Magazynowanie energii w zasilaczach UPS

Czas nieprzerwanego zasilania podczas przerwy w dostawie energii z sieci elektroenergetycznej jest uzależniony od pojemności zastosowanych akumulatorów oraz zapotrzebowania mocy przez zasilane odbiorniki. W celu zapewnienia dużej dostępności i wydłużonego okresu pracy zasilacza UPS, musi być on chroniony za pomocą wydajnego systemu do przechowywania energii, który charakteryzuje się krótkim czasem ładowania, brakiem konieczności przeprowadzania częstych przeglądów konserwacyjnych oraz ciągłym monitorowaniem [1, 2].

Istotną kwestią jest wybór odpowiedniego zasilacza UPS do konkretnego przypadku, w którym ma być zastosowany. Należy przy tym uwzględnić m.in. rozmieszczenie odbiorników w obiekcie, czas podtrzymania pracy poszczególnych odbiorników, ich układ połączeń czy przeanalizować sytuacje awaryjne, okresowe wyłączenia urządzeń do przeglądów i konserwacji. Po wyliczeniu mocy zapotrzebowanej przez odbiory należy dobrać moc UPS-a, topologię jego wykonania oraz dokonać wyboru baterii akumulatorów (zasobników energii) do wymaganego czasu podtrzymania pracy odbiorników. Szczegółowe informacje dotyczące doboru zasilacza UPS przedstawiono w [2].

W celu zapewnienia bezpieczeństwa i poprawnej pracy obiektów o znaczeniu krytycznym, stawiane są wysokie wymagania zasilaczom UPS, które muszą być niezawodne i odporne na ekstremalne warunki pracy. Wymagania dotyczące zastosowania zasilaczy UPS w centrach telekomunikacyjnych oraz na potrzeby urządzeń przeciwpożarowych przedstawiono w [2, 6].

Wybrane zagadnienia związane z parametrami jakości energii elektrycznej w układach z zasilaczami UPS opisano w artykule [5], w którym odniesiono się do obowiązujących norm i wymagań, szczególnie dotyczących parametrów jakości napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych oraz wymaganych poziomów odporności urządzeń na zmiany zasilania.

Zasilacz awaryjny UPS. Magazynowanie energii

Wysoka niezawodność systemu zasilania gwarantowanego (na poziomie 99,999%) zależy głównie od jakości i typu zastosowanego zasobnika energii (najczęściej baterii akumulatorów). Doświadczenia eksploatacyjne wykazały, że najsłabszym ogniwem w systemie zasilania gwarantowanego z zastosowaniem zasilaczy UPS są baterie akumulatorów. Średni czas pomiędzy naprawami MTBF (ang. Mean Time Between Failure) zasilaczy UPS wynosi około 25 lat, podczas gdy baterie akumulatorów ulegają częstszym uszkodzeniom, powodując niezdolność zasobnika do pracy w układzie zasilania gwarantowanego [1, 2].

Na rynku dostępne są następujące rodzaje baterii [2]:

• kwasowo-ołowiowe,
• niklowo-kadmowe (NiCd),
• niklowo-wodorowe (NiMH),
• litowo-jonowe (Li-Ion),
• litowo-jonowe z elektrolitem polimerowym (Li-Ion Polimer),
• niklowo-chlorosodowe (NiNaCl).

Najbardziej rozpowszechnionym typem baterii są baterie kwasowo-ołowiowe, wykonane z dwóch elektrod umieszczonych w obudowie zalanej elektrolitem, którym jest wodny roztwór kwasu siarkowego. Materiałem aktywnym elektrody dodatniej jest dwutlenek ołowiu, natomiast elektroda ujemna pokryta jest gąbczastym ołowiem. W procesie elektrochemicznym (ładowanie i rozładowanie) powstają gazy (tlen i wodór), które wydostają się na zewnątrz obudowy. Procesy te powodują, że woda ulega odparowywaniu i konieczne jest jej uzupełnianie [2].

