不間斷電源在公共建筑電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊 鵬

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司, 上海 200092]

0 引 言

隨著新技術(shù)和新材料的不斷發(fā)展,電子信息設(shè)備和電氣儲(chǔ)能設(shè)備越來越多地應(yīng)用在公共建筑中。與此同時(shí),隨著公共建筑建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)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(nèi)部產(chǎn)生運(yùn)營數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的連續(xù)不可中斷性等需求使得對(duì)建筑內(nèi)部機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)的準(zhǔn)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(yīng)用在公共建筑中。

1 UPS的工作機(jī)制

市電供電正常且電能質(zhì)量滿足使用需求時(shí),UPS處于備用狀態(tài),市電供電正常但電能質(zhì)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(jīng)過整流裝置(AC/DC)將市電轉(zhuǎn)換為直流電,利用正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM),通過逆變裝置(DC/AC)將直流電轉(zhuǎn)換為質(zhì)量高、純凈的正弦交流電;當(dāng)市電出現(xiàn)故障或電網(wǎng)停電時(shí),UPS自動(dòng)檢測失電信號(hào),立即起動(dòng)儲(chǔ)能裝置(儲(chǔ)能裝置目前應(yīng)用較多的是蓄電池組),由儲(chǔ)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(fù)載提供間斷時(shí)間僅為毫秒級(jí)的交流電源,從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)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(yīng)用

根據(jù)GB 50314—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》中第6.3.2條規(guī)定:當(dāng)用電負(fù)荷不允許中斷供電時(shí)或允許中斷供電時(shí)間為毫秒級(jí)的重要場所均需采用UPS為負(fù)載供電[2]。公共建筑中的數(shù)據(jù)中心,醫(yī)院手術(shù)室、ICU、金融業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等場所和區(qū)域均需采用UPS進(jìn)行供電。

2.1 UPS接線

公共建筑中負(fù)荷等級(jí)分為特別重要負(fù)荷、一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷及三級(jí)負(fù)荷。采用UPS供電的負(fù)荷設(shè)備等級(jí)往往為本公共建筑的最高等級(jí),一般為雙市電供電,UPS作為應(yīng)急電源,當(dāng)雙市電均故障無法提供電力供應(yīng)時(shí),UPS起動(dòng)供電。以某一負(fù)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(jìn)線分別為靜態(tài)旁路、內(nèi)旁路和外旁路。當(dāng)市電正常時(shí),電流通過靜態(tài)旁路,當(dāng)市電出現(xiàn)故障,UPS自動(dòng)轉(zhuǎn)換為內(nèi)旁路經(jīng)AD/DC裝置為負(fù)載供電。當(dāng)UPS需要檢修維護(hù)移動(dòng)時(shí),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(hù)[3]。在審核設(shè)計(jì)圖紙時(shí),經(jīng)常看到UPS的進(jìn)線僅為一路,這樣的做法些許欠妥,當(dāng)UPS出現(xiàn)故障,需要移走檢修時(shí),無法保障市電為負(fù)載正常供電的需求。

2.2 負(fù)載與UPS容量選擇關(guān)系

UPS容量的選擇與所帶負(fù)載容量和UPS本體性能都有著密切的關(guān)系。依據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,UPS的額定輸出功率應(yīng)為最大計(jì)算負(fù)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(jì)算負(fù)荷。

因UPS輸出有功和無功功率,負(fù)載往往是非線性負(fù)載,UPS和負(fù)載功率因數(shù)不同,視在功率滿足以上1.3倍的基礎(chǔ)上,同時(shí)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(jì)算負(fù)荷有功功率;

Qups——UPS的額定輸出無功功率;

