Cuộc đua nâng cao Hiệu suất UPS để tiết kiệm Năng lượng

Ngày đăng: 21/06/2023 04:02 PM

    Cuộc đua nâng cao Hiệu suất UPS để tiết kiệm Năng lượng

    I. Giới thiệu chung


    Bộ lưu điện (UPS) được sản xuất nhằm mục đích cung cấp nguồn điện liên tục không gián đoạn, có chất lượng điện áp, tần số chuẩn xác, ổn định cho các hoạt động trọng yếu như vận hành các thiết bị điện tử trong các môi trường trung tâm dữ liệu, bệnh viện, nhà máy, giao thông v.v…Một sự gián đoạn nguồn điện dù nhỏ nhất cũng dẫn đến tổn thất lên đến hàng tỷ đồng, thậm chí ảnh hưởng đến sức khỏe hoặc tính mạng con người.

    Công nghệ chế tạo UPS đã trải qua lịch sử phát triển lâu dài từ những năm 1960 và liên tục được phát triển cho đến nay. Với sự phát triển của các hệ thống điều khiển bán dẫn tiên tiến, UPS hiện nay có thể tạo ra các nguồn điện ngõ ra với chất lượng sóng sin có độ chính xác hoàn hảo Trong hơn 60 năm qua, công nghệ chế tạo UPS được định hướng để giải quyết triệt để các vấn đề về độ ổn định của hệ thống, giảm tối đa thời gian trung bình giữa hai lỗi (MTBF) đảm bảo hệ thống UPS có thể chạy ổn định trong một thời gian dài từ 10 năm trở lên.

    Các thiết kế và cải tiến của UPS đang có cuộc đua nhắm vào định hướng giảm thiểu tối đa chi phí tổng sở hữu UPS trong một vòng đời (TCO – total cost of ownership) thông qua nâng cao hiệu suất UPS, giảm chi phí bảo trì, giúp hệ thống vận hành “xanh hơn” đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường ngày càng khắt khe. TCO(*) - Tổng chi phí sở hữu là khái niệm cho phép người dùng có thể đánh giá hoàn chỉnh chi phí của một hệ thống bao gồm chi phí đầu tư ban đầu (mua thiết bị và dịch vụ cơ bản) và các chi phí vận hành về sau (gồm các chi phí năng lượng, chi phí bảo hành, chi phí gián đoạn). Vì thế, nếu chúng ta chỉ dựa vào chi phí đầu tư ban đầu thấp mà không tính đến các chi phí sử dụng trong dài hạn, thì có thể làm tăng tổng chi phí sở hữu. Ngược lại, các sản phẩm chất lượng tốt tuy giá thành ban đầu cao nhưng đi kèm với các linh kiện vật tư chất lượng, chế độ bảo hành vượt trội sẽ đảm bảo thời gian sử dụng lâu dài, giúp giảm chi phí TCO trên tổng thể.

    Trong giai đoạn 1960-1980, công nghệ bán dẫn SCR được sử dụng để tạo ra các UPS có ngõ ra sóng sin theo dạng sóng vuông nên có nhiều mức hài lớn, hiệu suất thời điểm đó khoảng 85%. Đến năm 1992, công nghệ bán dẫn IGBT được giới thiệu trên thị trường và nhanh chóng thay thế cho hệ thống bán dẫn SCR. Với công nghệ IGBT, hiệu suất của UPS được nâng lên đến 94%.

    Năm 2008, bên cạnh IGBT, công nghệ điều chế sóng sin 3 cấp (3-level) được sử dụng, kết hợp cùng các yếu tố cắt giảm biến thế bên trong UPS đã giúp bộ lưu điện có thể đạt được hiệu suất đến 97% (trong một số điều kiện). Một số nhà sản xuất bán dẫn Nhật Bản đã phát triển công nghệ bán dẫn SiC từ những năm 1990 và bắt đầu áp dụng cho các hệ thống UPS của mình. Cho đến năm 2015, với sự áp dụng của công nghệ bán dẫn mới SiC thay thế cho IGBT, cuộc đua của hiệu suất UPS đã đạt đến ngưỡng 98.6% ở chế độ vận hành bình thường (VFI).

