1、青岛大学本科生毕业论文（设计） Study on Energy-saving Technology of Power Systems青岛大学本科生毕业论文（设计） 摘 要 伴随着生态环境恶化、能源危机加剧，促进产业节能、谋求持续发展已成为现代发展的主题。党中央高度重视节约型社会建设的战略背景给电力行业节能降耗技术的突破带来了新的契机。我国电力行业已经进入产业调整和结构升级的转型时期，大力推进电力系统节能降耗技术，有利于弥补我国各城市、各地域的用电缺口，从根本上解决电力资源短缺的问题。 以电力系统发电、输电、变配电和用电四大环节为切入点，系统的概括分析了常见的电力系统 节能降耗技术的应用，着重的
2、介绍了新能源分布式发电、变压器的节电降耗以及电网的无功功率优化等等节约发电成本、降低电网损耗的经典措施，并简要的扩展了一些具有广阔发展前景的节能降耗新举措、新技术，总体把握了当前电力系统在能量损耗方面的存在的具体问题和实际情况，为以后深入开展电力系统节能降耗工作提出了初步的思路。 关键词 节能降耗 新能源与分布式发电 无功功率优化 Abstract With the deterioration of the ecological environment and the intensifying of energy crisis, saving energy of industry and se
3、eking sustainable way of developments have become a topic of modern world. Our government paid attention to the Conservation-oriented society long time ago, which has brought a new chance for energy-saving technology of power systems. Chinas power industry has entered the age of adjusting industrial
4、 structure and upgrading the transition. The study on energy-saving technology of power systems helps to make up the geographical electricity gap of different cities and different areas, solving the problem of power shortage fundamentally. The entry point consists in the introduction of four parts o
5、f power systems named generation part, transmission part, power distribution part and consumption part, focusing on the introduction of energy saving technologies, referring to DER, energy saving transformer, and reactive power optimization, for example. Besides, we talked about a brief extension of
6、 some new energy saving initiatives and new technologies, studied the specific problems about the energy consumption of power systems. All those referred present preliminary ideas for the future power system carry out the energy saving work. Keywords Energy saving DER Reactive Power Optimization 青岛大
7、学本科生毕业论文（设计） 目 录 前 言 . 1 第 1章 关于电力系统和电力损耗 . 3 1.1 电力系统的基本概念和组成 . 错误 !未定义书签。 1.2 电力系统运行的基本要求 . 3 1.3 电力损耗的成因以及定义 . 4 第 2章 电力系统各环节的节能降耗技术 . 5 2.1 发电环节的节能降耗措施 . 5 2.1.1 发电环节节能降耗举措的重要性 . 5 2.1.2 发电环节节能降耗举措：新能源发电技术 . 6 2.1.3 发电环节节能降耗举措：分布式发电与电源的最优组合 . 8 2.2 输配电环节的电力损耗计算及节能降耗措施 . 10 2.2.1 输电线路数学模型以及降耗措施 .
