对于IT类和非IT类负载,UPS容量计算大多数都是以最大配比值进行设计,这样设计出来的UPS系统不经济不合理,还有依据个人经验进行配比,造成UPS系统满足不了实际需求的案例,所以结合本人的工作经验以及参考相关资料,拟出一个可以应用在不同应用场景的UPS容量计算的方法,作者以国标和设计规范当中的UPS容量计算公式为基础,并考虑到行业内从业者的接受程度,进行优化后得到一个的公式,只需要依据各行业中负载设备的工作特点和电气特性,对计算公式中的各系数进行合理取值,就可以计算出经济合理UPS系统。并通过对IT类和非IT类设备(电动机)进行举例,证明推导出来的UPS容量计算公式在理论上可行。希望推导出来的公式可以在UPS行业内进行推广,从而解决从业者的实际问题,以及给用户节约采购成本。
  
  UPS就是为保护计算机设备而进行设计的,所以UPS的各项参数及工作特性是以计算机的工作特性做为参考进行设计,随着计算机的发展,UPS同样也随着进行不断的升级,比如,大家常见的计算机功率因数,由最初的0.7、0.8升级到现在0.9、0.96。UPS输出功率因数也从0.7升级到1了,升级后由于UPS的功率因数和计算机负载功率因数相接近,所以在计算UPS容量时,就很方便了。但随着UPS应用场景的拓展,UPS在非IT类设备的应用越来越多,其特性也和计算机设备大不相同,所以配比非IT类设备时UPS就需要依据负载的性能特点进行UPS容量计算。圣阳电源目前大多数的非IT类配比方案都是以最大配比值进行设计,这样设计出来的UPS系统不经济不合理,还有依据个人经验进行配比,造成UPS系统满足不了实际需求的案例,所以结合本人的工作经验以及参考相关资料,试拟出一个可以应用在不同应用场景的UPS容量计算的方法,方便大家在进行UPS容量设计时进行参考。
  
  一、UPS容量计算相关标准分析
  
  查找相关资料，UPS的容量计算有以下几种方法:
  
  1.IT类负载计算方法
  
  1）图集(15D202-3)在线式UPS容量选择
  
  UPS电源装置的容量选择应满足负载总容量时,还应该考虑可靠性系数及功率因数。
  
  S>K×ΣP÷COSφ
  
  其中,S:UPS的容量(kVA),ΣP:UPS所带的全部负荷之和(kW),COSφ:负载的输入功率因数。K:UPS的带载率,一般为60%～80%时为最佳工作状态。因此K一般取1.2～1.6左右。
  
  2）数据中心设计规范(GB50174-2017)要求UPS基本容量选择应留有余量,基本容量计算公式如下:
  
  E≥1.2p
  
  其中,E:UPS的基本容量(kW/kVA),P:电子信息设备的计算负荷(kW/kVA)。
  
  以上两个公式都是以IT类负载为准的计算方法,其中图集中的K(1.2～1.6)是为了让UPS工作在最佳的状态,同时也考虑可靠性。圣阳蓄电池GB50174中的1.2是为了:使UPS不超负荷,保证供电的可靠性;为了以后少量增加电子信息设备时,UPS的容量仍然可以满足使用要求。个人认为GB50174的系数取值更合理,也更经济。图集当中考虑了负载功率因数而GB50174没有考虑,不过目前数据中心的IT类设备的输入功率因数普遍已在0.9以上,最高已提升到0.96左右,接近于1,且目前大多数UPS品牌的UPS输出功率因数也提升到1了,两者相互匹配,所以在数据中心行业负载的功率因数可以忽略计算,既使按图集的功率因数去考虑,其结果也相差不大,不影响UPS的选型。
  
  2.非IT类负载计算方法
  
  1）电力工程交流不间断电源系统设计技术规程(DL/T5491-2014)UPS容量选择。
  
  根据计算负荷可按本标准公式计算UPS容量,根据容量选择大于或等于该计算容量的UPS作为选择容量。
  
  (Se应用负载类型一致或负载功率因数接近时应用)。
  
  其中,S:UPS的计算容量(kVA),Se:计算负荷(kVA),KK:可靠性系数,取1.25。Kt:功率校正系数,Kd:海拔降容系数。Si:负载铭牌容量(KkVA),K:换算系数。换算系数主要考虑了负载电源装置的余量系数和同时系数,对于DCS等计算机负载,根据调查,DCS控制器电源选择时一般留有40%余量,且DCS厂家提供的负荷容量是将所有DCS系统电源装置铭牌容量累加,没有考虑电源的余量系数,也未考虑一些设备(如I/O装置)的同时率。综合考虑上述因数,DCS、DEH、ETS等计算机控制系统的换算系数取0.5,如DCS负荷统计时已考虑电源装置余量和同时率,则不适用此系数,其容量换算系数需根据具体情况进行调整。
  
