moduły bateryjne w systemach zasilania

dr inż. Karol Bednarek - Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej
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
rozładowania
(założonym)
czasie
zasobników
(do
energii).
chwili
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
Rys. 1. Zespoły zasobników energii
(wewnętrzny moduł bateryjny)
w UPS EVER POWERLINE GREEN 33
1
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.
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
2
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 ładowanierozładowanie), wysoką sprawność (nawet przekraczającą 95%), szeroki zakres temperatur pracy
3
(–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.
4
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).
5
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
t [ min ]
50% maksymalnej mocy wyjściowej. Uzyskane rezultaty zamieszczono na rys. 2.
450,0
100% Pmax
75% Pmax
50% Pmax
400,0
350,0
300,0
250,0
200,0
150,0
100,0
50,0
0,0
7
14
21
28
35
42
49
56
63
70
77
84
91
98 105
Cn [ Ah ]
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
6
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
7