Moduły bateryjne w systemach zasilania gwarantowanego (UPS)

dr inż. Karol Bednarek
EVER Sp. z o.o.

 

MODUŁY BATERYJNE W SYSTEMACH ZASILANIA GWARANTOWANEGO (UPS)

 

 

 

WPROWADZENIE


Poprawność i bezpieczeństwo pracy urządzeń elektrycznych, elektronicznych oraz informatycznych jednoznacznie związane są z jakością energii w układach zasilania elektrycznego. Powszechność funkcjonowania odbiorników nieliniowych (często pracujących impulsowo) bądź dynamicznie przełączanych dużych obciążeń sprzyja powstawaniu zaburzeń we wspólnych sieciach zasilających. Występowanie stanów awaryjnych lub przeciążeń w systemie elektroenergetycznym, jak również oddziaływanie losowych niekorzystnych czynników atmosferycznych wywołuje powstawanie przerw w dostawach energii. Oddziałujące zaburzenia bądź przerwy w zasilaniu odbiorników mogą prowadzić do utraty przetwarzanych informacji i danych, przegrzewania się, a w konsekwencji uszkodzeń podzespołów lub urządzeń, powstawania dodatkowych strat mocy, przestojów w pracy systemów itp. Pociąga to za sobą zazwyczaj poważne w skutkach straty ekonomiczne bądź zasobowe (informacyjne). 
 

Zabezpieczeniem technicznym przed powstaniem wspomnianych niepożądanych efektów jest zastosowanie systemów zasilania gwarantowanego (UPS). W przypadku wystąpienia nieprawidłowości bądź przerw w dostarczaniu energii umożliwiają one podtrzymanie zasilania wrażliwych odbiorników w określonym (założonym) czasie (do chwili rozładowania zasobników energii). Ważnym elementem w takich sytuacjach jest właściwy dobór zasobników energii w tych systemach, dzięki czemu można uzyskać oczekiwany, indywidualnie dobierany czas podtrzymania zasilania urządzeń [1-5]. 
 

Zespoły odpowiednio połączonych zasobników, pozwalające na gromadzenie wymaganych ilości energii, nazywane są modułami bateryjnymi. Wprowadzenie sprzętowej (technicznej) możliwości podłączenia większej liczby modułów bateryjnych w systemach zasilania gwarantowanego pozwala uzyskać selektywność (możliwość wydłużania) czasów pracy autonomicznej, czyli podtrzymania zasilania odbiorników w trybie rezerwowym (bateryjnym). Na rys. 1 przedstawiono przykładowe zespoły akumulatorów wewnętrznego modułu bateryjnego w UPS EVER POWERLINE GREEN 33, którego analizy czasów podtrzymania zasilania w zależności od pojemności zastosowanych modułów bateryjnych zamieszczono w dalszej części pracy.

Zespoły zasobników energii (wewnętrzny moduł bateryjny) w UPS EVER POWERLINE GREEN 33

Rys. 1. Zespoły zasobników energii (wewnętrzny moduł bateryjny) w UPS EVER POWERLINE GREEN 33

 

SYSTEMY ZASILANIA GWARANTOWANEGO (UPS)

 

Podstawowym zadaniem systemów zasilania gwarantowanego (Uninterruptible Power Systems - UPS) jest bieżące monitorowanie stanu napięcia sieciowego i na tej podstawie takie zarządzanie energią z sieci, energią zgromadzoną w akumulatorach oraz blokami funkcjonalnymi zasilacza UPS, aby zapewnić jak najkorzystniejsze warunki zasilania zabezpieczanych odbiorników, a w przypadku nieprawidłowości lub zaniku napięcia sieciowego podtrzymać zasilanie odbiorników w określonym czasie, umożliwiającym bezpieczne zakończenie realizowanych procesów [1-5]. 