  这个计算公式和需要系数的计算方式很类似,并且依据行业特点进行了优化,所以我以此公式为基础,并考虑到行业内从业者的接受程度,将UPS容量计算公式进行优化,如下公式所示,只需要依据各行业中负载设备的工作特点和电气特性,对计算公式中的各系数进行合理取值,就可以计算出经济合理UPS系统。
  
  UPS容量计算公式
  
  IT类负载--UPS容量计算公式参数说明:
  
  S:UPS的计算容量(kVA);
  
  KK:可靠性系数,取1.25,GB50174-2017此值为1.2,所以优于国标;
  
  Kt:功率校正系数,目前在数据中心行业功率因数范围基本上都在-0.7～+0.9范围内,山特UPS的负载功率因数一般都在-0.7～+0.9时不降额,常规取1,如果负载功因低于0.7时要考虑UPS降额;
  
  Kd:平原地区不降容,如需要降容,依据UPS降容表,如:山特城堡C系列UPS降容表)。
  
  K1:余量系数,取值为0.7～0.9,大多数的IT设备电源设计都有余量考虑,IT设备数量越多,造成UPS的计算容量越大,例如,按常规计算下来,大多数的UPS实际带载量不会超过60%,所以当IT负载数量越多,取值越小,由于没有实验数据,个人给一个参考值:当IT负载数量在20台以下时取0.9,在20～100K台时取0.8,在100台以上时取0.7。
  
  K2:同时系数,取值为0.7～1,数据中心的同时系数原则是取1的,因为IT负载几乎都是同时工作的,但也有不同时工作的工况,所以因应用需求进行调整。
  
  ΣP÷COSφ:ΣP是指所有负载铭牌功率总和,即把所有的IT负载铭牌进行累加。COSφ是指的综合功率因数,目前大多数IT负载功率因数都比较高,但也有一些比较低的,由于没有实验数据,个人给一个参考值:0.9～0.95,当服务器类设备较多时,可以取0.93～0.95,当交换机类或其它类设备较多时,可以取0.9～0.92。其实这个差别并不大,几乎不影响UPS的选型,也可以忽略不计。
  
  注意:IT类负载还应该考虑后期扩容系数,但在实际应用中不太好给出标准,所以此系数不体现,如需要可以体现在负载功率或者余量系数里。
  
  二、IT类负载--UPS容量计算举例:
  
  某客户新建设一个小型数据中心,预计需要15台服务器,及其它配套类设备,服务器功率预计每台为800W,其它配套类设备预计共为3000W,请帮客户计算一下所需的UPS容量为多大合适?
  
  依据山特城堡3C系列的参数为依据,其计算过程如下:
  
  选型结果:选择1台山特3C20KUPS。优化后选择1台山特3C15KUPS。
  
  分析:假设按GB50174计算:E=1.2×(0.8*15+3)≈k,其结果是一样的,假设余量系数和同时系数优化后,按最小值0.7考虑,UPS容量只需约14KkVA就可以了,这时UPS在选型上就不一样了,UPS功率段只有15kVA和20kVA个两,所以不同参数带来的是不同的选型结果。在小功率段时,UPS的选型成本相差不多,如果到大功率时就会相差较多了,客户对于这个选型成本也许不在意,我们探讨的是UPS容量设计经济合理性的方法。
  
  为什么余量系数可以按最小值考虑呢?
  
  电力工程交流不间断电源系统设计技术规程已指出负载的电源设计均有40%的余量。
  
  在钟景华《新一代数据中心的规划与设计》一书中指出服务器最大功率消耗是铭牌额定值的80%。且CPU的利用率是铭牌额定值的67%,实际上还小,在实际工作中,服务器不可能同时达到最大功率,
  
  所以余量系数(0.8)+同时系数(0.9)按0.7考虑是没有问题的。是不是所有工况都可以这么考虑呢?在常规工况下是没有问题的,但客户要求的可靠性不同及负载工况类型不同等,还是需要依据现场情况进行系数的调整。
  
  三、非IT类负载--UPS容量计算公式参数说明(以电动机为例)
  
  UPS应用在电动机设备的场景日渐增多,电动机设备的特性和IT设备又不一样,所以UPS容量计算公式里的系数取值需要依据电动机类特性进行修正。电动机和IT类设备起动特性主要区别在于电动机在直启时会有一个很长很大的启动电流,其实服务器在给电时也会有一个类似冲击电流,这个冲击电流最高可达工作电流的10～60倍,不过时间只有2～10毫秒,UPS就是为IT设备设计的,这个冲击UPS是可以承受的,电动机的起动电流最高可达10倍,但起动时间最长可达8～30秒,时间远超UPS的设计要求,所以在配比电动机时要考虑其起动的特性。
  
  依据UPS容量计算公式,需要对电动机进行了解,来确定公式里各系数的取值,所以我们先来了解一下电动机相关的基本知识。
  
  电机按结构和工作原理可以分类为直流电动机、异步电动机、同步电动机,本次我们以异步低压电动机为例进行学习和分析。
  
  电动机工作制式:
  
