澳門節電技術的研討
周禮杲 張麟征 陳偉基(澳門大學)
摘要
節約電能是多年來受到世界各國關注的重要問题。本文概述了節電的意義，節電技術的進展，叙述了在電力系統和用戶兩大方面的現代節電技術。對在澳門如何開展節電的途徑作了探討，並附有兩個用戶的節電建議。
Electrical Energy Saving in Macau
Zhou Li-Gao Zhang Lin-Zheng Chen Wei-Ji(University of Macau)
Abstract
Electrical Energy Saving (EES) is an important problem which has been paid great attention to for many years in the world. This paper reviews the significance of EES, and the progress of technology of EES. Dividing electrical power system aspect and consumer aspect, the State-of-the-Art technology of EES is introduced. The ways to carry out the EES in Macau are explored, and the propossal for EES of two consumers in Macau are described.
Poupanca de Encrgia Eléctrica cm Macau Zhou Li-Gao Zhang Lin-Zheng Chen Wei-Ji
Sumário
A Poupança de Energia Eléctrica (PEE) é um problema importante a que tem sido dada grande atenção desde há muitos anos em todo o mundo. Este artigo revê a importância da PEE e a evolução da sua tecnologia. Separando os aspectos relativos aos sistemas de produção de energia dos aspectos relativos ao seu consumo, introduz-se o estado da arte na tecnologia da PEE. Discute-se a forma como a implementação da PEE deve ser realizada em Macau e descrevem-se as propostas de PEE referentes a dois consumidores de Macau.
一、前言
當今世界能源的缺乏一直是個困擾人們的嚴重問題。在七十年代世界曾經歷了两次嚴重的能源危機。進入八十年代後情况得到了缓解。1986年國際能源組織發表報告，全面總結了在1973 —1985年間十九個工業化國家節約能源的經驗。報告指出這些節能成就主要依靠了技術進步。即將高耗能的工業生産過程轉變爲低耗能工業，由而使它們成功的度過了能源危機。現在國際上已公認，除現有的石油、煤炭、水力和核能四大能源以外，節能已成爲第五大能源。藉助節約能量而來開發出能源，具有投資少，见效快，周期短，效益高等優點。例如，根據有關資料報導，在中國，爲得到同様一個千瓦的電力，不同能源所需的投資如表一所列：
由此可見，節能是開發能源的一條經濟的道路，應該給予重視。有些國家甚至把節電放在開發能源之首。即開源與節流兩者是同樣重要的。節電不僅能節約能源，減少如煤炭、石油的消耗，而且還能減少污染，保護環境。是符合長遠利益的戰略措施。
從實際情况看，節約電能的潛力也是很巨大的。在各個國家之間，單位國民生產總値的平均能耗差別是很大的。這也就是說，能耗大的國家，可以通過技術改造，把能耗降低，是大有可爲的。根據1988年華盛頓的世界資源硏究所對十個國家的統計說明，中國的單位國民生產總値的平均能耗，是日本的四點五倍，法國的五倍，巴西的四倍，印度的一點六倍。這種情况早已引起中國政府有關當局的重視。在1988年就組織了有關專家，對“電技術節能發展預測與綜合分析”進行了調查硏究，提出了可行方案，採取有關政策和技術措施，以大力開展節約電能的工作，已取得成效。
