UPS電源設(shè)備是一種含有儲(chǔ)能裝置的不間斷電源。當(dāng)交流電源正常供電時(shí)，UPS電源設(shè)備可看成一臺(tái)穩(wěn)壓穩(wěn)頻的電源，輸入電源既向蓄電池組充電又向逆變器供電，逆變器輸出潔凈的交流電源;當(dāng)交流電源斷電時(shí)，由蓄電池組經(jīng)逆變器向負(fù)載供電。UPS電源有如下用途：一是應(yīng)急使用，防止重要的用電負(fù)荷因突然斷電而影響設(shè)備正常工作，給用電設(shè)備造成損害;二是消除市電的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓和頻率偏移等“電源污染”，改善電源質(zhì)量，為用電設(shè)備提供高質(zhì)量的電源。

　　模塊化UPS是把UPS的功率部分單獨(dú)做成一個(gè)個(gè)功率模塊，每個(gè)功率模塊并聯(lián)輸出，全部功率模塊同時(shí)工作，均分負(fù)載，系統(tǒng)中任意一個(gè)模塊故障，不影響負(fù)載系統(tǒng)的正常工作。模塊化UPS特點(diǎn)之一是功率部分很容易實(shí)現(xiàn)冗余功能，從而大大提高UPS供電的可靠性，而且維護(hù)非常方便，當(dāng)某個(gè)模塊故障時(shí)，可直接帶電熱插拔更換模塊，維修時(shí)間非常短。另外，模塊化UPS后期還可以擴(kuò)容，當(dāng)容量需求增大時(shí)，新增功率模塊即可實(shí)現(xiàn)。

　　每套模塊化UPS電源設(shè)備主要由主機(jī)柜、強(qiáng)電柜、蓄電池組、電池開關(guān)柜、連接線纜等組成，合理配置每個(gè)部件的容量、規(guī)格和大小，是模塊化UPS電源設(shè)備有效發(fā)揮作用的前提。

　　1、主機(jī)柜的配置

　　UPS主機(jī)柜主要包含模塊化的功率模塊、控制模塊、靜態(tài)旁路模塊、通信系統(tǒng)模塊等，主機(jī)柜的作用就是整流和逆變，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓穩(wěn)頻。主機(jī)柜的配置主要需確定主機(jī)的規(guī)格和功率模塊的大小及數(shù)量。首先要考慮主機(jī)總?cè)萘浚鳈C(jī)總?cè)萘考纫獫M足當(dāng)前負(fù)荷需求，還要適當(dāng)考慮未來(lái)用電負(fù)荷增長(zhǎng)需求，即可擴(kuò)充容量，這也是模塊化UPS電源設(shè)備的特點(diǎn)之一，即容量可擴(kuò)展。額定容量根據(jù)需求確定好后，可擴(kuò)充容量可進(jìn)行估算，一般可擴(kuò)容量可按不低于額定容量的10%～20%進(jìn)行配置，如果預(yù)計(jì)未來(lái)用電設(shè)備負(fù)荷增長(zhǎng)明顯，也可適當(dāng)放大。同時(shí)要根據(jù)系統(tǒng)容量來(lái)確定單個(gè)功率模塊大小，不宜過(guò)大，也不宜過(guò)小。單個(gè)功率模塊過(guò)大，則不能有效分擔(dān)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn);單個(gè)功率模塊過(guò)小，則模塊數(shù)量太多。同時(shí)也要考慮冗余功率模塊，提高其可靠性，一般至少配置一個(gè)冗余功率模塊。

　　以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，由于容量較大，系統(tǒng)可采用單個(gè)容量為25 kVA的功率模塊，模塊數(shù)量為300÷25=12個(gè)，同時(shí)配置一個(gè)冗余功率模塊，即總功率模塊數(shù)為13個(gè)，總?cè)萘繛?3×25=325 kVA。如果考慮未來(lái)負(fù)荷增長(zhǎng)需求，按單機(jī)系統(tǒng)可擴(kuò)容量不低于額定容量20%進(jìn)行配置，300×1.2=360 kVA，模塊數(shù)量為360÷25≈15個(gè)，同時(shí)配置一個(gè)冗余功率模塊，即總功率模塊數(shù)為16個(gè)，未來(lái)總?cè)萘靠蓴U(kuò)容為16×25=400 kVA。因此，UPS主機(jī)需選擇容量至少可滿足400 kVA的型號(hào)。

