Kvalita elektrické energie - průvodce
Odolnost Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie
4.3.1
Odolnost
HUNGARIAN COPPER PROMOTION CENTRE
Odolnost
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie Prof Henryk Markiewicz&Dr Antoni Klajn, Wroclaw University of Technology Překlad: Josef Gavlas, Miloslav Kužela, Pavel Santarius, FEI Technická univerzita Ostrava, prosinec 2003 Tento průvodce byl zpracován a vydán jako část Leonardo Power Quality Initiative (LPQI), Evropského vzdělávání a cvičebních programů za podpory Evropské komise(pod programem Leonardo da Vinci) a Mezinárodní Asociací Mědi. Pro další informace navštivte www stránky LPQI www.lpqi.org.
Hungarian Copper Promotion Centre (HCPC) HCPC je nezisková organizace financovaná producenty mědi a výrobci zpracovávajícími měď. Jejím cílem je podporovat používání mědi a měděných slitin a napomáhat jejich správné a účinné aplikaci. Služby HCPC, mezi něž patří i poskytování informací a technického poradenství, jsou dostupné zájemcům o využití mědi ve všech oborech. Sdružení rovněž slouží jako prostředník mezi výzkumnými organizacemi a průmyslovými uživateli a udržuje těsné styky s obdobnými střediskami mědi ve světě.
Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB Technická univerzita Ostrava (FEI - TUO) Fakulta elektrotechniky a informatiky zahájila svou činnost na VŠB Technické univerzitě v Ostravě od 1. ledna 1991. Fakulta zajišťuje všechny formy vysokoškolského studia (tj. bakalářské, magisterské a doktorské) ve studijním programu Elektrotechnika a informatika s ucelenou strukturou elektrotechnických oborů a inženýrské informatiky. Nedílnou součástí činností pedagogů na fakultě je i vědecko-výzkumná činnost, kde jedním z nosných programů je kvalita elektrické energie s hlavním zaměřením na problematiku monitorování parametrů kvality a na problematiku harmonických v elektrických sítích.
European Copper Institute (ECI) European Copper Institute je organizací založenou podporujícími členy ICA (International Copper Association) a IWCC (International Wrought Copper Council). ECI zastupuje největší světové producenty mědi a přední evropské výrobce při propagaci mědi v Evropě. ECI, který byl založen v roce 1996, se opírá o síť deseti národních organizací mědi (Copper Development Associations - 'CDAs') v Beneluxu, Francii, Německu, Řecku, Maďarsku, Itálii, Polsku, Skandinávii, Španělsku a Spojeném království. Navazuje na činnost sdružení Copper Products Development Association založeného v roce 1959 a INCRA (International Copper Research Association) založeného v roce 1961.
Upozornění Obsah tohoto materiálu nemusí nutně vyjadřovat názor Evropského společenství a není pro něj ani závazný. European Copper Institute a Hungarian Copper Promotion Centre odmítají odpovědnost za jakékoliv přímé, nepřímé či vedlejší škody, které mohou být způsobeny nesprávným využitím informací v této publikaci. Copyright© European Copper Institute a Copper Development Association. Česká verze byla připravena ve spolupráci HCPC a Fakulty elektrotechniky a informatiky VŠB - Technické Univerzity Ostrava. Reprodukce je možná za předpokladu, že materiál bude otištěn v nezkrácené podobě a s uvedením zdroje.
HUNGARIAN COPPER PROMOTION CENTRE
Hungarian Copper Promotion Centre Képíró u. 9 H - 1053 Budapest Maďarsko Tel.: 00 361 266 4810 Tel.: 00 361 266 4804 E-mail:
[email protected] Website: www.hcpcinfo.org
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroenergetiky 17. listopadu 15 CZ 708 33 Ostrava-Poruba Tel.: +420 597324279 Tel.: +420 596919597 E-mail:
[email protected] Website: homen.vsb.cz/san50/
European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B - 1150 Brussels Belgium Tel.: 00 32 2 777 70 70 Fax: 00 32 2 777 70 79 Email:
[email protected] Website: www.eurocopper.org
Odolnost Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie Úvod Návrh napájecích systémů elektrické energie je kompromisem mezi zájmy spotřebitelů - spolehlivost a kvalita dodávky - a těmi, kteří zastupují průmysl - realistické úrovně investování a provozní náklady. Flexibilita ve smyslu odchylky od "perfektní" kvality energie by měla být použita tak, aby se umožnil prostor pro levnější a jednodušší napájecí systémy; neměla by být zmařena tím, že se dovolí slabá údržba a provozní postupy na úkor spolehlivosti. Elektrická zařízení jsou navrhována tak, aby fungovala optimálně za normálních podmínek, tj. s napájecím napětím, které je v mezích jmenovitého napětí a frekvenčních tolerancí s nízkou úrovní rušení a dobrou fázovou symetrií a v mezích podmínek týkajících se životního prostředí specifikovaných výrobcem. Provoz mimo tyto limity může mít za následek zvýšení ztrát, slabou výkonnost a nepředvídatelný provoz. Velké odchylky mohou způsobit přerušení kvůli nesprávnému provozu ochranných zařízení. Kvalita napětí má rozhodující vliv na chod zařízení. Kvalita napětí na začátku instalace (společný napájecí bod) je dále snížena působením jiných zátěží v instalaci a odporu kabelů, takže kvalita napětí na svorkách přístroje je mnohem horší. Tak tomu je obzvláště v případech, kde jsou přítomny zátěže s nelineárními voltampérovými charakteristikami. Přerušení dodávky způsobené přerušením napětí nebo nízkou kvalitou napětí je vždy nepříjemné a může být vážné. V nemocnicích jde o zřejmé riziko u pacientů, kteří jsou právě operováni nebo na jednotce intenzivní péče. Ve veřejných budovách jako jsou kina, divadla, výstavní síně, atd., kde jsou lidé shromaždováni v relativně omezených a neznámých prostorech, jsou obzvláště riskantní poruchy v napájení. Výrobní průmysl, obzvláště nepřetržitý výrobní proces (výroba papíru, oceli) nebo výroba pomocí špičkových technologií (polovodiče) potřebuje dlouhou dobu pro oživení po jakémkoli výpadku napájení.
Kategorie
Požadavky spolehlivosti
Možné řešení
Typy spotřebitele
I Základní
Přerušení a poruchy v dodávce el. energie mohou být relativně dlouhé, tj. mnoho minut.
Jedno vedení z elektrické Samostatné rodinné domky, rozvodné sítě. Není vyžadován málopodlažní (nízké) paneláky. záložní zdroj energie.
II Střední
Přerušení a poruchy by měly být Dieselelektrický generátor. omezeny na několik desítek Nouzové osvětlení sekund.
