UPS de almacenamiento de energía con volante de inercia energéticamente eficiente

1. Antecedentes técnicos para la aplicación del UPS con almacenamiento de energía de volante

Todos los UPS que hemos discutido en el pasado pertenecen a la categoría de UPS estáticos. El principio es: durante la operación. De estos SAI, además de excepto el ventilador de refrigeración, los distintos componentes electrónicos y eléctricos utilizados no tienen ningún movimiento mecánico. Años de experiencia en el funcionamiento de UPS estáticos muestran que, aunque los UPS estáticos han hecho una contribución "indispensable" para garantizar el funcionamiento seguro de las cargas de los usuarios en diversas industrias. Sin embargo, todavía tiene las siguientes debilidades:

(1) La eficiencia del UPS estático "no es lo suficientemente alta": las estadísticas relevantes muestran que para los UPS de frecuencia eléctrica de capacidad media y grande, su eficiencia es de solo 93~ 94. Para los modelos UPS de alta frecuencia de capacidad media y grande, su eficiencia es solo de 94 a 95. Para la sociedad actual, que hace cada vez más hincapié en la conservación de energía y la protección del medio ambiente, la pérdida de este SAI sigue siendo elevada.

(2) El paquete de baterías del UPS es un factor importante que hace que aumente la tasa de fallas del UPS y que aumente la cantidad de mantenimiento diario. Además, la duración de la batería es corta. Además, la eliminación de pilas usadas que pueden provocar una grave contaminación al medio ambiente sigue siendo uno de los problemas que nos aqueja.

Por lo tanto, una de las formas técnicas de resolver los problemas anteriores es utilizar un UPS dinámico con almacenamiento de energía de volante para reemplazar el UPS estático en línea de doble conversión.

2. Ventajas técnicas del UPS con volante

En los últimos años, los centros de datos, las industrias de fabricación de chips semiconductores, ciertos sistemas especiales de comunicación militar y los departamentos confidenciales del gobierno en el país y en el extranjero están prestando cada vez más atención. seleccionar y elegir un UPS dinámico con almacenamiento de energía de volante (denominado UPS de volante o UPS dinámico). Se pueden obtener los siguientes beneficios al utilizar este tipo de UPS:

(1) Mejorar aún más la eficiencia del UPS: los datos relevantes muestran que la eficiencia del UPS se puede aumentar de 92 de UPS estático a 98 de volante UNIÓN POSTAL UNIVERSAL.

(2) Eliminar completamente del UPS los componentes de la batería con tasas de falla obviamente altas. Los beneficios que se pueden obtener de esto son: no sólo ayudar a mejorar la confiabilidad del UPS, sino también reducir en gran medida la carga de trabajo de mantenimiento del personal de suministro de energía en servicio.

Para este tipo de SAI volante, cuando la alimentación de red es normal, utiliza la red eléctrica para suministrar energía a los usuarios, y además pasa parte de la energía eléctrica a través de la "compensación síncrona" con motor y Funciones de control del generador. El dispositivo "máquina (G/M)" almacena energía cinética en su enorme volante.

En este momento, su dispositivo "compensador síncrono (G/M)" no sólo asume la función de control de conversión de energía a corto plazo, sino que también convierte la energía eléctrica de la red eléctrica en electricidad almacenada en el volante. energía mecánica. Además, también es responsable de la estabilización automática de voltaje y la compensación automática de las corrientes armónicas que pueden generarse desde la red eléctrica y los equipos eléctricos, es decir, el valor THDI del contenido armónico de la corriente de salida se ajusta a cero en tiempo real. Cuando se interrumpe el suministro eléctrico, puede utilizar el dispositivo compensador síncrono (G/M) impulsado por inercia que originalmente almacenó la enorme energía cinética en su volante para continuar girando. En este momento, el dispositivo compensador síncrono (G/M) asumirá automáticamente la función de control del generador, garantizando así un suministro de energía continuo e ininterrumpido a diversos equipos eléctricos. Los factores impulsores que pueden impulsar los UPS con volante a una nueva etapa de practicidad son:

(1) Para la industria energética actual, cuya tecnología es bastante madura, debido al uso generalizado del suministro de energía inteligente gestionado por tecnología de la información. , Tecnología de despacho de red eléctrica y un esquema de diseño de protección que utiliza interruptores ATS para realizar automáticamente operaciones de "conmutación y conmutación" entre fuentes de alimentación de entrada de red de doble canal en los sistemas de suministro de energía de los usuarios en sus sistemas de suministro de energía de entrada de red. un corte de energía prolongado es extremadamente bajo.

