تم استخدام تقنيات إمدادات الطاقة غير المنقطعة (UPS) في تطبيقات مختلفة لسنوات عديدة لدعم التشغيل المستمر للأحمال الرئيسية أثناء انقطاع الطاقة من الشبكة.تم استخدام هذه الأنظمة في العديد من المواقع المختلفة لتوفير مناعة إضافية ضد انقطاعات الشبكة التي تتداخل مع تشغيل الأحمال المحددة.غالبًا ما تستخدم أنظمة UPS لحماية أجهزة الكمبيوتر ومرافق الكمبيوتر ومعدات الاتصالات.مع التطور الأخير لتقنيات الطاقة الجديدة، انتشرت أنظمة تخزين الطاقة (ESS) بسرعة.وعادة ما يتم توفير خدمات الطاقة والاستدامة، وخاصة تلك التي تستخدم تقنيات البطاريات، من مصادر متجددة مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح، وتتيح تخزين الطاقة التي تنتجها هذه المصادر لاستخدامها في أوقات مختلفة.

معيار ANSI الأمريكي الحالي لـ UPS هو UL 1778، وهو معيار أنظمة الطاقة غير المنقطعة.وCSA-C22.2 رقم 107.3 لكندا.إن معيار UL 9540، المعيار الخاص بأنظمة ومعدات تخزين الطاقة، هو المعيار الوطني الأمريكي والكندي لـ ESS.في حين أن منتجات UPS الناضجة ومنتجات ESS سريعة التطور لديها بعض القواسم المشتركة في الحلول التقنية والعمليات والتركيب، إلا أن هناك اختلافات مهمة.ستراجع هذه الورقة الفروق الهامة، وتحدد متطلبات سلامة المنتج المطبقة المرتبطة بكل منها وتلخص كيفية تطور الرموز في معالجة كلا النوعين من التركيبات.

مقدمةيو بي إس

تشكيل

نظام UPS هو نظام كهربائي مصمم لتوفير طاقة مؤقتة مؤقتة تعتمد على التيار المتردد للأحمال الحرجة في حالة فشل الشبكة الكهربائية أو غيرها من أوضاع فشل مصدر الطاقة الرئيسي.تم تصميم UPS ليوفر استمرارًا فوريًا لكمية محددة مسبقًا من الطاقة لمدة محددة.وهذا يسمح لمصدر طاقة ثانوي، مثل المولد، بالاتصال بالإنترنت ومواصلة الطاقة الاحتياطية.قد يقوم UPS بإيقاف الأحمال غير الضرورية بأمان مع الاستمرار في توفير الطاقة لأحمال المعدات الأكثر أهمية.توفر أنظمة UPS هذا الدعم الحاسم لمختلف التطبيقات لسنوات عديدة.سوف تستخدم UPS الطاقة المخزنة من مصدر طاقة متكامل.عادةً ما يكون هذا عبارة عن بنك بطارية أو مكثف فائق أو الحركة الميكانيكية لدولاب الموازنة كمصدر للطاقة.

يتكون UPS النموذجي الذي يستخدم بنك البطاريات لتزويده من المكونات الرئيسية التالية:

المعدل / الشاحن - يأخذ قسم UPS هذا مصدر التيار المتردد ويصححه وينتج جهدًا مستمرًا يستخدم لشحن البطاريات.

• العاكس - في حالة فشل مصدر التيار الكهربائي، سيقوم العاكس بتحويل طاقة التيار المستمر المخزنة في البطاريات إلى خرج طاقة تيار متردد نظيف مناسب للمعدات المدعومة.

• مفتاح النقل – جهاز تحويل تلقائي وفوري ينقل الطاقة من مصادر مختلفة، مثل التيار الكهربائي وعاكس UPS والمولد، إلى الحمل الحرج.

• بنك البطارية – يقوم بتخزين الطاقة اللازمة لجهاز UPS لأداء وظيفته المقصودة.

المعايير الحالية لأنظمة UPS

• معيار ANSI الأمريكي الحالي لـ UPS هو UL 1778/C22.2 رقم 107.3، وهو معيار أنظمة الطاقة غير المنقطعة، والذي يعرف UPS بأنه "مجموعة من المحولات والمفاتيح وأجهزة تخزين الطاقة (مثل البطاريات) التي تشكل طاقة نظام للحفاظ على استمرارية الطاقة للحمل في حالة انقطاع طاقة الإدخال.

• هناك إصدارات جديدة قيد التطوير من IEC 62040-1 وIEC 62477-1.سيتم تنسيق UL/CSA 62040-1 (باستخدام UL/CSA 62477-1 كمعيار مرجعي) مع هذه المعايير.