Výškové budovy, bloky obytných domů
III Vysoký
Přerušení a poruchy v dodávce el. energie by měly být omezeny na trvání v rozmezí desítek ms až do 1s
Dvě nezávislá vedení z distribuční sítě. Systém záložního zdroje energie vybaven automatickým spínáním
Velké hotely, nemocnice, TV a rádiové vysílání, nádraží, letiště
IV Velmi vysoký
Nepřetržité napájení. Přerušení dodávky u vybraných zátěží není povoleno
Záložní systém s nulovým zpožděním, dieselelektrický generátor s dlouhým provozem
Banky, budovy pro obchodní jednání
Tab.1 - Kategorie spotřebitelů elektrické energie ve vztahu ke spolehlivosti dodávky energie [5] Téměř všichni komerční a průmysloví uživatelé elektřiny budou mít individuální zátěže nebo skupiny zátěží, které vyžadují vyšší kvalitu dodávky nebo vyšší spolehlivost dodávky elektrické energie než je ta, která je dostupná přímo z veřejné sítě. Často jsou energetické požadavky těchto zátěží relativně malé a mohou být splněny jednoduše tak, že použijeme pomocné zdroje anebo nepřerušitelné zdroje elektrické energie. Na trhu je k dispozici široká škála zařízení, přístrojů a rezervních zdrojů elektrické energie. Výběr bude záležet na charakteristikách zatížení a typu, době trvání a vážnosti poruch, které mohou být tolerovány.
1
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie Dostupnost napájecího systému je dána vztahem:
(1)
kde: tBi
- provozní operationdoba timečís. number between failures i mezii poruchami
tFi
time duration of power number i - doba trvání poruchy čís.failure i
m
number of operation periods between failures - počet period mezi poruchami
n
- počet number of failures in the observed poruch ve sledovaném čase time
Doba trvání poruch musí zahrnovat čas potřebný pro obnovení dodávky, znovuzahájení procesu a dosažení plné výrobní kapacity. Znovuzahájení procesu je zřídka okamžité. Některé procesy vyžadují vstup jiných, dřívějších etap procesu, a tak nemohou začít znovu, dokud není sekvence znovu obnovena. Obr. 1 ilustruje možný scénář kde: ta - doba poruchy tae - ekvivalentní doba poruchy odhadnutá z hodnot ztrát ve výrobě ts - čas nezbytný pro znovuzahájení výroby Ee - standardní výkonnost Pravý čas přerušení by měl zahrnout integrovanou šrafovanou oblast. Náklady na poruchu nejsou nezbytně vztahovány k trvání události. Obr. 2 ilustruje několik příkladů. Pro mnoho situací může existovat Obr. 1 - Účinnost produkce po poruše napájení časově nezávislý prvek nákladů, který musí být zaplacen, jakmile se událost vyskytne. Jako příklad je uvedena výroba papíru, kde technická celulosa je přeměněna na papír v nepřetržitém procesu zahrnujícím mnoho válcovacích a vyhlazovacích etap, vyžadujících dobrou kontrolu napínání. Výsledkem chyby v procesu kontroly je zastavení výrobního procesu a celý částečně zpracovaný výrobek musí být odstraněn a vyřazen - úkol, který může zabrat mnoho hodin lidské práce. Tento případ je znázorněn křivkou 1 na obr. 2. Náklady při poruchy jsou relativně časově nezávislé a velmi vysoké. Další extrém může reprezentovat maloobchodník se zbožím nepodléhajícímu zkáze. Porucha v napájení je příčinou přerušení obchodování, něco je obnovitelné, když je obnovena dodávka elektrické energie. Toto je znázorněno křivkou 2 na obr. 2. Počáteční náklady jsou nízké, ale zvyšují se s časem, když je obchodování zastaveno na delší dobu, ačkoli, pokud trvání není příliš dlouhé, některé obchodování bude jednoduše časem nahrazeno, spíše než zastaveno. Křivka 3 znázorňuje středisko pro zpracování dat. Takovéto místo bude mít nějakou formu nepřerušitelného zdroje energie (UPS), poskytujícího přinejmenším krátkodobou zálohu, takže počáteční náklady jsou malé. Avšak vzhledem k tomu, že zálohový čas je omezen, musí být, pro zajištění kontinuity operace provedena jiná opatření. Existuje mnoho možností. Křivka 3 předpokládá, že komerční, dálkově ovládané místo je dáno do pohotovostního stavu, aby se připravilo na možný přenos operací, které mají významné speciální soubory. Za předpokladu, že dodávka elektrické energie nebyla obnovena, pak o určitý čas později je místo dálkově ovládané připraveno on-line, a má časově závislé náklady. Po poruše by tam přibyly dodatečné náklady pro obnovení operace původního místa.
2
Na druhém konci technologické škály křivka 4 znázorňuje situaci v drůbežárně. Krátkodobá porucha nemá žádný vliv, potom ale nedostatek nucené ventilace vede k udušení zvířat, výsledkem čehož jsou prudce zvýšené náklady.
Náklady - bez měřítka
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie
Tyto scénáře jsou typické pro velmi odlišná průmyslová odvětví a přesto mají některé společné rysy. Zaprvé, jestliže je výpadek dostatečně dlouhý, je možné, že náklady na ztráty dosáhnou úrovní srovnatelných se zdroji, které jsou v organizaci k dispozici, s možnými riziky pro budoucí provoz. Zadruhé, během výpadku a následného období pro Čas - bez měřítka návrat do původního stavu, je možné, že organizace Obr. 2 – Typické charakteristiky náklady - čas nebude schopna uspokojit potřeby svých zákazníků, což povede v budoucnu ke ztrátě důvěry. Toto se obzvláště týká dodávek " právě včas " jako je novinový papír, který je vyráběn, tištěn, čten a likvidován během několika dní. Úplná porucha - charakterizována celkovou ztrátou napětí - je pouze jedním z mnoha projevů poruchy napětí. O jiných problémech se diskutuje v oddíle 5 tohoto průvodce.
Záložní zdroje elektrické energie Úvod Důležité charakteristiky výkonové rezervy jsou: ◆
výkonová kapacita a akumulovaná energie
◆
doba přechodu
◆
maximální doba trvání výroby
◆
účinnost
◆
náklady na instalaci a údržbu
Ideální přístroj by měl nekonečnou kapacitu elektrické energie a nekonečnou akumulovanou elektrickou energii, stejně tak jako nulovou dobu přechodu, nekonečné trvání výroby a nízké náklady. Protože takové zařízení neexistuje, musí se použít různá kompromisní řešení. Výběr zařízení závisí na aplikaci a požadavku, který se podporuje. Např. IT vybavení vyžaduje opravdu nepřetržitou dodávku, tj. nulový čas přechodu, aby se zajistilo, že data nebudou ztracena. Podle přenosu je možno požadovat, aby vybavení bylo podporováno po tak dlouhou dobu, jaké je zapotřebí pro organizované odstavení (řekněme 20 minut), nebo může být zapotřebí neustálé podpory tak, aby práce mohla pokračovat. V prvním případě by bylo postačující UPS, ale ve druhém případě by byl vyžadován přídavný zdroj elektrické energie, jako je dieselgenerátor, jakožto dlouhodobý zdroj a UPS pro pokrytí spouštěcího času generátoru. Nebo, jinak, továrna na výrobu papíru, která má velkou motorickou zátěž, by nemohla být podporována UPS po žádnou rozumnou dobu, takže by zde mohl mít zdvojený přívod k napájecí síti své opodstatnění. Tato část se zaměřuje na metody a zařízení rezervní dodávky energie. Seskupení těchto metod jsou ukázána na obr. 3 a v tabulce 2. Mohou být charakterizována různými parametry uvedenými v tabulce 2.
