摘要
UPS ECO節能第二部曲(效率提升新構想)
Keywords / Uninterruptible Power System(UPS)2,ECO16,Power factor correction circuit(PFC),Energy star,Unit Power Module(UPM)
This article discusses a new idea of improving the energy saving and efficiency of Delta DPM UPS without changing the hardware architecture of the UPS in the factory. When the UPS is in economical mode(ECO mode), turn off one set of rectifiers for DPM 450kVA UPS and two sets of rectifiers for DPM 825kVA UPS respectively, which can effectively reduce power consumption. Follow vendor supplier(UPS) experiment, 450kVA UPS effective from 97.22 change to 97.46% and 825kVA UPS effective from 97.89 change to 98.12%. and it complies with energy star regulations. After all 242 DPM UPSs are implemented from tsmc, the annual energy saving is about 2,827MWh(Load : 60%). And it will contribute to the sustainable development of the earth.
前言
晶圓廠在穩定運轉需的求下，使用不斷電系統(Uninterruptible Power System, UPS)確保半導體設備製程不中斷，同時也達到較佳的供電可靠度與電力品質。近年來tsmc先進製程用電量日趨增加，但是台電電力系統擴充有限，且tsmc用電量約占全台灣用電量5%，廠內UPS用電量又為大宗，約占全廠40%~50%，用量非常大，所以UPS節能變為非常重要的課題。
因為當UPS運作大部份時間為經濟模式(ECO mode)，除非碰上供電異常時，轉換至在線模式(On-Line mode)。所以探討UPS在ECO mode下比較台中廠區F15B UPS兩種廠牌在不同負載率下的節能量，Delta DPM 825kVA UPS相對Eaton 9395 825 kVA UPS較差，如 表1所示。原因為DPM UPS在ECO mode供電時，整流器需供應PM(Power Modules)DC BUS電源，不像Eaton UPS可以關閉整流器[1][2]，如 圖1所示。廠內目前使用的DPM UPS總共有242台，在穩定運轉與不變更UPS硬體架構的前提下，提出在ECO mode時僅使用部分整流器的構想，達到減少電力消耗的目的。
| Delta DPM 825 | Eaton 9395 825 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 負載率 | INV輸入功率(kW) | ECO輸入功率(kW) | 節能量(kW) | 負載率 | INV輸入功率(kW) | ECO輸入功率(kW) | 節能量(kW) |
| 0% | 9.4 | 1.2 | 1.2 | 0% | 15.1 | 1.5 | 13.6 |
| 10% | 83.3 | 0.5 | 0.5 | 10% | 15.1 | 1.5 | 13.6 |
| 20% | 159.2 | 1.8 | 1.8 | 20% | 17.4 | 1.9 | 15.4 |
| 30% | 235.1 | 3.2 | 3.2 | 30% | 19.2 | 2.2 | 16.9 |
| 40% | 311.7 | 5.1 | 5.1 | 40% | 21.1 | 3.0 | 18.1 |
| 50% | 388.2 | 6.6 | 6.6 | 50% | 23.8 | 3.7 | 20.0 |
| 60% | 465.3 | 8.7 | 8.7 | 60% | 26.3 | 4.5 | 21.8 |
| 70% | 542.6 | 10.9 | 10.9 | 70% | 29.6 | 5.2 | 24.4 |