日本是一個缺乏資源的國家。1973年日本政府面對石油漲價、能源危機的嚴重情况，從節能戰略目標出發，大力扶植被世界各國譽爲“節能王牌”和實現機電一體化的主力軍的電力電子技術，取得了顯著效果，使日本的單位國民生產總値的平均能耗指標接近世界最低水平。近年來日本政府科技廳關於電力電子技術應用調查報告中聲稱，由於廣泛採用了電力電子的變頻技術，日本將能再節約全國發電總量的百分之十。美國成立了國家電力電子應用中心，投入巨額資金開發第三代新型電力電子器件，高電壓，大電流，高頻化的MOS控制晶閘管，使功率變頻技術性能更完善，以實現廣泛節能。德國尤利卡計劃也把電力電子器件——新型晶閘管列爲重點發展項目。世界各國競相發展完善節能新技術。
由於澳門地域小，缺乏能源，交通運輸也不方便，沒有高速公路和鐵路，也沒有大型港口，現有碼頭祇能停泊一千噸以下的貨船，致使廉價燃料(如煤)的大量運輸存在困難。因此節能問題也十分重要。在澳門幾乎所有的商業、工業和家用電器都依賴電能，所以在澳門節能的首要任務是節約電能。由於澳門的發電機組的容量不是很大型的，一般在五萬千瓦以下，所以發電經濟效率不會是很高的。再加上燃料的運費較貴，所以，澳門的電費就高於鄰近地區，例如比香港的電費要高出約40%多。這樣就增加一些工業產品的成本。因此節約電能在澳門更具有實際意義，爲大家所關心。澳門政府也對工業的節約電能給予了重視。1993年3月，經濟司等單位組織了“製造業中的電力消耗”專題硏討會，經濟與財政政務司在會上號召工業部門完善用電設備的技術條件，正確操作各種電器用具，以降低能耗，降低產品的成本，並節約燃料。澳門政府並將我們擬訂的澳門節電的科硏規劃書送交歐共體以謀求經濟資助。所以，積極開展節電技術的硏究，以推廣應用於澳門社會，是刻不容緩之事。
二、節電技術的進展與主要方法
開展節約電能的主要途徑有以下三方面：
一是改革落後的高耗能的生產過程。例如，化學工業常是耗能大戶，而製碱工業是其中的重要部分。中國在八十年代初，生產固碱需消耗450公斤標準煤。但若採用國外的降膜蒸煮法製造固碱，則僅需消耗150公斤標準煤，每噸固碱的能耗比我國的低一半以上。又如，中國在八十年代初電解製碱中所用的金屬陽極電解槽技術，比外國先進的電解槽，使生產每噸碱的直流電耗要高出70~140千瓦時。氯碱廠每生產一噸燒碱可同時得副產品0.88 噸氯氣及100立方米的氫氣，這兩種氣體從電解槽出來時的溫度爲95℃，均需冷卻到40℃以下才能應用。原來的生產過程是用冷卻水將這些熱量排走，沒有利用。實際上這些氫氣可作爲燃料。如果將每噸碱生產的氫氣全部回收作燃料用，則可回收相當於1.1噸蒸汽的熱能，可避免大量熱能的浪費。因此改革生產工藝過程及其相應的生產設備，常可帶來巨大的節能效益。在澳門的工業中，有哪些是耗能大戶，存在哪些落後生產過程，値得加以硏究改進提高。例如水泥廠，染織布廠等，是否具有潛力。據了解，若採用以
外分解技術爲中心新型乾法煆燒工藝過程來生產水泥，以替代濕法工藝，熱能消耗可以降低30%左右。
二是從電力系統角度着眼，努力減少發電、輸電和供配電過程中的電能損耗，以提高效率。即電力生產過程中自己的能耗降低的問題。
按中國大陸的統計，1990年總發電量和各部門用電量和所佔的百分比如表二所示：
而工業中前七名耗電大戶和它們的耗電量如表三所示，它們共佔總工業耗電量的64%。
以下依次的工業大用戶爲石油工業、機械工業、食品工業和造紙業等。
由此可見，整個國民經濟中工業這個首位耗電大戶佔總電量約80%。而工業中的首位耗電大戶恰是電力工業自身，它的廠用電和輸電損耗電量又佔了整個工業用電的18%。可見降低電力系統的自身耗電也具有極重要的意義。
現代國際上電力工業的節能技術一般而言有以下幾方面：採用高參數大容量發電機組(例如在200~500MW以上)。發展聯合電網，建造供電又供熱的熱電廠等均可以有力地提高效率和降低燃耗。在電廠中還使用着大量的電輔機，例如通風機、油泵和水泵等。對電輔機的精心選擇和系統的良好設計都有助於降低發電廠用電率。另外，輸電中的電能損失則取決於電網結構，技術狀况，運行方式，電壓水平以及功率因數等條件。
