大型移動保供電電源儲能元件選型分析*

杜兆斌，鄧桂萍，席云華，吳國沛，曹慶洲，陳海濤

（1.華南理工大學，廣東廣州 510640）；2.廣州電力設計院，廣東廣州 510620）；3.廣州供電局有限公司，廣東廣州 510620）

0 引言

保供電電源的作用是在市電短時或較長時間發生中斷時，能夠為用戶提供連續的供電，直至后備電源投入使用。可見，在保供電中，電源的配置是十分重要的[1]。供電企業常根據應用場合的特點選取合適的保供電電源，常用的包括：外部電網提供備用線路、不間斷電源UPS（Uninterrupted Power Supply）、應急電源EPS（Emergency Power Supply）和柴油發電機等。針對數百kVA容量、停電允許時間毫秒級的高可靠性的大用戶而言，UPS往往是首選[2-4]。

UPS 主要依靠其儲能裝置提供了不間斷電力供應。因此，研究保供電電源中的儲能技術十分重要。構成UPS 儲能部分的方式主要有磁飛輪、超級電容、蓄電池[5-8]。磁飛輪儲能UPS 屬于動態UPS，具有高可靠性和安全性、高效低能耗、綠色環保、體積小等優勢，但能量比較小，難以滿足大容量用戶的需要[5]。此外，長時間停用后每次重新投入前的準備時間比較長，移動使用較不便。超級電容儲能UPS 受制于體積和成本，儲能容量有限，與磁飛輪一樣在常見的分鐘級別保供電應用中缺乏競爭優勢，同時存在限流充電、多電容串聯均衡和系統放電穩壓的問題[6]。蓄電池UPS 是靜態型UPS，蓄電池具有較大的電能容量和輸出功率，可快速充放電。后備時間較長，一般為10～30 min，或者根據配置進行后備時間的延長。蓄電池UPS技術成熟，市場應用范圍廣[7-8]。

目前UPS 和儲能技術大多是根據固定式需求配置，較少考慮到移動式的應用需求。而現在大型活動的舉行并不是全都固定在一個地方，有時還會選擇在偏遠的地方或者臨時選用一處作為舉辦場所，電源設置并不完備，這種情況下更需要有完善的保供電措施。根據市場需求，保供電應考慮移動的情況，實際應用中可以采用車載的方式。

對于車載保供電電源中的儲能蓄電池，在應用中存在有如下問題：（1）車載對于安裝空間和重量的限制對選擇蓄電池的影響；（2）車載移動帶來的震動問題對蓄電池使用效果和性能的影響；（3）蓄電池的安裝要考慮車載的震動[4]。

蓄電池的種類繁多，不同的蓄電池由于性能的不同，在移動車載式保供電電源中的表現不一，效果也有優劣。同種蓄電池產品由不同的廠家生產，其規格參數和性能也不盡相同。本文針對特定的負載和UPS 產品，根據不同類型和品牌的蓄電池產品規格參數設計一個車載移動式電源的儲能部分，對不同的供電容量要求推薦合適的方案，為未來保供電電源選擇和設計提供相關的工程經驗。

1 基本算法

UPS 選擇儲能設備時，首先是要選擇蓄電池的種類和品牌型號，接下來是根據選出來的蓄電池進行安裝配置。因此，先要了解如何選擇蓄電池。下面將介紹兩種通用的方法：放電電流法[2，7]和估算法[2]。

（1）放電電流法

先根據UPS 逆變器的工作電壓U逆和蓄電池的額定電壓求出每組蓄電池的個數N；然后根據公式[2，7]

算出蓄電池的最大放電電流I。其中：S：UPS 輸出額定功率（VA）；cos φ：UPS 輸出功率因數；η：UPS輸出逆變器效率（0.85～0.9）；Κ：蓄電池放電效率（取0.95）；Ε：蓄電池組臨界放電電壓，等于蓄電池個數與臨界電壓之積。通常選用在規定的高倍率放電條件下的臨界電壓值，2 V蓄電池臨界電壓約為1.7 V。再根據I 查詢廠家提供的蓄電池恒電流放電參數表，選擇對應的蓄電池。

（2）估算法

對于產品缺乏恒電流或恒功率放電數據時，可采用估算法。估算法主要是根據容量對蓄電池進行選擇，由公式[2]

