f o r e ，t h ea u t h o rs u g g e s t st h a tw et a k ee n e r g y c o n s e r v a t i o na n da l l e v i a t i o no fe n v i r o n m e n tp o l l u t i o na sa ni n t e r n a ld r i v et oi m p l e m e n t s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a n ds e t “e n e r g yc o n s e r v a t i o na n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a st h e m a i ns u b j e c t , a n dt h e nt or e a l i z et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe l e c 缸cp o w e li ti sv e r y i m p o r t a n tt oh a v e t h ee f f e c t i v er e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf o rt h es a f e ，e c o n o m i ca n dh i g hq u a l i t y o p e r a t i o no f t h ep o w e rs y s t e m t h et h e s i ss t u d i e st h ee n e r g ys a v i n gt e c h n o l o 百鹤o fp o w e rs y s t e m r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ，1 1 l i sa l t i d ea l s oe x p l a i n st h a tu s i n gt h et e c h n i q u eo f r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nt o i m p r o v et h ep o w e rf a c t o ro fl o wv o l t a g en e t w o r ka n de q u i p m e n th a sb e o o m ca l li m p o r t a n t m e a s l ：l r et os a v ee l e c t r i c i t v t l l i sa r t i e l ea n a l y s e st h ep r i n c i p l ea n df i m c t i o no fr e a c t i v e c o m p e n s a t i o na n dt h ew a y st oc h o o s ec a p a c i t yo fc o m p e n s a t i o n n 坞i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rt h e o r ya n dt h em e t h o do fr e a c t i v ec u r r e n ts i g n a ld e t e c t i o na d e s c r i b e di nt h i sp a p e r r e a c t i v ec o m m o nd g v i o 瞄h a v eb e e nd e v e l o p e df r o ms y n c h r o n o u sc o n d e n s e r s ，s h u n t c a p a c i t o r st os t a t i cc o m p e n s a t i o nb a s e do nt h ep o w e ra n de l e c t r o n i ce l e m e n t s t k sp a p e r a n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ep r i n c i p l ea n dp e c u l i a r i t i e so f s e v e r a l l e a d i n g r e a c t i v e c o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e