模块化UPS电源设备的配置

摘 要：模块化UPS电源是重要的电气设备，为高效发挥其功能，从模块化UPS电源设备的主要组成部分——主机柜、强电柜、蓄电池、电池开关柜、电池架、连接线缆等方面，分析了合理配置模块化UPS电源的方法，为我国碳达峰和碳中和目标的实现提供了思路。

关键词：UPS电源;开关;电池;线缆;配置

中图分类号：TN86  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）09-0010-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.003

0    引言

UPS电源设备是一种含有储能装置的不间断电源。当交流电源正常供电时，UPS电源设备可看成一台稳压稳频的电源，输入电源既向蓄电池组充电又向逆变器供电，逆变器输出洁净的交流电源;当交流电源断电时，由蓄电池组经逆变器向负载供电。

UPS电源有如下用途：

一是应急使用，防止重要的用电负荷因突然断电而影响设备正常工作，给用电设备造成损害;

二是消除市电的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为用电设备提供高质量的电源[1-2]。

模块化UPS是把UPS的功率部分单独做成一个个功率模块，每个功率模块并联输出，全部功率模块同时工作，均分负载，系统中任意一个模块故障，不影响负载系统的正常工作。

模块化UPS的特点之一是功率部分很容易实现冗余功能，从而大大提高UPS供电的可靠性，而且维护非常方便，当某个模块故障时，可直接带电热插拔更换模块，维修时间非常短。

另外，模块化UPS后期还可以扩容，当容量需求增大时，新增功率模块即可实现。

每套模块化UPS电源设备主要由主机柜、强电柜、蓄电池组、电池开关柜、连接线缆等组成，合理配置每个部件的容量、规格和大小，是模块化UPS电源设备有效发挥作用的前提。

1    主机柜的配置

UPS主机柜主要包含模块化的功率模块、控制模块、静态旁路模块、通信系统模块等，主机柜的作用就是整流和逆变，实现稳压稳频。主机柜的配置主要需确定主机的规格和功率模块的大小及数量。首先要考虑主机总容量，主机总容量既要满足当前负荷需求，还要适当考虑未来用电负荷增长需求，即可扩充容量，这也是模块化UPS电源设备的特点之一，即容量可扩展。根据需求确定好额定容量后，可对可扩充容量进行估算，一般可扩充容量可按不低于额定容量的10%～20%进行配置，如果预计未来用电设备负荷增长明显，也可适当放大。

同时要根据系统容量来确定单个功率模块大小，不宜过大，也不宜过小。单个功率模块过大，则不能有效分担系统风险;单个功率模块过小，则模块数量太多。同时也要考虑冗余功率模块，提高其可靠性，一般至少配置一个冗余功率模块。

以额定容量为300 kVA的UPS电源为例，由于容量较大，系统可采用单个容量为25 kVA的功率模块，模块数量为300÷25=12个，同时配置一个冗余功率模块，即总功率模块数为13个，总容量为13×25=325 kVA。如果考虑未来负荷增长需求，按单机系统可扩容量不低于额定容量20%进行配置，300×1.2=360 kVA，模块数量为360÷25≈15个，同时配置一个冗余功率模块，即总功率模块数为16个，未来总容量可擴容为16×25=400 kVA。因此，UPS主机需选择容量至少可满足400 kVA的型号。

可见，对当前和未来的用电负荷需求要有清晰的估计和判断，以便合理选择UPS电源的容量。既要避免容量过大，造成负载率偏低，否则不仅会影响UPS电源的使用效率，而且会造成电源畸变率过大，影响电源品质;也要避免对未来容量增长需求估计不足，造成可扩充容量无法满足实际需要，不得不重新增加UPS电源设备以及配套的电源进线、出线、机房等，带来比较大的改动和调整，既增加了建设成本，同时改造工程还不可避免地会对现有设备和系统造成一定影响，大大降低改造效率。

2    强电柜的配置

强电柜一般由UPS电源设备主输入开关、输出开关、旁路开关、手动维修旁路开关、防雷器、接线母排等器件组成，主要功能是实现对UPS电源设备的安全配电，在UPS电源设备检修和维护时可以完全隔离UPS电源主机，通过维修旁路向负载提供不间断电源。

强电柜的配置主要是确定开关的大小，可根据UPS电源设备的容量（按可扩充最大容量考虑），计算出主输入电流大小，以此选择各个开关的大小。

UPS电源设备主输入电流计算公式为：

式中：I为UPS电源设备主输入电流（A）;Pu为UPS电源设备容量（kVA）;U为UPS电源设备的额定输入电压（V）。

以额定容量为300 kVA的UPS电源为例，系统额定容量为300 kVA，未来扩容后的容量为400 kVA，输入电压为380 V，按照公式（1），则UPS电源设备主输入电流为：

根据低压电器选用规范可得：

（1）UPS电源设备主输入开关可配置额定电流为800 A的开关;

（2）旁路输入开关可配置额定电流为630 A的开关;