8、 10 2.2.2 变压器的节能降耗 . 13 2.3 以节能降耗为目的的电网优化与负荷调整 . 18 2.3.1 电网的合理规划与优化改造 . 18 2.3.2 电力系统中有功功率负荷的最优分配 . 20 2.3.3 电力系统无功功率的产生和研究意义 . 22 2.3.4 无功功率的调整 提高负荷的自然功率因数 . 24 2.3.5 无功功率的人工补偿 . 25 结束语 .28 谢 辞 .29 参考文献 .30 青岛大学本科生毕业论文（设计） 1 前 言 自法拉第在 1831 年发现电磁感应定律以来，电力技术已得到飞速的发展。在电磁感应定律基础上，人们发明了原始的交直流电机；并且不断对其进行
9、完善。在 1882 年，法国人 M 德波列次首次尝试研究出了电力系统雏形。德波列次创造的这个输电系统虽然规模很小，但却具备了电力系统应有的几大重要环节，即发电、输电、变配电及用电环节。 近代电力系统，相对于 100 多年前的电力系统雏形相比，已经得到了质的飞越和发展。近代电力系统采用三相交流输电，对电能的输送能力有很大的提高，线路电压等级逐渐提高，承担的负荷也越来越多。电 力系统的发展能够提高人们的生活质量，与自身与时俱进、不断创新的要求密切相关。尤其是在当今的时代背景下，与资源短缺、生态恶化等全球性问题相适应，电力系统对于自身节能降耗的要求也日益值得重视和研究。 电力技术问世以来，在短短的上
10、百年的时间内已经获得了飞速的发展。电力应用的的巨大前景和其简单便捷的控制手段使其在被投入生产生活的使用之后飞速发展起来，电力能源作为清洁能源到现在为止还在表现着巨大的生命力和深邃的发展前景。电力的使用还催生了多种学科分支的出现，譬如研究发电部分的电机学科，研究电力系统调配环节的电力系统分 析和潮流计算，研究反应电力系统故障状态和不正常工作状态下的电力系统继电保护学科等。电力系统技术日趋成熟的同时，也体现出了推陈出新、与时俱进的时代要求。其中，电力系统节能降耗技术的应用和发展，在地球资源日益枯竭、可持续发展成为当今发展主题的时代背景下，已成为备受世界关注的研究课题。 众所周知，电力系统作为当代社
11、会应用最广泛的二次能源，其清洁性和便利性深受人们的喜爱和欢迎。但是随着资源短缺、全球变暖等环境问题越来越严重，电力系统，尤其是依靠火力发电的电力系统，必须努力改进技术、加快推进节能降耗，从而提高资源利用率、实现电力行业的可持续发展。 我国的煤炭储量居全世界第三位，丰富的煤矿资源使火力发电技术得到广泛的应用和推广。这种能源结构导致我国电力产业对煤炭等非可再生能源具有严重的依赖性。据相关部门调查，目前我国高达 80%的发电厂仍旧单一依靠火力发电；在资源严重短缺的今天，我国电力行业进行资源结构调整、采用新能源发电的进程已经刻不容缓。由于缺煤情况日益严峻，我国电力缺口十分严重，数据统计今年全国有 11
12、 个省由于电力缺口过大而不得不采取拉闸限电措施，而电力系统节能降耗技术的应用和推广是减小我国电力缺口、提高用电效率的最有 效措施，节能降耗的重要性和实用性理应得到电力部门研究人员更多的关注和重视。 重视电力系统节能降耗技术，不仅是当前中国社会长久可持续发展的客观要求，也是构建资源节约型、环境友好型的和谐社会的主观需要，更是我国实现长治久安、文明生态等大政方针坚定拥趸。国家“十一五规划”明确指出要优化发展能源工业、实现各种能源工业的节能减排；而最近的“十二五规划”更是直接将“科学发展”作为社会发展的主题，对建设绿色低耗型产业做出更加细致的规划与要求。由此可见，电力系统节能降耗技术，青岛大学本科生
