Rugalmas energiaellátás

Villamosenergia-minôség – Alkalmazási segédlet

Rugalmas energiaellátás A villamos-energia ellátás biztonságának növelése tartalék energia ellátással

Terhelés

Fôtranszformátor

Hálózat Akkumulátor telep

Rugalmas energiaellátás

Bypass (áthidaló) kapcsoló

4.3.1

Rugalmas energiaellátás A villamos-energia ellátás biztonságának növelése tartalék energia ellátással Prof Henryk Markiewicz & Dr Antoni Klajn Wroclaw University of Technology 2003. június Magyar Rézpiaci Központ Hungarian Copper Promotion Centre (HCPC) A Magyar Rézpiaci Központ a réztermelôk és feldolgozók által támogatott non-profit szervezet, amelynek célja a réz és a rézötvözetek használatának, valamint helyes és hatékony alkalmazásának elôsegítése. A szolgáltatások, beleértve a mûszaki tanácsadást és információs adatközlést, mindazok rendelkezésére állnak, akik bármilyen vonatkozásban érdekeltek a réz felhasználásában. Az egyesülés összeköttetést teremt a kutatás és a felhasználó ipar között, és szoros kapcsolatot tart fenn a világ többi – a rézpiac fejlesztésén tevékenykedô – szervezetével. Európai Réz Intézet European Copper Institute (ECI) Az Európai Réz Intézet az ICA (International Copper Association) és az IWCC (International Wrought Copper Council) támogató tagjai által létrehozott szervezet. Tagjain keresztül az ECI a világ legnagyobb réztermelôi és Európa vezetô réztermék gyártói nevében dolgozik a réztermékek európai piacfejlesztésén. Az 1996 januárjában megalakult ECI-t tíz Rézpiac Fejlesztési Egyesület (CDA-k) hálózata támogatja a Benelux államokban, Franciaországban, Németországban, Görögországban, Magyarországon, Olaszországban, Lengyelországban, Skandináviában, Spanyolországban és az Egyesült Királyságban. Ezen tevékenység folytatása azon erôfeszítéseknek, amelyeket az 1959-ben alakult Copper Products Development Association (CPDA) és az 1961-ben alakult International Copper Research Association (INCRA) kezdeményezett. Figyelmeztetés A Magyar Rézpiaci Központ és az Európai Réz Intézet elhárítja a felelôsséget bármilyen közvetlen, közvetett, okozati, vagy véletlenszerû meghibásodásért, amely az ebben a kiadványban közölt információk felhasználásából, vagy az információk illetve a közölt adatok fel nem használhatóságából eredhetnek. Szerzôi jog©: European Copper Institute, Deutsches Kupferinstitut, Copper Development Association (CDA). Magyar fordítás: Magyar Rézpiaci Központ A kiadvány anyagának másolása, terjesztése engedélyezett, feltéve, hogy az teljes terjedelemben, a forrás megjelölésével történik.

Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest Képíró u. 9. Magyarország

European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium

Tel: Fax: E-mail: Web:

Tel: Fax: Email: Website:

(+36 1) 266 48 10 (+36 1) 266 48 04 [email protected] www.hcpcinfo.org

00 32 2 777 70 70 00 32 2 777 70 79 [email protected] www.eurocopper.org

Rugalmas energiaellátás A villamos-energia ellátás biztonságának növelése tartalék energia ellátással Bevezetés A villamosenergia-ellátás tervezése során a fogyasztói érdekek (az ellátás megbízhatósága és minôsége) és a szolgáltatói érdekek (reális beruházási és mûködési költségek) közötti kompromisszum megvalósítása történik. A „tökéletes” villamosenergia-minôségtôl való eltérés olcsóbb és egyszerûbb ellátást tesz lehetôvé, a karbantartás és üzemeltetés színvonalát azonban a megbízhatóság megôrzése érdekében tartani kell. A villamos berendezéseket szabványos üzemi körülmények (azaz a feszültség és a frekvencia a tûrési sávon belül van, a feszültségtorzulás és az aszimmetria a megengedett értékeket nem lépi túl), valamint a gyártók által megadott környezeti feltételek melletti üzemeltetésre tervezik. A határértéken kívüli jellemzôk esetén az üzemelés a berendezésre nézve káros, a veszteségek növekedését, rossz hatásfokot, élettartam csökkenést és hibás mûködést okozhat. Nagyobb eltérések – különösen a védelmek hibás mûködése (pl. nem mûködése) következtében – a berendezés tönkremeneteléhez vezethetnek. A feszültség minôségnek meghatározó hatása van a készülékek mûködésére. A létesítmény hálózati csatlakozási pontján (kommunális csatlakozási pont, PCC) tapasztalt feszültség minôség általában jobb a készülékek csatlakozási pontjain mérhetô értékeknél. Ez különösen igaz abban az esetben, ha domináns nemlineáris terhelésekrôl van szó. A feszültség kiesés vagy rossz feszültség minôség miatti kikapcsolás mindig kellemetlen, de nagyon komoly következményekkel is járhat. Kórházak esetében könnyen belátható, hogy egy operáció vagy egy intenzív ellátás közben a feszültség kiesés következménye beláthatatlan. Közösségi épületeknél, mint mozik, színházak, elôadótermek, múzeumok, ahol sok, helyismerettel nem rendelkezô ember zsúfolódik össze, különös kockázatot jelent az ellátás hibája. Az iparban, különösen a folyamatos technológiák (papír, acél) vagy a nagy igényû technológiák (félvezetô gyártás) esetén bármilyen rövid kiesés hosszú visszaállási idôvel jár. Szint

Ellátás megbízhatósági elvárás

Lehetséges megoldás

Fogyasztó típus

I Normál

Letörések és hibák viszonylag rövid idejûek (néhány perc)

Egy betáplálás. Tartalék ellátás Családi házak, kisebb lakóházak nem szükséges

II Közepes

Néhány másodpercre korlátozott kiesések és hibák

Dieselmotor-generátor egység. Felhôkarcolók Szükségvilágítás.

III Magas

Letörések és hibák viszonylag rövid idejûek (10ms – 1s)

Két független hálózati betáplálás. Automatikusan bekapcsoló tartalék ellátás

IV Igen magas

Folyamatos ellátás

Nulla áttérési idejû tartalék ellátás, dieselmotor-generátor Bankok, üzletközpontok egységgel kiegészítve

Nagy szállodák, kórházak, TV és rádió adók, repülôterek

1. táblázat Fogyasztók osztályozása a villamosenergia-ellátás megbízhatósága iránti igény alapján Szinte valamennyi kereskedelmi és ipari létesítménynél található olyan fogyasztó vagy fogyasztói csoport, amely a kommunális hálózaton közvetlenül biztosított villamosenergia-minôségnél és megbízhatóságnál jobbat igényel. Gyakori, hogy ezen terhelések teljesítménye viszonylag kicsi, és táplálásuk könnyen megoldható valamilyen segéd energiaforrással vagy szünetmentes tápegységgel. A kereskedelemben a tartalék táplálási lehetôségek, berendezések széles választéka kapható, a kiválasztás a terhelés jellege és az elviselhetô zavar típusától, idôtartamától és mértékétôl függ.

1

A villamos-energia ellátás biztonságának növelése tartalék energia ellátással

A villamosenergia-ellátás rendelkezésre állása: n

Σ t ki Fi

Availabili ty = 1 − Rendelkezésre állás

i =1

m

(1)

n

Σ tüi + Σ t ki Bi

i =1

Fi

i =1

ahol: tüi

i-ik üzemelési idô

tki

i-ik kiesési idôtartam

m

üzemelési idôszakok száma

n

kiesések száma a vizsgált idôtartamon belül.