     
    II. Cấu tạo của UPS điển hình


    1. Inverter

     Phần tử công nghệ nghịch lưu sử dụng bán dẫn để chuyển đổi nguồn điện từ điện một chiều sang nguồn điện xoay chiều (DC qua AC).

    2. Rectifier

     Phần tử công nghệ chỉnh lưu sử dụng bán dẫn để chuyển đổi điện từ xoay chiều qua nguồn 1 chiều.

    3. Battery

     Ắc quy/pin lưu trữ điện năng. UPS sẽ sử dụng ắc quy để có thể cấp điện ra khi nguồn điện đầu vào bị mất.

    4. Charger

     Là một dạng của Rectifier với công suất nhỏ hơn được thiết kế riêng để nạp ắc quy.

    5. Hiệu suất UPS online

     Số đo được tính bằng % quy đổi sự tổn thất của UPS trong chế độ vận hành bình thường (online). Thông thường hiệu suất này sẽ tính bằng công suất ngõ ra chia cho công suất ngõ vào. Sự chênh lệch thiếu hụt chính là tổn thất của UPS (tỏa nhiệt hoặc chi cho các thiết bị phụ trợ: quạt, điều khiển…).

    6. Chế độ Online Double Conversion

     Chế độ vận hành trong đó UPS sẽ chuyển đổi nguồn hai lần. Lần đầu tiên là nguồn điện ngõ vào được Rectifier chuyển đổi thành điện một chiều, và lần thứ hai là Inverter sẽ chuyển đổi từ điện một chiều thành điện xoay chiều ngõ ra. Nhờ Inverter, UPS tạo ra nguồn điện với chất lượng điện áp, tần số chính xác cao; độc lập với ngõ vào.

    7. Chế độ nối tắt (Bypass)

     Thông qua một khối mạch điện tử, bypass sẽ nối thẳng điện ngõ ra với điện ngõ vào. Sử dụng chế độ bypass khi chế độ online gặp sự cố hư hỏng các khối điều khiển, inverter, rectifier hoặc khi cần bảo trì sửa chữa. Chế độ này không có sự chuyển đổi dòng điện nên gây tổn hao rất ít trên khối mạch, do đó hiệu suất có thể đạt trên 97% thậm chí 99%. Tuy nhiên chất lượng điện áp, tần số sẽ bị ảnh hưởng một phần.

     
    III. Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất UPS


    1. Phương pháp tính

     Tính toán dựa trên chuyển đổi, nghĩa là chỉ tính dựa vào tổn thất trên IGBT hoặc chỉ tính UPS không bao gồm các tổn thất trên các linh kiện khác như tụ, quạt… hoặc tính toán hiệu suất toàn phần dựa trên tổng ngõ ra UPS chia cho tổng ngõ vào. Thông thường, số liệu hiệu suất chuyển đổi 94% thì hiệu suất toàn phần của UPS sẽ tầm khoảng 90-92%. Hiệu suất toàn phần mới là con số phản ánh đúng nhất về hiệu suất của UPS và là số liệu có ý nghĩa nhất.

    2. Mức tải của UPS

     Hiệu suất UPS thay đổi theo mức tải sử dụng, vì vậy mỗi UPS sẽ có hiệu suất khác nhau. Thông thường, nếu mức tải nằm trong khoảng 50-70% công suất thiết kế thì UPS có hiệu suất cao nhất và các nhà sản xuất thường sẽ khai báo hiệu suất này. Các số liệu tương ứng với mức tải từ 25%, 50%, 70%, và 100% sẽ có ý nghĩa đánh giá cao nhất về hiệu suất UPS. Trong đó, cần đặc biệt lưu ý các dữ liệu mức tải từ 25-50% vì UPS sẽ thường hoạt động ở mức tải này trong chế độ hoạt động dự phòng.    
      

     Hiệu suất UPS SiC ở các mức tải khác nhau

    3. Mức độ “lão hóa” của các linh kiện thiết bị

     Các bộ phận của UPS thường xuyên bị hao mòn như tụ điện, quạt… cần được thay thế trước hạn vòng đời. Vì vậy, duy trì một công tác bảo trì và thay thế theo quy định của các nhà sản xuất là điều cần thiết, giúp ổn định hiệu suất và toàn bộ hệ thống theo thời gian.