s i nt h i sp a p e r , t h ei n s u f f i c i e n c yo fi n p u ta n de l i m i l l a t i o nc o n t r o l s c h e m ef o rt h eo f t e nu s e di d l ee o m p e n s a t i o nc a p a c i t o ri sa n a l y z e d a n dt h eo p t i m a lc o n t r o l s c h e m eo fc o m p e n s a t i n gt h ei n p u ta n de l i m i n a t i o nc o n t r o lf o rc a p a c i t o ri sa l s og i v e na n d s i m u l a t i o nt e s t e du n d e rt h em l a bp o w e rs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ti sc a r d e do u t 1 h e r e s u l ts h o w st h a tt h es c h e m er e f e r r e di i lt h ep a p e ra c h i e v e sc o m p a r a t i v e l yi d e a le f f e c t a n d p r o s p e c t so f r e a e t i v ee o m l m a s a t i o nb u i l tw i t hs t a t i c 撇g e n e r a t o r 辨p r e d i c t e d k e yw o r d s ：e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，p o w e rs y s t e m ，r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n ，s v c 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。 签名：劓嗽蝴盟 关于学位论文使用授权的说明 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。 签名：隅师签名：兰摹挚日期：! 业 第一章绪论 1 1 电力节能降耗概述 第一章绪论 众所周知，电能是重要的二次能源，应用于现代社会各个方面。我国是仅次于美国的发电大国， 而其中8 0 为火力发电。火力发电每天燃烧了大量的煤和石油，并且产生大量有害气体，污染环境。 当前，能源形势严峻，尤其是世界能源危机。据目前的开采速度，煤炭可供应1 6 9 9 ，天然气仅仅可 以供应6 5 年，石油只可用到2 0 5 0 年。而我国的能源形势更为严竣，据1 9 9 7 年世界能源统计评论 估计，中国的煤炭在以后的8 8 年内，石油和天然气资源分别在2 0 2 年和4 9 3 年内将面l 临枯竭。依赖于 煤炭，石油等一次能源的电能，形势岌岌可危。2 0 0 4 年，全国2 4 个省市拉闸限电，电力严重短缺。 2 0 0 5 年，全国最大电力缺口达2 5 0 0 万千瓦。 我国人口众多，能源和其它自然资源相对严重短缺，必须走节约能源资源的道路。节能优先不 仅是解决短期能源供应短缺的必要选择，更是为我国建设全面小康社会，进而实现现代化提供能源 保障的长期战略选择。十届全国人大四次会议批准的。十一五”规划纲要提出“十一五”期间g d p 能耗下降2 0 左右的具体指标意义重大。由于能源消费在整个社会经济生活中的重要性和普遍性， 抓住了降低能源强度这个龙头，就抓住了我国倚重资源消费、效益低、消耗高、污染大的传统增长 方式的要害。我们只有切实转变发展观念，开创新的发展模式，走科技含量高、经济效益好、资源 消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路，才有可能实现在经济平稳较 快增长的同时，使我国的能源强度明显下降我国提高能源效率潜力巨大，只要认真努力，可以达 到“十一五”节能降耗目标 节能降耗已经成为关系到国民经济安全、国际市场竞争能力、资源保护和环境保护等社会经济 可持续发展的重大问题。在所有能源中，电力与人类的生产生活最为息息相关。但是，人们对提高 用电效率、节约电能并不那么重视。目前，全国除西北、东北、山东电网的电力供应略有盈余外， 华东、华北、华中、川渝、广东等地的电网都不同程度出现供应紧张。纷纷采取拉闸限电、峰低谷 用电等措施。