BTSFBAT蓄電池
BTSFBAT蓄電池是電力系統中直流供電系統的重要組成部分，為電力系統中二次系統負載提供安全、穩定、可靠的電力保障，確保保護設備、通信設備的正常運行。因此，如何保證蓄電池組的穩定性和實際容量，是直流系統維護的重要工作。近年來，由于閥控式鉛酸蓄電池具有容量穩定、體積小、易于安裝等優點，被廣泛應用。
影響蓄電池容量的幾個因素：合理的充電管理制度，一般講閥控式蓄電池組運行充電方式有兩種，一是浮充充電方式;二是均衡充電方式。為延長閥控式蓄電池的使用壽命，生產廠商要求對電池組使用中要定期或者必要時對蓄電池組進行均衡充電。從維護單位實際執行情況看有很多不合理的充電管理制度導致電池組運行長期虧電、充電不足、容量早期損失。如電池組浮充電壓設置低，導致電池組浮充充電不足，電池組放電時放不出額定容量，過低導致電池組虧電，不能滿足自放電和氧循環的需要，過高會使電解液損失，縮短電池壽命。再就是均衡充電制度貫徹沒有得到落實，不論運行實際情況或運行時間長短均采用浮充充電方式，浮充電流小不能完成和滿足電池組放電后的補充電，因而造成電池組充電不足，導致電池組達不到額定容量。
容量與溫度的關系：典型閥控式鉛酸蓄電池放電容量與溫度的關系，工作溫度在25℃左右達到100%額定容量，工作溫度增高至30℃容量超過100%，相反工作溫度降低至-20℃是電池容量減小至60%額定容量。
蓄電池容量與內阻的關系：國內外的很多資料表明電池的內阻大小與電池所處的狀態有關，與電池的剩余容量有關。電池處于放電狀態時，隨著剩余容量的減少，電池活性物質也在減少，結果使得電池的內阻增加。國內外許多研究資料表明，電池內阻與電池剩余容量有關，且與電池剩余容量成反比關系。
蓄電池容量與放電率的關系：閥控式鉛酸蓄電池隨著放電電流的增加，電池容量降低。這是因為，電流在極板上的分布是不均勻的，電化學反應電流優先分布在離主體溶液***近的表面上，這樣就導致在電極表面形成硫酸鉛而堵塞孔口，電解液擴散困難，不能充分供應多孔電極內部的需要，因而在大電流放電時，活性物質沿厚度方向作用深度有限，電流越大其作用深度越淺，活性物質被利用的程度越低，蓄電池所給出的容量也就越小。又由于極化和內阻的存在，在高電流密度下電壓降損失的增加，使蓄電池端電壓迅速下降，也是使容量降低的原因。
蓄電池作為站內直流系統的備用電源，要求平時保持在一定的充電水平，以便在直流屏高頻開關電源或硅整流裝置交流失電，發生故障導致不能輸出直流電源時，能及時投入，從而不影響站內直流設備和直流回路的正常運行。因此，蓄電池本身性能應能滿足其容量、電壓在一定時間內（包括直流電源裝置檢修期間），維持在較高水平。只有這樣，才能保證站內直流系統的安全可靠運行。
蓄電池原理：在充電時，電能轉化為化學能，放電時化學能又轉化為電能。電池在放電時，金屬鉛是負極，發生氧化反應，被氧化為硫酸鉛；二氧化鉛是正極，發生還原反應，被還原為硫酸鉛。電池在用直流電充電時，兩極分別生成鉛和二氧化鉛。移去電源后，它又恢復到放電前的狀態，組成內部動態平衡的化學電池。鉛蓄電池是能反復充電、放電的電池，又叫做二次電池。
UPS電源所選用的蓄電池要注意標機或后備時間較短必須具有在短時間內能輸出大電流的特性。而密封鉛酸蓄電池是***常用的。密封鉛酸蓄電池的電解液基本恒定，無損耗。這是因為密封鉛酸蓄電池采用了先進的陰極吸收式密封技術。這一技術的采用，可把補加蒸餾水的間隔時間延長到5年以上，為了保證密封電池安全、可靠的工作，要求給蓄電池充電時的充電電流不得超過電池允許的充電電流值。UPS的充電器均采用分級恒流恒壓充電方式，即在充電初期采用恒流充電，其充電電流限制在規定值或電池額定容量十分之一的電流值。充電一定時間后，改為恒壓充電，即浮充電。