衆所周知，電網的功率因數過低，會造成在輸送一定的功率時，輸電線的電流增加，因而增加線路的電能損失。所以世界各國的電力系統都要採取措施提高功率因數。這是因爲功率因數低，意味着就要增加無功功率的供應。一般來說，如果在輸電線上減少一千乏的無功功率，就能減少0.1千瓦的有功功率的損失。無功功率的需求總量取決於負荷的要求。關於減少負荷對無功能量的要求，我們將放在下面一節內討論。此處着重從電力系統的角度提高功率因數的措施。發電機的無功出力常是有限的，不能滿足負荷對無功的需求。爲此在電力系統中往往裝置有其它的無功電源，如同步調相機和電容器組。在電網的實際運行中，若無功電源供應不足，就會造成系統電壓降低，嚴重時甚至會導致系統崩潰，從而造成大面積停電事故。反之，如果無功電源供應過多，則會造成由用戶向系統倒送無功，使系統電壓上升的情况。所以無功功率的調整與系統的電壓是密切相關的。因此，如何靈活地、科學地及時調整無功功率，使負荷點的無功電源和無功負荷經常保持大體平衡，從而達到系統的最佳運行狀態，實現無功優化，即無功——電壓優化控制技術，就成爲大家競相硏究的課題。爲了實現這種無功優化控制，現代採用或正在發展的有線性規劃，模糊控制，人工神經網絡等。
J.Qiu①在他的“爲減少電力損耗和改善電壓分佈的一種新方法”一文中，提出了一種新的最佳無功調度方法。它將變壓器的抽頭位置、無功電源的注入無功功率和電壓的增量作爲系統的變量，構成一個改進的雅可比矩陣(Jacobian Matrix)，再應用線性規劃法計算出使線路損失最小的電壓增量。由於這種方法不用求解逆矩陣，所以可以節省電腦的計算時間和內存空間。
A.Venkataramana②在其“最佳的無功功率分配”一文中，提出定義一組電壓功能指數(Voltage Performance Index)，分析了無功功率對靜態穩定性、電壓和全部無功功率損失的靈敏度，然後應用基於有效集分析法的參數線性規劃技術，推導得到最佳無功功率在電網中的分配，使各母線需要的附加無功功率量爲最小。
Liu Yutian③在其“綜合最優無功/電壓控制”一文中，提出了一個綜合性能指標和相應的目標函數。他先定義靜態穩定性能指標如下：
式中i爲第i個控制手段對應的網絡結點號。Q爲無功功率，V爲結點電壓。
再定義電壓性能指標如下：
式中C1、C2爲比例系數；△VR、△T、△Qc分別爲控制手段發電機電壓、變壓器分接頭和無功補償的變化量；I’rvc〕爲Irvc標準化後的値；△P1爲總網損變化量。
綜合性能指標體現了無功/電壓控制的安全目標，而目標函數則體現了經濟目標。由此最優化無功/電壓控制的問題就成爲應用最優化技術來求解Min F。作者採用了對偶單純形法來求解，並應用了變步長和約束鬆弛技術，使得尋優速度相當快，可作在線實時應用。
Zhang Li－ping④則構造了另一個目標函數以求得無功優化，如下：
式中B爲電價，PNO爲補償前系統總發電出力(MW)；PNI爲補償後系統的總發電出力(MW)；
max爲全網年最大負荷利用小時數；year爲電容器壽命年限，一般取15~20年；Cuk爲K結點補償設備單位容量價格(元/KVAR)；QLK爲補償後該點注入無功(Mvar)；Qk爲補償前該點注入無功(MVar)。
這個目標函數力圖使加裝補償設備後，在補償設備的壽命年限內，由於網損減少而節省電網的運行費用，扣除補償設備的總投資後的得益最大。但這個目標並未將電壓控制的因素考慮在內。
總之，無功—電壓控制實際上就是一個最優化問題。考慮不同的因素可以構成不同的綜合指標和目標函數。然後用最優化技術加以求解。
人工神經網絡(ANN)是一種近代發展起來的重要技術，用它可作爲優化、信號處理、控制等多種手段。1991年，在美國西雅圖召開了第一次應用ANN於電力系統的國際會議。至今已發表了很多應用ANN作電力系統的無功功率最佳控制的文章。在這裡介紹Chen Wenhui提出的利用兩級人工神經網絡進行電力系統的無功/電壓最優控制⑤。由它可以解決常規的線性規劃法不易解決的實時性要求。他們並對反傳算法(Back－Propagation)作了改進，提高了計算速度。文章對具有34節點、50條線路和10個發電機的系統作了模擬訓練，證實可以有效地進行控制。
三是用戶的節約用電問題。這是應由用戶硏究採取措施。這方面的節電潛力是很大的，有很多的現代技術可以採用。主要有以下幾方面措施。
A.採用節能電機電器
根據許多國家的統計結果，電動機的耗電佔全部發電量的百分之六十以上，其中尤以交流異步電動機最爲廣泛使用，澳門也不例外。例如空調機、水泵、壓氣機、通風機、電梯、起重機等，大部分均由異步電動機拖動。
八十年代以來，國際上普遍硏究生產了節能電動機。改變了過去以價格最低、材料最省作爲主要設計指標，而且同時考慮到效率最高、損耗最少的指標。所以現在選用電力設備時應考慮選用節能電動機。例如美國通用電氣公司(GE)生產的三相異步電動機的效率如表四所示。