Zdvojený napájecí přívod z napájecí sítě Tam, kde je požadavek na elektrickou energii vysoký a náklady jsou zdůvodněny, jak je tomu v případě nepřetržitého provozu továrny jako je výroba papíru a oceli, smí být realizovány dvě nezávislá připojení k napájecí síti. Tento přístup je účinný pouze, jestliže tato dvě spojení jsou elektricky nezávislá, tj. předvídatelná jedna porucha nezpůsobí přerušení obou napájení ve stejnou dobu. Záleží na struktuře sítě, tento požadavek často nemůže být splněn, aniž by se nepoužilo velmi dlouhých (a drahých) vedení.
3
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie Typ
Kapacita výkonů
Doba přechodu
Náklady
Zdvojený přívod z napájecí sítě
Nekonečná
Velmi krátká
Velmi vysoké
Prakticky nekonečná
Od dlouhé až po velmi krátkou
Střední až vysoké
Akumulátorová baterie
Střední
Velmi krátká
Nízké
Nepřerušitelné zdroje energie (UPS systémy)
Střední
Velmi krátká
Střední až vysoké
Nízké až střední
Velmi krátká
Generátory
Akumulovaná energie stlačeného vzduchu( CAES )
Střední až vysoké
Tabulka 2 - Charakteristické rysy metod a zařízení pro záložní zdroje elektrické energie Použití dvou nezávislých přívodů z distribuční sítě neznamená, že nejsou potřebné další rezervní napájení. Avšak je nepravděpodobné, že tento typ opatření sníží počet nebo vážnost poruch napětí, protože charakter distribuční sítě dovoluje poklesy - jako následek poruch - které se šíří ve velmi rozsáhlé oblasti.
Generátory Spínání během několika minut
3 G
Nepřerušitelné napájení
Rychlé spínání
Akumulátorové baterie
UPS
CAES
Nouzové osvětlení
trvalé napájení
Velmi rychlý spínač
VFD
3
M 3 G
M
V1
VF1
Stlačený vzduch
G
Obr. 3 - Typy záložních zdrojů elektrické energie
Generátorová soustrojí Generátorová soustrojí se obvykle skládají z jednoho nebo více dieselmotorů jakožto zdroje mechanické energie, generátoru pro přeměnu mechanické energie v elektrickou, akcelerátorů, řídicích a regulačních systémů a rozvoden. Tento typ zařízení smí být navržen pro relativně dlouhodobý provoz, řekněme až po několik hodin nebo dnů, nebo může být navržen pro neustálý provoz. Generátorová soustrojí jsou dostupná v široké škále jmenovitých výkonů, obvykle od několika desítek kW až po několik MW. Plynové turbíny jsou často používány tam, kde se vyžadují velké výkony, v rozsahu několika MW nebo více, např. pro pokrytí špičkového zatížení nebo pro kogeneraci. Generátorová soustrojí se také používají pro speciální aplikace tam, kde není k dispozici žádná energetická síť jako jsou námořní aplikace, nebo kde existuje krátkodobá, vysoká spotřeba, jako jsou např. hlavní televizní sportovní přenosy. Tyto aplikace nejsou uvedeny v této části Průvodce. Generátorová soustrojí mohou fungovat dvěma různými způsoby, zde pod rozlišením jako skupina I a skupina II. Skupina I generátorových soustrojí - spuštění v době poruchy (4a,b). Spuštění dieselmotoru je s využitím energie z pomocných baterií. V tomto uspořádání je zřejmé zpoždění mezi poruchou a dobou , kdy
4
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie a)
b)
Napájecí síť
Zátěž
c)
Napájecí síť
Zátěž
d)
Napájecí síť
Napájecí síť
Zátěž
Zátěž
1 Spalovací motor se spouštěčem 2 Spojka 3 Generátor 4 Rozvodna 5 Setrvačník 6 Elektrický motor pro pohon setrvačníku a generátoru a) s manuálně řízeným spínáním a vypínáním b) s automatickým spuštěním generátoru, zpoždění od několika sekund až po okolo 180s c) a d) se setrvačníkem poháněným elektrickým motorem, doba zpoždění 0.5-2 s, případně nula
Obr. 4 Generátorová soustrojí generátor může napájet zátěž. U nejjednoduššího uspořádání je generátorové soustrojí spínáno manuálně (obr. 4a). Avšak obvykle jsou generátory spínány automaticky (obr. 4b) s typickými dobami zpoždění v rozsahu 6-15 sekund pro malé jednotky a až do okolo 180 sekund pro velké. Abychom snížili doby spuštění a přechodu, některá generátorová soustrojí jsou v pohotovostním stavu neustále zahřívána na provozní teplotu,. Skupina II generátorových soustrojí má kratší doby přechodu, méně než okolo 2 sekund (obr. 4c) nebo nulovou dobu přechodu (obr. 4d). Tato uspořádání jsou vybavena vysokorychlostním setrvačníkem mechanicky spojeným s generátorem. Když je k dispozici elektrická energie, setrvačník a generátor jsou poháněny potřebnou rychlostí elektrickým motorem. Při uspořádání na obr. 4c, když se vyskytne porucha, elektromagnetická spojka spojí rotující setrvačník s motorem, který zapíná a pohání generátor. Spuštění motoru a napájení zátěže je provedeno automaticky během 0.5-2 sekund. Při uspořádání na obr. 4d, během normálního provozu, je elektrická energie dodána ne z distribuční sítě, nýbrž z generátoru, který je poháněn elektrickým motorem napájeným ze sítě. V případě výpadku proudu, poskytuje setrvačnost setrvačníku energii pro spuštění motoru prostřednictvím elektromagnetické spojky. A tak spalovací motor pohání generátor, který dodává elektrickou energii s nulovou dobou přenosu. Obr. 5 ukazuje některá možná provedení konceptů ilustrovaných na obr. 4c a 4d. a)
b)
Síť
Síť
c)
1 Spalovací motor / turbina
Síť
2 Elektromagnetická spojka 3 Setrvačník 4 Generátor uzpůsobený i pro motor
Zátěž
5 Generátor Zátěž
Zátěž 1
Zátěž 2
6 Elektromotor
Obr. 5 - Generátory vybavené setrvačníky pro nulový čas přechodu a) s generátorem pracujícím při normálních provozních podmínkách jako motor b) s generátorem trvale poháněným motorem c) s generátorem poháněným při normálních provozních podmínkách motorgenerátorem Zátěž 1 napájená bez přerušení, Zátěž 2 napájená s krátkým přerušením při zapnutí náhradního napájení z motorgenerátoru nebo při zpětném přechodu na napájecí síť
Vhodně navržená generátorová soustrojí mohou splnit většinu požadavků na záložní zdroje elektrické energie, stejně tak na nepřetržitou dodávku energie. Může být dosaženo nulových dob přechodu a kvalita energie může být vysoká, jestliže je generátor vhodný pro zamýšlenou zátěž (tj. impedance zdroje je dostatečně nízká). 5
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie Na druhé straně generátorová soustrojí, obzvláště jednotky s velkým výkonem, mají některé nevýhody. Jsou hlučné (průměrná hladina hluku je od 70-95 dB), velké a těžké, a vyžadují velký sklad pohonných látek a systémy přívodu vzduchu a odsávací zařízení. V důsledku toho jsou tyto generátory obvykle instalovány v oddělených budovách, relativně vzdálených od obytných budov.