由于免維護鉛酸蓄電池采用鉛鈣合金柵架，因其在正常充電電壓下，充電時產生的水分解量少，水份蒸發量低，加上外殼采用密封結構，釋放出來的硫酸氣體也很少，所以它與傳統蓄電池相比，具有不需添加任何液體，對接線樁頭、電線腐蝕少，抗過充電能力強，極板有很強的抗過充電能力，而且具有內阻小、比常規蓄電池使用壽命長等特點，在充電系正常情況下，不需從拆下進行補充充電。
免維護鉛酸蓄電池應用領域：ups電源，直流屏，eps電源，船舶設備，醫療設備，警報系統，發動機起動，電動工具，緊急照明系統，備用電力電源，計算機備用電源，峰值負載補償儲能裝置，電力系統，電信設備，通訊系統，控制系統，核電站，發電站，消防和安全防衛系統，太陽能，風電站，電子設備等。
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型號 |
電壓(V) |
容量(Ah) |
參考尺寸（毫米） |
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長 |
寬 |
總高度 |
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NP7-12 |
12 |
7(20小時率) |
151 |
65 |
97.5 |
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NP24-12 |
12 |
24(20小時率) |
175 |
166 |
125 |
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NP38-12 |
12 |
38(20小時率 |
197 |
165 |
170 |
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NP65-12 |
12 |
65(20小時率 |
350 |
166 |
174 |
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NP100-12 |
12 |
100(20小時率) |
407 |
172.5 |
240 |
機房UPS主機的性能很重要，也不能忽略了對機房UPS蓄電池的選擇，因為蓄電池和UPS是配套使用的。那么UPS蓄電池有哪些種類嗎？各自的優缺點又有哪些？
蓄電池是UPS系統中的一個重要組成部分，它的優劣直接關系到整個UPS系統的可靠程度，然而蓄電池卻又是整個UPS系統中平均無故障時間（MTBF） 短的一種器件。如果用戶能夠正確使用和維護，就能夠延長其使用壽命，反之其使用壽命會大大縮短。
蓄電池的種類一般可分為閥控式密封鉛酸蓄電池、膠體電池等。UPS要求所選用的蓄電池必須具有在短時間內輸出大電流的特性。目前，在線運行的蓄電池基本上是這兩種，不屬于鉛酸蓄電池。
因其體積較小、密封性能好、絕少維護而被廣泛應用于各類UPS電源中。VRLA防止電池內部電解液流動有兩種技術方法:一種是將 酸電解液與SiO2，膠體混合后充滿電池內部，制成膠體電池(簡稱GEL)。這類產品產量較低，約占VRLA電池總量的15%!。(MISSING)另一種是利用超細玻璃棉將電解液不飽和地吸附住，制成吸液式電池或貧液式電池(簡稱AGM)。由于后者具有較好的大電流放電性能，在UPS系統中較多采用，國內廠家也大多生產AGM蓄電池。
2、膠體電池
