楊 鵬

[同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上海 200092]

0 引 言

隨著新技術和新材料的不斷發(fā)展,電子信息設備和電氣儲能設備越來越多地應用在公共建筑中。與此同時,隨著公共建筑建設規(guī)模的不斷擴大,業(yè)態(tài)功能由早期的單一化發(fā)展到現(xiàn)如今的多樣化,建筑內部產生運營數(shù)據(jù)存儲的連續(xù)不可中斷性等需求使得對建筑內部機電系統(tǒng)運行的可靠性和能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)的準確性顯得尤為重要[1];不間斷供電電源(UPS)正是在這樣的背景下順其自然地應用在公共建筑中。

1 UPS的工作機制

市電供電正常且電能質量滿足使用需求時,UPS處于備用狀態(tài),市電供電正常但電能質量較差,如諧波較大,波形失真率較高,電壓偏差超出允許值的情況下,UPS首先經過整流裝置(AC/DC)將市電轉換為直流電,利用正弦脈寬調制技術(SPWM),通過逆變裝置(DC/AC)將直流電轉換為質量高、純凈的正弦交流電;當市電出現(xiàn)故障或電網停電時,UPS自動檢測失電信號,立即起動儲能裝置(儲能裝置目前應用較多的是蓄電池組),由儲能裝置向逆變裝置提供電源,保證在市電失電的情況下,向負載提供間斷時間僅為毫秒級的交流電源,從而保證系統(tǒng)的正常運行。UPS的工作原理框圖如圖1所示。

圖1 UPS的工作原理框圖

2 UPS在公共建筑中的應用

根據(jù)GB 50314—2019《民用建筑電氣設計規(guī)范》中第6.3.2條規(guī)定:當用電負荷不允許中斷供電時或允許中斷供電時間為毫秒級的重要場所均需采用UPS為負載供電[2]。公共建筑中的數(shù)據(jù)中心,醫(yī)院手術室、ICU、金融業(yè)務的網絡通信系統(tǒng)等場所和區(qū)域均需采用UPS進行供電。

2.1 UPS接線

公共建筑中負荷等級分為特別重要負荷、一級負荷、二級負荷及三級負荷。采用UPS供電的負荷設備等級往往為本公共建筑的最高等級,一般為雙市電供電,UPS作為應急電源,當雙市電均故障無法提供電力供應時,UPS起動供電。以某一負荷為例,公共建筑UPS配電接線如圖2所示。

圖2 公共建筑UPS配電接線圖

UPS進線分別為靜態(tài)旁路、內旁路和外旁路。當市電正常時,電流通過靜態(tài)旁路,當市電出現(xiàn)故障,UPS自動轉換為內旁路經AD/DC裝置為負載供電。當UPS需要檢修維護移動時,電源切換在外旁路,由市電直接供電,從而不影響供電的持續(xù)性,且可以滿足UPS的檢修維護[3]。在審核設計圖紙時,經?？吹経PS的進線僅為一路,這樣的做法些許欠妥,當UPS出現(xiàn)故障,需要移走檢修時,無法保障市電為負載正常供電的需求。

2.2 負載與UPS容量選擇關系

UPS容量的選擇與所帶負載容量和UPS本體性能都有著密切的關系。依據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》規(guī)定,UPS的額定輸出功率應為最大計算負荷的1.3倍,即:

Sups≥1.3Sj

(1)

式中:Sups——UPS的額定輸出視在功率;

Sj——最大計算負荷。

因UPS輸出有功和無功功率,負載往往是非線性負載,UPS和負載功率因數(shù)不同,視在功率滿足以上1.3倍的基礎上,同時需滿足:

Pups≥Pj

(2)

Qups≥Qj

(3)

式中:Pups——UPS的額定輸出有功功率;

Pj——最大計算負荷有功功率;

Qups——UPS的額定輸出無功功率;

Qj——最大計算負荷無功功率。

同時滿足以上條件的UPS容量方符合設備運行的匹配容量。

示例:10間手術室,每間用電8 kVA,功率因數(shù)cos@為0.8,同時系數(shù)取1,最大計算負荷為80 kVA,據(jù)此所選UPS的輸出視在功率應大于104 kVA,按照UPS功率因數(shù)cos@為0.7進行有功和無功的驗算,負載有功為64 kW,UPS有功為72.8 kVA,結果滿足要求;負載無功為48 kvar,UPS無功為74.3 kVA,結果滿足要求。綜上計算,UPS容量選擇接近且大于104 kVA擋,選UPS容量120 kVA。

2.3 UPS蓄電池組的選擇

對UPS系統(tǒng)本身而言,早期UPS因使用范圍窄,還沒有形成在某一公共建筑中的規(guī)模化使用,UPS本身會有能量存儲,但可提供的后備供電時間較短,無法實現(xiàn)負載較長時間的運轉。隨著公共建筑對供電時間和機電系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求逐年提高,UPS的本體儲能問題日益凸顯。隨著新材料和化學工藝的發(fā)展,蓄電池因高可靠性及高效率逐漸被公認為優(yōu)質的儲能裝置。由此將蓄電池引入UPS系統(tǒng)中,以解決后備供電時間短的難題,一些小容量的UPS在出廠制造時內置蓄電池組,隨著容量UPS需求容量增大,其體積也同步增大,這就為系統(tǒng)的設計帶來了難度。一般容量大于100 kVA,后備時間大于30 min時,就需要單獨設置蓄電池組柜[4]。公共建筑中常用的蓄電池類型有鎳鎘電池、鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、鎳氫電池磷酸鐵鋰電池就是鋰電池的一種等,而鉛酸蓄電池因其穩(wěn)定性高、自放電速率低、無記憶效應等良好性能越來越得到工程師和研究人員的青睞。鉛酸型電池因其體積較大、使用全壽命周期短、同時造價相對較低,可使用在對一些要求不是太高的場合[5]。

