关于船舶UPS的容量估算

吕亦旸

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

随着全球人口的增加与当今科学技术的发展，人类生存空间逐步向海洋与空中拓展。海洋蕴藏着丰富的可供人类从事生产、生活的资源，包括石油、动力、矿产、化工和生物等资源，海洋成为人类开发的主要领域。目前，全球对海洋的开发利用已经进入日趋完善和成熟的阶段。伴随着海洋工程项目日益增多，要求日渐严格，不间断电源（UPS）的使用也越来越广泛，本文将就实际设计中所需要解决的UPS容量估算、蓄电池容量计算、UPS设计等一系列问题进行介绍。

1 不间断电源（UPS）简述

UPS是英文Uninterruptible Power System的缩写，意为“不间断供电电源”，是一种含有储能装置（常见的是蓄电池），以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源，它可以解决现有电力的断电、低电压、高电压、突波和杂讯等现象，使计算机系统运行更加安全可靠，现在已经被广泛应用于计算机、交通、银行、证券、通信、医疗和工业控制等行业，同时在船舶设计特别是海洋工程项目中的使用也日益广泛。

在船舶设计过程中合理选择UPS的容量，是船舶设计中重要的组成部分。容量配置过大，浪费设备资源；容量配置过小，又不能满足设备对不间断电源供电的安全要求。因此，合理地配备蓄电池的容量，是UPS经济运行和对负载设备不间断供电的重要保障。

图1 UPS系统的简图

2 UPS工作原理

UPS系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制。其稳压功能通常是由整流器完成。整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能。当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的整流电压。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。

图1是UPS系统的简图，左端是电源输入部分包括主电源和旁路电源，右端是系统负载。主电源经过开关以及整流器单元为蓄电池充电，在主电源不失电的时候，负载供电来自旁路电源，当正常供电失效时，负载的供电由旁路电源供电转换为主电源供电，整个切换的过程由静态开关完成，静态开关可以保证整个切换的过程在10 ms之内即半个50 Hz或者60 Hz周期内完成，以此来实现不间断电源的功能。

3 UPS容量的确定

在了解UPS的基本工作原理和系统组成之后，现在介绍一下在船舶设计中，UPS电源确定的过程。

UPS系统容量的确定一般来自于UPS容量计算书的结果，但是在设计过程中为了避免遗漏需要使用的UPS负载，一般会制作专门的UPS负载清单，根据设计的推进实时更新，填写相关信息，表1是一个典型的UPS 负载清单。

表1 某钻井船1号UPS负载清单

表中包括设备的名称、功率、使用系数、工作时间等信息，在设计过程中只需要实时更新负载信息，最后即可根据UPS load list的结果，编制UPS容量计算书等文件，并进行UPS订货。根据该表可知，该UPS的总负载功率为9 kW，取功率因数0.8的话，视在功率应为11.25 kVA。根据该表可以编制出UPS容量计算书，同时根据厂家的设备选型资料，可以选择15 kVA或者20 kVA的不间断电源为项目使用。

4 蓄电池容量估算

在确定了不间断电源的容量之后即可以进行订货，一般厂家可以负责对UPS蓄电池组的容量计算。但是为了更清楚了解船用UPS的设计和选型，这里也详细介绍一下UPS蓄电池组的选型方式。

对于UPS厂家而言，UPS系统设计中最为重要的部分就是蓄电池组数量容量的确认，一般来说UPS蓄电池容量的确认主要根据以下几个数据。

4.1 UPS的容量

UPS的容量即为我们之前计算求得的数据，UPS来自具体项目中的数据统计，在统计数据的过程中一定要确认统计数据的准确性，避免因为初始输出的差异而导致最后UPS容量确定的失准。

4.2 放电时间

船级社对应急电源的放电时间有明确要求，在设计时一定要特别注意对规范的确认。一般而言如果UPS系统中包括多种设备，且其所需要的应急供电时间不同的话，以全部设备当中需要放电时间最长的系统为基准进行设计，通常1小时的放电时间可以满足大多数船级社的要求。放电时间的长短左右了蓄电池放电系数η。当确认放电时间后，就可以确认放电系数，具体见表2。

表2 放电系数表

当蓄电池组放电的时间越快，它可以放出电能的总量就越低，通常电池在出厂时厂家会以10 h为基准标称电池的容量，在不同情况下，电池的放电能力可根据表2进行折算。

4.3 单块蓄电池组所使用的电池电压以及数量

船用蓄电池有酸性蓄电池和碱性蓄电池两大类。酸性蓄电池也称为铅酸蓄电池，船用历史最久，常用于柴油机的起动和应急照明。碱性蓄电池包括镉-镍蓄电池、铁-镍蓄电池、锌-银蓄电池和镉-银蓄电池等，主要用于无线电通信设备。

酸性电池的电压单个为2 V左右，而碱性蓄电池的单个电压为1.25 V左右，酸性蓄电池的内阻更小，适合大电流放电，而碱性蓄电池具有体积更小、机械强度高、作用电压平稳、使用寿命长等特点，一般使用在精密仪表或者控制系统上。

船用蓄电池一般以数个串联而成的蓄电池组为单位，每个单位的电压可为12 V或者24 V。电池组的使用数量应根据充电电流的电压确定。比如，当我们使用AC 480 V进行充电时，我们需要的蓄电池电池电压和数量可以是DC 12 V×40，或者DC 24 V×20，而使用220 V进行充电时则蓄电池电池的电压和数量可以是DC 12 V×19或者24 V×9。一般而言，使用DC 24 V标准的单块蓄电池组，可以使蓄电池架的设计更为紧凑合理从而节省空间；所以，一般我们更倾向于选择DC 24 V的单块蓄电池组。

