不斷電系統效率提升實務探討

前言

不斷電系統（Uninterruptible Power System，UPS）在機房裡扮演著重要角色。除了提供設備全年無休24小時不中斷，同時也需要穩定而可靠的電力供應運轉。由於電力異常可能影響設備的運作，甚至造成機器停機，對整個企業營運帶來衝擊，因此普遍的作法，都是利用UPS來保護設備，一方面將電力品質變得更「乾淨」，同時可在停電時提供備用電力。

在半導體日趨進步的技術下，伴隨先進製程而來的是設備用電量大增，十四廠五期廠內共配置148台Delta NT 500kVA UPS，所使用的電量約占全廠的30% ~ 40%，用電量非常龐大，故提高UPS的轉換效率，將能有效的減少電力浪費。

Delta DPM系列無論在諧波、功率因數及效率的各項數值，均高於NT系列，NT 500kVA與DPM 550kVA的數值比較如 表1所示。然而在廠內穩定運轉的前提下，無法將NT 500kVA UPS全數換新，因此透過本文所探討的方式，將既有的NT 500kVA UPS的功率因數與轉換效率提高更接近DPM系列，將是推動本次改善案的一大動機。

背景

圖1為本公司UPS的整體架構，主要分為UPS本體和旁路開關，而在既有穩定架構下去改善整體效率，需要考慮「在線式」(online)和「節能」(Economy, ECO)兩種模式，各別分析探討。

DeltaNT 500kVA UPS在online模式下如 圖2。透過輸入變壓器降壓後，再經整流器到DC bus，最後經由逆變器到達輸出變壓器升壓，透過交流濾波電容器(AC Cap)濾波輸出到負載端。

每台UPS輸入與輸出側均含有一台500kVA變壓器，因變壓器的漏感會吸收虛功，市電端就需增加虛功(Q)去彌補，造成輸入端的電壓與電流產生相位移，使得電流落後電壓一個相角，使UPS輸入功因(PF)下降。PF轉換公式如下：

P：有效功率(實功)；
Q：無效功率(虛功)；
PF：功率因數

若功率因數越低，負載要產生相同實功輸出時所需要的電流(I_L)就會越高，線電流公式如下：

I_L：線電流；
V_L-L：線電壓；
P_3∅：三相總實功

當電流提高時，電力系統的能量損失就會增加，而電線及相關電力設備的容量也隨之增加。電力公司為了反映大容量設備及浪費電力的成本，一般會對功率因數較低的用戶以較高的費率來計算電費。在台灣電力公司的電價表中，若用戶的平均功率因數不及80%時，每低1%，該月份電費將增加0.3%；超過80%時，每超過1%，該月份電費將減少0.15%，故將PF值拉高，可以大幅減少在online模式下所需負擔的電費。

由於數位控制法的日新月異，延生出ECO節能模式如 圖3，其控制法為當電力品質穩定時，負載電流走旁分路徑(bypass)，online路徑保持開路無載狀態，故能減少變壓器和轉換器的損耗；而當偵測到電壓降或電源端斷電時，能透過靜態開關追蹤鎖相壓差切換至online模式，達到節能的效果。

ECO和online效率比較表如 圖4，可看出ECO模式從輕載到重載的效率都明顯優於online模式，在重載的部分越是明顯。為響應節能減碳，十四廠五期的148台Delta NT500kVA UPS已經慢慢全數更新韌體換成ECO模式，成為UPS的主流控制法。

在ECO節能模式下，由於online路徑為開路，能大幅減少變壓器的銅損、整流器與逆變器的切換損，大多損耗來至輸入變壓器的鐵損與AC Cap和電感互換能量時所造成的負載損，故變壓器的鐵心材質和AC Cap的容量設計將會是ECO模式效率更加提升的重要探討方向。

計畫方法

為了響應節能減碳政策，針對UPS提出三種節能想法，可分別在online和ECO兩種模式下達到節能效果。在online模式下：增加串聯電池數，提高DC bus電壓來提升功率因數；而在ECO模式下：更換高效率變壓器，減少鐵損及AC Cap減量，減少負載損，以上三種方式可提升UPS的整體效率。