Jednym z rozwiązań wykorzystywanych do budowy akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest technologia VRLA (ang. Valve Regulated Lead Acid), gdzie stosowane są akumulatory o budowie zamkniętej, posiadające zawory regulowane o jednostronnym działaniu. Budowa wewnętrzna jest podobna do baterii klasycznych, jednak stosowane są tu dodatki stopowe ograniczające wydzielanie wodoru na płycie ujemnej. W bateriach tych stosuje się elektrolit o większej gęstości, który uwięziony jest w separatorze międzypłytowym wykonanym z włókna szklanego (ang. AGM – Absorbent Glass Mat) lub zestalony w całej objętości w postaci żelu na bazie krzemionki SiO. Szczelność akumulatora bezobsługowego (VRLA) zapewnia zawór podciśnieniowy, wypuszczający gazy tylko w przypadku pracy awaryjnej. Zamknięty obieg tlenu zabezpiecza akumulator przed znaczącą utratą wody w całym okresie żywotności akumulatora i dzięki temu akumulator jest bezobsługowy w zakresie uzupełniania elektrolitu [2].

Samorozładowanie baterii, które jest naturalnym procesem występującym podczas eksploatacji, zależy w dużej mierze od temperatury otoczenia. Proces ten intensyfikuje się wraz z jej wzrostem [2].

W ostatnich latach pojawiło się szereg nowych rozwiązań, pozwalających na gromadzenie energii w układach zasilania rezerwowego, co pokazano w tabeli 1. 

Urządzenia te mogą przykładowo zastąpić baterię akumulatorów w układach UPS. Są one wynikiem prowadzonych w świecie badań, mających na celu poszukiwanie nowych rozwiązań w tym zakresie. Zasadniczym celem tych poszukiwań jest opracowanie możliwie prostych metod eliminacji krótkich przerw w zasilaniu bądź krótkotrwałych zapadów napięcia [4]. Wyniki badań wskazują na to, że około 97% wszystkich przerw w zasilaniu i zapadów napięcia w sieciach rozdzielczych średniego napięcia to przerwy trwające nie dłużej niż 3 sekundy. Ich przyczyną są najczęściej wyładowania atmosferyczne i związane z tym działanie układów samoczynnego ponownego załączenia, czy też inne czynności łączeniowe w sieci. Przerwy w zasilaniu dłuższe niż 3 sekundy to jedynie 3% zakłóceń w sieci, a ich czas trwania jest zdecydowanie dłuższy, rzędu dziesiątek sekund, minut, a nawet godzin. Sytuacja taka uzasadnia potrzebę poszukiwań takich urządzeń, które nie muszą magazynować bardzo dużych ilości energii, lecz które byłyby w stanie w krótkim czasie pokryć zapotrzebowanie na znaczne wartości mocy w chwili zapadów napięcia bądź krótkotrwałych przerw w zasilaniu. Ich drugie zadanie to ciągłe wspomaganie podstawowego źródła zasilania i łagodzenie wszelkich innych zakłóceń napięcia zasilającego. Ze względu na tę cechę urządzenia te nazywane są też dynamicznymi zasobnikami energii. Są to: koła zamachowe (flywheels), superkondensatory [4, 5], nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii (Superconducting Magnetic Energy Storage – SMES).

Magazynowanie energii. Koła zamoachowe

Koła zamachowe to konstrukcje zupełnie inne od tradycyjnego zastosowania kół zamachowych w zespołach prądotwórczych. Różnica polega na tym, że w zespole prądotwórczym koło zamachowe gromadzi jedynie energię potrzebną do szybkiego rozruchu silnika wysokoprężnego, natomiast energia ta nie jest przeznaczona do zamiany na energię elektryczną w celu zasilania odbiorów. Szacuje się, że jedynie ok. 5% energii koła zamachowego jest oddawane w postaci energii elektrycznej. W kołach zamachowych, używanych jako dynamiczne zasobniki energii, energia zgromadzona jako energia kinetyczna koła jest zamieniana na energię elektryczną i przeznaczona do zasilania odbiorników w chwilach zaniku napięcia. Koło zamachowe jest sprzęgnięte z generatorem, który w czasie prawidłowej pracy sieci zasilającej pracuje jako silnik. W chwilach zaniku napięcia energia elektryczna wytwarzana w generatorze (faza pracy silnikowej) jest przekształcana na energię elektryczną o odpowiednich parametrach napięcia i częstotliwości i służy do zasilenia systemu zasilania rezerwowego. Szacuje się, że w ten sposób około 50% energii mechanicznej koła zamachowego może być wykorzystane do zamiany na energię elektryczną. Rozróżnia się dwie zasadnicze konstrukcje kół zamachowych [4]: szybkoobrotowe i wolnoobrotowe.