A kiesések idôtartamába beleértjük a leállástól a teljes termelési kapacitás visszaállásáig eltelt idôt. Egy gyártási folyamat újraindítása ritkán történhet pillanatszerûen. Bonyolultabb folyamatok több, egymástól függô részfolyamatból állnak és a teljes folyamat nem indulhat el, amíg a szükséges sorrendben helyre nem álltak a részrendszerek. Az l. ábra egy lehetséges esetet mutat, ahol ta: a villamos energia ellátás kiesésének idôtartama tae a termelés kiesésébôl számított egyenértékû villamos energia kiesés ideje ts a termelés újraindításához szükséges egyenértékû idô Ee az adott üzemzavart megelôzô termelési érték A kiesés költsége nem szükségszerûen arányos az esemény idôtartamával. A 2.ábra számos lehetséges példát ad.

1.ábra A termelési érték idôbeli változása a villamosenergiaellátás kiesése következtében

Sok esetben lehet a költségnek az idôtôl független eleme, amely a kiesést követôen azonnal fellép. Példa erre a papírgyártás, ahol az alapanyagból sok hengerlési és fûtési fázisban folyamatos eljárás során készül a papír, melyek pontos szabályozásokat igényelnek. A folyamatszabályozás bármely részének hibája a teljes gyártó sor leállásával jár. Az összes részterméket el kell távolítani és megsemmisíteni, ami nemcsak anyagés energia költség kidobást jelent, de sok emberi munkát is igényelhet, ami szintén költség. Ezt az esetet mutatja a 2. ábra l. görbéje. A kiesés költségvonzata azonnal nagy értékkel jelentkezik és az idôvel a nem termelt termék árának megfelelôen, lényegében lineárisan növekszik. Egy másik szélsôséges példa a nem romlandó termékeket áruló kereskedô. A villamos energia kiesése a kereskedelem szünetelését okozza, aminek egy része az energia szolgáltatás helyreállását követôen pótolható. Ilyen esetet mutat a 2. ábra 2. görbéje. A költség kezdetben kicsi, az idô múlásával nô, ahogy a kereskedelem hosszabb ideig szünetel, bár, ha a kiesés idôtartama nem túl hosszú, az eladás egyszerûen eltolódik és nem jár említésre méltó költség kieséssel. A 3. görbe egy adatbankra jellemzô. Ilyen létesítményekben mindig van valamilyen szünetmentes áramellátás, amely legalább egy rövid idôre biztosítja a kiesés áthidalását, ezért a kezdeti költség kicsi. Mivel azonban az áthidalási idô korlátozott, valamilyen más beavatkozás is szükséges a rendszer folyamatos mûködésének biztosításához. Sok lehetôség kínálkozik. A 3. görbénél feltételezzük, hogy az adatbanknak van egy, a fontos ügyleteket lebonyolítani képes kereskedelmi háttér hálózata, amely helyileg távol van, de riasztásra

2

átveszi az ügyletek egy részének intézését. Ha az energiaellátás elôre meghatározott ideig nem tér vissza, a háttér hálózat átveszi a teljes ügyintézést, ami idôarányos költségterhet jelent. Az energiaellátás helyreállítását követôen többlet költséget okoz a teljes ügyintézés visszaállítása az eredeti adatbanknál. A technológiai folyamatok másik végletét, egy baromfitelepet a 4. görbe mutatja. Rövid idejû kiesésnek nincs hatása, de bizonyos idô után például a szellôztetés hiánya az állatok elhullásához vezet, ami egyenletesen növekvô költséget okoz.

Költség lépték nélkül


Idô lépték nélkül Ezek a görbék egészen eltérô ipari területeket ölelnek fel, mégis van közös vonásuk. Elôször is, ha a kiesés 2. ábra Tipikus költség-idô jelleggörbék elég hosszú idejû, akkor lehetséges, hogy a költség vonzatok elérik azt a szintet, amelynél megtérül egy, a szünetmentes energiaellátást biztosító beruházás. Másodszor a kiesési és az azt követô visszaállási idô alatt az adott cég nem tudja kiszolgálni az ügyfeleit, ami bizalomvesztéshez vezet. Ez elsôsorban olyan szolgáltatásokra vonatkozik, mint például a hírlapkiadás, ahol a szerkesztésre, szedésre, ellenôrzésre és terjesztése csak néhány nap van.

Tartalék betáplálási lehetôségek Bevezetés A tartalék betáplálási berendezések fontos jellemzôi: u

Teljesítmény és tárolt energia

u

Áttérési idô

u

Az ellátás idôtartama

u

Hatásfok

A beruházási és üzemelési költségek Az ideális berendezés az lenne, amelyiknek végtelen a teljesítménye és tárolt energiája, nulla az áttérési ideje, végtelen ideig szolgáltatja a tartalékolást és olcsó. Mivel ilyen berendezés nem létezik, számos kompromisszumra van szükség a tényleges alkalmazások esetén. A megfelelô készülék kiválasztása az alkalmazástól és a kielégítendô igényektôl függ. Például az IT berendezések tényleges folyamatos ellátást igényelnek, azaz nulla áttérési idôt, azért hogy ne legyen adatvesztés. Az áttérési idôn túlmenôen lehet, hogy csak adott ideig van szükség (pl. 20 perc) a tartalék betáplálásra, de lehet az is, hogy folyamatos rendelkezésre állás kell. Az elsô esetben egy 20 perces áthidalási idejû szünetmentes ellátás (UPS) elegendô, a második esetben valamilyen segéd betáplálás, például diesel-generátor egység szükséges, és egy UPS az áttérési idô áthidalására. Ugyanakkor egy papírgyár teljesítménye túl nagy ahhoz, hogy UPS lehessen a reális szünetmentes ellátás, itt kettôs gyûjtôsín független betáplálásokkal a kézenfekvô megoldás. u

A következôkben a tartalék ellátási megoldásokat és eszközöket foglaljuk össze a teljesség igénye nélkül. A megoldások illetve berendezések egy lehetséges csoportosítását mutatja a 2. táblázat illetve a 3. ábra. Számos paraméterrel jellemezhetôk a megoldások, amit szintén a 2. táblázatban ismertetünk.

Kettôs gyûjtôsín független betáplálásokkal Amikor a folyamatos energiaellátást igénylô létesítmény (ipartelep) teljesítménye nagy, és igazolhatók a nagy beruházási költségek (pl. papírgyártás, acélgyártás), kettôs gyûjtôsínt független betáplálásokkal szokásos alkalmazni. Ez a megoldás csak akkor hatékony a feszültségkimaradás szempontjából, ha a két független betáplálás annyira el van különítve, hogy egyidejû primer hálózati hiba csak véletlen eseményként fordulhat elô. A megoldhatóság a hálózat felépítésétôl függ, és gyakran hosszú (és költséges) kábel vagy

3


Típus

Teljesítmény

Áttérési idô

Beruházási költség

Végtelen

Nagyon rövid

Nagyon nagy

Gyakorlatilag végtelen

Rövid – hosszabb

Közepes – nagy

Akkumulátor

Közepes

Nagyon rövid

Kicsi

Szünetmentes energiaellátás (UPS)

Közepes

Nagyon rövid

Közepes – nagy

Kicsi – közepes

Nagyon rövid

Közepes – nagy

Két független betáplálás a hálózatról Motor-generátor egység

Nagynyomású levegô energiatároló

2. táblázat Tartalék ellátási megoldások jellemzôi szabadvezeték vonal kiépítését igényli. Az elosztóhálózatról biztosított két független betáplálás még nem jelenti azt, hogy biztosan szükségtelen más típusú tartalék ellátás. Ha a technológia igényli, az áttérési idô áthidalására, valamint a feszültség letörések kompenzálására alkalmazni kell a megfelelô eszközöket.

