Динамические ИБП - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

6495
Динамические ИБП

(Окончание. Начало см. в Э 5/2014)

 

В этом решении кинетический накопитель энергии механически не связан с валом ротора синхронного мотор-генератора, что позволяет легко заменять оборудование, выполнять ремонт или сервисное обслуживание. Кроме того, в данном случае ось кинетического накопителя может быть установлена вертикально, что позволяет применить различные магнитные подвески и системы, минимизирующие трение внутренних частей устройства. Да и скорость вращения ротора маховика в этом случае может быть намного выше, чем при горизонтальном размещении оси кинетического накопителя энергии (от 20 до 50 тысяч об/мин), что увеличивает эффективность таких устройств, позволяя накопить больше энергии при тех же размерах и массе кинетического накопителя энергии.

Динамический ИБП Piller такого типа имеет следующие преимущества:

·         обеспечивает нормальную работу при 100-% перекосе фаз нагрузки;

·         единичный ИБП обеспечивает «чистое» электропитание активной и реактивной нагрузки мощностью от 150 до 1100 кВА;

·         отсутствуют проблемы, связанные с ограниченной мощностью силовых полупроводниковых элементов;

·         осуществляется гальваническая развязка входа и выхода ИБП;

·         обеспечивается возможность питания нагрузки с большой реактивной мощностью;

·         возможно наращивание мощности ИБП посредством их параллельного включения;

·         за счет применения динамического блока вместо статических силовых полупроводников срок службы ИБП составляет более 20 лет;

·         электрическая машина мотор-генератор поглощает высшие гармоники, реактивные и пусковые токи нагрузки.

 

Роторные накопители кинетической энергии

Важно не просто создать хороший роторный накопитель энергии (рис.6), но и обеспечить его соосность с ротором синхронного мотор-генератора. Для решения этой задачи каждый мировой производитель использует собственное решение.

Так, компания Euro Diesel выполнила свой кинетический накопитель энергии «двухслойным». Внутренний ротор представляет собой маховик, который находится на одном валу с ротором мотор-генератора и вращается, как и последний, со скоростью 1500 об/мин. Внешний ротор, вращающийся со скоростью 3000 об/мин, связан с внутренним электромагнитной связью. Поскольку внешний ротор накопителя находится на большем расстоянии от оси вращения и скорость его вращения выше, то очевидно, что именно эта часть устройства накапливает основной запас кинетической энергии.

При пропадании напряжения в сети внешний ротор начинает отдавать энергию внутреннему ротору, поддерживая, тем самым, работу синхронного генератора, формирующего выходное напряжение, поступающее в нагрузку.

Несколько иначе реализован накопитель энергии в ИБП Hitec Power Protection. Здесь кинетический накопитель энергии также имеет два ротора. Но к ротору синхронного мотор-генератора подключен внешний (наружный) ротор, который вращается со скоростью 1500 об/мин. Основную энергию накапливает внутренний ротор, скорость вращения которого составляет 4500 об/мин.

До состояния готовности накопитель раскручивается примерно за 10 мин. Такое время необходимо, чтобы довести скорость вращения внешнего и внутреннего роторов до нужных оборотов.

В продуктах обоих производителей приняты меры для того, чтобы частота вращения базового ротора накопителя энергии, механически соединенного с ротором мотор-генератора, при переходе накопителя в режим отдачи энергии оставалась как можно более стабильной. При этом тормозиться должен основной ротор кинетического накопителя энергии, который не связан механически с ротором мотор-генератора. Решается эта задача за счет управления токами возбуждения ротора маховика, вращающегося с частотой 1500 об/мин инаходящегося на одном валу с ротором синхронного мотор-генератора.

 

Двигатели и системы запуска

К решению задачи обеспечения гарантированного запуска дизельного двигателя производители подходят очень ответственно, что привело к появлению различных технических приспособлений и ноу-хау. Прежде всего, используемые для динамических ИБП дизельные установки существенно отличаются от дизельных двигателей, применяемых в дизель-генераторах. Производители дизель-роторных ИБП выпускают самостоятельно, как правило, только роторные накопители энергии и выполняют окончательную сборку и проверку устройства. Дизельные же установки и синхронные мотор-генераторы производятся сторонними производителями. Например, компания Euro Diesel использует дизельные установки Cummins, Deutz (при мощности до 800 кВА), а также MTU и Mitsubishi (при мощности от 800 кВА и выше).

