中大型 UPS 蓄電池監(jiān)測管理和容量配置

1、中、大型 UPS 蓄電池監(jiān)測管理和容量配置汪家榮 石俊杰（武漢洲際通信電源集團(tuán)公司 430035 武漢）（中國人民解放軍63981部隊(duì) 430311 武漢） 摘 要 中、大型 UPS 系統(tǒng)中蓄電池為交流不間斷供電提供了能源保證。對蓄電池組進(jìn)行監(jiān)測管理與合理配置容量，有利于延長其壽命，保證 UPS 系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行。本文論述了 UPS 系統(tǒng)的蓄電池監(jiān)測管理的幾個(gè)方面，以及蓄電池容量的合理配置計(jì)算。 關(guān)鍵詞 蓄電池 容量 監(jiān)測-管理1 前言目前, 中、大型UPS被廣泛地應(yīng)用在許多重要的部門，其工作穩(wěn)定性和可靠性顯得極其重要。UPS系統(tǒng)中的蓄電池為交流不間斷供電提供能源保證。對蓄電池的監(jiān)測管理不當(dāng)

2、和蓄電池的容量配置不合適，就會(huì)造成UPS系統(tǒng)的故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)，UPS系統(tǒng)故障有50%與蓄電池有關(guān)。蓄電池的價(jià)格較高，特別是大、中型UPS系統(tǒng)在要求備用時(shí)間較長時(shí)，蓄電池的價(jià)格甚至超過UPS主機(jī)的價(jià)格。對蓄電池進(jìn)行合理的監(jiān)測管理和適當(dāng)配置容量，有利延長蓄電池壽命和節(jié)約開支。因此，中、大型UPS系統(tǒng)蓄電池容量的正確配置和對蓄電池的監(jiān)測管理就顯得非常重要。2 UPS系統(tǒng)對蓄電池的監(jiān)測管理中、大型UPS系統(tǒng)中使用的是閥控密封鉛酸蓄電池。由于中、大型UPS系統(tǒng)的直流母線電壓很高，一般為400V左右，所以中、大型UPS系統(tǒng)采用蓄電池組。一組蓄電池一般由32節(jié)單體蓄電池（單體蓄電池的額定電壓為12V）或180

3、節(jié)單體蓄電池（單體蓄電池的額定電壓為2V）串聯(lián)組成。蓄電池組在UPS系統(tǒng)中是循環(huán)運(yùn)行的，有兩種運(yùn)行狀態(tài)，一種是充電狀態(tài)，另一種是放電狀態(tài)。蓄電池對充電的方式，充放電的電壓電流的大小和運(yùn)行的環(huán)境有較高的要求。 根據(jù)蓄電池在中、大型UPS系統(tǒng)中運(yùn)行的特點(diǎn)，我們應(yīng)選擇合適的測試管理方法和適當(dāng)?shù)呐渲萌萘?，以延長蓄電池使用壽命，減少UPS系統(tǒng)故障率。UPS系統(tǒng)對蓄電池的監(jiān)測管理包括蓄電池組均勻性判斷和對每個(gè)單體蓄電池的電壓、電流、實(shí)際容量、剩余容量和工作溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。它具有浮充、均衡充電、在線放電測試和故障告警等功能；能自動(dòng)循環(huán)充放電，活化診治落后單體蓄電池，提高電池壽命；浮充電壓穩(wěn)定且有溫度補(bǔ)償

4、的功能。2.1 保證蓄電池組均勻性 由于UPS系統(tǒng)采用蓄電池組，如果蓄電池均勻性不好，當(dāng)蓄電池處于充電狀態(tài)時(shí)，其中容量較小的電池會(huì)提前析氣，電壓升高，電解水反應(yīng)加快。這些變化會(huì)促進(jìn)蓄電池內(nèi)部溫升加大和失水量加劇，甚至出現(xiàn)熱失控。電池組中容量較大的電池，其充電電壓上升很慢，容易造成充電不足。長期如此，必然加劇電池極板硫酸化和容量下降，引起電池提前失效。當(dāng)蓄電池處于放電狀態(tài)時(shí)，如果負(fù)載變化較大、市電中斷時(shí)間較長或電池的容量配置不足，則容量較小的電池放電深度加深，有時(shí)可能使放電電壓降至規(guī)定的終止電壓以下，會(huì)縮短電池壽命。 UPS系統(tǒng)要盡可能選用均勻性好的蓄電池組，以保證蓄電池組的均勻性。此外，在蓄電

5、池運(yùn)行過程中，根據(jù)單體蓄電池電壓來判斷蓄電池組的均勻性，及時(shí)更換失效電池。2.2 采用正確浮充方式在浮充狀況下，采用恒壓限流充電方式，浮充電壓必須控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，在該電壓下充入的電量應(yīng)足以補(bǔ)償蓄電池由于自放電而損失的電量。因此，蓄電池的浮充電壓不能過高或過低，過高會(huì)造成過充電，過低會(huì)造成充電不足。同理，其充電電流也不能過高或過低。以GFM系列蓄電池為例（其蓄電池單體電壓為2V），當(dāng)充電電壓高于2.40V/只和充電電流大于0.01C10A 時(shí)，氣體復(fù)合效率快速降低，大量析出的氣體不能及時(shí)被復(fù)合而被排出，造成電池電解液逐漸干枯，電池溫度也會(huì)逐漸升高，電池的使用壽命將會(huì)大大縮短。在25 時(shí)G

