1 蓄電池容量計(jì)算方法

由于每個(gè)生產(chǎn)廠,每一系列,每一批次的蓄電池都存在質(zhì)量的差異,內(nèi)在質(zhì)量很難鑒別,因此在選購(gòu)蓄電池時(shí)要參考長(zhǎng)期的使用經(jīng)驗(yàn),應(yīng)優(yōu)選大廠名牌產(chǎn)品,相同容量(Ah)的蓄電池,優(yōu)選體積大,質(zhì)量重,極板厚,電解液比重小的蓄電池。設(shè)計(jì)中對(duì)蓄電池容量的要求主要考慮系統(tǒng)在備用時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷及市電停電的維修時(shí)間;并兼顧多點(diǎn)同時(shí)發(fā)生停電的處理時(shí)間。

蓄電池容量的選擇要根據(jù)蓄電池實(shí)際放電電流和所要求的備用時(shí)間來(lái)決定,選擇蓄電池的容量時(shí),應(yīng)先計(jì)算出要求放電的電流值,然后根據(jù)蓄電池生產(chǎn)廠提供的放電特性曲線和用戶要求的備用時(shí)間進(jìn)行選擇。

(1)蓄電池最大放電電流計(jì)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(fù)載功率因數(shù)(用于UPS系統(tǒng),考慮系統(tǒng)輸出的cosφ,若為非逆變系統(tǒng)的應(yīng)用,cosφ=1);η為效率;E臨界為放電時(shí)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?cái)?shù)。

(2)放電電流計(jì)算

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

I=0.75Imax

(3)蓄電池容量計(jì)算

計(jì)算出蓄電池實(shí)際的放電電流值后,再根據(jù)所要求的備用時(shí)間,按照蓄電池生產(chǎn)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(jì)算出要求配置的蓄電池容量

實(shí)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(shù),一般取1.25;I為負(fù)荷電流(2V系列蓄電池考慮5年的發(fā)展,12V系列不考慮發(fā)展);T為放電小時(shí)數(shù);n為放電容量系數(shù)(通信蓄用電池選n=0.9,電力n=0.95,UPS系統(tǒng)n=1);t溫度調(diào)整系數(shù)(北京地區(qū)選0,中南部地區(qū)選5)

(4)設(shè)計(jì)實(shí)例

一臺(tái)100kVA的UPS,其負(fù)載功率因數(shù)為0.8,逆變效率為91%,蓄電池組由30節(jié)12V蓄電池組成,要求備用時(shí)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(jì)算蓄電池的最大放電電流為

計(jì)算蓄電池的實(shí)際放電電流值

I=0.75Imax=0.75×293A=219.8A

根據(jù)備用時(shí)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(guī)格為:采用4組蓄電池并聯(lián),每組由30節(jié)12V/200Ah蓄電池串聯(lián)。

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(xué)技術(shù)的發(fā)展,密封閥控鉛酸蓄電池占有電源市場(chǎng)的絕大多數(shù)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(diǎn)是維護(hù)簡(jiǎn)單,不用補(bǔ)充水,同時(shí)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?yàn)榇笾行蚒PS在設(shè)計(jì)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(guò)100A。如此大的放電電流對(duì)6V或12V的組合蓄電池來(lái)說(shuō)是不可接受的,對(duì)在大中型UPS中應(yīng)用的蓄電池應(yīng)選用2V系列的蓄電池。

2 蓄電池組的連接方式

對(duì)于采用多組小容量蓄電池并聯(lián)方案,從電路角度去分析使各組內(nèi)的蓄電池放電電流減小。如果有四組相同的蓄電池做并聯(lián)放電,那么每組蓄電池只需承擔(dān)1/4總電流就可以工作了。但在實(shí)際應(yīng)用中情況往往會(huì)復(fù)雜得多,以一組384V/100Ah的蓄電池為例,分析其放電過(guò)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(lián)成的,即32個(gè)12V/100Ah蓄電池串聯(lián)成一組,再用四個(gè)這樣的蓄電池組并聯(lián)在一起工作,宏觀看象是384V/400Ah的一個(gè)大蓄電池組。

但在這個(gè)由32×4=128塊單體蓄電池構(gòu)成的蓄電池系統(tǒng)中,要保證其特性處處一致,對(duì)工廠生產(chǎn)來(lái)說(shuō)絕非易事。在每一單體12V的蓄電池中分為6個(gè)小格,每格是一個(gè)2V蓄電池。在128塊12V蓄電池中,共有6×128=768個(gè)單格。由于是密封結(jié)構(gòu)的緣故,一般是無(wú)法得知每格的內(nèi)部情況,又因各小格電壓會(huì)產(chǎn)生差異,最終縮短了蓄電池壽命。

另外在四個(gè)并聯(lián)蓄電池組中,如發(fā)生個(gè)別蓄電池?cái)嗦?將減少總維持時(shí)間;如發(fā)生個(gè)別蓄電池電壓低落,則會(huì)使整個(gè)大蓄電池組電壓下降,影響正常使用。為避免這種現(xiàn)象的影響,在小電流混聯(lián)電路中可以加裝各支路熔斷器,但大電流工作時(shí)熔斷器的降壓及負(fù)面效應(yīng)將會(huì)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(jìn)行混聯(lián)的做法是不適宜的,應(yīng)使用2V單體系列蓄電池。該系列蓄電池設(shè)計(jì)壽命一般為15年,最低保質(zhì)8年,容量可達(dá)3000Ah。結(jié)合上例選用2V系列的具體應(yīng)用為:

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

以上兩種方案的構(gòu)成成本計(jì)算如下:

12V/100Ah蓄電池單體價(jià)格為850元,壽命三年;

2V/400Ah蓄電池單體價(jià)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(gè)簡(jiǎn)單對(duì)比,如果從包括維護(hù)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(huì)更可靠、更經(jīng)濟(jì)。

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

①將UPS的kVA數(shù)轉(zhuǎn)換為kW數(shù)

②決定所需蓄電池個(gè)數(shù)n(個(gè))

③確定蓄電池電壓不超過(guò)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(yīng)使用此時(shí)的容量作為初次選擇的條件,則

⑤根據(jù)蓄電池的技術(shù)資料選擇適當(dāng)?shù)慕K止電壓(1.67V)和放電時(shí)間(30min)。

從表1找出型號(hào)UX220-2可承受387W>369.19W功率的蓄電池,設(shè)計(jì)壽命15年。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

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(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié),依據(jù)蓄電池實(shí)際所需的放電電流計(jì)算蓄電池組容量,再根據(jù)所要求的備用時(shí)間按照蓄電池生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)的連接方式。

作者簡(jiǎn)介

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

編輯：Harris

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