    Chúng ta phải tính toán mức tải ban đầu và lâu dài về sau, lựa chọn công suất UPS và mức mở rộng phù hợp để có hiệu suất cao nhất. Lý tưởng nhất là trang bị UPS có hiệu suất rất cao từ mức tải thấp đến 15% để mở rộng tối đa; đồng thời UPS phải có tuổi thọ cao và chất lượng linh kiện ít suy hao theo thời gian.

     
    IV. Các công nghệ nâng cao hiệu suất UPS

     

    1. Thay đổi chế độ làm việc UPS:

    Các nhà sản xuất tập trung thiết kế UPS có thêm các chế độ vận hành tiết kiệm năng lượng (Eco mode, Econversion, Energy Booster …) bằng cách ngừng các hoạt động sạc ắc quy, chạy trực tiếp điện lưới qua đường bypass, hoặc chạy chế độ tự tắt bớt các mô–đun UPS để UPS rơi vào đường hiệu suất cao.

    Ngoài ra, một số nhà sản xuất cắt bỏ hoàn toàn không sử dụng ắc quy bằng cách: Chuyển qua sử dụng siêu tụ để lưu điện, sử dụng bánh đà năng lượng (Fly Wheel) hoặc sử dụng mô hình tích hợp UPS với máy phát điện – DRUPS. Bằng cách này, hệ thống UPS sẽ không cần chuyển đổi điện từ AC qua DC.

    Nhược điểm: Phương thức này đòi hỏi người sử dụng phải làm quen với các quy trình vận hành và bảo trì phức tạp, đánh đổi chất lượng điện áp không thật sự tốt để nâng cao hiệu suất hệ thống.

    2. Thay đổi cấu trúc UPS:

    Các nhà sản xuất sử dụng công nghệ module, trong đó cả khối UPS được chia nhỏ thành các module và UPS sẽ tự động vận hành các module này theo mức tải và độ dự phòng hợp lý nhằm duy trì hiệu suất UPS cao nhất. Phương thức này giúp cho hiệu suất có thể đạt đến 96%.

    Nhược điểm: Phương thức này đòi hỏi người dùng phải sử dụng các hệ khung UPS kiểu module ngay từ đầu với chi phí cao vượt trội. Ngoài ra, do sử dụng khung UPS nên vấn đề tương thích các module mở rộng về sau đòi hỏi hãng UPS phải có rất nhiều kinh nghiệm trong thiết kế vì các thành phần liên quan đến khung hầu như khó sửa chữa và thay đổi.

    3. Thay đổi công nghệ điều chế sóng điện:

    Các nhà sản xuất chuyển đổi UPS sử dụng công nghệ điều chế 2 cấp lên 3 cấp hoặc 4 cấp giúp cho việc chuyển đổi của Rectifier và Interter ít bị hao tổn hơn. Công nghệ này giúp nâng cao hiệu suất UPS toàn phần lên trên 95% nên đang được các nhà sản xuất ưa chuộng vì đem lại hiệu quả tốt.

    Nhược điểm: Các hệ thống UPS kiểu cũ sẽ không thể nâng cấp và buộc phải đưa vào quy trình ngừng sản xuất, gây rủi ro cho các khách hàng đang sử dụng.

     So sánh dạng sóng điện giữa công nghệ IGBT 2 cấp và 3 cấp

    4. Thay đổi công nghệ linh kiện có hiệu suất cao hơn

    a. Công nghệ IGBT

    Để nâng cao hiệu suất của UPS, các phòng nghiên cứu công nghệ bán dẫn của một số nhà sản xuất Nhật Bản, trong đó có Mitsubishi Electric đã chuyển qua nghiên cứu sử dụng các linh kiện có hiệu suất và tuổi thọ cao hơn trong các khối Inverter và Rectifier. Cụ thể, công nghệ SiC (cấu trúc Silic -Carbide) để thay thế cho công nghệ bán dẫn IGBT thông thường (cấu trúc Silic đơn) đang được sử dụng trong các hệ thống UPS hiện nay. Còn công nghệ SiC (Gốm Silic nano) là một trong những phát minh quan trọng về công nghệ vật liệu trong thế kỷ 20. SiC có đặc điểm nổi bật như độ bền cao, nhẹ, chịu mài mòn siêu tốt, ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống ổ lót, vật liệu chịu nhiệt tiên tiến hiện nay.: 

