模塊化UPS電源設(shè)備的配置

引言

UPS電源設(shè)備是一種含有儲(chǔ)能裝置的不間斷電源。當(dāng)交流電源正常供電時(shí),UPS電源設(shè)備可看成一臺(tái)穩(wěn)壓穩(wěn)頻的電源,輸入電源既向蓄電池組充電又向逆變器供電,逆變器輸出潔凈的交流電源:當(dāng)交流電源斷電時(shí),由蓄電池組經(jīng)逆變器向負(fù)載供電。

UPS電源有如下用途:

一是應(yīng)急使用,防止重要的用電負(fù)荷因突然斷電而影響設(shè)備正常工作,給用電設(shè)備造成損害:

二是消除市電的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓和頻率偏移等"電源污染",改善電源質(zhì)量,為用電設(shè)備提供高質(zhì)量的電源。

模塊化UPS是把UPS的功率部分單獨(dú)做成一個(gè)個(gè)功率模塊,每個(gè)功率模塊并聯(lián)輸出,全部功率模塊同時(shí)工作,均分負(fù)載,系統(tǒng)中任意一個(gè)模塊故障,不影響負(fù)載系統(tǒng)的正常工作。

模塊化UPS的特點(diǎn)之一是功率部分很容易實(shí)現(xiàn)冗余功能,從而大大提高UPS供電的可靠性,而且維護(hù)非常方便,當(dāng)某個(gè)模塊故障時(shí),可直接帶電熱插拔更換模塊,維修時(shí)間非常短。

另外,模塊化UPS后期還可以擴(kuò)容,當(dāng)容量需求增大時(shí),新增功率模塊即可實(shí)現(xiàn)。

每套模塊化UPS電源設(shè)備主要由主機(jī)柜、強(qiáng)電柜、蓄電池組、電池開關(guān)柜、連接線纜等組成,合理配置每個(gè)部件的容量、規(guī)格和大小,是模塊化UPS電源設(shè)備有效發(fā)揮作用的前提。

1主機(jī)柜的配置

UPS主機(jī)柜主要包含模塊化的功率模塊、控制模塊、靜態(tài)旁路模塊、通信系統(tǒng)模塊等,主機(jī)柜的作用就是整流和逆變,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓穩(wěn)頻。主機(jī)柜的配置主要需確定主機(jī)的規(guī)格和功率模塊的大小及數(shù)量。首先要考慮主機(jī)總?cè)萘?主機(jī)總?cè)萘考纫獫M足當(dāng)前負(fù)荷需求,還要適當(dāng)考慮未來用電負(fù)荷增長需求,即可擴(kuò)充容量,這也是模塊化UPS電源設(shè)備的特點(diǎn)之一,即容量可擴(kuò)展。根據(jù)需求確定好額定容量后,可對(duì)可擴(kuò)充容量進(jìn)行估算,一般可擴(kuò)充容量可按不低于額定容量的10%~20%進(jìn)行配置,如果預(yù)計(jì)未來用電設(shè)備負(fù)荷增長明顯,也可適當(dāng)放大。

同時(shí)要根據(jù)系統(tǒng)容量來確定單個(gè)功率模塊大小,不宜過大,也不宜過小。單個(gè)功率模塊過大,則不能有效分擔(dān)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn):單個(gè)功率模塊過小,則模塊數(shù)量太多。同時(shí)也要考慮冗余功率模塊,提高其可靠性,一般至少配置一個(gè)冗余功率模塊。

以額定容量為300kVA的UPS電源為例,由于容量較大,系統(tǒng)可采用單個(gè)容量為25kVA的功率模塊,模塊數(shù)量為300÷25=12個(gè),同時(shí)配置一個(gè)冗余功率模塊,即總功率模塊數(shù)為13個(gè),總?cè)萘繛?3x25=325kVA。如果考慮未來負(fù)荷增長需求,按單機(jī)系統(tǒng)可擴(kuò)容量不低于額定容量20%進(jìn)行配置,300×1.2=360kVA,模塊數(shù)量為360÷25≈15個(gè),同時(shí)配置一個(gè)冗余功率模塊,即總功率模塊數(shù)為16個(gè),未來總?cè)萘靠蓴U(kuò)容為16×25=400kVA。因此,UPS主機(jī)需選擇容量至少可滿足400kVA的型號(hào)。

