Możliwości współpracy magazynu energii z zasilaczem UPS

Układy rozproszone UPS

System rozproszony polega na instalowaniu przy każdym odbiorniku indywidualnego zasilacza UPS o mocy znamionowej zapewniającej podtrzymanie bezprzerwowego zasilania odbiornika. Dla komputerów najczęściej są stosowane zasilacze UPS typu VI, o mocach 350–1000 VA. Czas podtrzymania wynosi od kilku do kilkunastu minut. Do zasilania serwerów instalowanych w szafach typu RACK instalowane są zasilacze typu VI lub VFD, o mocy  1–5 kVA, przystosowane do montażu również w szafach RACK. Czas podtrzymania zasilania bateryjnego jest rzędu kilku, kilkunastu minut. Baterie akumulatorów zwykle montowane są w obudowie UPS-a. Najczęściej istnieje możliwość dołączenia do zasilacza UPS dodatkowych baterii wydłużających czas podtrzymania, lecz dodatkowe baterie zwykle montowane są w specjalnej obudowie [2].

W systemie rozproszonym zasilacze UPS, z uwagi na małe moce, są przyłączane bezpośrednio do gniazd wtyczkowych ogólnej instalacji elektrycznej.

Do zalet systemów rozproszonych należą [2]:

• brak wydzielonej instalacji zasilania napięciem bezprzerwowym,
• brak potrzeby wydzielania miejsca na centralny węzeł UPS,
• łatwa przebudowa lub modernizacja instalacji (wraz z komputerem przenoszony jest także zasilacz UPS i w nowym miejscu przyłączany do gniazda wtyczkowego instalacji ogólnej),
• ewentualna awaria zasilacza UPS powoduje brak zasilania tylko na jednym stanowisku, pozostałe stanowiska pracują niezależnie (tam, gdzie wymagana jest jednoczesna praca różnych współpracujących ze sobą urządzeń, może to być poważną wadą systemu).

Do wad systemu rozproszonego należy zaliczyć [2]:

• wysokie nakłady inwestycyjne (zakup dużej liczby UPS-ów o małych mocach),
• niski stopień wykorzystania mocy zainstalowanej w zasilaczach UPS,
• duży nakład pracy przy przeglądach, naprawach, wymianie baterii itp. działaniach serwisowych i konserwacyjnych, z powodu dużej liczby zasilaczy UPS,
• ewentualne wydzielane z akumulatorów gazy rozprzestrzeniają się w pomieszczeniu, w którym stale pracują ludzie.

Systemy rozproszone UPS stosowane są w niewielkich biurach lub w biurach o przewidywanym krótkim czasie działania w danej lokalizacji.

System centralny UPS

Polega na zainstalowaniu w jednym miejscu jednostek UPS o odpowiednio dużej mocy i rozprowadzeniu po całym budynku odrębnej instalacji zasilania gwarantowanego. Instalacja centralnego UPS-a wymaga zastosowania odpowiednich rozdzielnic zasilających oraz rozdzielnic zasilających odbiorniki. Centralny system UPS ma takie zalety, jak [2]:

• kilkukrotnie lepsze wykorzystanie mocy zainstalowanej w UPS,
• mniejsza sumaryczna moc zainstalowana UPS-a,
• niższe koszty zakupu urządzeń UPS, gdyż ze wzrostem mocy jednostki UPS koszt jednostkowy 1 kVA maleje,
• możliwość zastosowania urządzeń UPS o wysokich lub bardzo wysokich parametrach jakościowych i niezawodnościowych,
• możliwość zapewnienia urządzeniom UPS, a przede wszystkim bateriom akumulatorów, właściwych warunków środowiskowych pracy (temperatura, wilgotność powietrza, wentylacja) dzięki lokalizacji tych urządzeń w jednym, wydzielonym miejscu,
• ułatwione przeglądy i zabiegi konserwacyjne oraz tańsze usługi serwisowe – z uwagi na stosunkowo niewielką liczbę urządzeń oraz umieszczenie ich w jednym miejscu,
• brak rozprzestrzeniania po powierzchni biurowej, gdzie pracują ludzie, ewentualnych gazów i par kwasów wydzielanych z akumulatorów.