据有关资料显示，中国目前的电力缺口9 9 3 ，必须把节约能源、提高能效、减少环境 污染作为企业持续、健康发展的内在动力，以“节能降耗、可持续发展”为主题、实现电力的可持 续发展【l 】 当前的节能已不是简单意义的节约和少用能源，而是要靠使用先进科学技术，来提高能源的利 用效率持续缺电已成为阻碍华东地区经济加快发展的一大“瓶颈”。加上近年来，能源资源问题已 经成为中国进一步发展的瓶颈，中国资源消耗式发展模式必须得到改变，这已经成为全社会共识 中共中央总书记胡锦涛日前提出了。建立资源节约型国民经济体系和资源节约型社会”这一战略目 标。能源资源问题被提到4 关系我国经济社会发展全局的一个重大战略问题”这一高度。 电力工业既是能源生产大户，也是能源消耗大户。它既是社会经济发展的重要保障，也是建设 节约型社会的关键行业之一。由于能源禀赋所决定，中国电力生产中燃煤发电占绝对主导地位，因 而，影响中国电力工业节能降耗工作的最主要因素是燃煤发电企业的效率问题以及电网的线损问题。 供电煤耗、厂用电率和线损率，是其节能降耗工作的三大重要考核指标。而优化电源结构、提高机 组效率、加强技术创新和加快市场机制建设等，是改善中国电力工业能效现状的重要努力方向。目 前，由于资源、技术、社会经济发展模式和电力工业发展的历史性原因等，中国电力工业在提高能 效和节约资源等方面存在着许多问题与挑战【2 】。 电力工业作为国民经济中主要能源行业，既是资本密集型产业。也是资源密集型产业，无论是 电源还是电网，在建设和生产运营中都需要占用和消耗包括土地、水资源、环境能量以及煤炭、石 油、燃气等大量各类能源。所以，在节能方面，电力工业占关键地位。 近年来，尽管随着国家对能源节约的日益重视，电力工业技术水平得到了较大提高，但是，我 东南大学硕士学位论文 国的电力结构性矛盾依然突出。虽然新建机组的技术水平和环保水平已与发达国家基本持平，但存 量部分的水平仍然较低。发电企业的供电煤耗与世界先进水平相比，仍然相差约5 0 克千瓦时，输 电线损率比国际先进电力公司高2 2 5 ，一年多损失电量4 5 0 亿千瓦时。相当于中国中部地 区一个省的全年用电量。 电力行业应当在节能工作中发挥重要作用，一要重视优化产业结构，大力开发以水电为主的可 再生能源，调整和优化能源产业结构，提高能源转换和利用效率，以最少的资源消耗获得最大的经 济和社会收益；二要建立节约型电力生产供应体系，把资源节约与效益目标相结合，不断加大基础 性管理和设备治理力度；三要加强电力消费管理，提高全社会用电水平，不断提高电能利用率、提 高终端用电效率。 1 2 电力节能降耗的意义 节约资源、保护环境、计划生育是我国的三大基本国策上个世纪7 0 年代，我们认识到如果不 加强人口控制，深入落实计划生育，那么国家要富强、人民要摆脱贫困就十分渺茫。今天，2 1 世纪 的中国，如果不真正实施节能、节电、节约资源的有效措施，而仍然延续以往的资源无价，资源产 品低价、资源消耗无止境膨胀的话，我们的子孙后代将面临资源桔竭、环境恶化的境地，我们的现 代化建设和经济社会的持续发展将不可能实现 电能是一种使用方便、容易转换和控制，无污染的能源、它是将一次能源( 如煤、水、石油， 天然气、铀等) 在发电厂经加工转换而成，所以称之为二次能源，是人民生活和工农业生产必不可 少的能源。 由于我国国民经济高速发展和人民生活水平的不断提高，用电设备的增长速度超过发电设备的 增长速度，造成我国目前的电能短缺，电力供需矛盾十分突出。因此，我们必须坚持能源开发和节 约并重的方针，即一手抓能源开发，一后抓能源节约，使社会上形成一个节约能源、合理利用能源 的良好风尚。 节约能源的含义是节约资源。即节约煤炭、水力j 石油、天然气和电力等能源。就是指通过合 理利用、科学管理、技术改造和调整产业结构等途径，以最经济的能源消耗取得最大的经济效益。 电力节能降耗就是科学地、合理的使用电能，充分发挥每度电的功能和最大的经济效益。也就 是通过采取技术上可行，经济上合理，并对环境保护无妨碍的一切措施，消除在用电过程中的不合 理现象，提高电能的有效利用以节约电能用。 电力节能降耗的意义： ( 1 ) 电力节能降耗可以缓和电力供需矛盾。开展节电工作可以节约煤炭、水力、石油等一次能 源，使整个能源资源得到合理使用、缓和电力供需矛盾，并能减轻能源部门和交通运输部门的紧张 程度。 ( 2 ) 电力节能降耗可以节约国家的基建投资。开展节电工作可以节约国家用于发电、输变电及 用电设备所需要的投资，有利于国民经济的发展。 ( 3 ) 电力节能降耗可以提高企业和用户的经济效益。开展节电工作，减少了企业和用户的电费 开支，降低生产成本、提高经济效益。 ( 4 ) 电力节能降耗可以推动企业用电合理化。开展节电工作，可以推动企业采用新技术、新材 料、新设备、新工艺，加速设备改造和工艺改革，从而提高企业的经营管理水平，促进企业生产水 平的不断发展和提高【7 j 。 