供配电系统和用电设备的节电运行技术

河北省冶金企业中推广节电新技术新设备研讨会专家材料之五钢铁厂供配电系统和用电设备的节电运行技术（教育部电能质量工程研究中心—李令冬朱明星）[摘要]本文介绍配电网系统和用电设备的节电运行技术，并初步指出在做运行方式和配电网重构计算时应以节电指标作为目标函数，安全运行、电能质量指标作为约束条件，这样会得到较好的结果。1概述1.1钢铁厂耗能现状和节电指标钢铁行业是高耗能行业，2000年钢铁工业总能耗占全国总能耗的10％，用电占全国总用电量的8.36％左右;大型钢铁企业能源成本占总生产成本的30％左右，其中电能成本占总生产成本的10％左右；2000年全国重点企业吨钢可比能耗为784kg标煤/吨钢，综合耗电752kWh/t,日本吨钢可比能耗为646kg标煤/吨钢，我国计划2010年、2020年吨钢可比能耗目标分别为685标煤/吨钢、640标煤/吨钢，钢铁企业能耗将达到国际先进水平。1.2钢铁工业节能措施钢铁工业节能措施主要有：（1）调整企业组织结构、产品品种结构和生产工艺结构；（2）改造或更新用电设备和生产工艺；（3）推行供配电系统和用电设备的节电运行技术，我们这里主要介绍的是供配电系统和用电设备的节电运行技术1.3节电运行技术本质上是一种投资少、收益高的软件技术配电网和用电设备节电运行技术主要包括：低电压偏差运行技术；变压器经济运行技术；配电网重构技术；电加热设备的配电功率曲线控制等技术。节电运行技术是对电网的结构、电网和用电设备的运行方式、运行参数进行优化的技术，本质是一种软件技术。推广节电运行技术不像推广节电设备那样需要较大的资金支持，它推广的是先进的节电技术理念。因此，推广节电运行技术是一种投资少收益高的工作。2低电压偏差运行技术2.1低电压偏差运行技术的节电原理低电压偏差运行技术的节电原理的依据有以下几个方面：（1）钢铁厂配电系统和用电设备具有较高的无功电压灵敏度;（2）配电变压器运行在一定程度的磁饱和状态下，当电压降低时变压器的励磁电流减小。现场测试表明，当电压降低1％时，变压器的无功功率相应减少3％～6％；（3）钢铁厂负荷中约75％是电机负荷和电加热负荷及空调负荷，而这些负荷功率的静态特性表明，当电压降低时，钢铁厂有功功率变化很少，而无功功率变化很大。负荷电压灵敏度的静态模型可以表示为如下的指数形式：QUUQQ00UU00PVVPP（1）钢铁工业主要用电设备的静态特性参数及U/U0由1.05降到1.0时，P/P0和Q/Q0变化如下表所示：设备工业电机泵、风扇和其他电机电弧炉中央空调室用空调炼炉鼓风机工业电视荧光灯PV0.050.082.30.20.50.082.01.0QV0.61.64.62.22.51.65.23.0P/P0U/U0＝1.051.0021.0041.1191.011.0251.0041.1031.050U/U0＝1.01.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.000Q/Q0U/U0＝1.051.0301.0811.2521.1131.1301.0811.2891.158U/U0＝1.01.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.000降低运行电压，有功功率变化较小，但无功变化较大。对于钢铁工业负荷平均来说，当供电电压大于额定电压时，电压降低5％，无功功率可减少8％左右，设备有功功率减小很少，降至额定功率，不会影响生产，但无功电流产生的线路损耗减少了，同时也减少了无功补偿设备的投入。2.2推行低电压偏差技术应注意的问题在供配电系统中推行低电压偏差技术的条件和电压调整范围：供电电压较稳定，电压波动范围较小；电压波动范围在10％左右，则用电设备终端电压偏差应整定在+0％和-1％之间；电压波动范围在5％左右,则用电设备终端电压偏差应整定在0％和-2％之间。