UPS后備蓄電池容量計算方法介紹

UPS后備蓄電池容量計算方法介紹 

 
1 概述
在很多的技術文章中經常這樣描述蓄電池在UPS系統的重要性：蓄電池是UPS系統中的一個重要組成部分，它的優劣直接關系到整個UPS系統的可靠程度。但很少關注蓄電池配置問題，正確的選擇UPS后備電池容量，對UPS系統的正常運行也是至關重要的。電池容量選擇過大造成投資的浪費，容量選擇偏小不僅不能滿足UPS后備時間，造成安全事故，還因電池放電倍率太大，嚴重影響電池使用性能和壽命。
UPS后備蓄電池容量計算方法很多，各行各業都有相應的計算方法選擇其側重點，下面收集行業中常用的幾種計算方法，供大家參考。同時我們注意到現有部份行業中UPS系統的負荷，當電力出現問題時，負荷會分時段變化，此類系統中蓄電池容量的計算與選擇也是眾說紛紜，在此提供我們的計算方式供大家討論。
2 UPS后備蓄電池容量計算方法介紹
首先我們需要明確一下蓄電池容量的概念，根據YD/T799-2002標準定義，蓄電池容量(AH)是指在標準環境溫度下(25℃)，電池在給定時間指點終止電壓時(1.80V)，可提供的恒定電流(0.1C10)A與持續放電時間(10h)H的乘積(I*T)。
確定了UPS和蓄電池的品牌和UPS系統的后備時間，我們可以根據蓄電池的放電性能參數，通過功率法，估算法以及電源法等計算方法來計算確定蓄電池的型號和容量。
在UPS系統中，市電正常時，市電為能量源，UPS為能量轉換設備，蓄電池為能量儲存，后接負荷為能量消耗源，市電出現問題時，蓄電池作為能量源，UPS為能量轉換設備，后接負荷仍為消耗源。
 電力常用計算公式為W=UIt，P=UI。在電池作為能量源時同樣適用，也是所有UPS后續蓄電池容量計算的依據所在。
2.1 恒功率法(查表法)
該方法是能量守恒定律的體現，蓄電池提供的功等于后者稍大于負荷消耗功。
W負荷≤W電池，P負荷≤P電池
P負荷={P(VA)*Pf}/η
P電池=電池實際試驗的恒功率數據
P負荷：電池組提供的總功率
P(VA)：UPS標稱容量(VA)
Pf：UPS功率因子
η：逆變器轉換效率
Pnc：每cell需要提供的功率
n：機器配置的電池數量
N：單體電池cell數
Vmin：電池單體終止電壓
具體計算步驟如下：
P負荷={P(VA)*Pf}/η
Pnc=P負荷/(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表中，找出P電池等于或者稍大于Pnc的功率值所對應的型號蓄電池。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的方式達到要求。 
恒功率法(查表法)是UPS蓄電池容量計算的最常用方法，蓄電池容量及型號的確定是根據對應型號蓄電池實際試驗數據得來的，電池放電功率數據有限，不能滿足所有放電時間下的電池容量計算。不同電壓等級電池和同電壓等級不同容量電池因提供的恒功率與電池容量值沒有線性關系，故不同電壓等級和容量不可簡單的數字換算來配置，需要嚴格按照提供的恒功率來配置。不同品牌蓄電池的產品性能存在差異，放電參數相差較大，顧同容量不同品牌電池也不可以互換。
蓄電池恒功率數據都來至與新電池試驗數據，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蓄電池運行環境穩定，且UPS負荷長時間在額定容量80%以下運行時選用。
2.2 估算法
該方法是電力公式和蓄電池容量概念的體現。
根據已經確定的UPS品牌及型號，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小時率容量
KCh：容量換算系數(1/h)
中達電通DCF126系列蓄電池不同放電時率不同放電終止電壓下，電池的容量換算表(25℃) 
在UPS系統中，多數情況負荷容量是保持不變的，而電池組隨著放電時間逐漸降低的，根據P=UI可知電池組放電電流逐漸增大。為了計算方便，我們選擇蓄電池組的最大工作電流為我們的計算數據。
具體計算如下：
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)，所以會導致要求的蓄電池組的安時容量偏大的局面。這是因為當蓄電池在剛放電時所需的放電電流明顯小于Imax的緣故，按目前的使用經驗，可以再計算出C10值的基礎上再乘以0.75校正系數。
2.3 電源法
