10 基于电磁平衡调节的用户侧电压质量优化技术
一、技术名称:基于电磁平衡调节的用户侧电压质量优化技术
二、技术类别:减碳技术
三、所属领域及适用范围:机械行业 工业、民用及商业场所的电力配 电系统
四、该技术应用现状及产业化情况
随着电力系统中敏感用户设备使用的增多,电能质量问题日益凸 显。由于电力用户更加多样化,电网负荷持续增加,特别是电力系统中 的电解设备、电力机车等非线性负荷,以及电弧炉、电力机车运行等对 电能带来的波动性和冲击性负荷增加,导致波形失真、电压波动、三相 不平衡等电能质量问题日趋严重,电网供电效率降低,负载用电效率 下降,致使系统能耗增加。据统计,目前由此造成的电能浪费约占其用 能总量的5%~10%,具有较大的节能空间。
采用基于电磁平衡调节的负载柔性适配技术,可以解决现代工业 电气系统供电中的电压偏差、波动、谐波和三相不平衡等问题,精准提 升用户侧微电网电压质量,提高用电效率,达到综合节电的效果。该技 术可广泛应用于高校、医院、商业中心等公共机构及各类工矿企业,特 别适用于供电环境恶劣的场合。目前,该技术已在冶金、石油化工、煤 炭、建材等行业领域,以及高校、医院、市政等系统的多个项目广泛应 用。
五、技术内容
1.技术原理
电机工作时的综合能量损耗包括恒定损耗、负载损耗和杂散损耗。
该技术通过采集用电设备端的电压、电流及功率因数等电气参数,并 根据用电设备的自身特性进行参数计算和分析,确定用电设备的最佳 工作点,即综合耗损最低时的工作点。当用电设备的实际能耗大于最 佳工作点的能耗时,装置的主控制单元会立即通过无扰动切换模块启 动电磁式自耦调压器,调整用电设备的输入电压等电气参数。通过多 级调整从而使用电设备的实际工作状态达到或接近最佳工作点,优化 用电侧用电质量,降低用电设备综合损耗,最终达到节电效果。
2.关键技术
(1)最佳工作点追踪技术
根据电机等负载的输出、电机自身阻抗特性及供电情况进行电机的最佳工作状态追踪和调整,调整电机的供电情况,使电机在能效转 化最高、自身损耗最低的最佳供电状态下工作。
根据上述图 1、图 2 所示,以负载输出驱动的电机工作效率和其工 作时的电流电压关系密切,在不同的电流电压工况下,其输出效率均 不同,当铜损、铁损等的综合损耗最低时,其工作效率 ηmax 最大,而 此时的电流、电压即为最佳工作点。
(2)无扰动切换技术
无扰动切换技术由一次电路和控制电路两部分组成。一次电路由调压变压器、补偿变压器和可控硅组成,控制电路部分主要以主控制 器和触发板组成的控制电路组成。一次电路中,调压变压器的一次绕 组接成 Y 型,连接在稳压器的输出端,二次绕组连接在补偿器的一次 绕组,补偿器的二次绕组连接在主回路中,通过控制可控硅的导通与 关断来改变调压器的匝数,从而改变补偿电压的大小与极性,进而控 制输出电压的大小。该项技术可解决电压参数调整过程中保持电压的 连续性问题,在切换过程中不产生谐波和尖峰、快速投档、不会产生断 电和失压情况。
(3)电磁平衡主机的自身损耗控制技术
该技术采用独特的结构对电磁平衡主机进行设计,并根据实际负载和供电的匹配选择最优的设计指标,结合高性能的选材,从而实现 电磁平衡主机的自身损耗控制,其空载损耗≤0.08%,负载损耗≤0.39%。
3.工艺流程
将电磁式电能质量优化装置串联在电源和用电设备之间,装置中的数据采集模块(DCM)对设备的输出电压参数等进行采样,采样的 数据进入中央计算模块(CPM),根据中央计算模块(CPM)对供电 电压、电机工作电流、系统功率因数等电源、负载及负载率的情况进行 最优化程序计算,得出此状态下电机工作的最佳工作点。中央计算单 元(CPM)将结果通过无扰动切换模块(NTCM)对设备供电参数进行 调整,使电机工作状态靠近最佳工点,提高电机工作效率,降低电机 的能耗。该装置的控制电路逻辑图见图4。
电磁式电能质量优化装置结构图见图5和图6。
六、主要技术指标
1.对于 0.4kV 三相异步电机,节电率:8%~15%;
2.对于 6kV 三相异步电机,节电率:6%~9%;
3.照明负载场合,节电率:10%~25%;
4.空载损耗:≤0.08%;
5.负载损耗:≤0.39%;
6.空载电流:≤0.08%;
7.切换时间:10~20ms;
8.切换过程实现扰动低、失压小。
七、技术鉴定及获奖情况
该技术获得国家发明专利 2 项,实用新型专利 6 项和软件著作权15 项。2015 年入选国家发改委《国家重点节能技术推广目录》(第八 批);2017 年入选国家机关事务管理局《公共机构绿色节能节水产品目录》。
八、典型用户及投资效益
典型用户:恒源煤电集团、贵州永贵集团高山矿、芜湖融汇化工集 团、铜陵有色集团、马鞍山钢铁集团、江苏中天钢铁、辽宁抚顺矿务局页岩油厂、南钢集团金安矿业等
典型案例 1
案例名称:池州学院配电系统节能改造一期项目
建设规模:2 台 500kVA,8 台 630kVA,3 台 800kVA。
建设条件: 根据现场的实际情况,设备在户内安装时需要 1000×1000×2200(mm) 的安装空间;设备在户外需要设备的安装基础;设备安装时须停电安 装。主要技改内容:对校内学生公寓、食堂、办公楼、部分教学楼、图 书馆等户内、外微电网供电的照明、空调、办公、食堂等负载进行配电 改造。主要设备:2 台 500kVA、8 台 630kVA、3 台 800kVA 电磁式电 能优化装置。项目技改投资额 326 万元,建设期 3 个月。年碳减排量1270tCO2,碳减排成本为 120~140 元/tCO2。年经济效益 83 万元,投资回收期约 4 年。
典型案例 2
案例名称:恒源煤电百善矿压风机节能改造项目
建设规模:6kV 供电的 250kW 高压风机。建设条件:现场粉尘等 污染较多,要求设备具有一定的绝缘能力,保证设备能够安全持续运 行,具有良好的软起特性和较强的过负荷能力,并且在设备故障时候 能够脱离设备运行,安装于电机配电的电缆沟上,有一定的空间要求。 主要技改内容:将高压电机专用型电磁式电能优化装置串联在高压风 机供电前端。主要设备:电磁式电能优化装置、250kW 高压风机。项 目技改投资额 27 万元,建设期 3 个月(含运行监测时间)。年碳减排 量 100tCO2,碳减排成本为 120~140 元/tCO2。年经济效益约 9 万元, 投资回收期约 3 年。
九、推广前景及减排潜力
预计未来 5 年,该技术仅在全国教育系统的推广应用比例将能达 到 10%,项目总投资约 16 亿元,可形成的年碳减排能力约 60 万tCO2。
由武汉节能协会办公室整理