13、毕业论文（设计） 2 完全可以为今后我国能源方面节能降耗的探索积累宝贵 的实践经验，完全可以为我国能源优化调整和建设事业构出基本的蓝图，届时已经完成资源优化调整、达到节能降耗要求的电力系统必定会成为我国可持续发展之路的先行者和开拓者，必定能够领跑整个中国能源优化市场。这样看来，电力系统实施节能降耗技术的战略意义十分重大。 目前人们对电力系统节能降耗技术已经有了比较详尽的研究，有不少实践性强、具有可操作性的节能降耗措施已被投入实际的生产生活中。其中有些电力系统节能降耗的技术已经发展成熟并日渐成为一门系统的学科。在总结前人经验的基础上，通过系统论证、资料调研以及实地考察，大胆提出自 己的对于电力系
14、统节能降耗技术的见解和应用措施，意在通过温故纳新、吐故推陈，为电力系统节能降耗技术的发展贡献一份绵薄之力。 青岛大学本科生毕业论文（设计） 3 第 1 章 关于电力系统和电力损耗 1.1 电力系统的基本概念和组成 近代电力系统的广义定义：广义的电力系统应该是由锅炉、反应堆、汽轮机、水轮机、发电机等生产电能的设备，变压器、电力线路等变换、输送、分配电能的设备，电动机、电热电炉、电灯等消耗电能的设备，以及测量、保护、控制装置乃至能量管理系统组成的统一整体。 1 通俗来讲，狭义电力系统是指由发电机、变压器、电力线路、各种用电设备四大 相关部分构成，这四大部分也可以称作发电、变配电、输电、用电四大环节
15、。 发电机是电力系统最重要的组成部分，是电力系统有功功率的唯一来源，也是电力线路传输的无功功率的重要来源之一。重视发电环节的节能和降耗措施，发挥发电机的最大运行效益，是进行电力系统节能降耗的必要举措。 1.2 电力系统运行的基本要求 电能的生产特点、输送特点、消费特点决定了电能商品的特殊性，因此电力系统的运行有如下基本要求：可靠、优质和经济。 所谓可靠，是指能够保证可靠地持续供电。停电能够对居民生活、工业生产造成巨大影响，严重威胁正常的生产生 活秩序，有时甚至会造成无法估量的生命和财产损失。对电力系统而言，电力中断对社会各行各业带来的危害明显多于其对自身的危害。因此，能不能可靠而又持续的向各级
16、用电设备提供电力，是衡量电力系统能否完全投入使用的最基本要求。 1 所谓优质，是指能够保证良好的电能质量。电能质量涉及到电压、频率和波形等几个方面。我国电力工业部门规定，正常电力系统的电压偏移不得超过额定值的 5%，频率偏移不得超过 0.2Hz至 0.5Hz等。波形质量则以波形的畸变率来衡量。波形畸变率反应了谐波有效值和基波有效值之间的比较关系。波形畸变 率不可超过给定值。 所谓经济，是指能够保证系统运行的经济性。经济性是电力系统节能降耗技术所要考虑的重要因素。减少电能在发电、输电、变配电等几大环节中的损失，是保证电力系统经济运行重点考虑的实现途径。反应电力系统运行经济性的决定性参数有两个，分
17、别是煤耗率（比耗量）和线损率（网损率）。所谓煤耗率，是指每生产 1 千瓦时 电能所消耗的标准煤重，而标准煤是指含热量为 29.31MJ/kg 的煤；所谓线损率或网损率，是指电力网络中损耗的电能与向电力网络供应电能的百分比。 1 青岛大学本科生毕业论文（设计） 4 1.3 电力损耗的成因以及定义 电力能源在输送过 程中产生的可变损耗、不变（固定）损耗以及其他损耗构成了现代电力网络中的电力损耗，电网中的电力损耗主要是指有功功率损耗。由于组成电力网络的各个环节、各种电气设备或多或少都存在一定的电阻，电能在现代电网中要经过各级变压器以及不同的输电网络和输电线路才能运输到用电设备环节中，在电能以电流的形
18、式流经各电阻时，就会产生功率损耗，导致电阻发热；除此以外，由于励磁电动势的激励作用，变压器的铁芯中也会产生电磁场转化而生成的涡流和磁滞损耗，毫无疑问它们也是有功功率损耗的一种。因此，电能损耗在电力系统中随处可见。电网中的电能损 耗不仅会导致用电设备发热，还会占用一部分发电和供电设备容量。 2 线损率是指在电力线路上损失的有功功率占电源提供功率的比值。线损率指标与电力生产质量、电网规划水平具有代表性的关系。线损就是电力能源在发电机发出一直到各级用电设备接入的过程中，沿线各电压等级线路、各变配电设备上由于电压降落或者电阻损耗造成的损失。 相关部门调研统计：贯通于发输配用各个环节中的电力能量损耗的比
