UPS后備蓄電池容量計(jì)算方法介紹

1 概述

在很多的技術(shù)文章中經(jīng)常這樣描述蓄電池在UPS系統(tǒng)的重要性：蓄電池是UPS系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)UPS系統(tǒng)的可靠程度。但很少關(guān)注蓄電池配置問題，正確的選擇UPS后備電池容量，對(duì)UPS系統(tǒng)的正常運(yùn)行也是至關(guān)重要的。電池容量選擇過大造成投資的浪費(fèi)，容量選擇偏小不僅不能滿足UPS后備時(shí)間，造成安全事故，還因電池放電倍率太大，嚴(yán)重影響電池使用性能和壽命。

UPS后備蓄電池容量計(jì)算方法很多，各行各業(yè)都有相應(yīng)的計(jì)算方法選擇其側(cè)重點(diǎn)，下面收集行業(yè)中常用的幾種計(jì)算方法，供大家參考。同時(shí)我們注意到現(xiàn)有部份行業(yè)中UPS系統(tǒng)的負(fù)荷，當(dāng)電力出現(xiàn)問題時(shí)，負(fù)荷會(huì)分時(shí)段變化，此類系統(tǒng)中蓄電池容量的計(jì)算與選擇也是眾說紛紜，在此提供我們的計(jì)算方式供大家討論。

2 UPS后備蓄電池容量計(jì)算方法介紹

首先我們需要明確一下蓄電池容量的概念，根據(jù)YD/T799-2002標(biāo)準(zhǔn)定義，蓄電池容量(AH)是指在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下(25℃)，電池在給定時(shí)間指點(diǎn)終止電壓時(shí)(1.80V)，可提供的恒定電流(0.1C10)A與持續(xù)放電時(shí)間(10h)H的乘積(I*T)。

確定了UPS和蓄電池的品牌和UPS系統(tǒng)的后備時(shí)間，我們可以根據(jù)蓄電池的放電性能參數(shù)，通過功率法，估算法以及電源法等計(jì)算方法來計(jì)算確定蓄電池的型號(hào)和容量。

在UPS系統(tǒng)中，市電正常時(shí)，市電為能量源，UPS為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，蓄電池為能量儲(chǔ)存，后接負(fù)荷為能量消耗源，市電出現(xiàn)問題時(shí)，蓄電池作為能量源，UPS為能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，后接負(fù)荷仍為消耗源。

圖1

電力常用計(jì)算公式為W=UIt，P=UI。在電池作為能量源時(shí)同樣適用，也是所有UPS后續(xù)蓄電池容量計(jì)算的依據(jù)所在。

2.1 恒功率法(查表法)

該方法是能量守恒定律的體現(xiàn)，蓄電池提供的功等于后者稍大于負(fù)荷消耗功。

W負(fù)荷≤W電池，P負(fù)荷≤P電池

P負(fù)荷={P(VA)*Pf}/η

P電池=電池實(shí)際試驗(yàn)的恒功率數(shù)據(jù)

P負(fù)荷：電池組提供的總功率

P(VA)：UPS標(biāo)稱容量(VA)

Pf：UPS功率因子

η：逆變器轉(zhuǎn)換效率

Pnc：每cell需要提供的功率

n：機(jī)器配置的電池?cái)?shù)量

N：?jiǎn)误w電池cell數(shù)
V
min：電池單體終止電壓

具體計(jì)算步驟如下：

P負(fù)荷={P(VA)*Pf}/η

Pnc=P負(fù)荷/(N*n)

我們可以在廠家提供的如表1所示Vmin下的恒功率放電參數(shù)表中，找出P電池等于或者稍大于Pnc的功率值所對(duì)應(yīng)的型號(hào)蓄電池。如果表中所列的功率值P電池均小于Pnc，可以通過多組電池并聯(lián)的方式達(dá)到要求。

表1

恒功率法(查表法)是UPS蓄電池容量計(jì)算的最常用方法，蓄電池容量及型號(hào)的確定是根據(jù)對(duì)應(yīng)型號(hào)蓄電池實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)得來的，電池放電功率數(shù)據(jù)有限，不能滿足所有放電時(shí)間下的電池容量計(jì)算。不同電壓等級(jí)電池和同電壓等級(jí)不同容量電池因提供的恒功率與電池容量值沒有線性關(guān)系，故不同電壓等級(jí)和容量不可簡(jiǎn)單的數(shù)字換算來配置，需要嚴(yán)格按照提供的恒功率來配置。不同品牌蓄電池的產(chǎn)品性能存在差異，放電參數(shù)相差較大，顧同容量不同品牌電池也不可以互換。