При этом изготовители применяют и дизели с повышенной надежностью. Например, в двигателях, выпускаемых компанией Mitsubishi по заказу производителя дизель-роторных ИБП Hitec Power Protection, используются двойной стартер, предварительный подогрев и самотечная система подачи топлива, специальная муфта сцепления свободного хода.

В решениях Euro-Power применяются две системы запуска дизеля: традиционная (через стартер) и через многократное кратковременное включение сцепления, обеспечивающее передачу вращающего момента с центрального вала роторного накопителя на вал дизель-машины.

 

Ремонт и обслуживание

Ремонт и техническое обслуживание – важные вопросы, которые нужно решить при эксплуатации дизель-роторных ИБП. Ведь любая механическая система требует постоянного внимания персонала. Вращающиеся части кинетического накопителя энергии и синхронного мотор-генератора требуют смазки подшипников. В современных решениях эта работа выполняется без остановки системы, однако через некоторое время изношенные детали все равно придется менять. И тогда без вывода из эксплуатации дизель-роторного ИБП уже не обойтись. Кроме того, раз в год необходимо произвести осмотр и обслуживание дизельной установки.

Постоянного внимания требуют практически все элементы системы. Например, стартовые аккумуляторы, отвечающие за запуск дизельной установки, которым приходится работать в тяжелых температурных условиях.

Каждые 10 лет производится полная замена аккумулирующего ротора кинетического накопителя. За этот срок примерно два раза меняются подшипники. Это требует проведения трудоемких и затратных работ, сравнимых с капитальным ремонтом двигателя. И если такую процедуру даже для автомобиля не выполняют за один день, то что уж говорить об установке мощностью, скажем, 1 МВт. Подобный ремонт – это не просто замена деталей. Это сложный комплекс работ по балансировке, измерению, настойке и запуску системы в эксплуатацию. Ясно, что они не могут быть выполнены быстро и дешево.

В связи с этим, прежде чем приобретать дизель-роторный ИБП, необходимо получить ответ на вопрос относительно стоимости выполнения всех профилактических и плановых работ по обслуживанию такого ИБП, принимая во внимание, во что обойдутся аналогичные работы при наличии традиционного ИБП, у которого фактически нужно лишь регулярно менять АКБ. И это при том, что даже при мощности 1 МВА стоимость дизель-роторного ИБП выше, чем традиционного статического.

 

Области применения

Динамические ИБП находят применение в различных сферах. Это дата-центры и банки, больницы и торгово-развлекательные центры, аэропорты и стадионы, операторы связи и военные, нефтегазовая сфера, а также многие другие отрасли экономики и человеческой деятельности.

Кроме традиционных трехфазных систем электропитания напряжением 400 В дизель-роторные ИБП находят применение для резервирования сетей электроснабжения 3, 6, 10 кВ. Такие системы можно устанавливать на входе трансформаторных подстанций, и это уже серьезные решения промышленного масштаба.

Подобные системы используются для построения СГЭ заводов с конвейерными линиями. Нагрузка на таких производствах носит реактивный характер. В этом случае альтернативой статическим ИБП являются дизель-роторные системы, успешно выполняющие функции компенсаторов реактивной мощности.

Величина нагрузки для большинства проектов, реализованных с использованием дизель-роторных ИБП находится в большинстве случаев в пределах от 1 МВА до нескольких десятков мегаватт, причем чаще всего используются агрегаты мощностью порядка 2,5 МВА. Практически повсеместно при этом используется параллельное соединение необходимого количества дизель-роторных ИБП с резервированием по схеме 2N или N+1.

В мировой практике реализовано уже несколько тысяч проектов СГЭ с применением дизель-роторных ИБП. Например, только компания Hitec установила около 1600 таких установок. Но надо отметить, что в настоящее время область применения динамических ИБП пока еще достаточно узка (в основном, крупные ЦОД мощностью несколько МВт), а спрос на них пока невелик.