Akumulátorové baterie Akumulátorové baterie se používají v elektronických UPS systémech a, jak je popsáno výše, v některých typech dieselelektrických generátorech pro spuštění dieselmotoru a napájení řídicích obvodů. Také se v široké míře používají v samostatných jednotkách jako je nouzové osvětlení, bezpečnostní zařízení, počítačová a telekomunikační zařízení. Baterie se hlavně používají pro napájení stejnosměrných zátěží nebo zátěží, které mohou být napájený jak ze stejnosměrných, tak i ze střídavých sítí, např. osvětlení. Baterie používané pro napájení střídavých zátěží jsou vybaveny střídači. Vysokokapacitní samostatné baterie mohou být použity jako akumulátory elektrické energie pro pokrytí špičkového odběru v napájecí síti vn. Avšak o této aplikaci zde diskutovat nebudeme. Existují dvě základní filozofie návrhu řešení akumulátorových baterií. V prvním může být zátěž napájena hlavním napájením až do poruchy, potom je zátěž zapnuta na napájení z akumulátorové baterie (obr. 6a). Ve druhém řešení je zátěž vždy napájena akumulátorovou baterií, která je neustále nabíjena hlavním napáječem, pokud je k dispozici (obr. 6b). Na obr. 6a je stejnosměrná zátěž normálně napájena z hlavního napáječe přes hlavní usměrňovač, zatímco je baterie neustále nabíjena přes druhý, oddělený usměrňovač. Když je porucha v napájení, nebo je napětí mimo toleranci, zátěž je přepojena na baterii spínačem s krátkou, ale ne nulovou dobou přechodu. Tento typ systému je vhodný pro nouzová osvětlení a při evakuaci. V uspořádání na obr. 6b je stejnosměrná zátěž napájena přímo z hlavního usměrňovače paralelně s baterií. Když je k dispozici hlavní napáječ, je použit k napájení zátěže a nabíjení baterie. Když není k dispozici hlavní napáječ, baterie napájí zátěž. Doba přechodu je nulová, a tím je toto uspořádání vhodné k napájení energeticky závislých pamětí na kterých je založen počítač. Toto uspořádání je v podstatě také běžně používáno z funkčních důvodů a pro svou vhodnost, užitečnost ve vybavení spotřebičů, např. pro zachování času u videorekordérů a rádiových budíků. Nulová doba přechodu je zřejmou výhodou tohoto řešení. Avšak spolehlivost souboru na obr. 6a je vyšší než ta na obr. 6b, protože v prvním případě je baterie napájena přes samostatný usměrňovač. Účinnost akumulátorové baterie je odhadnuta v rozmezí 90-97%. Síť
a)
b)
Síť
a) Systém se spínačem S b) Nepřetržitá dodávka energie:
SS zátěže
DC loads
1 Napájení se sítě 2 Napájení z baterie
Síť
Síť
SS zátěže SS zátěže
Obr. 6 - Různé možnosti záložního zdroje elektrické energie pro stejnosměrné zátěže s využitím usměrňovačů a akumulátorové baterie Kapacita baterie musí být dostatečná tak, aby se dodávala elektrická energie buď až do obnovení dodávky z hlavního napájení, nebo vyžadovaná funkce - evakuace, bezpečnostní zastavení - byla dokončena. Obecně, doby nabíjení baterií vysoce překračují doby vybíjení, takže pracovní cyklus těchto systémů je nízký. Systém by měl být navržen tak, že zcela vybitá baterie je znovu nabita za dobu max. 6 hodin.
6
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie Nouzové osvětlení je obzvláště důležité ve veřejných budovách jako jsou výstavní a sportovní haly, divadla, kina, velké kancelářské budovy, atd. Zařízení navržená pro nouzové osvětlení mají normálně zabudovaný rezervní zdroj. Nemocniční velké operační sály mají podobné, ale přísnější požadavky. Zdroje světla mohou být často napájeny buď střídavým proudem nebo stejnosměrným proudem pokud je důležitější kontinuita dodávky než kvalita napájení. Příklad systému tohoto napájecího systému je znázorněn na obr. 7. Obr. 7 - Napájecí systém zátěží, které mohou být napájeny jak střídavým, tak i stejnosměrným proudem; akumulátorová baterie je použita jako zálohový zdroj energie; spínání se vyskytuje s krátkým přerušením
Síť
ST / SS zátěže
Systémy nepřerušitelného napájení (UPS) Klasifikace UPS UPS systémy se nyní běžně používají jako záložní zdroje energie pro kritické zátěže, kde doba přechodu musí být velmi krátká nebo nulová. Statické UPS systémy jsou snadno dostupné o jmenovitém výkonu od 200 VA do 50 kVA (jednofázové ) a od 10 kVA až po okolo 4000 kVA (třífázové). Kromě záložního napájení v případě poruchy, se také UPS používají pro místní zlepšení kvality dodávané energie. Účinnost zařízení UPS je velmi vysoká, se ztrátami energie v rozsahu od 3% do 10%, v závislosti na počtu použitých konvertorů a typu sekundární baterie.
Základní klasifikace UPS systémů je dána normou IEC 62040-3 publikovanou v roce 1999 a přijatou CENELEC jako normu EN 50091 - 3 [1]. Norma rozlišuje tři třídy UPS, a naznačuje závislost výstupního napětí a výstupní frekvence na vstupních parametrech: ◆
VFD (výstupní napětí a frekvence závislé na dodávce z hlavního napáječe)
◆
VI (výstupní napětí nezávislé na dodávce z hlavního napáječe)
◆
VFI výstupní napětí a frekvence nezávislé na dodávce z hlavního napáječe) Avšak v praxi tato klasifikace úzce koresponduje s klasifikací podle interní struktury: ◆
pasivní záloha
◆
interaktivní vedení
◆
dvojitá konverze Tabulka 3 ukazuje hlavní vlastnosti těchto klasifikací zařízení UPS a stručný popis tří výše zmíněných UPS tříd. VFD
VI
VFI
Pasivní záloha
Interaktivní vedení
Dvojitá konverze
Nejnižší
Střední
Nejvyšší
Regulace napětí
Žádná
Omezená
Ano
Regulace frekvence
Žádná
Žádná
Ano
Doba přechodu
Krátká
Nulová
Nulová
EN 50091 - klasifikace Náklady
Tabulka 3 - Klasifikace a charakteristika UPS tříd podle norem
7
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie Pasivní zálohové zdroje (VFD)
Zátěž
S
Síť B
Obr. 8 - Blokové schema ilustrující princip pasívního zálohového zdroje (VFD) zařízení UPS S
Přepínač
B
Akumulátorová baterie
1 Normální provoz 2 Nabíjení baterie při normálním provozu
Toto je nejjednodušší, nejkompaktnější a nejméně nákladná topologie, ale má některé závažné nevýhody. Neposkytuje žádnou izolaci zátěže od rušení v napájecí síti a neposkytuje žádnou regulaci napětí ani frekvence. Její nenulová doba přechodu znamená, že existuje krátké, ale konečné přerušení napájení v době přepínání a tím je tato topologie nevhodná pro mnoho aplikací, obzvláště IT systémy.
3 Tok elektrické energie při napájení z baterie
Paralelní spínač
Interaktivní vedení (VI)
S’ť
Topologie interaktivního vedení je znázorněna na obr. 9. Invertor je obousměrný, tj. chová se jako usměrňovač pro nabití baterie, když je k dispozici elektrická energie hlavního přívodu, ale chová se jako invertor pro výrobu elektrické energie z baterie, když elektrická energie hlavního přívodu není k dispozici.