Esto crea condiciones de funcionamiento extremadamente favorables para la aplicación práctica del UPS de volante, que depende de la energía cinética de inercia para garantizar el suministro continuo de energía a la carga.

① Según una encuesta de la red de suministro de energía de EE. UU. realizada por el Electric Power Research Institute, más del 90% de los cortes de energía duraron menos de 10 segundos

② Según la encuesta de RWE; de 9 países europeos Una encuesta de 126 redes de suministro de energía encontró que más del 95% de los accidentes por cortes de energía duraron menos de 3 segundos

③ Para equipos de usuario que utilizan la tecnología de control de conmutación automática del interruptor ATS; entre las dos fuentes de alimentación de entrada principales, cuando su fuente de alimentación de entrada prioritaria encuentra un corte de energía, su otra fuente de alimentación de respaldo puede restaurar la energía al equipo eléctrico en un intervalo de tiempo de menos de 1 a 3 segundos. En teoría, el interruptor ATS provocará que la fuente de alimentación de entrada se interrumpa durante decenas a cientos de milisegundos. Esto se debe a que el tiempo de conmutación típico del interruptor ATS es ≤200 ms. La razón por la que el tiempo total de conmutación del interruptor ATS puede ser de varios segundos es: para evitar que el interruptor ATS cometa "errores" innecesarios y frecuentes entre las dos fuentes de alimentación principales debido a interrupciones repentinas ocasionales en la alimentación principal. operación de "conmutación" de la red, lo que resulta en molestas interferencias de potencia máxima en el extremo de entrada del equipo eléctrico y acorta la vida útil del interruptor ATS. Por esta razón, es necesario configurar artificialmente la función de protección de conmutación de retardo adecuada para el interruptor ATS. Por lo tanto, para los usuarios con condiciones de suministro de energía de "entrada de bus dual", pueden elegir el enfoque técnico del UPS con volante para evitar configurar un paquete de baterías que es voluminoso, tiene una alta tasa de fallas y requiere mucho mantenimiento.

En resumen, dado que en la red de suministro eléctrico, la probabilidad de un corte de energía a largo plazo es extremadamente baja. De esta manera, se sentará una base técnica sólida para las ventajas técnicas de los UPS de volante para realizar compensación y control en tiempo real de fluctuaciones transitorias de voltaje, interrupciones repentinas, interferencias transitorias y corrientes armónicas que puedan provenir de la red eléctrica.

(2) En comparación con el UPS estático en línea tradicional de doble conversión, el UPS con volante tiene las siguientes ventajas técnicas obvias, como se muestra en la Tabla 1.

Se puede ver en la tabla que el UPS con volante tiene ventajas significativas en la eficiencia general de la máquina, la potencia de salida máxima de una sola máquina, la capacidad antisobrecarga, la capacidad anticortocircuito de salida y el factor de potencia de entrada. , factor de potencia de carga, rango de temperatura de funcionamiento permitido y sin necesidad de baterías. El mantenimiento y la confiabilidad de la unidad son significativamente mejores que los del UPS estático en línea de doble conversión. Cabe señalar aquí que para un sistema de suministro de energía UPS de volante, su eficiencia general promedio es de 3 a 4 veces mayor que la de un UPS estático. La eficiencia energética del SAI con volante de inercia de levitación magnética al vacío de la empresa estadounidense Active Power puede incluso mejorarse en 6. Esto es particularmente evidente en sus efectos de ahorro de energía, reducción del consumo, ecologización y protección del medio ambiente en el contexto actual de grandes aumentos de los precios de la energía. Otra razón por la que el uso de un UPS con volante de inercia puede ahorrar más energía es porque viene con un ventilador enfriado por aire y no requiere un paquete de baterías que requiera que la temperatura ambiente sea inferior a 25 °C. Por tanto, no es necesario configurar unidades de aire acondicionado con características operativas de alto consumo para la sala de ordenadores del UPS. Sin embargo, cabe señalar que todavía es necesario equiparlo con el sistema de extracción de aire caliente necesario.