在获得以上数据后，就可以根据公式计算UPS蓄电池的容量：

式中：Q为UPS蓄电池容量，单位为Ah；

S为UPS容量，单位为kVA；

η为蓄电池放电系数；

K为UPS逆变效率，该数据来自厂家设备性能由厂家给出，一般估算可取0.95；

N为单块蓄电池组数量；

U为单块蓄电池电池电压，这里可以按照充电电压480 V，选用20块24 V蓄电池组进行供电。

我们可按照前文给出的UPS容量计算书结果进行蓄电池容量估算。

根据UPS容量计算书所得，我们可以知道UPS容量为20 kVA。

设计供电时间为1小时，则放电系数η为0.6。UPS逆变效率估算为0.95。

蓄电池组的数量和电压可以估算为9×DC 24 V。

根据公式：

通过计算，我们可以选用1组100 Ah的蓄电池组满足设计要求。

5 实际使用案例

下面根据一个实船使用中的案例分析和说明船用UPS电源的容量确定、设备选型、设计等方面需要注意之处，以及需要解决的问题。

根据IMO MODU规范第5.4节对应急电源系统的相关要求需要由过渡电源系统供电即不间断电源系统供电的系统包括：

（1）应急照明（包括逃生登艇处、服务生活区域的逃生出口等、机械控制站、消防装备处所、直升机甲板照明等）。

（2）航行灯信号灯。

（3）内部报警通讯系统的设备。

（4）火灾报警系统。

（5）固井单元等。

根据规范要求供电时间为0.5小时，而根据船东以及厂家对自身设备的一些要求，我们又相应增加了一些系统从不间断电源供电，包括：

（1）配电板和马达控制中心；

（2）钻井的一些重要负载；

（3）变压器等。

与此同时，我们也根据船东的要求将供电的时间增加到1小时。此外，在生活区域以及机械处所的照明灯均使用自带应急蓄电池灯头的荧光灯，且可不计入不间断电源的统计之内。根据以上数据统计以及设备资料，我们可以制作不间断电源容量统计表。

表3是该钻井驳船的不间断电源容量统计表，根据各个系统的功率统计，并估算系统功率因数为0.8，则根据计算，该UPS的容量为26.625 kVA，根据设计要求，我们可以选择30 kVA的不间断电源进行供电。

表3 某钻井驳船的不间断电源负载清单

续表3

在确认使用30 kVA不间断电源的同时，我们还需要确认蓄电池的容量，厂家告知其标准蓄电池可使用的标准充电电压包括220 V以及110 V，为了节省布置空间，我们选择使用220 V标准蓄电池，但是由于船上通用480 V/230 V变压器的容量不足，我们要求厂家为系统提供专用的内置变压器，即船上供电为AC 480 V，有UPS电源装置自带的变压将充电电压降至AC 230 V。

另外，从表3中可知，我们将广播通用报警系统的供电也放在通用UPS里，其中第19项和21项为广播通用报警系统的工作负载，船级社要求它们只需要被计算为0.5小时；而第20项和22项为广播通用报警系统的待机负载，它们表示广播通用报警系统在待机情况下的功耗情况，船级社对它们的要求是18小时。对此，我们要求厂家自带时间继电器，当其他设备达到船级社要求的工作时限时，它们就会被自动切除，而广播通用报警系统则可继续工作以满足要求。

解决了这些问题，我们就可以开始对蓄电池容量进行估算。根据公式以及UPS容量计算的结果：

我们可以选择1块300 Ah的蓄电池组以满足设备要求。

在确定了UPS以及蓄电池组的容量之后，还有一些细节问题需要注意。

5.1 旁路电源

船用UPS在正常工作时可以作为分电箱，这个分电箱的供电可以来自UPS蓄电池也可以来自于旁路电源。在正常情况下使用UPS蓄电池作为供电电源时，电池则需要采用浮充充电的方法，即蓄电池直接和直流充电电网并联，电网向负载供电的同时也向蓄电池充电，当外负载减小时，电网电压升高，充电电流就相应增加；反之，则自动减小。UPS一般较少采用这种模式，在本项目中，我们要求厂家提供旁路电源的功能，即在正常情况下，船舶向UPS另外提供一路供电，专门为UPS的负载供电，不干扰UPS蓄电池组的充电模块。

5.2 充电电流

充电电流的大小取决于充电时间的长短。根据船级社及蓄电池要求，在10小时内被充满即可，根据本项目的蓄电池容量选择，300 Ah的蓄电池在10小时内充满，电流不大于30 A。由于UPS系统还自带变压器，船上对UPS系统的供电应为480 V，电流为14 A。为了保证系统安全，还可以向厂家要求安装限流器，以保证系统可靠性。

5.3 电缆开关

UPS内外部的电缆和开关都可以根据充电电流的大小来选择，本项目中选择20 AF的塑壳开关从480 V主配电板供电，电缆选择3×4，以满足开关对电缆的保护。

6 结 论

本文旨在通过介绍分析实船设计中UPS电源的容量计算，蓄电池容量计算以及在设计中所碰到的一些问题及其解决方法，向读者简单介绍船用UPS在实船设计中需要注意的地方以及分析解决的方法。

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