Hlavní transormátor
Tento typ UPS (obr. 8) má dva pracovní režimy. Normálně je energie zátěži poskytnuta z hlavního napájení, volitelně přes filtr/ kondicionér, aby se odstranily přechodné jevy nebo byla zajištěna přiměřená regulace napětí. Usměrňovač poskytuje nabíjecí proud pro baterii. V režimu "uskladněná energie" , je elektrická energie poskytnuta zátěži z baterie přes invertor. Přechod z "normálního" na režim "uskladněná energie" se realizuje, když je napětí hlavního zdroje mimo toleranci, pomocí spínače s krátkou (ale ne normalizovanou) dobou přechodu. Typické je maximální trvání vybíjení baterií okolo 3 hodin, zatímco se vyžaduje 6 hodin pro znovunabití.
Zátěž
UPS s interaktivním vedením má tři režimy Akumulátorová provozu. Za normálního režimu je zátěž baterie napájena transformovanou elektrickou energií přes statický spínač. Invertor je využit pro úpravu Obr. 9 - Struktura UPS s intenzivním vedením (VI)s výstupního napětí a pro nabití sekundární jednou konekcí baterie. Výstupní frekvence je stejná jako frekvence hlavního vedení. Při režimu 1 Regulační smyčka pro fázovou a amplitudovou modulací "uskladněná elektrická energie" je zátěž 2 Regulační smyčka pro nabíjení akumulatorové baterie napájena elektrickou energií z baterie přes invertor. Statický spínač se otevře, aby se zabránilo tomu, že je elektrická energie vedena zpět do napáječe. Tento typ UPS může mít také bočníkový režim, ve kterém je zátěži umožněno přímé připojení k hlavnímu napájení v případě poruchy UPS nebo z důvodů údržby. UPS s interaktivním vedením nabízí nižší náklady než topologie dvojité konverze, ale má několik nevýhod. Není možná regulace kmitočtu, izolace od poruch v napájení jako např. přechodné jevy a přepětí je slabá, a stupeň úpravy, které může být dosaženo, je omezen, protože jde o paralelní zařízení. Jedna varianta UPS s interaktivním vedením tzv. Delta schéma, znázorněné na obr. 10.
8
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie
Hlavní invertor (2) je stálý zdroj napětí a řídí velikost a tvar křivky výstupního napětí v bodě rovnováhy elektrické energie ( PBP) (obr. 10). Tak je napětí v primárním vinutí transformátoru výsledkem rozdílu mezi skutečným napětím na vstupu UPS a vázaným napětím v PBP. Napětí primárního vinutí reguluje napětí sekundárního vinutí.
Obr. 10 - Blokové schéma Delta UPS 1, 2 S Tr B PBP
Měnič Paralelní spínač Transormátorr Akumulátorová baterie Bod rovnováhy elektrické energie
Síť Síť
Zátěž
Zátěž
Zátěž Zátěž
Síť
Zátěž
v
Při normálním provozu, když je napájecí napětí stejné jako v PBP, napětí v primárním vinutí transformátoru je rovno nule (obr. 11a). Oba invertory (1) a (2) jsou zapnuty a zátěž je napájena pouze ze sítě. Pro jalové zátěže a pro nesinusové proudy zátěže pracují oba invertory společně, aby opravily účiník a harmonické v proudu dodávaném ze sítě. Jestliže napájecí napětí je nižší než v bodě PBP, napětí v primárním vinutí transformátoru (Tr) je nenulové (obr. 11b). Hlavní invertor (2)
Zátěž B
Síť
Navíc Delta invertor upravuje účiník tak, aby jej udržel na hodnotě blízko 1, hlavní invertor kompenzuje harmonické v proudu zátěže. Tak proud dodaný ze sítě má sinusový tvar a je ve fázi s napájecím napětím. Pět typických režimů provozu Delta UPS jsou znázorněny na obr. 11.
proud
Bod rovnováhy el. energie
Síť
Rolí Delta invertoru je vyrobit sekundárním vinutí, který indukuje proud v primárním vinutí kompenzující rozdíl elektrické energie mezi sítí a bodem rovnováhy PBP.
S
Síť
Delta UPS je vybaveno dvěmi DC/AC invertory: delta invertor (1) (obr. 10) a hlavní invertor (2). Oba invertory jsou připojeny ke stejné sekundární baterii (B). Jmenovitý výkon Delta invertoru je vypočten na asi 30% výkonu zátěže, zatímco výkon hlavního invertoru představuje 100% výkonu zátěže. Delta invertor je připojen k sekundárnímu vinutí transformátoru (Tr ), jehož primární vinutí je připojeno v sérii mezi napájecí sítí a UPS výstupem.
Obr. 11 Ilustrace různých provozních stavů Delta UPS U - napětí, I - proud, P - výkon Jiná označení jsou stejná jako na obr. 10
9
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie dodává do sítě přídavný proud a delta invertor (1) generuje proud v sekundárním transformátorovém vinutí, aby se indukoval vyšší proud v primárním vinutí, který se síťovým napětím dává požadovaný příkon. Pak je ze sítě odebírán vyšší proud, aby kompenzoval své nižší napětí tak, aby bylo dodáno ze sítě 100% výkonu zátěže (obr. 11b). Jestliže síťové napětí je vyšší než pevné napětí v bodě PBP (obr. 11c), polarita napětí v primárním vinutí transformátoru (Tr) je opačná k tomu v předchozím případě, znázorněném na obr. 11b. Delta invertor (1) je napájen ze sítě s menším proudem, zatímco přídavný proud je dodáván do bodu PBP přes delta invertor (1) a hlavní invertor (2), aby se zajistil proud zátěže na požadovanou hodnotu (obr. 11c). Primární napětí transformátoru je regulováno ze síťového napětí a výstupní napětí v PBP je udržováno na stálé jmenovité hodnotě hlavním invertorem. V případě poruchy v napájení delta UPS funguje v režimu dodávky uskladněné elektrické energie (obr. 11d) s tím, že celá elektrická energie zátěže je dodávána z baterie přes hlavní invertor (2). Za normálních provozních podmínek, nezávisle na hodnotě napájecího napětí, sekundární baterie (B) je nepřetržitě napájena (obr. 11e). Po skončení provozu v režimu uskladněné energie je baterie znovu nabita přes hlavní invertor (2), který odebírá přídavný proud pro tento účel ze sítě. Dvojitá konverze (VFI)
Topologie dvojité konverze je znázorněna na obr. 12. Je to sériové spojení a celková elektrická energie zátěže je dodána přes výstupní invertor. Při normálním režimu je zátěž napájena přes kombinaci usměrňovač / nabíjení/ invertor - odtud název dvojitá konverze. Baterie je připojena do stejnosměrného obvodu a je nepřetržitě napájena. V režimu uskladněné elektrické energie invertor napájí zátěž energií z baterie. Co se týče zátěže, nic se nezměnilo - energie je dodána přes invertor, ale nyní je zdroj energie pro invertor odlišný. Je tam zcela nulová doba přechodu, takže tato topologie je ideální pro citlivé zátěže. V režimu bočníku statický spínač připojuje zátěž přímo k napájecí síti - v případě poruchy UPS. Výhody dvojí konverze UPS jsou: velmi dobrá izolace od napájecí sítě, dobrá regulace napětí, dobrá regulace frekvence (pokud je vhodná) a nulová doba přechodu mezi zdroji energie. Všimněte si, že pokud se má použít paralelní spojení, frekvence výstupu musí být synchronizována s frekvencí napájecí sítě a tím se neguje schopnost regulace frekvence. Jestliže nominální výstupní napětí je odlišné od napájecího, bude u paralelního spojení požadován transformátor.
