UPS是用于數據通信系統等關鍵負載的不間斷電源系統。正常情況下,UPS以市電為輸入能源,一般經整流-逆變兩次變換和調節,為關鍵負載提供穩定可靠高質量的交流電源;市電停時,UPS由蓄電池取得輸入能源,經逆變器將直流電變換為穩定可靠高質量的交流電,不間斷地供給關鍵負載。因此,UPS有兩個重要功能:在市電正常時,UPS可以改善市電質量,濾除市電的各種干擾;市電停電時,UPS通過蓄電池-逆變器產生高質量的交流電,可以不間斷地為關鍵負載供電。蓄電池是確保UPS不間斷供電的關鍵設備。

正確計算和選擇蓄電池容量是至關重要的。

如果蓄電池選擇不當,蓄電池供電時間將不能滿足工程要求,甚至會造成停電。必須指出,目前一些UPS工程中蓄電池的選擇不盡合理,往往忽略了一些重要的設計考慮。甚至有些UPS廠家配置的蓄電池的容量也不符合標準。因此,深入了解和掌握確定蓄電池容量的正確方法,確保工程質量,對于UPS工程設計和管理人員是非常必要的。

當前應用多的UPS蓄電池是鉛酸蓄電池,包括閥控鉛酸(VRLA)蓄電池和排氣鉛酸(VLA)蓄電池。本文根據標準和我國通信行業標準,介紹UPS鉛酸蓄電池的容量確定方法。詳解我國傳統的安時(Ah)容量法和上流行的恒功率法(恒電流法)的計算公式,討論必要的設計考慮,并給出設計實例。供正規工程中蓄電池容量確定和核對蓄電池配置容量時參考。這些方法和設計考慮也適用于直流供電系統的蓄電池容量的確定。

1 安時(Ah)容量法

蓄電池容量的傳統計算方法是以負載電流和放電時間的乘積(Ah容量)為基礎,并考慮安全系數(老化系數)、放電容量系數、放電溫度系數,計算出需要的10h率安時(Ah)容量。據此按照10h率容量選擇蓄電池。

1.1 基本計算公式

根據YD/T5040-2005《通信電源設備安裝工程設計規范》,蓄電池組容量按下式計算

(1)

式中, Q ——蓄電池容量(Ah);

K ——安全系數;

I ——負載電流(A);

T ——放電小時數(h);

t ——蓄電池環境溫度(℃);

η ——放電容量系數;

α ——蓄電池放電溫度系數。

1.2 公式解讀和設計考慮

1.2.1 安全系數(老化系數) K

當鉛酸蓄電池的可用容量下降到額定容量的80%時,即為壽命終止。因此,當鉛酸蓄電池的實際容量下降到其額定容量的80%時,就應更換。為保證蓄電池在整個壽命期內均能滿足計算負載的要求,蓄電池的計算容量至少應增加25%的富裕量,使蓄電池在壽命終止時仍有足夠的容量供給負載。蓄電池的額定容量一般應至少為壽命終止時剩余容量(亦即負載容量)的125%。安全系數 K 是考慮這種情況的系數( K 取值1.25)。

1.2.2 負載電流 I (恒定電流)

(1)將恒功率轉換為恒電流

計算公式(1)中負載電流 I 規定為恒定電流。

但是,UPS的逆變器和直流通信負載均為恒功率負載。蓄電池電壓在放電時是不斷下降的,恒功率負載的輸入電流將隨著蓄電池電壓的下降而增大。如果恒功率負載距蓄電池較遠,由于電纜上的壓降,使恒功率負載輸入電壓變得更低,因而輸入電流更大。所以應考慮電纜壓降的影響。

為了按照式(1)計算蓄電池的容量,必須將負載的恒功率轉換為恒電流。一般可以先求出蓄電池放電周期的平均電壓 U 平均 ,再根據負載有功功率P 求出平均電流 I 平均 。即

(2)

蓄電池放電平均電壓的確定方法有以下3種:

①計算平均電壓 U 平均

根據單體浮充電壓和終止電壓, U 平均 為

(3)

式中, U 浮充 ——單體電池浮充電壓;

U 終止 ——單體電池終止電壓;

n——電池只數。

(如果 U 浮充 =2.25V, U 終止 =1.67V,則 U 平均=1.96n)