　　可見，對(duì)當(dāng)前和未來(lái)的用電負(fù)荷需求要有清晰的估計(jì)和判斷，以便合理選擇UPS電源的容量。既要避免容量過(guò)大，造成負(fù)載率偏低，不僅影響UPS電源的使用效率，而且會(huì)造成電源畸變率過(guò)大，影響電源品質(zhì);也要避免對(duì)未來(lái)容量增長(zhǎng)需求估計(jì)不足，造成可擴(kuò)充容量無(wú)法滿足實(shí)際需要，不得不重新增加UPS電源設(shè)備以及配套的電源進(jìn)線、出線、機(jī)房等，帶來(lái)比較大的改動(dòng)和調(diào)整，既增加了建設(shè)成本，同時(shí)改造工程還不可避免地會(huì)對(duì)現(xiàn)有設(shè)備和系統(tǒng)造成一定影響，大大降低改造效率。

　　2、強(qiáng)電柜的配置

　　強(qiáng)電柜一般由UPS電源設(shè)備主輸入開關(guān)、輸出開關(guān)、旁路開關(guān)、手動(dòng)維修旁路開關(guān)、防雷器、接線母排等器件組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS電源設(shè)備的安全配電，在UPS電源設(shè)備檢修和維護(hù)時(shí)可以完全隔離UPS電源主機(jī)，通過(guò)維修旁路向負(fù)載提供不間斷電源。

　　強(qiáng)電柜的配置主要是確定開關(guān)的大小，可根據(jù)UPS電源設(shè)備的容量(按可擴(kuò)充最大容量考慮)，計(jì)算出主輸入電流大小，以此選擇各個(gè)開關(guān)的大小。UPS電源設(shè)備主輸入電流計(jì)算公式為：

　　式中：I為UPS電源設(shè)備主輸入電流(A);Pu為UPS電源設(shè)備容量(kVA);U為UPS電源設(shè)備的額定輸入電壓(V)。

　　以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，系統(tǒng)額定容量為300 kVA，未來(lái)擴(kuò)容后的容量為400 kVA，輸入電壓為380 V，按照公式(1)，則UPS電源設(shè)備主輸入電流為：

　　根據(jù)低壓電器選用規(guī)范，UPS電源設(shè)備主輸入開關(guān)可配置額定電流為800 A的開關(guān)，旁路輸入開關(guān)可配置額定電流為630 A的開關(guān)，總輸出開關(guān)可配置額定電流為630 A的開關(guān)，手動(dòng)維修旁路開關(guān)可配置額定電流為630 A的開關(guān)。

　　強(qiáng)電柜的配置，要從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮，按UPS電源設(shè)備的可擴(kuò)充最大容量進(jìn)行開關(guān)及線纜的選型與配置，避免后期UPS電源擴(kuò)容后，主要開關(guān)無(wú)法滿足實(shí)際需要的情況。雖然從短期看，按UPS電源設(shè)備的可擴(kuò)充最大容量進(jìn)行開關(guān)及線纜的選型和配置會(huì)增加一定成本，但是從全生命周期的角度考慮，一次配置到位，避免了二次拆改，實(shí)際上不但節(jié)約了建設(shè)成本，還節(jié)約了時(shí)間成本。

　　3、蓄電池的配置

　　蓄電池主要對(duì)UPS主機(jī)提供直流電源，實(shí)現(xiàn)市電故障時(shí)的電力供應(yīng)。UPS電源設(shè)備后端接入蓄電池組作為備用供電，當(dāng)市電正常時(shí)，蓄電池組進(jìn)行充電(均充或浮充)，當(dāng)市電停電時(shí)，蓄電池組對(duì)UPS主機(jī)放電，UPS主機(jī)將直流轉(zhuǎn)換成交流對(duì)負(fù)載供電。蓄電池的配置主要是確定電池的規(guī)格和數(shù)量，首先要計(jì)算出每組電池的數(shù)量，計(jì)算公式為：

　　式中：n為每組蓄電池單組數(shù)量(只);Ug為UPS主機(jī)的額定直流工作電壓(V);Ud為每只電池的額定工作電壓(V)。

　　其次，要計(jì)算出單組電池組的容量，計(jì)算公式為：

　　式中：Sah為單組電池組的容量(Ah);Swh為UPS電源設(shè)備的最小電池需求容量(W·h);n為每組后備蓄電池組的只數(shù);Ud為每只電池的額定工作電壓(V)。

　　以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，后備時(shí)間為30 min，單臺(tái)UPS電源設(shè)備的最小電池需求容量為347 904 W·h，選用單只額定工作電壓為12 V的鉛酸蓄電池，UPS主機(jī)直流工作電壓為576 V，按照公式(2)，則每組蓄電池的數(shù)量為：

　　即每組蓄電池?cái)?shù)量為48只。按照公式(3)，則單組蓄電池組的容量為：

　　即單組電池組容量為604 Ah?？紤]分組設(shè)置，為保證蓄電池充放電的一致性，后備蓄電池組數(shù)一般不應(yīng)超過(guò)4組。如按分為4組電池進(jìn)行配置，則每組電池容量為604÷4=151 Ah。對(duì)照電池規(guī)格表，可選擇單只額定電壓為12 V、容量為160 Ah的鉛酸蓄電池，總計(jì)4組，每組48只，總?cè)萘繛?60×4×48×12=368 640 W·h，368 640 W·h大于UPS電源設(shè)備的最小電池需求容量347 904 W·h，滿足要求。