蓄電池恒功率數(shù)據(jù)都來至與新電池試驗(yàn)數(shù)據(jù)，恒功率法(查表法)并沒有考慮蓄電池的折舊以及溫度的變化，顧該方法適用于UPS蓄電池運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定，且UPS負(fù)荷長時(shí)間在額定容量80%以下運(yùn)行時(shí)選用。

2.2 估算法

該方法是電力公式和蓄電池容量概念的體現(xiàn)。

根據(jù)已經(jīng)確定的UPS品牌及型號(hào)，我們可知蓄電池組最低電壓Umin。

I電池=W電池/(U電池*T)=P電池/U電池

C10=I電池/KCh

C10：蓄電池10小時(shí)率容量

KCh：容量換算系數(shù)(1/h)

中達(dá)電通DCF126系列蓄電池不同放電時(shí)率不同放電終止電壓下，電池的容量換算表(25℃)(表2)

表2

在UPS系統(tǒng)中，多數(shù)情況負(fù)荷容量是保持不變的，而電池組隨著放電時(shí)間逐漸降低的，根據(jù)P=UI可知電池組放電電流逐漸增大。為了計(jì)算方便，我們選擇蓄電池組的最大工作電流為我們的計(jì)算數(shù)據(jù)。

具體計(jì)算如下：

Imax：電池組提供最大電流

Umin：電池組最底工作電壓值

Imax={P(VA)*Pf}/(η*Umin)

C10=I/KCh

從估算法在計(jì)算的公式中我們可以看出，由于采用了Umin(電池組最低工作電壓值)，所以會(huì)導(dǎo)致要求的蓄電池組的安時(shí)容量偏大的局面。這是因?yàn)楫?dāng)蓄電池在剛放電時(shí)所需的放電電流明顯小于Imax的緣故，按目前的使用經(jīng)驗(yàn)，可以再計(jì)算出C10值的基礎(chǔ)上再乘以0.75校正系數(shù)。

2.3 電源法

該方法是在所介紹的UPS后備蓄電池容量計(jì)算方法中唯一標(biāo)準(zhǔn)(通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范YD/T5040-2005)支持的方法。此方法是仍舊是電力公式與蓄電池容量概念的結(jié)合方法來確認(rèn)蓄電池的容量，不過該方法比估算法更全面考慮UPS電池在整個(gè)服役期間的電池狀態(tài)，在電池運(yùn)行環(huán)境溫度變化交大時(shí)，更能準(zhǔn)確計(jì)算出電池的容量。具體計(jì)算方法如下：

I=(P(VA)*Pf)/µU
Q≥KIT/H(1+A(t-25))
I：電池組電流
Q：電池組容量(AH)
K：電池保險(xiǎn)系數(shù)，取1.25
T：電池放電時(shí)間
H：電池放電系數(shù)，見表3
U：蓄電池放電時(shí)逆變器的輸出電壓(V)(單體電池電壓為1.85V時(shí))
A：電池溫度系數(shù)(1/℃)當(dāng)放電小時(shí)率≥10時(shí)，取0.006，當(dāng)1≤放電率＜10時(shí)，取0.008，當(dāng)放電率＜1時(shí)，取0.01。
t：實(shí)際電池所在地最低環(huán)境溫度值，所在地有采暖設(shè)備時(shí)，按15℃考慮，無采暖設(shè)備時(shí)，按5℃考慮。

表3

此方法比較全面的考慮環(huán)境因數(shù)以及蓄電池容量衰減，UPS滿荷使用機(jī)率較大，以及重要使用場(chǎng)合選用此方法計(jì)算配置電池容量。

舉例說明：

臺(tái)達(dá)NT系列80KVA UPS后備時(shí)間30min，選用中達(dá)電通DCF126-12系列電池，計(jì)算電池容量。

臺(tái)達(dá)NT80KVA UPS直流終止電壓為300V及U臨界=300V，直流電壓為348V電池組選用29只12V電池，故N=29，n=6，U終壓=1.75V，UPS的功率因子Pf=0.8，逆變器轉(zhuǎn)換效率η=0.95。

(1)恒功率法
P(W)={P(VA)*Pf}/η
={80*1000*0.8}/0.95=67368.4(W)
Pnc=P(W)/(N*n)
=67368.4/(29*6)=387.2(W)