Síť
S
Omezení rušení při použití UPS UPS systémy mohou být také charakterizovány stupněm izolace, které poskytují mezi napájením a zátěží a poskytnutím potenciálního zlepšení kvality energie. Obr. 13 použití určité třídy UPS systému.
Zátěž
Paralelní propojení
Nevýhody dvojité konverze UPS jsou: vyšší cena a značně nižší účinnost.
F
B
Obr. 12 - Základní struktura UPS s dvojí konverzí B F S
Akumulátorová baterie Filtr Spínač
ilustruje deset typů rušení, které mohou být omezeny při
Nejjednodušší UPS zařízení patří do VFD třídy a omezují první tři druhy rušení. Jsou to zařízení se zálohováním znázorněném na obr. 8, takže zde existuje krátká doba přechodu během přepínání. Proto jsou omezena pro použití se zátěžemi, které mohou tolerovat krátké výpadky elektrické energie.
10
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie Zátěže, které vyžadují vyšší úroveň stability napětí, vyžadují zařízení třídy VI, které omezují pět poruch. To jsou obvykle UPS s interaktivním vedením (jak je např. ukázáno na obr. 9). Zátěže vyžadující nejvyšší kvalitu dodávané elektrické energie a spolehlivost dodávky vyžadují UPS zařízení třídy VFI, které eliminují všech deset typů poruch. Je to obvykle zařízení on-line, s dvojitou konverzí.
1 - Výpadky napájení, >10 ms VFD V1
2 - Rychlé změny napětí, <16 ms 3 - Krátkodobá přepětí, 4-16 ms 4 - Dlouhodobé poklesy napětí
VF1
5 - Dlouhodobá přepětí 6 - Efekty blesku 7 - Přepěťové rázy, <4 ms 8 - Změny frekvence
Zvýšení dostupnosti systému při použití zařízení UPS
9 - Zkreslení křivky napětí
Statické UPS systémy jsou velmi spolehlivé, ale v případě jejich poruchy mohou být následky velmi vážné. Abychom zátěž před tím ochránili, je připojen paralelní spínač pro přímé připojení zátěže k napájení. Je zřejmé, že pokud je UPS přemostěno, zátěž není ochráněna proti poruchám anebo výpadku napájení.
10 - Napěťové harmonické
Obr. 13 - Klasifikace zařízení UPS podle omezení rušení [1]
Většina zařízení UPS je vybavena paralelním obvodem nebo spínačem (obr. 14), který poskytuje alternativní cesty elektrické energie přes zařízení UPS. Tento spínač je obvykle ovládán manuálně, aby se napájely zátěže přímo ze sítě, když je vyžadována údržba UPS. Dostupnost systému je podstatně zvýšena tím, že se přidají přídavné záložní jednotky. Koncepce zálohování je vysvětlena v části 4.1 tohoto Průvodce. Obecně je předpokládaná zátěž "obsloužena" počtem menších jednotek pracujících paralelně, jak je ukázáno na obr. 15. Jestliže je vyžadováno N jednotek pro napájení zátěže, potom je instalováno alespoň N+1 jednotek. Výsledkem toho je, že jedna jednotka může selhat, aniž by se ovlivnil provoz.. Jestliže se zátěž zvýší nad kapacitu instalovaných jednotek, jednoduše se přidá další jednotka stejného jmenovitého výkonu.
Zdroje energie Úvod Podle statistických údajů [6] okolo 97 procent všech přerušení napájení v síti VN trvá méně než 3 sekundy. Tyto poruchy jsou způsobeny hlavně atmosférickými výboji a automatické opětné zapínání působí po 0.33 sekundách. Poruchy trvající déle než 3 sekundy se vyskytují pouze v přibližně 3 % všech poruch a jsou obvykle způsobeny vadou na vybavení sítě. Časové trvání takovýchto událostí je podstatně delší, v rozsahu minut, hodin nebo dní. Proto existují dva charakteristické požadavky pro energetické zdroje. První je pro dlouhou dobu trvání - možná až několik hodin - s omezenou energií, zatímco druhý je pro velmi krátkou dobu trvání - až několik minut - s velmi vysokou energií. Oba typy záložních zdrojů by také měly splnit následující další požadavky: ◆
vysoká akumulace energie
◆
nízká samočinná rychlost vybíjení
◆
vysoká rychlost nabíjení
◆
nízký požadavek na údržbu
◆
vysoká spolehlivost
◆
vysoká rychlost uvolnění energie Pro spalovací motory je jasný zdroj energie - některá forma fosilního paliva, která má ty výhody, že má
11
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie vysokou energetickou hustotu, okamžité "znovunabytí" tím, že se znovu naplní palivem a prakticky nekonečné napájení.
Paralelní spínač
b)
Síť
Síť Zátěž
Zátěž
c)
Paralelní spínač
Zátěž Síť
Obr. 14 - Schemata tří cest (čárkované dráhy) toku elektrické energie přes UPS při různých provozních stavech
Zátěž
Zátěž
a) Elektrická energie za sítě přes statický spínač normální provoz b) Elektrická energie z akumulátorové baterie - provoz ze záložního zdroje c) Elektrická energie ze sítě přes paralelní spínač
Napájení
Záložní zdroj je udržován v úplně nabitém stavu, pokud je hlavní napájení dostupné a poté vybit, když dojde k poruše. V ideálním případě musí záložní zdroj být schopen rychlého znovunabití poté, co je hlavní napájení obnoveno tak, aby byl opět k dispozici. Hlavní charakteristika záložních zdrojů je diskutována v následujících podkapitolách.
Paralelní spínač
Napájení
Pro statické systémy UPS je obvyklé uchování energie v sekundární baterii. Avšak za posledních několik let byly vyvinuty nové systémy uložení energie, jako jsou setrvačníky, super-kondenzátory a supravodivé magnetické uchování energie (SMES), a to do stavu komerční realizovatelnosti. Hlavní rozdíl mezi sekundárními bateriemi a novými systémy je doba, po kterou může být uchovaná energie dodána. Sekundární baterie jsou schopné dodávat energii v krátkých časových intervalech, řekněme desítky sekund nebo několik minut, stejně tak pro dlouhé časové úseky, řekněme několik hodin nebo desítky hodin. Avšak nové systémy uchování energie jsou navrženy hlavně pro krátká časová období, řekněme sekund až desítky sekund pro pokrytí velmi krátkých přerušení napájení nebo pro snížení vlivu poklesů napětí.
a)
Obr. 15 - Systémy UPS při paralelním provozu a) S paralelním spínačem a statickým spínačem v zařízení UPS b) S jedním paralelním spínačem a jedním statickým spínačem
Akumulátorové baterie (SB) Dodavatel zařízení obvykle volí typ akumulátorové baterie, ale uživatel musí znát typ použité akumulátorové baterie a její nároky na údržbu - tyto parametry mohou ovlivnit volbu zařízení. Hlavní typy akumulátorových baterií a jejich vlastnosti jsou uvedeny v Tabulce 4. Stacionární akumulátorové baterie, kde není důležitá hmotnost, jsou obvykle olověné vzhledem k jejich nízké ceně.