Koła szybkoobrotowe są wykonane ze szkła bądź z włókna szklanego lub węglowego. Materiały te są materiałami niemagnetycznymi i mają ciężar właściwy ok. 5-krotnie większy od stali. Prędkości eksploatacyjne kół szybkoobrotowych zawierają się w zakresie od 10 000 do 100 000 obrotów na minutę. Wirnik generatora jest magnesem stałym, co jest spowodowane trudnościami wykonania uzwojeń, które wytrzymywałyby działanie sił odśrodkowych przy tak dużej prędkości obrotowej. Aby ograniczyć siły tarcia, zarówno generator, jak i wirnik koła obracają się w próżni i są umieszczone w zamkniętym pojemniku. Współcześnie budowane koła szybkoobrotowe mają moce do 250 kW, z możliwością zgromadzenia energii nawet 8 MW·s [4, 5] przez czas od 1 do 60 sekund.

Koła wolnoobrotowe pracują przy prędkościach rzędu 6000 obr./min. Ze względu na mniejszą prędkość niż koła szybkoobrotowe, muszą one mieć znacznie większą masę, aby uzyskać podobne wartości magazynowanej energii. Wirniki wykonywane są w tym przypadku ze stali i przy prędkościach obrotowych rzędu 6000 obr./min. nie jest już konieczne umieszczanie całego układu w próżni. Stosuje się jednak obniżone ciśnienie otaczającego powietrza lub gaz o gęstości mniejszej niż powietrze w celu zmniejszenia sił tarcia. Generatory kół wolnoobrotowych mają wirnik uzwojony, co daje możliwość regulacji ich wzbudzenia. Jest to istotną zaletą kół wolnoobrotowych w stosunku do kół szybkoobrotowych. Moce obecnie produkowanych kół zamachowych wolnoobrotowych są rzędu 2 MW i są zdolne dostarczać energię przez czas od 1 do 60 sekund [4, 5].

Koła zamachowe wolnoobrotowe są stosowane w kombinowanych układach zasilania rezerwowego, gdzie współpracują najczęściej z zespołami prądotwórczymi. Koło jest w sposób ciągły zasilane poprzez silnik/generator napędzany energią pobieraną z sieci elektroenergetycznej, przekształcaną na odpowiednią częstotliwość i napięcie. Koło zamachowe pokrywa zapotrzebowanie na energię w chwilach krótkotrwałych zaników napięcia (do 3 sekund) oraz zasila generator w czasie rozruchu jego turbiny (1–30) sekund. Dłuższe przerwy w zasilaniu pokrywane są przez zespół prądotwórczy.

Superkondensatory (ang. supercapacitors) to kondensatory o specjalnej konstrukcji umożliwiającej uzyskanie dużych pojemności rzędu kilkunastu faradów. Dużą pojemność uzyskano przez zastosowanie odpowiednich materiałów na okładki kondensatorów, takich jak aktywny węgiel bądź włókna pokrywane aktywnym węglem lub dwutlenkiem rutenu (RuO₂). Zaletą takich elektrod jest dużo większa aktywna powierzchnia okładziny w porównaniu z tradycyjnymi materiałami. Technologia wytwarzania superkondensatorów znajduje się obecnie jeszcze w fazie badań, choć istnieją już produkowane przemysłowo urządzenia wykorzystujące te elementy. Ich zastosowanie w rezerwowym zasilaniu polegać będzie głównie na pokrywaniu zapotrzebowania na energię podczas bardzo krótkich zaników napięcia zasilania. Przewiduje się też współpracę superkondensatorów z układami UPS w celu eliminacji ich krótkotrwałych, głębokich przeciążeń. W ten sposób uzyskuje się znaczne wydłużenie okresu eksploatacji baterii UPS. Czas ładowania zwykłego akumulatora trwa kilka godzin, natomiast w przypadku superkondensatora proces ten trwa maksymalnie kilka minut. Zaletą superkondensatora jest żywotność szacowana na kilkanaście lat oraz możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur od –40 do 65°C [4, 5]. W przypadku dużych zakładów warto zastanowić się nad tandemem zasilacz UPS–zespół prądotwórczy lub dynamicznym układem zasilania wyposażonym w kinetyczny zasobnik energii.

Nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii (ang. Superconducting Magnetic Energy Storage – SMES) to układy gromadzące energię pola magnetycznego wytwarzanego przez duże cewki przewodzące prąd stały. Cewki te, schłodzone do bardzo niskiej temperatury, znajdują się w stanie nadprzewodnictwa i przepływ prądu odbywa się praktycznie bez strat. Gromadzenie energii polega na ciągłym przepływie prądu stałego o dużych wartościach. W chwili zapotrzebowania na energię prąd cewki może być przekształcony na prąd przemienny i dostarczony do systemu zasilania rezerwowego [4, 5]. Obecnie buduje się już układy chłodzone ciekłym helem, natomiast w fazie badań znajdują się układy nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, czyli chłodzone ciekłym azotem. Obecnie trwają również prace nad udoskonaleniem konstrukcji ogniw paliwowych i jest duże prawdopodobieństwo, że w niedalekiej przyszłości staną się alternatywą dla obecnie stosowanych rezerwowych źródeł energii [1].

Model zasilacza UPS z przekształtnikiem DC/DC podwyższającym napięcie zasobnika energii

Ze względu na ograniczone zasoby energii zgromadzonej w niskonapięciowych magazynach energii sprawność układu z zasilaczem UPS, jak i dopasowanie poziomu napięcia wymaganego przez zasilane odbiorniki, mają kluczowe znaczenie. W takim przypadku wykorzystuje się przekształtniki DC/DC podwyższające napięcie, które zwykle stosuje się np. w systemach energetycznych zasilanych odnawialnymi źródłami energii. Istnieją różne rozwiązania zastosowania przekształtnika DC/DC w układach gwarantowanego zasilania. W artykule [8] przedstawiono rozwiązanie wykorzystania przekształtnika DC/DC podwyższającego napięcie z szeregowym obwodem rezonansowym, który pozwala osiągnąć duże wzmocnienie napięciowe przy zachowaniu wysokiej sprawności przekształtnika i małym współczynniku wypełnienia impulsów modulatora PWM. Układ taki spełnia warunek zapewnienia dużej gęstości mocy, co możliwe jest do zrealizowania dzięki wysokiej częstotliwości przełączania kluczy półprzewodnikowych. Inne rozwiązanie przedstawia publikacja [9], w której zaprezentowano strukturę trójfazowego zasilacza UPS z przekształtnikiem DC/DC typu buck/boost (obniżający/podwyższający napięcie stałe) podłączonego do obwodu pośredniego DC zasilacza UPS w celu ładowania i rozładowania zestawu akumulatorów zasobnika energii napięcia stałego.

Badany w niniejszym artykule układ trójfazowego zasilacza UPS z przekształtnikiem DC/DC jest zbliżony strukturą do układu przedstawionego w artykule [9] i obrazuje go rysunek 1. Model przedstawiony na rysunku 2. wykonano w programie do badań symulacyjnych ANSYS Simplorer 6.0. W artykule zamieszczono wszystkie dane modelowanego zasilacza UPS, umożliwiające jego implementację w dowolnym oprogramowaniu do badań symulacyjnych, np. Matlab/Simulink. 

