praca hybrydowa i zasobniki energii w systemach
Transkrypt
praca hybrydowa i zasobniki energii w systemach
dr inż. Karol Bednarek - EVER Sp. z o.o. PRACA HYBRYDOWA I ZASOBNIKI ENERGII W SYSTEMACH ZASILANIA GWARANTOWANEGO (UPS) WPROWADZENIE W systemach zasilania gwarantowanego (UPS) jednym z najważniejszych parametrów użytkowych jest czas podtrzymania zasilania odbiorników w przypadku zaniku lub nieprawidłowych parametrów napięcia sieciowego. Kolejnym bardzo istotnym elementem jest czas przywrócenia gotowości do pracy UPS-a po rozładowaniu akumulatorów (czas uzupełniania energii w zasobniku) [1-3]. W produktach firmy EVER Sp. z o.o. wprowadzono innowacyjności umożliwiające znaczącą poprawę tych parametrów. Są nimi: praca hybrydowa (pozwalająca na wydłużenie czasu podtrzymania zasilania odbiorników w określonych warunkach napięcia sieciowego) oraz możliwość zastosowania superkondensatorów jako zasobników energii (dzięki czemu uzyskuje się błyskawiczne uzupełnienie ładunku po rozładowaniu zasobnika energii, czyli szybkie przywrócenie gotowości do ponownej pracy UPS-a). PRACA HYBRYDOWA W powszechnie spotykanych rozwiązaniach systemów zasilania gwarantowanego UPS on-line zakres zmian napięcia wejściowego dla pracy sieciowej (w której energia pobierana z sieci po przetworzeniu przez układ prostowniczy i falownik przekazywana jest do odbiorników, a jednocześnie jej część służy do doładowania akumulatorów – rys. 1a) jest wąski. Gdy wartość napięcia sieciowego (zasilającego UPS) przekroczy dolny lub górny próg tego zakresu, system przechodzi do trybu rezerwowego (bateryjnego – rys. 1c) i w podanym czasie do odbiorników dostarczana jest energia zgromadzona w modułach bateryjnych (przetworzona przez falownik) do chwili wyczerpania się akumulatorów. UPS firmy EVER posiadają szeroki zakres napięcia wejściowego i możliwość realizacji trybu hybrydowego (rys. 1b). W celu pokrycia mocy zapotrzebowanej przez odbiorniki (na wyjściu zasilacza) podczas zmniejszania się wartości napięcia sieciowego następuje zwiększanie prądu pobieranego z sieci, do osiągnięcia wartości Imax. W tym czasie UPS pozostaje w trybie pracy sieciowym. Po przekroczeniu wartości prądu maksymalnego dla obwodu prostownika (przy napięciu sieciowym wyższym od dolnego progu podanego szerokiego zakresu) następuje przejście UPS w tryb hybrydowy. Z sieci pobierana jest wówczas moc ograniczona maksymalnym prądem wejściowym, a pozostała część mocy zapotrzebowanej przez odbiorniki dostarczana jest z akumulatorów (z zespołów bateryjnych pobierana jest różnica mocy zapotrzebowanej i pobranej z sieci o złych 1 parametrach). Czas podtrzymania zasilania odbiorników przy pracy hybrydowej może być obliczony jak rozładowanie akumulatorów (w pracy rezerwowej), przy obciążeniu systemu tylko tą różnicą mocy. a) praca sieciowa b) praca hybrydowa c) praca rezerwowa Rys. 1. Schematy przepływu energii (bilans mocy) w poszczególnych trybach pracy UPS EVER W konwencjonalnych rozwiązaniach zamiast trybu hybrydowego realizowana jest już praca bateryjna, wówczas cała energia oddawana do odbiorników pobierana jest z akumulatorów i w efekcie ewidentnie krócej zasilane są odbiorniki. ZASOBNIKI ENERGII Zasobniki energii mają różne zakresy zastosowań [1]. Jedne nadają się do stacjonarnego gromadzenia ogromnych energii w systemach energetycznych (elektrownie szczytowo-pompowe, zasobniki pneumatyczne), inne natomiast mogą być stosowane w systemach mobilnych czy układach zasilania gwarantowanego UPS (akumulatory, superkondensatory). Superkondensatory są zasobnikami energii o charakterze eksploatacyjnym analogicznym do akumulatorów (powszechnie wykorzystywanych m. in. w UPS-ach). Głównymi mankamentami w eksploatacji akumulatorów są: długi czas uzupełniania energii (mała gęstość mocy) oraz krótka żywotność (wynikająca z uwarunkowań chemicznych). Wad tych nie mają superkondensatory. Największą ich zaletą jest duża gęstość mocy (rzędu 100-krotnie wyższa niż w akumulatorach, sięgająca 10000 W/kg), świadcząca