Công nghệ cung cấp điện liên tục (UPS) đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau trong nhiều năm để hỗ trợ vận hành liên tục các phụ tải chính trong thời gian lưới điện bị gián đoạn. Các hệ thống này đã được sử dụng ở nhiều địa điểm khác nhau để cung cấp thêm khả năng miễn nhiễm khỏi sự gián đoạn của lưới điện ảnh hưởng đến hoạt động của các tải xác định. Hệ thống UPS thường được sử dụng để bảo vệ máy tính, thiết bị máy tính và thiết bị viễn thông. Với sự phát triển gần đây của công nghệ năng lượng mới, hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) đã phát triển nhanh chóng. ESS, đặc biệt là những thiết bị sử dụng công nghệ pin, thường được cung cấp bởi các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió và cho phép lưu trữ năng lượng do các nguồn này tạo ra để sử dụng vào các thời điểm khác nhau.

Tiêu chuẩn ANSI hiện tại của Hoa Kỳ dành cho UPS là UL 1778, Tiêu chuẩn dành cho Hệ thống điện liên tục. và CSA-C22.2 số 107.3 cho Canada. UL 9540, Tiêu chuẩn cho Hệ thống và Thiết bị Lưu trữ Năng lượng, là tiêu chuẩn quốc gia của Hoa Kỳ và Canada về ESS. Mặc dù cả các sản phẩm UPS hoàn thiện và ESS đang phát triển nhanh chóng đều có một số điểm chung về giải pháp kỹ thuật, vận hành và lắp đặt, nhưng vẫn có những khác biệt quan trọng. Bài viết này sẽ xem xét những khác biệt quan trọng, phác thảo các yêu cầu an toàn sản phẩm hiện hành liên quan đến từng loại và tóm tắt cách các quy tắc đang phát triển trong việc giải quyết cả hai loại cài đặt.

giới thiệuUPS

sự hình thành

Hệ thống UPS là một hệ thống điện được thiết kế để cung cấp nguồn điện xoay chiều tạm thời tạm thời cho các tải quan trọng trong trường hợp mất điện lưới hoặc các chế độ mất nguồn điện chính khác. UPS có kích thước phù hợp để cung cấp khả năng tiếp tục tức thời một lượng điện năng được xác định trước trong một khoảng thời gian cụ thể. Điều này cho phép một nguồn điện thứ cấp, ví dụ như máy phát điện, hoạt động trực tuyến và tiếp tục sử dụng nguồn điện dự phòng. UPS có thể tắt các tải không cần thiết một cách an toàn trong khi vẫn tiếp tục cung cấp điện cho các tải thiết bị quan trọng hơn. Hệ thống UPS đã cung cấp sự hỗ trợ quan trọng này cho nhiều ứng dụng khác nhau trong nhiều năm. UPS sẽ sử dụng năng lượng được lưu trữ từ nguồn năng lượng tích hợp. Đây thường là bộ pin, siêu tụ điện hoặc chuyển động cơ học của bánh đà làm nguồn năng lượng.

Một UPS thông thường sử dụng bộ ắc quy để cung cấp năng lượng bao gồm các bộ phận chính sau:

Bộ chỉnh lưu / bộ sạc - Phần UPS này lấy nguồn điện lưới AC, chỉnh lưu và tạo ra điện áp DC dùng để sạc pin.

• Biến tần – Trong trường hợp mất nguồn điện lưới, biến tần sẽ chuyển đổi nguồn DC được lưu trữ trong pin thành nguồn điện AC sạch phù hợp với thiết bị được hỗ trợ.

• Công tắc chuyển mạch – Một thiết bị chuyển mạch tự động và tức thời giúp truyền tải điện năng từ nhiều nguồn khác nhau, ví dụ như nguồn điện lưới, bộ biến tần UPS và máy phát điện tới tải tới hạn.

• Bộ ắc quy – Lưu trữ năng lượng cần thiết để UPS thực hiện chức năng dự kiến.

Tiêu chuẩn hiện hành cho hệ thống UPS

• Tiêu chuẩn ANSI hiện tại của Hoa Kỳ dành cho UPS là UL 1778/C22.2 Số 107.3, Tiêu chuẩn cho Hệ thống điện liên tục, định nghĩa UPS là “sự kết hợp của bộ chuyển đổi, công tắc và thiết bị lưu trữ năng lượng (chẳng hạn như pin) tạo thành nguồn điện. hệ thống duy trì tính liên tục của nguồn điện cho tải trong trường hợp mất điện đầu vào.”

