UPS-teknologioita on käytetty useissa sovelluksissa useiden vuosien ajan tukemaan avainkuormien jatkuvaa toimintaa verkon virrankatkoksen aikana. Näitä järjestelmiä on käytetty monissa eri paikoissa antamaan lisäsuojaa verkkokatkoksista, jotka häiritsevät määriteltyjen kuormien toimintaa. UPS-järjestelmiä käytetään usein tietokoneiden, tietokonelaitteiden ja tietoliikennelaitteiden suojaamiseen. Uusien energiateknologioiden viimeaikaisen kehityksen myötä energian varastointijärjestelmät (ESS) ovat yleistyneet nopeasti. Erityisesti akkuteknologiaa käyttävät ESS:t saadaan tyypillisesti uusiutuvista lähteistä, kuten aurinko- tai tuulivoimasta, ja ne mahdollistavat näiden lähteiden tuottaman energian varastoinnin käytettäväksi eri aikoina.

Nykyinen Yhdysvaltain ANSI-standardi UPS-laitteille on UL 1778, keskeytymättömien sähköjärjestelmien standardi. ja CSA-C22.2 No. 107.3 Kanadalle. UL 9540, energian varastointijärjestelmien ja -laitteiden standardi, on Yhdysvaltain ja Kanadan kansallinen standardi ESS:lle. Vaikka sekä kypsillä UPS-tuotteilla että nopeasti kehittyvällä tuotetulla ESS:llä on joitain yhteisiä teknisiä ratkaisuja, toimintaa ja asennusta, niissä on merkittäviä eroja. Tässä asiakirjassa tarkastellaan kriittisiä eroja, hahmotellaan kuhunkin sovellettavat tuoteturvallisuusvaatimukset ja esitetään yhteenveto siitä, miten koodit kehittyvät molempien tyyppisten laitteistojen osalta.

EsittelyssäUPS

Muodostumista

UPS-järjestelmä on sähköjärjestelmä, joka on suunniteltu tarjoamaan välitöntä tilapäistä vaihtovirtapohjaista tehoa kriittisille kuormille sähköverkon vian tai muun verkkovirtalähteen vikatilanteessa. UPS on mitoitettu tarjoamaan välitöntä ennalta määrätyn määrän tehoa tietyn ajan. Tämä mahdollistaa toissijaisen virtalähteen, esim. generaattorin, kytkeytymisen verkkoon ja jatkamaan varavirtaa. UPS voi turvallisesti sammuttaa ei-välttämättömät kuormat ja jatkaa samalla virran antamista tärkeimmille laitekuormille. UPS-järjestelmät ovat tarjonneet tätä kriittistä tukea erilaisille sovelluksille useiden vuosien ajan. UPS käyttää varastoitua energiaa integroidusta energialähteestä. Tämä on tyypillisesti akkupankki, superkondensaattori tai vauhtipyörän mekaaninen liike energianlähteenä.

Tyypillinen akkupankkia käyttävä UPS koostuu seuraavista pääkomponenteista:

Tasasuuntaaja/laturi – Tämä UPS-osa ottaa vaihtovirtalähteen, tasaa sen ja tuottaa tasajännitteen, jota käytetään akkujen lataamiseen.

• Invertteri – Jos verkkovirta katkeaa, invertteri muuntaa akkuihin tallennetun tasavirran puhtaaksi AC-teholähteeksi, joka sopii tuetuille laitteille.

• Siirtokytkin – Automaattinen ja hetkellinen kytkinlaite, joka siirtää tehon eri lähteistä, kuten verkkovirrasta, UPS-invertteristä ja generaattorista, kriittiseen kuormaan.

• Akkupankki – Varaa energian, jota UPS tarvitsee aiotun toiminnon suorittamiseen.

Nykyiset standardit UPS-järjestelmille

• Nykyinen US ANSI-standardi UPS:lle on UL 1778/C22.2 No. 107.3, Standard for Uninterruptible Power Systems, joka määrittelee UPS:n "muuntimien, kytkimien ja energian varastointilaitteiden (kuten akkujen) yhdistelmäksi, joka muodostaa tehon. järjestelmä virran jatkuvuuden ylläpitämiseksi kuormaan syöttövirran katketessa."

• Kehitteillä ovat IEC 62040-1 ja IEC 62477-1 uudet versiot. UL/CSA 62040-1 (käyttäen UL/CSA 62477-1:tä viitestandardina) yhdenmukaistetaan näiden standardien kanssa.