o możliwościach poboru z tych źródeł bardzo dużych energii w krótkim czasie, a zatem stosowania bardzo dużych prądów ładowania i rozładowania. Związane jest to w efekcie z osiąganiem krótkich czasów uzupełniania gromadzonej energii (rzędu kilku minut), czyli znacznej szybkości uzyskiwania gotowości do ponownej pracy po rozładowaniu. Ponadto mają małą rezystancję wewnętrzną i mały prąd upływu, czyli znikome wewnętrzne straty energetyczne, wysoką sprawność (nawet przekraczająca 95%), bardzo dużą żywotność (ponad 20 lat lub 1000000 cykli ładowania-rozładowania), mogą pracować w szerokim zakresie temperatur (-40˚C ÷ 65˚C). Niewielka jest degradacja ich własności użytkowych przy wielokrotnym ładowaniu i rozładowaniu oraz znikoma szkodliwość dla środowiska. Największą wadą superkondensatorów jest 2 bardzo wysoka cena, co wraz z burzliwym rozwojem nanotechnologii oraz masowej produkcji może szybko ulec zmianie. Korzystniejszym parametrem w akumulatorach niż w superkondensatorach jest gęstość energii (zdolność do gromadzenia energii). W bateriach elektrochemicznych jest ona na poziomie 100 Wh/kg, a w ultrakondensatorach jest około dziesięciokrotnie mniejsza. Więcej szczegółów dotyczących tych zasobników energii przedstawiono w pracach [1,2]. WYNIKI BADAŃ I ANALIZ Jako uzasadnienie przedstawionych wcześniej rozważań dokonano obliczeń szacunkowych czasów podtrzymania zasilania odbiorników przez system UPS podczas wystąpienia nieprawidłowości napięcia sieciowego (przekroczenie dolnej wartości klasycznego zakresu napięciowego) dla przypadków: rozwiązania konwencjonalnego UPS (praca rezerwowa) oraz UPS EVER POWERLINE GREEN 20 kVA (praca hybrydowa). Obliczenia zrealizowano dla wartości napięcia: 150 V oraz 110 V (w konwencjonalnych systemach przy takich wartościach realizowana jest praca rezerwowa). Uzyskane wyniki zamieszczono na rys. 2. Analizy porównawcze i eksploatacyjnych w czasów podtrzymania przypadkach zastosowania oraz w globalnych systemach kosztów zasilania inwestycyjnych gwarantowanego akumulatorów a superkondensatorów przedstawiono w pracach [1,2]. Rys. 2. Szacowane czasy podtrzymania zasilania odbiorników przez zasilacz bezprzerwowy w zależności od mocy obciążenia dla: pracy rezerwowej (bateryjnej) przy pojemności akumulatorów (a) 7 Ah oraz (b) 9 Ah; pracy w trybie hybrydowym UPS EVER przy wartości napięcia sieciowego 110 V i pojemności akumulatorów (c) 7 Ah oraz (d) 9 Ah; pracy w trybie hybrydowym UPS EVER przy wartości napięcia sieciowego 150 V i pojemności akumulatorów (e) 7 Ah oraz (f) 9 Ah 3 UWAGI I WNIOSKI Z przeprowadzonych rozważań wynika jednoznacznie, że dzięki realizacji trybu hybrydowego (szerokiego okna zakresu zmian napięcia wejściowego) osiąga się znaczne wydłużenie czasu pracy autonomicznej (funkcjonowania w trybie rezerwowym) dla określonego przedziału zmian parametrów napięcia sieciowego oraz wydłużenie trwałości eksploatowanych akumulatorów (dzięki częściowemu odciążeniu pracy akumulatorów podczas trybu hybrydowego przez dostarczanie części energii z układu prostowniczego). Bardzo korzystnym magazynem energii w wielu systemach elektrycznych mogą być baterie superkondensatorów. Wielką ich zaletą jest ogromna szybkość uzupełniania energii (ładowania), ale również szczególnie korzystne parametry użytkowe i środowiskowe. Nowoczesnym, optymalnym rozwiązaniem układu buforowania energii, wysoce zasobnym i gotowym do dynamicznych warunków eksploatacji źródeł, poprawiającym sprawność ogólną oraz trwałość systemu zasilania jest zastosowanie łączonego układu zasobników energii, składającego się z równolegle pracujących akumulatorów i superkondensatorów. LITERATURA 1. Bednarek K., Akumulatory czy superkondensatory – zasobniki energii w UPS-ach, Elektro.info, nr 1-2, 2012. 2. 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. 3. Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, seria Zeszyty dla elektryków - nr 4, DW MEDIUM, W-wa, 2008. Opublikowane: Elektro.info, nr 1-2, 2013, s. 72-73. 4