②根據YD/T5040-2005《通信電源設備安裝工程設計規范》的規定

U 平均 =1.85n (4)

(取單體電池平均電壓為1.85V/只,以留有裕量)

③根據IEEE std 485-2010建議,采用保守估算方法,將終止電壓視為平均電壓

U 平均 = U 終止 ×n (5)

(按電壓,計算出大電流,留有更大裕量)

如果將終止電壓視為平均電壓,不但設計裕量較大,而且平均電流的計算非常簡單。

例如,假設-48V直流系統(配置24只鉛酸蓄電池)的恒功率負載為10kW,單體放電終止電壓為1.75V/只(系統終止電壓1.75×24=42V),電纜壓降為2V,則平均放電電流 I 平均為

(2)蓄電池只數n和單體終止電壓 U 單終 的計算

蓄電池只數n等于逆變器系統輸入電壓除以單體電池的均充電壓。因為逆變器電壓出現在蓄電池均充時,而充電末期電流和壓降很小,所以可以不考慮電纜壓降的影響,按下式計算蓄電池的只數

(6)

蓄電池組電壓(放電終止電壓)等于逆變器系統允許的輸入電壓加上額定條件下的電纜壓降。單體電池電壓 U 單終 (單體放電終止電壓)等于蓄電池組電壓除以蓄電池只數n,按下式計算,單體電池電壓為

(7)

(3)蓄電池的平均放電電流 I 平均 (逆變器平均輸入電流)

蓄電池帶UPS逆變器時,蓄電池的平均放電電流 I 平均 等于逆變器平均輸入電流

(8)

式中, I 平均 ——蓄電池的平均放電電流(A)(即UPS逆變器的平均輸入電流);

P ——UPS輸入有功功率(kW);

S ——UPS輸出視在功率(kVA);

cosφ---UPS的負載功率因數;

μ ——逆變器效率;

U 平均 ——逆變器平均輸入電壓(V),即蓄電池放電期間的平均電壓;

U 電纜壓降 ——逆變器與蓄電池之間的電纜壓降(V),逆變器距蓄電池很近時可以忽略。

1.2.3 蓄電池放電溫度系數α的概念

蓄電池的額定容量是以環境溫度為25℃時為基準的,當環境溫度高于25℃時,蓄電池的實際容量會比額定容量增大一些,故計算蓄電池容量時可以考慮適當減小一些(但如下文所述,實際計算時并不進行調整,以留有裕量),當環境溫度低于25℃時,蓄電池的實際容量會比額定容量低一些,計算蓄電池容量時應考慮適當增大一些。即將所需蓄電池容量提高到25℃時的容量。如果環境溫度恰好為25℃,則不進行調整。放電溫度系數α是根據溫度調整蓄電池計算容量的系數,實際上是每偏離基準溫度(25℃)1℃的補償值(單位:1/℃)。α的取值與放電電流有關,放電電流(放電率)越大,溫度變化對蓄電池實際容量的影響越大,故α的取值越大。當放電小時≥10h,取α=0.006;當10>放電小時≥1h,取α=0.008;當放電小時<1h,取α=0.01。

1.2.4 蓄電池環境溫度 t

式(1)中的( t -25)是蓄電池環境溫度偏離基準溫度(25℃)的差值,與放電溫度系數α結合,調整蓄電池計算容量。需要說明的是,計算蓄電池容量時蓄電池環境溫度 t 只考慮低于25℃的情況,而且是指溫度,以便將蓄電池計算容量調高一些。一般有采暖設備時按15℃考慮,無采暖設備時按5℃考慮。環境溫度高于25℃時,不考慮將蓄電池計算容量調低,故按 t =25℃,即 t -25=0處理,由此產生的蓄電池容量的增大作為系統設計裕量的一部分。

1.2.5 放電容量系數 η 的概念

蓄電池在不同的放電率放電時,所能放出的容量是不同的。根據YD/T799-2010,閥控鉛酸蓄電池10h率放電容量為 C 10 ,3h率放電容量 C 3 為

0.75 C 10 ,1h率放電容量 C 1 為0.55 C10 。故閥控鉛酸蓄電池10h率放電時的 η 為1,3h率和1h率放電時分別為0.75和0.55。即放電率較大時(放電小時數<10),能放出的能量較小。在計算蓄電池容量時,應考慮將蓄電池容量適當取得大一些。放電率較小時(放電小時數>10),能放出的能量較大,在計算蓄電池容量時,為了留有裕量,仍按10h率考慮。鉛酸蓄電池在各種放電率時的放電容量系數( η ),如表1所示。