3. Principio de funcionamiento del SAI con volante de inercia

El diagrama de bloques de control típico de un SAI dinámico con almacenamiento de energía cinética tipo volante se muestra en la Figura 1. Puede proporcionar productos con potencias de salida de una sola unidad de 150, 180, 260, 400, 500, 750, 1000, 1300 y 1670 kVA. Como se muestra en la figura, hay dos canales de suministro de energía exclusivos del UPS:

(1) Canal de suministro de energía de derivación de mantenimiento: durante el funcionamiento normal, el interruptor S2 está en estado apagado;

(2) Canal de suministro de energía principal: Se compone de varios componentes principales, como el interruptor de entrada S1, el interruptor estático de entrada, la bobina de inducción 1 y la bobina de inducción 2, el puente de alimentación (Power-bridge) y el interruptor de salida S4. El componente del puente de potencia se compone de componentes principales como un conjunto de motor/generador síncrono, un convertidor bidireccional, un generador excitador y un volante de inercia de almacenamiento de energía. Cuando se interrumpe la alimentación principal, el tiempo de suministro de energía a carga completa es de aproximadamente 20 segundos. Para los usuarios que necesitan un suministro de energía continuo durante mucho tiempo, esto se puede lograr seleccionando un grupo electrógeno diésel/gas (opcional).

Aquí, el puente de energía eléctrica compuesto por la bobina de estrangulación 1, la bobina de estrangulación 2 y el motor/generador síncrono es un llamado aislamiento mágico que tiene funciones de estabilización automática del voltaje de salida y compensación armónica de corriente de entrada y bucle de control de tipo estrangulador de acoplamiento. En este caso, el puente de alimentación asume simultáneamente la doble función de regulación de un regulador automático de tensión y de un filtro activo. Las funciones de control de este bucle de control se pueden resumir de la siguiente manera:

① Compensar y controlar la corriente armónica generada a partir de la carga no lineal

② Compensar y controlar la corriente armónica de la entrada; Compensar y controlar los armónicos de voltaje de acuerdo con la distorsión de voltaje de la red eléctrica;

③ Limitar la amplitud de la corriente de cortocircuito reflejada en la red eléctrica de entrada principal

④ Utilizar el seno; onda generada por el puente de suministro de energía La fuente de alimentación utiliza una forma de onda para realizar funciones automáticas de control y estabilización de voltaje para garantizar que pueda emitir energía de alta calidad a la carga con una precisión de estabilización de voltaje de <±1.

3.1 El principio de control de la estabilización automática de voltaje y el suministro de energía ininterrumpida del UPS con volante

(1) Cuando la fuente de alimentación de entrada es normal, el principio de control y estabilización automática de voltaje del UPS con volante

Según el diseño de este UPS, durante el funcionamiento normal, su interruptor de entrada S1 y su interruptor de salida S4 están en estado cerrado, y el interruptor de derivación de mantenimiento S2 está en estado abierto. Cuando el voltaje de la fuente de alimentación de entrada está en el rango entre -20 y 15, el "interruptor estático de entrada" está en estado encendido. En esta condición, la fuente de alimentación de red no regulada que puede contener interferencias de alta frecuencia se alimenta al equipo eléctrico ubicado en su extremo de salida después de ser filtrada por la bobina de choque 1 y la bobina de choque 2 para resistir la interferencia de alta frecuencia. también asume la función de control de la máquina de compensación síncrona a través del generador/máquina de compensación síncrona (máquina G/M) ubicado en el "puente de energía eléctrica". En este momento, el "puente de energía eléctrica" ​​está en estado de funcionamiento del motor. Impulsa un enorme volante de almacenamiento de energía (velocidad de hasta 1800 ~ 3300 rpm) a través del eje principal del generador excitador en un estado giratorio de alta velocidad, convirtiendo así parte de la energía eléctrica de la red eléctrica en una rotación de alta velocidad. estado. El propósito de la conversión de energía es la energía cinética inercial mecánica del volante. Al mismo tiempo, bajo el control del tablero de control lógico, el "convertidor bidireccional" en el "puente de energía eléctrica" ​​ubicado en el volante del UPS se utiliza para realizar simultáneamente la estabilización automática de voltaje y la estabilización del mercado de su generador de excitación y generador síncrono. Grupo electrógeno. La tarea de control del seguimiento de sincronización eléctrica. En este momento, su generador/compensador síncrono genera una fuente de alimentación regulada con una precisión de estabilización de voltaje de 380 V ± 1 bajo el control del convertidor bidireccional. En este momento, las bobinas de choque 1 y 2 asumen la función de regulación del compensador pasivo de armónicos de tensión.