Esittelyssä energian varastointi järjestelmät (ESS)

ESS:t ovat saamassa vetovoimaa vastauksena useisiin saatavuuden ja saatavuuden haasteisiin

luotettavuutta nykypäivän energiamarkkinoilla. ESS, erityisesti akkuteknologiaa käyttävät, auttavat vähentämään uusiutuvien lähteiden, kuten aurinko- tai tuulivoiman, vaihtelevaa saatavuutta. ESS ovat luotettavan virran lähde ruuhka-aikoina ja voivat auttaa kuormituksen hallinnassa, tehonvaihteluissa ja muissa verkkoon liittyvissä toiminnoissa. ESS:iä käytetään yleishyödyllisiin, kaupallisiin, teollisiin ja asuinsovelluksiin.

ESS:n nykyiset standardit

UL 9540, energian varastointijärjestelmien ja -laitteiden standardi, on Yhdysvaltain ja Kanadan kansallinen standardi ESS:lle.

• Ensimmäisen kerran vuonna 2016 julkaistu UL 9540 sisältää useita ESS-teknologioita, mukaan lukien akkuenergian varastointijärjestelmät (BESS). UL 9540 kattaa myös muut varastointitekniikat: mekaanisen ESS:n, esim. vauhtipyörävaraston, joka on yhdistetty generaattoriin, kemiallisen ESS:n, esim. vetyvaraston, joka on yhdistetty polttokennojärjestelmään, ja terminen ESS:n, esim. latentin lämmönvaraston, joka on yhdistetty generaattoriin.
• UL 9540, sen toinen painos, määrittelee energian varastointijärjestelmän "laitteeksi, joka vastaanottaa energiaa ja tarjoaa sitten keinon varastoida tämä energia jossain muodossa myöhempää käyttöä varten sähköenergian toimittamiseksi tarvittaessa." UL 9540:n toinen painos edellyttää lisäksi, että BESS:lle on suoritettava UL 9540A, standarditestimenetelmä lämpöpalon leviämisen arvioimiseksi akkuenergian varastointijärjestelmissä, jos sitä vaaditaan koodien poikkeuksien täyttämiseksi.
• UL 9540 on tällä hetkellä kolmas painos.

ESS:n ja UPS:n vertailu

Toiminnot ja mitat

ESS on rakenteeltaan samanlainen kuin UPS, mutta eroaa käytöstä. Kuten UPS, ESS sisältää energian varastointimekanismin, kuten akut, tehonmuuntolaitteet, esim. invertterit, ja monenlaista muuta elektroniikkaa ja ohjaimia. Toisin kuin UPS, ESS voi kuitenkin toimia rinnakkain verkon kanssa, mikä johtaa järjestelmän suurempaan kiertoon kuin UPS koskaan kokisi. ESS voi tehdä yhteistyötä vuorovaikutteisesti verkon kanssa tai erillistilassa tai molemmissa käytetyn tehonmuuntojärjestelmän tyypistä riippuen. ESS voi jopa toimia UPS-toimintona. UPS:n tavoin ESS:ä voi olla erikokoisina pienestä asuinjärjestelmästä, jonka energiateho on alle 20 kWh, yleishyödyllisiin sovelluksiin, joissa käytetään usean megawatin energiasäiliöjärjestelmiä, joissa on useita akkutelineitä.

Kemiallinen koostumus ja turvallisuus

Tyypilliset UPS:ssä käytetyt akkukemiat ovat aina olleet lyijyhappo- tai nikkeli-kadmium-akut. Toisin kuin UPS, BESS käyttää alusta alkaen teknologioita, kuten litiumioniakkuja, koska litiumioniakuilla on parempi syklin suorituskyky ja korkeampi energiatiheys, mikä voi tuottaa enemmän energiaa pienemmällä fyysisellä jalanjäljellä. Litiumioniakuilla on myös paljon pienemmät huoltovaatimukset kuin perinteisillä akkutekniikoilla. Mutta tällä hetkellä litiumioniakkuja käytetään yhä enemmän myös UPS-sovelluksissa.

Kuitenkin Arizonassa vuonna 2019 sattunut vakava onnettomuus, johon liittyi yleishyödyllisissä sovelluksissa käytetty ESS, johti vakaviin vammoihin useille ensiapuhenkilöille ja kiinnitti useiden sidosryhmien huomion, mukaan lukien sääntelyviranomaiset ja vakuutuslaitokset. Sen varmistamiseksi, että vältettävissä olevat turvallisuushäiriöt eivät haittaa tätä kasvavaa alaa, ESS:lle on kehitettävä asianmukaiset spesifikaatiot ja standardit. Edistääkseen asianmukaisten turvallisuuseritelmien ja -standardien kehittämistä ESS:lle Yhdysvaltain energiaministeriö (DOE) käynnisti ensimmäisen vuotuisen ESS:n turvallisuutta ja luotettavuutta käsittelevän foorumin vuonna 2015.