 

UKŁADY ZASOBNIKÓW ENERGII


Zasobniki (magazyny) energii elektrycznej są układami związanymi z gromadzeniem energii w różnej postaci (w zależności od ich rozwiązań technicznych). Może się to odbywać poprzez zamianę energii elektrycznej na inny rodzaj energii (mechaniczną, chemiczną) albo akumulowanie energii w polu elektrycznym lub magnetycznym [1-3]. W pożądanym momencie następuje przetwarzanie zgromadzonej energii i jej dostarczenie (oddanie) do odbiorników w postaci energii elektrycznej o założonych parametrach. Wykorzystanie zasobników energii związane jest głównie z zagadnieniami prawidłowości pracy systemu elektroenergetycznego (wyrównywaniem obciążeń bądź buforowaniem energii, szczególnie pochodzącej ze źródeł odnawialnych), z zasilaniem systemów mobilnych, takich jak np. sprzęt powszechnego użytku, przenośne urządzenia medyczne, sprzęt teleinformatyczny, a także z funkcjonowaniem układów zasilania gwarantowanego (których główną grupę stanowią zasilacze UPS).

 

Jako zasobniki energii rozpatruje się [3]:

 

a) pneumatyczne magazyny energii – w których energia magazynowana jest w postaci sprężonego gazu (powietrza), a następnie przy użyciu generatorów i przekształtników energoelektronicznych przetwarzana na energię elektryczną; przy wykorzystaniu naturalnych zbiorników podziemnych umożliwiają gromadzenie bardzo dużych energii; ich sprawność jest rzędu 60-80%, a trwałość około 20-40 lat; rozpatrywane są jako alternatywa dla elektrowni szczytowo-pompowych;

 

b) elektrownie szczytowo-pompowe – energia elektryczna zamieniana jest w nich na energię potencjalną wody przepompowywanej z dolnego do górnego zbiornika, a następnie (w chwilach zapotrzebowania) energia masy wody zamieniana jest w generatorze na energię elektryczną i oddawana do odbiorników; szacowany czas eksploatacji wynosi 30-50 lat, a sprawność około 80%; magazynowane są w nich bardzo duże energie przy dużych gęstościach mocy; stosowane są w systemach elektroenergetycznych w celu optymalizacji zarządzania energią; 

 

c) kinetyczne zasobniki energii – w których energia jest gromadzona w ruchu obrotowym mas wirujących, a użytkowana w postaci energii elektrycznej przy wykorzystaniu generatorów i przekształtników energoelektronicznych; mogą przetwarzać duże moce, lecz gromadzone są w nich mniejsze ilości energii; mają wysoką sprawność (przekraczającą 90%), a czas eksploatacji rzędu 20 lat; wadą jest ich kosztochłonność;

 

d) ogniwa paliwowe – generują energię elektryczną w rezultacie zachodzących elektrochemicznych reakcji utleniania dostarczanego paliwa; paliwo (wodór w mieszaninie lub stanie czystym) jest doprowadzane do anody, natomiast utleniacz (tlen w stanie czystym lub mieszaninie – powietrze) do katody; w efekcie zachodzących reakcji chemicznych powstają: energia elektryczna, woda i ciepło; mają dużą gęstość energii, uzyskiwane są moce do MW, osiągają sprawności rzędu 40÷60%, a czas nieprzerwanej eksploatacji szacowany jest na kilkaset do 10 tysięcy godzin; mankamentami w ich wykorzystaniu są bardzo wysokie koszty technologiczne i materiałowe, trudności w produkcji i przechowywaniu wodoru oraz wrażliwość na zanieczyszczenia;

 

e) nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii – ma w nich miejsce magazynowanie energii w polu magnetycznym cewek indukcyjnych wykonanych z nadprzewodników; posiadają małe gęstości energii, ale zdolne są do przenoszenia dużych mocy (rzędu MW), osiągają bardzo duże sprawności (dochodzące do 95%) oraz długie czasy eksploatacji (do 30 lat); są rzadko wykorzystywane w praktyce z powodu wysokich kosztów elementów nadprzewodnikowych oraz niezbędnego dla ich funkcjonowania chłodzenia;