总之，电力节能降耗工作是一项投资小、见效快、经济效益高的工作，对于加快国民经济的发 展具有重要的意义。 2 第一章绪论 1 3 电力节能降耗的效益【6 】嘲 中国的电力发展已取得了长足的进步，二0 0 四年，中国的电力总装机容量达到四点四亿千瓦， 是仅次于美国的世界第二大电力生产国。尽管如此，中国仍然存在着较大供电缺口。2 0 0 5 年，中国 出现较2 0 0 4 年更为严重的电力紧张局面，先后有2 4 个省市被迫拉闸限电。截止2 0 0 4 年底，中国电 力装机容量达到4 4 亿千瓦，供需缺口为2 4 5 0 万千瓦，预计今年全国用电总缺口将在7 0 0 0 万千瓦 以上【，l 。 节电是克服缺电的最好办法之一，电力是能源的重要部分，节电是节能的重要内容。节电具有 最大的经济效益，节电具有跨越式发展的条件。目前中国年人均用电约1 1 0 0 度，仅为世界平均用电 的l 3 ，而且中国用电景正以年均5 的速度增长：1 9 9 0 年中国发电量为6 2 1 2 亿度，2 0 0 1 年增加到 1 4 3 3 0 亿度，l o 年翻了一番，按这个速度和目前的产销量，2 0 0 3 年的用电量应该接近1 6 0 0 0 亿度， 到2 0 2 0 年则将达3 3 7 0 0 亿度，这样不断增长的基数使节电的效益会逐年增加；按目前的水平，中国 每节电l ，就相当于8 0 亿元的收益( 以平均每度0 5 元计算) ，按目前l o 2 0 节电率的最低 水平1 0 计算，预计中国至少每年有8 0 0 亿元的节电潜力，节电的同时还将大幅度减少污染。 节能产业的巨大市场潜力和商业价值使其必定成为一个充满金矿的领域。据国家“十一五”电力 发展规划，2 0 1 0 年我国发电装机容量将达到6 亿千瓦，意味着2 0 0 5 2 0 1 0 年间，每年新增加装机 容量将达3 3 0 0 万千瓦，巨大的需求推动电力投资热一浪高过一浪。随着我国一些地方大规模新建电 厂，发电设备开始出现供不应求的局面。但这远远不能满足市场的需求，与此同时，积极调整电源 结构，深化电力体制改革，新建、改建( 扩建) 一批电网项目，提高节电能力和加强需求侧管理等 宏观政策的实旄，将为中国节电市场带来巨大的需求。有专家指出，“按照目前的节能技术，我国仅 节电这一项，每年的潜力就至少可达8 0 0 亿元，这还不包括设备寿命延长和环保等方面附加效益。” 美国能源科技企业英福特公司的年度研究报告也显示，我国终端用电设备的节电潜力约为2 0 0 0 亿千 瓦时，相当于两个三峡电站的发电量。 节电行业可以为企业节省宝贵的电能，为电网清除污染。不仅如此，节电还间接地起到了保护 环境的作用。据美国国家节能标准局统计，美国英福特能源科技公司的节电产品节电王可节约 用电5 2 0 。在美国加利福尼亚州普及使用后，每年所达到的环保效果相当于减少了约l o 万辆 汽车的污染。而英福特节电整体解决方案，实际上是为企业降低运作成本的一个最直接的平台。 节能降耗工作走在全国前列的江苏省电力公司，2 0 0 6 年致力服务于资源节约型社会建设，取得 了令人瞩目的成绩，全年共计节约原煤1 4 0 万吨，减少二氧化硫排放近2 万吨，总节能效益折合价 值达7 亿多元 6 1 。 该公司根据江苏省委省政府确立的“富民优先、科技优先、环保优先、节约优先”的“十一五” 发展方针，紧紧围绕2 0 0 6 年江苏省单位g d p 能耗降低4 的奋斗目标，从五个方面加大了节能降 耗工作力度。一是在省经贸委等部门的大力支持下，采用高效大机组替代能耗高的小机组发电新举 措，全年替代发电量6 2 亿千瓦时，共节约原煤约4 2 万吨，减少二氧化硫捧放近6 千吨。二是加快 更新改造老旧高能耗配电变压器，在全省推广使用节能型非晶合金变压器l 万台总容量2 5 7 万千伏 安；改造农村低压接户线1 3 3 万户，更换农村低压接户线3 6 2 1 万米、进户线1 0 1 0 万米。这两项措 施，全省每年可节约电量l 亿千瓦时( 折合节省原煤5 6 万吨) ，节约成本约5 0 0 0 万元，按寿命期 1 5 年计算，累计可节电1 5 亿千瓦时，节省成本开支近8 亿元。三是积极组织电力双边交易，提高 大机组运行经济性，全年累计向外省市输送电量达1 6 0 亿千瓦时，有效提高了高效、环保的大机组 发电负荷率和运行经济性，增加税收近l l 亿元。四是实施“以热定电”管理，有效提高了热电机组的 能源利用率，全省热电机组减少原煤消耗约7 0 万吨，减少二氧化硫排放近l 万吨。五是积极推进“能 效电厂建设，全年完成了l o 万千瓦容量，年节电量4 亿千瓦时( 折合节省原煤2 2 万吨) ，节约成 本约2 亿多元，减少二氧化硫排放3 2 0 0 吨嘲。 东南大学硕士学位论文 1 4 电力节能降耗的研究现状与发展嗍 节能及节约电能历来为世界各国所重视。