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

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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

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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

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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

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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

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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。

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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

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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

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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)

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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)

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節能績效分享

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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

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報 告 結 束

Q＆A