 

f) wtórne ogniwa elektrochemiczne – akumulatory – energia elektryczna jest w nich gromadzona w postaci energii chemicznej; wartość wytwarzanego napięcia zależy od rodzaju elektrolitu i materiałów elektrod; zachodzące w nich procesy chemiczne są odwracalne, dzięki czemu można na przemian akumulować i oddawać energię; korzystnym parametrem w ich przypadku jest gęstość energii (zdolność do jej gromadzenia) sięgająca 100 Wh/kg, natomiast mankamentem jest niewielka gęstość mocy (rzędu 100 W/kg), decydująca o wartościach prądów ładowania i rozładowania, a zatem szybkości przywracania gotowości do pracy po rozładowaniu; słabym ich punktem jest też niska żywotność (poniżej 2000 cykli ładowanie-rozładowanie bądź rzędu 5 lat – w specjalnych wykonaniach deklarowana jest do 15 lat, ale zawsze zastrzega się, że są to trwałości projektowane przy użytkowaniu w ściśle określonych warunkach – małe prądy użytkowe, stabilna temperatura 25 °C, itp.), sprawność tych źródeł także nie jest wysoka (rzędu 70-80%);

 

g) superkondensatory – w których energia gromadzona jest w polu elektrycznym; nie zachodzą w nich reakcje chemiczne, lecz następuje przemieszczenie ładunków elektrycznych; mają nieco mniejszą gęstość energii (ok. 10 Wh/kg), natomiast bardzo dużą gęstość mocy (rzędu 10000 W/kg), wysoką trwałość (szacowaną na 20 lat lub ok. 1000000 cykli ładowanie-rozładowanie), wysoką sprawność (nawet przekraczającą 95%), szeroki zakres temperatur pracy (–40 ÷ 65 °C), małą degradację własności użytkowych przy wielokrotnym ładowaniu i rozładowaniu oraz wiele innych zalet [2,3]; wadą jest ich wysoka cena.

 

W urządzeniach powszechnego użytku, systemach mobilnych, jak również w zasilaczach bezprzerwowych UPS wykorzystywane są głównie akumulatory. Bardzo ciekawym, wysoko sprawnym, trwałym i przyszłościowym zasobnikiem energii są superkondensatory, które przez profesjonalnych producentów UPS już obecnie są wykorzystywane i oferowane użytkownikom układów zasilania bezprzerwowego. 

 

MODUŁY BATERYJNE W UPS


Jednym z najistotniejszych parametrów funkcjonalnych w systemach zasilania gwarantowanego jest czas podtrzymania zasilania w trybie pracy rezerwowym (bateryjnym). Związany jest on z doborem i pracą magazynów energii.

 
Zwielokrotnienie gromadzonej energii, a w efekcie wydłużenie czasu podtrzymania zasilania w trybie pracy rezerwowym (buforowym), uzyskuje się przez równoległe podłączenie dodatkowych modułów bateryjnych (układów zasobników energii). 


Poprawność doboru modułów bateryjnych wynika z klasycznych zasad elektrotechniki. W przypadku równoległego łączenia źródeł napięcia zasadne jest przestrzeganie prawidłowości, że łączone źródła powinny mieć takie same parametry (napięcia źródłowe oraz rezystancje wewnętrzne). W przypadku równoległego połączenia źródeł napięcia o różnych parametrach – nawet przy braku podłączenia obciążenia – między źródłami przepływałyby prądy wyrównawcze (ponieważ równolegle połączone źródła tworzą zamknięte obwody elektryczne), w rezultacie czego powstawałyby straty energii, wydzielające się w rezystancjach wewnętrznych źródeł. Straty te są zamieniane na ciepło, a zatem byłoby to przyczyną wzrostu temperatur zasobników energii, co w konsekwencji prowadzi między innymi do obniżenia trwałości akumulatorów. Wynika stąd, że dbałość o tożsamość parametrów łączonych równolegle zasobników energii (modułów bateryjnych) jest istotna z punktu widzenia ekonomicznego (koszty eksploatacyjne związane z powstałymi stratami mocy oraz obniżeniem trwałości akumulatorów), jak również technicznego (prawidłowa współpraca łączonych źródeł energii). Należy ponadto mieć na uwadze, że podczas szeregowego łączenia akumulatorów (jako zasobników energii) nie ulega zmianie ich pojemność elektryczna, natomiast zmienia się wartość napięcia wyjściowego. Łączenie równoległe akumulatorów powoduje zmianę wypadkowej pojemności elektrycznej, z czym powiązana jest również zmiana prądów ładowania układu.