| 80% | 620.7 | 13.7 | 13.7 | 80% | 33.3 | 5.9 | 27.3 |
| 90% | 698.9 | 16.2 | 16.2 | 90% | 37.4 | 6.7 | 30.7 |
| 100% | 777.3 | 19.0 | 19.0 | 100% | 42.3 | 7.4 | 34.9 |
圖1、Eaton 9395(左)與Delta DPM(右)運轉模式比較
文獻探討
2.1 UPS架構
UPS的基本架構主要包括：靜態旁路開關(Bypass Static Switch, Bypass STS)，功率因數校正電路(Power Factor Correction Circuit, PFC)，逆變器(Inverter, INV)，逆變器靜態開關(Inverter Static Switch, INV STS)以及充電器(Charger)所組成一個電源模組(Power Module, PM)，如 圖2所示。並以一個基本架構為模組化，目前廠內Delta DPM UPS分別使用容量為450kVA就需要兩個模組，825kVA就需要三個模組，如 圖3所示。
圖2、UPS基本架構
圖3、DPM UPS模組化架構
Delta DPM UPS使用的是雙轉換靜態UPS技術，並使用IGBT進行功率轉換。此設計是無變壓器的系統，平時能在節能模式下運行，此模式有兩條主要路徑可提供負載電能，即在線(雙轉換)路徑和旁路路徑[3]。
2.2 Eaton與Delta UPS工作模式差異
Eaton UPS工作模式當市電正常供應時UPS工作模式為ECO mode，市電由靜態旁路開關與k5電磁開關供電給負載，而DC BUS電壓透過逆變器IGBT的 diodes單向導通將輸出端的交流電轉換成直流電來維持[4]，當市電異常時UPS轉態至INV Mode，市電經由整流器與逆變器供電給負載，如 圖4所示。
圖4、Eaton UPS工作模式(左圖 : ESS Mode，右圖 : INV Mode)
DPM UPS工作模式當市電正常供應時UPS工作模式為ECO mode，台電所提供的三相交流電經由靜態旁路開關供電給負載，同時450kVA UPS兩個電源模組(PM1、PM2)會透過功率因數校正電路將交流電源整流為穩定直流電源(DC Bus)，再由PM1與PM2的Charger對電池充電，此時逆變器靜態開關不動作為空載狀態，相較Eaton UPS在ECO模式下控制多了功率因數校正電路需運作，所以在效率方面較Eaton UPS差。825kVA UPS供電方式與450kVA UPS相同，僅多了一個電源模組，如 圖5所示。
圖5、Delta UPS ECO工作模式(左圖 : 450kVA DPM，右圖 : 825kVA DPM)
當市電異常時UPS轉態為INV mode，450kVA UPS與825kVA UPS的逆變器將直流電源轉化為交流電源並同時做濾波工作，再由逆變器靜態開關供電給負載，如 圖6所示。
圖6、Delta UPS INV工作模式(左圖 : 450kVA DPM，右圖 : 825kVA DPM)
2.3 PFC電路架構
其中DPM UPS直流轉交流功率因數校正電路提供一穩定的直流電源並降低市電輸入端諧波，減少虛功損耗。目前廠內所使用的電路架構為三相六臂開關昇壓轉換器，由六顆主動開關及三顆電感組成，如 圖7所示。其中主動開關為每臂上下兩只功率開關元件與其反向並聯的二極體所組成，經由脈波寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)控制使每相電流可透過每臂上的兩功率開關元件進行控制，該電路優點是輸入電流諧波畸變小，功率因數近似於一，輸出直流電壓低、效率高能實現雙相功率潮流。但三相六臂開關昇壓轉換器缺點為其開關須承受大於2倍的BUS電壓，導致切換損失大幅增加。所以考慮450kVA與825kVA模組化架構，在ECO模式情況下只需使用到一組模組的PFC電路，關閉其他PFC運作減少不必要的損耗。[5][6][7]
圖7、三相六臂開關昇壓轉換器(Six-switch Boost Converter)
圖7、三相六臂開關昇壓轉換器(Six-switch Boost Converter)
2.4 UPS之國際效率法規
關於UPS的國際效率法規將參考美國能源之星規範，其中 圖7為能源之星針對UPS的效率規範，主要依操作模式及額定功率區分。VI(Voltage Independent)即為ECO Mode UPS，而VFI(Voltage Frequency Independent)則相當於INV Mode UPS。以825KVA INV Mode UPS為例，能源之星UPS在INV mode效率的規範須大於93.9%如式(1)所示，在ECO mode效率的規範須大於95%，如 圖8所示。