膠體電池屬于鉛酸蓄電池的一種發展分類， 簡單的做法，是在硫酸中添加膠凝劑，使硫酸電液變為膠態。電液呈膠態的電池通常稱之為膠體電池。廣義而言，膠體電池與常規鉛酸電池的區別不僅僅在于電液改為膠凝狀。例如非凝固態的水性膠體，從電化學分類結構和特性看同屬膠體電池。又如在板柵中結附高分子材料，俗稱陶瓷板柵，亦可視作膠體電池的應用特色。近期已有實驗室在極板配方中添加一種靶向偶聯劑，大大提高了極板活性物質的反應利用率，據非公開資料表明可達到70wh/kg的重量比能量水平，這些都是現階段工業實踐及有待工業化的膠體電池的應用范例。膠體電池與常規鉛酸電池的區別，從 初理解的電解質膠凝，進一步發展至電解質基礎結構的電化學特性研究，以及在板柵和活性物質中的應用推廣。其 重要的特點為：用較小的工業代價，沿已有150年歷史的鉛酸電池工業路子制造出更優質的電池，其放電曲線平直，拐點高，比能量特別是比功率要比常規鉛酸電池大20%!以(MISSING)上，壽命一般也比常規鉛酸電池長一倍左右，高溫及低溫特性要好得多。
選配機房UPS過程中考慮容量問題時,應該列舉決定容量大小的相關因素,并具體說明各因素與容量的具體關系。確定UPS容量大小應參考因素主要有:實際負載容量、負載的類型、容量使用率、環境條件、UPS的類型及實際負載能力、潛在擴容需求等。1、實際負載容量:這是決定UPS容量大小的最根本因素。UPS的輸出能力必須達到或超過負載需要才能保證正常供電。實際應用中要考慮UPS是采用集中式供電還是分布式供電。采用集中式供電的負載總量應是將機房所有由UPS供電負載的功率累計。采用分布式供電的則根據每臺UPS所帶負載不同確定。
2、負載的類型:不同類型的負載其有功功率和無功功率的比例不同,但UPS需向負載同時提供足夠的有功功率
和無功功率,則實際輸出能力受負載類型所限制。以功率因數為0.7的UPS為例,一般地計算方法是:阻性負載的VA值=W值÷0.7;感性負載的VA值=W值÷0.3。
3、UPS容量使用率:對于大功率UPS,一般建議容量使用率控制在0.6～0.8。
4、環境條件:UPS的工作溫度一般應控制在0～40℃范圍內。海拔超過1000m后每升高1000m,UPS應降額5%使
用。
5、UPS的類型及實際負載能力:不同類型的UPS其帶載能力有所不同。工頻機的輸出能力較好,而高頻機的實際
帶載能力只有工頻機的0.9倍。
6、設備的潛在擴容需求:配置UPS容量應考慮設備今后擴容需要,留有一定余量。
三相大功率UPS電源主要運行在數據中心與關鍵電源兩種場景,目前在IDC、Colo、金融、電信、醫療、半導體、石油石化、機場、軌道交通、電力等各行業得到廣泛應用。經過近三十年的市場推廣與實際使用,用戶對工頻機、高頻機、固定功率一體機、模塊化UPS等概念已經有了深刻的理解。
近十年來,在大型及超大型數據中心、半導體等行業需求的推動下,三相大功率UPS電源出現了很多新的理念與創新。本文對其中重要的五大新技術做簡單介紹。
三種運行模式
逆變器優先運行模式(雙變換)
如圖1所示,工頻機高頻機從電氣變換技術角度來看,都是采用的雙變換在線式技術,即能量經過整流器逆變器兩次能量變換后,由逆變器提供電壓精度為1%、諧波含量小于5%的正弦波交流電給負載供電。這種運行模式也可以稱為:逆變器優先運行模式(雙變換)。
逆變器優先模式的優勢是輸出電壓精度高達1%。劣勢是由于能量的兩次 轉換,在正常15%～60%負荷下,UPS整機效率較低僅88%～95%。同時電流每秒鐘都流經整流器逆變器的功率器件,元器件疲勞老化嚴重,壽命降低,導致UPS可用性降低。而可用性才是用戶對UPS的最重要需求。
逆變器優先模式(雙變換)本身就是一種低可用性的運行模式。這是這么多年以來才痛苦認識到的一個事實。
有沒有新的思路?小功率的后備式UPS和在線互動式UPS正常情況下是旁路市電輸出供電,不是也保護了IT負荷嗎?