Właściwy dobór modułów bateryjnych umożliwia uzyskanie wymaganych przez użytkownika czasów podtrzymania zasilania awaryjnego i dzięki temu zapewnienie niezbędnej ochrony zabezpieczanego osprzętu.

 

PARAMETRY UŻYTKOWE MODUŁÓW BATERYJNYCH


Podczas doboru modułów bateryjnych należy zwrócić szczególną uwagę na tożsamość ich parametrów napięciowych oraz zachowanie możliwie najmniejszych różnic w rezystancjach wewnętrznych. Wyjściowe napięcie znamionowe związane jest z liczbą szeregowo połączonych akumulatorów w łańcuchu (stringu), a w pewnym stopniu zależy również od parametrów zastosowanych akumulatorów (różnice wytwórcze). Z przedstawionych względów zaleca się, aby wykorzystywane moduły bateryjne były tego samego producenta. 
Ograniczenia liczby równolegle łączonych modułów bateryjnych są uwarunkowane współpracą układu ładowania zasilacza bezprzerwowego z modułami bateryjnymi i są określane przez producenta UPS.


Temperatury pracy i przechowywania modułów bateryjnych wynikają z własności funkcjonalnych zastosowanych w nich zasobników energii. W przypadku akumulatorów przyjmuje się, że każde trwałe zwiększenie temperatury pracy o 8 ÷ 10 °C powyżej temperatury znamionowej powoduje skrócenie ich żywotności o 50%. Funkcjonowanie w niższych temperaturach od znamionowej wpływa na zmniejszenie pojemności akumulatorów, zwiększenie ich rezystancji wewnętrznej, zmniejszenie wytwarzanego napięcia źródłowego, obniżenie się zdolności rozruchowej oraz zdolności do przyjmowania ładunku. Wad tych nie mają superkondensatory – mogą pracować w szerokim zakresie temperatur przy niewielkich zmianach ich parametrów technicznych [1-5]. Może zatem się zdarzyć, że czynniki cieplne mogą wpływać na decyzję o wyborze rodzaju zasobnika energii w modułach bateryjnych.


Deklarowane dopuszczalne wilgotności w czasie pracy oraz przechowywania wynikają z utrzymania określonych warunków technicznych, związanych z prądami upływu (samorozładowania), utrzymywaniem zgromadzonej energii oraz dotrzymaniem wymagań w zakresie bezpieczeństwa elektrycznego.


Ze względu na ilość zastosowanych akumulatorów, posiadających znaczną masę, należy zwrócić uwagę na ciężar stosowanych modułów bateryjnych, a w konsekwencji na uwzględnienie właściwego przygotowania podłoża w pomieszczeniach, w których będą rozlokowane.
Czasy powrotu gotowości modułów bateryjnych do ponownej pracy po rozładowaniu zależą od rodzaju zastosowanych zasobników energii oraz możliwości technicznych układu ładowania (stosowanych prądów ładowania). W przypadku akumulatorów (z uwagi na ich własności funkcjonalne) czasy ładowania wahają się w granicach od kilku do kilkunastu godzin. Ewidentnie korzystniejszym rozwiązaniem w tym względzie są superkondensatorowe moduły bateryjne, w których czas uzupełniania energii jest najczęściej krótszy od 5 minut (i zależy głównie od możliwości technicznych ładowarki, ponieważ w superkondensatorach można zazwyczaj stosować wyższe prądy ładowania niż oferowane przez zainstalowany osprzęt). 