(2) Cuando la fuente de alimentación de entrada tiene un "apagón de energía a corto plazo"/falla de flash por algún motivo, el principio de control y estabilización automática de voltaje del UPS del volante

Cuando la red eléctrica tiene un "corte de energía a corto plazo" por alguna razón. Cuando falla un "corte de energía momentáneo"/flash (interrupción del suministro de energía del orden de decenas de milisegundos), el generador excitador ubicado en el volante del UPS continúa girando a alta velocidad utilizando la energía cinética inercial originalmente almacenada en el enorme volante. En este momento, la potencia de salida del generador, cuya frecuencia y voltaje cambian lentamente, se alimenta al extremo de entrada del convertidor bidireccional (Nota: esto se debe al hecho de que a medida que transcurre el tiempo de corte de energía de la entrada La energía continúa extendiéndose, el almacenamiento original. La energía cinética inercial en el enorme volante se consume continuamente. En esta condición, la frecuencia y el voltaje de la potencia de salida del generador excitador disminuirán en diversos grados. Después de que un convertidor bidireccional procese una fuente de alimentación con mala calidad de alimentación, puede generar una fuente de alimentación de alta calidad con características operativas de estabilización automática de voltaje y estabilización automática de frecuencia. Después de que se suministra energía de alta calidad al extremo de entrada de la unidad de motor/generador síncrono, puede generar continuamente una fuente de alimentación regulada de 380 V ± 1 (consulte la Figura 1b).

Cuando falla la alimentación principal, el tiempo que este SAI continúa suministrando energía depende de la cantidad de energía mecánica almacenada en el volante y del porcentaje de carga del SAI. Para un SAI dinámico con una potencia de salida de 1670kVA, su almacenamiento de energía mecánica es de 16,5MW·s. Los valores típicos de los parámetros de variación entre la duración del UPS y el porcentaje de carga del UPS se enumeran en la Tabla 2.

De lo anterior, se puede ver que para el UPS con volante, durante su funcionamiento, si el tiempo de interrupción instantánea del suministro de energía de la red eléctrica no excede el límite de tiempo anterior, puede producir continuamente alta calidad. alimentación a la fuente de alimentación del usuario. Además, si el problema de alimentación principal encontrado no es un corte de energía, sino un voltaje de entrada bajo, el suministro de energía continua de este UPS se ampliará considerablemente.

Bajo esta condición, se puede obtener un amplio rango de trabajo de voltaje de entrada. Sus parámetros técnicos típicos son: cuando el voltaje de entrada es 380V, -20, 15, puede funcionar continuamente cuando el voltaje de entrada cae a; Cuando el voltaje de entrada es de 380 V y -30, el tiempo de suministro de energía es de 10 minutos; cuando el voltaje de entrada cae a 380 V y -50, el tiempo de suministro de energía es de 30 segundos. Por supuesto, para los usuarios que eligen la opción de generador diésel/gas o el diseño de fuente de alimentación de "entrada de bus dual" utilizando un interruptor ATS de alimentación de entrada bidireccional, pueden proporcionar 365×24 horas de energía ininterrumpida a las cargas de energía posteriores. suministrar.

La apariencia y el diagrama estructural de los componentes principales de un UPS de volante típico se muestran en la Figura 2.

3.2 Principio de regulación de las características de compensación armónica del UPS con volante

La segunda ventaja técnica importante del UPS con volante es: Tiene excelentes características de compensación de armónicos de entrada y una alta eficiencia del sistema (96 ~ 98) .