查中達(dá)電通DCF126-12系列電池恒功率表(表1)可知

DCF126-12/120電池終止電壓為1.75V時(shí)放電30min電池提供功率為217W。

電池組數(shù)量=387.2／217=1.78

即：選用2組120AH，計(jì)58節(jié)120AH電池。
(
2)估算法

Imax={P(VA)*Pf}/(η*Umin)=(80*1000*0.8)/(0.95*300)
=224.6(A)

查中達(dá)電通DCF126系列蓄電池不同放電時(shí)率不同放電終止電壓下，電池的容量換算表(25℃)(表2)可知KCh=0.98。

C10=I/KCh=224.6A/0.98=229(AH)

按照使用經(jīng)驗(yàn)，可在計(jì)算的基礎(chǔ)上再乘0.75校正系數(shù)。故需要電池安時(shí)數(shù)為229*0.75=172(AH)。即：可選用1組172h電池可以滿足負(fù)載的使用，根據(jù)中達(dá)電通12V系列蓄電池容量的設(shè)計(jì)規(guī)格，選用計(jì)1組12V/200AH電池或者2組12V/100AH電池，計(jì)29節(jié)200AH電池，或者58節(jié)100AH電池。

(3)電源法
Imax={P(VA)*Pf}/(η*U臨界)=(80*1000*0.8)/(0.95*300)
=224.6(A)
Q≥KIT/{Hηk[1+A(t-25)]}
≥1.25*224.6*0.5/{0.4*0.8[1+A(t-25)]}
≥438AH

30min電池的容量換算系數(shù)取0.4，(引用中達(dá)電通DCF126電池不同放電時(shí)率不同放電終止電壓下，電池的容量換算表)，溫度為25℃。

因電池組在實(shí)際放電過程中，放電電流明顯小于Imax的緣故，按照使用經(jīng)驗(yàn)，可在計(jì)算的基礎(chǔ)上再乘0.75校正系數(shù)。故需要電池安時(shí)數(shù)為438*0.75=328.5(AH)。即：選用3組120AH，計(jì)87節(jié)120AH電池。

3 UPS階梯負(fù)荷后備蓄電池容量計(jì)算方法介紹

現(xiàn)在越來越多行業(yè)應(yīng)用中特別是在鐵路，地鐵，能源行業(yè)中的UPS系統(tǒng)后接負(fù)荷會(huì)按照性質(zhì)或用途進(jìn)行分類，在市電出現(xiàn)問題時(shí)，負(fù)荷會(huì)按照負(fù)荷的性能和重要性先后退出系統(tǒng)，這就造成了UPS后接負(fù)荷是變化著，表現(xiàn)為階梯式負(fù)載。負(fù)荷的變化帶動(dòng)了蓄電池的放電過來中放電功率和速率的變化。

從蓄電池容量換算系數(shù)(1/h)表2中可以看出蓄電池能夠提供放電容量(功率)與持續(xù)放電時(shí)間相關(guān)聯(lián)的。故至今沒有一個(gè)方法能夠很準(zhǔn)確的計(jì)算出此類使用方式下的蓄電池實(shí)際需求容量。

階梯負(fù)荷后備蓄電池容量的計(jì)算我們借鑒的是火力發(fā)電廠、變電所直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(DL/T5044-95)中D.2階段負(fù)荷計(jì)算法，具體如下：

計(jì)算公式：

式中：
Cc：蓄電池放電率計(jì)算容量(AH)
KK：可靠系數(shù)，KK=Kt×Kd×Ka，Kk取1.40
Kt：溫度補(bǔ)償系數(shù)，取1.10
Kd：設(shè)計(jì)裕系數(shù)，取1.15
Ka：蓄電池老化系數(shù)，取1.10
I1，I2， ，In：各階段事故負(fù)荷電流(A)
KC1，KC2 ，KCn：各階段容量換算系數(shù)(1/h)。

在計(jì)算過程中，注意容量換算系數(shù)KC的選定，不同的蓄電池，不同的終止電壓及不同的放電時(shí)間，KC值是不同的。

UPS系y階梯式負(fù)荷的運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 階段負(fù)荷功率變化圖

為了計(jì)算方便，各階梯假設(shè)是恒定的，采用極限法確定蓄電池組的放電電流值，U值我們選用的1.80V/cell.顧電池組放電電流(I=P/U)就可以為如圖3所示。

圖3 蓄電池組放電流

4 總結(jié)

UPS后備蓄電池的容量計(jì)算方法很多，我們很難說出那種計(jì)算方法是最準(zhǔn)確的，各種計(jì)算方法各有側(cè)重點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮蓄電池的使用情況，UPS所帶負(fù)載情況以及應(yīng)用的場(chǎng)合來選擇適合的電池容量計(jì)算方法。■