在德国：节能和发展可再生能源是政府重要的能源政 策，并且把节电作为节能重点。在美国：政府把旨在节能的“能源之星”计划推向普通家庭。在日 本：节能己成为国民的生活方式，节能产品不断更新换代。 1 9 9 7 年1 1 月1 日我国颁布了中华人民共和国节约能源法。节能已经是法律上的规定，是我 国重要国策之一。国家发改委提出了“电机系统节能工程“建筑节能工程“绿色照明工程”等 十大重点节能工程，通过这十大工程，“十一五”期间将实现节约2 4 亿吨标准煤的目标。“十一五” 规划纲要明确提出了到2 0 1 0 年单位g d p 能耗比2 0 0 5 年降低2 0 左右的指标。要实现这一目标，除 了政府全方位、多层次的宏观调控之外，各种节能降耗技术的推陈出新同样举足轻重。这些技术的 大量涌现及不断创新和广泛应用将有利于促进节约能源、资源，也将成为推进建设资源节约型、环 境友好型社会的重要手段之一。 从上个世纪9 0 年代起步到这几年的迅速堀起，我国节电行业近几年不断涌现出新企业，一些颇 具远见的外国企业也不断加入进来。更有专家指出，我国要达到至2 0 1 0 年单位g d p 能耗比2 0 0 5 年 降低2 0 的目标，发展节电产业将成为一个重要途径。 中国有巨大的节电市场，但节电技术却与国际先进水平有着不小的差距。能源的短缺尤其是近 几年来持续不断且变本加厉的电荒，使我国政府和公众对节能降耗有了更深层次的认识，加上我国 构建资源节约型社会、环境友好型社会的大环境，以及节电产业具有的小投资风险、快投资回收等 特点，促使更多的企业投身节电产业大潮中。同时，电费已成为每一家企业最基本、最主要的成本 支出，通过节电改造降低生产成本，提高企业市场竞争力成为企业的必然选择。2 0 0 3 年和2 0 0 4 年由电荒催生出的节电产业到了2 0 0 5 年己成为最具吸引力的创业投资项目之一据悉，2 0 0 4 年新 加盟节电行业的将近一半企业在当年就有了比较满意的投入产出比。去年就曾有一家专业研究机构 指出，目前中国已成为继美国之后世界第二大节电市场，并完全有可能在近几年内取代美国成为全 球节电市场最大的买家。而随着各种尖端技术的应用普及，企业的用电成本借助于高科技手段是完 全能够控制的。 有专家认为，中国节电行业的发展与许多国家先进水平相比差距甚远，无论是节电技术还是产 品，都落后近2 0 年的水平。相对落后的传统节电没备和技术已经跟不上目前电力系统的发展规模和 新型设备的使用所带来的节电需求。我国节电行业急需节电新产品、新技术由于企业节能技术改 造融资困难，企业节能技术研究开发投入太少，许多关键技术和设备依赖进口。技术滞后的原因在 于缺乏对节能工作相应的政策支持，没有形成对企业有效的激励机制。尤其在还没有真正成为独立 的市场主体的国有电力企业中，缺乏必要的节约动力 据了解，电能的浪费与企业内部电网的电源质量和电源污染有着直接的关系。有资料显示，在 美国，虽然普遍电源质量高于世界其他国家，可美国的企业每年因为电源质量的原因而损失至少3 0 0 亿美元( 据2 0 0 2 年统计数字) ，而在中国，企业每年至少会损失上千亿元人民币。 在国外，节电投资作为一项全新的投资方式已被普遍采用。专家认为，节电控制是一项长期性 的高回报投资，企业将因此得到至少不低于5 0 的回报( 股市、地产行业的投资回报率约在2 5 ) ， 并且更为稳妥、风险更低， 因此，不少国外节电企业。如美国英福特能源科技公司已进军中国的节电市场。英福特不仅在 节流，而且还努力开源，开始涉足太阳能领域。英福特公司总裁雷永信心十足地说：“英福特要在中 国节电行业成为第一品牌，在太阳能方面，要在3 年内进入世界8 强甚至5 强，英福特要做中国节 电行业的英特尔或者微软。”英福特把能源优化作为电源质量技术和节电产品的根本，今年启动了新 产品战略，引入能源绿化概念，推出一系列新品。其中，光伏发电太阳能电池是英福特最新研发成 功的、具备世界最先进的太阳能电池技术的节能新品。 4 第一章绪论 据了解，近几年国内涌现的节电器生产厂家就有三四百家，而由电荒催生的国内节电产业有着 许多先天的不足，如相关的行业标准与法规尚未出台，且市场上存在不少技术落后或假冒伪劣的产 品，且前在国内节电改造项目中唱主角的产品大都来自一些节电市场发达的国家。 近年来，随着我国政府和企业对节电的重视程度的提高、对国际先进节电技术了解的增多以及 国际节电品牌进入中国，中国的节电产业也面临重新洗牌这有助于整个产业朝着良性有序的方向 发展。 我国的节电产业要想真正对节能降耗起到助跑的作用，不仅要尽快吸收消化国外节电的高新技 术，而且还要在技术自主创新上狠下工夫。同时，需要与企业尤其是大中型企业联手，做大做强节 电产业。国家发改委节能信息传播中心、中国电工学会电器节能专委会等单位就曾于2 0 0 4 年发起组 织“大企业节电节能示范工程”活动，并得到首创集团、宝钢、首钢等近3 0 家大型企业的响应与参 与。