關(guān)于數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)蓄電池組的選型研究

呂高飛，張文魁，龔長(zhǎng)武

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)后，中國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)獲得了前所未有的發(fā)展。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普遍化應(yīng)用，移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)生了巨大變化。尤其是在兩者的持續(xù)融合下，數(shù)據(jù)中心思想得到了巨大發(fā)展，并形成了大數(shù)據(jù)應(yīng)用方案。從構(gòu)成而言，數(shù)據(jù)中心機(jī)房由多個(gè)部分組成，包括諸多IT設(shè)備，如服務(wù)器、交換機(jī)以及路由器等[1]。通常情況下，電源系統(tǒng)的非間斷性是確保設(shè)備供電穩(wěn)定性的重要保障。下面將以此為背景，結(jié)合當(dāng)前UPS電源系統(tǒng)蓄電池組造型方法進(jìn)行探討。

1 概 述

在機(jī)房數(shù)據(jù)中心設(shè)備供電穩(wěn)定性控制方面，一般會(huì)采用直流或交流電源，常規(guī)220 V即可滿足。經(jīng)驗(yàn)表明，市電雙電源供電系統(tǒng)可為數(shù)據(jù)中心提供相應(yīng)的運(yùn)行條件。目前，在硬件資源配置方面應(yīng)用UPS電池組較為普遍。這是利用常規(guī)電源與備用電源的兩種思路，對(duì)市電故障現(xiàn)象提出的應(yīng)對(duì)方案。比如，故障發(fā)生后，UPS電源系統(tǒng)可以在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控下直接啟動(dòng)，并確保市電網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行，從而降低電力故障或風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生時(shí)可能產(chǎn)生的損害與嚴(yán)重事故。因此，在供電系統(tǒng)中的蓄電池組UPS電源系統(tǒng)具有關(guān)鍵性作用，與供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行密切相關(guān)。所以，需要從性能角度、浮充備用狀態(tài)、負(fù)荷應(yīng)急等方面進(jìn)行一些研究，從而達(dá)到降低成本、提升蓄電池組性能、保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)[2]，即通過(guò)具體的運(yùn)算方案選出最優(yōu)UPS電源系統(tǒng)蓄電池組的型號(hào)。

2 在工程中計(jì)算蓄電池組容量的條件與方法

下面結(jié)合實(shí)際的工作經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，先對(duì)關(guān)于數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)蓄電池組容量的計(jì)算前提進(jìn)行說(shuō)明，指出計(jì)算所需要遵循的條件與兩種不同的計(jì)算方法。

2.1 計(jì)算條件設(shè)定

首先，在工程中的蓄電池組容易計(jì)算，需要以關(guān)于數(shù)據(jù)中心的UPS電源系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范為準(zhǔn)，具體需要遵守《中國(guó)移動(dòng)通信電源系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（QB-J-017-2013）與《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 51194-2016）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。其次，需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，在蓄電池組的容量方面進(jìn)行資源配置，同時(shí)需要限定蓄電池的使用壽命。當(dāng)容量能夠滿足供電需求時(shí)，可以根據(jù)UPS實(shí)際臺(tái)數(shù)進(jìn)行一對(duì)一設(shè)置。若容量不夠，可以采用兩組蓄電池?cái)?shù)量并聯(lián)的方法，并聯(lián)后也可以將其當(dāng)作一組蓄電池組。最后，需要滿足設(shè)備放電要求，確保放電功率與UPS電源系統(tǒng)的輸出功率相一致。

2.2 計(jì)算方法說(shuō)明

首先，假定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度，當(dāng)給定時(shí)間止點(diǎn)的條件下，若終止電壓，就可以為該系統(tǒng)提供恒定電流，并保持持續(xù)性供電，從而獲得電流與放電時(shí)間的乘積。換句話講，若設(shè)A為電流，h為持續(xù)放電時(shí)間，那么Ah就是蓄電池組容量單位。其次，當(dāng)UPS電源系統(tǒng)確定后，根據(jù)實(shí)際后備時(shí)間條件，能夠在蓄電池的品牌樣本數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行恒功率放電數(shù)據(jù)表分析，或者根據(jù)恒流放電曲線進(jìn)行觀察。因此，在實(shí)際的數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)蓄電池組的選型中，可以采用功率法與估算法兩種方法進(jìn)行具體的容量計(jì)算，從而獲得最優(yōu)選型[4]。最后，在滿足基本的規(guī)范前提下，理論公式估算要求確定后備時(shí)間在0.5 h及以上；而在恒功率計(jì)算方面則應(yīng)該針對(duì)蓄電池的生產(chǎn)企業(yè)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行總功能率值計(jì)算。

