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UPS机组和蓄电池的相关计算及选型

2024-10-18 180 上传者：管理员

摘要：介绍了 UPS 机组和蓄电池系统中的相关计算及选型，详细列出了计算公式、计算步骤、计算理解以及计算公式中的一些参数的意义、参数的出处和选取，最终以计算过程、计算结果为依据，达到合理选择、配置设备的目的。并模拟了实际工程案例，在示例中理解、消化理论计算。

关键词：
UPS机组
数据中心
电池开关柜
蓄电池
选型
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对于很多有重要用电负荷的工程或场所，如金融单位的数据机房、医院的信息中心、精密的检验仪器等，为了保证供电连续不间断，以及防止市电各种干扰、污染影响设备正常工作，需要设置UPS 不间断电源及后备蓄电池来保证可靠供电。这就会涉及到如何选择容量合适的 UPS 机组，如何根据不同的要求配置合适的蓄电池及电池开关柜方案，如何布置电池等问题。本文中，笔者将通过详细的计算，结合实际中的一些案例，系统地对 UPS 及电池的选择配置进行论述。

1、UPS 机组的容量计算及选型

根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》中第 8.1.7 条款，不间断电源 UPS 机组的容量可按公式 E ≥ 1.2P 计算[1]。其中，E 为不间断电源 UPS的基本容量，通常以 kV·A 为单位。P 为电子信息设备的计算负荷，即负载的容量，通常以 kW 为单位。式中“1.2”可以理解为冗余系数或者安全系数。因为 UPS 机组的运行状态在 60 %～80 % 区间最佳[2]，所以应尽量避免 UPS 机组满载运行。同时，留有一定的余量，既可以应变未来临时、少量的负载增加，又可以降低负载投切瞬时电流过大而造成 UPS 机组跳旁路的风险。

UPS 机组容量的计算相对比较简单，只涉及少量参数。但是，需注意两点：一是常规 UPS 机组的计量单位和负载的计量单位不一样，有一个换算的步骤，即有功功率与视在功率的换算(有功功率/功率因数=视在功率)[3]。二是负载的容量指的是计算负荷。计算负荷是一种假象的持续性负荷，区别于设备的实际负荷(也叫安装负荷)。计算负荷与安装负荷按下式转换：计算负荷=安装负荷 × 需要系数。

示例：某小型数据机房内设有IT 机柜 40 个，单机柜功率 4 kW,需要选择多大容量的 UPS 机组?首先，计算负载的计算负荷，P=40×4 kW × 0.85=136 kW(此处需要系数取 0.85，可根据不同的项目情况选取不同的需要系数)。然后，进行功率换算，P=136 ÷ 0.9=151 kV·A(常规 IT 机柜内大部分为存储、服务器设备，功率因数一般可高达 0.95 以上，此处按保守选择，取 0.9)。最后，计算 UPS 的基本容量，E ≥ 151 kV·A × 1.2=181 kV·A。当前主流 UPS 采用高频塔式和模块化两种机型，在容量档位选择上会略有差别，具体可根据项目实际要求选择。本次以高频机为例，在计算结果附近的常见可选容量档位为 120、160、200、250 kV·A，故 UPS 机组容量选择 200 kV·A。

2、蓄电池配置的计算及选型

蓄电池为UPS 机组在市电缺失时提供后备电源，保证重要负载持续正常工作。本文中讨论的为常见且广泛使用的 12 V 阀控式铅酸蓄电池。根据不同的 UPS 机组容量及备电时间要求，有不同的电池配置方案。电池配置包含单组串联及多组并联。对于 UPS 机组容量较小、备电时间较短的情况，采用多只电池串联成单组电池组即可满足要求。对于 UPS 机组容量较大或者备电时间较长的情况，单组电池组满足不了供电要求。因为 UPS 的直流充电电压有上限值[4]，限制了单组中电池的数量不可能无限增大，所以需要用多组电池并联以扩大电容量来满足供电要求。如图 1 所示，第 1 组和第 2 组电池各由 40 只电池组成。单组间电池按正→负→正→负的顺序依次串联起来。单组电池的电压就是电池数量乘以单只电池电压，即 40×12 V=480 V。因为两组电池间是并联关系，所以整个电池组的电压也就是 480 V。电池配置中具体单组中电池的数量、电池组的数量、电池的型号规格等详细配置需要通过详细的计算得出。本文中，只介绍蓄电池配置的常用计算方法—恒功率计算法。