Wady systemu centralnego [1, 2]:

• konieczność wyznaczenia wydzielonego pomieszczenia dla urządzeń UPS oraz baterii akumulatorów o odpowiedniej wentylacji,
• wymagana jest duża nośność stropów z powodu dużej masy akumulatorów dla UPS centralnych,
• konieczność budowy instalacji klimatyzacji – dla zapewnienia właściwej temperatury pracy UPS-ów oraz baterii akumulatorów,
• konieczność budowy wydzielonej instalacji zasilania napięciem bezprzerwowym,
• zmiana aranżacji powierzchni biurowej lub wyposażenia technologicznego serwerowni często wymaga przebudowy instalacji zasilania napięciem bezprzerwowym.

Centralne węzły UPS oraz wydzielone instalacje zasilania napięciem bezprzerwowym stosowane są w obiektach o wysokich i bardzo wysokich wymaganiach w zakresie pewności zasilania urządzeń teleinformatycznych dla telekomunikacji, banków, giełd i centrów finansowych.

Przykładem systemu centralnego UPS jest współpraca zasilacza ze stringami bateryjnymi umieszczonymi w akumulatorowni lub magazynie energii.

Baterie akumulatorów

Dobór baterii akumulatorów do zasilaczy UPS jest najczęściej dokonywany przez dostawcę. Jednak użytkownik powinien być świadomy ich parametrów – w szczególności typu zastosowanych akumulatorów i ich pojemności oraz w zakresie eksploatacji: prądu i czasu ładowania.

Należy podkreślić, że poprawność doboru modułów bateryjnych wynika z klasycznych zasad elektrotechniki [3]. Źródła napięcia łączy się szeregowo w celu uzyskania wyższej wartości napięcia, natomiast efektem połączenia równoległego jest zwiększenie wartości dostępnego prądu, a zatem również pojemności elektrycznej zasobnika. W obu przypadkach ważnym elementem jest, aby łączone źródła (akumulatory) miały takie same parametry. Jest to istotne zarówno ze względu na prawidłową współpracę łączonych źródeł energii, jak również koszty eksploatacyjne związane z powstałymi stratami mocy oraz obniżeniem trwałości akumulatorów. W trybie rezerwowym z zasobników do falownika UPS dostarczana jest energia, a w układzie falownikowym wytwarzane jest napięcie sinusoidalne, którym zasilane są odbiorniki. Układ szeregowo połączonych akumulatorów o wymaganej wartości napięcia tworzy tzw. string o określonej pojemności – równej pojemności pojedynczego akumulatora w stringu. W celu zwielokrotnienia gromadzonej energii, a w rezultacie wydłużenia czasu pracy w trybie rezerwowym, do zasilaczy UPS podłącza się tzw. moduły bateryjne, składające się z określonej liczby równolegle połączonych stringów. Iloczyn napięcia i pojemności elektrycznej układu określa ilość zgromadzonej energii elektrycznej, możliwej do wykorzystania w trybie rezerwowym. Należy jednak uwzględnić występowanie strat energetycznych w układzie zasilania i przetwarzania energii [3].

Do UPS można podłączać równolegle określoną dopuszczalną liczbę modułów bateryjnych, która jest powiązana z parametrami układu ładowania akumulatorów w UPS. W przypadku wymaganych długich czasów podtrzymania zasilania zamiast stosowania modułów bateryjnych można wykorzystać odpowiednio utworzone i połączone stringi akumulatorów o dużych pojemnościach, ułożone na stojakach. Ograniczona jest wówczas pojemność całkowita układu [3].

W akumulatorach elektrochemicznych ilość pobieranej z nich energii zależy nie tylko od ich parametrów technicznych, ale również od warunków użytkowania (głównie: wartości pobieranych prądów, napięć końcowych rozładowania oraz temperatury). Z tego względu w celu określenia czasów podtrzymania zasilania odbiorników korzysta się z tzw. charakterystyk stałomocowych, podawanych przez producentów akumulatorów. W laboratoriach producentów czasy te wyznaczane są poprzez realizację badań fizycznych. Należy mieć na uwadze, że zbyt głębokie rozładowania akumulatorów mogą prowadzić do intensywnego pogorszenia ich pojemności i rezystancji wewnętrznej, a nawet spowodować uszkodzenie akumulatora. Długotrwałe działania wysokich prądów ładowania i rozładowania mogą powodować wypaczanie się płyt elektrodowych, wykruszanie się masy czynnej elektrod, zmniejszenie pojemności elektrycznej, a także mogą być przyczyną uszkodzeń akumulatorów. Funkcjonowanie akumulatorów w zbyt wysokich temperaturach intensywnie wpływa na skrócenie ich żywotności. Szacuje się, że każde trwałe zwiększenie temperatury eksploatacji o 8–10°C powyżej temperatury znamionowej wywołuje zmniejszenie trwałości akumulatorów o 50%. Użytkowanie tych źródeł energii w niższych temperaturach od znamionowej powoduje zwiększenie ich rezystancji wewnętrznej, zmniejszenie pojemności elektrycznej i wytwarzanego napięcia źródłowego, obniżenie zdolności do przyjmowania ładunku oraz zdolności rozruchowej. Nie bez znaczenia jest także utrzymywanie zalecanych wilgotności w czasie pracy i przechowywania. Wyższe wilgotności będą niekorzystnie wpływały na prądy upływu (samorozładowania – samoistnej utraty zgromadzonej energii) oraz warunki bezpieczeństwa eksploatacji tych urządzeń [3].

