UL白皮书：UPS vs ESS两种电池应用的北美法规和标准的现状

多年来，不间断电源(UPS)技术一直被用于各种应用中，以支持关键负载在电网供电中断时的持续运行。这些系统已在许多不同的地方使用，以提供额外的抗扰度，以防止电网中断干扰定义负载的运行。UPS系统通常用于保护计算机、计算机设施和电信设备。随着近年来新能源技术的发展，储能系统(ESS)迅速发展。ESS，特别是那些使用电池技术的ESS，通常由太阳能或风能等可再生能源提供，并能够储存这些能源产生的能量以供不同时间使用。

UPS目前的美国ANSI标准是UL 1778，即不间断电源系统标准。加拿大标准是CSA-C22.2 No. 107.3。

UL 9540 (Standard for Energy Storage Systems and Equipment)是美国和加拿大的ESS国家标准。虽然成熟的UPS产品和快速发展的ESS产品在技术解决方案、操作和安装方面有一些共同点，但也有重要的区别。本文将解释关键的区别，概述与每种类型相关的适用产品安全要求，并总结这两类产品的安装标准要求。

UPS简介

组成

UPS系统是一种电气系统，用于在电网故障或其他市电故障模式下为关键负载提供瞬时、临时的交流电。UPS的大小是为了在特定时间内提供预定电量的瞬时延续。这允许一个辅助电源，例如发电机，上线并继续提供备用电源。UPS可以安全地关闭非必要的负载，同时继续为更重要的设备负载提供电力。多年来，UPS系统一直为各种应用提供这种关键的支持。UPS将从一个集成能源中利用存储的能量。这通常是电池组，超级电容器或机械运动的飞轮作为能源。典型的使用电池组供电的UPS由以下主要部件组成：

整流器/充电器—UPS接收交流市电，对其进行整流，产生直流电压，为电池充电。

逆变器—在市电故障时，逆变器将蓄电池存储的直流电转换为适合所支持设备的清洁交流电源输出

转换开关-一种自动和瞬时开关设备，将各种来源的电力传输到关键负载，例如市电，UPS逆变器和发电机。

电池组-存储UPS执行其预期功能所需的能量。

现行标准

? UPS目前的美国ANSI标准是UL 1778/C22.2 No. 107.3，即不间断电源系统标准，其中将UPS定义为“转换器，开关和能量存储设备(如电池)的组合，构成电源系统，在输入电源故障的情况下保持对负载的电力连续性。”

? 另外，新版本的IEC 62040-1和IEC 62477-1正在开发中。UL/CSA 62040-1(使用UL/CSA 62477-1作为参考标准)将与这些标准相协调。

ESS简介

引入储能系统(ESS)作为解决当今能源市场面临的可用性和可靠性挑战的答案，ESS正获得越来越多的关注。ESS，特别是那些使用电池技术的ESS，有助于解决太阳能或风能等可再生能源的可变性。ESS是高峰使用期间可靠的电力来源，可以协助负荷管理、电力波动和其他与电网相关的功能。ESS用于公用事业，商业，工业和住宅应用。

现行标准

UL 9540 (Standard for Energy Storage Systems and Equipment)是美国和加拿大的ESS国家标准。

• UL 9540于2016年首次发布，包括电池储能系统(BESS)在内的多种ESS技术。UL 9540还涵盖了其他存储技术:机械ESS，例如与发电机配对的飞轮存储，化学ESS，例如与燃料电池系统配对的氢气存储，以及热ESS，例如与发电机配对的潜热存储。

• UL 9540第二版，将能量存储系统定义为“接收能量并提供以某种形式存储能量以供以后使用的设备，以便在需要时提供电能。”UL 9540第二版进一步要求，如果需要满足标准中的例外情况，则BESS必须符合UL 9540A，即评估电池储能系统热失控火灾传播的标准测试方法。

