1 蓄電池容量計算方法

由于每個生產廠,每一系列,每一批次的蓄電池都存在質量的差異,內在質量很難鑒別,因此在選購蓄電池時要參考長期的使用經驗,應優選大廠名牌產品,相同容量(Ah)的蓄電池,優選體積大,質量重,極板厚,電解液比重小的蓄電池。設計中對蓄電池容量的要求主要考慮系統在備用時間內的負荷及市電停電的維修時間;并兼顧多點同時發生停電的處理時間。

蓄電池容量的選擇要根據蓄電池實際放電電流和所要求的備用時間來決定,選擇蓄電池的容量時,應先計算出要求放電的電流值,然后根據蓄電池生產廠提供的放電特性曲線和用戶要求的備用時間進行選擇。

(1)蓄電池最大放電電流計算

蓄電池最大放電電流為

式中,Imax為蓄電池最大放電電流(A);P為額定輸出功率(W);cosφ為負載功率因數(用于UPS系統,考慮系統輸出的cosφ,若為非逆變系統的應用,cosφ=1);η為效率;E臨界為放電時單體蓄電池的臨界放電電壓(12V蓄電池的臨界放電電壓取10V);N為蓄電池組的單體蓄電池數。

(2)放電電流計算

由于在放電過程中,蓄電池的放電電流是變化的,蓄電池剛放電時的電流值明顯小于Imax,根據蓄電池的放電狀態,一般取0.75作為校正因數,即蓄電池實際所需的放電電流為

I=0.75Imax

(3)蓄電池容量計算

計算出蓄電池實際的放電電流值后,再根據所要求的備用時間,按照蓄電池生產廠所提供的蓄電池放電特性曲線,找出要求蓄電池組提供的放電速率,按下式計算出要求配置的蓄電池容量

實際需要配置蓄電池容量為

式中,C為需要配置的蓄電池組容量;K為安全系數,一般取1.25;I為負荷電流(2V系列蓄電池考慮5年的發展,12V系列不考慮發展);T為放電小時數;n為放電容量系數(通信蓄用電池選n=0.9,電力n=0.95,UPS系統n=1);t溫度調整系數(北京地區選0,中南部地區選5)

(4)設計實例

一臺100kVA的UPS,其負載功率因數為0.8,逆變效率為91%,蓄電池組由30節12V蓄電池組成,要求備用時間為2h,蓄電池選GFM系列密封鉛酸蓄電池,其放電特性曲線如圖1所示。

計算蓄電池的最大放電電流為

計算蓄電池的實際放電電流值

I=0.75Imax=0.75×293A=219.8A

根據備用時間為2h,從廠商提供的蓄電池放電特性曲線中查出,蓄電池的放電速率為0.28C10,則蓄電池的容量為:

要配置的蓄電池的規格為:采用4組蓄電池并聯,每組由30節12V/200Ah蓄電池串聯。

蓄電池在各類UPS中扮演了不可替代的重要角色,隨著電化學技術的發展,密封閥控鉛酸蓄電池占有電源市場的絕大多數份額。在小型UPS中多采用12V/40Ah組合密封閥控蓄電池,它的特點是維護簡單,不用補充水,同時體積較小,使用安全方便。

但在大中型UPS中,有些用戶仍然沿用6V或12V組合密封閥控蓄電池,這是不可取的,因為大中型UPS在設計中雖然提高了蓄電池工作電壓,但蓄電池的工作電流增加的更多,甚至超過100A。如此大的放電電流對6V或12V的組合蓄電池來說是不可接受的,對在大中型UPS中應用的蓄電池應選用2V系列的蓄電池。

2 蓄電池組的連接方式

對于采用多組小容量蓄電池并聯方案,從電路角度去分析使各組內的蓄電池放電電流減小。如果有四組相同的蓄電池做并聯放電,那么每組蓄電池只需承擔1/4總電流就可以工作了。但在實際應用中情況往往會復雜得多,以一組384V/100Ah的蓄電池為例,分析其放電過程。

在保證12V/100Ah蓄電池具有三年使用壽命的前提下,必須將放電電流控制在25A以下。因此用四組100Ah蓄電池并聯成的,即32個12V/100Ah蓄電池串聯成一組,再用四個這樣的蓄電池組并聯在一起工作,宏觀看象是384V/400Ah的一個大蓄電池組。

但在這個由32×4=128塊單體蓄電池構成的蓄電池系統中,要保證其特性處處一致,對工廠生產來說絕非易事。在每一單體12V的蓄電池中分為6個小格,每格是一個2V蓄電池。在128塊12V蓄電池中,共有6×128=768個單格。由于是密封結構的緣故,一般是無法得知每格的內部情況,又因各小格電壓會產生差異,最終縮短了蓄電池壽命。

另外在四個并聯蓄電池組中,如發生個別蓄電池斷路,將減少總維持時間;如發生個別蓄電池電壓低落,則會使整個大蓄電池組電壓下降,影響正常使用。為避免這種現象的影響,在小電流混聯電路中可以加裝各支路熔斷器,但大電流工作時熔斷器的降壓及負面效應將會影響正常工作。

綜上所述,在大中型UPS中采用小容量蓄電池組進行混聯的做法是不適宜的,應使用2V單體系列蓄電池。該系列蓄電池設計壽命一般為15年,最低保質8年,容量可達3000Ah。結合上例選用2V系列的具體應用為:

選192塊2V/400Ah蓄電池,串聯成一個384V/400Ah大蓄電池組,由于每個單體蓄電池看得見、摸得著,因此所有蓄電池的狀態便一目了然。即使個別蓄電池出現差異也能單獨處理,避免了組合蓄電池中的種種弊端。

以上兩種方案的構成成本計算如下:

12V/100Ah蓄電池單體價格為850元,壽命三年;

2V/400Ah蓄電池單體價格為1050元,壽命八年;

以前面的示例(384V/400Ah蓄電池):

①采用組合蓄電池初期投資:850×128=108800元。折算為年成本:108800/3=36267元。

②采用2V蓄電池一次投資:1050×192=201600元。折算為年成本:201600/8=25200元

以上只是做了一個簡單對比,如果從包括維護及故障影響等諸因素綜合考慮,在大中型UPS上使用2V系列蓄電池組會更可靠、更經濟。

例如:某UPS的功率輸出為50kVA,其直流電壓范圍330～480V;放電時間30min;單體終止電壓1.67V;UPS效率90%;功率因數0.95。計算與選擇步驟:

①將UPS的kVA數轉換為kW數

②決定所需蓄電池個數n(個)

③確定蓄電池電壓不超過直流電壓范圍

④決定每單元所承受的功率

由于蓄電池使用壽命終止的條件為蓄電池放電到額定容量的80%,因此應使用此時的容量作為初次選擇的條件,則

⑤根據蓄電池的技術資料選擇適當的終止電壓(1.67V)和放電時間(30min)。

從表1找出型號UX220-2可承受387W>369.19W功率的蓄電池,設計壽命15年。

　　3 結束語

蓄電池在各類UPS中扮演著不可替代的重要角色,蓄電池組容量的選擇及連接方式是UPS配套設計中重要的環節,依據蓄電池實際所需的放電電流計算蓄電池組容量,再根據所要求的備用時間按照蓄電池生產廠所提供的蓄電池放電特性曲線、放電速率,即可確定UPS配套的蓄電池組容量及可靠、經濟的連接方式。

作者簡介

周志敏(1957-),男,山東鋼鐵集團萊蕪分公司能源動力廠高級工程師。本刊編委。

編輯：Harris

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