Motor-generátor egység

Áttérés néhány percen belül

Gyors áttérés

3 G

Szünetment es táplálás

Akkumulátor

UPS

CAES

Vészvilágítás

Folyamatos ellátása

Nagyon gyors áttérés

VFD

3

M

V1

3 G

M

VF1

Nagynyomású levegô

G

3. ábra. Tartalék ellátási berendezések típusai

Motor-generátor egységek (MGE) A motor-generátor egységek fô alkotó elemei: Hajtómotor tengelykapcsolóval (általában diesel motor), fordulatszám szabályozó, teljesítmény szabályozó egységgel Generátor a gerjesztés szabályozóval Kapcsolókészülékek A motor-generátor egységek viszonylag hosszú idejû (akár tartós) terhelésre tervezhetôk. Széles teljesítmény tartományban (kW-MW nagyságrend között) kaphatók. Más típusú, más alkalmazásra tervezett MGE-k is ismeretesek (pl. szigetüzem, hajó energiaellátása, gázturbinás csúcserômûvek, hô-villamos kombinált ciklusú kiserômûvek) ezekkel azonban nem foglalkozunk. A motor-generátor egységek áttérési idejük alapján két csoportra oszthatók. Az I. csoportba a 4a-b ábrák szerinti megoldások sorolhatók. A diesel motor csak a hálózat kimaradásakor indul. Az indításhoz akkumulátor szükséges. A 4a ábra kézi átkapcsolást, a 4b ábra automatikus átkapcsolást mutat. A terhelés átvételéig kisebb egységeknél 6-15 s, nagyobbaknál 180 s is eltelhet. Nagyobb egységeknél a terhelhetôségi idô csökkentésére alkalmazzák a motor hôntartását.

4


a)

b)

Hálózat

Terhelés

c)

Hálózat

Terhelés

d)

Hálózat

1 Indítómotoros robbanómotor 2 Tengelykapcsoló 3 Generátor 4 Áttétel 5 Lendkerék 6 A lendkereket és a generátort hajtó villamos motor a) Kézi mûködtetésû be/ki kapcsoló b) Automatikus generátor bekapcsolás áttérési késleltetés néhány s-tól 180 s-ig c) és d) Villamos motorral hajtott lendkerékkel az áttérési idô 0.5-tôl 2 s illetve 0

Hálózat

Terhelés

Terhelés

4. ábra Motor-generátor egységek

A II. csoportba a rövid áttérési idejû (2s vagy akár 0s) megoldásokat soroltuk (4c-d ábrák). Ezeknél a berendezéseknél nagy tehetetlenségi nyomatékú lendkereket alkalmaznak, amely a generátor tengelyhez kapcsolódik. Ameddig a külsô hálózat táplál, a generátort és a lendkereket motor hajtja a névleges fordulatszámon. Kieséskor a generátor-lendkerék egységet elektromágneses tengelykapcsoló összekapcsolja a diesel motorral, amelyik felpörög és hajtja a generátort (4c.ábra). A diesel motorra való átterhelés ideje így 0,5-2 s-ra csökkenthetô. A 4d ábra szerinti elrendezésnél normál üzemben a terheléseket a generátor táplálja. A generátort a hálózatról táplált motor hajtja. Feszültség kimaradáskor a diesel motor tengelyét az elektromágneses tengelykapcsoló összekapcsolja a generátor-lendkerék egységgel, ami felpörgeti a motort és az rövid idôn belül terhelhetô. Így, ha a lendítô tömegben tárolt energia elegendô a diesel motor felfutási és terhelhetôségi idejéig, a generátorral ellátott fogyasztók szünetmentesen vannak ellátva. Az 5. ábra a 4c-d ábrák kapcsán vázolt rendszerek néhány lehetôségét mutatja.

a)

b)

Hálózat

Terhelés

Hálózat

Terhelés

c)

Hálózat

1 2 3 4 5 6

Robbanómotor/turbina Elektromágneses tengelykapcsoló Lendkerék Motor üzemre is alkalmas generátor Generátor Villamos motor

Terhelés 1 Terhelés 2

5. ábra Lendkerekes motor-generátor egységek áttérési idô nélküli megvalósítási lehetôségei. a) Normál táplálás esetén motorként mûködô generátor b) Folyamatosan motorral hajtott generátor c) Normál körülmények között motorral/generátorral hajtott generátor Terhelés 1 – kiesésmentes táplálású, Terhelés 2 – rövid áttérési idejû táplálású (a feszültségkimaradás a hálózatról a tartalékellátásra való áttérés ideje)

Megfelelôen tervezett MGE maximálisan teljesíti a tartalék energiaellátás követelményeit. Az áttérési idô nulla is lehet, a többi villamosenergia-minôségi paraméter (harmonikus, negatív sorrend, villogás) is teljesíthetô, ha a generátor impedanciája a terheléshez viszonyítva elég kicsi.

5


Ugyanakkor azonban, különösen a nagyobb egységteljesítmények esetén vannak hátrányok is. Ezek között kell említeni a zajt (70-95 dB), a nagy méretet és súlyt. Továbbá nagy üzemanyag tartály, levegô beszívó és kipufogó rendszer szükséges. Fentiek miatt általában különálló épületbe célszerû telepíteni a MGE-t.

Egyenáramú terhelések energiaellátása akkumulátorról Az akkumulátoros energiaellátás két fajtáját különböztetjük meg. Az egyik fajtánál a tartalékellátásra alkalmazzuk az akkumulátort, pl. szünetmentes energiaellátásnál, vagy a diesel motor indításhoz és a szabályozó rendszer energiaellátásához. A másik fajta energiaellátásnál az akkumulátor a primer energia forrás, más forrásra a fogyasztó nem számíthat. Ilyen alkalmazásra példa az alállomások védelmeinek táplálása, a szükségvilágítás, a betörés jelzô berendezés, akkumulátoros berendezések, mint laptop számítógépek, mobiltelefonok, fényképezôgépek, videokamerák, stb. Az akkumulátorokat fôleg egyenáramú fogyasztók táplálására alkalmazzuk, vagy olyan terhelésekhez, amelyek egyen- vagy váltófeszültségrôl egyaránt mûködnek (pl. világítás). A váltakozó feszültségû fogyasztókat tápláló akkumulátorokhoz DC/AC átalakítás is szükséges. Alkalmaznak csúcsenergia fedezésére középfeszültségû hálózaton akkumulátorról táplált invertereket, ezekkel azonban itt nem foglalkozunk. Az akkumulátoros energiaellátás két módon valósítható meg. Az egyik esetben a terhelést a váltakozó áramú betáp táplálja, és kiesése esetén a terhelés automatikusan átkapcsolódik az akkumulátorra (ld. 6a ábrát).A másik esetben a terhelést az akkumulátor táplálja, a hálózat pedig tölti az akkumulátort. (6.b. ábra). A 6a ábra szerinti megoldás esetén a terhelést a hálózati egyenirányító táplálja, az akkumulátort külön töltô kondicionálja. Ha a betáp feszültség nem megfelelô, a terhelés átkapcsolódik az akkumulátorra. Az áttérés ideje rövid, de nem nulla. Ezt a rendszert alkalmazzuk vész- vagy menekülési útvonalak világítására. A 6b ábra szerinti elrendezésnél csak egy hálózati egyenirányító van, amely táplálja a terhelést és tölti az akkumulátort. Ha kiesik a betáp, az akkumulátor áttérési idô nélkül táplálja tovább a fogyasztót. Mivel az áttérési idô nulla, ez az elrendezés alkalmas számítógépes berendezések adatvesztés nélküli üzemeltetésére. Ezt a megoldást alkalmazzák számos fogyasztói berendezésben is, pl. a video lejátszók és rádió ébresztô pontos idejének biztosításához. Bár a nulla áttérési idô nagy elônyt jelent, a 6a ábra szerinti megoldás megbízhatósága nagyobb, mint a 6b ábra szerintié, mivel az elôzô esetben az akkumulátort független egyenirányító tölti. (A töltôk hatásfokát 90-97%-ra becsülhetjük. Hálózat

a)

b)

