UPS电源后备非凡蓄电池容量计算方法介绍

蓄电池是UPS电源系统中的重要组成部分，其优劣直接关系到整个UPS电源后备机系统的可靠程度,其容量的正确选择对UPS系统的正常运行也是至关重要的。电池容量过大会造成投资的浪费，容量偏小又不能满足UPS后备时间，造成安全事故，还会因电池放电倍率太大，严重影响电池使用性能和寿命。

　　因此介绍几种常用的电池容量计算方法以供大家参考。

　　一、恒功率法(查表法)

　　该方法是能量守恒定律的体现，蓄电池提供的功率等于后者稍大于负荷消耗功率。

　　W负荷≤W电池,P负荷≤P电池,P负荷={P,(VA)×Pf}/η;P电池=电池实际试验的恒功率数据;P负荷为电池组提供的总功率;P(VA)为UPS标称容量(VA);Pf为UPS功率因数;η为逆变器转换效率;Pnc为每cell需要提供的功率;n为机器配置的电池数量;N为单体电池cell数;Vmin为电池单体终止电压。具体计算步骤如下：

　　P负荷={P(VA)×Pf}/η

　　Pnc=P负荷/(N×n)

　　可以在厂家提供的Vmin下的恒功率放电参数表中，找出P电池等于或者稍大于Pnc的功率值所对应的型号蓄电池。如果表中所列的功率值P电池均小于Pnc。可以通过多组电池并联的方式达到要求。

　　恒功率法(查表法)是UPS蓄电池容量计算的最常用方法，蓄电池容量及型号的确定是根据对应型号蓄电池实际试验数据得来的，电池放电功率数据有限，不能满足所有放电时间下的电池容量计算。不同电压等级电池和同电压等级不同容量电池因提供的恒功率与电池容量值没有线性关系，故不同电压等级和容量不可简单的数字换算来配置，需要严格按照提供的恒功率来配置。不同品牌蓄电池的产品性能存在差异，放电参数相差较大，顾同容量不同品牌电池也不可以互换。

　　蓄电池恒功率数据都来自新电池试验数据，恒功率法(查表法)并没有考虑蓄电池的折旧以及温度的变化，顾该方法适用于UPS蓄电池运行环境稳定，且UPS负荷长时间在额定容量80%以下运行时选用。

　　二、估算法

　　该方法是和电力公式和蓄电池容量概念的体现。根据YD/T799-2002标准定义，蓄电池容量(AH)是指在标准环境温度下(25℃)，电池在给定时间指点终止电压时(1.80v)，可提供的恒定电流(0.1C10)A与持续放电时间(10h)H的乘积(I×T)。

　　电力常用计算公式为W=UIt，P=UI。

　　根据已经确定的UPS品牌及型号，可知蓄电池组最低电压Umin。

　　I电池=W电池/(U电池×T)=P电池/U电池

　　C10=I电池/KChC10蓄电池10小时率容量

　　KCh容量换算系数(1/h)--DCF126系列蓄电池不同放电时间不同放电终止电压下，电池的容量换算表(25℃)。

　　在UPS系统中，多数情况负荷容量是保持不变的，而电池组随着放电时间逐渐降低的，根据P=UI可知电池组放电电流逐渐增大。为了计算方便，选择蓄电池组的最大工作电流为计算数据。

　　具体计算如下：

　　Imax电池组提供最大电流

　　Umin电池组最底工作电压值

　　Imax={P(VA)×Pf}/(η×Umin)

　　C10=I/Kc

　　依据计算公式可以看出，由于采用了电池组最低工作电压值Umin，所以会导致要求的蓄电池组的安时容量偏大的局面。这是因为当蓄电池在刚放电时所需的放电电流明显小于Imax的缘故。按目前的使用经验，可以再计算出C10值的基础上再乘以0.75校正系数。

　　三、电源法

　　该方法比估算法更全面考虑UPS电池在整个使用期间的电池状态，在电池运行环境温度变化较大时，更能准确计算出电池的容量。具体计算方法如下：

　　I=(P(VA)×Pf)/U

　　Q≥KIT/H(1+A(t-25))

　　I电池组电流Q电池组容量(ah)

