UPS是用于数据通信系统等关键负载的不间断电源系统。正常情况下,UPS以市电为输入能源,一般经整流-逆变两次变换和调节,为关键负载提供稳定可靠高质量的交流电源;市电停时,UPS由蓄电池取得输入能源,经逆变器将直流电变换为稳定可靠高质量的交流电,不间断地供给关键负载。因此,UPS有两个重要功能:在市电正常时,UPS可以改善市电质量,滤除市电的各种*;市电停电时,UPS通过蓄电池-逆变器产生高质量的交流电,可以不间断地为关键负载供电。蓄电池是确保UPS不间断供电的关键设备。

正确计算和选择蓄电池容量是至关重要的。

如果蓄电池选择不当,蓄电池供电时间将不能满足工程要求,甚至会造成停电。必须指出,目前一些UPS工程中蓄电池的选择不尽合理,往往忽略了一些重要的设计考虑。甚至有些UPS厂家配置的蓄电池的容量也不符合标准。因此,深入了解和掌握确定蓄电池容量的正确方法,确保工程质量,对于UPS工程设计和管理人员是非常必要的。

当前应用最多的UPS蓄电池是铅酸蓄电池,包括阀控铅酸(VRLA)蓄电池和排气铅酸(VLA)蓄电池。本文根据国际标准和我国通信行业标准,介绍UPS铅酸蓄电池的容量确定方法。详解我国传统的安时(Ah)容量法和国际上流行的恒功率法(恒电流法)的计算公式,讨论必要的设计考虑,并给出设计实例。供正规工程中蓄电池容量确定和核对蓄电池配置容量时参考。这些方法和设计考虑也适用于直流供电系统的蓄电池容量的确定。

1 安时(Ah)容量法

蓄电池容量的传统计算方法是以负载电流和放电时间的乘积(Ah容量)为基础,并考虑安全系数(老化系数)、放电容量系数、放电温度系数,计算出需要的10h率安时(Ah)容量。据此按照10h率容量选择蓄电池。

1.1 基本计算公式

根据YD/T5040-2005《通信电源设备安装工程设计规范》,蓄电池组容量按下式计算

(1)

式中, Q ——蓄电池容量(Ah);

K ——安全系数;

I ——负载电流(A);

T ——放电小时数(h);

t ——蓄电池最低环境温度(℃);

η ——放电容量系数;

α ——蓄电池放电温度系数。

1.2 公式解读和设计考虑

1.2.1 安全系数(老化系数) K

当铅酸蓄电池的可用容量下降到额定容量的80%时,即为寿命终止。因此,当铅酸蓄电池的实际容量下降到其额定容量的80%时,就应更换。为保证蓄电池在整个寿命期内均能满足计算负载的要求,蓄电池的计算容量至少应增加25%的富裕量,使蓄电池在寿命终止时仍有足够的容量供给负载。蓄电池的额定容量一般应至少为寿命终止时剩余容量(亦即负载容量)的125%。安全系数 K 是考虑这种情况的系数( K 取值1.25)。

1.2.2 负载电流 I (恒定电流)

(1)将恒功率转换为恒电流

计算公式(1)中负载电流 I 规定为恒定电流。

但是,UPS的逆变器和直流通信负载均为恒功率负载。蓄电池电压在放电时是不断下降的,恒功率负载的输入电流将随着蓄电池电压的下降而增大。如果恒功率负载距蓄电池较远,由于电缆上的压降,使恒功率负载输入电压变得更低,因而输入电流更大。所以应考虑电缆压降的影响。

为了按照式(1)计算蓄电池的容量,必须将负载的恒功率转换为恒电流。一般可以先求出蓄电池放电周期的平均电压 U 平均 ,再根据负载有功功率P 求出平均电流 I 平均 。即

(2)

蓄电池放电平均电压的确定方法有以下3种:

①计算平均电压 U 平均

根据单体浮充电压和终止电压, U 平均 为

(3)

式中, U 浮充 ——单体电池浮充电压;

U 终止 ——单体电池终止电压;

n——电池只数。

(如果 U 浮充 =2.25V, U 终止 =1.67V,则 U 平均=1.96n)