可見,對(duì)當(dāng)前和未來的用電負(fù)荷需求要有清晰的估計(jì)和判斷,以便合理選擇UPS電源的容量。既要避免容量過大,造成負(fù)載率偏低,否則不僅會(huì)影響UPS電源的使用效率,而且會(huì)造成電源畸變率過大,影響電源品質(zhì):也要避免對(duì)未來容量增長需求估計(jì)不足,造成可擴(kuò)充容量無法滿足實(shí)際需要,不得不重新增加UPS電源設(shè)備以及配套的電源進(jìn)線、出線、機(jī)房等,帶來比較大的改動(dòng)和調(diào)整,既增加了建設(shè)成本,同時(shí)改造工程還不可避免地會(huì)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和系統(tǒng)造成一定影響,大大降低改造效率。

2強(qiáng)電柜的配置

強(qiáng)電柜一般由UPS電源設(shè)備主輸入開關(guān)、輸出開關(guān)、旁路開關(guān)、手動(dòng)維修旁路開關(guān)、防雷器、接線母排等器件組成,主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS電源設(shè)備的安全配電,在UPS電源設(shè)備檢修和維護(hù)時(shí)可以完全隔離UPS電源主機(jī),通過維修旁路向負(fù)載提供不間斷電源。

強(qiáng)電柜的配置主要是確定開關(guān)的大小,可根據(jù)UPS電源設(shè)備的容量(按可擴(kuò)充最大容量考慮),計(jì)算出主輸入電流大小,以此選擇各個(gè)開關(guān)的大小。

UPS電源設(shè)備主輸入電流計(jì)算公式為:

式中:I為UPS電源設(shè)備主輸入電流(A):Pu為UPS電源設(shè)備容量(kVA):U為UPS電源設(shè)備的額定輸入電壓(V)。

以額定容量為300kVA的UPS電源為例,系統(tǒng)額定容量為300kVA,未來擴(kuò)容后的容量為400kVA,輸入電壓為380V,按照公式(1),則UPS電源設(shè)備主輸入電流為:

根據(jù)低壓電器選用規(guī)范可得:

(1)UPS電源設(shè)備主輸入開關(guān)可配置額定電流為

800A的開關(guān):

(2)旁路輸入開關(guān)可配置額定電流為630A的開關(guān):

(3)總輸出開關(guān)可配置額定電流為630A的開關(guān):

(4)手動(dòng)維修旁路開關(guān)可配置額定電流為630A的開關(guān)。

強(qiáng)電柜的配置,要從長遠(yuǎn)角度考慮,按UPS電源設(shè)備的可擴(kuò)充最大容量進(jìn)行開關(guān)及線纜的選型與配置,避免后期UPS電源擴(kuò)容后,主要開關(guān)無法滿足實(shí)際需要的情況。雖然從短期看,按UPS電源設(shè)備的可擴(kuò)充最大容量進(jìn)行開關(guān)及線纜的選型和配置會(huì)增加一定成本,但是從全生命周期的角度考慮,一次配置到位,避免了二次拆改,實(shí)際上不但節(jié)約了建設(shè)成本,還節(jié)約了時(shí)間成本。

3蓄電池的配置

蓄電池主要對(duì)UPS主機(jī)提供直流電源,實(shí)現(xiàn)市電故障時(shí)的電力供應(yīng)。UPS電源設(shè)備后端接入蓄電池組作為備用供電,當(dāng)市電正常時(shí),蓄電池組進(jìn)行充電(均充或浮充):當(dāng)市電停電時(shí),蓄電池組對(duì)UPS主機(jī)放電,UPS主機(jī)將直流轉(zhuǎn)換成交流對(duì)負(fù)載供電。

蓄電池的配置主要是確定電池的規(guī)格和數(shù)量,首先要計(jì)算出每組電池的數(shù)量,計(jì)算公式為:

式中:n為每組蓄電池單組數(shù)量(只):Ug為UPS主機(jī)的額定直流工作電壓(V):Ud為每只電池的額定工作電壓(V)。其次,要計(jì)算出單組電池組的容量,計(jì)算公式為:

式中:Sah為單組電池組的容量(Ah):Swh為UPS電源設(shè)備的最小電池需求容量(w·h):n為每組后備蓄電池組的只數(shù):Ud為每只電池的額定工作電壓(V)。

以額定容量為300kVA的UPS電源為例,后備時(shí)間為30min,單臺(tái)UPS電源設(shè)備的最小電池需求容量為347904w·h,選用單只額定工作電壓為12V的鉛酸蓄電池,UPS主機(jī)直流工作電壓為576V,按照公式(2),則每組蓄電池的數(shù)量為:

即每組蓄電池?cái)?shù)量為48只。按照公式(3),則單組蓄電池組的容量為:

即單組電池組容量為604Ah。考慮分組設(shè)置,為保證蓄電池充放電的一致性,后備蓄電池組數(shù)一般不應(yīng)超過4組。如按分為4組電池進(jìn)行配置,則每組電池容量為604÷4=151Ah。