Sieć zasilania dostarcza energię elektryczną o stałych parametrach 3×400 V i częstotliwości 50 Hz. Budowa zasilacza UPS przypomina budowę napędowego przemiennika częstotliwości. Stosowana jest sinusoidalna modulacja szerokości impulsów PWM (ang. Pulse Width Modulation), dzięki której na wyjściu falownika kształtowane są trójfazowe napięcia sinusoidalne. Stosując modulację szerokościową, uzyskuje się napięcie międzyfazowe falownika o wartości bliskiej napięciu transformatora sieci przemysłowej. Układ sterowania modulacją sinusoidalną PWM można przedstawić za pomocą grafów stanów (rys. 3.). 

Symboliczny zapis modulatora PWM za pomocą grafu stanów wykorzystywany jest w tym opracowaniu do sterowania dwupoziomowym falownikiem trójfazowym zasilacza UPS. Przedstawione trzy pętle stanów statycznych (STATE) i przejściowych (TRANS) opisują pracę trzech półmostków falownika i realizują sinusoidalną modulację nieciągłą (przerywaną) falownika przy współczynniku głębokości modulacji M = 1,15, który jest definiowany następująco [10]:

Sinusoidalna modulacja szerokościowa nieciągła (przerywana) jest wykorzystywana do przekształcenia napięcia stałego zasilania falownika na trójfazowe napięcie przemienne falownika. Przebiegi modulujące sinusoidalne wraz z przebiegiem nośnym trójkątnym obrazuje rysunek 4. 

Zastosowanie przekształtnika DC/DC typu boost w danym układzie umożliwia kształtowanie napięcia stałego o dowolnej wartości. Topologia obwodów mocy falowników w zasilaczu UPS i przekształtniku DC/DC jest podobna, odmienne są zastosowane algorytmy sterowania. Układ sterowania modulacją PWM falownika przekształtnika DC/DC różni się pod względem zastosowanej charakterystyki przebiegu modulującego (napięcie stałe) (rys. 5.). Nośne sygnały trójkątne poszczególnych gałęzi przekształtnika DC/DC podwyższającego napięcie zasobnika są modulowane sygnałem napięcia stałego (rys. 6.).

Badania symulacyjne zasilacza UPS zasilanego z zasobnika energii napięcia stałego

Rysunek 7. przedstawia przebiegi napięcia fazowego U_VM4 i prądu fazowego I_L3 linii zasilającej po dołączeniu obciążonego zasilacza UPS do przemysłowej sieci zasilania bez wykorzystywania energii zasobnika. Widoczne jest odkształcenie prądu fazowego transformatora I_L3, które jest spowodowane niesinusoidalnym obciążeniem sieci trójfazowym prostownikiem diodowym. Współczynnik zawartości harmonicznych prądu THD_i wynosi ok. 40% i z tego względu należy dobrać moc transformatora sieciowego i zastosować odpowiednie filtry wejściowe [11].

Model przedstawiony na rysunku 2. zawiera także filtry składowych harmonicznych napięcia różnicowego (ang. Differential-Mode Voltage) i składowych harmonicznych napięcia wspólnego (ang. Common-Mode Voltage) falownika. Z rysunku 8a wynika, że filtr składowych harmonicznych napięcia różnicowego DM przybliża napięcie międzyfazowe falownika zasilacza UPS U_VM6 do przebiegu sinusoidalnego. Podobnie jest w przypadku zastosowania filtra zaburzeń wspólnych CM (rys. 8b) – kształt napięcia fazowego U_VM10 jest zbliżony do sinusoidy.

Rysunek 9a przedstawia przebiegi napięć międzyfazowych U_VM5, U_VM6, U_VM7 i prądu fazowego I_L10 mierzonych na wyjściach falownika zasilacza UPS. Obserwowane jest zniekształcenie napięć międzyfazowych spowodowane występowaniem harmonicznych w wyniku zastosowania modulacji PWM. Wartość skuteczna napięć międzyfazowych wynosi ok. 340 V i jest obniżona w stosunku do napięcia sieci przemysłowej. Istotnym powodem obniżenia tego napięcia jest zastosowanie dławików filtra zaburzeń różnicowych DM (dławiki L8, L9, L10, rys. 2.). Napięcie wyjściowe falownika zasilacza UPS można podwyższyć poprzez zwiększenie napięcia DC na zasilaniu falownika. Współczynnik zawartości harmonicznych napięcia THD_u wynosi ok. 5% dla napięcia międzyfazowego z rysunku 9a.