②根据YD/T5040-2005《通信电源设备安装工程设计规范》的规定

U 平均 =1.85n (4)

(取单体电池平均电压为1.85V/只,以留有裕量)

③根据IEEE std 485-2010建议,采用保守估算方法,将终止电压视为平均电压

U 平均 = U 终止 ×n (5)

(按最低电压,计算出最大电流,留有更大裕量)

如果将终止电压视为平均电压,不但设计裕量较大,而且平均电流的计算非常简单。

例如,假设-48V直流系统(配置24只铅酸蓄电池)的恒功率负载为10kW,单体放电终止电压为1.75V/只(系统终止电压1.75×24=42V),电缆压降为2V,则平均放电电流 I 平均为

(2)蓄电池只数n和单体终止电压 U 单终 的计算

蓄电池只数n等于逆变器系统最高输入电压除以单体电池的均充电压。因为逆变器最高电压出现在蓄电池均充时,而充电末期电流和压降很小,所以可以不考虑电缆压降的影响,按下式计算蓄电池的只数

(6)

蓄电池组最低电压(放电终止电压)等于逆变器系统允许的最低输入电压加上额定条件下的电缆压降。单体电池最低电压 U 单终 (单体放电终止电压)等于蓄电池组最低电压除以蓄电池只数n,按下式计算,单体电池最低电压为

(7)

(3)蓄电池的平均放电电流 I 平均 (逆变器平均输入电流)

蓄电池带UPS逆变器时,蓄电池的平均放电电流 I 平均 等于逆变器平均输入电流

(8)

式中, I 平均 ——蓄电池的平均放电电流(A)(即UPS逆变器的平均输入电流);

P ——UPS输入有功功率(kW);

S ——UPS输出视在功率(kVA);

cosφ---UPS的负载功率因数;

μ ——逆变器效率;

U 平均 ——逆变器平均输入电压(V),即蓄电池放电期间的平均电压;

U 电缆压降 ——逆变器与蓄电池之间的电缆压降(V),逆变器距蓄电池很近时可以忽略。

1.2.3 蓄电池放电温度系数α的概念

蓄电池的额定容量是以环境温度为25℃时为基准的,当环境温度高于25℃时,蓄电池的实际容量会比额定容量增大一些,故计算蓄电池容量时可以考虑适当减小一些(但如下文所述,实际计算时并不进行调整,以留有裕量),当环境温度低于25℃时,蓄电池的实际容量会比额定容量低一些,计算蓄电池容量时应考虑适当增大一些。即将所需蓄电池容量提高到25℃时的容量。如果环境温度恰好为25℃,则不进行调整。放电温度系数α是根据温度调整蓄电池计算容量的系数,实际上是每偏离基准温度(25℃)1℃的补偿值(单位:1/℃)。α的取值与放电电流有关,放电电流(放电率)越大,温度变化对蓄电池实际容量的影响越大,故α的取值越大。当放电小时≥10h,取α=0.006;当10>放电小时≥1h,取α=0.008;当放电小时<1h,取α=0.01。

1.2.4 蓄电池最低环境温度 t

式(1)中的( t -25)是蓄电池环境温度偏离基准温度(25℃)的差值,与放电温度系数α结合,调整蓄电池计算容量。需要说明的是,计算蓄电池容量时蓄电池环境温度 t 只考虑低于25℃的情况,而且是指最低温度,以便将蓄电池计算容量调高一些。一般有采暖设备时按15℃考虑,无采暖设备时按5℃考虑。环境温度高于25℃时,不考虑将蓄电池计算容量调低,故按 t =25℃,即 t -25=0处理,由此产生的蓄电池容量的增大作为系统设计裕量的一部分。

1.2.5 放电容量系数 η 的概念

蓄电池在不同的放电率放电时,所能放出的容量是不同的。根据YD/T799-2010,阀控铅酸蓄电池10h率放电容量为 C 10 ,3h率放电容量 C 3 为

0.75 C 10 ,1h率放电容量 C 1 为0.55 C10 。故阀控铅酸蓄电池10h率放电时的 η 为1,3h率和1h率放电时分别为0.75和0.55。即放电率较大时(放电小时数<10),能放出的能量较小。在计算蓄电池容量时,应考虑将蓄电池容量适当取得大一些。放电率较小时(放电小时数>10),能放出的能量较大,在计算蓄电池容量时,为了留有裕量,仍按10h率考虑。铅酸蓄电池在各种放电率时的放电容量系数( η ),如表1所示。

