关于数据中心UPS电源系统蓄电池组的选型研究

吕高飞，张文魁，龚长武

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引 言

进入21世纪后，中国的互联网产业获得了前所未有的发展。随着互联网技术的普遍化应用，移动通信技术发生了巨大变化。尤其是在两者的持续融合下，数据中心思想得到了巨大发展，并形成了大数据应用方案。从构成而言，数据中心机房由多个部分组成，包括诸多IT设备，如服务器、交换机以及路由器等[1]。通常情况下，电源系统的非间断性是确保设备供电稳定性的重要保障。下面将以此为背景，结合当前UPS电源系统蓄电池组造型方法进行探讨。

1 概 述

在机房数据中心设备供电稳定性控制方面，一般会采用直流或交流电源，常规220 V即可满足。经验表明，市电双电源供电系统可为数据中心提供相应的运行条件。目前，在硬件资源配置方面应用UPS电池组较为普遍。这是利用常规电源与备用电源的两种思路，对市电故障现象提出的应对方案。比如，故障发生后，UPS电源系统可以在自动控制系统监控下直接启动，并确保市电网络的安全运行，从而降低电力故障或风险事件发生时可能产生的损害与严重事故。因此，在供电系统中的蓄电池组UPS电源系统具有关键性作用，与供电系统的安全、稳定运行密切相关。所以，需要从性能角度、浮充备用状态、负荷应急等方面进行一些研究，从而达到降低成本、提升蓄电池组性能、保障系统稳定运行的目标[2]，即通过具体的运算方案选出最优UPS电源系统蓄电池组的型号。

2 在工程中计算蓄电池组容量的条件与方法

下面结合实际的工作经验和相关规范标准，先对关于数据中心UPS电源系统蓄电池组容量的计算前提进行说明，指出计算所需要遵循的条件与两种不同的计算方法。

2.1 计算条件设定

首先，在工程中的蓄电池组容易计算，需要以关于数据中心的UPS电源系统相关规范为准，具体需要遵守《中国移动通信电源系统工程设计规范》（QB-J-017-2013）与《通信电源设备安装工程设计规范》（GB 51194-2016）等相关标准要求[3]。其次，需要根据实际的应用需求，在蓄电池组的容量方面进行资源配置，同时需要限定蓄电池的使用寿命。当容量能够满足供电需求时，可以根据UPS实际台数进行一对一设置。若容量不够，可以采用两组蓄电池数量并联的方法，并联后也可以将其当作一组蓄电池组。最后，需要满足设备放电要求，确保放电功率与UPS电源系统的输出功率相一致。

2.2 计算方法说明

首先，假定一个标准环境温度，当给定时间止点的条件下，若终止电压，就可以为该系统提供恒定电流，并保持持续性供电，从而获得电流与放电时间的乘积。换句话讲，若设A为电流，h为持续放电时间，那么Ah就是蓄电池组容量单位。其次，当UPS电源系统确定后，根据实际后备时间条件，能够在蓄电池的品牌样本数据库进行恒功率放电数据表分析，或者根据恒流放电曲线进行观察。因此，在实际的数据中心UPS电源系统蓄电池组的选型中，可以采用功率法与估算法两种方法进行具体的容量计算，从而获得最优选型[4]。最后，在满足基本的规范前提下，理论公式估算要求确定后备时间在0.5 h及以上；而在恒功率计算方面则应该针对蓄电池的生产企业提供的数据进行总功能率值计算。

3 蓄电池组容量计算的两种方法与选型

结合理论公式估算与恒功率算法，对关于数据中心UPS电源系统蓄电池的选型方案进行具体说明。为了叙述的完整性，在完成选型方案后，结合现阶段部分数据中心采用的高压柴油发电机组方案与结构优化方案，对数据中心UPS电源系统蓄电池组选型的相关性进行说明。

3.1 蓄电池组容量的理论公式估算及选型

在上述两种规范条件下，蓄电池组的后备时间选择范围可以设定在15 min、30 min、40 min、50 min、60 min。本次研究按照UPS电源系统的理论公式计算方案设定，选取的蓄电池组后备时间30 min或0.5 h。按照规范标准要求，设Q为蓄电池组容量，单位为Ah；K=1.25，为安全系数；I为负荷电流，单位为A；T为放电小时数，单位为h；u为铅酸蓄电池放电容量系数；t为实际电池所处环境最低温度值。因此，可以得到理论估算的计算公式如下：

按照实际的使用环境，设采暖设备的温度为15 ℃。若没有采暖设备，则将温度设定为5 ℃。此时，式（1）中的a为电池温度系数，单位为1/℃；当放电小时率10时，a=0.006；当1≤放电小时率＜10时，a=0.008；当放电小时率1时，则a=0.01[5]。