Аналитики Frost & Sullivan сходятся во мнении, что на крупных объектах, энергопотребление которых составляет более 1 МВт, операционные расходы в пересчете на 1 кВт при использовании статических ИБП выше, чем при эксплуатации динамических ИБП, но последние дороже.
Специалисты компании Hitzinger (поставщика динамических ИБП), сравнивая два мегаваттных решения (статическое и динамическое), пришли к заключению, что их совокупные стоимости владения (СCВ) – Total Cost of Ownership(TCO) – сравняются уже через три года эксплуатации, после чего суммы общих расходов будут все больше различаться, причем не в пользу статических ИБП.
В качестве одного из основных аргументов, влияющего на выбор в пользу динамических ИБП, эксперты называют простоту конструкции (по сравнению с традиционными статическими ИБП), что гарантирует более высокую надежность, эффективность (КПД) и снижение расходов на эксплуатацию. По их мнению, развитию рынка динамических ИБП способствуют такие их преимущества, как отсутствие жестких требований к климатическим условиям в местах установки, существенно меньший вес. Так, если мощность ЦОД составляет более 5 МВт, целесообразно использовать не классическую систему, состоящую из дизеля, АВР, статического ИБП и системы кондиционирования, а дизель-роторный ИБП – такое решение содержит меньше компонентов и не требует прецизионного кондиционирования – достаточно приточно-вытяжного охлаждения.

Одной из проблем, препятствующих развитию рынка динамических ИБП, эксперты Frost & Sullivan называют отсутствие достаточного числа предложений в диапазоне мощностей 200...500 кВА, в котором их основные конкуренты, статические ИБП, представлены в широком ассортименте. Кроме того, они отмечают недостаточно агрессивный маркетинг со стороны поставщиков динамических ИБП и дефицит информации о преимуществах и особенностях применения этих продуктов.

Дизель-роторные ИБП могут использоваться для питания как критичной, так и некритичной нагрузки (рис.7).

Первая подключается через динамический ИБП, а вторая – напрямую от входной сети электроснабжения. При пропадании входного напряжения, когда дизельная установка еще не запустилась, некритичная нагрузка обесточена. В это время критичная нагрузка обеспечивается электропитанием за счет энергии кинетического накопителя. Когда же дизельный агрегат выходит на рабочий режим, обеспечиваются напряжением питания некритичные потребители.

 

Динамические ИБП против статических систем

Как любое решение, дизель-роторные ИБП имеет свои преимущества и недостатки. К их достоинствам относится, например, то, что, как уже отмечалось, для обеспечения их нормальной работы не требуются системы кондиционирования. Такие установки быстро заряжаются (для раскрутки маховика требуется несколько минут), поэтому могут выдерживать многократные отключения электроэнергии в течение небольшого промежутка времени.

Важным фактором является необязательность наличия аккумуляторных батарей. В результате не только уменьшается площадь, необходимая для размещения ИБП (по данным производителей, на 35...60%), но и достигается прямая экономия. Батареи стоят немалых денег, к тому же требуют постоянной замены, помещения и специальных условий хранения.

При многократных отключениях внешнего электропитания дизель-роторные ИБП – фактически безальтернативное решение. Зачастую мощность традиционных, статических ИБП рассчитывается таким образом, чтобы ее хватило для поддержания работы оборудования в течение 10...15 мин. Но если на протяжении короткого отрезка времени (менее часа) напряжение в сети пропадет несколько раз подряд хотя бы на 4...5 мин, то аккумуляторы могут просто не успеть зарядиться. Динамическим ИБП в силу их конструктивных особенностей такая угроза не страшна.

Достоинства дизель-роторных систем начинают проявляться на мощностях, приближающихся к 1 МВА. Причем речь идет не только и не столько о питании ИТ-оборудования. Скорее, наоборот, динамические системы могут эффективно применяться в промышленности, особенно если нагрузка носит реактивный характер или если возможны короткие замыкания в системе (дизель-роторные ИБП выдерживают 10-кратное превышение тока короткого замыкания).

Несмотря на то, что просчитываемая выгода от применения динамических ИБП начинается с нагрузки порядка 1 МВА, производители выпускают подобное оборудование в диапазоне мощностей от 100 до 2500 кВА. Сравнивая классические СГЭ, в состав которых входят статические ИБП на мощность 1 МВА и дизель-генератор на 1,6 МВА, с динамическими решениями на 1 МВА, эксперты отмечают, что начиная с пятого года эксплуатации суммарная стоимость владения для динамического ИБП становится меньше, а к десятому году такой ИБП оказывается в 1,5 раза выгоднее.

Проведем сравнительный анализ статических и динамических ИБП на примере построения СГЭ для ЦОД.

По мнению специалистов, использование дизель-роторных ИБП целесообразно, когда требуется обеспечить мощность от 200 кВА и выше. С учетом окупаемости и рентабельности бизнеса владельцев дата-центров эксперты рекомендуют применять динамические ИБП для обеспечения ЦОД мощностью от 1 МВА и более. Очевидно, что эта величина является минимальным шагом для наращивания, что потребует значительных первичных инвестиций, не соответствующих увеличению мощности серверного оборудования.