（3）总输出开关可配置额定电流为630 A的开关;

（4）手动维修旁路开关可配置额定电流为630 A的开关。

强电柜的配置，要从长远角度考虑，按UPS电源设备的可扩充最大容量进行开关及线缆的选型与配置，避免后期UPS电源扩容后，主要开关无法满足实际需要的情况。虽然从短期看，按UPS电源设备的可扩充最大容量进行开关及线缆的选型和配置会增加一定成本，但是从全生命周期的角度考虑，一次配置到位，避免了二次拆改，实际上不但节约了建设成本，还节约了时间成本。

3    蓄电池的配置

蓄电池主要对UPS主机提供直流电源，实现市电故障时的电力供应。UPS电源设备后端接入蓄电池组作为备用供电，当市电正常时，蓄电池组进行充电（均充或浮充）;当市电停电时，蓄电池组对UPS主机放电，UPS主机将直流转换成交流对负载供电。

蓄电池的配置主要是确定电池的规格和数量，首先要计算出每组电池的数量，计算公式为：

式中：n为每组蓄电池单组数量（只）;Ug为UPS主机的额定直流工作电压（V）;Ud为每只电池的额定工作电压（V）。

其次，要计算出单组电池组的容量，计算公式为：

式中：Sah为单组电池组的容量（Ah）;Swh为UPS电源设备的最小电池需求容量（W·h）;n为每组后备蓄电池组的只数;Ud为每只电池的额定工作电压（V）。

以额定容量为300 kVA的UPS电源为例，后备时间为30 min，单台UPS电源设备的最小电池需求容量为347 904 W·h，选用单只额定工作电压为12 V的铅酸蓄电池，UPS主机直流工作电压为576 V，按照公式（2），则每组蓄电池的数量为：

即每组蓄电池数量为48只。按照公式（3），则单组蓄电池组的容量为：

即单组电池组容量为604 Ah。考虑分组设置，为保证蓄电池充放电的一致性，后备蓄电池组数一般不应超过4组。如按分为4组电池进行配置，则每组电池容量为604÷4=151 Ah。

对照电池规格表，可以选择单只额定电压为12 V、容量为160 Ah的铅酸蓄电池，总计4组，每组48只，总容量为160×4×48×12=368 640 W·h，368 640 W·h大于UPS电源设备的最小电池需求容量347 904 W·h，满足要求。

蓄电池的配置一方面要从容量的角度考虑留有余量，满足实际使用需要，另一方面要从电池技术的角度考虑，综合衡量技术、成本、维护及环保要求。目前，铅酸电池、胶体电池、锂电池等技术发展日新月异，不同技术路线在成本、使用寿命、维护要求、环保方面差异很大，应结合实际需要综合考虑，从而实现全局优化配置。

4    电池开关柜的配置

電池开关柜一般由柜体、直流空气断路器、指示灯、熔断器、接线母排等器件组成，主要功能是实现UPS系统与电池（直流）系统的安全供电。为了便于检修维护，通过对电池组设置直流开关加速溶保险的方式，实现分组管理。当某组出现问题时，能及时将其脱离蓄电池系统，利用直流空气开关过流自动脱离工作状态的原理，保证主机或电池端出现故障大电流时，对另一端起到保护作用。利用速溶保险实现某一组电池出现过流时自动熔断，保证其他电池组正常工作;同时，检修时可通过断开该装置实现电池组依次检修，不影响设备正常工作。

电池开关柜的配置，主要是确定开关的大小。首先要计算出总直流输出电流大小，再根据输出电流选择主输出开关和支路开关。

总直流输出电流计算公式为：

式中：I为总直流输出电流（A）;Pu为UPS容量（kVA）;Q为功率因数;Uz为单只蓄电池的终止电压（V）;n为每组后备蓄电池只数。

以额定容量为300 kVA的UPS电源为例，其未来容量按可扩充至400 kVA考虑，功率因数Q取0.9，经查询电池参数表可知，单只蓄电池额定电压为12 V的电池，其终止电压为10.5 V，每组有48只蓄电池，按照公式（4），则直流总输出电流为：

根据计算结果及低压电器选型规范，容量为300 kVA的UPS电源设备，其电池开关柜的总直流开关可选择额定电流为800 A的开关;汇流装置选型材料要求与总直流空开一样，能承受800 A的电流。各支路直流空开的配置，应满足其中一路出现故障，其余支路能满足额定直流电流需求的原则进行配置。由于整个电池组分为4组，因此支路空开额定电流应大于714÷（4-1）=238 A。根据计算结果及低压电器选型规范，支路空开可选用额定电流为400 A的开关。

电池开关柜的配置与强电柜的配置类似，主要是合理选择开关的大小。不同之处是，强电柜选用的是交流开关，电池开关柜选用的是直流开关，但基本思路一致，此处不再赘述。

5    电池架（柜）的配置

电池架（柜）主要用来放置蓄电池组，可分为电池架和电池柜等类型。

为方便电池安装及后期检修和维护，一般容量大于100 kVA的UPS电源设备，可考虑采用开放式电池架，方便散热。容量小于100 kVA的UPS电源设备，可采用电池柜，简洁美观。

