浅析UPS蓄电池容量的优化选择及连接方式

　　由于每个生产厂,每一系列,每一批次的蓄电池都存在质量的差异,内在质量很难鉴别,因此在选购蓄电池时要参考长期的使用经验,应优选大厂名牌产品,相同容量(Ah)的蓄电池,优选体积大,质量重,极板厚,电解液比重小的蓄电池。设计中对蓄电池容量的要求主要考虑系统在备用时间内的负荷及市电停电的维修时间;并兼顾多点同时发生停电的处理时间。

　　蓄电池容量的选择要根据蓄电池实际放电电流和所要求的备用时间来决定,选择蓄电池的容量时,应先计算出要求放电的电流值,然后根据蓄电池生产厂提供的放电特性曲线和用户要求的备用时间进行选择。

　　(1)蓄电池最大放电电流计算

　　蓄电池最大放电电流为

　　式中,Imax为蓄电池最大放电电流(A);P为额定输出功率(W);cosφ为负载功率因数(用于UPS系统,考虑系统输出的cosφ,若为非逆变系统的应用,cosφ=1);η为效率;E临界为放电时单体蓄电池的临界放电电压(12V蓄电池的临界放电电压取10V);N为蓄电池组的单体蓄电池数。

　　(2)放电电流计算

　　由于在放电过程中,蓄电池的放电电流是变化的,蓄电池刚放电时的电流值明显小于Imax,根据蓄电池的放电状态,一般取0.75作为校正因数,即蓄电池实际所需的放电电流为

　　I=0.75Imax

　　(3)蓄电池容量计算

　　计算出蓄电池实际的放电电流值后,再根据所要求的备用时间,按照蓄电池生产厂所提供的蓄电池放电特性曲线,找出要求蓄电池组提供的放电速率,按下式计算出要求配置的蓄电池容量

　　实际需要配置蓄电池容量为

　　式中,C为需要配置的蓄电池组容量;K为安全系数,一般取1.25;I为负荷电流(2V系列蓄电池考虑5年的发展,12V系列不考虑发展);T为放电小时数;n为放电容量系数(通信蓄用电池选n=0.9,电力n=0.95,UPS系统n=1);t温度调整系数(北京地区选0,中南部地区选5)

　　(4)设计实例

　　一台100kVA的UPS,其负载功率因数为0.8,逆变效率为91%,蓄电池组由30节12V蓄电池组成,要求备用时间为2h,蓄电池选GFM系列密封铅酸蓄电池,其放电特性曲线如图1所示。

　　计算蓄电池的最大放电电流为

　　计算蓄电池的实际放电电流值

　　I=0.75Imax=0.75×293A=219.8A

　　根据备用时间为2h,从厂商提供的蓄电池放电特性曲线中查出,蓄电池的放电速率为0.28C10,则蓄电池的容量为:

　　要配置的蓄电池的规格为:采用4组蓄电池并联,每组由30节12V/200Ah蓄电池串联。

　　蓄电池在各类UPS中扮演了不可替代的重要角色,随着电化学技术的发展,密封阀控铅酸蓄电池占有电源市场的绝大多数份额。在小型UPS中多采用12V/40Ah组合密封阀控蓄电池,它的特点是维护简单,不用补充水,同时体积较小,使用安全方便。

　　但在大中型UPS中,有些用户仍然沿用6V或12V组合密封阀控蓄电池,这是不可取的,因为大中型UPS在设计中虽然提高了蓄电池工作电压,但蓄电池的工作电流增加的更多,甚至超过100A。如此大的放电电流对6V或12V的组合蓄电池来说是不可接受的,对在大中型UPS中应用的蓄电池应选用2V系列的蓄电池。

　　2 蓄电池组的连接方式

　　对于采用多组小容量蓄电池并联方案,从电路角度去分析使各组内的蓄电池放电电流减小。如果有四组相同的蓄电池做并联放电,那么每组蓄电池只需承担1/4总电流就可以工作了。但在实际应用中情况往往会复杂得多,以一组384V/100Ah的蓄电池为例,分析其放电过程。

　　在保证12V/100Ah蓄电池具有三年使用寿命的前提下,必须将放电电流控制在25A以下。因此用四组100Ah蓄电池并联成的,即32个12V/100Ah蓄电池串联成一组,再用四个这样的蓄电池组并联在一起工作,宏观看象是384V/400Ah的一个大蓄电池组。

　　但在这个由32×4=128块单体蓄电池构成的蓄电池系统中,要保证其特性处处一致,对工厂生产来说绝非易事。在每一单体12V的蓄电池中分为6个小格,每格是一个2V蓄电池。在128块12V蓄电池中,共有6×128=768个单格。由于是密封结构的缘故,一般是无法得知每格的内部情况,又因各小格电压会产生差异,最终缩短了蓄电池寿命。

　　另外在四个并联蓄电池组中,如发生个别蓄电池断路,将减少总维持时间;如发生个别蓄电池电压低落,则会使整个大蓄电池组电压下降,影响正常使用。为避免这种现象的影响,在小电流混联电路中可以加装各支路熔断器,但大电流工作时熔断器的降压及负面效应将会影响正常工作。

　　综上所述,在大中型UPS中采用小容量蓄电池组进行混联的做法是不适宜的,应使用2V单体系列蓄电池。该系列蓄电池设计寿命一般为15年,最低保质8年,容量可达3000Ah。结合上例选用2V系列的具体应用为:

　　选192块2V/400Ah蓄电池,串联成一个384V/400Ah大蓄电池组,由于每个单体蓄电池看得见、摸得着,因此所有蓄电池的状态便一目了然。即使个别蓄电池出现差异也能单独处理,避免了组合蓄电池中的种种弊端。

　　以上两种方案的构成成本计算如下:

　　12V/100Ah蓄电池单体价格为850元,寿命三年;

　　2V/400Ah蓄电池单体价格为1050元,寿命八年;

　　以前面的示例(384V/400Ah蓄电池):

　　①采用组合蓄电池初期投资:850×128=108800元。折算为年成本:108800/3=36267元。

　　②采用2V蓄电池一次投资:1050×192=201600元。折算为年成本:201600/8=25200元

　　以上只是做了一个简单对比,如果从包括维护及故障影响等诸因素综合考虑,在大中型UPS上使用2V系列蓄电池组会更可靠、更经济。

　　例如:某UPS的功率输出为50kVA,其直流电压范围330～480V;放电时间30min;单体终止电压1.67V;UPS效率90%;功率因数0.95。计算与选择步骤:

　　①将UPS的kVA数转换为kW数