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電力系統節能暨負載管理
國立勤益科技大學
電機工程系
張隆益 博士
主辦單位: 經濟部能源局 執行單位: 財團法人台灣產業服務基金會
2
目 錄
前言
電力設備
電能管理與節能措施
電力系統之節能與節費方式
照明節約能源
節能績效分享
結論與討論
3
前 言
有正確節能觀念
有效率使用能源
該用則用、能省則省
由少量累積成多量
由小量累積成大量
4
電力設備
變壓器
電動機(抽水機)
電梯
空調(中央、分離、窗型)
照明
熱水爐(開飲機、加熱器)
事務設備(電腦、影印機)
5
電力系統架構
斷路器斷路器 斷路器 斷路器
斷路器 斷路器
斷路器
TPC
變壓器11.4KV/208-
120V
300KVA
變壓器11.4KV/380-
220V
500KVA變壓器
11.4KV/220V
500KVA
變壓器11.4KV/380V
500KVA
斷路器
變壓器11.4KV/208-
120V
300KVA
變壓器11.4KV/220V
500KVA
MOF
小型電器及插座
抽水機電動機
中央空調 照明及小型電動機
小型電器及插座
抽水機電動機
6
電能管理與節能措施
目的
藉由減少用電量、 提高設備運轉效率、
抑低尖峰需量、平穩負載及提高功率因數
等方式, 以達電能更有效使用並降低電力
成本。
7
最高用電需量(Max kW)檢討
尖離峰最高用電需量檢討
裝置最大需量控制器
運轉與卸載方式檢討
負載率改善方法
儲能設備
產程調整
控制方式
管理方法
負載分配
線徑擴大
避免超約運轉
高功率因數器具
裝設改善功因設備
儲能設備
間接性生產
適當契約容量
最大需量控制
提高負載率
移轉尖峰用電負載
減少用電浪費
減少線路損失
提高功率因數
增加離峰用電量
高效率用電設備
電力需量(kW)
電力量(kWH)
電能管理
電能管理方法
8
電力系統節能措施
負載管理 減少功率(kW)需量
減少電能量(kWh)消耗
轉移尖峰用電至離峰時段
建立電能需量監控系統
提高變壓器使用效率
功率因數改善裝置
改進電動機使用效率
電業或用戶從事影響電力負載型態,以達到抑低尖峰負載,拉高離峰負載,移轉系統負載為目的的一切活動。
電力系統節能措施 負載管理
負載因數與離峰比分析
1.
• 負載因數(LF)應愈高愈佳,表示用電負載愈穩定,可以訂定最適當之契約容量,不致浪費不必要之基本電費負擔,降低生產之用電成本,一般正常情況之負載因數在0.7以上。
• 如負載因數低於0.7以下,應即檢討,並分析產生尖峰之原因,並設法改善。
kW
/kWH
kW
/kWH
年最高需量
年時數年年負載因數
月最高需量
月時數月月負載因數
2.
通常離峰比高負載因數亦必高,除契約容量可降低,減少基本電費支出外,並可充分享受低廉之離峰基本電費及流動電費(請參考電價表),可降低生產之用電成本。
離峰比小於0.4以下,應即檢討,並分析可運用離峰電力之方法。
kWHkWHkWH
kWH
kWH
kWH(OPR)
月離峰月半尖峰月尖峰
月離峰用電量
月用電量
月離峰用電量月離峰比
kWH
kWH
年用電量
年離峰用電量年離峰比
11
負載管理
價格策略
負載控制
用電改善
設備提昇
時間電價、可停電力 季節電價、即時電價
直接控制空調負載 直接控制熱水器
改善用電效率 改變製程
使用離峰設備 使用儲能設備 使用自行發電設備
12
電力系統節能措施
減少功率(kW)需量
用電需量就是負載或稱功率(單位為瓩、kW),例如:開飲機的功率約為1.5 kW;馬達10HP(馬力)功率約為7.5 kW。如果停止或暫時使用就可減少功率消耗,可降低尖峰需量,亦可降低用電超約受罰。
。
13
電力系統節能措施
減少電能量(kWh)消耗 電器設備消耗功率(kW)乘上使用時間,就是「消耗電能量」,單位為(瓩時、kWh ,俗稱為度) 。如:使用2000 W 電磁爐燒開水 1小時(h),總耗電 2000 Wh,或 2 kWh也就是 2度電;電腦250 W 必需使用4小時,才消耗1度電。減少電能量亦可降低用電度數,所以可減少流動電費支出。
14
電力系統節能措施
轉移尖峰用電至離峰時段
將尖峰時間仍在運轉的用電設備,作調查統計,看看哪些用電設備可以移轉到離峰時間運轉。例如;自來水給水泵、排水泵排水、電能熱水器加熱等設備。此項措施除了可以降低尖峰超約外,另可以減少尖峰流動電費支出。