Magazynowanie energii

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 źródła do pracy w układzie zasilania gwarantowanego [1, 2].

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 gęstość elektrolitu wzrasta i konieczne jest uzupełnianie wody [2].

Jednym z rozwiązań stosowanych w akumulatorach kwasowo-ołowiowych jest technologia VRLA (ang. Valve Regulated Lead Acid), w której wykorzystywane 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, 6].

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 wiele nowych rozwiązań, pozwalających na gromadzenie energii w układach zasilania rezerwowego. Urządzenia te mogą przykładowo zastąpić baterię akumulatorów w układach UPS. Są one wynikiem prowadzonych wciąż na 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, nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii (SMES, Superconducting Magnetic Energy Storage) [2, 6].

Koła zamachowe to konstrukcje zupełnie inne od tradycyjnego zastosowania kół zamachowych w agregatach 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 przeznaczana do zasilania odbiorników w chwilach zaniku napięcia. Koło zamachowe jest sprzęgnięte z generatorem, który w czasie prawidłowej pracy sieci zasilającej pracuje jako silnik, stale napędzając koło z określoną prędkością obrotową. W chwilach zaniku napięcia energia elektryczna wytwarzana w generatorze jest przekształcana na energię o odpowiednich parametrach napięcia i częstotliwości i służy do zasilenia układu. 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 [4–6]: szybkoobrotowe i wolnoobrotowe.

Koła szybkoobrotowe są wykonane ze szkła bądź z włókna szklanego lub węglowego. Materiały te są materiałami niemagnetycznymi i mają ciężar właściwy około 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, ze względu na trudność 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 posiadają moce do 250 kW, z możliwością zgromadzenia energii nawet 8 MW•s [4–6].

Koła wolnoobrotowe pracują przy prędkościach rzędu 6000 obr./min. Ze względu na mniejszą prędkość niż koła szybkoobrotowe, muszą one posiadać 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 istotna zaleta 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. Duża pojemność jest uzyskana 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 [4–6]. W przypadku dużych zakładów warto zastanowić się nad tandemem zasilacz UPS + zespół prądotwórczy lub dynamicznym układem zasilania wyposażonym w kinematyczny 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. Zgromadzenie energii polega na ciągłym przepływie prądu stałego o dużych wartościach, bez strat. W chwili zapotrzebowania na energię prąd cewki może być przekształcony na prąd przemienny i dostarczony do układu [4, 5]. Obecnie buduje się już układy chłodzone ciekłym helem, natomiast w fazie badań znajdują się układy nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, czyli chłodzone ciekłym azotem.

Literatura

1. J. Wiatr, K. Herlender, Baterie akumulatorów stosowanych w zasilaczach UPS oraz warunki ich bezpiecznej eksploatacji, „elektro.info” 12/2017.
2. T. Sutkowski, Rezerwowe i bezprzerwowe zasilanie w energię elektryczną, COSiW SEP, Warszawa 2007.
3. J. Wiatr, M. Miegoń, Zasilanie budynków użyteczności publicznej oraz budynków mieszkalnych w energię elektryczna, niezbędnik elektryka nr 4, Warszawa 2019.
4. K. Bednarek, Skalowanie czasu pracy autonomicznej w systemach zasilania gwarantowanego, Przegląd Elektrotechniczny, nr 12/2015, doi:10.15199/48.2015.12.11,
5. H. Markiewicz, A. Klajn, Metody i sposoby zapewniające pożądaną niezawodność zasilania energią elektryczną, 25 listopada 2003 r., TO SEP, ZE Tarnów. 
6. M. Żurek-Mortka, K. Kuczyński, Magazynowanie energii w zasilaczach UPS, „elektro.info” 7–8/2022.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!