Hálózat

Egyenáramú terhelések

Egyenáramú terhelések

a) Az S kapcsolóval ellátott rendszer b) Folyamatos energiaellátás

Hálózat

1 Ellátás a hálózat felôl

Hálózat

2 Ellátás a telep felôl Egyenáramú terhelések Egyenáramú terhelések

6. ábra. Egyenáramú terhelések energiaellátásának különbözô változatai.

Az akkumulátor Aó kapacitását úgy kell megválasztani, hogy a kívánt feladat teljesíthetô legyen a betáp hálózat kiesésekor is (pl. menekülés, biztonsági lekapcsolás). Általában az akkumulátorok töltési ideje jóval hosszabb, mint a kisütési idejük, ezért a rendszer igénybevételi ciklusa kicsi. A rendszert úgy kell tervezni, hogy lehetôleg max. 6 óra kelljen a teljesen kisütött akkumulátor feltöltéséhez. A vészvilágítás különösen fontos középületekben (múzeumok, sportlétesítmények, színházak, mozik, stb). A vészvilágítási aljzatokban általában külön tartalék ellátási csatlakozás van. (A vészvilágításra a helyi akkumulátoros tartalék ellátási megoldást is gyakran alkalmazzuk). A kórházak mûtôire is szigorú tartalék ellá-

6


tási elôírások vannak A világítási fogyasztók nagy része táplálható egyen- és váltakozó feszültségrôl, és általában az ellátás folyamatossága a fô szempont, nem a villamosenergia-minôség. Ilyen jellegû ellátást mutat a 7. ábra. Hálózat

7. ábra. Egyen- és váltakozó feszültségrôl egyaránt táplálható terhelések ellátása akkumulátorról, mint tartalék áramforrásról. Az áttérés rövid kimaradással jár.

AC/DC terhelések

Szünetmentes tápegységek (UPS) UPS csoportosítás Itt a forgóátalakítót nem tartalmazó félvezetô elemekbôl felépített berendezésekre gondolunk. Az UPS-ek alkalmazására ott kerül sor, ahol a kritikus terhelések miatt folyamatos feszültségû ellátás szükséges. A statikus UPS-ek egyfázisú (200 VA – 50 kVA) és háromfázisú (10 kVA – 4000 kVA) kivitelben kaphatók a gyártóknál illetve forgalmazóknál. Az UPS-ek nemcsak tartalékellátást adnak, de helyileg a villamosenergia-minôséget is javíthatják. A hatásfok 90-97%, függ az átalakítók számától, az akkumulátor típusától. Az UPS rendszerek osztályozását az EN 50091-3 (IEC 62040-3) szabvány szerint közöljük. A szabvány három UPS osztályt különböztet meg, aszerint, hogy a kimeneti feszültség és frekvencia függ-e a bemeneti értékektôl. u

VFD (a kimeneti feszültség és frekvencia függ a bemeneti értékektôl)

u

VI (a kimeneti feszültség független a bemeneti feszültségtôl – a frekvencia nem)

VFI(a kimeneti feszültség és frekvencia független a bemeneti értékektôl) A gyakorlatban a fenti osztályozás összefügg az UPS belsô kialakításával, ami predesztinálja alkalmassági korlátait. u

u

Passzív tartalékolás

u

Aktív tartalékolás

Kettôs átalakítás A 3 táblázatban összefoglaljuk a fenti osztályokra jellemzô szolgáltatásokat, majd röviden kifejtjük az egyes osztályok fôbb jellemzôit. u

VFD

VI

VFI

Passzív tartalékolás

Aktív tartalékolás

Kettôs átalakítás

Legkisebb

Közepes

Legnagyobb

Feszültségszabályozás

Nincs

Korlátozott

Van

Frekvencia szabályozás

Nincs

Nincs

Van

Áttérési idô

Rövid

Nulla

Nulla

EN 50091-3 szerinti osztályozás Költség

3. táblázat Az UPS osztályok jellemzô szolgáltatásai.

7


Passzív tartalékolás (VFD) S terhelés

Hálózat

A passzív tartalékolás a legegyszerûbb legolcsóbb UPS típusú ellátási mód. A rendszer mûködése a 8. ábra alapján követhetô. Normál állapotban a terhelés a hálózatra csatlakozik az S kapcsolón keresztül (esetleg szûrés vagy feszültségszabályozás közbeiktatásával). Az akkumulátort a hálózatról tölti a 2-es töltô. A hálózati feszültség kimaradásakor az S kapcsoló átkapcsol és az akkumulátorról a 3-as inverteren keresztül kapja a fogyasztó a táplálást. Az áttérési idô rövid (nincs szabványosított értéke). Az akkumulátor telep általában 3 órás terhelésre van kiválasztva. Ez kb. 6 óra töltést kíván a teljes kisütést követôen, így a teljes ciklusidô 9 óra. Amint említettük ez a legegyszerûbb, legolcsóbb UPS ellátási mód, azonban vannak hátrányai. A fogyasztót nem választja el a hálózati zavaroktól (hacsak külön zavarszûrô nincs alkalmazva), és normál üzemben, nincs se feszültség se frekvencia szabályozás (bár ez utóbbira az UCTE-ben általában nincs is szükség). Az áttérési idô nem nulla, ezért különösen IT berendezések szünetmentes ellátására nem javasolható.

B

8. ábra A passzív tartalékolás (VFD) blokkdiagramja S

Kapcsoló

B

Akkumulátor telep

1 Normál állapot 2 Akkumulátor töltés normál állapotban 3 Energiaáramlás, amikor az akkumulátor táplálja a terhelést

Aktív tartalékolás (VI)

Az aktív tartalékolás elveinek megfelelô UPS blokksémáját a 9. ábra mutatja. Az inverter kétirányú mûködésre alkalmas, töltôként, feszültségszabályozóként mûködik, ha van hálózati betáplálás. A hálózati feszültség kimaradásakor az akkumulátorról táplálja a terhelést. Lényegében három üzemállapotban mûködhet az UPS. A legegyszerûbb esetben a mechanikus bypass kapcsolóval közvetlenül a hálózatról üzemel a terhelés. Erre akkor lehet szükség, ha karbantartják az UPS-t. A normál üzemi állapotban az inverter tölti az akkumulátort és a fogyasztói feszültség finomszabályozását is végzi. A tirisztoros kapcsolókkal nagyobb hálózati feszültségváltozást lehet kiszabályozni. A kimeneti oldali feszültség frekvenciája megegyezik a bemenetével.