上个世纪80年代，由于供电不足，输配电技术落后,电压波动很大，特别是往负方向波动大，用户为了保证设备的正常供电，在供电设计上，不得不把设备终端电压调的很高。到了本世纪，电力充足，电压稳定，但很多用户还保留原来设计思想，致使电力设备运行电压较高，使有功损耗和无功损耗大大增加，因此大力推广配电网和用电设备的低电压偏差技术势在必行。案例一美国电科院(EPRI)资助的节能性降低运行电压研究项目中，曾经测试了许多电动机和包含电动机的用电设备特性，主要结论如下：电动机的无功电压灵敏度随着负荷水平的增加下降，对于一台20HP(1HP=745.7W)230V的三相感应电动机，当负荷转矩恒定时，对应于负荷为0.7Pu(1Pu=17.01kVA)、1.0Pu、1.2Pu的Qv在额定电压附近分别为1.8、1.4和1.0；若负荷转矩随转速变化，则有相应的Qv分别为1.9、1.5和1.3。在重负荷条件下，当电压低于0.9Pu时，电动机会发生堵转，吸收大量无功功率，导致电压进一步下降。并且，一台电机的堵转还会使相邻电压也发生堵转现象，出现电压崩溃现象。由以上结论可以看出，电动机负载系数不宜过低，当负载系数低于30%时，可以将△型接法改为Y型接法，以提高功率因数，降低损耗；在应用低电压偏差运行技术时，必须在电压比较稳定前提下降低运行电压，且运行电压不小于0.95Pu。案例二2005年，我们对年产1000万吨钢的某大型钢铁公司进行全面的电能质量及安全经济运行评估，该公司6kV、10kV、35kV供电母线电压普遍偏高(+5%到+10%)，电压波动大都在5％以内，因此我们建议将电压偏差调整在+0%。调整后，全公司无功损耗减小约50MVar，功率因数提高了，无功当量按照0.01kW/kVar计算，照明设备、线路及变压器有功损耗也因此减少500kW，并减少50MVar的无功补偿设备(价值500万元)的投入，无功补偿设备的有功损耗设为补偿容量的0.5%，因此减少无功设备的损耗约250kW，总有功损耗减少750kW，全年按7000小时运行时间计算，节电500万kWh以上。3变压器的经济运行3.1钢铁厂配电变压器存在着巨大的节电潜力1000万吨钢铁厂用电功率在500MW左右，变压器的平均负载率为50％，配电变压器总容量应在2000MVA，设各级变压器的平均运行效率为99％，变压器有功损耗为10MW，如果将变压器的运行效率提高0.2%，则可节电2MW，全年按照8000小时运行时间计算，可节约电能1600万度电。钢铁厂配电变压器的无功损耗：高压(220kV/10kV)变压器为负载容量10％左右，中压变压器为负载容量的5％左右，平均在8%左右，1000万吨钢的钢铁厂配电变压器总无功损耗在80MVar左右。3.2使用高压用电设备，减少变压器总容量使用高压用电设备，减少变压器总容量是减小变压器损耗最有效的措施，1000万吨钢的钢铁厂配电变压器容量由2000MVA减少到1800MVA，则可节电1MW，全年节约电能在800万度电，并减少无功损耗8MVar左右。3.3变压器经济负载系数(1)有功经济负载系数βp设变压器额容量为SN，输入功率为P1，输出功率为P2，负载功率因数为cosφ2，空载损耗为P0，负载损耗为PK，负载系数为β，变压器效率为η，则变压器有功损耗：(2)(%)000%PPdPPPdPPKK令，得＝或时最小。即变压器铜损和铁损相等时，变压器有功损耗最小。变压器效率:(3)一般变压器的011~43KPP,0.5~0.6P.(2)无功经济负载系数βQ设变压器空载电流为I0％，短路阻抗电压UK%，则变压器的空载励磁功率Q0=SN(I0％)，额定漏磁功率QK=SN(UK％)，变压器的无功消耗率(4)%(%)0000%%QQQIdQQdQQUKKK令，得＝或时最小。