與常規Y系列電動機相比較，YX系列異步電動機提高效率3%，同時價格提高25%。有人就提出問題，由於使用節能電動機，能夠節省電費的開支，但其價錢貴了，是否合算？我們可以作如下計算，YX系列能夠節約電能爲10KWh/KW/month，即每個月電動機的每個KW能節約10度電。按現在中國的電價計算，爲1.5RMB/month。而電動機的價格增加了25%=15RMB/KW。
因此可以求得補償期爲：
即祇要使用10個月就能夠將購買節能電動機所多付的錢收回。顯然，這對工業企業是完全可以接受的。
一般而言，現代的節能電動機能夠減少電動機的能量損失的30%，提高效率2－7%。這對長期運行的大容量電動機來說，節能是很可觀的。特別要提到的是，國際上正大力發展永磁式電動機。由於這種電動機的轉子是永久磁鐵，沒有轉子繞組，沒有轉子電流，因此運行時沒有轉子銅耗(祇有可能裝置起動繞組)。它的效率能提高4－10%，而且有較高的功率因數，甚至可以達到1.0。例如中國生產了TY系列永磁式電動機，效率提高5－10%，功率因數提高15－18%，即能節約電能240KWh/KW/Year。節能效果十分明顯。法國CEM公司生產的Isosyn永磁電動機，功率已可達50KW。據了解德國西門子公司已生產出世界最大的1000KW的永磁電動機。
低壓電器，如交流接觸器，熔斷器，熱繼電器和信號燈等，是量大面廣的基本電器元件。現在也有生產節能電器，例如交流接觸器的交流線圈改爲直流線圈後，可以降低其損耗的85%。其它各種電器也均有節電新產品，其節電效果如表六所示。
變壓器是發電、供電、用電部門使用最廣泛的一種電氣設備，其設備總容量可達發電機總容量的8~9倍。而且變壓器往往長年不間斷地運行，所以生產節能變壓器也很重要。中國在開發了SL7、S7、SLZ7低損耗變壓器以後，又硏制成功了S9系列，它對常規JB－1300系列的變壓器，能夠減少空載損耗48%，滿載損耗40%。因此它能節電9Kwh/Kva/Year。現在國際上進一步採用ZDKH激光照射的高導磁鋼片，和非晶合金電工鋼片，可進一步顯著降低損耗，節約電能，甚至可取消散熱管。
現在也有高效節能燈生產。一隻11瓦的節能燈相當於60瓦白熾燈的光通量。若熒光燈採用MOSFET器件組成鎭流器，即可將其損耗從30%減少到5%。
採用遠紅外加熱技術代替通常的電熱爐也是節電的重要途徑。例如，烘烤餅乾可以節電40%，用於金屬傢俬塗層烘乾可節電27%。
B.調整生產過程的參數以達到最佳狀態，以節約電能。例如，對輕負載的異步電動機可以降壓運行。用戶進行無功功率補償，以提高功率因數，是節能的一項重要措施。一般國家中均規定有對用戶功率因數高低的獎罰的電費政策，例如在中國，若功率因數低於0.85，就要提高電價，若高於0.85，就要降低電價以給予獎勵。澳門電力公司現規定若功率因數低於0.86者，除繳納正常電費外，還須繳納無功電能的費用，這是懲罰。所以大用戶要重視功率因數問題。
“智能大廈控制系統”的硏究開發受到國際上普遍重視。將一座大廈內各處的溫度、濕度、亮度，以及消耗的電功率等各種參數不斷地傳送到一個集中控制裝置中，由微計算機進行集中控制，以實現大廈內的最佳環境控制，同時實現節約電能，這種先進技術値得澳門重視。
C.電力電子技術的應用
電力電子技術被譽爲節能王牌，是日本克服七十年代的能源危機的重要手段。其中一項重要應用是作交流電動機調速。因爲很多生產設備都要求調速，例如水泵或通風機都要求調節水流量或風量。應用電力電子技術可以實現交流電動機的變頻調速，調速性能好，又能節約大量電能。表七所示爲日本統計通風機和水泵應用變頻調速能節約的電能。
現在電力電子半導體器件不斷更新，從50年代開始的晶閘管(SCR)爲第一代，到第二代自關斷的器件如功率晶體管(GTR)，門極可關斷晶閘管(GTO)，功率場效應晶體管(MOSFET)，再發展爲第三代復合型器件，如絕緣門極晶體管(IGBT或IGT)等。近年來更有高壓功率集成器件(PIC)出現，可稱之爲第四代電力電子器件，性能越來越好。
在交流變頻調速電路中現在廣泛應用着70年代發展起來的脈寬調制技術(PWM)，近年來不斷出現着正弦脈寬調制(SPWM)、電壓矢量控制和磁通軌迹法等控制方法，方法越來越完善。
電力電子的應用不僅在於交流調速。例如它可用於作中頻感應加熱爐。應用電力電子技術可以將50Hz電源變換爲中頻1000Hz以上甚至高頻200KHz。中頻感應加熱爐的效率可提高很多，如表八所示：