該方法是在所介紹的UPS后備蓄電池容量計算方法中唯一標準(通信電源設備安裝工程設計規范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合方法來確認蓄電池的容量，不過該方法比估算法更全面考慮UPS電池在整個服役期間的電池狀態，在電池運行環境溫度變化交大時，更能準確計算出電池的容量。具體計算方法如下：
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：電池保險系數，取1.25
T：電池放電時間
H：電池放電系數，見表3
U：蓄電池放電時逆變器的輸出電壓(V)(單體電池電壓為1.85V時)
A：電池溫度系數(1/℃)當放電小時率≥10時，取0.006，當1≤放電率＜10時，取0.008，當放電率＜1時，取0.01。
t：實際電池所在地最低環境溫度值，所在地有采暖設備時，按15℃考慮，無采暖設備時，按5℃考慮。 
此方法比較全面的考慮環境因數以及蓄電池容量衰減，UPS滿荷使用機率較大，以及重要使用場合選用此方法計算配置電池容量。
舉例說明：
臺達NT系列80KVA UPS后備時間30min，選用中達電通DCF126-12系列電池，計算電池容量。
臺達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時放電30min電池提供功率為217W。
電池組數量=387.2／217=1.78
即：選用2組120AH，計58節120AH電池。
(2)估算法
Imax={P(VA)*Pf}/(η*Umin)=(80*1000*0.8)/(0.95*300)
=224.6(A)
查中達電通DCF126系列蓄電池不同放電時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)
按照使用經驗，可在計算的基礎上再乘0.75校正系數。故需要電池安時數為229*0.75=172(AH)。即：可選用1組172h電池可以滿足負載的使用，根據中達電通12V系列蓄電池容量的設計規格，選用計1組12V/200AH電池或者2組12V/100AH電池，計29節200AH電池，或者58節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取0.4，(引用中達電通DCF126電池不同放電時率不同放電終止電壓下，電池的容量換算表)，溫度為25℃。
因電池組在實際放電過程中，放電電流明顯小于Imax的緣故，按照使用經驗，可在計算的基礎上再乘0.75校正系數。故需要電池安時數為438*0.75=328.5(AH)。即：選用3組120AH，計87節120AH電池。
3 UPS階梯負荷后備蓄電池容量計算方法介紹
現在越來越多行業應用中特別是在鐵路，地鐵，能源行業中的UPS系統后接負荷會按照性質或用途進行分類，在市電出現問題時，負荷會按照負荷的性能和重要性先后退出系統，這就造成了UPS后接負荷是變化著，表現為階梯式負載。負荷的變化帶動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(1/h)表2中可以看出蓄電池能夠提供放電容量(功率)與持續放電時間相關聯的。故至今沒有一個方法能夠很準確的計算出此類使用方式下的蓄電池實際需求容量。
階梯負荷后備蓄電池容量的計算我們借鑒的是火力發電廠、變電所直流系統設計技術規定(DL/T5044-95)中D.2階段負荷計算法，具體如下：
計算公式：
 式中：
Cc：蓄電池放電率計算容量(AH)
KK：可靠系數，KK=Kt×Kd×Ka，Kk取1.40
Kt：溫度補償系數，取1.10
Kd：設計裕系數，取1.15
Ka：蓄電池老化系數，取1.10
I1，I2， ，In：各階段事故負荷電流(A)
KC1，KC2 ，KCn：各階段容量換算系數(1/h)。
在計算過程中，注意容量換算系數KC的選定，不同的蓄電池，不同的終止電壓及不同的放電時間，KC值是不同的。
UPS系統階梯式負荷的運行。 
為了計算方便，各階梯假設是恒定的，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。
4 總結
UPS后備蓄電池的容量計算方法很多，我們很難說出那種計算方法是最準確的，各種計算方法各有側重點，在實際應用中需要綜合考慮蓄電池的使用情況，UPS所帶負載情況以及應用的場合來選擇適合的電池容量計算方法。