蓄電池組的容量對于UPS系統(tǒng)的正常運行有著至關重要的作用,蓄電池容量選擇偏高,在設計階段會提高工程造價,建成后也會提高維護成本。當單個電池放電時,電池組會出現(xiàn)小電流漏電狀況,電池逐漸進入深度放電模式,由于漏電流的存在,并隨著放電次數(shù)的增多,導致電池組的有效使用壽命縮短;反之,蓄電池組容量選擇偏小,就不能滿足負載端斷電持續(xù)供電的需求,相對于負載需求電流,蓄電池組放電電流過大,會導致UPS系統(tǒng)性能逐漸降低,電池使用壽命縮短[6]。因此,蓄電池組容量和組數(shù)的選擇是否合理,對UPS系統(tǒng)的正常運行和性能都起到十分重要的作用。

電池容量計算的方法主要包括恒流法、恒功率法、電源法和電流估算法[7]。工程設計中通常采用電流估算法選取蓄電池組數(shù)和單體容量,經若干項目運行證實,采用此種方法選型的UPS蓄電池運行效果處于較為理想的狀態(tài)。在實際工程中,往往UPS所帶負載相對穩(wěn)定,容量在一定范圍內不會有大的變化,而電池組端電壓隨著放電時間逐漸降低,根據(jù)P=U×I,當P保持不變時,電池組放電電流呈逐漸增大趨勢[8]。電流估算法具體計算如下式所示:

(4)

式中:Imax——蓄電池組最大工作電流;

P——UPS標稱容量;

Pf——UPS功率因子;

η——UPS逆變器轉換效率;

Umin——電池組最低工作電壓。

(5)

式中:C10——蓄電池額定容量;

n——蓄電池的放電效率。

由以上可以得出結論,當采用Umin電池組最低工作電壓時,電池組的安時容量偏大,主要原因在于蓄電池剛開始放電時,其放電電流遠小于Imax。假設UPS標稱容量為100 kVA,UPS功率因子為1 000;UPS逆變裝置轉換效率0.92;Umin電池組最高工作電壓為675 V,最低工作電壓為550 V,后備放電時間30 min的放電系數(shù)取1.2,代入式(4)、式(5),計算可得

根據(jù)以上計算結果,本UPS系統(tǒng)蓄電池選擇2組50 AH、1組40 AH,標稱3.2 V鉛酸蓄電池。

2.4 UPS在線監(jiān)控系統(tǒng)

UPS是否處于正常工作狀態(tài),對公共建筑遇到市電故障是否可不間斷切換至UPS運行,從而保障大樓機電系統(tǒng)的運行有著至關重要的影響[9]。尤其對醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、銀行金融等功能屬性的建筑物而言,會設置多種不同容量、不同規(guī)模的UPS系統(tǒng),因此對每套UPS進行點對點實時監(jiān)視、集中監(jiān)控和管理是十分有必要的[10]。

3 UPS系統(tǒng)對土建專業(yè)的要求

UPS系統(tǒng)主要由輸入配電柜、UPS電源主機、UPS控制器、蓄電池組、電池柜(架)和輸出配電柜組成[11],建議容量在20 kVA以下小型UPS可與樓層配電室合用,容量在20～100 kVA以上的中型和容量在100 kVA以上的大型UPS設置獨立的UPS室。因蓄電池對環(huán)境溫度要求較高,將其設置在專用UPS室內專用的蓄電池房間為宜。房間凈高需大于3 m。墻面和頂棚采用水泥石灰砂漿粉刷,室門有良好的防塵措施、涂耐酸漆,窗戶須為雙層,外層窗需裝磨砂玻璃,具備良好的通風,避免陽光直曬。若自然通風無法滿足,須設置機械通風,UPS系統(tǒng)裝置應遠離火源,與暖氣等發(fā)熱裝置間隔距離至少1 m,不得與有機溶劑等有害物質接觸,環(huán)境溫度宜在5～40 ℃,工作相對濕度≤93%,且不凝露。特別注意的是,電池最佳環(huán)境溫度保持在20～25 ℃,濕度20%～70%,蓄電池室須有良好的通風。在設計校驗樓板的承重荷載時,重點計算蓄電池組、電池架(柜)和稱重支架的荷載重量,UPS方案確定后及時告知結構工程師。蓄電池組盡可能布置在承重梁上方。UPS室地面需高于同層地面300 mm,下出線需根據(jù)出線電纜規(guī)格和數(shù)量做局部電纜溝。UPS室不得與有積水或者潮濕的房間毗鄰布置[12]。

4 結 語

隨著電氣與電子技術的不斷發(fā)展,結合公共建筑功能的多樣性和重要性,UPS系統(tǒng)作為應急電源為建筑的正常運行保駕護航,起到關鍵作用。本文就自身在工程實踐,對UPS系統(tǒng)設計的要點進行了分析和研究。隨著新技術、新材料和新工藝的發(fā)展,UPS系統(tǒng)如何更有效、性能更穩(wěn)定、更具性價比地應用在各大公共建筑中仍是目前乃至今后重點關注和研究的課題之一。