15
電力系統節能措施
需量是指需量時限內有效電力的平均值,所謂需量時限是由電力公司規定,一般而言15分、30分及60分較常用,目前台灣電力公司的規定是15分鐘。
超約在契約容量10%以下部分按二倍計收基本電費。
超過契約容量10%部分按三倍計收基本電費。
建立電能需量監控系統
需量控制曲線圖
整合式電力監控系統
監控系統於電能管理之應用
一、變壓器的效率
額定負載運轉時
部份負載運轉時
電力系統節能措施
額定銅損額定鐵損額定輸出功率
額定輸出功率
額定銅損負載率額定鐵損額定輸出功率負載率
額定輸出功率負載率
2)(
提高變壓器使用效率:
21
二、減少變壓器損失的方法 1.變壓器運轉方式與負載特性的合理配合,減少損失的運轉原則如下:
負載因數較高,即負載變化小,故變壓器組可作較高效率之運轉。
一般變壓器滿載時銅損與鐵損之比為3時,負載率在57.7%效率最高。
燈力併供可提高負載因數。 負載因數不高亦不低,譬如有連續尖峰時間之後,通常有相當長時間的輕載者,於尖峰時間內將所有變壓器並聯運轉,離峰時間,停用部份變壓器。
三相的負載因數偏低時,採用V-V變壓器供電較為有利。
22
2.選擇適當變壓器容量
高壓受電用戶電力變壓器容量,不得超過每月平均用電量之四倍。
40.0(DF) 變壓器容量
最高負載變壓器需量因數則
25.0變壓器容量
平均電力即
625.0)LF( 最高負載
平均負載負載因數假如
二、減少變壓器損失的方法(續)
為檢討計算方便,實用上可依下列方式分析處理。
當月變壓器之需量因數 DF =
當DF<0.4時
三相變壓器:
停用負載太輕的變壓器,將該負載轉接其他可供利用的變壓器。
三台單相變壓器:
使用三台單相變壓器供給三相電源的場合,負載太輕時,利用其中二台改成v-v接線供電,停用一台。
當DF>0.8時,計劃更換大容量變壓器或適當增加組別。
變壓器容量
最高 pf/kW
2019/9/20 24
3Ø 1,000kVA
22.8/220/380V
3Ø 1,000kVA
22.8/220/380V
3Ø 10,000kVA
22.8/11.4kV 3Ø 10,000kVA
22.8/11.4kV
26
3. 將不必要之變壓器停止運轉
4. 採用低損失型鐵心(矽鋼片)變壓器
5. 採用高效率節能或非晶質鐵心變壓器
6. 降低變壓器運轉溫度。
7. 定期檢點維護保養
二、減少變壓器損失的方法(續)
27
功率因數偏低,會使線路總電流增大,且造成線路及變電設備的損失增加。依台電公司有關規定:
每月用電之平均功率因數不及80%時,每降低1%,該月總電費應增加千分之1。
每月用電之平均功率因數超過80%時,每超過1%,該月總電費則減少千分之1。
22 KVARHKWH
KWH
平均功率因數
電力系統節能措施 功率因數改善
28
各種負載之功率因數
負載種類 功率因數﹪
滿載 半載 無載
感 應 電 動 機
三相
1馬力 10馬力 100馬力
1000馬力(20極) 1000馬力(60極)
82 86 86 80 68 62 66 72
68 72 72 66 50 43 45 54
16 14 11 6 5 21 18 17
單相
1/8馬力 1/4馬力 1/2馬力
白熾燈及電熱 日光燈
同步電動機 電扇、電冰箱、空氣調節器
電鐘 收音機
交流電弧熔接機 電氣爐
低週波感應爐 高週波感應爐
100 50~95 可調整 50~75 50 70~95 30~40 85 60~80 10~20
29
改善功率因數之效益
增加供電設備(電源)的實質供電容量。
減少供電系統的功率損耗。
降低供電線路的電壓損失。
降低線路電流
節省電費。
1cos
cos
1
2
2
21
S
SS
])cos
cos(1[ 2
2
1121
LLL PPP
)tantancos(costan
tan1212
1
2
1
2
XR
XR
e
e
)()1000/0.1(
%)80(%)(
流動電費基本電費
改善後功因減收電費
改善功率因數之效益
30
電容器裝設原則與方式
1. 在電力系統中,安裝電容器以提高功率因數時,其裝置位置宜儘量靠近負載點,以增大效益。
2. 大型機器,如感應電動機、感應爐、整流器、電弧爐、電焊機等,以裝設個別電容器,效果較佳。
