關于數據中心UPS電源系統蓄電池組的選型研究

呂高飛，張文魁，龔長武

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

進入21世紀后，中國的互聯網產業獲得了前所未有的發展。隨著互聯網技術的普遍化應用，移動通信技術發生了巨大變化。尤其是在兩者的持續融合下，數據中心思想得到了巨大發展，并形成了大數據應用方案。從構成而言，數據中心機房由多個部分組成，包括諸多IT設備，如服務器、交換機以及路由器等[1]。通常情況下，電源系統的非間斷性是確保設備供電穩定性的重要保障。下面將以此為背景，結合當前UPS電源系統蓄電池組造型方法進行探討。

1 概 述

在機房數據中心設備供電穩定性控制方面，一般會采用直流或交流電源，常規220 V即可滿足。經驗表明，市電雙電源供電系統可為數據中心提供相應的運行條件。目前，在硬件資源配置方面應用UPS電池組較為普遍。這是利用常規電源與備用電源的兩種思路，對市電故障現象提出的應對方案。比如，故障發生后，UPS電源系統可以在自動控制系統監控下直接啟動，并確保市電網絡的安全運行，從而降低電力故障或風險事件發生時可能產生的損害與嚴重事故。因此，在供電系統中的蓄電池組UPS電源系統具有關鍵性作用，與供電系統的安全、穩定運行密切相關。所以，需要從性能角度、浮充備用狀態、負荷應急等方面進行一些研究，從而達到降低成本、提升蓄電池組性能、保障系統穩定運行的目標[2]，即通過具體的運算方案選出最優UPS電源系統蓄電池組的型號。

2 在工程中計算蓄電池組容量的條件與方法

下面結合實際的工作經驗和相關規范標準，先對關于數據中心UPS電源系統蓄電池組容量的計算前提進行說明，指出計算所需要遵循的條件與兩種不同的計算方法。

2.1 計算條件設定

首先，在工程中的蓄電池組容易計算，需要以關于數據中心的UPS電源系統相關規范為準，具體需要遵守《中國移動通信電源系統工程設計規范》（QB-J-017-2013）與《通信電源設備安裝工程設計規范》（GB 51194-2016）等相關標準要求[3]。其次，需要根據實際的應用需求，在蓄電池組的容量方面進行資源配置，同時需要限定蓄電池的使用壽命。當容量能夠滿足供電需求時，可以根據UPS實際臺數進行一對一設置。若容量不夠，可以采用兩組蓄電池數量并聯的方法，并聯后也可以將其當作一組蓄電池組。最后，需要滿足設備放電要求，確保放電功率與UPS電源系統的輸出功率相一致。

2.2 計算方法說明

首先，假定一個標準環境溫度，當給定時間止點的條件下，若終止電壓，就可以為該系統提供恒定電流，并保持持續性供電，從而獲得電流與放電時間的乘積。換句話講，若設A為電流，h為持續放電時間，那么Ah就是蓄電池組容量單位。其次，當UPS電源系統確定后，根據實際后備時間條件，能夠在蓄電池的品牌樣本數據庫進行恒功率放電數據表分析，或者根據恒流放電曲線進行觀察。因此，在實際的數據中心UPS電源系統蓄電池組的選型中，可以采用功率法與估算法兩種方法進行具體的容量計算，從而獲得最優選型[4]。最后，在滿足基本的規范前提下，理論公式估算要求確定后備時間在0.5 h及以上；而在恒功率計算方面則應該針對蓄電池的生產企業提供的數據進行總功能率值計算。

3 蓄電池組容量計算的兩種方法與選型

結合理論公式估算與恒功率算法，對關于數據中心UPS電源系統蓄電池的選型方案進行具體說明。為了敘述的完整性，在完成選型方案后，結合現階段部分數據中心采用的高壓柴油發電機組方案與結構優化方案，對數據中心UPS電源系統蓄電池組選型的相關性進行說明。

3.1 蓄電池組容量的理論公式估算及選型

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

按照實際的使用環境，設采暖設備的溫度為15 ℃。若沒有采暖設備，則將溫度設定為5 ℃。此時，式（1）中的a為電池溫度系數，單位為1/℃；當放電小時率10時，a=0.006；當1≤放電小時率＜10時，a=0.008；當放電小時率1時，則a=0.01[5]。

設UPS電源系統為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，另一種為12 V單體蓄電池40節。可以根據上述分析進行UPS電源系統的放電電流計算，然后設C為容量計算系數，I為負荷電流，Q為蓄電池組容量，可以形成Q=CI這個簡化公式，這樣帶入各項數據可以得到具體的容量。舉例說明，假定在環境中安裝采暖設備，放電時間為0.5 h，那么放電小時率小于1時，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值u=0.4，從而得到C=1.74。將C=1.74代入Q=CI，則負荷電流為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電源系統采用2臺UPS并聯冗余方式或1+1并聯冗余，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

生產商在計算蓄電池組容量時，往往選擇恒功率方案。從計算步驟方面分析，這包括5大步驟。第一，要求在基礎條件方面確定所選UPS產品各項要素，具體包括標稱功率、負載效率和逆變效率，這樣可以根據基礎參數的給定得到相應配置電池的總供電功率。第二，根據總供電功率，需要進一步按照配置要求所需要的備電時間與電池組標稱電壓參數實現電池組容量的計算。第三，可以根據標稱電壓進行單格電池數量計算。第四，根據總供電功率與電池組單格電池數量，計算所需要配置的單格電池放電功率。第五，將前4個步驟所得的數據作為配置要素，在不同的配置方案中進行配置分析，能夠使恒功率放電參數滿足度計算表的標準規范，進而實現關于數據中心UPS電源系統蓄電池的選型[6]。

分析以上5大步驟發現，生產商的恒功率計算方案中往往忽略了溫度因素，?不夠重視安全系數。所以，當它計算出具體數值時，會導致容量計算結果偏小，這是在設計方案與生產產品之間存在容量差異的根本原因。因此，為了解決這一問題，并使雙方獲得一致性結果，需要加入安全因素與溫度因素。設P電池=2 V電池單體功率，K=1.25為安全系數，SUPS為標稱輸出功率，cosθ負載功率因素，η=0.94為逆變器運行效率，N為單體蓄電池組串聯數量。本次研究設定為240只，cosθ=0.9，那么可以將所有數據代入式（2）進行具體計算：

根據設定要求，可以計算出2 V電池單體功率為1 108.2 W。

3.3 選型方案的注意事項

根據以上對理論公式估算與恒功率計算方案的具體分析發現，其中最重要因素來自于溫度系數與安全系數。當兩種系數均獲得考慮時，會得到一致性的計算結果。經驗表明，當環境溫度在25 ℃時，安裝的蓄電池組在實際運行中處于安全狀態，也就是說溫度環境的承載范圍可以達到25 ℃。同時，根據數據統計分析與標定容量相比，新裝蓄電池組容量往往高于標定容量。但是，伴隨著使用時間的持續，容量也會逐漸下降。所以，當安裝的蓄電池組下降容量小于標定容量時，會造成放電容量不能滿足設計方案的現象。因此，在實際的數據中心UPS電源系統蓄電池組選型時，應該考慮多元影響因素，從而根據實際的影響大小與影響結果進行具體分析，進而利用數據化的計算方案，將其從抽象化的影響轉換為具體的影響參數。這樣能夠根據理論估算方式或者通過對生產商的恒功率計算方案進行一些影響因子參數分析，并增加安全系數與溫度系數影響因素，并由此提升選型的科學性與合理性。

3.4 UPS電源系統蓄電池組選型相關性分析

現階段除了常規市電雙電源供電系統外，隨著數據中心規模的擴大與能源需求的日益增加，很多數據中心大多補充了高壓柴油發電機組。所以，在實際的UPS電源系統蓄電池組選型研究中，應該注重它與高壓柴油發電機組備用電源系統的相關性。就實際的應用情況觀察，高壓柴油發電機組的使用，可以有效使市電雙電源供電系統中的中壓直流以其固有的接地方式轉化為高壓直流，因而有利于補充電力供應不足的情況，也可以減少蓄電池組的使用時間，延長其使用壽命。另外，UPS電源系統中的蓄電池造型與其結構的排布方式密切相關。若從專業化的選型研究角度觀察，雖然能夠解決選型的比較優勢問題，然而若要真正對UPS電源系統做深度的應用效率優化，則依然需要以UPS電源系統結構為中心開展專題化研究，如針對高壓柴油發電機組的研究和針對UPS結構排布的優化研究。這樣能夠在多項專題研究的基礎上構建綜合優化方案，最終從整體上解決數據中心UPS電源系統的電力供應優化問題。

4 結 論

現階段的數據中心技術已經獲得了普遍發展，而其中采用的UPS電源系統也在逐漸完善。為了有效發揮該系統對蓄電池選型的作用，需要從中抓取安全系數與溫度系數，從而為其選型提供技術支持。結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，但是在實際選型方案確定中應該增強參數的精準運算，并結合相關數據做相關性分析。建議在選型數據的類型參數方面增強數據積累，為后續的選型直接提供參考依據和對照參數。