仔細研究我們會發現兩點:
IT負荷其實對交流電的要求不高,允許電壓-20%/+10%,頻率40～70Hz,允許中斷時間10～20ms。逆變器優先模式為驕傲的1%輸出精度其實沒有意義。
今天市電電網的可用性得到了很大提高,城市10kV電網可用性達到99.94%(見表1)。這兩個因素促使我們認識到三相中大功率UPS其實也可以和小功率UPS一樣選擇旁路優先運行模式。事實上早在2010年,各廠家三相UPS就允許用戶選擇工作在旁路優先模式,即ECO模式(經濟模式)。
旁路優先運行模式(ECO模式)
如圖2所示,在正常情況下,UPS優先運行在靜態旁路,由市電直接給負載供電。當旁路電壓超出設定窗口范圍時,會切換到逆變器輸出模式。該模式的優勢是效率高達99%。劣勢是由于市電直供,會產生雙向*,輸入功率因數輸入諧波電流指標較差。更重要的是,當旁路故障需要切換回逆變器模式時,會出現4～20ms的切換時間,某些情況下會造成負載運行中斷, 降低了UPS的可用性。
在這種情況下,能否找到一種運行模式,既有高可用性,還能提高運行效率,同時性能指標參數也能滿足負載要求,就成為各廠家研發的重要目標。
旁路優先運行模式(E變換模式)
施耐德公司在2012年獲得了 旁路優先模式(E變換)的專利。如圖3所示,正常情況下,逆變器與旁路市電并聯工作,相當于有源濾波器,逆變器提供諧波電流和無功功率,旁路市電回路提供基波電流和有功功率。輸出電壓由旁路決定。這種模式的優勢是整流器和逆變器的功率器件流過的電流較小,元器件疲勞老化輕微,壽命延長,UPS可用性提高。由于逆變器一直在并聯運行,當旁路市電超出窗口范圍時,系統會0ms切換回逆變器工作,不存在切換失敗切換時間長的問題。該種模式效率高達98.8%,僅次于ECO模式。另外,由于可控制旁路回路只提供基波電流和有功功率,因此輸入功率因數0.99,輸入諧波電流<5%。
目前主流一線品牌廠家在三相大功率UPS系列上均與E變換技術類似的運行模式,供用戶選擇使用。
多電平逆變器技術
工頻機和早期的高頻機均采用兩電平逆變器技術。如圖4所示。
工頻機采用變壓器交流升壓技術。工頻機一般配置32只12V電池,浮充狀態下直流母線電壓432V,較低,只能逆變出160V交流電,只好在逆變器后端采用升壓工頻變壓器,輸出220/380V交流電。逆變器功率器件的承壓為432V,較低,選用800V耐壓值的IGBT即可滿足要求。
高頻機采用DC/DC直流升壓技術。高頻機一般配置40～64只電池,為取消變壓器,保證逆變器可以直接逆變出220V/380V交流電,高頻機在整流器后增加了一個IGBT的DC/DC升壓環節,使得兩電平逆變器前端的直流母線電壓達到800V,這樣逆變器功率器件的承壓為800V,需要選用1500V耐壓值的IGBT才能滿足要求。
通過研究場效應管和IGBT等功率器件的失效率曲線,發現1500V耐壓值的功率器件其失效率數倍于800V耐壓值的功率器件。這樣,研發人員意到降低功率器件的承壓從而選擇低耐壓值的功率器件理論上可以提高逆變器的可用性。用戶體驗實踐也證明工頻機逆變器比兩電平高頻機的逆變器可用性高。為改善高頻機的可用性,業內研發了三電平四電平逆變器。
如圖5所示為三電平逆變器功率器件的承壓為400V,低于工頻機。
四電平逆變器功率器件的承壓為266V(見圖6),遠低于工頻機的432V。
施耐德公司于2010年獲得了四電平逆變器技術的專利。該技術的運用,不但提高了逆變器的可用性,還提高了UPS效率,達到96.5%。
那么是否五電平、六電平逆變器的可用性會更高呢,答案不是這樣的,因為電平數越多,逆變器需要的功率器件的數量就越多,使得逆變器出故障的可能性增多。因此,需要在功率器件的耐壓值和數量上找到合理的平衡。實踐證明運行在全球范圍內的數萬臺四電平逆變器可用性大大優于傳統的工頻機。
新型物理架構的大功率并機系統