Например, для ЦОД мощностью в 1 МВА потребуется обеспечить резервирование за счет использования двух дизель-роторных ИБП по 1 МВА каждый (схема 1+1). Когда энергопотребление дата-центра начнет расти, нужно будет установить дополнительный ИБП мощностью 1 МВА, чтобы сохранить резервируемость (схема 2+1). В случае со статическими ИБП ситуация иная: на рынке они представлены в широком диапазоне мощностей, поэтому этот параметр можно наращивать постепенно.

По оценкам экспертов, эффективность дизель-роторных ИБП начинает появляться в расчетах ТСО на семь лет при мощности, превышающей 1 МВт на серверную нагрузку.

При отсутствии капитальных затрат на аккумуляторные батареи в случае использования динамических ИБП потребитель должен быть готов к расходам на ремонт дизельных двигателей и другие сопутствующие издержки на эксплуатацию (топливо, расходные материалы и др.).

По сравнению с классическими ИБП, которые предусматривают резервирование с помощью ДГУ, дизель-роторные требует гораздо более частых запусков дизеля, поскольку время поддержки нагрузки кинетическими накопителями энергии значительно меньше, чем АКБ.

В случае возникновения чрезвычайных ситуаций практически не остается времени на размышления, необходимо ли запускать дизель. Частое количество запусков требует большого количества дизельного топлива, для которого необходимы дополнительные емкости для хранения. Такие хранилища нуждаются в повышенных мерах безопасности, таких, как возможность резервного сброса дизельного топлива в случае аварии. Это тоже влияет на общую стоимость решения.

Необходимо также обратить внимание на такой параметр, как время восстановления системы в случае отказа. По оценкам специалистов при соответствующей конфигурации ЗИП любая авария в статических ИБП может быть устранена за 8 ч. Минимальный срок для полного восстановления дизель-роторного ИБП составляет 24 ч.

При этом вероятность возникновения неожиданных аварий при использовании дизель-роторных ИБП значительно выше в сравнении с использованием аккумуляторных батарей. Это объясняется тем, что химические элементы в составе батарей и происходящие химические процессы в значительной степени поддаются контролю (например, с помощью специальных систем мониторинга). Кроме того, АКБ меняют планово в процессе их эксплуатации. Это позволяет заблаговременно осуществлять превентивные действия для предупреждения неисправностей. В случае с дизель-роторным ИБП возможно скачкообразное возникновение аварии, поскольку поведение механической системы практически невозможно спрогнозировать.

Поскольку динамический ИБП – кинетическая конструкция с наличием большого количества подвижных частей, она требует ровного фундамента и тщательных выравниваний горизонтов при установке. Зачастую оптимально отвести под дизель-роторный ИБП отдельное здание, в котором должны быть кран-балки для проведения сборочно-разборочных работ и эксплуатационного обслуживания ИБП.

Одно из преимуществ динамических ИБП состоит в том, что это оборудование поставляется «под ключ» в виде готового решения. В случае со статическими ИБП требуются проектирование ДГУ и разработка схемы его взаимодействия с аккумуляторными батареями. К дизель-роторному ИБП нужно лишь подвести питание (вход) и обеспечить подачу напряжения на нагрузку (выход). За качественное выполнение остальной работы отвечает производитель оборудования.

В отличие от статических ИБП, дизель-роторные оптимально использовать для электропитания кондиционеров. Компрессоры кондиционеров характеризуются очень высокими стартовыми токами, которые статические источники бесперебойного питания не всегда могут обеспечить.

Аккумуляторные батареи требуют соблюдения строгого режима эксплуатации – не более +25°C и постоянного кондиционирования воздуха. С другой стороны, в этом вопросе немаловажную роль играет человеческий фактор. Ведь температура помещения, в котором установлен динамический ИБП, может достигать +40°C и даже выше (поскольку оно не оборудовано системой кондиционирования). При этом дизель-роторные ИБП периодически требуют проведения профилактических работ по техобслуживанию. Далеко не каждый сотрудник согласится провести даже ограниченное время в помещении при +40°C, вполне приемлемых для дизель-роторных ИБП.