Akkumulátor telep

Terhelés

Hálózat

Fôtranszformátor

Bypass (áthidaló)kapcsoló

9. ábra Az aktív tartalékolású (VI) UPS egyszeres energiaátalakítása

Amikor a hálózati feszültség kimarad, az áttérés az inverterrel az akkumulátoros táplálásra, pillanatszerû. Ilyenkor a tirisztoros kapcsoló nyit, hogy a hálózat visszatérésekor a visszatáplálást megakadályozza. Az aktív tartalékolású UPS olcsóbb a kettôs átalakításúnál, de ahhoz képest van néhány hátránya. A táphálózati tranziens zavarokat kevéssé szûri, frekvenciája nem szabályozható, csak üzemzavari tápláláskor, feszültségszabályozási tartománya is korlátozott.

8

1

Az amplitúdó és fázis szabályozás

2

Akkumulátor töltésszabályozás


Az aktív tartalékolás egy lehetséges változata a soros kompenzáló tekercses kialakítású ún. Delta elrendezés. A Delta típusú UPS blokksémáját a 10. ábra mutatja.

B

10. ábra A Delta típusú UPS blokksémája

Ha a hálózati feszültség nagyobb, mint a PCB pont feszültsége (11 c ábra), a Tr

Terhelés

Hálózat Hálózat

Terhelés Terhelés

Hálózat

Terhelés

Hálózat Hálózat

Konverterek Bypass kapcsoló Transzformátor Akkumulátor Teljesítmény egyensúly pont

Terhelés

1,2 S Tr B PBP

A 9. ábrán ismertetett rendszerhez képest az ott látható fôtranszformátor helyett egy kisebb teljesítményû soros transzformátor és egy kb. 1/3 névleges teljesítményû segéd inverter van beépítve. Egyéb tulajdonságait tekintve a két rendszer között nincs lényeges különbség. A Delta-UPS öt tipikus üzemállapotát a 11. ábra mutatja. Normál állapotban a tápfeszültség megegyezik a PBP pont feszültségével és a soros transzformátor primer tekercsére jutó feszültség nulla (11. a ábra). Mind az 1, mind a 2 jelû inverter be van kapcsolva, a terhelést csak a hálózat táplálja. Nem ohmos nemlineáris terhelés esetén mindkét inverter kompenzál, az 1es a meddôteljesítményt, a 2es a harmonikus áramot. Ha a hálózati feszültség kisebb, mint a PCB pont feszültsége, a Tr transzformátorra jut a feszültségkülönbség (11 b ábra). A fôinverter (2) a Tr transzformátor primer tekercsére jutó feszültségnek megfelelô áramot kényszerít a segédinverter szekunder tekercsébe. A hálózatból felvett áram nagyobb lesz, ami kompenzálja a feszültség csökkenését. Az eredô hálózati teljesítmény megegyezik a terhelés teljesítményével (11 b ábra).

Terhelés

Teljesítmény egyensúly pont

Hálózat

A kapcsolás két invertert tartalmaz, mindkettô alkalmas visszatáplálásra is. Normál üzemben a 2es jelû fôinverter a terhelésen (PBP pont) állandó szinuszos feszültséget tart. A betáp és a terhelés közötti feszültségeltéréseket (pillanatérték) a soros (l-es jelû) Delta inverter kompenzálja és a teljesítménytényezôt is korrigálja. Feszültség kimaradáskor a fôinverter táplálja a terhelést a feltöltött akkumulátor teleprôl véve az energiát. A hálózat visszatérése után a fô inverter tölti az akkumulátor telepet, egyébként a már leírtak szerint mûködik a rendszer.

S

11. ábra A Delta-UPS különbözô üzemállapotainak szemléltetése U – feszültség, I – áram, P – teljesítmény A többi elnevezés megegyezik a 10. ábrán megadottakkal.

9


transzformátorra jutó feszültség iránya az elôbbi esethez képest ellentétes lesz. Ennek következtében az áram iránya is fordított lesz és a fôinverter hozzáadja a hálózatból felvett áramhoz a segédinverter szekunder áramát. Így a terhelés árama megint névleges lesz, a hálózatból felvett teljesítmény egyenlô a terhelés teljesítményével. A hálózati feszültség kimaradásakor a fôinverter az akkumulátorról táplálja a terhelést (11 d ábra). Ha a feszültség visszatér, az akkumulátor töltése a hálózati feszültség értéktôl függetlenül addig folyik, amíg az akkumulátor fel nem töltôdik (11 e ábra). Ilyenkor a fôinverter tölt és a töltôáram a terhelés áramán felül terheli a hálózatot. Kettôs átalakítós UPS (VFI)

A kettôs átalakitós UPS általános felépítését a 12. ábra mutatja. A teljes UPS rendszer a hálózat és a terhelés közötti soros áramkör. Normál üzemben a terhelés az egyenirányító/inverter rendszeren keresztül a hálózatról van táplálva. Az akkumulátor telepet az egyenirányítóról táplált külön áramkör tölti a pillanatnyi Aó töltöttség figyelembevételével. A hálózati feszültség kimaradásakor a terhelés semmit sem vesz észre (legfeljebb a frekvencia változik meg, ha elôtte a hálózathoz volt szinkronozva a kimeneti frekvencia). Az energiát ekkor az akkumulátor telep adja. Mivel az áttérési idô ténylegesen nulla, az ellátás a legérzékenyebb fogyasztóknak is megfelelô.

S F

Terhelés

A kettôs átalakítós rendszer elônyei a táphálózatról való leválasztás (kisfrekvenciás elektromágneses zavarok behatolási valószínûsége igen csekély) feszültség szabályozás, frekvenciaszabályozás lehetôsége, valamint a nulla áttérési idô. A rendszer hátránya bonyolultsága, nagyobb beruházási költsége és kicsit rosszabb hatásfoka.

Közvetlen hálózati csatlakozás

Hálózat

A tirisztoros bypass kapcsoló a rendszer hibája esetén közvetlenül a betápra kapcsolja a fogyasztót.

B

12. ábra A kettôs átalakítós UPS blokksémája B F S

Akkumulátor telep Szûrô Kapcsoló

1- Feszültségkiesés, > 10ms

A zavarok csökkentése UPS alkalmazásával Az UPS rendszerek jellemezhetôk a terhelés és a tápoldal közötti szigetelés mértékével, valamint a megvalósított villamosenergia-minôség javulással. A 13. ábra tíz zavar fajtát ismertet, amelyeket a megfelelô UPS rendszerekkel csökkenteni lehet. A legegyszerûbb VFD típus az elsô három fajta zavart csökkenti. Ilyenek a 8. ábrán mutatott tartalék ellátások, amelyek rövid áttérési idejûek. Ezért csak akkor alkalmazhatók, ha a terhelés elviseli a rövid kiesést. A nagyobb feszültség stabilitást igénylô terhelések számára a VI osztályba sorolható UPS ellátás szükséges. Ezek az aktív tartalékolású berendezések (9. ábra), öt zavar fajtát csökkentenek.

10

VFD V1

2- Gyors feszültség ingadozások, < 16ms 3- Rövididejû túlfeszültségek, 4-16ms 4- Lassú feszültség letörések

VF1

5- Gyors feszültség letörések 6- Légköri túlfeszültségek 7- Túlfeszültségek, < 4ms 8- Frekvencia változások 9- Feszültség hullámalak torzulás 10- Feszültség harmonikusok

13. ábra UPS eszközök osztályozása zavarcsökkentô képességük szerint


A legigényesebb ellátást kívánó terhelések ellátására VFI típusú UPS szükséges, amely mind a tíz zavar fajtát megszünteti vagy csökkenti. Ezek általában kettôs átalakítású UPS berendezések.