• Các phiên bản mới của IEC 62040-1 và IEC 62477-1 đang được phát triển. UL/CSA 62040-1 (sử dụng UL/CSA 62477-1 làm Tiêu chuẩn tham chiếu) sẽ được hài hòa với các tiêu chuẩn này.

giới thiệu lưu trữ năng lượng hệ thống (ESS)

ESS đang đạt được sức hút như là câu trả lời cho một số thách thức phải đối mặt về tính sẵn có và

độ tin cậy trong thị trường năng lượng ngày nay. ESS, đặc biệt là những hệ thống sử dụng công nghệ pin, giúp giảm thiểu sự sẵn có của các nguồn tái tạo như năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió. ESS là nguồn năng lượng đáng tin cậy trong thời gian sử dụng cao điểm và có thể hỗ trợ quản lý phụ tải, dao động điện năng và các chức năng khác liên quan đến lưới điện. ESS được sử dụng cho các ứng dụng tiện ích, thương mại, công nghiệp và dân cư.

Các tiêu chuẩn hiện tại cho ESS

UL 9540, Tiêu chuẩn cho Hệ thống và Thiết bị Lưu trữ Năng lượng, là tiêu chuẩn quốc gia của Hoa Kỳ và Canada về ESS.

• Được xuất bản lần đầu tiên vào năm 2016, UL 9540 bao gồm nhiều công nghệ dành cho ESS, trong đó có hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS). UL 9540 cũng bao gồm các công nghệ lưu trữ khác: ESS cơ học, ví dụ: lưu trữ bánh đà kết hợp với máy phát điện, ESS hóa học, ví dụ: lưu trữ hydro kết hợp với hệ thống pin nhiên liệu và ESS nhiệt, ví dụ: lưu trữ nhiệt tiềm ẩn kết hợp với máy phát điện.
• UL 9540, phiên bản thứ hai của nó định nghĩa hệ thống lưu trữ năng lượng là “Thiết bị nhận năng lượng và sau đó cung cấp phương tiện để lưu trữ năng lượng đó dưới một dạng nào đó để sử dụng sau này nhằm cung cấp năng lượng điện khi cần thiết”. Phiên bản thứ hai của UL 9540 còn yêu cầu BESS phải tuân theo UL 9540A, Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để đánh giá khả năng lan truyền lửa thoát nhiệt trong hệ thống lưu trữ năng lượng pin, nếu được yêu cầu đáp ứng các ngoại lệ trong mã.
• UL 9540 hiện đang ở phiên bản thứ ba.

So sánh ESS với UPS

Chức năng và kích thước

ESS có cấu trúc tương tự như UPS nhưng khác về cách sử dụng. Giống như UPS, ESS bao gồm cơ chế lưu trữ năng lượng như pin, thiết bị chuyển đổi năng lượng, ví dụ: bộ biến tần và nhiều thiết bị điện tử và điều khiển khác. Tuy nhiên, không giống như UPS, ESS có thể hoạt động song song với lưới điện, điều này dẫn đến chu kỳ hoạt động của hệ thống lớn hơn mức mà UPS từng gặp phải. ESS có thể cộng tác tương tác với lưới điện hoặc ở chế độ độc lập hoặc cả hai, tùy thuộc vào loại hệ thống chuyển đổi năng lượng được sử dụng. ESS thậm chí có thể hoạt động như chức năng của UPS. Giống như UPS, ESS có thể có nhiều kích cỡ khác nhau, từ hệ thống dân dụng nhỏ tiêu thụ ít hơn 20 kWh năng lượng cho đến các ứng dụng tiện ích sử dụng hệ thống bình chứa năng lượng nhiều megawatt với nhiều giá đỡ ắc quy trong bình chứa

Thành phần hóa học và an toàn

Các loại hóa chất pin điển hình được sử dụng trong UPS luôn là pin axit chì hoặc niken-cadmium. Không giống như UPS, BESS sử dụng các công nghệ như pin lithium-ion ngay từ đầu vì pin lithium-ion có hiệu suất chu kỳ tốt hơn và mật độ năng lượng cao hơn, có thể cung cấp nhiều năng lượng hơn trong một diện tích vật lý nhỏ hơn. Pin lithium-ion cũng có yêu cầu bảo trì thấp hơn nhiều so với công nghệ pin truyền thống. Nhưng hiện nay, pin lithium-ion cũng được sử dụng ngày càng nhiều trong các ứng dụng UPS.

Tuy nhiên, một vụ tai nạn nghiêm trọng ở Arizona vào năm 2019 liên quan đến ESS được sử dụng trong các ứng dụng tiện ích đã dẫn đến thương tích nghiêm trọng cho một số người ứng cứu đầu tiên và thu hút sự chú ý của nhiều bên liên quan, bao gồm cả cơ quan quản lý và cơ quan bảo hiểm. Để đảm bảo rằng lĩnh vực đang phát triển này không bị cản trở bởi các sự cố an toàn có thể tránh được, các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn phù hợp cần được phát triển cho ESS. Để khuyến khích phát triển các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn phù hợp cho ESS, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã tổ chức diễn đàn thường niên đầu tiên về Độ tin cậy và An toàn của ESS vào năm 2015.