1.2.6 蓄电池安时(Ah)容量 Q

Q 是计算得出的蓄电池安时(Ah)容量。因为经放电容量系数 η 调整,无论实际放电小时数多大,计算出的蓄电池容量均为10h率容量( C 10 )。故选择蓄电池时应按10h率容量考虑。

1.2.7 放电时间 T (h)或放电小时数 T

蓄电池放电时间 T 应以小时(h)为单位,一般根据通信局站及其市电的类别、备用发电机组配置等情况,按照设计规范确定。

1.3 安时(Ah)法计算实例

假设某UPS的输出视在功率 S 为200kVA,负载功率因数cosφ=0.8,效率 μ =0.92,逆变器工作电压范围为320～451V,蓄电池的最低工作温度为15℃。蓄电池均充电压为2.35V/只,浮充电压为2.25V/只。要求蓄电池放电20min(0.33h),不考虑蓄电池与UPS设备之间的电缆压降,计算和选择蓄电池。

1.3.1 蓄电池的安时(Ah)容量的计算

(1)单体电池只数n

按式(6)计算单体电池只数n

(2)单体电池放电终止电压 U 单终

按式(7)计算单体电池放电终止电压 U 单终 (假设忽略电缆压降):

(3)蓄电池放电平均电压 U 平均

按式(3)计算(假设浮充电压为2.25V/只)

(也可以按式(4)或式(5)计算)

(4)蓄电池平均放电电流 I 平均 (将恒功率转换为恒流)

按式(8)计算 I 平均 (假设忽略电缆压降)

(5)计算蓄电池安时容量 Q

按式(1)计算蓄电池安时容量 Q :

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

1.3.2 蓄电池的选择

UPS蓄电池宜选择UPS专用VRLA蓄电池,目前这种蓄电池容量一般在200Ah以下,此案例的安时容量较大,故需要多组并联(一般不超过4组)。以下是的两个选择实例。

①查双登集团有限公司的6-GFM-200/12V

阀控密封铅酸蓄电池数据表可知,6-GFM-150的容量为150Ah( C 10 ),根据蓄电池计算安时容量为441.28Ah,因为441.28/150=2.94,故可以取3组并联,每组32只6-GFM-150电池(共包含192只单体电池)。

因150×3=450>441.28,所以有一定裕量。

②查山东圣阳电源股份有限公司产品参数可知,SP12-200/12V阀控铅酸蓄电池10h率容量为186Ah。根据蓄电池计算安时容量为441.28Ah,因为441.28/186=2.37，故可以选这个蓄电池，3组并联，每组32只SP12-200(共包括192只单体电池)。因186×3=558(Ah)>441.28Ah，所以有较大的裕量。

2 恒功率法

2.1 概述

如前所述,UPS蓄电池的负载逆变器和通信设备等都是恒功率负载,蓄电池放电时,蓄电池的输出电压逐渐下降,而蓄电池的输出电流逐渐增大。直到电压下降到终止电压时,电流达到最大值。但在整个放电过程中蓄电池的输出功率是恒定的。考虑到恒功率负载的这种情况,蓄电池厂家经过试验,提供了蓄电池恒功率放电数据表,给出每个单体电池放电到规定的终止电压,在规定的放电时间内所能放出的恒定功率。利用蓄电池恒功率放电数据表可以非常方便地选择蓄电池容量,而且比较准确。

采用恒功率放电数据表选择蓄电池容量时,首先要合理、准确地计算确定每个单体电池的负载功率、放电时间和放电终止电压等数据。

2.2 确定蓄电池容量的设计考虑

2.2.1 电压窗和单体电池只数的选择

蓄电池的电压窗是指蓄电池工作电压范围。蓄电池工作电压范围与UPS逆变器的输入电压范围和蓄电池的只数有关。UPS逆变器的最高直流输入电压是整流器给蓄电池均衡充电的最高电压。逆变器最低直流输入电压是蓄电池可以放电到的终止电压(并减去电缆压降),UPS逆变器应在此电压范围内正常工作。在UPS逆变器输入电压范围已确定的情况下,应选择适当的蓄电池只数,使每只蓄电池可以在厂家规定的最高充电电压下充电,而放电终止电压在满足逆变器允许最低输入电压要求的前提下应尽量选低,但又不低于厂家规定的最低终止电压值,以便使蓄电池能得到有效的利用。蓄电池只数等于逆变器系统最高输入电压除以单体电池的均充电压。需要说明的是,计算时可以不考虑电缆压降,因为逆变器最高电压出现在蓄电池均充时,充电末期电流和压降很小。