A rendelkezésre állás növelése UPS-szel A félvezetôs (statikus) UPS-ek nagyon megbízhatóak, ám egy meghibásodás komoly következményekkel járhat. A terhelés ellátásának folyamatossága érdekében bypass kapcsolót alkalmaznak, amely ilyen esetben a terhelést közvetlenül a betápra kapcsolja. Természetesen ekkor a terhelés ki van téve a hálózati zavaroknak. Az UPS rendszerek többsége tartalmaz bypass lehetôséget (14. ábra). A bypass kapcsoló többnyire kézi mûködtetésû, az UPS karbantartása idején van bekapcsolva. Ha a terhelés növekszik és meghaladná a beépített UPS teljesítményt, további párhuzamos egység telepíthetô.

Energia források Bevezetés A statisztikai adatok szerint a középfeszültségû hálózatok feszültség kimaradásainak 97%-a 3s–nál rövidebb ideig tart. Ezeket valamilyen múló hiba okozza, amely automatikus visszakapcsolással hárítható. A 3s-nál hosszabb nem tervezett feszültség kimaradások általában berendezés meghibásodásra vezethetôk vissza és elôfordulhat, hogy órákig, sôt napokig tartanak. Ennek megfelelôen két fajta energiaforrásra van igény. Az egyik hosszú ideig – akár órákig – viszonylag kis energiát, a másik rövid ideig – néhány percig – nagy energiát szolgáltasson. Azonban mindkét típusra nézve vannak közös követelmények: u

Nagy energia tárolása

u

Lassú önkisülés

u

Gyors töltés

u

Kis karbantarási igény

u

Nagy megbízhatóság

Gyors energia leadás. A robbanómotorok energia forrása valamilyen fosszilis tüzelôanyag, amelynek nagy az energia sûrûsége, az üzemanyag tartály kiürülése elôtt feltölthetô utántöltéssel, ezért gyakorlatilag végtelen ideig képes táplálni a fogyasztót. u

A statikus UPS-ek hagyományos energiatárolója az akkumulátor telep. Az utóbbi években azonban több új rendszerû energia tároló jelent meg, amelyek a kereskedelemben is kaphatók már. Ilyenek pl. a lendkerék, a szuper-kondenzátor, a szupravezetô mágneses energiatároló (SMES). Az új energiatárolók és az akkumulátor között a leglényegesebb eltérés az,

Bypass kapcsoló

a)

b)

Hálózat

Bypass kapcsoló

Hálózat Terhelés

c)

Terhelés

Bypass kapcsoló

Terhelés Hálózat

14. ábra Az energiaáramlás három lehetséges útja (szaggatott vonal) az UPS különbözô üzemállapotai szerint a. normál mûködés – teljesítmény a hálózatból a statikus kapcsolón keresztül b. tartalék energiaellátás – teljesítmény az akkumulátorból c. teljesítmény a hálózatból a bypass kapcsolón keresztül

11


Hálózat

Hálózat

Az energiatároló rendszerek feltöltött állapotban vannak, amíg a betáplálás ép és kisülnek, ha kiesik. Az ideális energiatároló a hálózat visszatérését követôen igen gyorsan feltölthetô, így újra igénybe vehetô.

Terhelés

Terhelés

hogy amíg az új energiatároló rendszerek rövid idejû áthidalásra alkalmasak (néhány másodperctôl néhányszor tíz másodpercig), addig az akkumulátor telep akár több órányi áthidalásra is tervezhetô. Ebbôl következôen az új energiatárolók fôleg rövid idejû kiesések, feszültségletörések áthidalására, kompenzálására alkalmasak.

15. ábra Párhuzamosan kapcsolt UPS berendezésekbôl kialakított táplálás

Az energiatároló rendszerek fô jellemzôit a továbbiakban tárgyaljuk.

a. mindegyik UPS-ben van statikus és bypass kapcsoló b. egy statikus és egy bypass kapcsolója van a teljes UPS rendszernek

A rendszer rendelkezésre állása a redundancia növelésével növelhetô. Általában a terhelést több kisebb teljesítményû UPS párhuzamos kapcsolásával látjuk el (14. ábra). Ha N egység kellene a terhelés ellátásához, akkor legalább N+1 egységet kell párhuzamosan kapcsolva telepíteni. Az eredmény az, hogy egy egység kiesése nem befolyásolja az üzemet.

Akkumulátor telepek Az akkumulátor telepet általában a berendezés szállítója választja ki, de a felhasználónak ismernie kell az alkalmazott telep típusát, a karbantartási igényeket, ami befolyásolhatja a típus kiválasztását. Az akkumulátorok fô típusait és jellemzô paramétereiket a 4. táblázat foglalja össze. Telepített akkumulátorok esetében relatív olcsóságuk és kis karbantartási igényük miatt általában savas zselés ólom akkumulátort választanak.

Ár Energiasûrûség (Wh/kg)

Savas zselés

NiCd

NiMH

Li-ion

kicsi

közepes

nagy

nagyon nagy

30

50

75

100

Cellafeszültség (V)

2.27

1.25

1.25

3.6

Terhelô áram

kicsi

nagyon nagy

közepes

nagy

200 - 2,000

1,500

500

300 - 500

Önkisülés

kicsi

közepes

nagy

kicsi

Min. töltési idô (óra)

8 -16

1.5

2-3

3-6

180 nap

30 nap

90 nap

nem szükséges

nagy

nagy

kicsi

nagy

Töltés/kisütés ciklus száma

Ellenôrzés Környezetkárosítás

4. táblázat Az akkumulátorok fô típusai és jellemzôi

12


Lendkerekek Lendkereket alkalmaznak régóta a hagyományos motor-generátor egységeknél, azért, hogy a hálózat kiesésekor a lendkerékben tárolt energiát használják a robbanómotor indításához. Ilyen alkalmazásnál a tárolt energiának csak mintegy 5%-a alkalmas villamosenergia termelésre, mivel a fordulatszám és így a frekvencia változás teljes tartománya túl nagy. Amikor a lendkereket energiatárolóként alkalmazzák, a kihasználás egészen más lesz. A hálózat a lendkereket mintegy feltöltött állapotban tartja, az energiát a forgási energia képviseli, amelyet a lendkerékkel összekötött generátor a hálózat kiesésekor változó feszültségû és frekvenciájú villamos energiaként szolgáltat, majd egy elektronikus inverter állandó frekvenciájú és feszültségû villamos energiává alakít. Mivel a tárolt energia a szögsebesség négyzetével arányos, a teljes fordulatszám tartomány mintegy 50%-a használható ki a villamos energia szolgáltatásra. Alapjában véve két fajta lendkerék típust különböztetünk meg: a nagy fordulatú és a kis fordulatú lendkereket. A nagy fordulatú lendkereket üveg vagy szénszál erôsítésû mûgyantából készítik. A generátor forgórészen állandó mágnesek a pólusok. A lendkeréknek kialakított forgórész vákuumban forog és mágneses csapágyazású. A fordulatszám 10.000–100.000 fordulat/perc. A jelenleg megvalósított berendezések tárolt energiája 250kWs–8MWs.