　　K电池保险系数,取1.25T电池放电时间

　　H电池放电系数，U蓄电池放电时逆变器的输出电压(V)(单体电池电压为1.85V时)A电池温度系数(1/℃)当放电小时率≥10时，取0.006，当1≤放电率<10时，取0.008，当放电率<1时，取0.01。

　　t实际电池所在地最低环境温度值，所在地有采暖设备时，按15℃考虑，无采暖设备时，按5℃考虑。此方法比较全面的考虑环境因数以及蓄电池容量衰减，UPS满荷使用机率较大时，或重要使用场合宜选用此方法计算配置电池容量。以后备时间30min的80KVAUPS为例,选用某品牌DCF126-12系列电池进行计算。

　　80KVAUPS电源终止电压为300V及U临界=300V,直流电压为348V电池组选用29只12V电池,故N=29,n=6,U终压=1.75vUPS的功率因子Pf=0.8,逆变器转换效率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DCF126-12系列电池恒功率表(表1)可知DCF126-12/120电池终止电压为1.75v时放电30min电池提供功率为217W。

　　电池组数量=387.2/217=1.78

　　即:选用2组120ah,计58节120ah电池。

　　(2)估算法

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

　　查DCF126系列蓄电池不同放电时率不同放电终止电压下，电池的容量换算表(25℃)(表2)可知KCh=0.98。

　　C10=I/KCh=224.6A/0.98=229(Ah)

　　按照使用经验，可在计算的基础上再乘0.75校正系数。故需要电池安时数为

　　229×0.75=172(Ah)。即:可选用1组172h电池可以满足负载的使用，根据该品牌12v系列蓄电池容量的设计规格,选用计1组12v200ah电池或者2组12v100ah电池，计29节200ah电池，或者58节100ah电池。

　　(3)电源法

　　Imax={P(VA)×Pf}/(η×U临界)=(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电池的容量换算系数取0.4,(引用该品牌DCF126电池不同放电时率不同放电终止电压下，电池的容量换算表),温度为25℃。

　　因电池组在实际放电过程中，放电电流明显小于Imax的缘故，按照使用经验，可在计算的基础上再乘0.75校正系数。故需要电池安时数为438×0.75=328.5(Ah)即:选用3组120ah,计87节120ah电池。

　　四、UPS电源阶梯负荷后备蓄电池容量计算方法介绍

　　现在越来越多行业应用中，特别是在铁路、地铁、能源行业中的UPS系统后接负荷会按照性质或用途进行分类，在市电出现问题时，负荷会按照负荷的性能和重要性先后退出系统，这就造成了UPS后接负荷是变化的，表现为阶梯式负载。负荷的变化带动了蓄电池的放电过程中放电功率和速率的变化。从蓄电池容量换算系数(1/h)表2中可以看出蓄电池能够提供放电容量(功率)与持续放电时间相关联的。因此至今没有一个方法能够很准确计算出此类使用方式下的蓄电池实际需求容量。

　　阶梯负荷后备蓄电池容量的计算借鉴的是火力发电厂、变电所直流系统设计技术规定(DL/T5044-95)中

　　D.2阶段负荷计算法，具体如下：

　　计算公式：

　　Cc——蓄电池放电率计算容量(Ah)

　　KK——可靠系数，KK=Kt×Kd×Ka，Kk取1.40;

　　Kt——温度补偿系数,取1.10;

　　Kd——设计裕度系数,取1.15;

　　Ka——蓄电池老化系数,取1.10;

　　I1，I2，In——各阶段事故负荷电流(A);Kc1，Kc2，Kcn——各阶段容量换算系数(1/h)。

　　在计算过程中，注意容量换算系数KC的选定，不同的蓄电池、不同的终止电压及不同的放电时间，Kc值是不同的。

　　UPS电源系统阶梯式负荷的运行，如图1所示。图1阶段负荷功率变化图为了计算方便，各阶梯假设是恒定的，采用极限法确定蓄电池组的放电电流值，U值选用的1.80V/cell.顾电池组放电电流(I=P/U)就可以为如图2所示。

　　图2蓄电池组放电流

 

　　UPS后备电源蓄电池的容量计算方法很多，很难说出那种计算方法是最准确的，各种计算方法各有侧重点，在实际应用中需要综合考虑蓄电池的使用情况，UPS所带负载情况以及应用的场合来选择适合的电池容量计算方法。