UPS-tekniker (Uninterruptible Power Supply) har använts i olika applikationer i många år för att stödja fortsatt drift av nyckelbelastningar under avbrott i elnätet. Dessa system har använts på många olika platser för att ge ytterligare immunitet mot nätavbrott som stör driften av definierade laster. UPS-system används ofta för att skydda datorer, datoranläggningar och telekommunikationsutrustning. Med den senaste utvecklingen av ny energiteknik har energilagringssystem (ESS) spridit sig snabbt. ESS, särskilt de som använder batteriteknik, levereras vanligtvis av förnybara källor som sol- eller vindkraft och möjliggör lagring av energi som produceras av dessa källor för användning vid olika tidpunkter.

Den nuvarande amerikanska ANSI-standarden för UPS är UL 1778, standarden för avbrottsfri kraftsystem. och CSA-C22.2 nr 107.3 för Kanada. UL 9540, standarden för energilagringssystem och utrustning, är den amerikanska och kanadensiska nationella standarden för ESS. Även om både de mogna UPS-produkterna och den snabbt utvecklande ESS som produceras har vissa likheter i tekniska lösningar, drift och installation, finns det viktiga skillnader. Det här dokumentet kommer att gå igenom de kritiska skillnaderna, beskriva tillämpliga produktsäkerhetskrav som är förknippade med var och en och sammanfatta hur koder utvecklas när det gäller båda typerna av installationer.

IntroducerarUPS

Bildning

Ett UPS-system är ett elektriskt system som är utformat för att ge omedelbar tillfällig växelströmsbaserad kraft för kritiska belastningar i händelse av fel på elnätet eller andra strömavbrottslägen. UPS:en är dimensionerad för att ge en omedelbar fortsättning på en förutbestämd mängd ström under en specifik varaktighet. Detta gör att en sekundär strömkälla, t.ex. en generator, kan komma online och fortsätta med strömbackup. UPS:en kan säkert stänga av icke-nödvändiga belastningar samtidigt som den fortsätter att ge ström till viktigare utrustningsbelastningar. UPS-system har tillhandahållit detta viktiga stöd för olika applikationer i många år. En UPS kommer att använda lagrad energi från en integrerad energikälla. Detta är vanligtvis batteribank, superkondensator eller den mekaniska rörelsen av ett svänghjul som energikälla.

En typisk UPS som använder en batteribank för sin leverans består av följande huvudkomponenter:

Likriktare/laddare – Denna UPS-sektion tar nätspänningen, likriktar den och producerar en DC-spänning som används för att ladda batterierna.

• Växelriktare – I händelse av ett strömavbrott kommer växelriktaren att omvandla den likström som är lagrad i batterierna till ren växelströmsutgång som är lämplig för den utrustning som stöds.

• Överföringsbrytare – En automatisk och momentan växlingsenhet som överför ström från olika källor, t.ex. nät, UPS-växelriktare och generator, till en kritisk belastning.

• Batteribank – Lagrar den energi som behövs för att UPS-enheten ska kunna utföra sin avsedda funktion.

Nuvarande standarder för UPS-system

• Den nuvarande amerikanska ANSI-standarden för UPS är UL 1778/C22.2 nr. 107.3, standarden för avbrottsfri kraftsystem, som definierar en UPS som "en kombination av omvandlare, omkopplare och energilagringsenheter (som batterier) som utgör en kraftkälla system för att upprätthålla kontinuitet av ström till en last i händelse av strömavbrott."

• Under utveckling är nya utgåvor av IEC 62040-1 och IEC 62477-1. UL/CSA 62040-1 (med UL/CSA 62477-1 som referensstandard) kommer att harmoniseras med dessa standarder.

Introducerar energilagring system (ESS)

ESS:er vinner dragkraft som svaret på ett antal utmaningar som tillgänglighet och

tillförlitlighet på dagens energimarknad. ESS, särskilt de som använder batteriteknik, hjälper till att minska den varierande tillgängligheten av förnybara källor som sol- eller vindkraft. ESS är en källa till tillförlitlig kraft under högbelastningstider och kan hjälpa till med lasthantering, effektfluktuationer och andra nätrelaterade funktioner. ESS används för allmännyttiga, kommersiella, industriella och bostadsapplikationer.

Aktuella standarder för ESS

UL 9540, standarden för energilagringssystem och utrustning, är den amerikanska och kanadensiska nationella standarden för ESS.

• UL 9540 publicerades först 2016 och innehåller flera tekniker för ESS inklusive batterienergilagringssystem (BESS). UL 9540 täcker även andra lagringsteknologier: mekanisk ESS, t.ex. svänghjulslagring parat med en generator, kemisk ESS, t.ex. vätelagring parad med ett bränslecellsystem, och termisk ESS, t.ex. latent värmelagring parat med en generator.
• UL 9540, dess andra utgåva definierar ett energilagringssystem som "Utrustning som tar emot energi och sedan tillhandahåller ett sätt att lagra den energin i någon form för senare användning för att leverera elektrisk energi när det behövs." Den andra utgåvan av UL 9540 kräver vidare att en BESS utsätts för UL 9540A, standardtestmetoden för utvärdering av termisk sprängbrandspridning i batterienergilagringssystem, om det krävs för att uppfylla undantagen i koderna.
• UL 9540 är för närvarande i sin tredje upplaga.