Cuando la carga posterior es resistiva, su valor PF del factor de potencia de entrada es 1 y el valor THDI del componente armónico de corriente de entrada es casi cero. Cuando se utiliza con cargas no lineales de filtro rectificador monofásico, como PC, servidores de gama baja y otros equipos de TI, equipos DCS en sistemas de control industrial y electrodomésticos sin función de corrección del factor de potencia de entrada (PFC), la entrada de estos equipos eléctricos en sí Las características armónicas son muy pobres. Aunque la forma de onda de voltaje alimentada a la fuente de alimentación de entrada de estos dispositivos eléctricos en este momento exhibe una forma de onda sinusoidal excelente, la forma de onda de corriente que extraen de la fuente de alimentación de entrada se vuelve una forma de campana discontinua como se muestra en la Figura 3 (a) Tren de pulsos (que es decir, muestran una severa distorsión de corriente en su forma de onda de corriente de entrada), lo que da como resultado que el contenido armónico de su corriente de entrada tenga un valor de THDI tan alto como 55 a 77, y que el valor PF del factor de potencia de entrada caiga a aproximadamente 0,8.

Sin embargo, después de seleccionar un UPS de volante para accionar el equipo eléctrico anterior, puede utilizar un sistema que consta de "Choke 1, Choke 2 del convertidor bidireccional de motor/generador síncrono", etc. Se utilizan puentes de potencia para controlar armónicos para este tipo de carga no lineal. En esta condición, la potencia reactiva proporcionada por el motor/generador síncrono conectado en paralelo a la línea de alimentación principal del UPS de volante se utiliza para realizar la regulación de compensación de armónicos de corriente. De esta manera, la forma de onda de la corriente de entrada con una excelente forma de onda sinusoidal como se muestra en la Figura 3(a) se puede obtener nuevamente en el extremo de entrada del UPS con volante.

En este contexto, las características armónicas de su corriente de entrada se pueden mejorar enormemente. Sus valores típicos son: el contenido armónico del valor THDI de la corriente de entrada lt 5, el valor del factor de potencia de entrada gt aproximadamente 0,98; Lo que debe explicarse aquí es: dado que la gran mayoría de los equipos de TI (servidores de gama media y alta, equipos de almacenamiento, equipos de red) utilizados en las salas de los centros de datos actuales adoptan tecnología de corrección del factor de potencia de entrada (PFC), cuando se utiliza UPS con volante Cuando al accionar estos equipos eléctricos, se obtienen las siguientes características armónicas de entrada de "potencia verde": es decir: el contenido armónico de su corriente de entrada, valor THDI lt; 3. El valor del factor de potencia de entrada gt, aproximadamente 0,99, como se muestra en la Figura; 3(b).

En resumen, se puede ver que en comparación con el UPS estático en línea tradicional de doble conversión que solo puede resolver el problema de sus armónicos de corriente de entrada y armónicos de salida, el UPS de volante puede resolver simultáneamente sus armónicos de corriente de entrada. y armónicos de salida Los armónicos de salida se controlan mediante compensación armónica y sus ventajas técnicas son evidentes.

3.3 El UPS con volante tiene excelentes características de respuesta dinámica de salida

Otra ventaja técnica importante del UPS con volante es que tiene excelentes características de respuesta dinámica, como se muestra en la Figura 4, cuando el UPS Cuando. La carga posterior se carga repentinamente, el puente de suministro de energía paralelo compuesto por el "estrangulador 2 del conjunto de generador/motor síncrono" proporciona energía activa suplementaria transitoria a la carga posterior para garantizar la salida del UPS. El terminal puede obtener excelentes características de salida de estabilización automática de voltaje. . Sus características típicas de respuesta dinámica son: lt; 5, tiempo de recuperación 10 ms (0→100 carga→0). Por el contrario, cuando la carga posterior del UPS reduce repentinamente su carga, el puente de suministro de energía paralelo compuesto por el "estrangulador 2 del grupo electrógeno/motor síncrono" absorberá rápidamente la "abundancia" transitoria de la línea de salida principal del UPS. "Potencia activa para garantizar excelentes características de salida de estabilización automática de voltaje en la salida del UPS.

Aquí, el circuito que consta del interruptor estático de entrada, la bobina de inducción 1 y la bobina de inducción 2 ubicadas en el volante UPS puede considerarse como el canal principal de transmisión de energía en la red eléctrica, que será el El puente de potencia compuesto por "motor de excitación del volante, convertidor bidireccional, motor/generador síncrono", etc. se considera un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica estabilizado por voltaje conectado en paralelo a su extremo de salida, que ajusta dinámicamente la salida de potencia del UPS del volante. , para que pueda responder rápidamente a cambios dinámicos en el consumo de energía en tiempo real de los equipos eléctricos posteriores.

