Среди типов ИБП следует выделить так называемые энергетические массивы (power array). Это сравнительно новый тип устройств, представленный на рынке начиная с середины 90-х годов. Выполненные по типу двойного преобразования и принципу избыточности N+1 («горячий резерв»), эти ИБП представляют собой параллельную систему модулей ИБП в одном корпусе (рис. 3.18), имеющую способность продолжать работу при выходе из строя силового модуля (модуля преобразователей), модуля батарей или модуля управления.
Рис. 3.18. Энергетический массив: а) внешний вид; 6) состав (источник: АРС)
Силовой модуль представляет собой блок, содержащий выпрямитель и инвертор, устанавливаемый в корпус энергетического массива для параллельной работы с другими силовыми модулями. Существуют различные концепции энергетических массивов: с распределенной логикой управления, с централизованной избыточной логикой, с отдельными батарейными модулями и с совмещенными силовыми и батарейными модулями. На рис. 3.19 приводится схема энергетического массива с централизованной избыточной логикой управления и раздельными силовыми и батарейными модулями.
Рис. 3.19. Схема энергетического массива (источник: АРС)
Из схемы видно, что питание через входной выключатель поступает на каждый силовой модуль, которые включены параллельно. АБ состоит из нескольких батарейных модулей, также включенных параллельно. Управление энергетическим массивом осуществляется по шинам управления от основного и резервного модулей управления. Отказ любого модуля не вызывает остановки ИБП в целом. Процедура ремонта состоит в замене отказавшего блока без отключения ИБП («горячая» замена), как это показано на рис. 3.18, б. Индикация о неисправности выводится на пульт управления и на коммуникационный порт для передачи в систему мониторинга ИБП. Слоты дополнительных устройств предназначены для расширения коммуникационных и функциональных возможностей ИБП.
В энергетике потребляемые и генерирующие мощности являются одними из основных технико-экономических показателей. На основе мощностей силовых модулей энергетических массивов можно оценить направления развития этого перспективного типа ИБП. Основные данные табл. 3.2 — мощности силовых модулей и суммарные мощности утройств. Эти данные определяют тенденции развития типа ИБП, однако не могут быть использованы как справочные материалы по моделям и производителям. Существует ряд моделей, не вошедших в таблицу.
Таблица 3.2. Мощность энергетических массивов и силовых модулей
№ п/п |
Производитель |
Модель |
Мощность, кВА |
Устройство |
Модуль |
1 |
АРС |
Symmetra |
16 |
4 |
2 |
АРС |
Symmetra RM |
12 |
2 |
3 |
АРС |
Symmetra PX |
40 |
10 |
4 |
Liebert |
Nfinity |
16 |
4 |
5 |
Meta System |
HF Top Line |
8 |
1 • |
6 |
Meta System |
HF Top Line rack |
4 |
1 |
7 |
Newave UPS Systems |
ConceptPower/ Upgrade Line |
120 |
40 |
8 |
PK Electronics |
US 9003 |
4,8 |
0,4 |
9 |
PK Electronics |
US 9001 |
144 |
1 |
10 |
Power Ware |
PW9170 |
18 |
3 |
Мощности силовых модулей лежат в диапазоне 0,4...40 кВА. С момента появления энергетических массивов по настоящее время прослеживается тенденция роста мощности единичного модуля. Удельные мощности силовых модулей в расчете на единицу массы составляют до 0,5...0,6 кВА/кг. Конструктив энергетического массива близок к стандартным телекоммуникационным шкафам, и очевидно, что предел мощности будет определяться массогабаритными показателями силового модуля, позволяющими производить его замену одному-двум человекам. Мощность всего устройства при этом не превысит 200 кВА. Этот прогноз делается из расчета массы модуля (не более 60 кг) и количества модулей в устройстве (до 5 штук).
Наращивание мощностей энергетических массивов возможно по следующим технологическим направлениям:
- увеличение единичной мощности модуля;
- увеличение количества модулей;
- масштабируемость устройств.
Увеличение единичной мощности модуля при существующей элементной базе промышленной электроники потребует увеличения массы и габаритов модуля. Такой путь реализован в энергетическом массиве АРС Symmetra MW с модулями 200 кВА (рис. 3.20). Количество модулей в устройстве может составлять до 8, и суммарная мощность достигает 1600 кВА.
Рис.3.20. Энергетический массив Symmetra MW (источник: АРС)
Конструктив этого устройства позволяет производить замену силового модуля по частям, с выделением выпрямителя, инвертора и других компонентов преобразователей в отдельные конструктивные элементы. Процедура замены модуля при таком конструктиве не требует применения средств механизации.
Увеличение мощности путем увеличения числа модулей реализовано в устройстве РК Electronics US 9001 с модулем мощностью 1 кВА, общим числом модулей до 144 и соответственно суммарной мощностью до 144 кВА. Большее количество модулей в устройстве теоретически возможно, но потребует увеличения размера стойки, что усложнит условия перевозки и монтажа.
Масштабируемость устройств нуждается в пояснении. Ряд моделей энергетических массивов позволяют осуществлять комплектацию устройства таким образом, что количество силовых и батарейных модулей может находиться в разных соотношениях. Такая комплектация применяется для следующих целей:
- осуществления избыточного резервирования по принципу N+2 и более для электроприемников с особо высокими требованиями к надежности электроснабжения (системы безопасности, технические средства органов государственного управления, транспорта, опасного производства, крупные платежные системы и т.д);
- комплектации необходимой установленной мощности;
- комплектации АБ с большим временем автономной работы.
Масштабируемость может осуществляться в пределах одного устройства, причем количество силовых и батарейных модулей может быть определено с учетом дальнейшего доукомплектования при расширении состава или количества электроприемников. Ряд моделей энергетических массивов позволяет включать значительное, теоретически неограниченное количество устройств параллельно. При этом сохраняются все функции, характерные для энергетического массива (в первую очередь — «горячая» замена). Осуществление масштабирования заключается в выборе мощности модуля или единичного устройства. При этом можно подобрать суммарную мощность установки с точностью до одного модуля, обеспечив резервирование N+1 с минимальной избыточностью. На рис. 3.21 показаны примеры масштабирования энергетического массива в составе единичного устройства (рис. 3.21, а, б) и параллельное включение устройств (рис. 3.21, в).
Рис. 3.21. Масштабирование энергетических массивов (источник: Newave UPS Systems)
Экономия средств, затрачиваемых на резервирование, выражается в оптимизации выбора мощности (и соответственно стоимости) единичного модуля и составляет несколько процентов от суммарной мощности всей установки.
Энергетические массивы позволяют обеспечить высшую степень защиты нагрузки и являются наилучшим решением для построения отказоустойчивых систем электроснабжения. В последние годы номенклатура энергетических массивов пополнилась моделями разных производителей и определилась тенденция расширения производства энергетических массивов. Энергетические массивы выпускаются в диапазоне мощностей, покрывающем потребности в создании отказоустойчивой системы бесперебойного электроснабжения практически любого здания. Технические возможности современных технологии и номенклатура выпускаемой продукции ИБП класса энергетических массивов дают широкие возможности выбора оборудования по заданным технико-экономическим показателям.