不间断电源在公共建筑电气设计中的应用

杨 鹏

[同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

随着新技术和新材料的不断发展,电子信息设备和电气储能设备越来越多地应用在公共建筑中。与此同时,随着公共建筑建设规模的不断扩大,业态功能由早期的单一化发展到现如今的多样化,建筑内部产生运营数据存储的连续不可中断性等需求使得对建筑内部机电系统运行的可靠性和能耗监控管理系统的准确性显得尤为重要[1];不间断供电电源(UPS)正是在这样的背景下顺其自然地应用在公共建筑中。

1 UPS的工作机制

市电供电正常且电能质量满足使用需求时,UPS处于备用状态,市电供电正常但电能质量较差,如谐波较大,波形失真率较高,电压偏差超出允许值的情况下,UPS首先经过整流装置(AC/DC)将市电转换为直流电,利用正弦脉宽调制技术(SPWM),通过逆变装置(DC/AC)将直流电转换为质量高、纯净的正弦交流电;当市电出现故障或电网停电时,UPS自动检测失电信号,立即起动储能装置(储能装置目前应用较多的是蓄电池组),由储能装置向逆变装置提供电源,保证在市电失电的情况下,向负载提供间断时间仅为毫秒级的交流电源,从而保证系统的正常运行。UPS的工作原理框图如图1所示。

图1 UPS的工作原理框图

2 UPS在公共建筑中的应用

根据GB 50314—2019《民用建筑电气设计规范》中第6.3.2条规定:当用电负荷不允许中断供电时或允许中断供电时间为毫秒级的重要场所均需采用UPS为负载供电[2]。公共建筑中的数据中心,医院手术室、ICU、金融业务的网络通信系统等场所和区域均需采用UPS进行供电。

2.1 UPS接线

公共建筑中负荷等级分为特别重要负荷、一级负荷、二级负荷及三级负荷。采用UPS供电的负荷设备等级往往为本公共建筑的最高等级,一般为双市电供电,UPS作为应急电源,当双市电均故障无法提供电力供应时,UPS起动供电。以某一负荷为例,公共建筑UPS配电接线如图2所示。

图2 公共建筑UPS配电接线图

UPS进线分别为静态旁路、内旁路和外旁路。当市电正常时,电流通过静态旁路,当市电出现故障,UPS自动转换为内旁路经AD/DC装置为负载供电。当UPS需要检修维护移动时,电源切换在外旁路,由市电直接供电,从而不影响供电的持续性,且可以满足UPS的检修维护[3]。在审核设计图纸时,经常看到UPS的进线仅为一路,这样的做法些许欠妥,当UPS出现故障,需要移走检修时,无法保障市电为负载正常供电的需求。

2.2 负载与UPS容量选择关系

UPS容量的选择与所带负载容量和UPS本体性能都有着密切的关系。依据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》规定,UPS的额定输出功率应为最大计算负荷的1.3倍,即:

Sups≥1.3Sj

(1)

式中:Sups——UPS的额定输出视在功率;

Sj——最大计算负荷。

因UPS输出有功和无功功率,负载往往是非线性负载,UPS和负载功率因数不同,视在功率满足以上1.3倍的基础上,同时需满足:

Pups≥Pj

(2)

Qups≥Qj

(3)

式中:Pups——UPS的额定输出有功功率;

Pj——最大计算负荷有功功率;

Qups——UPS的额定输出无功功率;

Qj——最大计算负荷无功功率。

同时满足以上条件的UPS容量方符合设备运行的匹配容量。

示例:10间手术室,每间用电8 kVA,功率因数cos@为0.8,同时系数取1,最大计算负荷为80 kVA,据此所选UPS的输出视在功率应大于104 kVA,按照UPS功率因数cos@为0.7进行有功和无功的验算,负载有功为64 kW,UPS有功为72.8 kVA,结果满足要求;负载无功为48 kvar,UPS无功为74.3 kVA,结果满足要求。综上计算,UPS容量选择接近且大于104 kVA挡,选UPS容量120 kVA。

2.3 UPS蓄电池组的选择

对UPS系统本身而言,早期UPS因使用范围窄,还没有形成在某一公共建筑中的规模化使用,UPS本身会有能量存储,但可提供的后备供电时间较短,无法实现负载较长时间的运转。随着公共建筑对供电时间和机电系统的稳定性要求逐年提高,UPS的本体储能问题日益凸显。随着新材料和化学工艺的发展,蓄电池因高可靠性及高效率逐渐被公认为优质的储能装置。由此将蓄电池引入UPS系统中,以解决后备供电时间短的难题,一些小容量的UPS在出厂制造时内置蓄电池组,随着容量UPS需求容量增大,其体积也同步增大,这就为系统的设计带来了难度。一般容量大于100 kVA,后备时间大于30 min时,就需要单独设置蓄电池组柜[4]。公共建筑中常用的蓄电池类型有镍镉电池、铅酸电池、磷酸铁锂电池、镍氢电池磷酸铁锂电池就是锂电池的一种等,而铅酸蓄电池因其稳定性高、自放电速率低、无记忆效应等良好性能越来越得到工程师和研究人员的青睐。铅酸型电池因其体积较大、使用全寿命周期短、同时造价相对较低,可使用在对一些要求不是太高的场合[5]。