19、例占发电总量的三成以上，消耗的数值几近十省年均用电量之和。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。 3 青岛大学本科生毕业论文（设计） 5 第 2 章 电力系统各环节的节能降耗技术 2.1 发电环节的节能降耗措施 2.1.1 发电环节节能降耗举措的重要性 发电环节是电力系统中最重要和最基础的环节，发电厂是我国重要的电能生产基地，是我国现代化建设中不可缺少的能源力量。我国的大部分发电厂是以煤炭等一次能源为主的火力发电厂，在给
20、人们日常生活提供了便利的同时，火力电厂“三废”等污染物的排放、能源的巨大消耗也逐渐成为 我国可持续发展道路上的阻碍，同时也给我国现代电力系统带来了严重的经济能源问题。因此，发电环节尤其是火电厂节能降耗技术措施的应用，实现环保节能和降耗的目标， 能够从各个方面促进电力企业的整体效益的增长，为电力企业创造出更多的财富， 对我国经济的健康持久发展有着重要的现实意义。 发电环节的节能降耗举措有利于降低一次化石能源等不可再生能源的投资成本。当前我国资源短缺的局面还没有得到根本改善，人与自然环境的关系依旧严峻。随着煤炭、石油、天然气等一次能源开采量的加大，其储量降低会成为必然趋势。一次能源的储量减少会导致
21、价格 上涨甚至供不应求，单纯依靠非可再生资源进行发电的火电厂，投资成本也必然会随之增加。因此，发电厂部分节能降耗措施，有利于发电行业的转型和长足发展。 发电环节的节能降耗举措有利于保护自然环境，提高人们的生活质量。随着责任意识的增强和环保观念的提高，污染防治与生态保护事宜已逐步被人们提上日程。近年来，我国逐渐恶化的空气质量以及日益加剧的灰霾现象已严重影响了人们的日常生活。而火电行业造成工业“三废”大量排放，“三废”中包含的粉尘和二氧化硫等，是造成雾霾现象的罪魁祸首。发电厂尤其是火电厂应用节能降耗措施可减轻大气的进 一步污染，改善人们的生活。 发电环节的节能降耗措施的研究有利于形成核心技术，为企
22、业创新能力的提高做出贡献。节能降耗技术本质是技术革命和科技革新，发电环节节能降耗技术的研究以及实际应用，能够提高我国的科技水平，其革命性技术的突破是创新进步重要表现。在当前国际环境下，在保证我国电力能源安全性的背景下，发电环节节能降耗技术具有重大战略意义。 总之，发电环节节能降耗措施的开展，与我国的现代化工业建设息息相关，与人们的日常生活息息相关，与我国实现经济又好又快以及长期可持续发展的战略布局息息相关，具有深远意义。 青岛大学本科生毕业论文（设计） 6 2.1.2 发电环节节能降耗举措：新能源发电技术 新能源和可再生能源发电在现代社会具有深远的现实意义。结合 我国当前资源节约型、环境友好型
23、的经济发展目标，从未来的出发点来看，重点扶持新能源和可再生能源行业， 能够慢慢改变发展中国家以煤炭等不可再生资源为主的资源利用布局，特别是能够改善电能的供给结构，使日常生活中普遍使用的基本能源得到进一步充分、高效的利用，从根本上解决和改变与矿产开发使用相关的环境污染问题，使我国国内生产总值与生态条资源件的发展互为统一，早日实现经济的又好又快发展 。 从当前的出发点来看，开辟新能源和可再生能源的使用新渠道，即通过各种新型科技途径将它们转换为已被人们普遍熟知和利用的二次电力能源，不仅能够从源头改进我国的动力供给状况，而且还能使我国广大山区、戈壁沙漠等比较恶劣的自然环境下人类聚居区的电力调配和供给局