3. 裝置高壓電容器方式,以集中裝置於變電站之高壓母線,此種裝置方法投資最少,惟僅對裝置地點之電源端較具效益。
4. 高低壓電容器併裝方式,通常以變壓器容器之6%為高壓電容器容量,以抵消變壓器之無效電力,而低壓用電設備容量較大者,以裝設個別低壓電容器為宜,至於小型零星設備,以集中在低壓配電盤母線裝設低壓電容器較為便利與實用。
5. 低壓電動機個別裝設電容器,以裝置於電動機操作器負載側,且須能與該電動機同時啟閉電源最為理想。
6. 裝置電容器容量以提昇功率因數至95%為原則。若月平均功率因數達100%者,亦應檢討相角是否在超前狀態運轉。若月平均功率因數低於50%者,應檢討電錶是否有故障情形(或是工廠停產,僅變壓器鐵損負載)。
電容器裝設原則與方式 (續)
33
電力系統節能措施
改進電動機使用效率
一、選用容量適當的馬達
75%至100%負載之效率最佳。
使用容量太大的馬達 需要較多的投資。
運轉時因效率低耗電量高,必須付出更全的電費。
二、馬達汰舊換新 採用高效率電動機
三、選擇效率高的馬達
IE 說明 International Energy + Number IE 1 高效率 Standard Efficiency IE 2 優級效率 High Efficiency IE 3 超高效率 Premium Efficiency IE 4 超優級效率 Super Premium Efficiency
四、減少馬達空轉損失
馬達空轉時的耗電量為額定容量的10%。
每次空轉時間超過2分鐘時,可考慮加裝連動開關控制。
一般電動機空轉的損失,以3.7kW(5馬力)的工作機械為例,實測電力損失為0.44kW,如以一年運轉300天,一天中有1小時的空轉,則一年就有132kWH的電力損失。
五、選擇適當傳動方式
皮帶傳動效率 70%~90%
鏈條傳動效率 75%~85%
齒輪傳動效率 93%~96%
直接連接效率 100%
六、改善電動機功率因數
可減少損失。損失愈少,電動機的能源效率愈高。
37
選定適當配電方式,如儘量採用三相配電及採用較高電壓傳輸等。
儘可能將高壓線配電至負載中心,使到各用電設備之低壓線路減短。
對電壓變動敏感之器具,應單獨配線,並加大配線容量。
對無效功率進行合理補償,改善功率因數。 三相電壓保持平衡。 合理選擇變壓器,利用設備自身特性減少電
壓降損耗。
%)(10
)sincos((%)
2KV
XRKVA 電壓降
改善電壓降的方法:
一、如何訂契約容量
經常契約容量:尖、離峰時間皆可使用之用電容量,係依夏月尖峰時間用電需量訂定。
非夏月契約容量:非夏月尖離峰時間皆可使用之用電容量,如非夏月尖峰時間用電需量大於經常契約容量,則依其超出之部分另訂之。
離峰契約容量:僅離峰時間可使用之用電容量,如離峰時間用電需量大於經常契約容量與非夏月契約容量之和,則依其超出部分另訂之。
最適契約容量決定
電力系統節費方式
二、適當的契約容量 可減少超約罰款及電費支出。
考量全年度之尖離峰負載型態。
並非不超約是最經濟。
三、契約容量過高 學校須繳較多的基本電費。
電力公司須設置較大的設備,造成使用率偏低。
四、契約容量偏低 最高用電需量超過契約容量,超出
契約容量10%的以下部份,按二倍計收基本電費。
契約容是10%以上部份,按三倍計收基本電費。
增加契約容量時,須繳線路補助費。
最適契約容量決定(續)
40
契約容量種類 (1).二段式 用戶須依夏月及非夏月與尖、離峰時間用電需量訂定契約容量。
經常契約容量係依夏月尖峰時間用電需量訂定。
如非夏月尖峰時間用電需量大於經常契約容量,則依其超出之部分另訂非夏月契約容量。
如離峰時間用電需量大於經常契約容量與非夏月契約容量之和,則依其超出部分另訂離峰契約容量。
電力系統節費方式
契約容量種類(續)
(2).三段式 用戶須依尖峰、半尖峰及離峰時間用電需量訂定契約容量。
經常契約容量係依尖峰時間用電需量訂定。
如半尖峰時間用電需量大於經常契約容量,則依其超出之部分另訂半尖峰契約容量。
如離峰時間用電需量大於經常契約容量與半尖峰契約容量之和,則依其超出部分另訂離峰契約容量。
42
電費之計算(二段式時間電價):
總電費=基本電費+流動電費 +超約罰款 +(-)功率因數調整費
43
超約用電如何計收
計收原則
用電容量超出其契約容量時,超出容量在契約容量10%以下部分按二倍計收基本電費,超出容量超過契約容量10%部分按三倍計收基本電費。