电池架（柜）的配置主要是确定电池架（柜）的尺寸，电池架（柜）的尺寸可根据蓄电池的尺寸来选择，同时要考虑到电池的重量，电池架摆放的层数也不宜过多，以免不符合建筑结构的载荷要求。

以额定容量为300 kVA的UPS电源为例，由于选用的额定工作电压为12 V、容量为160 Ah的电池尺寸长约500 mm，宽约220 mm，高约230 mm，考虑到载荷和安装检修的便利性，采用电池架的形式。每个电池架可按放置4层，每层放置2列，每列放置6只，每层共12只蓄电池进行布置。

因此，每个电池架长度最小应满足220×6=1 320 mm，考虑到电池、线缆安装及后期运行维护空间，电池架长度可选用1 700 mm的规格;电池架宽最小应满足500×2=1 000 mm，考虑到电池、线缆安装及后期运行维护空间，电池架宽度可选用1 200 mm的规格;电池架高度最小应满足230×4=920 mm，考虑到电池、线缆安装及后期运行维护空间，电池架高度可选用1 500 mm的规格。因此，每个电池架的尺寸为1 700 mm×1 200 mm×1 500 mm，共需4个电池架。

电池架（柜）的配置主要是预留好操作空间，不但有利于电池安装时的组装和线缆连接，同时也方便后期电池的测量和维护，更重要的是还有利于电池散热，延长其使用寿命。

6    线缆的配置

线缆主要包括连接强电柜至UPS主机柜、主机柜至电池开关柜、电池开关柜至每组电池开关以及电池内部之间的线缆、铜鼻子、冷缩头等，主要功能是实现UPS主机与电池开关柜之间、电池开关柜与电池组之间、电池与电池之间的线路连接，使所提供的设备供电线路形成整体互联互通。

线缆的质量与线径的大小是否合适关系密切，是保证整个供配电线路安全的重要一环，配置、选型不合理会带来灾难性后果甚至毁灭性故障的发生。线缆的配置主要是确定连接线缆的规格，线缆配置的基本原则是电线电缆的载流量应大于开关的额定电流，开关的额定电流应大于回路的计算电流，必须符合过负荷检验保护条件。

电力电缆线径选型验证公式为：

Ib≤In≤Iz（5）

式中：Ib为回路计算电流（A）;In为保护电器开关的额定电流（A）;Iz为电线电缆持续载流量（A）。

以额定容量为300 kVA的UPS电源为例，配置UPS主机柜与电池开关柜之间的线缆。直流总输出计算电流为714 A，即回路计算电流Ib=714 A。开关额定电流为800 A，即In为800 A。如采用BV绝缘电线明敷，在明敷环境温度为30 ℃、导电线芯最高允许温度为70 ℃时，考慮一定余量，查询电线载流量手册可知[3]，单根截面积为150 mm2的电线载流量为456 A，则两根截面积为150 mm2的电线双拼，总计载流量约为912 A，即Iz为912 A。

按照公式（5）进行验证，714 A<800 A<912 A，满足要求。

因此，UPS电源主机柜与电池开关柜之间的线缆可选择两根截面积为150 mm2的电线双拼进行敷设。同理，强电柜与主机柜之间的线缆、电池开关柜与每组电池开关之间的线缆、电池内部连接的线缆等也可依次确定。

当然，电线电缆的载流量通常是在给定基础条件下的参考值，当实际敷设条件发生变化时，还应该根据实际情况以不同的基准条件乘以不同的校正系数予以修正。

连接线缆其实很重要，但很容易被忽视。因连接线缆规格不满足要求而在使用过程中造成电池损坏的情况经常发生，因此，连接线缆应该经仔细核算后合理配置，避免造成不必要的事故。

7    结语

模块化UPS电源是非常关键的电气设备，在航天、医药、银行、交通、通信等行业的数据中心、弱电机房、网络设备等领域广泛应用，发挥着至关重要的作用。合理配置模块化UPS电源各个主要组成部分，包括主机柜、强电柜、蓄电池、电池开关柜、电池架、连接线缆等的规格、容量和大小，不但能高效发挥其功能，而且可以节约设备投入成本，延长设备使用周期，为我国碳达峰和碳中和目标的实现贡献力量。

[参考文献]

[1] 李考明.UPS电源系统的维护与管理[J].通信电源技术，2011，28（1）：69-70.

[2] 孙博.UPS电源设备的原理与使用维护[J].通信电源技术，2010，27（3）：68-70.

[3] 戴瑜兴，黄铁兵，梁志超.民用建筑电气设计数据手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

收稿日期：2022-02-14

作者简介：宋胜利（1983—），男，陕西人，高级工程师，研究方向：电气工程、机电设备等。