Qj——最大計(jì)算負(fù)荷無功功率。

同時(shí)滿足以上條件的UPS容量方符合設(shè)備運(yùn)行的匹配容量。

示例:10間手術(shù)室,每間用電8 kVA,功率因數(shù)cos@為0.8,同時(shí)系數(shù)取1,最大計(jì)算負(fù)荷為80 kVA,據(jù)此所選UPS的輸出視在功率應(yīng)大于104 kVA,按照UPS功率因數(shù)cos@為0.7進(jìn)行有功和無功的驗(yàn)算,負(fù)載有功為64 kW,UPS有功為72.8 kVA,結(jié)果滿足要求;負(fù)載無功為48 kvar,UPS無功為74.3 kVA,結(jié)果滿足要求。綜上計(jì)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(duì)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(huì)有能量存儲(chǔ),但可提供的后備供電時(shí)間較短,無法實(shí)現(xiàn)負(fù)載較長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著公共建筑對(duì)供電時(shí)間和機(jī)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求逐年提高,UPS的本體儲(chǔ)能問題日益凸顯。隨著新材料和化學(xué)工藝的發(fā)展,蓄電池因高可靠性及高效率逐漸被公認(rèn)為優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)能裝置。由此將蓄電池引入U(xiǎn)PS系統(tǒng)中,以解決后備供電時(shí)間短的難題,一些小容量的UPS在出廠制造時(shí)內(nèi)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(shè)計(jì)帶來了難度。一般容量大于100 kVA,后備時(shí)間大于30 min時(shí),就需要單獨(dú)設(shè)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(yīng)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(shí)造價(jià)相對(duì)較低,可使用在對(duì)一些要求不是太高的場合[5]。

蓄電池組的容量對(duì)于UPS系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用,蓄電池容量選擇偏高,在設(shè)計(jì)階段會(huì)提高工程造價(jià),建成后也會(huì)提高維護(hù)成本。當(dāng)單個(gè)電池放電時(shí),電池組會(huì)出現(xiàn)小電流漏電狀況,電池逐漸進(jìn)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(dǎo)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(fù)載端斷電持續(xù)供電的需求,相對(duì)于負(fù)載需求電流,蓄電池組放電電流過大,會(huì)導(dǎo)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(duì)UPS系統(tǒng)的正常運(yùn)行和性能都起到十分重要的作用。

電池容量計(jì)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(shè)計(jì)中通常采用電流估算法選取蓄電池組數(shù)和單體容量,經(jīng)若干項(xiàng)目運(yùn)行證實(shí),采用此種方法選型的UPS蓄電池運(yùn)行效果處于較為理想的狀態(tài)。在實(shí)際工程中,往往UPS所帶負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定,容量在一定范圍內(nèi)不會(huì)有大的變化,而電池組端電壓隨著放電時(shí)間逐漸降低,根據(jù)P=U×I,當(dāng)P保持不變時(shí),電池組放電電流呈逐漸增大趨勢[8]。電流估算法具體計(jì)算如下式所示:

(4)

式中:Imax——蓄電池組最大工作電流;

P——UPS標(biāo)稱容量;

Pf——UPS功率因子;

η——UPS逆變器轉(zhuǎn)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(jié)論,當(dāng)采用Umin電池組最低工作電壓時(shí),電池組的安時(shí)容量偏大,主要原因在于蓄電池剛開始放電時(shí),其放電電流遠(yuǎn)小于Imax。假設(shè)UPS標(biāo)稱容量為100 kVA,UPS功率因子為1 000;UPS逆變裝置轉(zhuǎn)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(shí)間30 min的放電系數(shù)取1.2,代入式(4)、式(5),計(jì)算可得

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果,本UPS系統(tǒng)蓄電池選擇2組50 AH、1組40 AH,標(biāo)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(duì)公共建筑遇到市電故障是否可不間斷切換至UPS運(yùn)行,從而保障大樓機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響[9]。尤其對(duì)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(huì)設(shè)置多種不同容量、不同規(guī)模的UPS系統(tǒng),因此對(duì)每套UPS進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)時(shí)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(duì)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(jī)、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(shè)置獨(dú)立的UPS室。因蓄電池對(duì)環(huán)境溫度要求較高,將其設(shè)置在專用UPS室內(nèi)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(fēng),避免陽光直曬。若自然通風(fēng)無法滿足,須設(shè)置機(jī)械通風(fēng),UPS系統(tǒng)裝置應(yīng)遠(yuǎn)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(jī)溶劑等有害物質(zhì)接觸,環(huán)境溫度宜在5～40 ℃,工作相對(duì)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(fēng)。在設(shè)計(jì)校驗(yàn)樓板的承重荷載時(shí),重點(diǎn)計(jì)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(shí)告知結(jié)構(gòu)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(jié) 語

隨著電氣與電子技術(shù)的不斷發(fā)展,結(jié)合公共建筑功能的多樣性和重要性,UPS系統(tǒng)作為應(yīng)急電源為建筑的正常運(yùn)行保駕護(hù)航,起到關(guān)鍵作用。本文就自身在工程實(shí)踐,對(duì)UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行了分析和研究。隨著新技術(shù)、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(jià)比地應(yīng)用在各大公共建筑中仍是目前乃至今后重點(diǎn)關(guān)注和研究的課題之一。