蓄電池正確使用方法——雷地防雷工程

                      2020-04-13

                      UPS(Uninterruptible Power System)系統,即不間斷電源系統,串聯于交流基礎電源與受電設備之間,在市電停電后,可繼續為設備供電一段時間,同時消除市電上的電涌、瞬間過電壓、欠電壓和頻率偏移等“電源污染”對受電系統的影響,提高供電質量。

                      蓄電池組是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,而且又是整個UPS系統中平均無故障時間最短的一種器件。因此,蓄電池組的選擇直接影響到UPS系統的可靠性。

                      1 UPS系統的蓄電池發展趨勢

                      從UPS的運用環境上看,大功率UPS產品主要應用在電信、工業、金融、政府等行業及航空航天等大型數據中心。在數據中心供電系統中,蓄電池的發展有以下幾個特點:

                      (1)備電時間短

                      蓄電池的作用在于:當市電出現故障后,油機起動和切換的時間內支持UPS繼續向負載供電。但是,由于柴油發電機的起動時間一般在10~15s內,而電網向油機切換時間僅有幾百毫秒,所以蓄電池的備電時間很短,但考慮到大電流放電的電池容量利用率低,因此,備電時間5~15min就足夠了。

                      (2)高功率

                      從市場情況看,2012年開始,100kVA、120kVA、200kVA、400kVA等大功率的UPS產品取得了快速增長,大功率產品已超過中小功率的市場份額。由于大功率UPS產品逐漸成為市場的主流,而且備電時間逐漸縮短,因此蓄電池的放電功率也逐漸提高。

                      2 蓄電池選型--恒功率法

                      (1)恒功率計算方法

                      蓄電池是通過UPS的逆變器向負載放電,由于UPS向負載供電功率是恒定的,所以電池也是恒功率放電。對于UPS選擇電池,其主機容量、蓄電池功率、備電時間、電池容量等都是重要的參數。因此,UPS系統中后備電源選型方法中最普遍的方法是恒功率法。

                      恒功率P(nc)計算公式為式中,P(VA)—UPS標稱容量(VA);

                      PF—UPS負載功率因數;

                      η—逆變器轉換效率;

                      n—機器配置的電池數量;

                      N—單體電池數量。

                      根據廠家恒功率放電數據表中選擇合適的產品規格。

                      (2)電池選型計算舉例

                      例如:UPS功率為P(VA)=80kVA,電池后備時間為15min,負載功率因數PF=0.9,逆變器轉換效率η=0.94,放電終止電壓為1.67V/單格;UPS直流電壓為384V,N=384/12=32只,n=6(電池單格數),則

                      因此,備電時間為15min,放電終止電壓為1.67V,其電池功率需398.2W(見表1)。

                      因此,直流380V、80kVA的UPS系統,備電時間為15min,應當選擇一組32只12VHRL-400電池即可。

                      3 高功率型電池的優勢

                      (1)高功率密度

                      目前,大多數UPS設備的功率逐漸提升,這也導致了設備的平均單機功率密度增加。據ASHRAE2預測,2014年國內數據中心平均單機功率密度大約為3.7kW,而全球數據中單機柜功率密度大約6.5kW。UPS系統的功率密度的提升加重了系統的冷卻性能和電池的功率性能的負擔,蓄電池功率提升也為了適應當今UPS系統功率不斷提升的需要,因此,高功率型蓄電池將成為未來UPS系統后備電源的必然選擇。

                      例如,放電條件:15min備電時間,放電至終止電壓為1.67(V/單格)。南都功率型電池(HRL-400,相同標稱容量)的功率性能就由310(W/只)提升到400(W/只),電池的功率上升幅度達到27%,如圖1所示。大幅提升了蓄電池的恒功率的放電性能。

                      (2)節省空間/成本

                      數據中心的持續增加,促進了UPS市場的積極增長,這當然也包括了蓄電池。然而,由于建設的成本不斷推高,對于需要占有大量空間的后備電源來說,使用高功率電池可以減少電池使用數量,從而節省更多空間。另外,當電池的功率性能提升時,那么其功率的單價則將大幅減少,降低電池采購成本。

                      ①節省空間

                      后備電源往往需要占用大量空間,而目前的大型數據中心的建設成本大約為每平方米2~3萬元,電池占用空間節省,顯然其節省的經濟效益也是相當可觀的。

                      例如,根據公式處理所得

                      以南都電池HRL-400為例

                      當恒功率性能提升27%時,那么其實際需要使用的數量將相應地減少21%,這就大大減少了電池所需占用的空間,從而節約電池采購成本以及空間成本。

                      ②節省成本

                      電池成本如果按照容量計算,對于容量相同的電池,這樣并不能體現高功率型電池價格的優勢。另外,現在電池的選擇方式逐漸以恒功率法的選擇方式為主。因此,電池的單價應該以功率的價格計算為主(元/瓦)。

                      例如:

                      式中,M電池—電池的價格(元);

                      P15min—15min的額定容量(W);

                      m單價—電池單價(元/瓦);

                      單個電池的功率提升時,其電池的單價也將相

                      應減少,因此高功率型電池單價(元/瓦)將有較大幅

                      度地下降,從而也節省了電池采購成本。

                      (3)高可靠性/長壽命

                      隨著UPS系統技術的不斷進步,不論是普通型UPS還是大型數據中心的UPS系統對蓄電池的可靠性和使用壽命的要求也越來越高。因此,針對上述情況,國內外廠家也加大了研發力度。因此,不僅提升了蓄電池的功率性能,而且還提升了高功率型電池的可靠性和使用壽命。

                      (4)節能減排

                      下一代綠色數據中心將力求實現“節能環保,綠色低碳”,并大力提倡全生命周期低碳運營的思想,涵蓋規劃設計、設備材料選型、建設實施、運維管理各個環節,從技術和管理上綜合開展節能減排工作。

                      選擇高功率型電池,其蓄電池使用的數量與相應的數據中心蓄電池占用空間減少,也使得電池維護成本降低;同時,蓄電池充電時產生的熱量也隨之減少,這對數據中心中空調運行的數量及其空調運行所需的電量也將大幅降低。由于建設用地、電池維護、空調運行等方面的實際需求量減少后,這樣就使整個數據中心更好地達到了節能減排的目標,真正地實現了“低碳、綠色”。

                      4 結束語

                      當前,國內的數據中心產業逐漸上升為國家戰略,大型數據中心的使用數量逐漸增多,使得UPS系統的使用將會越來越廣泛,依據電池的恒功率放電性能也將成為主要的選擇方式。另外,高功率電池具有高功率、高可靠性以及節約空間等優點,使得高功率型電池必將成為未來UPS系統中后備電源選擇的主要方案。

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