12
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie Uzavřené olověné
NiCd
NiMH
Li ion
nízká
střední
vysoká
velmi vysoká
30
50
75
100
2.27
1.25
1.25
3.6
Nízký
Velmi vysoký
Mírný
Vysoký
200 - 2,000
1,500
500
300 - 500
Samovybíjení
Nízké
Mírné
Vysoké
Nízké
Min. dostupný čas (hod)
8 -16
1.5
2-3
3-6
Požadavek na využití
180 dní
30 dní
90 dní
žádný
Riziko vlivu na životní prostředí
Vysoké
Vysoké
Nízké
Vysoké
Cena Hustota energie (Wh/kg) Napětí článku (V) Proud zátěže Počet cyklů nabití/vybití
Tabulka 4- Hlavní typy akumulátorových baterií a některé jejich obecné charakteristiky
Setrvačníky Setrvačníky jsou používány u některých konvenčních motorgenerátorů pro uchování mechanické energie požadované při spuštění spalovacího motoru v případě poruchy napájení. V tomto případě pouze okolo 5% energie setrvačníku může být využito pro výrobu elektrické energie přímo, protože změna rychlosti, a tím i frekvence, je příliš velká. Když je setrvačník použit jako zdroj energie, jeho koncepce je zcela odlišná. Setrvačník je "nabíjen" udržováním rotující rychlosti - hlavním pohonem. Když se hlavní zdroj porouchá, je energie ze setrvačníku použita pro generování elektrické energie na proměnné frekvenci a napětí, které je převedeno na standardní frekvenci a napětí elektronickým invertorem. Protože je uchovaná energie proporcionální k druhé mocnině rotační rychlosti, může být použito okolo 50% rozsahu otáček. Konstrukce setrvačníku jsou charakterizovány jako vysokorychlostní (HSFW) nebo nízkorychlostní (LSFW) [7] Vysokorychlostní setrvačníky jsou konstruovány ze skla nebo uhlíkových vláken, které jsou přibližně 5x těžší než ocel. Kvůli tepelnému namáhání a velkým odstředivým silám je v soustrojí rotor generátoru trvalý magnet. Soustrojí setrvačník/rotor rotuje ve vakuu, je vybaveno magnetickými ložisky tak, abychom se vyhnuli mechanickým třecím silám. Vysokorychlostní setrvačníky jsou v provozu v rozsahu rotačních rychlostí od 10 000 až do 100 000 otáček za minutu. V současné době se vyrábí s výkony až do 250 kW s uchovanou energií 8 MW.
Síť
Zátěž
Nízkorychlostní setrvačníky jsou v provozu v rozsahu až do 6 000 otáček za minutu. Kvůli nižší rotační rychlosti ve srovnání s vysokorychlostními Paralelní přívod setrvačníky je v těchto konstrukcích zapotřebí podstatně většího momentu setrvačnosti, výsledkem jsou vyšší hmotnosti. Setrvačník je vyroben z oceli, a není nezbytná činnost ve vakuu, nýbrž v částečném vakuu nebo může být použit plyn nízké hustoty, aby se snížily třecí ztráty. Motorgenerátor je synchronní stroj s budicím vinutím na rotoru. Tato vinutí vytvářejí ztráty a teplo, ale výhodou oproti vysokorychlostnímu generátoru setrvačníku je možnost regulace buzení. Systémy nízkorychlostního setrvačníku mohou být vyrobeny o jmenovitých výkonech až do 2 MVA a jsou schopny dodávat energii po dobu 130 sekund.
Obr. 16 - Schema kombinovaného systému setrvačníku a motorgenerátoru
Nízkorychlostní setrvačníky jsou často používány jako kombinované systémy s tradičními generátory. Typický příklad je na obr. 16.
F
Setrvačníkový systém pro krátkodobou akumulaci
G
Motorgenerátor pro setrvačníkovou akumulaci
M/G Motorgenerátor
13
C
Elektromagnetická spojka
E
Dieselmotor nebo plynová turbína
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie Setrvačník poskytuje energii během období mezi ztrátou napájení z veřejné sítě, a buď obnovením napájení, nebo začátkem spuštění dostatečného záložního zdroje (tj. motorgenerátoru). Setrvačníky poskytují energii 1-30 sekund, motor-generátory jsou typicky k dispozici během 5-20 sekund.
Superkondenzátory (SC) Superkondenzátory (také známy jako ultrakondenzátory) mají extremně vysokou kapacitu, které je dosaženo použitím aktivního uhlíku, aktivovaných uhlíkových vláken nebo RuO2 jakožto elektrodových materiálů. Elektrody vyrobené z těchto materiálů mají daleko větší aktivní elektrický povrch ve srovnání s klasickými kovovými filmy. Superkondenzátory slouží v systému jako stejnosměrné zdroje elektrické energie a poskytují energii během krátkodobých výpadků a poklesů napětí . Tím, že kombinujeme superkondenzátory a akumulátorové UPS, cykly baterií jsou sníženy, protože poskytují energii pouze při dlouhodobějších výpadcích a jejich doba životnosti je prodloužena. Malé superkondenzátory jsou běžně používány k prodloužení životnosti baterie - efektivně pro pokrytí špičkového cyklu u elektronických zařízení, ale velké superkondenzátory jsou stále ve vývoji. Očekává se, že budou realizovatelné pro uložení energie ve velmi blízké budoucnosti.
Záložní zdroje se supravodivými magnetickými systémy (SMES) Supravodivé systémy uchovávají energii v magnetickém poli velké cívky se stejnosměrným proudem, který může být převeden zpět na střídavý tak, jak je požadováno. Supravodivé systémy nízké teploty ochlazené tekutým héliem jsou komerčně k dispozici. Vysokoteplotní supravodivé systémy ochlazené tekutým dusíkem jsou stále ve vývoji a mohou být komerčně využitelné k uchování energie v budoucnu. V zařízení SMES je magnetické pole tvořeno tím, že stejnosměrný proud cirkuluje v uzavřené supravodivé cívce. Elektrické ztráty jsou zanedbatelné. Pro získání energie je průchod cirkulujícího proudu opakovaně otevírán a uzavírán polovodičovým spínačem. Vlivem své vysoké indukčnosti se cívka chová jako zdroj proudu, který může být použit pro nabití kondenzátoru, který poskytuje vstup stejnosměrného napětí do invertoru, který vyrábí požadované střídavé napětí. SMES systémy jsou velké a mohou mít výkony od 1 až do 100 MW, ale jsou běžně používány pro velmi krátká období, v rozsahu 0.1-1 sekunda.
Uchování energie stlačeného vzduchu ( CAES ) V systémech CAES je energie uložena ve stlačeném vzduchu použita k pohánění vzduchových turbin elektrických generátorů. Podle výkonu a množství uchované energie mohou být CAES systémy použity jako záložní zdroje a pro pokrytí špičkového zatížení. "Filozofie" takového zařízení je podobná jako u motorgenerátorů. Zásobník vzduchu je udržován pod tlakem kompresorem, který funguje přerušovaně, pokud je elektrická energie dostupná. Dostupný rozsah výkonu je od několika desítek po několik stovek kVA.