　　蓄電池的配置一方面要從容量的角度考慮留有余量，滿足實(shí)際使用需要，另一方面要從電池技術(shù)的角度考慮，綜合衡量技術(shù)、成本、維護(hù)及環(huán)保要求。目前，鉛酸電池、膠體電池、鋰電池等技術(shù)發(fā)展日新月異，不同技術(shù)路線在成本、使用壽命、維護(hù)要求、環(huán)保方面差異很大，應(yīng)結(jié)合實(shí)際需要綜合考慮，從而實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化配置。

　　4、電池開關(guān)柜的配置

　　電池開關(guān)柜一般由柜體、直流空氣斷路器、指示燈、熔斷器、接線母排等器件組成，主要功能是實(shí)現(xiàn)UPS系統(tǒng)與電池(直流)系統(tǒng)的安全供電。為了便于檢修維護(hù)，對(duì)電池組設(shè)置直流開關(guān)加速溶保險(xiǎn)的方式，實(shí)現(xiàn)分組管理。當(dāng)某組出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能及時(shí)將其脫離蓄電池系統(tǒng)，利用直流空氣開關(guān)過(guò)流自動(dòng)脫離工作狀態(tài)的原理，保證主機(jī)或電池端出現(xiàn)故障大電流時(shí)，對(duì)另一端起到保護(hù)作用。利用速溶保險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)某一組電池出現(xiàn)過(guò)流時(shí)自動(dòng)熔斷，保證其他電池組正常工作;同時(shí)，檢修時(shí)可通過(guò)斷開該裝置實(shí)現(xiàn)電池組依次檢修，不影響設(shè)備正常工作。

　　電池開關(guān)柜的配置，主要是確定開關(guān)的大小。首先要計(jì)算出總直流輸出電流大小，再根據(jù)輸出電流選擇主輸出開關(guān)和支路開關(guān)。總直流輸出電流計(jì)算公式為：

　　式中：I為總直流輸出電流(A);Pu為UPS容量(kVA);Q為功率因數(shù);Uz為單只蓄電池的終止電壓(V);n為每組后備蓄電池只數(shù)。

　　以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，其未來(lái)容量按可擴(kuò)充至400 kVA考慮，功率因數(shù)Q取0.9，經(jīng)查詢電池參數(shù)表，單只蓄電池額定電壓為12 V的電池，其終止電壓為10.5 V，每組有48只蓄電池，按照公式(4)，則直流總輸出電流為：

　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果及低壓電器選型規(guī)范，容量為300 kVA的UPS電源設(shè)備，其電池開關(guān)柜的總直流開關(guān)可選擇額定電流為800 A的開關(guān);匯流裝置選型材料要求與總直流空開一樣，能承受800 A的電流。各支路直流空開的配置，應(yīng)滿足其中一路出現(xiàn)故障，其余支路能滿足額定直流電流需求的原則進(jìn)行配置。由于整個(gè)電池組分為4組，因此支路空開額定電流應(yīng)大于714÷(4-1)=238 A。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及低壓電器選型規(guī)范，支路空開可選用額定電流為400 A的開關(guān)。

　　電池開關(guān)柜的配置與強(qiáng)電柜的配置類似，主要是合理選擇開關(guān)的大小。不同之處是，強(qiáng)電柜選用的是交流開關(guān)，電池開關(guān)柜選用的是直流開關(guān)，但基本思路一致，此處不再贅述。

　　5、電池架(柜)的配置

　　電池架(柜)主要用來(lái)放置蓄電池組，可分為電池架和電池柜等類型。為方便電池安裝及后期檢修和維護(hù)，一般容量大于100 kVA的UPS電源設(shè)備，可考慮采用開放式電池架，方便散熱。容量小于100 kVA的UPS電源設(shè)備，可采用電池柜，簡(jiǎn)潔美觀。電池架(柜)的配置主要是確定電池架(柜)的尺寸，電池架(柜)的尺寸可根據(jù)蓄電池的尺寸來(lái)選擇，同時(shí)要考慮到電池的重量，電池架擺放的層數(shù)也不宜過(guò)多，以免不符合建筑結(jié)構(gòu)的載荷要求。