大企业节电节能示范工程以节电节能系统优化理论在示范单位的应用为基础，积极推动各种先 进实用节电节能技术产品在企业的推广应用，可以使一批耗能大户的用电用能量有实质性的下降。 1 5 本文研究的主要内容 本论文研究的对象是电力系统的节能降耗技术一无功补偿技术。先对我国的能源状况和形势进 行分析，对。十一五”期间我国建设节约社会、g d p 能耗下降2 0 给电力系统的节能降耗的要求进 行描述；介绍了电力节能降耗技术，提出采用配电网无功补偿技术实现电能节能降耗的重要性；然 后重点对无功补偿的原理、瞬时无功理论、无功补偿装置及补偿方式以及配电网无功优化补偿的实 现进行了详细的分析和研究。 其中第一章简要介绍电力节能降耗的重要性、研究现状和发展，阐述了本文的研究对象和研究 思路：第二章针对电力系统的发电、输电、变电、配电和用电等几部分存在的电力损耗，提出了一 些节能降耗的思路和方法，提出本文的研究重点是静止无功功率补偿技术，并对常用的节电技术进 行了详细的介绍 第三章对无功功率和无功补偿进行详细的说明；对无功功率的概念、无功功率对 电力系统的影响以及无功功率的计算和电力系统中的无功负荷进行阐述；对无功补偿的原理和作用 以及方法和投切电容器容量的确定方法等进行详细的说明；系统地介绍了无功电流和谐波电流的主 要检测方法，特别是基于瞬时无功功率理论的检测方法，并且分析各种方法的优缺点，并选定基于 瞬时无功功率理论的检测方法作为无功补偿装置的检测方法。本文在第四章对无功功率补偿装置和 补偿方式进行了较为详细的分析和研究，对一些补偿方案和补偿装置存在的问题进行了分析；在第 五章重点对目前电力系统中无功功率不足，电网功率因数低，负荷的三相不平衡，传统的t s c 无功补 偿中可能存在的谐波放大，以及无功补偿中存在的“振荡投切”等问题的详细分析，提出并设计了 具体的解决方案：针对传统的有触点和无触点的无功补偿装置的有级无功补偿的缺点，提出了采用 光电双向可控硅驱动器m o c 3 0 6 1 控制双向晶闸管来实现电容器无级投切的新型无功补偿方法；针对 无功补偿中存在的电阿谐波问题，提出了采用单调谐和高通滤波器来进行谐波滤波的方法；针对传 统的无功补偿可能存在的谐波放大的问题，提出了采用串联电抗器来防止谐波放大的设计方案；本 文在第六章利用m a t l a b 的s i m u l i n k 正具箱对t s c 投入电容的时刻，即晶闸管开通时刻，必须是在电 源电压与电容器预先充电电压相等的时刻进行了仿真。本文在最后一章对全文进行总结，提出了本 文的创新点，并提出了一些不足和展望。 5 东南大学硕士学位论文 第二章电力节能降耗技术 2 1 电力网电能损耗基本概念 电力系统由发电、输电，变电，配电和用电五部分组成。电力网的电能损耗率简称线损率，是 电两生产经营企业综合性技术经济指标。也是表征电力系统规划设计水平和经营管理水平的一项综 合性技术经济指标。电力网电能损耗。是指一定时间内电流流经电网中各电力设备时所产生的电力 和电能损耗，即电网经营企业在电能传输和营销过程中自发电厂出线起至客户电能表止所产生的电 能消耗和损失，包括电弼整个供电生产和营销过程中发生的送、配、变电设备的生产消耗和不明损 失，简称“线损”【4 】根据有关资料的估算：从发、供、用电的整个过程中，电力系统中的各神电 气设备电能消耗约占发电量的3 0 。这对全国来说一年就有3 5 0 0 亿k w h 的电能损耗在运行的电 气设备中，相当于1 0 个中等用电量省的用电量之和。这说明电力系统自身电能损耗是相当大的，要 真正达到降损节能必须从电力系统本身出发，为保证国民经济高速稳定发展，要寻求一条不用物资 投资或少量投资，依靠高新技术就能节电的途径具有重大意义，只有技术降损才能提高经济效益w 。 2 1 1 电网运行中的电能损耗 在电力网的运行中，电能的损耗主要是输配电线路及配电变压器等输配电设备上的有功和无功 损耗。 从电网的组成可以看出，电网电能损耗的主要元件是输电线路和变压器，其有功功率损耗主要 有两部分组成：一部分为线路和变压器阻抗回路上流过电流时产生的损耗，即t r , 称为可变损耗； 另一部分则发生在变压器、电抗器、电容器等设备上的不变损耗，如铁损等，称为固定损耗【4 1 1 变压器电能损耗 电力系统要把电能从发电站送到用户，至少要经过4 - 5 级变压器方可输送电能到低压用电设备 ( 3 8 0 v 2 2 0 v ) 虽然变压器本身效率很高，但因其数量多、容量大，总损耗仍很大。据估计，我 国变压器的总损耗占系统总发电量的1 0 左右，如损耗每降低l ，每年可节约上百亿度电，因此 降低变压器损耗是势在必行的节能措旋 变压器电能损耗包括空载损耗，负载损耗和杂散损耗。