Zasilacz UPS podczas awarii systemu zasilania

Podczas wystąpienia awarii systemu zasilania lub krótkotrwałego zaniku napięcia, zasilacz UPS podtrzymuje pracę urządzeń. Rysunek 9b przedstawia charakterystyki napięć międzyfazowych U_VM5, U_VM6, U_VM7 i prądu fazowego I_L10 na wyjściu falownika w czasie zasilania zasilacza UPS z dodatkowego zasobnika energii (model UPS z rys. 2.). Analiza THD_u wskazuje na niską zawartość harmonicznych, na poziomie ok. 3% dla napięcia z rysunku 9b. Wartość skuteczna napięć międzyfazowych na odbiorniku w symulowanych warunkach pracy wynosi odpowiednio ok. 340 V przy zasilaniu jedynie z sieci przemysłowej 3×400 V/50 Hz. Napięcie zasilania obciążonego falownika zasilacza UPS jest w tym przypadku obniżone do 530 V. Przy zasilaniu zasilacza UPS z zasobnika energii napięcia międzyfazowe falownika (rys. 9b) mają wartość skuteczną równą 400 V, dzięki możliwości podwyższenia napięcia DC zasilania falownika do wartości 640 V.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono najpopularniejsze stosowane w zasilaczach UPS sposoby magazynowania energii elektrycznej. Przedstawiono uproszczony model zasilacza UPS z konwerterem DC/DC podwyższającym napięcie (typu boost, step-up) zasobnika energii. Omówiono kształtowanie trójfazowego napięcia wyjściowego oraz możliwości minimalizowania harmonicznych napięcia zasilacza UPS z falownikiem PWM.

Zastosowanie przekształtnika DC/DC do podwyższania napięcia zasobnika energii umożliwia sterowanie ilością energii pobieranej z przemysłowej sieci napięcia przemiennego przez sterowanie poziomem napięcia DC zasilania falownika w zasilaczu UPS.

Literatura

1. T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną, COSiW SEP, Warszawa 2007
2. J. Wiatr, M. Miegoń, Zasilanie budynków użyteczności publicznej oraz budynków mieszkalnych w energię elektryczna, niezbędnik elektryka nr 4, Warszawa 2019,
3. J. Bakoń, Wybrane metody magazynowania energii i ich zastosowanie w systemie elektroenergetycznym, „elektro.info” 7-8/2020,
4. H. Markiewicz, A. Klajn, Metody i sposoby zapewniające pożądaną niezawodność zasilania energią elektryczną, 25 listopada 2003 roku , TO SEP , ZE Tarnów
5. K. Kuczyński, Możliwości zwiększenia niezawodności przy zastosowaniu zasilacza UPS, „elektro.info” 9/2017,
6. M. Miegoń, Zastosowanie zasilaczy UPS w układach zasilania urządzeń przeciwpożarowych, "elektro.info" 12/2020
7. K. Kuczyński, Jakość energii elektrycznej w układach z zasilaczami UPS z uwzględnieniem kształtowania przebiegów wyjściowych – zagadnienia wybrane, "elektro.info" 6/2022
8. D. Sobczyński, J. Bartman, Model symulacyjny przeciwsobnego przekształtnika DC/DC podwyższającego napięcie z szeregowym obwodem rezonansowym, „Edukacja – Technika – Informatyka” nr 4/18/2016,  DOI: 10.15584/eti.2016.4.53
9. V. Nayak, S.K. Gudey, An Enhanced Exponential Reaching Law Based Sliding Mode Control Strategy for a Three Phase UPS System, Serbian Journal Of Electrical Engineering, vol. 17, no. 3, October 2020, 313-336, https://doi.org/10.2298/SJEE2003313N
10. M. Żurek-Mortka, J. Szymański, The resistive ground fault of PWM voltage inverter in the EV charging station, Scientific Reports, 11, 21236, 2021, https://doi.org/10.1038/s41598-021-00715-7