尖、離峰時間均超約用電,離峰時間超約瓩數應扣除尖峰時間超約瓩數後(負值免計),按上款標準計費。
c. 實際範例:
資料來源:經濟部能源局 學校節約能源技術手冊
某大學8 月份實際用電之電費通知單。電費單右側是該月份各項實際用電讀數,「表別」:1/3 分別代表尖峰/離峰指數,4 代表無效電力指數,6/8 分別代表尖峰/離峰需量。以最關鍵的最高需量(6)為例:
抄錶指數(15.942-15.052) ×電錶倍數 2000 = 1780 kW
最高需量1780 kW,契約容量1300kW,尖峰用電252000 度,離峰用電132000 度,功率因數99 %。
各項費用(適用夏月電價)計算如下:基本電費 213 元/kW × 1,300 kW = 276,900 元
尖峰電價 252,000 度 × 1.96 元/度 = 493,920 元
離峰電價 132,000 度 × 0.77 元/度 = 101,640 元
超約附加費:
(10%以內部分)213 元/kW ×2 ×(1300 ×10%) = 55,380 元
(超過10%部分)213 元/kW ×3 ×(1780-1300 ×110%) = 223,650 元
功因調整(276,900+493,920+101,640)×(99-80)×0.0015=-24,865 元
營業稅 (276,900+493,920+101,640+55,380+223,650-24,865)×5% =56,331 元
應繳總金額1,182,956 元
註:
實際流動電費=尖峰電價+離峰電價=493,920 + 101,640 = 595,560元
電價單流動電費(營業稅內含於流動電費欄)=595,560+56,331=651,891 元
(97年後電價有調整,可上台電網站查詢電價表)
48
高發光效率, 長壽命光源
低耗能電子式安定器
高效率燈具
整體照明控制設計
LED照明燈具
照明節約能源
綠色照明之考量
49
光源選用原則
發光效率
色溫
演色性
使用壽命
維護成本
依使用場合, 上列原則有不同的優先度
50
光源選用原則(續)
避免眩光
51
光源眩光
光源選用原則(續)
燈管裸露造成眩光 採用格柵式燈具避免眩光
52
利用自然環境的省能設計
採用清玻璃為窗戶材料:可獲85%之晝光。
採用遮陽板擋住太陽能:採光即可不受季節與開窗朝向之影響,外遮陽可省電12%,內遮陽可省電3%。
採用高窗採光:可提供較深且均勻之晝光。
採用導光板輔助晝光,可達成省能效果。
保持窗玻璃之乾淨:六個月未清洗玻璃,採光效果降低40%左右。
室內牆壁採用淡色:可提高屋內光線漫射效果節省電源。
照明省能方法(續)
53
電源之控制方法
(1)手動控制(Manual Control) 雖然可依人們的習慣與行為來控制照明開關,但在照明控制系統設計時,仍宜優先考慮下列數項:
每個獨立的工作空間,均應有其獨立的開關。
大型開放式辦公空間,應分成若干區域,以利各區域單獨控制。
使用多管螢光燈時,應設置各燈管之分段組合開關。
作業標的之照明(Task Lighting),應單獨設置控制開關。
大型空間之外周區與核心區應"絕對獨立"控制。
照明省能方法(續)
54
電源之控制方法(續) (2)自動控制(Automatic Control) 為消除人為控制不當所造成之能源損耗,自動控制可按工作環境之視覺需求,地域氣候條件,建築方位等因素加以設計。其控制方法有下列六種:
就特定空間及工作時段,予以定時控制。
以定時器設定每次持續時間,例如:儲藏室。
以測光器設定作業區域固定照度,再配合畫光 利用,自動決定點燈。(可藉以決定更換光源或清除灰塵)
以微電腦計算室溫與照度,以調和自然採光,節省照明與空調能源。
以門之啟閉控制室內照明(例如:衣櫥、檔案室等)。
照明省能方法(續)
55
56
4.電源迴路控制方法
照明省能方法(續)
57
5.燈具配置方式
照明省能方法(續)
58
5.燈具配置方式(續)
照明省能方法(續)
60
節能績效分享
61
62
參考文獻
曾國雄、譚旦旭編著”工業配電設計”高立圖書公司
邱天基、陳國堂編著”電機機械”全華圖書股份有限公司
大同公司
華城電機公司
士林電機公司
財團法人台灣產業服務基金會
財團法人綠色生產力基金會
63
報 告 結 束
Q&A