可变停电条件下家用UPS系统铅酸蓄电池容量优化的自适应仿真研究

《Next Research》：Optimizing Lead-Acid Battery Sizing for Household UPS Systems under Variable Power Outages

针对巴基斯坦等发展中国家因频繁停电导致家用不间断电源(UPS)系统铅酸蓄电池容量配置不合理的难题，研究人员通过MATLAB/Simscape建立等效电路模型，结合拉合尔和恰尔萨达两地实际停电模式与负载曲线进行仿真。结果表明：城市地区(拉合尔)100 Ah电池可提供1.5小时备份，而农村地区(恰尔萨达)需180 Ah以上才能维持2小时供电。该研究为负荷削减地区提供了基于本地化数据的UPS系统电池优化方案。

　　

在巴基斯坦这样的发展中国家，持续停电已成为日常生活的一部分。自2000年代末以来，快速城市化、循环债务和管理政策不善等因素导致电力供应严重短缺，峰值时缺口高达6000兆瓦。面对这一严峻挑战，不间断电源(UPS)系统已成为家庭应对频繁停电的重要设备。然而，作为UPS系统核心组件的铅酸蓄电池，其成本占系统总成本的80%，如何科学配置电池容量以平衡成本与供电可靠性，成为困扰用户的关键难题。

传统电池容量选择多基于恒定负载条件，但现实中的停电事件具有随机性和地域差异性。城市地区可能遭遇短暂但高负荷的停电，而农村地区则面临更频繁但负荷较低的供电中断。这种复杂场景下，电池性能受温度、放电深度(DOD)、充放电速率(C-rate)等多因素影响，使得简单按功率需求选型的方法往往导致电池容量不足或资源浪费。针对这一现实需求，发表在《Next Research》上的研究开创性地建立了融合地域特征的电池优化框架。

研究团队采用等效电路模型，通过MATLAB/Simscape平台构建了包含80-250 Ah不同容量电池的仿真系统。关键技术方法包括：采集巴基斯坦拉合尔（城市）和恰尔萨达（农村）两地的实际停电数据与家庭负载曲线建立四种典型工作循环；设置20°C（冬季）和40°C（夏季）温度条件模拟季节性影响；采用C/5充电速率匹配主流UPS逆变器参数；通过电池荷电状态(SoC)和健康状态(SoH)等参数评估性能。

方法学

研究选取具有代表性的两个地区作为案例：拉合尔（城市地区，停电偶发但负荷高）和恰尔萨达（农村地区，停电频繁但负荷较低）。为这两个区域分别建立了工作循环，这些循环随后被植入MATLAB模型中进行仿真。仿真结果用于计算电池可用容量，从而确定电池可提供的备份时间。研究方法流程如图1所示。

结果与讨论

仿真中使用了六种不同规格的电池：80 Ah、100 Ah、150 Ah、180 Ah、200 Ah和220 Ah。每种电池的充电电流设置为C/5速率，因大多数UPS逆变器以此标称电流充电。模拟温度值设定为40°C（夏季）和20°C（冬季）。如前所述，创建了四个工作循环来体现两地区的负载模式。模拟结果表明，在拉合尔的城市条件下，100 Ah电池可提供超过1.5小时的备份时间，足以应对典型的城市减负荷时长；而在Charsadda的农村条件下，至少需要180 Ah电池才能提供超过2小时的备份。这些发现强调，在确定最佳电池规格时，停电频率与负载需求同样关键。

结论

本研究成功开发了一个自适应仿真框架，用于在巴基斯坦实际运行场景下优化住宅UPS系统的电池规格。通过纳入特定区域的停电模式和负载曲线，本研究表明在波动的停电频率和放电速率下，电池性能可能显著偏离额定容量。此外，本研究强调停电模式和负载曲线都是决定电池最佳容量的关键因素。该框架为负荷削减地区优化本地化UPS系统提供了实用蓝图。

数据可用性

数据将根据要求提供。

CRediT作者贡献声明

Ihtesham Ahmad：负责初稿撰写、软件、方法论、形式分析、数据整理。Shahbaz Ahmad：负责审阅与编辑。Muhammad Zulqarnain Arif：负责审阅与编辑、验证、监督、项目管理、调查、概念化。

利益竞争声明

作者声明无已知可能影响本报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢USPCASE和NUST提供实验室设施。

这项研究的创新之处在于将真实世界的负载变化、温度效应和停电模式整合到电池优化模型中，突破了传统研究在受控条件下测试电池的局限。通过建立区域自适应仿真框架，不仅证实了停电频率对电池容量选择的决定性影响，更为发展中国家制定差异化的UPS系统配置标准提供了科学依据。该成果对家庭用户降低用电成本、公用事业部门规划电网容量以及政府部门制定能源政策都具有重要参考价值。