24、面得到最大改变。 4 从世界的角度看来，不论是出于 “ 满足当代人需求，又不损害子孙后代，满足其需求能力的发展 ” 的目标考虑 ，还是为了保障世界上一部分缺电缺能的弱势人群享有生存的基本权利，将可再生的新型能源向电力能源进行转化，拥有着不可替代的影响力。作为会产生严重污染的化石能源的替补，新型能源和 可再生能源是未来人类社会动力资源的奠基者。随着地球人口基数的不断增加，资源与人类的相对关系也会变得越来越紧张。具有清洁性和高效性特征的新型可再生能源，无疑会成为未来社会人类与生态环境之间的矛盾缓冲剂，无疑会成为经济进步与生态和谐统一进程的中间协调者，同时又会彻底解决少数化石资源短缺地区面临的发展难
25、题。 5 当前我国能够使用的新型清洁可再生能源主要有风能、水能以及太阳能，因此也衍生出与这几种清洁可再生能源相关的发电行业。其中，由于我国风能和水能资源含量在世界占有较大优势，因此，风力发电和水力发电变成了发电环 节节能降耗的实用新举措。 我国风力资源含量丰富，风力发电行业有着广阔的发展前景。我国特殊的地理位置和地理环境决定了可利用的风力资源储量居于世界第一。我国处于亚欧大陆东部，毗邻太平洋和印度洋，且大陆主版块横亘北回归线，受亚热带季风气流影响显著；从西伯利亚高原以及蒙古内陆吹来的冬季风也构成我国风力资源的主要部分。此外，我国的海岸线延伸距离长、大陆架地理特点突出，洋流季风及热带海洋风暴对我
26、国大陆也有一部分影响。经初步探测，我国低空风力能源大约为 10亿千瓦 ，集中分布在新疆、甘肃、宁夏和内蒙古地区。 我国的水资源含量 也毫不逊色，已具有大规模开发使用水力发电技术的基本资源条件。水力发电效益可观。据统计，我国水电售电利润占总体利润的一半以上，属于低成本、高收益的新型科技产业。水力发电必须修建水库，而修建水电站而兴修的水库等水利工程，又具有防洪、抗旱、蓄水等辅助生态效益，能够促进城乡一体化发展和农副产业多元化发展，可谓一举多得。发展水力发电技术，不仅是环境资源综合高效利用的基本要求，也是生态经济健康发展的客观需要。 青岛大学本科生毕业论文（设计） 7 太阳能发电技术虽说在我国还处于
27、刚刚起步、技术研究的的阶段，具体应用条件可能还不太成熟，但其高效性、清洁性、便 利性已备受科学家们的青睐。热力发电和太阳能光伏发电是最具代表性的两种太阳能发电技术，当前已投入实际应用阶段。 目前全球对太阳能热力发电的开发工作有两个途径，一个是位于美国和日本的专门开发的高压高温太阳能热发电站，以拥有商业竞争力的价格供给电力为目的。作为未来解决能源短缺的一个办法，这些国家都建有太阳能光热发电试验设备，以及已经投入运行并成为实验研究的基成千上万的数千千瓦的太阳能热发电装置。据美联社报道， 1978 年年底，位于加利福尼亚州巴斯托的一万千瓦太阳能热电站已经开始动工，预计于 1981 年投产。另一种由欧
28、 盟（多数为欧洲西部国家）为代表，专注于小功率太阳能热电站的生产。对西欧国家来讲，小功率的太阳能热电装置的一个研究目的是开发利用新型能源，另一个目的是也可以用于技术出口，例如德意志人供给印第安人的一组 10 千瓦太阳能热电站。中华人民共和国对太阳能热发电技术的研究工作也逐步升上台阶，天津大学、机械工程学院已经建立了两个热力基站，中国国家电工所也对太阳能热发电进行了广泛的理论研究。 6 太阳能光伏发电主要设备是光伏电池（即太阳能电池，能够完成太阳能到电能的转化过程，并且储存到蓄电池中）。光伏电池制造成本较高，目前 还未投入到大规模的生产生活应用中去。但是，微型光伏电池的研究和实际应用已经日趋成熟，并逐渐深入到人们日常生产生活的各个方面。如太阳能驱动的通讯工具以及交通工具等，已经被广大人民群众所熟知、所应用。太阳能是地球上分布最为广泛的可再生能源，取之不尽、用之不竭，受地势、海拔等地理因素的影响甚为微小。考虑到太阳能作为清洁能源的巨大效益，光伏发电产业在未来必会有一席之地。