蓄电池组的容量对于UPS系统的正常运行有着至关重要的作用,蓄电池容量选择偏高,在设计阶段会提高工程造价,建成后也会提高维护成本。当单个电池放电时,电池组会出现小电流漏电状况,电池逐渐进入深度放电模式,由于漏电流的存在,并随着放电次数的增多,导致电池组的有效使用寿命缩短;反之,蓄电池组容量选择偏小,就不能满足负载端断电持续供电的需求,相对于负载需求电流,蓄电池组放电电流过大,会导致UPS系统性能逐渐降低,电池使用寿命缩短[6]。因此,蓄电池组容量和组数的选择是否合理,对UPS系统的正常运行和性能都起到十分重要的作用。

电池容量计算的方法主要包括恒流法、恒功率法、电源法和电流估算法[7]。工程设计中通常采用电流估算法选取蓄电池组数和单体容量,经若干项目运行证实,采用此种方法选型的UPS蓄电池运行效果处于较为理想的状态。在实际工程中,往往UPS所带负载相对稳定,容量在一定范围内不会有大的变化,而电池组端电压随着放电时间逐渐降低,根据P=U×I,当P保持不变时,电池组放电电流呈逐渐增大趋势[8]。电流估算法具体计算如下式所示:

(4)

式中:Imax——蓄电池组最大工作电流;

P——UPS标称容量;

Pf——UPS功率因子;

η——UPS逆变器转换效率;

Umin——电池组最低工作电压。

(5)

式中:C10——蓄电池额定容量;

n——蓄电池的放电效率。

由以上可以得出结论,当采用Umin电池组最低工作电压时,电池组的安时容量偏大,主要原因在于蓄电池刚开始放电时,其放电电流远小于Imax。假设UPS标称容量为100 kVA,UPS功率因子为1 000;UPS逆变装置转换效率0.92;Umin电池组最高工作电压为675 V,最低工作电压为550 V,后备放电时间30 min的放电系数取1.2,代入式(4)、式(5),计算可得

根据以上计算结果,本UPS系统蓄电池选择2组50 AH、1组40 AH,标称3.2 V铅酸蓄电池。

2.4 UPS在线监控系统

UPS是否处于正常工作状态,对公共建筑遇到市电故障是否可不间断切换至UPS运行,从而保障大楼机电系统的运行有着至关重要的影响[9]。尤其对医院、数据中心、银行金融等功能属性的建筑物而言,会设置多种不同容量、不同规模的UPS系统,因此对每套UPS进行点对点实时监视、集中监控和管理是十分有必要的[10]。

3 UPS系统对土建专业的要求

UPS系统主要由输入配电柜、UPS电源主机、UPS控制器、蓄电池组、电池柜(架)和输出配电柜组成[11],建议容量在20 kVA以下小型UPS可与楼层配电室合用,容量在20～100 kVA以上的中型和容量在100 kVA以上的大型UPS设置独立的UPS室。因蓄电池对环境温度要求较高,将其设置在专用UPS室内专用的蓄电池房间为宜。房间净高需大于3 m。墙面和顶棚采用水泥石灰砂浆粉刷,室门有良好的防尘措施、涂耐酸漆,窗户须为双层,外层窗需装磨砂玻璃,具备良好的通风,避免阳光直晒。若自然通风无法满足,须设置机械通风,UPS系统装置应远离火源,与暖气等发热装置间隔距离至少1 m,不得与有机溶剂等有害物质接触,环境温度宜在5～40 ℃,工作相对湿度≤93%,且不凝露。特别注意的是,电池最佳环境温度保持在20～25 ℃,湿度20%～70%,蓄电池室须有良好的通风。在设计校验楼板的承重荷载时,重点计算蓄电池组、电池架(柜)和称重支架的荷载重量,UPS方案确定后及时告知结构工程师。蓄电池组尽可能布置在承重梁上方。UPS室地面需高于同层地面300 mm,下出线需根据出线电缆规格和数量做局部电缆沟。UPS室不得与有积水或者潮湿的房间毗邻布置[12]。

4 结 语

随着电气与电子技术的不断发展,结合公共建筑功能的多样性和重要性,UPS系统作为应急电源为建筑的正常运行保驾护航,起到关键作用。本文就自身在工程实践,对UPS系统设计的要点进行了分析和研究。随着新技术、新材料和新工艺的发展,UPS系统如何更有效、性能更稳定、更具性价比地应用在各大公共建筑中仍是目前乃至今后重点关注和研究的课题之一。