應用電力電子技術的問題之一是存在諧波，它可導致低功率因數，大量消耗無功功率。所以需要採用適當的濾波器。
三、澳門節約電能的研究
1994年6月，澳門大學召開了“澳門節約電能”硏討會。來自葡萄牙、中國、澳門大學的敎授們和澳門電力公司的工程師一起作了探討，對澳門的節約電能硏究工作作了規劃，提出了建議。這裡結合我們進行的工作作一些介紹。
A.電力系統方面
根據澳門電力公司在1993年的統計，可得電力系統自用電消耗如表九所示。
與國際指標相比，應該說澳門電力公司的這些指標是比較先進的。它已在幾處設有電容器組，作爲無功電源以補償提高功率因數。但若考慮到澳門地域很小，傳輸電線距離很短，自然線路損失就較小，所以是否尙有節電潛力，建議電力公司還可進行硏究。
根據澳門電力公司的現狀，建議在調度中心裝備在線潮流計算(On－line Flow Calculation，OLF)軟件，用作故障暫態分析的仿眞，及最優潮流分析軟件，以達到系統的經濟運行。此外，還建議在重要的變電站裝備微計算機的複合控制器，和模糊邏輯控制以用作電壓和無功功率的控制。再有，公用事業和用戶方面的控制和管理系統也値得加以硏究。
B.用戶方面
建議選擇幾個典型用戶(工業，商用大廈，酒店等)以硏究節能。我們已做了以下工作。
(1)Hovione藥廠中的節約電能的硏究⑥
該廠的電費佔生產成本的三分之一，所以希望降低電價並節約電能。全廠共有65台電動機。我們測定了它們的實際負載電流IL。由圖1可得
INA=IN Cos
INA=IN Sin
圖中，IN——額定電流
INA——額定電流的有功分量
INR——額定電流的無功分量
由此表可見，86%的電動機的負荷不足80%。因此我們建議可降低電壓運行以提高效率。圖2所示是異步電動機在220V、209V 和198V下的效率特性，由此可得如下結論：如將電壓從220V降至198V，在1/3額定負荷下，效率可從51%增至56%。在1/2額定負荷下，效率可提高3.5%。因此我們建議兩個方案：一是降低變壓器的電壓4%，則電動機效率可提高2.2%。祇有一台負荷因子K=1.0的電機將會超載，可串聯電容器C=577μF來解決。
二是降低電壓10%，則電動機效率可提高3.7%。祇有4台K大於0.9的電動機將會超載，可分別串聯644、491、166、630μF來解決。
(2)澳門可口可樂飲料廠中的節約電能的硏究⑦
該廠的負荷的平均功率因數爲Cos
=0.7~0.8所以如果沒有補償，就需要支付無功功率費用，是一筆不小的開支。經調查，全廠共有204台電動機，總功率爲885.5HP。其中有三台大的電動機就佔420HP。爲此我們可以對三台大電動機作終端補償，對其餘的電動機可根據它們所處的流水線而進行分組補償。這樣相對於全廠集中補償，它易於操作和有效，因爲可省去集中補償所需的控制器。
(3)澳門大學科技學院硏究開發了一台微電腦控制的無功功率電容補償控制器，其結構框圖如圖3所示。它可自動地根據負荷的無功功率Q來作補償，而不是一般地根據Cos
進行補償。經過實驗室中的測試，它可使負荷的平均功率因數達到0.97左右。⑧
參考文獻
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(2)A. Venkataramena: "Optimal Reactive Power Allocation" IEEE Trans. on Power Systems. Vol PWRS-2, No. 1,1987, p138.
(3)Liu Yutian: "Comprehensive Optimal Reactine Power/Voltage Control"p.35-39,1991.
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(7)Cheong Kam Meng: “Energy Saving by Improving Power Factor in a Factory of Macau.” Final Project Report.University of Macau, 1994.
(8)Cheng Tak Son: “A Microprocessor Based Controller for Rasing Power Factor.” Final Project Report. University of Macau, 1993.