Terhelés

Bypass kapcsoló

Hálózat

A kis fordulatú lendkerekek fordulatszám tartománya 6000 fordulat/perc értékig terjed. A nagy fordulatú berendezésekhez képest jóval nagyobb tehetetlenségi nyomatékra van szükség, ezért azoknál nagyobb méretûek és súlyúak. Általában acélból készülnek, nem szükséges a vákuum, általában kis sûrûségû gáz is megfelel a súrlódási veszteségek megfelelô mértékû csökkentéséhez. A motor/generátor szinkron gép, a rotoron gerjesztô tekerccsel. A tekecsveszteség nagyobb emiatt, mint a nagy fordulatú lendkeréké, de a gerjesztés szabályozható. A kis fordulatú lendkerekeket mintegy 2 MVA teljesítményig gyártják, 1–30s energiatároló képességgel. A kis fordulatú lendkerekeket gyakran kombinálják a hagyományos dieselmotor-generátor berendezésekkel. A 16. ábra tipikus alkalmazási példát mutat.

16. ábra Dieselmotor-generátor és lendkerék kombináció blokksémája F rövid energiatárolási idejû lendkerék G a lendkerék motor/generátora M/G motor/generátor C elektromágneses tengelykapcsoló

A lendkerék a hálózati feszültség kiesését köveE Dieselmotor vagy gázturbina tôen szolgáltatja a villamos energiát a feszültség visszatértéig, vagy, ha ez túl sokáig tartana, a dieselmotor-generátor beindulásáig. A lendkerekek 1–30s áthidalási idôt biztosítanak, a dieselmotorgenerátor felfutása tipikusan 5–20s.

Szuper-kondenzátorok A szuper-kondenzátorok kapacitása rendkívül nagy, elektróda anyaguk aktív szén, aktivált szénszál vagy ruténium oxid (RuO2), amelyek fajlagos töltéstárolása a hagyományos fémezett papír elektródákénál jóval nagyobb. A szuper-kondenzátorok egyenfeszültségen tárolják az energiát és rövid idejû feszültségkiesés vagy letörés esetén inverteren keresztül szolgáltatják a szükséges teljesítményt váltakozó feszültségen. A szuperkondenzátort a hagyományos akkumulátoros szünetmentes tápegységgel kombinálva csökken az akkumulátor töltés/kisülés ciklusainak száma, mivel csak a szuper-kondenzátor által nem uralt kiesési idôk esetén kerül sor az akkumulátor kisülésére. Ez megnöveli az akkumulátor élettartamát. Kisebb szuper-kondenzátorokat gyakran alkalmaznak az akkumulátor kímélése miatt, pl. nagy csúcsterhelések fedezésére elektro-

13


nikus berendezésekben. A fejlesztések folynak a nagyobb teljesítmények irányában és a közeljövôben várható a szuper-kondenzátorok szélesebb körû elterjedése.

Szupravezetô-mágnesek (SMES) A szupravezetô-mágneses energia tárolás lényegében azt jelenti, hogy egy szupravezetô állapotban lévô nagy induktivitású tekercsben egyenáramú energiát tárolunk, amely szükség esetén váltakozó áramú energiává alakítható. A hélium hûtésû alacsony hômérsékletû SMES kereskedelemben kapható, a nitrogén hûtésû magas hômérsékletû SMES napjainkban kerül kereskedelmi forgalomba, és a jövô ígéretes energiatárolója lehet. Az SMES berendezések induktivitásában a mágneses teret a tekercsben folyó egyenáram hozza létre. A tekercsveszteség elhanyagolható. A teljesítményt úgy lehet kivenni , hogy egy elektronikus kapcsolóval a terhelés igénye szerint periodikusan megszakítjuk az áramot, és a megszakításkor diódán keresztül egy kondenzátort töltünk. A töltés a nagy induktivitás miatt áramgenerátoros, a kondenzátort a váltakozó áramú fogyasztó süti ki egy inverteren keresztül kapcsolódva a kondenzátorra. Az SMES berendezések 1–100MW teljesítményûek, általában 0.1–5s áthidalási idôt biztosítanak.

Nagynyomású levegô (CAES) A nagynyomású levegô is alkalmas energia tárolásra. A tartályban tárolt nagynyomású levegô turbina-generátor rendszeren alakítható át villamos energiává. A CAES rendszer a tárolt energiától függôen használható tartalék ellátásra vagy csúcsidejû teljesítmény betáplálásra. A rendszer mûködése lényegét tekintve hasonló a motor-generátorhoz. A levegô komprimálása és tárolása ép hálózat esetén lehetséges. A hálózat kiesésekor, vagy fogyasztói csúcsteljesítmény fellépésekor a nagynyomású levegôt a turbinába engedve a vele tengelykapcsolatban lévô generátor termel villamos energiát. A szokásos teljesítmény tartomány tartalékellátás esetében tíztôl néhány száz kVA-ig terjed. A tartalékellátásra tervezett CAES rendszernek van saját légtartálya, míg a csúcsidejû teljesítmény betáplálásra tervezett rendszer általában nagyobb természetes tartályokat használ, mint megfelelôen záró üregeket, vagy elhagyott bányákat. A CAES rendszerekkel jelen cikkben a továbbiakban nem foglalkozunk.

Amint láttuk, a szünetmentes energiaellátást igen változatos eszköztárral, valamint ezek kombinációjával lehet megoldani (ld. a már említett szuper-kondenzátor, akkumulátoros UPS együttes alkalmazást). Mindegyik energia forrás jellemezhetô névleges teljesítményével és a tárolható (hasznosítható) energiával, amibôl kiszámítható, hogy mennyi ideig tudja szolgáltatni a fogyasztó számára ezt a névleges teljesítményt. A 17. ábra bemutatja a különféle tárgyalt energiatárolókra a szokásos paramétereket.

Teljesítmény (MW)

A különbözô energiatároló rendszerek összehasonlítása

Igénybevehetô tárolt energia (MWs)

17. ábra. Különbözô energiatároló rendszerek jellemzô tartományai az energia – teljesítmény koordináta rendszerben.

A rövid áthidalási idejû energia tárolók jelenleg még fejlesztési állapotban vannak (már alkalmazhatók, de még jelentôs fejlôdés várható), ezért beruházási költségük viszonylag nagy (18. ábra).

A rövidítések az 5. táblázatban vannak kifejtve.

A jövôben a további fejlesztések, a gyártási volumen növekedése következtében jelentôs árcsökkenés várható. A szünetmentes energiaellátásban alkalmazott energiatároló rendszerek hatásfoka nemcsak a töltési/kisütési folyamattól, hanem az üresjárási veszteségektôl is függ. Valójában az üresjárási veszteség a döntô, mi-

14

vel a szünetmentes rendszerek nagyobb része az idô jelentôs hányadában üresen jár. Így az 1 Wh-ra vetített veszteség (fajlagos veszteség) az energiatároló berendezések hatásfokának fontos jellemzôje. Jelenleg a rövid áthidalási idejû energiatároló berendezésekre jellemzô, hogy fajlagos veszteségük nagyobb, mint a hagyományos berendezéseké, kivéve a szuper-kondenzátort. Néhány energiatároló típus fajlagos veszteségét az 5. táblázat mutatja.

Fajlagos beruházási költség (USD/kW)


Áthidalási idô (s)

18. ábra. Különbözô energiatároló rendszerek fajlagos beruházási költségei áthidalási idejük függvényében. A rövidítések az 5. táblázatban vannak kifejtve.