求出需要蓄電池放出的容量C。其中：S、cos ?、η、U逆的定義見上文；t：UPS的后備時間；C：蓄電池需要放出的容量，等于蓄電池的額定容量與蓄電池的放電效率之積。主要是因為蓄電池在放電時的電流受內部化學反應的影響并不是與時間成比例關系，因此放出的容量也不是線性的關系，需要一個修正系數才能符合實際放出的容量。蓄電池的放電效率與放電時間、放電電量有關，如表1 所示。求出蓄電池需要放出的容量后，即可得出符合選型的蓄電池的額定容量。

表1 蓄電池放電效率與放電時間/電量的關系表

2 蓄電池實例選型和計算

市場上閥控式鉛酸蓄電池的生產廠家數量眾多，而不同品牌蓄電池的性能和規格不盡相同，在蓄電池選型時，原則上是選用品質和口碑都為優的品牌。綜合閥控式鉛酸蓄電池產品的公開參數和用戶應反饋，本文將選用德國陽光膠體A600系列[9]、美國德克8G 系列膠體蓄電池和Unigy Ⅱ系列[10]、艾默生蓄電池[11]，根據上述廠家提供的產品信息進行選型計算和對比分析。德國陽光電池是國內外知名高品質電池；美國德克8G系列電池能量重量比高；Unigy Ⅱ系列蓄電池組具有鋼模架固定，預留了散熱通道，蓄電池組可以直接堆疊使用，無需電池柜，抗震能力強；艾默生蓄電池為UPS 原配電池，手冊上已列出電池的配置方案，此處作為參考使用。鋰離子電池選用中航鋰電磷酸鐵鋰電池[12]和溫斯頓稀土鋰釔電池[13]。保供電備用時間為15分鐘。

移動式保供電電源車一般選用二軸或三軸半掛車，因此在蓄電池選型時要以車廂長10 m，寬2.5 m，高4 m 作為一個參考標準。其中，電池柜在布置時需預留維修通道和其他設備的空間。

UPS 選用的是艾默生Hipulse U 300 kVA/270 kW不間斷電源系統，其結構參數如表2。

表2 艾默生Hipulse U300 kVA UPS結構參數[11]

2.1 德國陽光A600系列的選型

A600 系列單體電池的額定電壓為2 V，每條支路蓄電池個數為192。設單體電池放電臨界電壓為1.75 V，蓄電池所需的放電功率：

如果僅用一組電池（一條支路）供電，則需要選用大容量的型號A602/1200。如果考慮并聯兩組，則每組單個電池所需的放電功率為1644.7/2=822.35（W/cell）。而蓄電池數為384只，選擇型號A602/490。以并聯兩組電池方案為例，計算電池組的重量和體積，參考表3。

表3 陽光A602/490規格參數[9]

蓄電池采用立式放置的方式。電池柜選用2列4 層，采用2 個電池柜，則每層電池柜放置2×24 個蓄電池。電池柜的長度L 為4 272 mm，寬度W（含電池間空隙）為516 mm。高度H（含電池間空隙）為2 460 mm。

蓄電池總重為14 976 kg，電池柜主要的作用是固定蓄電池同時具有一定的防震效果，重量設為500 kg，總重量為15 976 kg。蓄電池費用（參考報價5 820 元/組）若為223.488 萬元。

從長度分析，電池柜總寬約為1 m，車寬限制為2.5 m，維修通道寬度一般約為0.5 m，加上電池柜與車廂的間距，1.5 m 的寬度足夠滿足要求。高為2.5 m左右，小于車高。考慮UPS，則總長為6 552 mm，小于7 m。從重量上看，UPS和儲能設備總重為17 176 kg，約17.2 t。綜合分析，該蓄電池配置具有可行性。

表4 后備時間15 min不同電池方案比較

表4 中兩個方案蓄電池配置都具有可行性，并聯方案在重量上占有明顯的優勢，提高了保供電電源的移動性和靈活性。

2.2 中航鋰電蓄電池選型

中航鋰電有SE系列和CA系列，其中SE系列的電池容量從40Ah～400Ah不等，CA系列的則為35Ah～400Ah不等。在下面的選型中考慮SE系列鋰離子電池。考慮選用型號SE180 的鋰離子電池，SE180的規格參數如表5所示。

表5 SE180規格參數表[12]

蓄電池每組個數為384/3.2=120 只，蓄電池需要放出的容量為：

15 min的放電效率取0.4，則需要并聯的組數為195.31/（0.4×180）=2.7，即3 組，蓄電池總數為360 只。考慮2 個2 列4 層的電池柜，每層放2×23個蓄電池，蓄電池采用側放，長寬對調。電池柜長為1 863 mm，總長4 143 mm；電池柜寬為464 mm，總寬1 028 mm；電池柜高為1 516 mm；蓄電池重2 016 kg，電池柜重500 kg，則總重為5 216 kg。單體蓄電池報價為1 555 元，則蓄電池費用為55.98 萬元。