　　以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，由于選用的額定工作電壓為12 V、容量為160 Ah的電池尺寸長(zhǎng)約500 mm，寬約220 mm，高約230 mm，考慮到載荷和安裝檢修的便利性，采用電池架的形式。每個(gè)電池架可按放置4層，每層放置2列，每列放置6只，每層共12只蓄電池進(jìn)行布置。因此，每個(gè)電池架長(zhǎng)度最小應(yīng)滿足220×6=1 320 mm，考慮到電池、線纜安裝及后期運(yùn)行維護(hù)空間，電池架長(zhǎng)度可選用1 700 mm的規(guī)格;電池架寬最小應(yīng)滿足500×2=1 000 mm，考慮到電池、線纜安裝及后期運(yùn)行維護(hù)空間，電池架寬度可選用1 200 mm的規(guī)格;電池架高度最小應(yīng)滿足230×4=920 mm，考慮到電池、線纜安裝及后期運(yùn)行維護(hù)空間，電池架高度可選用1 500 mm的規(guī)格。因此，每個(gè)電池架的尺寸為1 700 mm×1 200 mm×1 500 mm，共需4個(gè)電池架。

　　電池架(柜)的配置主要是預(yù)留好操作空間，不但有利于電池安裝時(shí)的組裝和線纜連接，同時(shí)也方便后期電池的測(cè)量和維護(hù)，更重要的是有利于電池散熱，延長(zhǎng)其使用壽命。

　　6、線纜的配置

　　線纜主要包括連接強(qiáng)電柜至UPS主機(jī)柜、主機(jī)柜至電池開關(guān)柜、電池開關(guān)柜至每組電池開關(guān)以及電池內(nèi)部之間的線纜、銅鼻子、冷縮頭等，主要功能是實(shí)現(xiàn)UPS主機(jī)與電池開關(guān)柜之間、電池開關(guān)柜與電池組之間、電池與電池之間的線路連接，使所提供的設(shè)備供電線路形成整體互聯(lián)互通。

　　線纜的質(zhì)量與線徑的大小是否合適關(guān)系密切，是保證整個(gè)供配電線路安全的重要一環(huán)，配置、選型不合理會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性后果甚至毀滅性故障的發(fā)生。線纜的配置主要是確定連接線纜的規(guī)格，線纜配置的基本原則是電線電纜的載流量應(yīng)大于開關(guān)的額定電流，開關(guān)的額定電流應(yīng)大于回路的計(jì)算電流，必須符合過(guò)負(fù)荷檢驗(yàn)保護(hù)條件。電力電纜線徑選型驗(yàn)證公式為：

　　式中：Ib為回路計(jì)算電流(A);In為保護(hù)電器開關(guān)的額定電流(A);Iz為電線電纜持續(xù)載流量(A)。

　　以額定容量為300 kVA的UPS電源為例，配置UPS主機(jī)柜與電池開關(guān)柜之間的線纜。直流總輸出計(jì)算電流為714 A，即回路計(jì)算電流Ib=714 A。開關(guān)額定電流為800 A，即In為800 A。如采用BV絕緣電線明敷，在明敷環(huán)境溫度為30 ℃、導(dǎo)電線芯最高允許溫度為70 ℃時(shí)，考慮一定余量，查詢電線載流量手冊(cè)可知[3]，單根截面積為150 mm2的電線載流量為456 A，則兩根截面積為150 mm2的電線雙拼，總計(jì)載流量約為912 A，即Iz為912 A。按照公式(5)進(jìn)行驗(yàn)證，714 A<800 A<912 A，滿足要求。因此，UPS電源主機(jī)柜與電池開關(guān)柜之間的線纜可選擇兩根截面積為150 mm2的電線雙拼進(jìn)行敷設(shè)。同理，強(qiáng)電柜與主機(jī)柜之間的線纜、電池開關(guān)柜與每組電池開關(guān)之間的線纜、電池內(nèi)部連接的線纜等也可依次確定。當(dāng)然，電線電纜的載流量是在給定基礎(chǔ)條件下的參考值，當(dāng)實(shí)際敷設(shè)條件發(fā)生變化時(shí)，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況以不同基準(zhǔn)條件乘以不同的校正系數(shù)予以修正。

　　連接線纜其實(shí)很重要，但很容易被忽視。因連接線纜規(guī)格不滿足要求而在使用過(guò)程中造成電池?fù)p壞的情況經(jīng)常發(fā)生，因此，連接線纜應(yīng)該經(jīng)仔細(xì)核算后合理配置，避免造成不必要的事故。

　　7、結(jié)語(yǔ)

　　模塊化UPS電源是非常關(guān)鍵的電氣設(shè)備，在航天、醫(yī)藥、銀行、交通、通信等行業(yè)的數(shù)據(jù)中心、弱電機(jī)房、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。合理配置模塊化UPS電源各個(gè)主要組成部分的規(guī)格、容量和大小，不但能高效發(fā)揮其功能，而且可以節(jié)約設(shè)備投入成本，延長(zhǎng)設(shè)備使用周期，為我國(guó)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)貢獻(xiàn)力量。