空载损耗( 铁损) 是指发生在变压器铁心 叠片内，因周期性变化的磁力线通过材料时材料的磁滞和涡流产生的损耗，其大小与运行电压和分 接头电压有关。负载损耗( 铜损) 是由变压器绕组中的电阻引起，是由流过绕组中的负载电流产生的。 另外，有一个重要的附加损耗即涡流损耗，因绕组中涡流是由切割绕组的交变漏磁通和导线中的负 载电流相垂直而产生的。由于它随颏率的平方而变化，所以在负载电流中存在任何谐波分量时，将 产生明显的附加涡流损耗。另外还有杂散损耗，它是指发生在引线和外壳以及其他结构性的金属零 件上的损耗，它的大小与负载有关1 j 。 2 输电线路损耗 虽然我国新建发电机组的技术水平和环保水平己与发达国家基本持平，但输电线损率比国际先 进电力公司高2 到2 5 ，相当于一年多损失电量4 5 0 亿千瓦时，相当于我国中部地区一个省全年 的用电量。 在输配电环节中，配电变压器f 尤其是l o k v 以下的中小型配电变压器) 作为电力传输系统的重要 设备，由于高能耗变压器使用量大，运行时间长，具有很大的节能潜力。椐测算，一些已获得节能 认证的高效变压器比普通变压器降低约3 0 e 的损耗。此外，电网中超高压输电线路比重偏低，变电 6 第二章电力节能降耗技术 站布局不够合理，部分电网容载比不足，同杆并架、串联电容补偿、紧凑型线路等先进技术应用面 不广等问题的存在，致使网损或线损居高不下 3 其他设备损耗 电容器损耗：电容器在运行中将有一定的有功损耗，使介质发热。 电抗器损耗；电抗器通过电流时，导线电阻损耗和铁心磁滞损耗与涡流损耗( 铁心电抗器) 。 介质损耗因数：是介质有功电流分量和无功电流分量的比值，即g g6 = 而儡它是衡量电气设备 绝缘性能的一项指标因为任何绝缘( 电介质) 都可以看成电阻r 和电容c 并联的等值电路。厶的存 在表明了电介质在交流电压的作用下有电荷运动，因而有能量消耗，这项能耗称为介质损耗。损耗 的能量卢0 。 2 2 降损节能的技术措施f 4 l 1 5 l 电网经济运行就是一项实用性很强的节能技术。这项技术是在保证技术安全、经济合理的条件 下，充分利用现有的设备、元件，不投资或有较少的投资，通过相关技术论证，选取最佳运行方式、 调整负荷、提高功率因数、调整或更换变压器、电网改造等，在传输相同电量的基础上，以达到减 少系统损耗，从而达到提高经济效益的目的。 电网企业在进行电力网的规划建设时，应遵照国家颁布的有关规定，完善网络结构，降低技术 线损，不断提高电网的经济运行水平。要采取各种行之有效的降损措施，重点抓好电网规划、升压 改造等工作。要简化电压等级，缩短供电半径，减少迂回供电，合理选择导线截面和变压器规格、 容量，制订防窃电措施，淘汰高能耗变压器降低线损率是一项艰巨而复杂的工作。设备状况、电 网结构、运行方式和管理水平都对它有直接的影响。因此，电力企业应在调查研究的基础上制订本 地区的降低线损规划，进行综合治理，才能取得成效【1 。 降低线损率的方法很多，降低线损的技术措施一般分为两大类。类是对电力网实施改造，通 过改善电网结构，增强供电能力，捣好无功补偿等，通过投入一定的资金来实现降损的目的。另一 类措施不需要投资费用，只要求改进电网运行管理，即可达到降损的目的。电网经营企业应制定年 度节能降损的技术措施计划，分别纳入大修、技改等工程项目安排实施 4 1 。 2 2 1 加强电两的建设和改造 由于电网的线损主要是由变压器损耗和电力线路损耗所组成，所以电网改造的节电降耗，也就 是对电网中的所有变压器和电力线路进行择优选择和优化组合，组建成“安全经济型电网”。要加强 城市电网和农村电网的建设和改造。由于城市电网消耗约7 5 以上的电能，而且用电负荷不断增长。 在大城市负荷密度已达6 0 0 ( o - , 2 0 0 0 0 0 m w k m 2 ，而且有继续增长的趋势。我国现有城市电网建设因 投资不足设备陈旧，受电和配电能力差。加强城市电网的建设和改造对于提高供电能力，确保可靠 供电和降低电网损耗都具有重要意义1 4 j 。 1 建设安全、可靠、经济、合理的网架结构 电网发展过程中，电网结构总是由弱联系向强联系发展，由单回线向多回线发展，由没有环向 有环和多环发展，由较低电压向更高一级电压发展。加强电网结构，是保证大电网安全经济运行的 重要基础。虽然为加强电网结构要增加输变配电投资。但相对于电网的安全和经济运行来讲是完全 值得的。 2 增建线路回路，更换大截面导线，或改变线路迂回供电以减小网络中的等值电阻。 7 东南大学硕士学位论文 增大导线的截面，即用大截面的导线更换原来的小截面导线。由欧姆定理可知，导线的电阻与 其截面积成反比，因而导线的电阻随其截面积的增大而减小。 3 淘汰高耗能变压器，积极使用节能变压器 变压器的电能损耗由两个部分组成：其一是与运行电压有关的变压器铁心中的磁滞和涡流损耗。 