  1) 连续工作制,简称S1。
  
  2) 短时工作制,简称S2,随后应标以工作制的持续时间,例如S260min。
  
  3) 断续周期工作制,简称日,随后应标以负载持续率,例如S325%。
  
  电动机的额定功率和额定电流:
  
  电动机的额定功率即额定输出功率或称满载功率,是指电动机满载运行(即以其定额运行)时在电动机轴伸处的输出功率。注意电动机的额定功率不是电功率。
  
  电动机的额定电流或称满载电流,是指电动机满载运行时由电动机接线端子处输入的电流。这才是标征电动机电功率的基本参数。
  
  电动机功率因数:COSφ标注在电机铭牌上,可以确定电机的视在功率。
  
  堵转电流:电动机在额定电压、额定频率和转子在所有转角位置堵住时从供电线路输入的最大稳态电流有效值。
  
  起动电流:包括暂态过程非周期分量的最大稳态起动电流。应强调指出,起动电流的大小与负载转矩无关,只决定于电动机的固有特性。
  
  参考《工业与民用配电设计手册》,“按最不利的情况考虑,电动机的起动电流可取其堵转电流,即“电动机在额定频率、额定电压和转子在所有转角位置堵住时,从供电线路输入的最大稳态电流有效值”。通常,电机厂均给出堵转电流对额定电流的比值。不同额定功率、极数和起动性能的电动机,这一比值约为4-8.4”。
  
  起动时长:电机的起动时间长短决定于负载转矩、整个传动系统的转动惯性和加速转矩,在配电设计中,多采用按起动时间分档选择电器的做法。我国通常以起动时间4s和8s为分界点。划分为三档,分别为轻载启动、一般负载起动和重载启动。
  
  UPS配比电动机负载各系数取值举例:
  
  UPS的计算容量(kVA);
  
  KK:可靠性系数,考虑堵转电流后,UPS容量远大于电动机容量,可靠性系数默认为1,也就是忽略不计。
  
  Kt:功率校正系数,当负载功率因数在-0.7～+0.9时,山特在线式UPS的负载功率因数范围:-0.7～+0.9,取1。当负载功因低于0.7时要考虑降额。
  
  Kd:平原地区不降容,如需要降容,按UPS降容要求;
  
  K1:余量系数,取电动机的堵转比。
  
  K2:单台启动时取1,多台同规格同时启动时取电动机数量,电动机的计算参数按单台计算。
  
  ΣP÷COSφ:视在功率,按公式计算:电动机视在功率=电动机轴功率/满载时效率/满载功率因数。
  
  电动机负载--UPS容量计算举例:
  
  某钢铁集团生产线,冷却水处理系统的冷却泵要求所有电源都故障时,保障冷却水系统可以正常运行。其中一个产线的冷却水泵的规格型号如照片所示,请帮忙计算需要配置多大的UPS系统。电动机铭牌如图
  
  依据山特3C3HD系列的参数为依据,其计算过程如下:
  
  选型结果:从计算结果来看应该选择1台100kVA UPS,可以利用UPS的125%的过载能力选择1台山特3C3HD 80KUPS,,利用UPS的150%的过载能力最经济的配比是选择1台山特3C3HD 60KUPS。
  
  分析:按上面计算,则有如下推断:
  
  电动机的额定电流:14.4A
  
  那么电动机的堵转电流:14.4*8.5=122.4A
  
  起动最长时间:重载8S以上,一般情况不超过30秒。
  
  山特3C3HD100K的输出额定电流:151A,满足配比要求。
  
  山特3C3HD80K的输出额定电流:121A,125%过载电流:151A,满足配比要求。
  
  山特3C3HD60K的输出额定电流:91A,150%过载电流:136A,满足配比要求。
  
  最终客户应该选择多大的UPS呢?
  
  这和客户的要求、生产特性、电力环境、周围环境等有关。需要依据现场情况判断后进行选型。例如,假设客户在要求可靠性较高,其它条件良好的情况下,1、电动机起动频繁,那么应选择3C3HD100K UPS,2、电动机的起动适中,那么应选择3C3HD 80KUPS,3、电动机的起动很少,那么应选择3C3HD 60KUPS。
  
  本案例电动机虽起动次数很少,但要求电动机必须在电池模式下起动,UPS在电池模式下过载能力需要降容,虽然选择一台60KVAUPS刚刚好,但客户要求可靠性较高,所以建议配比一台80kVAUPS更可靠。
  
  通过对IT类负载和非IT类负载(电动机)的配比进行举例,来说明此公式可应用在不同应用场景,只需依据负载特性或工作特性对各系数进行合理取值即可,以上都是个人的工作经验总结及学习分析,没有经过实际验证,仅供大家参考,不做为项目设计和项目实施的依据。