设UPS电源系统为200 kVA，蓄电池组可选用两种单体蓄电池，一种为2 V单体蓄电池为240节，另一种为12 V单体蓄电池40节。可以根据上述分析进行UPS电源系统的放电电流计算，然后设C为容量计算系数，I为负荷电流，Q为蓄电池组容量，可以形成Q=CI这个简化公式，这样带入各项数据可以得到具体的容量。举例说明，假定在环境中安装采暖设备，放电时间为0.5 h，那么放电小时率小于1时，a为0.01。按照蓄电池放电终止电压为1.75 V，查表得放电容量系数值u=0.4，从而得到C=1.74。将C=1.74代入Q=CI，则负荷电流为I=Scosφ/μU=431.3 A（S=200 kVA，cosφ=0.9，μ=0.94，U=1.85×240），可以得到铅酸蓄电池组容量Q=750.5 Ah。UPS电源系统采用2台UPS并联冗余方式或1+1并联冗余，因此可以选择两组400 Ah/480 V阀控式铅酸蓄电池组。

3.2 蓄电池组容量的恒功率算法和选型

生产商在计算蓄电池组容量时，往往选择恒功率方案。从计算步骤方面分析，这包括5大步骤。第一，要求在基础条件方面确定所选UPS产品各项要素，具体包括标称功率、负载效率和逆变效率，这样可以根据基础参数的给定得到相应配置电池的总供电功率。第二，根据总供电功率，需要进一步按照配置要求所需要的备电时间与电池组标称电压参数实现电池组容量的计算。第三，可以根据标称电压进行单格电池数量计算。第四，根据总供电功率与电池组单格电池数量，计算所需要配置的单格电池放电功率。第五，将前4个步骤所得的数据作为配置要素，在不同的配置方案中进行配置分析，能够使恒功率放电参数满足度计算表的标准规范，进而实现关于数据中心UPS电源系统蓄电池的选型[6]。

分析以上5大步骤发现，生产商的恒功率计算方案中往往忽略了温度因素，㛑不够重视安全系数。所以，当它计算出具体数值时，会导致容量计算结果偏小，这是在设计方案与生产产品之间存在容量差异的根本原因。因此，为了解决这一问题，并使双方获得一致性结果，需要加入安全因素与温度因素。设P电池=2 V电池单体功率，K=1.25为安全系数，SUPS为标称输出功率，cosθ负载功率因素，η=0.94为逆变器运行效率，N为单体蓄电池组串联数量。本次研究设定为240只，cosθ=0.9，那么可以将所有数据代入式（2）进行具体计算：

根据设定要求，可以计算出2 V电池单体功率为1 108.2 W。

3.3 选型方案的注意事项

根据以上对理论公式估算与恒功率计算方案的具体分析发现，其中最重要因素来自于温度系数与安全系数。当两种系数均获得考虑时，会得到一致性的计算结果。经验表明，当环境温度在25 ℃时，安装的蓄电池组在实际运行中处于安全状态，也就是说温度环境的承载范围可以达到25 ℃。同时，根据数据统计分析与标定容量相比，新装蓄电池组容量往往高于标定容量。但是，伴随着使用时间的持续，容量也会逐渐下降。所以，当安装的蓄电池组下降容量小于标定容量时，会造成放电容量不能满足设计方案的现象。因此，在实际的数据中心UPS电源系统蓄电池组选型时，应该考虑多元影响因素，从而根据实际的影响大小与影响结果进行具体分析，进而利用数据化的计算方案，将其从抽象化的影响转换为具体的影响参数。这样能够根据理论估算方式或者通过对生产商的恒功率计算方案进行一些影响因子参数分析，并增加安全系数与温度系数影响因素，并由此提升选型的科学性与合理性。

3.4 UPS电源系统蓄电池组选型相关性分析

现阶段除了常规市电双电源供电系统外，随着数据中心规模的扩大与能源需求的日益增加，很多数据中心大多补充了高压柴油发电机组。所以，在实际的UPS电源系统蓄电池组选型研究中，应该注重它与高压柴油发电机组备用电源系统的相关性。就实际的应用情况观察，高压柴油发电机组的使用，可以有效使市电双电源供电系统中的中压直流以其固有的接地方式转化为高压直流，因而有利于补充电力供应不足的情况，也可以减少蓄电池组的使用时间，延长其使用寿命。另外，UPS电源系统中的蓄电池造型与其结构的排布方式密切相关。若从专业化的选型研究角度观察，虽然能够解决选型的比较优势问题，然而若要真正对UPS电源系统做深度的应用效率优化，则依然需要以UPS电源系统结构为中心开展专题化研究，如针对高压柴油发电机组的研究和针对UPS结构排布的优化研究。这样能够在多项专题研究的基础上构建综合优化方案，最终从整体上解决数据中心UPS电源系统的电力供应优化问题。

4 结 论

现阶段的数据中心技术已经获得了普遍发展，而其中采用的UPS电源系统也在逐渐完善。为了有效发挥该系统对蓄电池选型的作用，需要从中抓取安全系数与温度系数，从而为其选型提供技术支持。结合以上分析可以看出，不同的方法与比较方案可以为蓄电池选型提供一定的参照，但是在实际选型方案确定中应该增强参数的精准运算，并结合相关数据做相关性分析。建议在选型数据的类型参数方面增强数据积累，为后续的选型直接提供参考依据和对照参数。