3.4 Parámetros técnicos típicos del UPS de volante

Potencia de salida: 150, 180, 260, 400, 500, 750, 1000, 1300, 1670kVA

Entrada; Factor de potencia: 0,96 ~ 0,99; valor THDV del contenido armónico del voltaje de entrada lt; 2; eficiencia: gt; 96;

El rango de voltaje de entrada es: 380 V, -20 ~ 15, funcionamiento a largo plazo; , -30, el tiempo de funcionamiento admitido es 10 min; 380 V, -50, el tiempo de funcionamiento admitido es 2 min;

Voltaje de salida: 380 Vlt ±1; p > Resistencia a cortocircuitos de salida: 300, 5 s; 1400, 10 ms;

Tiempo medio entre fallas de una sola unidad (MTBF): 1,3 millones de horas

Número permitido de UPS en paralelo; : 16 unidades.

4. Conclusión

En resumen, para usuarios con un buen entorno de alimentación de red, el UPS con volante de inercia es significativamente mejor que el estático en línea de doble conversión en las siguientes prestaciones técnicas: UPS. Estos son: eficiencia general de la máquina, potencia de salida máxima de una sola máquina, resistencia a cortocircuitos de salida, factor de potencia de entrada, factor de potencia de salida, rango de temperatura de funcionamiento permitido, confiabilidad, compatibilidad electromagnética EMC y el UPS se reduce considerablemente porque no hay Es necesario configurar un paquete de baterías para reducir la carga de trabajo de mantenimiento y reducir el área ocupada por la sala de computadoras. Entre ellos, llama especialmente la atención por su alta confiabilidad, su importante efecto de ahorro de energía y reducción del consumo, y el hecho de que no necesita configurar un paquete de baterías con una alta tasa de fallas. Por este motivo, se utiliza en algunas fábricas de chips semiconductores y sistemas militares en Estados Unidos, Europa y Taiwán. En los últimos años, también ha atraído cada vez más la atención del pueblo chino. Se informa que es posible que el UPS Flywheel se incluya en los estándares para la construcción de centros de datos en mi país. Esto se debe a que Flywheel UPS, como tecnología que se ha desarrollado extremadamente rápidamente en los últimos años, puede brindarnos beneficios tanto económicos como ambientales al construir centros de datos ecológicos. Sin embargo, cabe señalar aquí que para este UPS no es perfecto.

Aunque el UPS con volante todavía tiene algunas deficiencias, hoy en día, para aquellos usuarios que tienen condiciones de suministro de energía de "entrada de bus dual" y tienen problemas con las aplicaciones de batería, definitivamente pueden elegir. Las medidas técnicas del UPS con volante se utilizan para elimine varias desventajas que pueden ser causadas por el paquete de baterías con una alta tasa de fallas y una gran carga de trabajo de mantenimiento. Esto se debe a que su vida útil esperada puede ser de 15 a 20 años.

En la actualidad, es común que los grandes centros de datos extranjeros utilicen UPS con volante para garantizar el suministro de energía. El sistema UPS con volante de levitación magnética es particularmente sobresaliente en este campo. En contraste, la vida útil de la batería es de solo unos pocos miles de veces la carga. y descarga, y por lo general sólo lleva unos años reemplazar la batería.

Acerca de Microcontrol New Energy

Shenzhen Microcontrol New Energy Technology Co., Ltd. (conocida como Microcontrol o Microcontrol New Energy) es el líder mundial en tecnología de almacenamiento de energía física. La sede mundial de la compañía está ubicada en Shenzhen y su negocio cubre América del Norte, Europa, Asia, América Latina y otras regiones. Con su tecnología de energía de levitación magnética líder en el mundo "segura, confiable y eficiente", sus productos y servicios se utilizan ampliamente. por Huawei, GE, ABB, Siemens, Emerson. Con la confianza de muchas empresas Fortune 500.

Frente a las tres principales tendencias de una energía futura "más limpia, de alta densidad y digital", la empresa continúa comprometida con proporcionar soluciones de sistemas para el transporte, almacenamiento, reciclaje y gestión de datos de energía para empresas emergentes estratégicas. industrias.