Najistotniejszym użytkowo parametrem modułów bateryjnych jest jednak czas, w jakim do zabezpieczonych odbiorników dostarczana jest energia w przypadku zaników bądź nieprawidłowych parametrów napięcia sieciowego, czyli w trybie rezerwowym (bateryjnym) UPS. Związany jest on z ilością zmagazynowanej energii w układach zasobników, czyli w podłączonych modułach bateryjnych. Czasy podtrzymania zasilania odbiorników (dla określonych mocy obciążenia) w zależności od liczby zastosowanych modułów bateryjnych (łącznej pojemności elektrycznej baterii) można odczytać z charakterystyk, z tabel załączonych w dokumentacjach technicznych bądź bazując na tzw. kalkulatorach zasilania – specjalnie opracowanych przez producentów programach obliczeniowych. W laboratoriach producentów czasy te wyznaczane są podczas badań fizycznych.

 

WYNIKI PRZEPROWADZONYCH BADAŃ

W pracy dokonano analiz czasów podtrzymania zasilania odbiorników w trybie rezerwowym zasilacza EVER POWERLINE GREEN 33 o mocy wyjściowej 20 kVA / 16 kW w zależności od pojemności elektrycznej (ilości) zastosowanych modułów bateryjnych dla obciążeń odpowiednio: 100%, 75% oraz 50% maksymalnej mocy wyjściowej. Uzyskane rezultaty zamieszczono na rys. 2.

 

Zależność czasów podtrzymania zasilania w zależności od pojemności elektrycznej (ilości) zastosowanych modułów bateryjnych współpracujących z zasilaczem EVER POWERLINE GREEN 33, przy różnych mocach obciążenia

Rys. 2. Zależność czasów podtrzymania zasilania w zależności od pojemności elektrycznej (ilości) zastosowanych modułów bateryjnych współpracujących z zasilaczem EVER POWERLINE GREEN 33, przy różnych mocach obciążenia

 

UWAGI I WNIOSKI


Od własności funkcjonalnych zastosowanych modułów bateryjnych (czyli zespołów magazynów energii) zależą jakość i efekty pracy systemów zasilania gwarantowanego, a w konsekwencji bezpieczeństwo i warunki funkcjonowania odbiorników.


Właściwy dobór systemu zasilania gwarantowanego oraz współpracujących z nim modułów bateryjnych pozwala osiągnąć założone czasy zasilania odbiorników w przypadkach zaników lub nieprawidłowych parametrów napięcia sieciowego, co umożliwia bezpieczne zakończenie realizowanych procesów, a następnie prawidłowe, proceduralne wyłączenie odbiorników, dzięki czemu unika się powstania strat materialnych, ekonomicznych bądź przetwarzanych danych.

 

LITERATURA 

 

1. Bednarek K., Jakość, pewność i właściwa konstrukcja układu zasilania a bezpieczeństwo urządzeń elektrycznych, Elektro.info, nr 12, 2012.
2. Bednarek K., Akumulatory czy superkondensatory – zasobniki energii w UPS-ach, Elektro.info, nr 1-2, 2012.
3. Bednarek K., Kasprzyk L., Zasobniki energii w systemach elektrycznych, cz. 1 i 2, Academic Journals, Electrical engineering, No 69, Poznan University of Technology, Poznań 2012.
4. Czerwiński A., Akumulatory baterie ogniwa, WKiŁ, Warszawa 2005.
5. Opracowania wewnętrzne firmy EVER Sp. z o.o.


Opublikowane: Elektro.info, nr 4, 2013, s. 72-74

Pełny tekst artykułu znajduje się w ponizszym pliku PDF