2.1 恒功率计算法

恒功率计算法基于能量守恒定理，即电池提供的能量等于自身消耗的能量与负载所需的能量之和。根据计算公式

图1 电池组接线示意图

得出的结果，即为电池需要提供的功率，所选择的电池放电功率不小于此结果就视为满足供电要求。公式中：① W 为 UPS 满载放电时所需的蓄电池单元放电功率。② S 为 UPS 机组额定容量。③ cosφ为 UPS 机组输出功率因数，在已经明确选用的品牌型号的情况下，属于已知固定量，可通过查看产品的样本参数得出(见表 1)。如果暂未确定品牌型号，可按 cosφ=1 保守估算。因为计算出的数值最大，所以电池选型满足此结果即可满足 cosφ为任意值的情况。S × cosφ即为 UPS 机组满载的容量。④µ为 UPS 机组的逆变效率，在已经明确选用的品牌型号的情况下，也属于已知固定量，通过查看产品的样本参数得出(见表 1)。如果暂未确定品牌型号，µ可按 0.95 取值。µ小于 0.95 的 UPS 基本不在实际工程采购使用的范围内。因为电池提供的直流功率转变成负载需要的交流功率时，会有一部分功率以热量等形式损失掉，所以存在一个逆变效率。S × cosφ×µ即电池共需提供的直流功率。⑤n为单组中蓄电池数量，根据 UPS 机组的电池充电电压决定，是一个范围值。范围的上下限可查看产品的样本参数确定(见表 1)。⑥ 6 表示每只 12 V 电池内部有 6 个 2 V 单格电池。计算公式的最后除以 6，得出的是单格电池的需求容量(见表 2)，目的是匹配产品样本参数进行型号规格选择。大部分电池厂商的样本中提供的都是单格电池的放电参数。电池参数表中的单格终止电压一般不建议低于 1.7 V。截止电压过低，会导致电池过放电，从而缩短电池的使用寿命。

表1 某品牌 UPS 机组参数表[4]

表2 某品牌 150 A·h 蓄电池单格放电功率参数表

2.2 单组电池配置的计算示例

假设为一台80 kV·A 的 UPS 机组配置蓄电池，要求备电时间满足 15 min。根据上述计算公式，W=80 000 V·A × 1 ÷ 0.96 ÷ 36 ÷ 6=385 W(一组暂按 36 只电池选择)。按电池放电参数表，终止电压为 1.7 V 且放电 15 min 的功率参数为 441 W，所以设备提供的功率大于系统需要的功率，也就是单组 36 只 12 V 150 A·h 的蓄电池配置即可满足 80 kV·A UPS 满载备电 15 min 的要求。但是，441 W 比 385 W 额外超出很多功率，容量超配较多。若选择一组 32 只电池代入计算，得到W=434 W，仍然大于需求功率，所以单组 32 只 12 V 150 A·h 的蓄电池配置同样满足要求。因此，可以利用单组电池数量可调的特点，通过计算，灵活选择配置。

2.3 多组电池配置的计算示例

假设为一台300 kV·A 的 UPS 机组配置蓄电池，要求备电时间满足 15 min。根据上述计算公式 W=1 446 W(一组暂按 36 只电池选择)，对比电池放电参数表，发现设备提供的功率远小于需求功率。此时可以明确单组电池满足不了要求，就需要多组电池并联[5]。并联组数的计算公式：需求功率/单元功率=并联电池组的数量，所以用 1 446 W ÷ 441 W=3.2 组，取整应该是 4 组，但是发现有 0.8 组电池是超配的，所以有必要调整电池配置方案。再次重新选择单组电池数量，选择 40 只一组代入计算得 W=1 302 W，1 302 W ÷ 441 W=2.95，取整是 3 组，超配量较小，比较合理，所以 3 组电池组并联，每组 40 只 12 V 150 A·h 蓄电池可以满足 300 kV·A UPS 满载备电 15 min 的要求。