蓄电池组最低电压(放电终止电压)等于逆变器系统允许的最低输入电压加上额定条件下的电缆上的压降。单体电池最低电压(单体放电终止电压)等于蓄电池组最低电压除以蓄电池只数。

因此,根据UPS逆变器的直流输入电压范围和规定的单体电池的均充电压和放电终止电压,可以确定单体电池只数。一般可以用逆变器系统最高输入电压除以均充电压的商数,选择单体电池只数。具体计算公式参见后述2.3.1节。

2.2.2 温度校正系数 K 温度

电池的工作温度会影响蓄电池的寿命和性能(容量)。在25℃时蓄电池具有额定容量,温度下降时容量会减少,温度升高时容量会增加。如果最低温度低于25℃,则应选择较大的蓄电池,以保证在最低温度时仍具有需要的容量。如果最低温度高于25℃,则采取保守做法,即按标准温度25℃考虑,不选择较小的蓄电池。由此产生的可用容量的增加作为设计裕量的一部分。所以,在选择蓄电池容量时,应考虑蓄电池容量的温度校正系数 K 温度 。表2是铅酸蓄电池容量的温度校正系数表,适用于电解液比重为1.125的VLA和VRLA蓄电池。表2的系数适用于放电率,不适用于放电时间。例如,某蓄电池在15℃时容量大约比25℃时的容量减少12%。如果该蓄电池在25℃时,可以按100kW放电15min。在15℃时,如仍按放电15min,则只能按89.35kW放电15min。所以,如果该蓄电池工作在15℃,容量温度校正系数 K 温度 为1.12。即校正后在15℃时具有的容量相当于在25℃所具有的容量。又如蓄电池工作于20℃时,容量温度校正系数 K 温度为1.056。温度高于25℃的情况与此相反,蓄电池的实际容量大于25℃时的容量,故温度校正系数K 温度 小于1,例如蓄电池工作于30℃时,温度校正系数 K 温度 为0.956。但是,如前所述,蓄电池的工作温度高于25℃时,仍按25℃考虑,即容量温度校正系数 K 温度 为1,不进行容量调整。

2.2.3 老化系数 K 老化

UPS的蓄电池一般应按UPS带满负载选择。并应保证在蓄电池的整个寿命期内都能支持UPS的满负载。铅酸蓄电池寿命终止的判据是其容量下降到额定容量的80%,在选择蓄电池容量时,应考虑在蓄电池的计算容量上再增加25%。即考虑1.25的老化系数。这样可以确保在蓄电池的整个寿命期内都能为满负载供电。

2.3 蓄电池容量计算和选择方法

根据上述设计考虑,按恒功率放电特性选择蓄电池容量的步骤如下。

2.3.1 蓄电池容量计算

(1)蓄电池额定功率 P 蓄电池

蓄电池额定功率 P 蓄电池 (即逆变器输入端的有功功率 P 逆变器 )为

(9)

式中, P 蓄电池 ——蓄电池额定功率(W);

P 逆变器 ——逆变器输入有功功率(W);

S ——逆变器的输出视在功率(VA);

cosφ——逆变器负载功率因数;

μ ——逆变器效率。

(2)蓄电池校正功率 P 校正

经过老化和温度校正后的蓄电池校正额定功率 P 校正 为

(10)

式中, K 老化 ——老化系数;

K 温度 ——温度校正系数。

(3)蓄电池只数为

(11)