1.2.6 蓄電池安時(Ah)容量 Q

Q 是計算得出的蓄電池安時(Ah)容量。因為經放電容量系數 η 調整,無論實際放電小時數多大,計算出的蓄電池容量均為10h率容量( C 10 )。故選擇蓄電池時應按10h率容量考慮。

1.2.7 放電時間 T (h)或放電小時數 T

蓄電池放電時間 T 應以小時(h)為單位,一般根據通信局站及其市電的類別、備用發電機組配置等情況,按照設計規范確定。

1.3 安時(Ah)法計算實例

假設某UPS的輸出視在功率 S 為200kVA,負載功率因數cosφ=0.8,效率 μ =0.92,逆變器工作電壓范圍為320～451V,蓄電池的工作溫度為15℃。蓄電池均充電壓為2.35V/只,浮充電壓為2.25V/只。要求蓄電池放電20min(0.33h),不考慮蓄電池與UPS設備之間的電纜壓降,計算和選擇蓄電池。

1.3.1 蓄電池的安時(Ah)容量的計算

(1)單體電池只數n

按式(6)計算單體電池只數n

(2)單體電池放電終止電壓 U 單終

按式(7)計算單體電池放電終止電壓 U 單終 (假設忽略電纜壓降):

(3)蓄電池放電平均電壓 U 平均

按式(3)計算(假設浮充電壓為2.25V/只)

(也可以按式(4)或式(5)計算)

(4)蓄電池平均放電電流 I 平均 (將恒功率轉換為恒流)

按式(8)計算 I 平均 (假設忽略電纜壓降)

(5)計算蓄電池安時容量 Q

按式(1)計算蓄電池安時容量 Q :

(式中, K =1.25, I =462.14, T =0.33, η =0.48,α =0.01, t =15)

1.3.2 蓄電池的選擇

UPS蓄電池宜選擇UPSVRLA蓄電池,目前這種蓄電池容量一般在200Ah以下,此案例的安時容量較大,故需要多組并聯(一般不超過4組)。以下是的兩個選擇實例。

①查雙登集團有限公司的6-GFM-200/12V

閥控密封鉛酸蓄電池數據表可知,6-GFM-150的容量為150Ah( C 10 ),根據蓄電池計算安時容量為441.28Ah,因為441.28/150=2.94,故可以取3組并聯,每組32只6-GFM-150電池(共包含192只單體電池)。

因150×3=450>441.28,所以有一定裕量。

②查山東圣陽電源股份有限公司產品參數可知,SP12-200/12V閥控鉛酸蓄電池10h率容量為186Ah。根據蓄電池計算安時容量為441.28Ah,因為441.28/186=2.37，故可以選這個蓄電池，3組并聯，每組32只SP12-200(共包括192只單體電池)。因186×3=558(Ah)>441.28Ah，所以有較大的裕量。

2 恒功率法

2.1 概述

如前所述,UPS蓄電池的負載逆變器和通信設備等都是恒功率負載,蓄電池放電時,蓄電池的輸出電壓逐漸下降,而蓄電池的輸出電流逐漸增大。直到電壓下降到終止電壓時,電流達到大值。但在整個放電過程中蓄電池的輸出功率是恒定的。考慮到恒功率負載的這種情況,蓄電池廠家經過試驗,提供了蓄電池恒功率放電數據表,給出每個單體電池放電到規定的終止電壓,在規定的放電時間內所能放出的恒定功率。利用蓄電池恒功率放電數據表可以非常方便地選擇蓄電池容量,而且比較準確。