Важным аспектом при использовании любого решения является наличие нормативно-правовой документации. К сожалению, необходимого пакета документов на дизель-роторные ИБП в Украине пока нет, а это значит, что при ввозе в страну такого оборудования и прохождении таможни могут возникнуть трудности.

Результаты комплексного сравнения СГЭ на базе динамических и статических ИБП приведены в таблице.

 

Параметр

Динамический ИБП

Статический ИБП

Фиксированные потери при средних нагрузках 40–50%

7–8%

Порядка 4,5%

Фиксированные потери при средних нагрузках 35%

10%

5%

Возможность постепенного, пошагового наращивания мощности за счет установки дополнительных блоков ИБП (в рамках электроснабжения одного модуля)

Нет

Есть

Количество инсталляций в мире

Менее 2%

98%

Необходимость дополнительных устройств для обслуживания

Постоянное подъемное устройство грузоподъемностью более 5 тонн

Нет

Необходимость дополнительных зданий и сооружений

Необходимо топливное хранилище, здание для дизель-роторного ИБП может иметь значительные габариты

ДГУ для аварийного питания можно установить в контейнерном исполнении. Зачастую нет необходимости в топливном хранилище

Время на восстановление работоспособности (при наличии специалистов и запасных частей)

24–36 ч

До 8 ч

Частота запусков дизельной установки

Высокая

Низкая

Преобладающий характер аварий

Скачкообразная вероятность возникновения аварии

Характеристики аккумуляторных батарей в процессе работы не изменяются скачкообразно

Удаленность от потребителей нагрузки

Зачастую располагаются далеко от нагрузки, поэтому существуют дополнительные риски, связанные с авариями на трассе между ИБП и потребителями — дополнительные расходы на коммуникации

Устанавливаются рядом с потребителями

Необходимость плановой замены батарей

Нет

Есть

Наличие нормативной базы

Нет

Есть

 

 

Практические решения

Динамические ИБП выпускаются в диапазоне мощностей от 100 до 3000 кВА. Так, компания Hitec Power Protection изготавливает установки мощностью от 500 до 3000 кВА (рис.8).

Компания Euro-Diesel разделяет свои динамические системы на решения No-Break KS4 (мощность от 100 до 200 кВА) и No-Break KS5 – системы от 200 до 1750 кВА. Отдельная линейка No-Break KS5-SB обеспечивает питание критичной и некритичной нагрузки мощностью от 200 до 2000 кВА.

Фирма Piller предлагает дизель-роторные системы Uniblock UBTD в диапазоне от 420 кВА до 2500 кВА (рис.9). На рис.9 слева показан кинетический накопитель энергии, по центру – синхронная машина, справа – дроссели, автоматика и байпас.

NASA использует динамические ИБП в космических аппаратах (рис.10).

Динамические ИБП производит также частная компания Euro-Diesel, основанная в 1989 году в г. Льеж (Бельгия) группой ведущих специалистов в области электроснабжения критического оборудования. На рис.11 показан дизель-роторный источник бесперебойного питания Nо-Break KS.

Системы Nо-Break KS нашли применения в различных отраслях промышленности, коммерческих компаниях и организациях. Такие системы выпускаются в диапазоне мощностей от 100 до 2500 кВА для частоты 50 Гц и до 3000 кВА для частоты 60 Гц. Для проектов большей мощности возможно параллельное соединение систем Nо-Break KS в конфигурации низкого или среднего напряжения до 24 кВ.

Одна из особенностей динамических ИБП – возможность резервировать электропитание как на низковольтной стороне (3-фазные системы 400 В), так и на стороне напряжения от 3 до 10 кВ. Во втором случае дизель-роторные ИБП устанавливаются до понижающих трансформаторов. Таких систем реализовано достаточно много. Есть данные, что примерно 25...30% реализованных в мире проектов построены для обеспечения резервирования в линиях с напряжением 11...12 кВ.

Вторая особенность, которая сближает динамические ИБП с их статическими собратьями, – возможность параллельного включения. При этом в мире успешно работают системы с несколькими десятками устройств (известны проекты, где в параллель включено около 40 дизель-роторных ИБП).

 

Итоги

Сегодня динамические ИБП находят применение в различных сферах, начиная от ЦОД, где критически важной является информация, до медицины и аэропортов, где СГЭ обеспечивает буквально физическую безопасность людей.

Есть все предпосылки для начала внедрения таких систем и в нашей стране. Особенно этот вопрос становится актуальным в связи с продолжающимся ростом мощности коммерческих ЦОД и расширением услуг операторов связи.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus