不間斷電源共享電池組解決方案

作者：中達(dá)電通UPS產(chǎn)品處 張彥和

一、引言

    為了提高系統(tǒng)可靠度，現(xiàn)在的機(jī)房多采用N+X并聯(lián)冗余或者雙母線的UPS配置方案。以往的方案中UPS主機(jī)的數(shù)量多了，而電池的數(shù)量也往往跟著成比例的增加，從而使花于電池的金錢、空間、承重、維護(hù)等各方面的投資加大，有時(shí)甚至是UPS主機(jī)的幾倍。那么有沒有一種方案在系統(tǒng)后備時(shí)間不受或者少受影響的情況下少配電池呢？有沒有一種方案在UPS主機(jī)冗余的情況下而不要求電池組一定跟著冗余呢？

有，共享電池組就是一個(gè)很好的解決方案。

二、共享電池組方案的理論基礎(chǔ)及其優(yōu)越性

    所謂共享電池組方案就是指兩臺或者多臺UPS主機(jī)同時(shí)利用一組或者多組電池的解決方案。市電正常時(shí)，各UPS同時(shí)給電池組充電，市電異常或者中斷時(shí)，各UPS又同時(shí)利用電池組的能量逆變成交流電供給負(fù)載。

共享電池組方案的系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如下：

    在N+X并聯(lián)冗余或者雙母線的配置系統(tǒng)中，UPS主機(jī)一定有冗余，如：2+1并聯(lián)系統(tǒng)中，冗余量占總?cè)萘康?3%，1+1并聯(lián)系統(tǒng)中，冗余量占總?cè)萘康?0%， 1+2并聯(lián)系統(tǒng)中，冗余量占總?cè)萘康?7%，在雙母線系統(tǒng)中冗余量至少占總?cè)萘康?0%等等。按照常規(guī)的電池配置方法，每臺UPS主機(jī)配帶各自的電池組，如果UPS主機(jī)因故不能逆變，它所配帶的電池組也就跟著作廢了，盡管電池沒有故障。所以UPS主機(jī)冗余，電池也要跟著冗余，主機(jī)冗余量占UPS總?cè)萘康陌俜种畮祝�電池冗余量也要跟著占電池總�(cè)萘康陌俜种畮祝�只有這樣才能使系統(tǒng)后備時(shí)間不受影響，達(dá)到真正冗余的效果。換個(gè)思路考慮，當(dāng)某臺UPS主機(jī)發(fā)生故障時(shí)，如果將它所配帶的電池轉(zhuǎn)移給其它正常的UPS使用，那么系統(tǒng)配置的電池不就沒必要冗余了嗎？整個(gè)系統(tǒng)的后備時(shí)間不是同樣不受影響嗎？這正是共享電池組方案的理論基礎(chǔ)。

共享電池組方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1．節(jié)省購買電池的資金投資

系統(tǒng)冗余量占系統(tǒng)總?cè)萘康陌俜种畮祝�就能�?jié)省電池總投資的百分之幾。在電池價(jià)格飛漲的今天，能夠節(jié)省的這筆費(fèi)用是相當(dāng)可觀的。同時(shí)，電池?cái)?shù)量減少了，相應(yīng)的搬運(yùn)、安裝等投資也會(huì)跟著減少。

2．節(jié)省安裝空間投資

大批量的電池所占用的安裝空間也是很大的，減少了電池?cái)?shù)量,也就成比例地減少了安裝空間方面的投資。同時(shí)也就減少了房租、裝修費(fèi)、空調(diào)配置等方面的投資。

3．節(jié)省承重方面的投資

電池組是很重的，為了解決樓層承重問題，一般會(huì)擴(kuò)大電池的放置面積或者制做承重支架。如果減少了電池?cái)?shù)量，這方面8；7787。六六六力量。。了，，5，，7，的投資就會(huì)相應(yīng)地省去。

4．節(jié)省運(yùn)營成本投資

電池?cái)?shù)量少了，系統(tǒng)本身以及房間空調(diào)所消耗的電能也就少了，需要投入的維護(hù)成本也少了，同時(shí)還會(huì)更加環(huán)保。

5．系統(tǒng)擴(kuò)容比較方便

對于共享電池組的UPS系統(tǒng)，日后擴(kuò)容時(shí)可以不增加電池，如果現(xiàn)有電池組的后備時(shí)間還夠用，直接增加UPS主機(jī)就行了。擴(kuò)容會(huì)變得非常簡單、方便、節(jié)省資金。

6．發(fā)揮電池的最大效能，提高電池利用率

電池是需要維護(hù)的，如果長期不放電就會(huì)失去活性。對于傳統(tǒng)的電池配置方案，由于電池?cái)?shù)量較多，停電后電池會(huì)小電流放電，電池容量可能還沒有放掉多少市電就已經(jīng)恢復(fù)。這種小電流的淺度放電對電池是沒有好處的，久而久之電池性能就會(huì)下降，一旦某臺UPS壞掉，其它UPS電池的后備時(shí)間就會(huì)達(dá)不到要求。而對于共享電池組方案，由于電池?cái)?shù)量相對較少，停電后電池的放電電流就會(huì)比較大，電池容量也可以放的比較多，這樣有利于提高電池的活性，延長電池壽命。一旦某臺UPS壞掉，系統(tǒng)的后備時(shí)間也不會(huì)受到影響，因?yàn)殡姵夭粫?huì)跟著UPS實(shí)效而失效。

從上面的分析可以看出共享電池組方案具有很多的優(yōu)點(diǎn)，尤其是在投資、承重、安裝空間等條件受到限制時(shí)，這一方案更顯示出它的優(yōu)越性。

三、共享電池組方案需要解決的幾個(gè)問題

    既然共享電池組方案具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，為什么還沒有被普遍的應(yīng)用呢？為什么很多廠商平時(shí)宣揚(yáng)自己的UPS具有共享電池組功能，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)卻又不敢建議客戶使用呢? 這是因?yàn)椴⒉皇敲恳豢頤PS都可以共享電池組，共享電池組需要一定的技術(shù)支持。

對于共享電池組方案，大家比較關(guān)心的問題主要有以下幾個(gè)：

1．直流母排直接相連，各臺UPS的整流器會(huì)不會(huì)受影響？直流母排的電壓穩(wěn)定度能否保證? 直流母排的電壓漣波是否夠小?

2．各臺UPS對電池的均浮充是如何處理的?

3．共享電池組時(shí)“電池在線測試”功能是否還能使用?

4．若其中1臺UPS的整流器故障,各臺UPS將如何動(dòng)作?

    5. 若其中1臺UPS的逆變器故障,各臺UPS將如何動(dòng)作?

    6．如果共享的電池組部分出現(xiàn)故障,例如短路時(shí),各臺UPS如何自我保護(hù)?

這些問題直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，非常重要，不同的廠家處理方式也不一樣，所以選擇共享電池組方案時(shí)一定要選擇技術(shù)實(shí)力雄厚，制造經(jīng)驗(yàn)豐富的UPS廠商.

四.臺達(dá)NT系列UPS的共享電池組解決方案

    臺達(dá)NT系列UPS可以多機(jī)共享電池組，在串聯(lián)、并聯(lián)、雙母線架構(gòu)下都可以采用。目前，在上海鐵路局調(diào)度控制中心有兩臺30KVA的UPS共享電池組在正常運(yùn)行；在九江電信有兩臺320KVA的UPS共享電池組在正常運(yùn)行；在山東省委機(jī)要局有兩臺40KVA的UPS共享電池組在正常運(yùn)行；在山東電視臺有兩臺30KVA的UPS共享電池組在正常運(yùn)行；在鷹潭電信有三臺40KVA的UPS共享電池組在正常運(yùn)行等等，這些案例從來沒有因?yàn)楣蚕黼姵亟M而發(fā)生過故障。在臺達(dá)的UPS生產(chǎn)線上也都是采用共享電池組方式測試并聯(lián)機(jī)器的。所以說臺達(dá)UPS在共享電池組方面的技術(shù)還是相當(dāng)可靠的，經(jīng)驗(yàn)還是非常豐富的。

臺達(dá)NT系列 UPS主要是這樣處理以上幾個(gè)問題的：

    對于問題1：各臺UPS的直流母排相連后，整流器的工作其實(shí)是基本不受影響的，因?yàn)楦髡�流器的SCR開度受各自驅(qū)動(dòng)信號的控制，跟直流母排是否相連沒有關(guān)系，只要直流電壓的反饋信號準(zhǔn)確及時(shí),驅(qū)動(dòng)信號正確無誤，SCR的工作也就不會(huì)受到影響。所以，12脈沖整流器、18脈沖整流器都能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，甚至開關(guān)電源的幾十個(gè)整流模塊都可以直接并聯(lián)起來安全運(yùn)行。

    更深一步去看，如果控制的好，整流器并聯(lián)后不但沒有壞處而且還有好處，因?yàn)樗鼈兛梢韵嗷サ窒�一些低次諧波，使直流電壓漣波更小，直流電壓更加穩(wěn)定。

    臺達(dá)NT系列UPS的整流器每臺都由一片專門的CPU來控制，采集信號準(zhǔn)確及時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號正確無誤，抗干擾能力強(qiáng)。UPS還具有自動(dòng)均流功能，不但能保證每臺UPS的三相輸入電流一致，而且還能調(diào)控各并聯(lián)UPS的整流器之間的電流相差不能太大，否則電流大的UPS就會(huì)限流保護(hù)，以提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性。臺達(dá)NT系列UPS不論單機(jī)運(yùn)行還是共享電池組，其直流電壓穩(wěn)定度都能達(dá)到<±1%。

     對于問題2：臺達(dá)NT系列UPS可以根據(jù)電池容量大小和負(fù)載需要在操作面板上設(shè)定電池容量、均/浮充電壓、充電電流、電池低電壓告警點(diǎn)、電池截止電壓點(diǎn)等參數(shù)。如果共用電池組，則將操作面板上的“共用電池組” 設(shè)定為“YES” ,同時(shí)電池容量和充電電流兩個(gè)參數(shù)設(shè)定為電池需要數(shù)值的1/N(N為主機(jī)數(shù)量)。

    市電停電后，各臺UPS開始放電，再來電時(shí)，如果電池電壓低于均充電壓點(diǎn)，則各臺UPS同時(shí)啟動(dòng)均充功能，當(dāng)達(dá)到截止電壓點(diǎn)或者截止時(shí)間時(shí)，各臺UPS同時(shí)轉(zhuǎn)為浮充。

    在正常運(yùn)行時(shí)，如果人為啟動(dòng)單臺UPS的均充功能，則該臺UPS最大以設(shè)定的充電電流進(jìn)行均充，達(dá)到時(shí)間后自動(dòng)轉(zhuǎn)為浮充，不會(huì)對系統(tǒng)造成影響。

對于問題3：臺達(dá)NT系列UPS共用電池組時(shí)，“電池在線測試”功能無效，因?yàn)榇藭r(shí)單臺檢測“電池”是沒有意義的。根據(jù)需要，也可以修改軟件，當(dāng)啟動(dòng)其中一臺UPS的“電池在線測試”功能時(shí)，讓各臺UPS同時(shí)動(dòng)作。

對于問題4：在運(yùn)行過程中，如果一臺UPS的整流器故障了，則故障機(jī)會(huì)告警，并轉(zhuǎn)到電池工作狀態(tài)，直到電池組電壓降到330V時(shí)，鎖機(jī)保護(hù)（正常UPS的電池保護(hù)鎖機(jī)電壓一般為300V）。其它的UPS會(huì)一直工作在正常工作狀態(tài)，最大以設(shè)定的充電電流對電池進(jìn)行充電。

    如果整流器損壞嚴(yán)重，甚至短路，則故障機(jī)整流器跟直流母排之間相連的保險(xiǎn)絲會(huì)迅速熔斷，不讓單個(gè)故障點(diǎn)影響整個(gè)系統(tǒng)。

對于問題5：在運(yùn)行過程中，如果一臺UPS的逆變器故障了，則故障機(jī)會(huì)告警，對于并聯(lián)系統(tǒng)，故障UPS會(huì)鎖閉輸出，負(fù)載由另外的UPS承擔(dān)。如果另外的UPS超載，則所有的UPS同時(shí)轉(zhuǎn)到旁路工作狀態(tài)，繼續(xù)給負(fù)載供電。對于串聯(lián)或者雙母線系統(tǒng)，故障UPS會(huì)直接轉(zhuǎn)到旁路工作狀態(tài)，繼續(xù)給負(fù)載供電。

    如果逆變器損壞嚴(yán)重，甚至短路，則故障機(jī)逆變器跟直流母排之間相連的保險(xiǎn)絲會(huì)迅速熔斷，不讓單個(gè)故障點(diǎn)影響整個(gè)系統(tǒng)。

對于問題6：臺達(dá)NT系列UPS的電池組跟直流母排之間有電磁接觸器和保險(xiǎn)絲保護(hù)，當(dāng)UPS偵測到電池組漏液、電池極性接反、電池電壓過低等問題時(shí)，電磁接觸器將不吸合，當(dāng)電池組短路時(shí)，會(huì)有保險(xiǎn)絲迅速熔斷，以保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。

五. 實(shí)施共享電池組方案需要注意的問題

    采用共享電池組方案時(shí)需要注意以下兩點(diǎn)：

1．盡量避免只共用一組電池

    因?yàn)檫@樣存在單點(diǎn)故障，一旦這一組電池發(fā)生故障，則所有UPS都沒有電池可用，如果此時(shí)市電停電，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)停掉。

    根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最好是選用2-5組電池共享，因?yàn)檫@樣既可以避免電池組單點(diǎn)故障，又可以對電池組均勻充電，延長電池壽命。

2．每臺UPS和每組電池都必須有自己獨(dú)立的控制開關(guān)

    這樣不論哪臺UPS或者哪個(gè)電池組故障，都能夠安全脫離系統(tǒng)進(jìn)行維修、更換，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，否則就會(huì)為以后的維護(hù)動(dòng)作留下一個(gè)大難題。所以在這一點(diǎn)上是絕對不能省的。

六．結(jié)論

    多機(jī)共享電池組方案具有很多的好處，符合節(jié)能、降耗、環(huán)保的時(shí)代主流，必將引起人們的普遍重視。關(guān)鍵是要選擇安全可靠的UPS 和合理的安裝方案。