對(duì)照電池規(guī)格表,可以選擇單只額定電壓為12V、容量為160Ah的鉛酸蓄電池,總計(jì)4組,每組48只,總?cè)萘繛?60×4×48×12=368640w·h,368640w·h大于UPS電源設(shè)備的最小電池需求容量347904w·h,滿足要求。

蓄電池的配置一方面要從容量的角度考慮留有余量,滿足實(shí)際使用需要,另一方面要從電池技術(shù)的角度考慮,綜合衡量技術(shù)、成本、維護(hù)及環(huán)保要求。目前,鉛酸電池、膠體電池、鋰電池等技術(shù)發(fā)展日新月異,不同技術(shù)路線在成本、使用壽命、維護(hù)要求、環(huán)保方面差異很大,應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要綜合考慮,從而實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化配置。

4電池開關(guān)柜的配置

電池開關(guān)柜一般由柜體、直流空氣斷路器、指示燈、熔斷器、接線母排等器件組成,主要功能是實(shí)現(xiàn)UPS系統(tǒng)與電池(直流)系統(tǒng)的安全供電。為了便于檢修維護(hù),通過對(duì)電池組設(shè)置直流開關(guān)加速溶保險(xiǎn)的方式,實(shí)現(xiàn)分組管理。當(dāng)某組出現(xiàn)問題時(shí),能及時(shí)將其脫離蓄電池系統(tǒng),利用直流空氣開關(guān)過流自動(dòng)脫離工作狀態(tài)的原理,保證主機(jī)或電池端出現(xiàn)故障大電流時(shí),對(duì)另一端起到保護(hù)作用。利用速溶保險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)某一組電池出現(xiàn)過流時(shí)自動(dòng)熔斷,保證其他電池組正常工作:同時(shí),檢修時(shí)可通過斷開該裝置實(shí)現(xiàn)電池組依次檢修,不影響設(shè)備正常工作。

電池開關(guān)柜的配置,主要是確定開關(guān)的大小。首先要計(jì)算出總直流輸出電流大小,再根據(jù)輸出電流選擇主輸出開關(guān)和支路開關(guān)。

總直流輸出電流計(jì)算公式為:

式中:I為總直流輸出電流(A):Pu為UPS容量(kVA):Q為功率因數(shù):Uz為單只蓄電池的終止電壓(V):n為每組后備蓄電池只數(shù)。

以額定容量為300kVA的UPS電源為例,其未來容量按可擴(kuò)充至400kVA考慮,功率因數(shù)Q取0.9,經(jīng)查詢電池參數(shù)表可知,單只蓄電池額定電壓為12V的電池,其終止電壓為10.5V,每組有48只蓄電池,按照公式(4),則直流總輸出電流為:

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及低壓電器選型規(guī)范,容量為300kVA的UPS電源設(shè)備,其電池開關(guān)柜的總直流開關(guān)可選擇額定電流為800A的開關(guān):匯流裝置選型材料要求與總直流空開一樣,能承受800A的電流。各支路直流空開的配置,應(yīng)滿足其中一路出現(xiàn)故障,其余支路能滿足額定直流電流需求的原則進(jìn)行配置。由于整個(gè)電池組分為4組,因此支路空開額定電流應(yīng)大于714÷(4-1)=238A。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及低壓電器選型規(guī)范,支路空開可選用額定電流為400A的開關(guān)。

電池開關(guān)柜的配置與強(qiáng)電柜的配置類似,主要是合理選擇開關(guān)的大小。不同之處是,強(qiáng)電柜選用的是交流開關(guān),電池開關(guān)柜選用的是直流開關(guān),但基本思路一致,此處不再贅述。

5電池架(柜)的配置

電池架(柜)主要用來放置蓄電池組,可分為電池架和電池柜等類型。

為方便電池安裝及后期檢修和維護(hù),一般容量大于100kVA的UPS電源設(shè)備,可考慮采用開放式電池架,方便散熱。容量小于100kVA的UPS電源設(shè)備,可采用電池柜,簡潔美觀。

電池架(柜)的配置主要是確定電池架(柜)的尺寸,電池架(柜)的尺寸可根據(jù)蓄電池的尺寸來選擇,同時(shí)要考慮到電池的重量,電池架擺放的層數(shù)也不宜過多,以免不符合建筑結(jié)構(gòu)的載荷要求。

以額定容量為300kVA的UPS電源為例,由于選用的額定工作電壓為12V、容量為160Ah的電池尺寸長約500mm,寬約220mm,高約230mm,考慮到載荷和安裝檢修的便利性,采用電池架的形式。每個(gè)電池架可按放置4層,每層放置2列,每列放置6只,每層共12只蓄電池進(jìn)行布置。