由于实际电网运行过程中电压变化很小，因此这一部分损耗传统上称为不变损耗；其二是与变压器 负荷有关的损耗，又称为铜损，这部分损耗随负荷变化而变化，因此传统上称之为可变损耗( 此处 不包括输电线路电阻中的损耗) 。可变损耗的大小取决于变压器所带的负荷，而不变损耗的大小则取 决于变压器铁心材料的特性，节能变压器正是从变压器铁心材料着手，通过减小铁心损耗而降损节 能的 4 1 。 变压器技术改造是指对在运行的老式高损耗变压器运用新技术、新材料进行改造，使之达到和 接近s 7 、s 9 系列低损耗变压器水平。目前我国在役的高损耗变压器总容量约1 2 0 0 0 万千伏安，若全 部改造为低损耗变压器，可节约电力3 7 6 万千瓦，一年节约电能4 8 2 4 亿千瓦时1 4 j 。 低损耗非晶合金配变压器是八十年代初期在美国发展起来的一种新型节能型变压器。所谓“非 晶合金”就是使溶化的合金材料急剧冷却，在它还未来得及结晶时就已固化。这种合金材料象玻璃 那样呈不规则原子排列，没有金属表征的晶体结构，是一种与传统硅铜片结构完全不同的材料，该 种合金含铁8 0 ，含硅、硼2 0 ，具有异常的强度、硬度，韧性和较强的耐蚀性以及独特性，如低 铁损、高导磁率、高电阻率等。当磁密相同时，非晶合金变压器铁芯损耗只有传统硅钢片变压器损 耗的2 5 - 3 5 。 4 对电力网进行升压改造，简化电压等级，减少重复的变电级次 在负荷功率不变的条件下，把电网电压提高，则通过电网元件的电流相应减小，负载损失也随 之降低电力线路的损失率与其输送电压密切相关，一般情况下电压越高，其线损率越低，反之则 越高。在条件允许时，应积极发展高等级电压电网，尤其是特高压电网。特高压电网具有输电容量 大、送电距离长、线路损耗低、工程投资省、走廊效率高和联网能力强的六大优势。它有利于构建 较大地域电网网架，有利于发挥大电网时空错峰调剂效益，引导电源合理布局，促进电源集约化开 发。根据国外经验，建设一条l0 0 0l a n 长的交流l0 0 0k v 高压输电线路的输送容量，相当于建设同 距离5 6 条交流5 0 0 k v 超高压输电线路的输送容量。发展特高压电网，既能节省土地资源，又能 降低输电成本1 0 1 5 ，还可以促进电网时空错峰调剂的优化，这对于电力工业的节能降耗工作 具有十分重要的意义【2 j 2 2 2 选择经济合理的电网运行方式 电力系统经济运行的基本原则是：在保证电力系统安全可靠运行和电能质量符合标准的前提下， 尽量提高电能生产和输送的效率。电网接线方式和运行方式是否合理，不仅会影响到电网的安全供 电，同时还影响到电网运行的经济性。采用经济运行方式的技术措施一般有以下几种 1 合理确定环网的运行方式 配电线路应该采取最佳运行方式使其损耗达到最小，如通过互为备用线路、手接手线路、环网 线路、并联线路、双回线路等是可以达到的。 2 重视电网无功环流增加网损的问题 在主隔或城市电网的运行中，常常发现不少1 l o - - 2 2 0 k v 环形电网中的有功功率与无功功率潮流 流向不一致，甚至完全相反，尤其是在环网运行的地区无功补偿严重不足的电网或2 2 0 1 1 0 k v 高低 8 第二章电力节能降耗技术 压电磁环网分头电压相差较大的运行电网中。 输功率功率因数小，有大量的无功功率串动， 视电网无功环流增加网损的闯题 3 打开高低压电磁环网的运行方式 由于地区无功补偿严重不足造成环网运行的线路中传 容易出现较大的无功环流，因而增大网损。因此要重 高低压电磁环网，是指两组不同电压等级运行的线路，通过两端变压器磁回路的连接而并联运 行。系统的高低压电磁环网打开后，多数情况下不仅系统的安全稳定运行水平得到提高，而且系统 经济运行水平也大大提高。 4 避免近电远送或迂回供电 应严格合理地规划供电区域，按照经济合理的方式，尽量以最近的电气距离供电，避免交叉供 电、跨供电区域供电。应力求牡绝近电远送或迂回供电。 5 合理调整电网运行电压 电力网的运行电压对电力网元件的空载损耗、负载损耗和电晕损耗均有影响。当负荷不变时， 电压每提高1 ，与电压平方威反比的负载损耗将减少2 。在运行电压接近额定电压，当变压器分 接头位置不变时电压每提高1 ，变压器的空载损耗将增加2 。一般输电网中，负载损耗约占总损 耗的8 0 左右，因此提高运行电压1 ，总损耗可降低1 2 左右这说明适当提高电网的电压水平 可以降低线损 6 调整负荷曲线，平衡三相负荷 变压器不平衡度越大，损耗也越大，因此，一般要求电力变压器低压电流的不平衡度不得超过 1 0 5 ，低压干线及主变支线始端的电流不平衡度不得超过2 0 5 2 2 3 傲好电网的无功平衡及无功补偿 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分必要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。 不仅大多数网