采用恒功率放電數據表選擇蓄電池容量時,首先要合理、準確地計算確定每個單體電池的負載功率、放電時間和放電終止電壓等數據。

2.2 確定蓄電池容量的設計考慮

2.2.1 電壓窗和單體電池只數的選擇

蓄電池的電壓窗是指蓄電池工作電壓范圍。蓄電池工作電壓范圍與UPS逆變器的輸入電壓范圍和蓄電池的只數有關。UPS逆變器的直流輸入電壓是整流器給蓄電池均衡充電的電壓。逆變器直流輸入電壓是蓄電池可以放電到的終止電壓(并減去電纜壓降),UPS逆變器應在此電壓范圍內正常工作。在UPS逆變器輸入電壓范圍已確定的情況下,應選擇適當的蓄電池只數,使每只蓄電池可以在廠家規定的充電電壓下充電,而放電終止電壓在滿足逆變器允許輸入電壓要求的前提下應盡量選低,但又不低于廠家規定的終止電壓值,以便使蓄電池能得到有效的利用。蓄電池只數等于逆變器系統輸入電壓除以單體電池的均充電壓。需要說明的是,計算時可以不考慮電纜壓降,因為逆變器電壓出現在蓄電池均充時,充電末期電流和壓降很小。

蓄電池組電壓(放電終止電壓)等于逆變器系統允許的輸入電壓加上額定條件下的電纜上的壓降。單體電池電壓(單體放電終止電壓)等于蓄電池組電壓除以蓄電池只數。

因此,根據UPS逆變器的直流輸入電壓范圍和規定的單體電池的均充電壓和放電終止電壓,可以確定單體電池只數。一般可以用逆變器系統輸入電壓除以均充電壓的商數,選擇單體電池只數。具體計算公式參見后述2.3.1節。

2.2.2 溫度校正系數 K 溫度

電池的工作溫度會影響蓄電池的壽命和性能(容量)。在25℃時蓄電池具有額定容量,溫度下降時容量會減少,溫度升高時容量會增加。如果溫度低于25℃,則應選擇較大的蓄電池,以保證在溫度時仍具有需要的容量。如果溫度高于25℃,則采取保守做法,即按標準溫度25℃考慮,不選擇較小的蓄電池。由此產生的可用容量的增加作為設計裕量的一部分。所以,在選擇蓄電池容量時,應考慮蓄電池容量的溫度校正系數 K 溫度 。表2是鉛酸蓄電池容量的溫度校正系數表,適用于電解液比重為1.125的VLA和VRLA蓄電池。表2的系數適用于放電率,不適用于放電時間。例如,某蓄電池在15℃時容量大約比25℃時的容量減少12%。如果該蓄電池在25℃時,可以按100kW放電15min。在15℃時,如仍按放電15min,則只能按89.35kW放電15min。所以,如果該蓄電池工作在15℃,容量溫度校正系數 K 溫度 為1.12。即校正后在15℃時具有的容量相當于在25℃所具有的容量。又如蓄電池工作于20℃時,容量溫度校正系數 K 溫度為1.056。溫度高于25℃的情況與此相反,蓄電池的實際容量大于25℃時的容量,故溫度校正系數K 溫度 小于1,例如蓄電池工作于30℃時,溫度校正系數 K 溫度 為0.956。但是,如前所述,蓄電池的工作溫度高于25℃時,仍按25℃考慮,即容量溫度校正系數 K 溫度 為1,不進行容量調整。

2.2.3 老化系數 K 老化

UPS的蓄電池一般應按UPS帶滿負載選擇。并應保證在蓄電池的整個壽命期內都能支持UPS的滿負載。鉛酸蓄電池壽命終止的判據是其容量下降到額定容量的80%,在選擇蓄電池容量時,應考慮在蓄電池的計算容量上再增加25%。即考慮1.25的老化系數。這樣可以確保在蓄電池的整個壽命期內都能為滿負載供電。

2.3 蓄電池容量計算和選擇方法

根據上述設計考慮,按恒功率放電特性選擇蓄電池容量的步驟如下。

2.3.1 蓄電池容量計算

(1)蓄電池額定功率 P 蓄電池

蓄電池額定功率 P 蓄電池 (即逆變器輸入端的有功功率 P 逆變器 )為

(9)

式中, P 蓄電池 ——蓄電池額定功率(W);

P 逆變器 ——逆變器輸入有功功率(W);

S ——逆變器的輸出視在功率(VA);

cosφ——逆變器負載功率因數;

μ ——逆變器效率。

(2)蓄電池校正功率 P 校正

經過老化和溫度校正后的蓄電池校正額定功率 P 校正 為

(10)

式中, K 老化 ——老化系數;

K 溫度 ——溫度校正系數。

(3)蓄電池只數為

(11)