大型及超大型數據中心及半導體行業的用戶,經常會搭建功率為1500kW及以上的UPS系統,這就需要采用多臺UPS并聯的系統架構。并機電氣架構大家都知道有兩種,多臺UPS直接并機,和公用靜態旁路的多臺UPS并機。
而并機物理架構目前也發展出有兩種。
如圖7(a)所示并機物理結構1,為傳統的多臺單機通過外部配電柜和電纜進行并聯,總共需要7個外部配電柜和多組電纜。每臺UPS都有外配的主輸入、旁路輸入、UPS輸出、電池回路等四把交直流斷路器和四組交直流電纜,使得UPS系統操作復雜造成可用性降低、配套的配電柜和電纜成本高、對現場施工環境要求高、對現場施工人員技術要求高、施工工期長。
為解決上述問題,必須采用新的集成化預制化的物理結構的并機系統。
如圖7(b)所示位并機物理結構2,為多臺功率柜和輸入輸出I/O柜通過外部主配電柜和主電纜進行并聯,總共需要4個配電柜和少量電纜。每臺UPS功率柜內部集成了自動控制的接觸器和熔斷器,內部還集成和預制了主輸入、旁路輸入、主輸出和電池母線的銅排背板與公共的I/O柜連接,每臺UPS不再需要外配四把分斷路器和四組分電纜。
新型的并機物理結構簡化了整個UPS系統,簡化了開關機操作,銅排連接使得輸出阻抗一致性高,這些特點都有利于提高UPS系統的可用性。
新型的并機在電氣架構上還包括了公用的1500kW靜態旁路,這種電氣架構早就被證明可用性高于普通的多臺UPS直接并機的電氣架構。減少了外部配套的配電柜和電纜。
新型的并機物理結構其實也是模塊化的并機架構,可以根據用戶需求增減功率柜,目前市場上的功率柜一般為200～300kW。靈活性與適應性更高。
施耐德公司早于2003年在單系統最大可達1600kW的MW系列UPS使用了類似的并機物理架構,并于2016年改良后運用到了單系統大可達1500kW的N+1的VX系列UPS產品上。
兼容鋰電池,讓鋰電池幫我們賺錢
計算可知,由于普通鉛酸蓄電池大約每3～4年更換一次,在三相大功率UPS系統10～12年全生命周期過程中,用戶花在電池系統上面的錢甚至超過UPS主機。事實上UPS每秒鐘都在使用都在出力都在發揮價值,而電池一年只有1.22次放電機會,而且放電時間可能只有幾分鐘(在配套發電機系統的情況下)。可見傳統模式下,我們對電池系統的利用太低了。
由于電動汽車和儲能行業的驅動,2018年鋰電池的成本已經降低到1.1～1.4元/Wh,而鉛酸電池的成本為0.7元/Wh。在可見的1～2年內,鋰電池的價格將會與鉛酸電池齊平。
很多UPS系列都號稱可以兼容鋰電池,但實際上有較大差異。一種兼容是把鋰電池當普通鉛酸電池用。這種兼容沒有任何意義,花了鋰電池的價格只享受到鉛酸電池的好處,得不償失。
而另外一種兼容是把鋰電池當鋰電池用,真正利用鋰電池的特點,發揮其優勢。鋰電池相比于鉛酸蓄電池在電氣性能方面的優點是:可快充,可快放,循環壽命高達6000～10000次。
快放
電池的容量是基于放電時間的。傳統鉛酸電池100Ah一般是基于20h放電。在大功率UPS一般要求的15min延時時間下,100Ah鉛酸電池只能放出約30Ah的容量,而100Ah鋰電池可以放出90Ah容量。很明顯,大功率UPS常用的5～30min延時時間范圍,是鋰電池的天下,只需要配置鉛酸電池25%～40%的容量即可達到同樣的延時時間。這種情況下,鋰電池系統的價格甚至會有優勢,
快充
為更好的與鋰電池進行兼容配套,新型的UPS充電功率從傳統的10%～20%大幅度提升到35%、40%,甚至高可達80%。這增加了UPS充電器和整流器的成本,但可以使得鋰電池在一天內可多次快速充放電,以達到利用峰谷電價差節省運行電費成本的目的。普通UPS充電功率不足,不能利用鋰電池可以快充的特點。
如果與膠體電池比,鋰電池價格更加明顯。
循環壽命6000～10000次
前面我們說過,正常情況下,即使每年人為增加2次電池充放電維護保養,每年電池的總放電次數也不過4次,12年下來不超過50次,鉛酸蓄電池循環壽命500次完全滿足要求。那這個鋰電池6000次循環壽命還有必要嗎?還有用嗎?