圖8、能源之星的UPS效率規範
Effangmin(VFI) = 0.0099xln(825000)+0.805=93.9% ..........(1)
且依照DPM 825kVA UPS不同負載的效率值 表2代入能源之星提供的式(2)得到為95.3%大於式(1)能源之星規範值。其中Effavg為平均負載調整後的效率，Eff|n%為不同負載的效率，tn%為不同負載測試的時間，在不同容量的UPS能源之星對tn%也有訂定數值如 圖9所示。目前DPM UPS在ECO Mode效率雖已達到上述規範，但如果加入本文提供方案UPS效率將更往上提升。[8][9]
| DPM UPS | ||||
|---|---|---|---|---|
| 負載率(%) | 25% | 50% | 75% | 100% |
| INV.效率(Eff%) | 94.15 | 95.5 | 96 | 95.5 |
| ECO.效率(Eff%) | 95.62 | 97.61 | 98.06 | 98.34 |
圖9、能源之星UPS各功率測試時間比例
Effavg=t25%xEff|25%+t50%xEFF|50%+t70%xEff|75%+t100%xEff|100% ..........(2)
計畫方法
為了達到節能目的，針對DPM UPS在ECO模式的進行效率提升，訂定計畫① : 協同UPS供應商(台達電)進行DPM ECO模式關閉整流器試驗，DPM 450kVA UPS在ECO供電時原本PM1/2 DC BUS電源由分別整流器供應、PM1/2 CHGR一起對電池充電。預計修改成PM2整流器Off，進而變成在ECO供電時，PM1 DC Bus電源由整流器供應、PM2 DC BUS電源由D/D供應、PM1 CHGR對電池充電，降低UPS長期運轉在ECO模式整流器的耗能，如 圖10左圖所示。同樣DPM 825kVA UPS則預計修改在ECO模式下PM2/3整流器Off，原本PM1/2/3 DC BUS電源由各別整流器供應，改為PM1 DC BUS電源由整流器供應、PM2/3 DC BUS電源由D/D供應；而PM1/2/3 CHGR從一起對電池充電，改為僅PM1 CHGR對電池充電，如 圖10右圖所示。
圖10、UPS ECO模式效率提升(左圖 : 450kVA DPM，右圖 : 825kVA DPM)
計畫② : UPS在不同負載時量測記錄效率值，並比較提升前與提升後差異。計畫③ : 關閉整流器後如 圖11所示，計算450kVA UPS使用鉛酸電池115AH共3串，1個模組充電電流約等於17.2A，825kVA UPS鉛酸電池115AH共4串充電電流約等於15.3A，如式(4)與式(5)，確認對電池充電電流變化與充電時間影響。計畫④ : 最後確認關閉整流器後得到的節能效率是否符合UPS國際效率法規美國能源之星。
圖11、關閉整流器電池充電(左圖 : 450kVA DPM，右圖 : 825kVA DPM)
450kVA UPS電池充電電流=115(AH)x3(串)x0.1C/2=17.2A ..........(4)
825kVA UPS電池充電電流=115(AH)x4(串)x0.1C/3=15.3A ..........(5)
結果分析
根據上述改善方法透過台達實驗室實機量測UPS改善後效率，效率每10%負載量測一次，得到450KVA效率提升0.1%~1.6%，825KVA效率提升0.1%~2.09%如 表3，繪製節能效率曲線如 圖12所示。
圖12、UPS ECO模式節能提升效率曲線(上圖 : 450 kVA，下圖 : 825kVA)
並且當450kVA UPS PM2整流器關閉且電池飽電時，PM1 Charger提供PM2輸入電源，並不會消耗到電池能量。當PM2整流器關閉且電池未飽電時，PM1 Charger分別提供PM2輸入電源與電池充電電流，充電池間延長為原來的2.3倍，關閉PM2整流器後，PM1 Charger電流、PM2 DC輸入電流及電池電流如 表4所示。若以825kVA為例，當PM2/3整流器關閉且電池飽電時，PM1 Charger提供PM2/3輸入電源，並不會消耗到電池能量，PM2/3整流器關閉且電池未飽電時，PM1 Charger分別提供PM2/3輸入電源與電池充電電流，充電時間延長為原來的6.2倍，如 表5所示。
|
電池電壓 (V) |
PM1 Charger電流 i1(A) |
PM2 DC輸入電流 i2(A) |
電池電流 i3(A) |
|
|---|---|---|---|---|
| 電池飽電 | 542.0 | 3.41 | 3.21 | 0.20 |