注:此式與安時法的計算公式相同。

(4)單體電池的功率 P 單體

單體電池的功率 P 單體 等于蓄電池的總功率 P 校正除以單體電池只數n,按下式計算

(5)蓄電池組的放電終止電壓和電纜壓降

在確定蓄電池的工作電壓范圍時,還要考慮蓄電池與UPS設備之間的電纜上的壓降。蓄電池組的放電終止電壓等于UPS系統的逆變器允許電壓加上電纜上的壓降。即蓄電池組的電壓=逆變器輸入電壓+電纜壓降          (13)

(6)單體電池的放電終止電壓 U 單終

(14)

注:此式與安時法的計算公式相同。

2.3.2 單體電池的選擇

廠家提供的恒功率放電數據表給出了每只單體電池在規定放電時間內放電到規定的終止電壓所能輸出的功率數據(W或kW)。在選擇單體電池時,應根據蓄電池組計算功率( P 校正 )和單體電池的只數n,求出需要的每只單體電池的功率 P 單體 。然后按照要求的放電終止電壓和放電時間,查閱蓄電池恒功率放電數據表,選擇能提供此功率或大于此功率的單體電池。如果表中恒功率數據小于需要的單體電池的功率,可以考慮兩組或多組并聯,并聯組數一般不大于4組。

2.4 恒功率法計算實例

假設某UPS的容量為200kVA,cosφ=0.8,效率為0.92,蓄電池工作溫度為15℃。

UPS的直流工作條件:整流器均衡充電電壓451V,逆變器直流輸入電壓320V。蓄電池距UPS設備很近,不考慮蓄電池至UPS設備的電纜壓降。要求蓄電池放電20min(0.33h),試計算蓄電池的總容量、蓄電池只數,并用恒功率放電數據查表法選擇蓄電池。

下面是按照恒功率放電特性計算和選擇蓄電池容量的步驟。

2.4.1 蓄電池容量的計算

(1)蓄電池校正功率 P 校正 的計算

考慮老化系數為1.25和15℃時的溫度校正系數為1.12,按式(10)計算校正后的蓄電池功率為

(2)電池只數和單體電池放電終止電壓

按式(11)計算電池只數n(設蓄電池均充電壓為2.35V/只)

按式(14)計算單體放電終止電壓(假設忽略電纜壓降)

(3)單體電池功率 P 單體 的計算

按式(12)計算單體電池的功率 P 單體 為

(4)單體電池的選擇

根 據 以 上 計 算 結 果 ( 單 體 電 池 的 功 率1256.79W、放電時間20min和放電終止電壓1.67V/只),按照廠家提供的蓄電池恒功率放電數據表,選擇電池(參見后述2.4.2節)。

2.4.2 蓄電池的選擇

(1)國外蓄電池的選擇

國外蓄電池廠家一般均能提供蓄電池恒功

率放電數據。下面是C&D TECHNOLOGIES和EnerSys的UPS蓄電池的兩個例子。

①C&D TECHNOLOGIES的蓄電池

查UPS高放電率VRLA蓄電池UPS12-540MR的恒功率放數據表(見表3)可知:UPS12-

540MR VRLA蓄電池放電20min,終止電壓為1.67/只,單體電池的輸出功率為451W/只。

根據蓄電池容量計算結果,每只單體電池的功率要求為1268.12W,因為1268.12/451=2.81,故可選擇UPS12-540MR3組并聯。每組32只12V的UPS12-540MR(包含6×32=192只單體電池)。

因為蓄電池計算總功率為243478.26W,現 配 置 3 組 蓄 電 池 , 配 置 的 蓄 電 池 總 功 率 為451×3×192=259776(W)>243478.26W。因此具有一定的功率裕量。

②EnerSys公司的蓄電池

查EnerSys公司16V UPS前置端子VRLA蓄電池Datasafe HX恒功率放電數據表(見表4)可知,16HX800F-FR放電20min,終止電壓為1.67V/只,單體電池的輸出功率為674W/只。

根據蓄電池容量計算結果,每只單體電池的功率要求為1268.12W,因為1268.12/674=1.88,故可選擇這個蓄電池2組并聯。每組配置24只16HX800F-FR(包含8×24=192只單體電池)。

因為蓄電池計算總功率為243478.26W,現配置2組蓄電池,每組由24只16HX800F-FR組成(包含8×24=192只單體電池)。配置的蓄電池總功率為674×2×192=258816(W)>243478.26W。因此具有一定的功率裕量。