大型數據中心可以很好的利用鋰電池的6000～10000次循環壽命配合峰谷電價計費模式“掙錢”。這需要UPS主機有峰谷運行的功能,即在電價為0.4元的谷底時給鋰電池充電,在電價為1.5元的峰值時讓鋰電池放電,一來一回每度電電價差1.1元。
100Ah12V電池能放出來的電量大約為1度電,如果每天兩次充放電循環,刨去效率,刨去必須保有基本30%容量不能全部放光,保守估計100Ah12V電池可以賺1.5元錢。
鋰電池日歷壽命為15年,在UPS系統12年的生命周期過程中,需要365×2×12=8760(次)充放電循環,可以賺1.5×365×12=6570(元)。很明顯,鉛酸電池只有500次循環壽命,不能進行這種操作。
專為Colo行業研發的削峰功能
Colo行業的用戶,非常希望把變壓器用足甚至用超,同樣2000kVA的變壓器就可以帶更多的IT負載更多的機柜,賺更多的錢。但在傳統UPS系統中IT負載的功率不能超過變壓器的功率,否則就過載了。
由于IT負載是一條變化的曲線,波峰時段可以比波谷負荷高10%～20%,為了讓2000kVA的變壓器帶更多的IT平均負荷,又不能在IT波峰時過載,施耐德開發出了UPS削峰功能。
假定我們在2000kVA變壓器和配電系統后帶一套2500kW的UPS系統,設計帶平均值為2000kW的IT負荷。當IT負荷處于波峰時段達到2400kW時,UPS會同時利用從電網吸入的2000kW功率+電池組的400kW功率,通過逆變器給2400kW的IT負荷供電。利用鋰電池儲存的能量短時間內應對IT峰值,同時又不讓變壓器和配電系統過載。
施耐德VX系列UPS允許最大35%功率來自于鋰電池,小65%功率來自于電網。
云服務提高了系統可用性
行業用戶對大功率UPS系統的快速恢復能力非常看重,因為這大的決定了系統的可用性。傳統的本地使用、本地控管理、本地維護的模式注定需要較長的時間才能修復系統。
一般的維修流程是,用戶發現UPS系統故障,用戶自己是不會做什么維修動作的,只能立即撥打廠家400電話,廠家技術人員通過詢問用戶觀察到的指示燈或顯示器上的報警信息來判斷故障位置,可能需要1-2小時。然后400開始指派備件運輸,指派工程師到用戶現場。如果判斷錯誤,可能需要二次備件運輸,甚至更高級別工程師出動。整個維修恢復過程需要8～48h。
而新型的云服務,用戶的UPS或整個系統都可以直接連接到施耐德的云監控平臺,施耐德有經驗的熟悉產品的資深工程師24h值班監控,可以預警潛在的故障風險,提前處理。真的出現故障時可以第一時間發現故障,并快速準確判斷出故障所在,立即內部調動備件與工程師,整個維修恢復過程縮短到4-24h。