Jämför ESS med UPS

Funktioner och dimension

En ESS liknar i sin konstruktion en UPS men skiljer sig i dess användning. Liksom UPS inkluderar ESS en energilagringsmekanism som batterier, kraftomvandlingsutrustning, t.ex. växelriktare och diverse annan elektronik och kontroller. Till skillnad från UPS kan dock en ESS fungera parallellt med nätet, vilket resulterar i större cykling av systemet än en UPS någonsin skulle uppleva. En ESS kan samarbeta interaktivt med nätet eller i ett fristående läge, eller både och, beroende på vilken typ av strömkonverteringssystem som används. En ESS kan till och med fungera som UPS-funktionalitet. Liksom UPS kan ESS komma i en mängd olika storlekar från ett litet bostadssystem som är mindre än 20 kWh energi till allmännyttiga applikationer som använder multimegawatt energibehållaresystem med flera batteriställ i behållaren

Kemisk sammansättning och säkerhet

Den typiska batterikemin som används i UPS har alltid varit bly-syra- eller nickel-kadmium-batterier. Till skillnad från UPS använder BESS tekniker som litiumjonbatterier från början eftersom litiumjonbatterier har bättre cykelprestanda och högre energitäthet, vilket kan ge mer energi i ett mindre fysiskt fotavtryck. Litiumjonbatterier har också mycket lägre underhållskrav än traditionell batteriteknik. Men för närvarande används litiumjonbatterier också alltmer i UPS-applikationer.

En allvarlig olycka i Arizona 2019 med ett ESS som användes i allmännyttiga tillämpningar resulterade dock i allvarliga skador på flera första räddningspersonal och uppmärksammades av olika intressenter, inklusive tillsynsmyndigheter och försäkringsbyråer. För att säkerställa att detta växande område inte hämmas av säkerhetsincidenter som kan undvikas, måste lämpliga specifikationer och standarder utvecklas för ESS. För att uppmuntra utvecklingen av lämpliga säkerhetsspecifikationer och standarder för ESS, lanserade US Department of Energy (DOE) det första årliga forumet om ESS Safety and Reliability 2015.

Det första DOE ESS-forumet bidrog till en stor mängd arbete med ESS-specifikationer och -standarder. Det mest anmärkningsvärda är utvecklingen av NEC nr 706 och utvecklingen av NFPA 855, en standard för installationer av stationära energilagringssystem, som direkt påverkar standarden för stationära batterisystem i ICC IFC och NFPA 1. Idag har NEC och NFPA 855 har även uppdaterats för 2023-versioner.

Aktuell status för ESS- och UPS-standarder

Målet med all utveckling av regler och standarder är att på ett adekvat sätt ta itu med säkerheten för dessa system. Tyvärr har nuvarande standarder skapat viss förvirring i branschen.

1.NFPA 855. Det viktigaste dokumentet som påverkar installationen av BESS och UPS är 2020 års version av NFPA 855, standard för installation av stationära energilagringssystem. NFPA 855 definierar energilagring som "en sammansättning av en eller flera enheter som kan lagra energi för framtida leverans till lokala elektriska belastningar, elnät eller nätstöd." Denna definition inkluderar applikationer för UPS och ESS. Dessutom kräver NFPA 855 och brandkoder att ESS:er ska utvärderas och certifieras enligt UL 9540. UL 1778 har dock alltid varit den traditionella produktsäkerhetsstandarden för UPS. Systemet har utvärderats oberoende för överensstämmelse med tillämpliga säkerhetskrav och stöder säker installation. Därför har kravet på UL 9540 orsakat viss förvirring i branschen.

2. UL 9540A. UL 9540A kräver att man börjar från batterinivån och testar steg för steg tills installationsnivån passerar. Dessa krav leder till att UPS-system omfattas av marknadsstandarder som inte krävdes tidigare.

3.UL 1973. UL 1973 är säkerhetsstandarden för batterisystem för ESS och UPS. UL 1973-2018-versionen innehåller dock inga testbestämmelser för blybatterier, vilket också är en utmaning för UPS-system som använder traditionell batteriteknik som blybatterier.

Sammanfattning

För närvarande förtydligar både NEC (National Electrical Code) och NFPA 855 dessa definitioner.

• Till exempel klargör 2023 års version av NFPA 855 att specifika bly-syra- och nickel-kadmium-batterier (600 V eller mindre) är listade i UL 1973.
• Dessutom behöver bly-syra batterisystem certifierade och märkta enligt UL 1778 inte vara certifierade enligt UL 9540 när de används som reservströmförsörjning.

För att lösa problemet med bristen på teststandarder för bly-syra- och nickel-kadmium-batterier i UL 1973 lades specifikt bilaga H (Utvärdera alternativ till ventilreglerade eller ventilerade bly-syra- eller nickel-kadmium-batterier) till tredje upplagan av UL 1973 släpptes i februari 2022.

Dessa förändringar representerar en positiv utveckling för att differentiera kraven på säker installation av UPS och ESS. Ytterligare arbete inkluderar uppdatering av NEC Artikel 480 för att bättre hantera installationskrav för andra tekniker än blysyra och nickel-kadmium. Dessutom måste NFPA 855-standarden uppdateras ytterligare för att ge större klarhet i brandskyddsreglerna, särskilt när det gäller de olika tekniker som används i stationära applikationer, oavsett om de är UPS eller ESS.

Författaren hoppas att fortsatta förändringar kommer att förbättra säkerheten i branschen, oavsett om en traditionell UPS eller ESS används. Eftersom vi ser energilagringslösningar spridas på betydande och snabba sätt, är det avgörande att ta itu med produkternas inneboende säkerhet för att låsa upp säkerhetsinnovation och möta samhällets behov.