6、FM系列蓄電池的充電電壓應(yīng)為每只2.26 V0.01V，充電電流應(yīng)為0.005C10A。此時(shí)氣體的復(fù)合效率極高，幾乎達(dá)到100%，充電過程中產(chǎn)生的氣體幾乎100%再復(fù)合成水，電池電解液的飽和度基本不受影響，從而保證了蓄電池的正常使用壽命此外，浮充電壓要根據(jù)蓄電池的工作溫度進(jìn)行補(bǔ)償，通常單只蓄電池的溫度校正系數(shù)為3mV/。2.3 采用正確均衡充電方式當(dāng)UPS系統(tǒng)中的蓄電池因市電停電等原因放電之后或在浮充運(yùn)行中出現(xiàn)了落后電池（以GFM系列蓄電池為例，其電壓低于2.20 V/只）時(shí)，須對電池組進(jìn)行均衡充電。其方法為初期恒流（0.1C100.125C10A）充至2.35V/只之后，保持2.35V/只恒

7、壓充電。 對很少放電的蓄電池組，每隔三個(gè)月左右進(jìn)行一次3小時(shí)率檢查放電（以GFM系列蓄電池為例，以0.25 C10A放電3小時(shí)，單體電池電壓不低于1.70V）或每個(gè)月進(jìn)行一次0.1 C10A放34小時(shí)的淺放電。然后以0.1C10A電流充電至2.35V/只，再保持2.35V/只恒壓充電2030小時(shí)，隨后轉(zhuǎn)入浮充電運(yùn)行。這對確認(rèn)電池在運(yùn)行過程中容量的可靠性和延長電池壽命十分有利。2.4 保證蓄電池運(yùn)行溫度 圖1為GFM系列蓄電池在不同溫度下的放電容量。從圖1可以看出，電池放電容量隨溫度的升、降而隨之增大、減小。溫度升高時(shí)，蓄電池中極板受硫酸腐蝕加劇，從而使其壽命縮短。環(huán)境溫度每升高10,電池的壽命

8、約減小50%。浮充電壓也應(yīng)根據(jù)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)環(huán)境溫度高于25 時(shí)，充電電壓應(yīng)減小，以防止造成過充電；當(dāng)環(huán)境溫度低于25 時(shí)，充電電壓應(yīng)提高，以防止充電不足。3 電池容量配置在UPS系統(tǒng)中，電池容量適當(dāng)配置也十分重要。容量配置過大，蓄電池不能充分被利用，浪費(fèi)資源；容量配置過小，又不能滿足用戶對后備時(shí)間的要求，且對電池的壽命不利。圖3為GFM系列蓄電池不同放電深度下循環(huán)使用壽命曲線。從圖3中可以看出，淺放電對電池的壽命更有利。對相同負(fù)載，選容量較大的電池，放電深度較淺，對電池壽命有利。3.1 蓄電池容量計(jì)算方法蓄電池容量選擇要根據(jù)蓄電池實(shí)際放電電流和所要求的備用時(shí)間來決定。選擇電池的容量，先計(jì)算

9、出要求放電的電流值，然后根據(jù)蓄電池生產(chǎn)廠家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值按下式計(jì)算： 式中：I最大蓄電池最大放電電流值PUPS額定輸出功率 cosUPS輸出功率因數(shù) UPS逆變效率 E臨界放電時(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12V） N蓄電池組的單體電池?cái)?shù)（2）放電電流計(jì)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(shí)的電流值明顯小于I最大，根據(jù)蓄電池的放電狀態(tài)，一般取0.75作為校正因數(shù)。電池實(shí)際所需的放電電流I=0.75I最大。 （3）蓄電池容量計(jì)算計(jì)算出電池實(shí)際所需的放電電流值后，

10、再根據(jù)所要求的備用時(shí)間按照蓄電池生產(chǎn)廠家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。 根據(jù)計(jì)算的容量值，選出蓄電池的規(guī)格。3.2 舉例說明例如一臺(tái)洲際牌100kVA UPS，其輸出功率因數(shù)為0.8,直流逆變效率為91%，蓄電池組由30節(jié)12V電池組成，要求備用時(shí)間為2小時(shí)，蓄電池選6GFM系列密封鉛酸蓄電池，其放電特性曲線見圖4。計(jì)算蓄電池的最大放電電流值計(jì)算蓄電池的實(shí)際放電電流值I=0.75I最大=0.75293A=219.8A根據(jù)備用時(shí)間為2小時(shí)，在圖4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)12 V/200 Ah蓄電池串聯(lián)。4 結(jié)語（1） 在中、大型UPS系統(tǒng)中，首先要選擇合適的蓄電池組的