注:此式与安时法的计算公式相同。

(4)单体电池的功率 P 单体

单体电池的功率 P 单体 等于蓄电池的总功率 P 校正除以单体电池只数n,按下式计算

(5)蓄电池组的放电终止电压和电缆压降

在确定蓄电池的工作电压范围时,还要考虑蓄电池与UPS设备之间的电缆上的压降。蓄电池组的放电终止电压等于UPS系统的逆变器允许最低电压加上电缆上的压降。即蓄电池组的最低电压=逆变器最低输入电压+电缆压降          (13)

(6)单体电池的放电终止电压 U 单终

(14)

注:此式与安时法的计算公式相同。

2.3.2 单体电池的选择

厂家提供的恒功率放电数据表给出了每只单体电池在规定放电时间内放电到规定的终止电压所能输出的功率数据(W或kW)。在选择单体电池时,应根据蓄电池组计算功率( P 校正 )和单体电池的只数n,求出需要的每只单体电池的功率 P 单体 。然后按照要求的放电终止电压和放电时间,查阅蓄电池恒功率放电数据表,选择能提供此功率或大于此功率的单体电池。如果表中恒功率数据小于需要的单体电池的功率,可以考虑两组或多组并联,并联组数一般不大于4组。

2.4 恒功率法计算实例

假设某UPS的容量为200kVA,cosφ=0.8,效率为0.92,蓄电池最低工作温度为15℃。

UPS的直流工作条件:整流器均衡充电电压451V,逆变器最低直流输入电压320V。蓄电池距UPS设备很近,不考虑蓄电池至UPS设备的电缆压降。要求蓄电池放电20min(0.33h),试计算蓄电池的总容量、蓄电池只数,并用恒功率放电数据查表法选择蓄电池。

下面是按照恒功率放电特性计算和选择蓄电池容量的步骤。

2.4.1 蓄电池容量的计算

(1)蓄电池校正功率 P 校正 的计算

考虑老化系数为1.25和15℃时的温度校正系数为1.12,按式(10)计算校正后的蓄电池功率为

(2)电池只数和单体电池放电终止电压

按式(11)计算电池只数n(设蓄电池均充电压为2.35V/只)

按式(14)计算单体放电终止电压(假设忽略电缆压降)

(3)单体电池功率 P 单体 的计算

按式(12)计算单体电池的功率 P 单体 为

(4)单体电池的选择

根 据 以 上 计 算 结 果 ( 单 体 电 池 的 功 率1256.79W、放电时间20min和放电终止电压1.67V/只),按照厂家提供的蓄电池恒功率放电数据表,选择电池(参见后述2.4.2节)。

2.4.2 蓄电池的选择

(1)国外蓄电池的选择

国外蓄电池厂家一般均能提供蓄电池恒功

率放电数据。下面是C&D TECHNOLOGIES和EnerSys的UPS专用蓄电池的两个例子。

①C&D TECHNOLOGIES的蓄电池

查UPS专用高放电率VRLA蓄电池UPS12-540MR的恒功率放数据表(见表3)可知:UPS12-

540MR VRLA蓄电池放电20min,终止电压为1.67/只,单体电池的输出功率为451W/只。

根据蓄电池容量计算结果,每只单体电池的功率要求为1268.12W,因为1268.12/451=2.81,故可选择UPS12-540MR3组并联。每组32只12V的UPS12-540MR(包含6×32=192只单体电池)。

因为蓄电池计算总功率为243478.26W,现 配 置 3 组 蓄 电 池 , 配 置 的 蓄 电 池 总 功 率 为451×3×192=259776(W)>243478.26W。因此具有一定的功率裕量。

②EnerSys公司的蓄电池

查EnerSys公司16V UPS专用前置端子VRLA蓄电池Datasafe HX恒功率放电数据表(见表4)可知,16HX800F-FR放电20min,终止电压为1.67V/只,单体电池的输出功率为674W/只。

根据蓄电池容量计算结果,每只单体电池的功率要求为1268.12W,因为1268.12/674=1.88,故可选择这个蓄电池2组并联。每组配置24只16HX800F-FR(包含8×24=192只单体电池)。

因为蓄电池计算总功率为243478.26W,现配置2组蓄电池,每组由24只16HX800F-FR组成(包含8×24=192只单体电池)。配置的蓄电池总功率为674×2×192=258816(W)>243478.26W。因此具有一定的功率裕量。