220%100%100%2cos10PPPKPPSPPNK%100coscos2022KNNPPSS220%100%100%100%2cos1QQQQKQPPSN即变压器空载励磁功率等于负载漏磁功率时，无功损耗最小。(3)变压器综合经济负载系数βZ多数情况下，变压器有功经济负载系数和无功经济负载系数很接近，但也有差异较大的，必须综合考虑有功和无功的影响，设无功经济当量为KQ，(5)00QZKQKPKQPKQ于是我们得到当时，变压器等效有功损耗最小。变压器等效有功损耗(6)变压器效率(7)KQ的物理意义是：变压器每减少1kVar无功功率消耗时，引起连接系统有功功率损失下降的kW值。无功当量值如下表所示变压器在连接系统的位置KQ(kW/kVar)负载最大时负载最小时发电机电压供电的变压器0.020.02高压线路变压器0.070.04由区域线路供电的110～35kV的降压变压器0.100.06由区域线路供电的6～10kV的降压变压器0.150.10由区域线路供电的降压变压器，但无功补偿由同步调相机负担0.050.03表中数据表明，无功源离电源越远无功当量越大，因此无功就地补偿原则对减小线损具有很重要的意义。3.4配电变压器节电运行案例某用户负载容量为16MVA，负载电压为10kV，现有两种供电方案A.用一台110kV/10kV，20MVA供电变压器带16MVA负载，变压器参数UK＝10.5％，PK＝135kW，I0%=2.8，P0=22kW。B.用两台同A一样的供电变压器，各带8MVA容量负载，试比较两种方案的有功损耗和无功损耗。供电变压器综合经济负载系数0.48Z,根据上面的公式，取无功经济当量KQ=0.13，可以算出：方案A108.4APkW，1904AQkVar；方案B87.2APkW，1792AQkVar。方案B比方案A节电计算：35.8PkW一年以8000小时计算，节约电能283200kWh，两台变压器并列运行，不仅节电，而且提高了供电的可靠性。4.配电网重构技术200()()ZQQKQKPPKQPKQPKQ%100)()(cos)()(%100%20022001KQKQNKQKQZZQKPQKPSQKPQKPPPP%100)()(coscos20022KQKQNNQKPQKPSS4.1配电网重构技术的概念通过改变配电网络拓扑结构来提高可靠性，降低线损，均衡负荷和改善供电电压质量的技术称为配电网重构技术。配电网重构包括正常运行时的网络重构和故障状态下的网络重构。重构时的运行状态重构目标约束条件重构方法重构计算正常降低线损、平衡负荷、提高供电质量潮流方程，支路电流和节电电压，网络拓扑（辐射状），开关操作次数，继电保护可靠性开关操作数学优化算法、最优流模式算法、支路交换法、人工智能算法故障隔离故障源，恢复非故障源区域供电故障诊断算法配电网重构是优化配电系统技术、提高配电系统安全性和经济性的重要手段。配电网重构是在满足配电网呈辐射状、馈线热熔、节点电压偏差要求和变压器容量要求的前提下，确定使配电网线损、负荷均衡度，供电质量等指标最佳的配电网运行方式。由于配电网中存在大量的分段开关和联络开关，因此配电网重构是一个多目标非线性混合优化问题。4.2钢铁厂配电网重构技术钢铁厂配电网具有电压等级多（220kV、110kV、35kV、10kV、6kV、0.4kV），配电节点多，配电网络拓扑复杂，配电变压器多，负载功率密度大，负荷的冲击性、不对称性和非线性严重，配电网内包括自备电厂，电力设备功率大，连续生产等特点。上述特点使配电网重构变得十分复杂。钢铁厂使个用电大户，而且用电效率低。不断降低钢铁厂配电系统的能耗和线损，提高配电系统运行经济效益是钢铁厂供电系统面临的一项长期课题，通过实施配电网重构技术、改变运行方式，从而降低配电网线损是钢铁厂节电的重要途径之一。因此，我们在配电网重构时把线损最小作为目标函数，把负载均衡、提高供电质量、安全可靠运行等目标作为约束条件。通过降维处理，把多目标非线性混合优化问题简化为单一目标的非线性混合优化问题