| 電池未飽電 | 520.7 | 17.74 | 3.15 | 14.59 |
|
電池電壓 (V) |
PM1 Charger電流 i1(A) |
PM2/3DC輸入電流 i2(A) |
電池電流 i3(A) |
|
|---|---|---|---|---|
| 電池飽電 | 542.0 | 8.20 | 7.90 | 0.30 |
| 電池未飽電 | 512.7 | 15.50 | 8.20 | 7.30 |
最後將改善後 表3資料代入UPS規範能源規範之星式(2)中，計算得到Effavg約等於96.68%較改善前效率更好，也符合能源規範。
結論
在既有的UPS架構下為了達到在ECO模式下更加節能效果。DPM UPS容量有2種，分別為450kVA和825KVA，450kVA UPS由2個UPM所組成，而825KVA由3個UPM所組成。在ECO模式下，450kVA UPS 2組PFC都啟用，825kVA UPS則3組PFC啟用，本次構想是將450kVA關閉1組PFC，825kVA關閉2組PFC。
透過關閉PFC，使UPS在ECO模式下效率得以提升。透過UPS廠商實機數據量測下，450kVA UPS效率由97.22%提升至97.46%(增加0.24%)，825kVA UPS效率由97.89%提升至98.12%(增加0.23%)。tsmc總共242台DPM UPS，全數導入後每年可節能量約2,827百萬度如 表6(以負載量60%評估)，每度2.5元計算，每年節省電費7067.5百萬元。此方法在未來新廠也可直接受惠，節能效益將會更大化，節能改善不僅是為公司省下一筆鉅額的電費，也為防止地球暖化盡一份心力。
| 機型 | 機台數量(台) | UPS總節能量 | |
|---|---|---|---|
| DPM UPS | 450kVA | 825kVA | (kWH/年) |
| 123 | 119 | 2827537 | |
參考文獻
- Chris Loef¬er，伊頓飛瑞慕品UPS思維先驅白皮書，2017。
- Chow kim、Jack Su, Eaton electrical technical service bulletin #R_140916_Rev02T, 2015.
- TingAn Lee ; Masahiro Kinoshita;Kazunori Sanada,High-efficiency large-capacity uninterruptible power supply for 3-phase 4-wire power system, IEEE Proceedings of The 7th International Power Electronics and Motion Control Conference.
- Eaton 9395 Service Manual 225-1100kVA Uninterruptible Power Supply System. 網址:http://powerquality.eaton.com/products-services/backup-power-ups/9395-ups/9395-info.asp?CX=83
- 廖仁詮、郭朝龍，Delta 3-phase-UPS-topology-and-efficiency-enhancement.
- 楊杰儒以DSP為基礎之三相升壓型整流器研製，碩士論文，2015。
- L. Malesani ; L. Rossetto ; P. Tenti ; P. Tomasin, AC/DC/AC pwm converter with reduced energy storage in the dc link, IEEE Transactions on Industry Applications, 1995.
- White-Paper_Introduction-of-US-ENERGY-STAR-standard-applied-on-UPS. 網址 : https://www.deltapowersolutions.com/zh-tw/mcis/white-paper-introduction-of-us-energy-star-standard-applied-on-ups.php
- US ENERGY STAR website. 網址 : http://www.energystar.gov/index.cfm?c=new_specs.uninterruptible_power_supplies
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