• 目前，UL 9540已经发布第三版。

ESS与UPS的比较

功能与尺寸

ESS在结构上与UPS相似，但在使用上有所不同。与UPS一样，ESS包括电池等能量存储机制、逆变器等功率转换设备以及各种其他电子设备和控制装置。然而，与UPS不同的是，ESS可以与电网并行运行，这导致系统的循环比UPS要大。ESS可以与电网交互协作，也可以以独立模式协作，或者两者兼而有之，这取决于所采用的电力转换系统的类型。ESS甚至可以提供UPS功能。与UPS一样，ESS也可以有各种各样的尺寸，从不足20kWh的小型住宅系统到使用多兆瓦集装箱系统的公用事业应用，集装箱

内有多个电池架。

化学成分与安全

UPS使用的典型电池化学成分一直是铅酸电池或镍镉电池。与UPS不同，BESS从一开始就使用锂离子电池等技术，因为锂离子电池的循环性能更好，能量密度更高，可以在更小的物理占地面积内提供更多的能量。与传统电池技术相比，锂离子电池的维护要求也低得多。但目前，锂离子电池也越来越多地用于UPS应用。

然而，2019年在亚利桑那州发生了一起严重事故，涉及用于公用事业应用的ESS，导致几名急救人员严重受伤，引起了监管机构和保险机构等各利益相关方的关注。为了确保这一不断发展的领域不受可避免的安全事故的阻碍，需要为ESS制定合适的规范和标准。为了鼓励为ESS制定适当的安全规范和标准，美国能源部(DOE)于2015年发起了第一个关于ESS安全性和可靠性的年度论坛。

第一届DOE ESS论坛促成了大量关于ESS的规范和标准的工作。最值得注意的是NEC No.706条的发展和NFPA 855的发展，NFPA 855是固定储能系统安装的标准，它直接影响了ICC IFC和NFPA 1中固定电池系统的标准。如今，NEC和NFPA 855也更新了的2023版本。

ESS与UPS的标准现状

所有的规则与标准开发活动的目标是充分解决这些系统的安全性，但不幸的是，现行标准给行业带来了一些混乱。

1. NFPA 855。影响BESS和UPS安装的关键文件是2020年版的NFPA 855，固定式储能系统安装标准。NFPA 855将储能定义为“能够存储能量的一个或多个设备组装在一起，以便在将来向当地电力负荷、公用事业电网或电网支持提供电能。”这个定义包括UPS和ESS类型的应用。此外，NFPA 855和消防规范要求对ESS进行评估并获得UL 9540认证。但UL 1778一直是UPS的传统产品安全标准，该系统已被独立评估是否符合适用的安全要求，并支持安全安装，因此又提出UL 9540的要求，会给行业造成一些混乱。

2. UL 9540A。UL 9540A要求从电池级开始，逐步测试，直至通过安装级。这些要求导致UPS系统受到过去不需要的上市标准的约束。

3. UL 1973。UL 1973是ESS与UPS的电池系统安全标准。但UL 1973-2018版本中却没有包括铅酸电池的测试条款。这对使用传统电池技术（如铅酸电池）的UPS系统来说也是一个挑战。

总结

目前，无论是NEC（美国国家电气规范）还是NFPA 855都在明确这些定义。

• 比如2023年版NFPA 855澄清了特定的铅酸和镍镉电池(600 V或以下)已被列入UL 1973。

• 另外按照UL 1778认证和标识的铅酸电池系统，作为备用电源使用时不需要按UL 9540进行认证。

• 而为了解决UL 1973中缺少铅酸和镍镉电池测试标准的问题，在2022年2月发布的UL 1973第三版中专门添加了附录H（评估阀控式或排气铅酸或镍镉电池的替代方法）。

这些变化代表了为了区分UPS与ESS安全安装要求的积极发展。进一步的工作内容为更新NEC第480条，以更好地解决铅酸和镍镉以外的技术的安装要求。此外，需要进一步更新NFPA 855标准，让消防规范更加清晰，特别是关于固定应用中使用的各种技术，无论它们是UPS还是ESS。

作者希望，无论应用的是传统UPS还是ESS，持续的变化都将提高行业的安全性。当我们看到储能解决方案以重要和快速的方式激增时，解决产品的本质安全对于解锁安全创新和满足社会需求至关重要。