مقدمة تخزين الطاقة الأنظمة (ESS)

تكتسب المعايير البيئية والاجتماعية (ESS) قوة جذب كإجابة لعدد من التحديات التي تواجه التوافر والتوافر

الموثوقية في سوق الطاقة اليوم.وتساعد خدمات ESS، وخاصة تلك التي تستخدم تقنيات البطاريات، في التخفيف من التوافر المتغير للمصادر المتجددة مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.تُعد خدمات ESS مصدرًا للطاقة الموثوقة خلال أوقات ذروة الاستخدام ويمكن أن تساعد في إدارة الأحمال وتقلبات الطاقة والوظائف الأخرى المتعلقة بالشبكة.يتم استخدام ESS في تطبيقات المرافق والتجارية والصناعية والسكنية.

المعايير الحالية لـ ESS

إن معيار UL 9540، المعيار الخاص بأنظمة ومعدات تخزين الطاقة، هو المعيار الوطني الأمريكي والكندي لـ ESS.

• تم نشر UL 9540 لأول مرة في عام 2016، ويتضمن تقنيات متعددة لـ ESS بما في ذلك أنظمة تخزين طاقة البطارية (BESS).يغطي UL 9540 أيضًا تقنيات التخزين الأخرى: ESS الميكانيكية، على سبيل المثال، تخزين دولاب الموازنة المقترن بمولد، وESS الكيميائي، على سبيل المثال، تخزين الهيدروجين المقترن بنظام خلايا الوقود، وESS الحراري، على سبيل المثال، تخزين الحرارة الكامن المقترن بمولد.
• تعرف UL 9540، نسختها الثانية، نظام تخزين الطاقة بأنه "المعدات التي تستقبل الطاقة ومن ثم توفر وسيلة لتخزين تلك الطاقة في شكل ما لاستخدامها لاحقًا من أجل توفير الطاقة الكهربائية عند الحاجة."يتطلب الإصدار الثاني من UL 9540 أيضًا أن يخضع BESS إلى UL 9540A، وهي طريقة الاختبار القياسية لتقييم انتشار الحرائق الحرارية الجامحة في أنظمة تخزين طاقة البطارية، إذا لزم الأمر لتلبية الاستثناءات في الرموز.
• UL 9540 موجود حاليًا في نسخته الثالثة.

مقارنة ESS مع UPS

الوظائف والأبعاد

يشبه ESS في البناء UPS ولكنه يختلف في استخدامه.مثل UPS، يتضمن نظام ESS آلية لتخزين الطاقة مثل البطاريات، ومعدات تحويل الطاقة، على سبيل المثال، العاكسات، والعديد من الإلكترونيات وأجهزة التحكم الأخرى.ومع ذلك، على عكس UPS، قد تعمل ESS بالتوازي مع الشبكة، مما يؤدي إلى دورات أكبر للنظام مما قد تواجهه UPS على الإطلاق.يمكن أن تتعاون ESS بشكل تفاعلي مع الشبكة أو في وضع مستقل، أو كليهما، اعتمادًا على نوع نظام تحويل الطاقة المستخدم.قد تعمل ESS أيضًا كوظيفة UPS.مثل UPS، يمكن أن يأتي نظام ESS في مجموعة متنوعة من الأحجام بدءًا من النظام السكني الصغير الذي يقل عن 20 كيلووات في الساعة من الطاقة إلى تطبيقات المرافق التي تستخدم أنظمة حاويات الطاقة متعددة الميجاوات مع رفوف متعددة للبطاريات داخل الحاوية

التركيب الكيميائي والسلامة

إن كيمياء البطاريات النموذجية المستخدمة في UPS كانت دائمًا عبارة عن بطاريات الرصاص الحمضية أو بطاريات النيكل والكادميوم.على عكس UPS، يستخدم BESS تقنيات مثل بطاريات الليثيوم أيون منذ البداية لأن بطاريات الليثيوم أيون تتمتع بأداء دورة أفضل وكثافة طاقة أعلى، والتي يمكن أن توفر المزيد من الطاقة ببصمة مادية أصغر.تتطلب بطاريات الليثيوم أيون أيضًا متطلبات صيانة أقل بكثير من تقنيات البطاريات التقليدية.ولكن حاليًا، تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون بشكل متزايد في تطبيقات UPS.

ومع ذلك، أدى حادث خطير في ولاية أريزونا في عام 2019 يتعلق بمعيار ESS المستخدم في تطبيقات المرافق إلى إصابة العديد من المستجيبين الأوائل بإصابات خطيرة وجذب انتباه مختلف أصحاب المصلحة، بما في ذلك الهيئات التنظيمية ووكالات التأمين.ولضمان عدم إعاقة هذا المجال المتنامي بحوادث السلامة التي يمكن تجنبها، يجب تطوير المواصفات والمعايير المناسبة لـ ESS.لتشجيع تطوير مواصفات ومعايير السلامة المناسبة لـ ESS، أطلقت وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) المنتدى السنوي الأول حول سلامة وموثوقية ESS في عام 2015.