3 蓄電池組容量計(jì)算的兩種方法與選型

結(jié)合理論公式估算與恒功率算法，對(duì)關(guān)于數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)蓄電池的選型方案進(jìn)行具體說(shuō)明。為了敘述的完整性，在完成選型方案后，結(jié)合現(xiàn)階段部分?jǐn)?shù)據(jù)中心采用的高壓柴油發(fā)電機(jī)組方案與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，對(duì)數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)蓄電池組選型的相關(guān)性進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 蓄電池組容量的理論公式估算及選型

在上述兩種規(guī)范條件下，蓄電池組的后備時(shí)間選擇范圍可以設(shè)定在15 min、30 min、40 min、50 min、60 min。本次研究按照UPS電源系統(tǒng)的理論公式計(jì)算方案設(shè)定，選取的蓄電池組后備時(shí)間30 min或0.5 h。按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)Q為蓄電池組容量，單位為Ah；K=1.25，為安全系數(shù)；I為負(fù)荷電流，單位為A；T為放電小時(shí)數(shù)，單位為h；u為鉛酸蓄電池放電容量系數(shù)；t為實(shí)際電池所處環(huán)境最低溫度值。因此，可以得到理論估算的計(jì)算公式如下：

按照實(shí)際的使用環(huán)境，設(shè)采暖設(shè)備的溫度為15 ℃。若沒(méi)有采暖設(shè)備，則將溫度設(shè)定為5 ℃。此時(shí)，式（1）中的a為電池溫度系數(shù)，單位為1/℃；當(dāng)放電小時(shí)率10時(shí)，a=0.006；當(dāng)1≤放電小時(shí)率＜10時(shí)，a=0.008；當(dāng)放電小時(shí)率1時(shí)，則a=0.01[5]。

設(shè)UPS電源系統(tǒng)為200 kVA，蓄電池組可選用兩種單體蓄電池，一種為2 V單體蓄電池為240節(jié)，另一種為12 V單體蓄電池40節(jié)?？梢愿鶕?jù)上述分析進(jìn)行UPS電源系統(tǒng)的放電電流計(jì)算，然后設(shè)C為容量計(jì)算系數(shù)，I為負(fù)荷電流，Q為蓄電池組容量，可以形成Q=CI這個(gè)簡(jiǎn)化公式，這樣帶入各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以得到具體的容量。舉例說(shuō)明，假定在環(huán)境中安裝采暖設(shè)備，放電時(shí)間為0.5 h，那么放電小時(shí)率小于1時(shí)，a為0.01。按照蓄電池放電終止電壓為1.75 V，查表得放電容量系數(shù)值u=0.4，從而得到C=1.74。將C=1.74代入Q=CI，則負(fù)荷電流為I=Scosφ/μU=431.3 A（S=200 kVA，cosφ=0.9，μ=0.94，U=1.85×240），可以得到鉛酸蓄電池組容量Q=750.5 Ah。UPS電源系統(tǒng)采用2臺(tái)UPS并聯(lián)冗余方式或1+1并聯(lián)冗余，因此可以選擇兩組400 Ah/480 V閥控式鉛酸蓄電池組。

3.2 蓄電池組容量的恒功率算法和選型

生產(chǎn)商在計(jì)算蓄電池組容量時(shí)，往往選擇恒功率方案。從計(jì)算步驟方面分析，這包括5大步驟。第一，要求在基礎(chǔ)條件方面確定所選UPS產(chǎn)品各項(xiàng)要素，具體包括標(biāo)稱功率、負(fù)載效率和逆變效率，這樣可以根據(jù)基礎(chǔ)參數(shù)的給定得到相應(yīng)配置電池的總供電功率。第二，根據(jù)總供電功率，需要進(jìn)一步按照配置要求所需要的備電時(shí)間與電池組標(biāo)稱電壓參數(shù)實(shí)現(xiàn)電池組容量的計(jì)算。第三，可以根據(jù)標(biāo)稱電壓進(jìn)行單格電池?cái)?shù)量計(jì)算。第四，根據(jù)總供電功率與電池組單格電池?cái)?shù)量，計(jì)算所需要配置的單格電池放電功率。第五，將前4個(gè)步驟所得的數(shù)據(jù)作為配置要素，在不同的配置方案中進(jìn)行配置分析，能夠使恒功率放電參數(shù)滿足度計(jì)算表的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)關(guān)于數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)蓄電池的選型[6]。

分析以上5大步驟發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)商的恒功率計(jì)算方案中往往忽略了溫度因素，?不夠重視安全系數(shù)。所以，當(dāng)它計(jì)算出具體數(shù)值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致容量計(jì)算結(jié)果偏小，這是在設(shè)計(jì)方案與生產(chǎn)產(chǎn)品之間存在容量差異的根本原因。因此，為了解決這一問(wèn)題，并使雙方獲得一致性結(jié)果，需要加入安全因素與溫度因素。設(shè)P電池=2 V電池單體功率，K=1.25為安全系數(shù)，SUPS為標(biāo)稱輸出功率，cosθ負(fù)載功率因素，η=0.94為逆變器運(yùn)行效率，N為單體蓄電池組串聯(lián)數(shù)量。本次研究設(shè)定為240只，cosθ=0.9，那么可以將所有數(shù)據(jù)代入式（2）進(jìn)行具體計(jì)算：