增加DC bus串聯電池數

根據三相整流器中的DC bus電壓公式進行分析，發現經由調整UPS的DC bus電壓可改善UPS功率因數，電壓公式如下：

V_dc：DC bus電壓；
V_L-L：整流器輸入電壓；
PF：功率因數

新增電池櫃電池來提升DC bus電壓如 圖5。原本廠內Delta NT 500 kVA UPS所規劃的每串電池數為28顆，DC bus電壓為383V，由上式可看出提高DC bus電壓，PF值也會跟著拉高，而PF值最高可達到1，經計算DC bus電壓約需403V，每串需在加裝2顆電池。新增電池後，每串電池數增加2顆至30顆，DC bus電壓提升至403V，推算後，預估新增電池櫃電池可提升功率因數約5% ~ 6%。

新增電池不須進行斷電，只將DC bus開關切離，斷開電池進行加裝，不影響系統運轉穩定度，148台UPS共需新增1,184顆電池，每顆成本約4,000元，共需470萬元，對成本負擔不大。在運轉穩定度及成本的雙重考量下，將以新增電池櫃電池數的方案列為首要執行，目標在每次維護保養時新增電池數，以提高DC bus電壓，改善UPS效率。

更換高效率變壓器

變壓器的耗損可分為：鐵損(無載損)及銅損(有載損)。銅損(有載損)是依負載變化而隨時增減，鐵損(無載損)則是隨時都在耗損，然而UPS在ECO模式下，online路徑保持無載開路狀態，使得變壓器鐵損造成不必要的浪費，所以減少變壓器鐵損的損失，即可減少耗電量。

廠內的UPS使用矽鋼片鐵心，在ECO模式下鐵損較大，多次與Delta公司討論鐵心材質選用後，最後建議採用非晶質鐵心替代，其鐵損預估可減少至矽鋼片鐵心的70 ~ 80%。 圖6為非晶質金屬(Amorphous Alloy) 與方向性矽鋼片 (Oriental Silicon Steel) 的磁化特性曲線，可明顯看出，非晶質鐵心的封閉面積小於矽鋼片的封閉面積，故非晶質鐵心所造成的鐵損較小，大幅減少無載耗電量。

但由於非晶質鐵心價格比矽鋼片鐵心高出2~3倍，成本考量負擔過高且現場更換不易，此方案列為最後改善方向。

AC Cap減量

起初Delta公司設計Delta NT 500 kVA UPS時，VTDH規格設計太高，因應總諧波失真品質要求，VTDH<1%標準即可，故低通濾波器上AC Cap的容量可重新設計。在與Delta RD工程師討論下，且顧及到VTDH標準的極限，AC Cap的並聯數量可由15顆減至10顆，達到在ECO模式下減少低通濾波器能量互換時所造成的負載損。 圖7為電容數與輸出變壓器功耗之趨勢。

AC Cap減量是一個非常可行的想法，只需隨年度維護保養項目中將並聯電容拆除，無需再添加任何成本，對系統的運轉穩定度也不會造成負膽，但拆除費工費時，此方案列為次要改善方向。

經由AC Cap電容設計，可計算出負載電流減少的量，進而求出整體的功耗減少。改善前的每相AC Cap電容額定電流(15 Pcs)為：

改善後的每相AC Cap電容額定電流(10 Pcs)為：

AC Cap電流減少52.2A，反推變壓器一次側電流減少：

52.2 x 277 / 200 = 72.3A

電流減少百分比：

72.3 / ( 500KVA / 3 / 200 ) 一次側額電流 = 8.68%

已知廠商提供的500KVA變壓器的滿載損耗為6420W可反推功率減少為：

( 1.0868 x 1.0868 - 1 ) x 6420 = 1162W

Delta NT 500kVA UPS在ECO模式下整體效率可提升：

1.162KW / ( 500KVA x 0.8PF ) = 0.29%

結果與分析

增加DC bus串聯電池數

在UPS滿載100%的情況下，在Delta公司進行廠內電腦模擬及實機測試，分別對DC bus電壓383V、393V以及403V進行測試。

在電腦模擬運算結果中如 表2，DC bus電壓由383V提升至403V時，UPS輸入功因從0.85提升至0.90，而輸入電流從622A下降至589A。

而進行實機測試結果中如 表3，UPS輸入功因從0.82提升至0.87，而輸入電流從660A下降至620A，實測結果UPS輸入功因約提升6%，輸入電流下降約6%，每台UPS電費可省42萬元，節能量龐大，因此其可行性相當高。