ساهم منتدى DOE ESS الأول في قدر كبير من العمل بشأن مواصفات ومعايير ESS.أبرزها هو تطوير NEC رقم 706 وتطوير NFPA 855، وهو معيار لتركيبات أنظمة تخزين الطاقة الثابتة، والذي يؤثر بشكل مباشر على معيار أنظمة البطاريات الثابتة في ICC IFC وNFPA 1. اليوم، NEC وNFPA 855 لديهما تم تحديثه أيضًا لإصدارات 2023.

الوضع الحالي لمعايير ESS وUPS

الهدف من جميع أنشطة تطوير القواعد والمعايير هو معالجة أمن هذه الأنظمة بشكل مناسب.ولسوء الحظ، خلقت المعايير الحالية بعض الارتباك في هذه الصناعة.

1.NFPA 855. الوثيقة الأساسية التي تؤثر على تركيب BESS وUPS هي نسخة 2020 من NFPA 855، المعيار الخاص بتركيب أنظمة تخزين الطاقة الثابتة.يُعرّف NFPA 855 تخزين الطاقة بأنه "تجميع جهاز واحد أو أكثر قادر على تخزين الطاقة لتزويدها في المستقبل بالأحمال الكهربائية المحلية أو شبكات المرافق أو دعم الشبكة."يتضمن هذا التعريف تطبيقات UPS وESS.بالإضافة إلى ذلك، يتطلب معيار NFPA 855 وأكواد مكافحة الحرائق تقييم معايير السلامة البيئية واعتمادها وفقًا لمعيار UL 9540. ومع ذلك، كان معيار UL 1778 دائمًا هو المعيار التقليدي لسلامة المنتج بالنسبة لـ UPS.تم تقييم النظام بشكل مستقل للتأكد من امتثاله لمتطلبات السلامة المعمول بها ويدعم التثبيت الآمن.ولذلك، فإن متطلبات UL 9540 قد تسببت في بعض الارتباك في الصناعة.

2. يو ال 9540 أ.يتطلب UL 9540A البدء من مستوى البطارية والاختبار خطوة بخطوة حتى تجاوز مستوى التثبيت.تؤدي هذه المتطلبات إلى خضوع أنظمة UPS لمعايير التسويق التي لم تكن مطلوبة في الماضي.

3.UL 1973. UL 1973 هو معيار سلامة نظام البطارية لـ ESS وUPS.ومع ذلك، لا يتضمن إصدار UL 1973-2018 أحكام اختبار بطاريات الرصاص الحمضية، وهو ما يمثل أيضًا تحديًا لأنظمة UPS التي تستخدم تكنولوجيا البطاريات التقليدية مثل بطاريات الرصاص الحمضية.

ملخص

حاليًا، يقوم كل من NEC (الكود الكهربائي الوطني) وNFPA 855 بتوضيح هذه التعريفات.

• على سبيل المثال، يوضح إصدار 2023 من NFPA 855 أن بطاريات الرصاص الحمضية والنيكل والكادميوم المحددة (600 فولت أو أقل) مدرجة في UL 1973.
• بالإضافة إلى ذلك، فإن أنظمة بطاريات الرصاص الحمضية المعتمدة والمميزة وفقًا لمعايير UL 1778 لا تحتاج إلى اعتماد وفقًا لمعايير UL 9540 عند استخدامها كمصدر طاقة احتياطي.

من أجل حل مشكلة عدم وجود معايير اختبار لبطاريات الرصاص الحمضية وبطاريات النيكل والكادميوم في UL 1973، تمت إضافة الملحق H (تقييم بدائل بطاريات الرصاص الحمضية أو بطاريات النيكل والكادميوم الخاضعة للتنظيم أو التهوية) إلى تم إصدار الإصدار الثالث من UL 1973 في فبراير 2022.

تمثل هذه التغييرات تطورًا إيجابيًا من أجل التمييز بين متطلبات التثبيت الآمن لـ UPS وESS.يتضمن العمل الإضافي تحديث المادة 480 من NEC لمعالجة متطلبات التثبيت للتقنيات الأخرى غير حمض الرصاص والنيكل والكادميوم بشكل أفضل.بالإضافة إلى ذلك، يحتاج معيار NFPA 855 إلى مزيد من التحديث لتوفير قدر أكبر من الوضوح بشأن لوائح الحماية من الحرائق، لا سيما فيما يتعلق بالتقنيات المختلفة المستخدمة في التطبيقات الثابتة، سواء كانت UPS أو ESS.

يأمل المؤلف أن تؤدي التغييرات المستمرة إلى تحسين سلامة الصناعة، بغض النظر عما إذا كان يتم استخدام UPS أو ESS التقليدي.نظرًا لأننا نرى حلول تخزين الطاقة تتكاثر بطرق كبيرة وسريعة، فإن معالجة السلامة الجوهرية للمنتجات أمر بالغ الأهمية لإطلاق العنان لابتكارات السلامة وتلبية احتياجات المجتمع.