根據(jù)設(shè)定要求，可以計(jì)算出2 V電池單體功率為1 108.2 W。

3.3 選型方案的注意事項(xiàng)

根據(jù)以上對(duì)理論公式估算與恒功率計(jì)算方案的具體分析發(fā)現(xiàn)，其中最重要因素來(lái)自于溫度系數(shù)與安全系數(shù)。當(dāng)兩種系數(shù)均獲得考慮時(shí)，會(huì)得到一致性的計(jì)算結(jié)果。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)環(huán)境溫度在25 ℃時(shí)，安裝的蓄電池組在實(shí)際運(yùn)行中處于安全狀態(tài)，也就是說(shuō)溫度環(huán)境的承載范圍可以達(dá)到25 ℃。同時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與標(biāo)定容量相比，新裝蓄電池組容量往往高于標(biāo)定容量。但是，伴隨著使用時(shí)間的持續(xù)，容量也會(huì)逐漸下降。所以，當(dāng)安裝的蓄電池組下降容量小于標(biāo)定容量時(shí)，會(huì)造成放電容量不能滿足設(shè)計(jì)方案的現(xiàn)象。因此，在實(shí)際的數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)蓄電池組選型時(shí)，應(yīng)該考慮多元影響因素，從而根據(jù)實(shí)際的影響大小與影響結(jié)果進(jìn)行具體分析，進(jìn)而利用數(shù)據(jù)化的計(jì)算方案，將其從抽象化的影響轉(zhuǎn)換為具體的影響參數(shù)。這樣能夠根據(jù)理論估算方式或者通過(guò)對(duì)生產(chǎn)商的恒功率計(jì)算方案進(jìn)行一些影響因子參數(shù)分析，并增加安全系數(shù)與溫度系數(shù)影響因素，并由此提升選型的科學(xué)性與合理性。

3.4 UPS電源系統(tǒng)蓄電池組選型相關(guān)性分析

現(xiàn)階段除了常規(guī)市電雙電源供電系統(tǒng)外，隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大與能源需求的日益增加，很多數(shù)據(jù)中心大多補(bǔ)充了高壓柴油發(fā)電機(jī)組。所以，在實(shí)際的UPS電源系統(tǒng)蓄電池組選型研究中，應(yīng)該注重它與高壓柴油發(fā)電機(jī)組備用電源系統(tǒng)的相關(guān)性。就實(shí)際的應(yīng)用情況觀察，高壓柴油發(fā)電機(jī)組的使用，可以有效使市電雙電源供電系統(tǒng)中的中壓直流以其固有的接地方式轉(zhuǎn)化為高壓直流，因而有利于補(bǔ)充電力供應(yīng)不足的情況，也可以減少蓄電池組的使用時(shí)間，延長(zhǎng)其使用壽命。另外，UPS電源系統(tǒng)中的蓄電池造型與其結(jié)構(gòu)的排布方式密切相關(guān)。若從專業(yè)化的選型研究角度觀察，雖然能夠解決選型的比較優(yōu)勢(shì)問(wèn)題，然而若要真正對(duì)UPS電源系統(tǒng)做深度的應(yīng)用效率優(yōu)化，則依然需要以UPS電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為中心開展專題化研究，如針對(duì)高壓柴油發(fā)電機(jī)組的研究和針對(duì)UPS結(jié)構(gòu)排布的優(yōu)化研究。這樣能夠在多項(xiàng)專題研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建綜合優(yōu)化方案，最終從整體上解決數(shù)據(jù)中心UPS電源系統(tǒng)的電力供應(yīng)優(yōu)化問(wèn)題。

4 結(jié) 論

現(xiàn)階段的數(shù)據(jù)中心技術(shù)已經(jīng)獲得了普遍發(fā)展，而其中采用的UPS電源系統(tǒng)也在逐漸完善。為了有效發(fā)揮該系統(tǒng)對(duì)蓄電池選型的作用，需要從中抓取安全系數(shù)與溫度系數(shù)，從而為其選型提供技術(shù)支持。結(jié)合以上分析可以看出，不同的方法與比較方案可以為蓄電池選型提供一定的參照，但是在實(shí)際選型方案確定中應(yīng)該增強(qiáng)參數(shù)的精準(zhǔn)運(yùn)算，并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析。建議在選型數(shù)據(jù)的類型參數(shù)方面增強(qiáng)數(shù)據(jù)積累，為后續(xù)的選型直接提供參考依據(jù)和對(duì)照參數(shù)。