Ensimmäinen DOE ESS -foorumi osallistui suureen määrään ESS-spesifikaatioita ja -standardeja koskevaa työtä. Merkittävin on NEC No. 706:n kehitys ja NFPA 855:n, kiinteiden energian varastointijärjestelmien asennuksien standardin kehittäminen, joka vaikuttaa suoraan kiinteiden akkujärjestelmien standardiin ICC IFC:ssä ja NFPA 1:ssä. Nykyään NEC:llä ja NFPA 855:llä on päivitetty myös vuoden 2023 versioille.

ESS- ja UPS-standardien nykyinen tila

Kaikkien sääntöjen ja standardien kehittämistoimien tavoitteena on ottaa riittävästi huomioon näiden järjestelmien turvallisuus. Valitettavasti nykyiset standardit ovat aiheuttaneet alalla hämmennystä.

1.NFPA 855. Avainasiakirja, joka vaikuttaa BESS:n ja UPS:n asennukseen, on vuoden 2020 versio NFPA 855:stä, Standard for the Installation of Stationary Energy Storage Systems. NFPA 855 määrittelee energian varastoinnin "yhdestä tai useammasta laitteesta koostuva kokoonpano, joka pystyy varastoimaan energiaa tulevaa syöttämistä varten paikallisille sähkökuormille, sähköverkoille tai verkon tuelle." Tämä määritelmä sisältää sovellukset UPS:lle ja ESS:lle. Lisäksi NFPA 855 ja palomääräykset edellyttävät, että ESS:t on arvioitava ja sertifioitava UL 9540 -standardin mukaisesti. UL 1778 on kuitenkin aina ollut perinteinen UPS-tuotteiden turvallisuusstandardi. Järjestelmä on riippumattomasti arvioitu sovellettavien turvallisuusvaatimusten noudattamisen suhteen ja tukee turvallista asennusta. Siksi UL 9540:n vaatimus on aiheuttanut alalla jonkin verran hämmennystä.

2. UL 9540A. UL 9540A vaatii aloittamista akun tasosta ja testaamisen vaiheittain asennustason ylittämiseen asti. Nämä vaatimukset johtavat siihen, että UPS-järjestelmiin sovelletaan markkinointistandardeja, joita ei vaadittu aiemmin.

3.UL 1973. UL 1973 on akkujärjestelmän turvallisuusstandardi ESS:lle ja UPS:lle. UL 1973-2018 -versio ei kuitenkaan sisällä lyijyakkujen testausmääräyksiä, mikä on myös haaste UPS-järjestelmille, jotka käyttävät perinteistä akkutekniikkaa, kuten lyijyakkuja.

Yhteenveto

Tällä hetkellä sekä NEC (National Electrical Code) että NFPA 855 selventävät näitä määritelmiä.

• Esimerkiksi NFPA 855:n vuoden 2023 versio selventää, että tietyt lyijyhappo- ja nikkeli-kadmium-akut (600 V tai vähemmän) on lueteltu UL 1973:ssa.
• Lisäksi UL 1778:n mukaan sertifioituja ja merkittyjä lyijyakkujärjestelmiä ei tarvitse sertifioida UL 9540:n mukaisesti, kun niitä käytetään varavirtalähteenä.

Jotta UL 1973:n lyijyhappo- ja nikkeli-kadmium-akkujen testausstandardien puuteongelma voitaisiin ratkaista, liite H (Arvioi vaihtoehtoja venttiiliohjatuille tai tuuletetuille lyijyhappo- tai nikkelikadmiumparistoille) lisättiin erityisesti UL 1973:n kolmas painos julkaistiin helmikuussa 2022.

Nämä muutokset edustavat positiivista kehitystä UPS:n ja ESS:n turvallisten asennusvaatimusten erottamiseksi toisistaan. Lisätyöhön kuuluu NEC-sopimuksen 480 artiklan päivittäminen, jotta voidaan paremmin vastata muiden teknologioiden kuin lyijyhapon ja nikkeli-kadmiumin asennusvaatimuksiin. Lisäksi NFPA 855 -standardia on päivitettävä edelleen, jotta palontorjuntamääräykset saadaan selvemmiksi, erityisesti kiinteissä sovelluksissa käytettävien eri tekniikoiden osalta, olivatpa ne sitten UPS- tai ESS-laitteita.

Kirjoittaja toivoo jatkuvan muutoksen parantavan alan turvallisuutta riippumatta siitä, käytetäänkö perinteistä UPS:ää vai ESS:ää. Koska energian varastointiratkaisut lisääntyvät merkittävästi ja nopeasti, tuotteiden luontaisen turvallisuuden huomioiminen on ratkaisevan tärkeää turvallisuusinnovaatioiden avaamiseksi ja yhteiskunnan tarpeiden täyttämiseksi.