Výkon (MW)
Systémy CAES použité jako záložní, jsou vybaveny vzduchovými nádržemi, zatímco pro pokrytí špičkového zatížení jsou často použity přírodní dutiny, jako jsou vodonosné vrstvy nebo uměle vytvořené dutiny jako jsou doly ve tvrdé skále nebo kaverny v solných dolech. Avšak tento druh systémů CAES není dále diskutován v tomto Průvodci.
Srovnání různých systémů uchování energie Systémy uchování energie mohou být použity v systémech UPS v různých kombinacích. Jak bylo uvedeno výše, superkondenzátory mohou být použity spolu se sekundárními bateriemi pro pokrytí krátkodobé potřeby výkonu a prodloužení životnosti baterie. Každý zdroj energie je charakterizován kapacitou uložené energie a dostupnou elektrickou energií, ze které je odvozen čas, ve kterém může být
Akumulovaná energie (MW)
Obr. 17 - Charakteristiky výkon - energie pro různé záložní systémy [7] V tabulce 5 jsou vysvětleny zkratky
14
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie
Měrné náklady na investice (US$/kW)
energie dodávána. Obr. 17 shrnuje tyto parametry pro různé systémy uložení energie [7]. Krátkodobé zdroje energie jsou stále ve vývojové fázi, takže investiční náklady jsou stále relativně vysoké (obr. 18). Avšak v budoucnosti spolu se zlepšením návrhu a výroby, a zvýšení výrobních objemů, cena těchto zařízení poklesne.
Překlenovací čas (s)
Výkonnost systémů uchování energie použitých v UPS záleží Obr 18 - Měrné investiční náklady pro různé záložní zdroje versus nejenom na operacích nabíjení jejich paralelní chod [7] a vybíjení, nýbrž také na V tabulce 5 jsou vysvětleny zkratky ztrátách při chodu naprázdno. V praxi jsou tyto ztráty dominantní, protože UPS systém funguje převážnou dobu v zálohovém režimu. A tak měrné ztráty na Wh záložních zdrojů jsou podstatným faktorem výkonnosti systémů uložení energie. V současné době jsou ztráty krátkodobých zdrojů energie velmi vysoké ve srovnání se ztrátami tradičních úložných systémů. Pouze superkondenzátory jsou srovnatelné se sekundárními bateriemi z hlediska měrných ztrát. Měrné ztráty různých systémů uložení energie jsou ukázány v tabulce 5.
Typ záložního zdroje
Měrné ztráty/Wh
Samovybíjecí čas
Supravodivé magnetické systémy (SMES)
35 W
1.7 min
Nízkootáčkové setrvačníky (LSFW)
2.2 W
30 min
Vysokootáčkové setrvačníky (HSFW)
1.2 W
50 min
Superkondenzátory (SC)
0.026 W
1.6 dne
Akumulátorové baterie (SB)
0.023 W
Velmi dlouhý, více než několik měsíců
Tab. 5 Měrné ztráty různých záložních zdrojů (7)
Příklad praktického řešení nouzového napájení V praxi, abychom zajistili požadovanou úroveň dostupnosti, je často nezbytné použít kombinaci zařízení jako jsou ta na obr. 19. Zátěže jsou rozděleny do dvou skupin, podle jejich úrovně priority. Např. zařízení IT by měla mít nejvyšší prioritu ( kategorie IV, tabulka 1 ) a měla by být napájena systémem UPS. Zátěže, které mohou tolerovat určitou dobu přechodu, by mohly být napájeny motor-generátorem.
Hlavní rozvaděč
Vedení 2
Automatický zdroj přechodový systém 2
Vedení 1
Napájený objekt
Automatický zdroj přechodový systém 1
Motorgenerátor
Obr. 19 - Příklad napájení s vysokou dostupností
15
Obvody s požadovanou vysokou dostupností napájení Obvody s požadovanou velmi vysokou dostupností napájení
Zlepšování spolehlivosti pomocí záložních zdrojů energie Spínací operace v obvodech jako jsou ty na obr. 19, jsou provedeny automatickým systémem přechodu na záložní zdroj (ASCS). Příklad praktického řešení ASCS je ukázán na obr. 20. Základní části a provozní schéma ASCS jsou popsány níže. Vstupní regulátor měří napětí základního a rezervního zdroje a sekvenci jejich řídících signálů jsou ukázány na časovém diagramu na obr. 20.
Závěry V současné většina průmyslových a komerčních spotřebitelů používá řadu spotřebičů, které vyžadují vyšší kvalitu dodávané elektrické energie než je ta, která je dostupná přímo z napájecí sítě. Zlepšení činnosti sítě je jak obtížné tak drahé, takže je na spotřebiteli učinit kroky ke zmírnění účinků špatné kvality dodávané elektrické energie.
Deska vstupního regulátoru
Hlavní regulační relé
Neexistuje jediné řešení. Nejvhodnější řešení bude určeno velikostí výkonu, požadovanou úrovní kvality a spolehlivosti, kvalitou a spolehlivostí příchozí elektrické energie, zeměpisným umístěním a náklady. Řešení jsou k dispozici pro každý scénář za určitou cenu, je zapotřebí detailní analýzy pro výběr správného a nejekonomičtějšího řešení pro danou konkrétní aplikaci a pracovní prostředí.
Kat 1 zátěže
Kat 2 zátěže
Literatura 1 EN 50091 (IEC 62040) Un-interruptible power systems. 2. Elektronizacja 11/2001. 3. EN 50160 Voltage characteristics of electricitysupplied by public distribution systems.
Obr. 20 - Schema nízkonapěťového automatického systému pro změnu zdroje času a časový diagram jeho činnosti B
Normální zdroj
4. ABB Switchgear Manual, 10th edition, Dusseldorf, Cornelsen Verlag 1999.
R
Alternativní zdroj
BCB, RCB
Spínače pro normální a alternativní zdroj
5. Seip G.: Elektrische Installationstechnik. T1. Berlin - Munchen, Siemens - Aktiengesellschaft, 1993.
S1, S2
6. UNIPEDE DISDIP, Measuring
EGS
Motorgenerátor
UB, UR
Měření normální a alternativní napětí
of power failures in MV grid in Europe. 7. Darrelmann H.: Comparison of alternative short time storage systems. Piller GmbH www.piller.de, 2002.
Spínače zátěží s vysokou a nízkou kategorií dostupnosti
Vysvětlení časových symbolů v textu
16
HUNGARIAN COPPER PROMOTION CENTRE
Hungarian Copper Promotion Centre Képíró u. 9 H - 1053 Budapest Maďarsko Tel.: 00 361 266 4810 Tel.: 00 361 266 4804 E-mail:
[email protected] Website: www.hcpcinfo.org
VŠB-TU Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra elektroenergetiky 17. listopadu 15 CZ 708 33 Ostrava-Poruba Tel.: +420 597324279 Tel.: +420 596919597 E-mail:
[email protected] Website: homen.vsb.cz/san50/
European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B - 1150 Brussels Belgium Tel.: 00 32 2 777 70 70 Fax: 00 32 2 777 70 79 Email:
[email protected] Website: www.eurocopper.org