2.4 电池配置方案的选择

通过以上分析可以得知，蓄电池的配置方案很多时候并不是唯一的，主要受单组电池的数量、所选电池的规格(100 A·h、150 A·h、200 A·h 等)、机组的参数，以及是注重经济性还是注重更大的冗余量等因素决定。具体配置时可根据实际工程情况进行取舍。

2.5 电池安装方案的选择

电池一般安装于电池架或电池柜内。根据所选电池的规格尺寸、数量及现场电池间的安装环境，制定合适的电池架或电池柜方案[6]。以第 2.3 节为例，查得某品牌 12 V 150 A·h 的大小为 504 mm ×172 mm × 230 mm(长×宽×高)，选用电池架的布置方案，双列布置，每层布置 40 只电池，共需 3 层(见图 2)。电池架两侧留出适当的安装操作空间[6]。

3、直流开关柜的计算及选型

在蓄电池组和UPS 机组之间需要设置一个直流开关柜，主要起控制和保护的功能。直流开关柜内常规需包含电池分组直流开关、电池组总输出直流开关、开关附件、铜排等设备。开关采用专用直流断路器或者专用直流负荷开关配合熔断器的方案。电池组的总输出开关需要配套辅助触点及脱扣保护线圈，便于控制 UPS 机组监控开关的状态和 UPS 机组对开关，在系统异常时根据 UPS 机组发出的指令跳开电池组总输出开关。直流开关柜的计算就是指电池放电时线路直流电的大小。根据直流电的大小选择额定电流合适的直流开关。

干线电流计算公式：

式中：I—充电干线的计算电流；S—UPS 机组的设备额定容量；cosφ—UPS 机组输出功率因数；µ—UPS 机组的逆变效率；n—单组蓄电池数量；6—每个 12 V 电池内部有 6 个 2 V 单格；1.7 V—电池放电的截止电压。

当得出干线直流电流后，正常情况下，支线的直流电流=干线电流 ÷ 并联电池组的数量，但是对于一些比较重要的数据中心，要考虑 1 组电池因故退出运行后，剩余电池按电源设备满容放电情况，所以支线电流计算公式为：

式中，i为充电支线的计算电流，N 为并联电池组的数量。

以上文300 kV·A 的 UPS 机组配置 3 组电池、每组 40 只的方案为例。计算干线电流，I=300 kV·A × 1 ÷ 0.96 ÷ 40 ÷ 6 ÷ 1.7 V=765 A，所以电池组总输出开关可选择 800 A 直流断路器。计算支线电流，i=765 A ÷ (3-1)=382 A，所以电池分组开关可选择 400 A 直流断路器。绘制出电池开关柜系统(见图 3)后，即可交由盘厂完成开关柜的生产。

4、结束语

UPS 机组和蓄电池系统的相关计算涉及较多的参数，而且它的计算结果受多种因素影响和制约，所以最终的设备选择和配置方案往往不是一成不变的。本文中，笔者对此进行了详细的阐述，以理解为基础，灵活运用，在工作中以现场实际条件出发，得出最适合的应用方案。

图2 电池架正视及侧视立面图

图3 电池直流开关柜系统图

参考文献:

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.数据中心设计规范:GB 50174—2017[S].北京:中国计划出版社,2017.

[2]中国建筑标准设计研究院.UPS 与 EPS 电源装置的设计与安装:15D202-3[S].北京:中国计划出版社,2015.

[3]中国航空规划设计研究院总院有限公司.工业与民用供配电设计手册[M].4 版.北京:中国电力出版社,2016.

[4]深圳科士达科技股份有限公司.数据中心基础设施产品彩页—2023 版[OL].

[5]中华人民共和国信息产业部.通信电源设备安装工程设计规范:YD/T 5040—2005[S].北京:北京邮电大学出版社,2005.

[6]中国建筑标准设计研究院.数据中心工程设计与安装:18DX009[S].北京:中国计划出版社,2021.

文章来源:杜松.UPS机组和蓄电池的相关计算及选型[J].蓄电池,2024,61(05):246-250.