     Cấu trúc dẫn điện bán dẫn SI Mosfet và SIC Mosfet

    Khi sử dụng vật liệu mới này trong công nghệ bán dẫn, hệ thống SiC có mức dẫn điện tổn hao chỉ bằng 1/10 so với công nghệ bán dẫn IGBT hay dùng trong UPS. Bên cạnh đó, ở chế độ “khóa”, mức năng lượng xuyên qua cao gấp 3 lần so với IGBT thông dụng, cho phép khóa triệt để và mức dòng rò rỉ cũng thấp hơn 3 lần so với các hệ IGBT thông thường. Nhờ vậy, khi SiC được sử dụng trong các linh kiện điện tử, mức tổn hao trên linh kiện có thể giảm hơn 74% so với những linh kiện IGBT có chất lượng tốt nhất.

    Tổn hao năng lượng giữa SUMMIT UPS và UPS khác


     b. Tụ điện

    Một trong những cải tiến đáng kể trong việc nâng cao hiệu suất của UPS là hệ thống tụ điện trong UPS. Bởi trong thiết kế cấu tạo UPS, tụ điện đóng vai trò rất quan trọng trong các mạch điều chỉnh điện áp tần số. Theo thời gian, các tụ điện sẽ bị lão hóa, rò rỉ, hư hỏng nhanh chóng do hoạt động liên tục và chịu tác động bởi nhiệt độ bên trong UPS. Đặc biệt,  khi gặp các môi trường nhiệt độ cao, tuổi thọ tủ điện chỉ còn khoảng 5-7 năm. Do vậy, các hệ thống UPS sẽ cần được thay thế định kỳ hệ thống tụ điện này để duy trì hiệu suất cao và tính ổn định của hệ thống theo chu kỳ 5-7 năm thay một lần với chi phí cao về cả dịch vụ và giá thành.

    Với các công nghệ vật liệu mới, các hệ thống tụ điện có tuổi thọ cao ra đời giúp hệ thống UPS có thể chạy liên tục trong suốt vòng đời mà không cần phải thay thế tụ điện. Việc sử dụng các tụ điện có tuổi thọ 15 năm, quạt giải nhiệt có tuổi thọ cao, ít tổn hao là xu hướng mới nhất hiện nay, giúp các hệ thống UPS đời cũ vẫn có thể cải thiện hiệu suất vận hành từ mức tải rất thấp đến mức tải cao lên đến trên 98%

    Phân tích TCO giữa Summit SiC UPS và một số loại UPS khác trong ứng dụng thực tế tại 25% tải công suất 500KVA cho thấy, Summit UPS có thể đem lại mức hoàn vốn chỉ trong thời gian ngắn sau khi đi vào vận hành, đồng thời có thể tiết kiệm hơn 122,635 USD chỉ trong vòng 15 năm (khi so sánh với các công nghệ IGBT mới nhất hiện nay)

    V.  Kết luận


    Tổ chức IEEE và Cơ quan quản lý năng lượng Mỹ đã nhận định trong thế kỷ 21, công nghệ SiC sẽ tạo ra cuộc cách mạng mới trong lĩnh vực công nghiệp điện tử và hàng tỉ đô la sẽ được tiết kiệm nhờ vào công nghệ này.

    Với xu hướng sử dụng công nghệ bán dẫn SiC, cuộc đua trong lĩnh vực hiệu suất UPS sẽ có thể ngừng lại trong thế kỷ 21 với ngưỡng hơn 98.6% (gần chạm mức 100%), việc tiết kiệm thêm khoảng 1.4% là gần như bất khả thi với cấu trúc UPS hiện tại. Kết hợp với việc sử dụng các linh kiện có tuổi thọ cao trong UPS như tụ điện siêu bền trên 15 năm, các công nghệ này có thể giải quyết được vấn đề hiệu suất UPS mà không cần các cải tiến điều khiển, giúp cho hệ thống UPS có thể tồn tại gần cuối cả vòng đời 15 năm mà vẫn duy trì được hiệu suất cao.

    So sánh công nghệ Si và SiC
    Chia sẻ:
    Bài viết khác:
    Zalo
    Hotline