更換高效率變壓器

在Delta公司配合的變壓器廠商進行廠內四種不同型式的變壓器試驗，分別對其做開路及短路試驗。 表4為現場量測的數據結果。

開路試驗

將變壓器的高壓側予以開路，低壓側加入額定電壓(380V)，而本試驗低壓側所得到的電流(激磁電流)很小，約為額定電流之0.5%左右，故銅損可忽略不計，藉此求得鐵損。

短路試驗

將變壓器的低壓側予以短路，再用AC供應器以較小的電壓(10V)加於高壓側，一直調到該繞組的電流達額定電流(1040A)為止，實際上做此試驗只要加電壓額定值的2%，就可獲得額定電流。而鐵損約與外加電壓的平方成正比，故鐵損可以忽略，藉此求得銅損。

從試驗的結果可以看出，非晶質鐵心均優於矽鋼片，而Delta NT 500kVA UPS所使用的變壓器為矽鋼片─低噪音型，如換成非晶質─高效率型，鐵損將可減少1028W，大幅減少75%，而銅損減少2045W，UPS效率提升0.4%，每台UPS電費可省2.7萬元。由於成本昂貴，將評估是否有更換之必要性。

AC Cap減量

在Delta公司廠內進行並聯電容拆除前後的效率測試，分別對AC Cap電容量1500uF及1000uF進行測試。 表5為UPS改善前後之效率數據結果。

表5中可看出減少5顆AC Cap後，在ECO模式下從輕載到重載的效率都明顯提高，滿載時UPS效率從97.88%提升至98.14%，提升了0.26%。

十四廠五期廠內的平均負載率約在70%上下，以70%負載為基準計算電費，改善前消耗功率：500×0.8×0.7/0.9732=288 KW；每年用電量：288×365×24 =2,522,880KWh；每年電費：2,522,880×3=7,568,640TWD(3 TWD/度)；而改善後消耗功率： 500×0.8×0.7/0.9782=286KW；每年用電量：286×365×24= 2,505,360 KWh；每年電費：2,505,360×3=7,516,080TWD。由計算可知，每台UPS電費可省5.3萬元，不花費任何成本且可以達到節能省碳之功效，確實為一個優好的改善方案，但AC Cap在機台內部，拆除AC Cap須將其他面板先行拆卸，費工費時，後續工法為此方案考量重點。

結論

在既有的UPS架構下，提出三種節能想法，可分別在Online和ECO兩種模式下達到節能效果。在Online模式下，增加DC bus串聯電池數，數量由28個增加為30個來提升功率因數，減少負載損；而在ECO模式下，更換非晶質高效率變壓器，減少鐵損及AC Cap減量，由每相15個減少為10個，減少負載損，使其效率得以提升。

透過廠驗實機數據量測下，增加DC bus串聯電池數，由383V增加為403V，70%負載下功耗約可減少16KW，節省年電費42萬元；更換非晶質高效率變壓器，鐵損約可減少1028W，節省年電費2.7萬元；而AC Cap減量，由容量1500uF減少為1000uF，70%負載下功耗約可減少2KW，節省年電費5.3萬元。

目前十四廠五期內共有148台500kVA UPS，全數改善完畢後，一年約可節省年電費3,900萬元，考慮效益回收率，成本與節省電費必須平衡，增加DC bus串聯電池數的成本很小且施作容易，會是非常可行的方案；而更換非晶質高效率變壓器的成本過高，效益不大，暫時不考慮執行；至於AC Cap減量，無須任何成本，但施作複雜，工法會是往後的考量之一。

針對我們提出的改善方法，未來也會朝向應用在變頻器、太陽能等高用電量系統，使全廠節能最大化，節能改善不僅是為公司省下一筆鉅額的電費，更是為防止地球暖化盡一份心力。