Energiatároló típusa

Fajlagos veszteség (W/Wh)

Önkisülés ideje

Szupravezetô-mágneses energia tároló (SMES)

35 W

1.7 perc

Kis fordulatú lendkerék (LSFW)

2.2 W

30 perc

Nagy fordulatú lendkerék (HSFW)

1.2 W

50 perc

Szuper-kondenzátor (SC)

0.026 W

1.6 nap

Akkumulátor

0.023 W

Nagyon hosszú, több hónap

5. táblázat. Különbözô energiatároló típusok fajlagos vesztesége

Tartalék-energiaellátás gyakorlati megvalósítása Ahhoz, hogy adott, megkívánt szintû betáplálási rendelkezésre állás biztosítva legyen, általában több fajta energiatároló típus kombinációját alkalmazzák, amint az a 19. ábrán látható. A terhelések ellátásbiztonsági igényeik alapján két csoportra vannak osztva. Az ábra szerint az IT berendezések kívánják a legbiztonságosabb ellátást (1. táblázat IV. kategória), ezért az UPS rendszerrôl vannak táplálva. Azok a terhelések, amelyek elviselnek bizonyos áttérési idôt, a motor-generátorról vannak ellátva. A 19. ábra szerint felépített rendszereknél a betápok közötti kapcsolásokat automatikus áttérést biztosító automatika végzi (ASCS). Az automatikus áttérésre a 20. ábra ad példát. Az ábrán az ASCS fô elemeit és blokksémáját láthatjuk. Az érzékelés és mûködés alapja, hogy a bemeneti jeleket érzékelô szabályozó méri a fôés tartalék betápok feszültségeit. A fôbetápról a tartalék betápra való áttérés, majd visszatérés kapcsolási mûveleteinek idôbeli sorrendjét is feltüntettük a 20. ábrán. Motor-generátor egység

Fôkapcsoló

Betáp 2

Automatikus áttérést biztosító automatika 1

Betáp 1

Automatikus áttérést biztosító automatika 2

Táplált objektum

19. ábra. Példa a nagy megbízhatóságú táplálásra

15

Nagy ellátásbiztonságot igénylô fogyasztók Nagyon nagy ellátásbiztonságot igénylô fogyasztók


Összefoglalás Napjainkban egyre több olyan ipari és kereskedelmi fogyasztó van, amelyek hálózatán üzemelô egyes fogyasztók nagyobb ellátásbiztonságot igényelnek, mint amit az áramszolgáltató biztosít. A hálózati áramellátás megbízhatóságának növelése általában bonyolult és költséges, ezért a fogyasztónak kell megoldania saját igényes belsô energiaellátását, hogy javítson a villamosenergia-szolgáltatás minôségén.

Input control plate

Main control relay

Minden problémára van megoldás, de mindegyik megoldandó problémát egyedi esetként kell kezelni. Általában több, közel azonos értékû megoldás található, amelyek közül a legalkalmasabb az igények és adottságok (teljesítmény, minôségi, megbízhatósági paraméterek, földrajzi adottságok, költségek) pontos meghatározása után választható ki.

Cat I Loads

Cat II Loads

20. ábra Kisfeszültségû betáp átkapcsoló automatika blokkdiagramja és az áttérés kapcsolási mûveleteinek idôbeli sorrendje B

fôbetáp

R

tartalék betáp

BCB, RCB a fôbetáp ill. tartalék betáp megszakítói S1, S2

a nagyobb ill. kisebb ellátás-biztonság igényô fogyasztók kapcsolói

EGS

motor-generátor egység

UB, UR

a fôbetáp ill. tartalék betáp mért feszültsége

Irodalomjegyzék 1

EN 50091 (IEC 62040) Un-interruptible power systems.

2. Elektronizacja 11/2001. 3. EN 50160 Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution systems. 4. ABB Switchgear Manual, 10th edition, Dusseldorf, Cornelsen Verlag 1999. 5. Seip G.: Elektrische Installationstechnik. T1. Berlin – Munchen, Siemens – Aktiengesellschaft 1993. 6. UNIPEDE DISDIP, Measuring of power failures in MV grid in Europe. 7. Darrelmann H.: Comparison of alternative short time storage systems. Piller GmbH - www.piller.de, 2002.

16

Referencia és alapító partnerek European Copper Institute (ECI)

Engineering Consulting & Design (ECD)

Polish Copper Promotion Centre (PCPC)

Web: www.eurocopper.org

Web: www.ecd.it

Web: www.miedz.org.pl

Akademia Gorniczo-Hutnicza (AGH)

Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW)

Provinciale Industriele Hogeschool (PIH)

Web: www.agh.edu.pl

Web: www.htw-saarland.de

Web: www.pih.be

Centre d'Innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA)

Istituto Italiano del Rame (IIR)

Università di Bergamo Web: www.unibg.it

Web: www.iir.it

Web: www-citcea.upc.es

Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI)

International Union of Electrotechnology (UIE)

Web: www.ceiuni.it

Web: www.uie.org

Copper Benelux

ISR - Universidade de Coimbra

Web: www.copperbenelux.org

Web: www.uc.pt

University of Bath Web: www.bath.ac.uk

University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST) Web: www.umist.ac.uk

Copper Development Association (CDA UK)

Katholieke Universiteit Leuven (KU Leuven)

Web: www.cda.org.uk

Web: www.kuleuven.ac.be

Deutsches Kupferinstitut (DKI)

La Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (ETSII)

Web: www.kupferinstitut.de

Web: www.etsii.upm.es

Wroclaw University of Technology Web: www.pwr.wroc.pl

Szerkesztôbizottság David Chapman (Chief Editor)

CDA UK

[email protected]

Prof Angelo Baggini

Università di Bergamo

[email protected]

Dr Araceli Hernàndez Bayo

ETSII - Universidad Politécnica de Madrid

[email protected]

Prof Ronnie Belmans

UIE

[email protected]

Franco Bua

ECD

[email protected]

Prof Anibal de Almeida

ISR - Universidade de Coimbra

[email protected]

Hans De Keulenaer

ECI

[email protected]

Gregory Delaere

Lemcko

[email protected]

Prof Jan Desmet

Hogeschool West-Vlaanderen

[email protected]

Dipl-Ing Marcel Didden

KU Leuven

[email protected]

Dr Johan Driesen

KU Leuven

[email protected]

Stefan Fassbinder

DKI

[email protected]

Prof Zbigniew Hanzelka

Akademia Gorniczo-Hutnicza

[email protected]

Dr Antoni Klajn

Wroclaw University of Technology

[email protected]

Reiner Kreutzer

HTW

[email protected]

Prof Wolfgang Langguth

HTW

[email protected]

Jonathan Manson

Gorham & Partners Ltd

[email protected]

Prof Henryk Markiewicz

Wroclaw University of Technology

[email protected]

Carlo Masetti

CEI

[email protected]

Dr Jovica Milanovic

UMIST

[email protected]

Dr Miles Redfern

University of Bath

[email protected]

Andreas Sumper

CITCEA

[email protected]

Roman Targosz

PCPC

[email protected]

Improving Reliability with Standby Power Supplies

Prof Henryk Markiewicz

Wroclaw University of Technology Wybrzeze Wyspianskiego 27 50-370 Wroclaw Poland Tel: Fax: Email: Web:

00 48 71 3203 424 00 48 71 3203 596 [email protected] www.pwr.wroc.pl

Dr Antoni Klajn

Wroclaw University of Technology Wybrzeze Wyspianskiego 27 50-370 Wroclaw Poland Tel: Fax: Email: Web:

European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium

Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest Képíró u. 9. Magyarország Tel: Fax: E-mail: Web:

(+36 1) 266 48 10 (+36 1) 266 48 04 [email protected] www.hcpcinfo.org

00 48 71 3203 920 00 48 71 3203 596 [email protected] www.pwr.wroc.pl

18

Tel: Fax: Email: Website:

00 32 2 777 70 70 00 32 2 777 70 79 [email protected] www.eurocopper.org

Rugalmas energiaellátás

Recommend Documents