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