因此,每個(gè)電池架長度最小應(yīng)滿足220×6=1320mm,考慮到電池、線纜安裝及后期運(yùn)行維護(hù)空間,電池架長度可選用1700mm的規(guī)格:電池架寬最小應(yīng)滿足500×2=1000mm,考慮到電池、線纜安裝及后期運(yùn)行維護(hù)空間,電池架寬度可選用1200mm的規(guī)格:電池架高度最小應(yīng)滿足230×4=920mm,考慮到電池、線纜安裝及后期運(yùn)行維護(hù)空間,電池架高度可選用1500mm的規(guī)格。因此,每個(gè)電池架的尺寸為1700mm×1200mm×1500mm,共需4個(gè)電池架。

電池架(柜)的配置主要是預(yù)留好操作空間,不但有利于電池安裝時(shí)的組裝和線纜連接,同時(shí)也方便后期電池的測量和維護(hù),更重要的是還有利于電池散熱,延長其使用壽命。

6線纜的配置

線纜主要包括連接強(qiáng)電柜至UPS主機(jī)柜、主機(jī)柜至電池開關(guān)柜、電池開關(guān)柜至每組電池開關(guān)以及電池內(nèi)部之間的線纜、銅鼻子、冷縮頭等,主要功能是實(shí)現(xiàn)UPS主機(jī)與電池開關(guān)柜之間、電池開關(guān)柜與電池組之間、電池與電池之間的線路連接,使所提供的設(shè)備供電線路形成整體互聯(lián)互通。

線纜的質(zhì)量與線徑的大小是否合適關(guān)系密切,是保證整個(gè)供配電線路安全的重要一環(huán),配置、選型不合理會(huì)帶來災(zāi)難性后果甚至毀滅性故障的發(fā)生。線纜的配置主要是確定連接線纜的規(guī)格,線纜配置的基本原則是電線電纜的載流量應(yīng)大于開關(guān)的額定電流,開關(guān)的額定電流應(yīng)大于回路的計(jì)算電流,必須符合過負(fù)荷檢驗(yàn)保護(hù)條件。

電力電纜線徑選型驗(yàn)證公式為:

式中:Ib為回路計(jì)算電流(A):In為保護(hù)電器開關(guān)的額定電流(A):Iz為電線電纜持續(xù)載流量(A)。

以額定容量為300kVA的UPS電源為例,配置UPS主機(jī)柜與電池開關(guān)柜之間的線纜。直流總輸出計(jì)算電流為714A,即回路計(jì)算電流Ib=714A。開關(guān)額定電流為800A,即In為800A。如采用BV絕緣電線明敷,在明敷環(huán)境溫度為30℃、導(dǎo)電線芯最高允許溫度為70℃時(shí),考慮一定余量,查詢電線載流量手冊可知,單根截面積為150mm2的電線載流量為456A,則兩根截面積為150mm2的電線雙拼,總計(jì)載流量約為912A,即Iz為912A。

按照公式(5)進(jìn)行驗(yàn)證,714A<800A<912A,滿足要求。

因此,UPS電源主機(jī)柜與電池開關(guān)柜之間的線纜可選擇兩根截面積為150mm2的電線雙拼進(jìn)行敷設(shè)。同理,強(qiáng)電柜與主機(jī)柜之間的線纜、電池開關(guān)柜與每組電池開關(guān)之間的線纜、電池內(nèi)部連接的線纜等也可依次確定。

當(dāng)然,電線電纜的載流量通常是在給定基礎(chǔ)條件下的參考值,當(dāng)實(shí)際敷設(shè)條件發(fā)生變化時(shí),還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況以不同的基準(zhǔn)條件乘以不同的校正系數(shù)予以修正。

連接線纜其實(shí)很重要,但很容易被忽視。因連接線纜規(guī)格不滿足要求而在使用過程中造成電池?fù)p壞的情況經(jīng)常發(fā)生,因此,連接線纜應(yīng)該經(jīng)仔細(xì)核算后合理配置,避免造成不必要的事故。

7結(jié)語

模塊化UPS電源是非常關(guān)鍵的電氣設(shè)備,在航天、醫(yī)藥、銀行、交通、通信等行業(yè)的數(shù)據(jù)中心、弱電機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。合理配置模塊化UPS電源各個(gè)主要組成部分,包括主機(jī)柜、強(qiáng)電柜、蓄電池、電池開關(guān)柜、電池架、連接線纜等的規(guī)格、容量和大小,不但能高效發(fā)揮其功能,而且可以節(jié)約設(shè)備投入成本,延長設(shè)備使用周期,為我國碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)力量。