Diễn đàn DOE ESS đầu tiên đã đóng góp một lượng lớn công việc về các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn ESS. Đáng chú ý nhất là sự phát triển của NEC số 706 và sự phát triển của NFPA 855, một tiêu chuẩn cho việc lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng cố định, ảnh hưởng trực tiếp đến tiêu chuẩn cho hệ thống pin cố định trong ICC IFC và NFPA 1. Ngày nay, NEC và NFPA 855 đã có cũng được cập nhật cho phiên bản 2023.

Hiện trạng tiêu chuẩn ESS và UPS

Mục tiêu của tất cả các hoạt động phát triển quy tắc và tiêu chuẩn là giải quyết thỏa đáng vấn đề bảo mật của các hệ thống này. Thật không may, các tiêu chuẩn hiện tại đã tạo ra một số nhầm lẫn trong ngành.

1.NFPA 855. Tài liệu chính ảnh hưởng đến việc lắp đặt BESS và UPS là phiên bản 2020 của NFPA 855, Tiêu chuẩn cho việc lắp đặt Hệ thống lưu trữ năng lượng cố định. NFPA 855 định nghĩa việc lưu trữ năng lượng là “tập hợp một hoặc nhiều thiết bị có khả năng lưu trữ năng lượng để cung cấp cho các tải điện địa phương, lưới điện tiện ích hoặc hỗ trợ lưới điện trong tương lai”. Định nghĩa này bao gồm các ứng dụng cho UPS và ESS. Ngoài ra, NFPA 855 và các quy tắc chữa cháy yêu cầu ESS phải được đánh giá và chứng nhận theo UL 9540. Tuy nhiên, UL 1778 luôn là tiêu chuẩn an toàn sản phẩm truyền thống của UPS. Hệ thống đã được đánh giá độc lập về việc tuân thủ các yêu cầu an toàn hiện hành và hỗ trợ lắp đặt an toàn. Do đó, yêu cầu của UL 9540 đã gây ra một số nhầm lẫn trong ngành.

2. UL 9540A. UL 9540A yêu cầu bắt đầu từ mức pin và kiểm tra từng bước cho đến khi vượt qua mức cài đặt. Những yêu cầu này dẫn đến việc hệ thống UPS phải tuân theo các tiêu chuẩn tiếp thị mà trước đây không bắt buộc.

3.UL 1973. UL 1973 là tiêu chuẩn an toàn hệ thống pin cho ESS và UPS. Tuy nhiên, phiên bản UL 1973-2018 không bao gồm các quy định thử nghiệm đối với ắc quy axit chì, đây cũng là một thách thức đối với các hệ thống UPS sử dụng công nghệ ắc quy truyền thống như ắc quy axit chì.

Bản tóm tắt

Hiện tại, cả NEC (Bộ luật điện quốc gia) và NFPA 855 đều đang làm rõ các định nghĩa này.

• Ví dụ: phiên bản 2023 của NFPA 855 nêu rõ rằng pin axit chì và niken-cadmium cụ thể (600 V trở xuống) được liệt kê trong UL 1973.
• Ngoài ra, hệ thống pin axit chì được chứng nhận và đánh dấu theo UL 1778 không cần phải được chứng nhận theo UL 9540 khi được sử dụng làm nguồn điện dự phòng.

Để giải quyết vấn đề thiếu tiêu chuẩn thử nghiệm đối với pin chì-axit và niken-cadmium trong UL 1973, Phụ lục H (Đánh giá các lựa chọn thay thế cho pin chì-axit hoặc niken-cadmium được điều chỉnh bằng van hoặc có lỗ thông hơi) đã được bổ sung cụ thể vào ấn bản thứ ba của UL 1973 phát hành vào tháng 2 năm 2022.

Những thay đổi này thể hiện sự phát triển tích cực nhằm phân biệt các yêu cầu lắp đặt an toàn của UPS và ESS. Công việc tiếp theo bao gồm cập nhật Điều 480 của NEC để giải quyết tốt hơn các yêu cầu lắp đặt cho các công nghệ khác ngoài axit chì và niken-cadmium. Ngoài ra, tiêu chuẩn NFPA 855 cần được cập nhật thêm để mang lại sự rõ ràng hơn về các quy định phòng cháy chữa cháy, đặc biệt liên quan đến các công nghệ khác nhau được sử dụng trong các ứng dụng cố định, cho dù đó là UPS hay ESS.

Tác giả hy vọng rằng những thay đổi liên tục sẽ cải thiện sự an toàn của ngành, bất kể sử dụng UPS hay ESS truyền thống. Như chúng ta thấy các giải pháp lưu trữ năng lượng đang phát triển nhanh chóng và đáng kể, việc giải quyết vấn đề an toàn nội tại của sản phẩm là rất quan trọng để mở ra sự đổi mới về an toàn và đáp ứng nhu cầu của xã hội.