2.3 選型綜合分析

在選型比較中，本文主要對比參照的參數有體積比能量和重量比能量，以及與此對應的總重量和總體積。蓄電池的體積會對其他設備的布局形成影響，也將是一個對比參考的因素。

選型時蓄電池的并聯組數最好不要超過4組，因為并聯組數過多，并聯電路間的環流就會越明顯，消耗在蓄電池內阻上的能量也就越多。此外，蓄電池的個數也不宜過多，這不僅涉及到重量和體積限制，還因為蓄電池的數量一旦過多，蓄電池之間的一致性的控制難度就增加，特別是鋰離子電池。而且弱項蓄電池（Weak Battery）存在的可能性也大大增加，而一個蓄電池的失效將會造成同組其他蓄電池壽命的減少，大大增加了后期的運行成本。

對于抗震性能，一般的蓄電池都沒有相關的參數，這主要是因為蓄電池大多數情況下是在固定情況下使用的。本次選型中，電池柜的重量都設得比較大，主要是為了防止震動時電池柜的松動以及減少震動對蓄電池的影響。對于蓄電池在選型中的抗震性能比較，在比較時主要是以市場反饋的產品性能進行粗略的比較。

受市場等不可知因素的影響，產品的價格會出現浮動，因此在比較時，不將產品價格作為主要的比較標準，只做輔助參考作用。

經過對蓄電池產品的選型分析，得出的選型情況對比（表6）。

（1）從重量比能量上看，鋰離子電池幾乎是鉛酸蓄電池的3～4倍，這是鋰離子電池的一大優勢，因此在總重量上，鋰離子電池都是最小的。

（2）從體積比能量上看，鋰離子電池是鉛酸蓄電池的2～3倍左右，這意味著儲存同樣大小的能量，鋰離子電池的體積比鉛酸蓄電池小很多。在選型中，鋰離子電池的電池柜的長度與鉛酸蓄電池相比，基本都比較小。

（3）鋰離子電池在工作時需要注意的一個重要問題是電池之間的一致性。不一致性的存在使鋰離子電池在使用時的維護投入需要的更多，也降低了工作性能的發揮。

（4）從蓄電池單價上看，鋰離子電池要高于鉛酸蓄電池。因為鉛酸蓄電池的生產技術比較成熟，生產規模比較大，材料成本較低。但蓄電池的總價受個數的影響。

表6 后備時間15 min的選型對比

選型結果表明，在移動式UPS 的蓄電池選型中，后備時間比較長時，鋰離子電池由于比能量大，電池電壓高，因此在選型上具有相對明顯的優勢。

3 結論

本文是對移動保供電電源UPS 的儲能設備實際應用進行了分析，設計了一個車載式保供電電源的儲能部分。針對百千伏安容量，十分鐘級別的保供電需求，若是從重量和體積上看，鋰離子電池則具有優勢，因為比能量比鉛酸蓄電池高很多。在選型時，還需要注意蓄電池并聯的組數不要過多，否則會在電路之間形成較大的環流。蓄電池的個數也不宜過多，不然在使用時的維護工作難度會加大。

在保供電電源的選擇中，還需要考慮環境等因素的影響。不同的保供電場合需要對蓄電池的側重點不同，因此要具體問題具體分析。

［1］Q/GZW 2 1201-2010.供電局保供電工作管理標準［S］.

［2］熊雯.應急供電系統的設計與實現［D］.成都：電子科技大學，2007.

［3］伏云發，殷繼彬.智能化網絡三相UPS 系統中的交流旁路電源供電與逆變器電源供電切換裝置的設計［J］.電源世界，2002（10）：19-21.

［4］GB7260.3-2003.不間斷電源設備（UPS）第3 部分：確定性能的方法和試驗要求［S］.

［5］陳鳳，成彬，王濤，等.磁懸浮飛輪儲能設備在UPS系統中的應用研究［J］.通信電源技術，2012，29（2）：1-4.

［6］佟明斯.超級電容型動力UPS 的儲能技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011.

［7］劉勇.UPS 蓄電池的選擇與維護［J］.電源世界，2010（6）：37-39.

［8］楊斌文，徐穎.UPS 用蓄電池的選擇與使用［J］.機電設備，2006，2（23）：6-8.