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1 背景及需求概述

(DataCenter),通常是指在一個物理空間內(nèi)實現(xiàn)信息的集中處理、存儲、傳輸、交換和管理。數(shù)據(jù)中心是一整套復(fù)雜的設(shè)施,不僅包括計算機、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲等核心設(shè)備,還包含供電、制冷、機柜、消防和監(jiān)控系統(tǒng)等關(guān)鍵物理基礎(chǔ)設(shè)施。

近年來,隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的爆炸式增長及IT技術(shù)的迅速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心正在發(fā)展成為一個具有戰(zhàn)略意義的新興產(chǎn)業(yè),成為新一代信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。在電子信息及制造技術(shù)飛速提升的前提下,數(shù)據(jù)中心機房的建設(shè)規(guī)模及設(shè)備密度都取得了長足的增長。

然而由于能效管理的不盡完善,設(shè)備的智能化程度缺乏等原因,數(shù)據(jù)中心也正在呈現(xiàn)著諸如能耗過大、負載量激增、主設(shè)備運行故障等一系列問題,并且變得越來越嚴峻。

與此同時,儲能式UPS的應(yīng)運而生,表明儲能技術(shù)已從一個基本概念發(fā)展成為當(dāng)前社會走向低碳經(jīng)濟所不可或缺的技術(shù)前提,成為了推動能源轉(zhuǎn)型的必要條件。將儲能式產(chǎn)品與數(shù)據(jù)中心的運行現(xiàn)狀進行有機結(jié)合,針對數(shù)據(jù)中心所存在的問題進行改善,最大限度地提高節(jié)能和智能化管理程度,是數(shù)據(jù)中心當(dāng)前迫在眉睫的需求。

(1)數(shù)據(jù)中心負載特性

近年來,在金融、通信、電力、工業(yè)自動化控制等領(lǐng)域,總電源功率需求量達1200～3000kVA的大型機房已屢見不鮮。多臺大型主機及大量的服務(wù)器、路由器、交換機、磁盤陣列機被集中安放在同一數(shù)據(jù)中心機房內(nèi),這樣的機房必須具備向用戶提供大數(shù)據(jù)吞吐量、高數(shù)據(jù)傳輸率的連續(xù)工作能力。顯然,穩(wěn)定、可靠、純凈的電源是數(shù)據(jù)中心各種設(shè)備連續(xù)、正常、高效運行的重要前提,供電系統(tǒng)不僅要為機房設(shè)備提供不間斷供電,還必須確保在網(wǎng)絡(luò)上運行的數(shù)據(jù)、語音和圖像等信息資源能高效、可靠、安全地進行遠程處理、存儲和傳輸,這都使得不間斷的供電保障系統(tǒng)成為數(shù)據(jù)中心內(nèi)不可或缺的必要設(shè)備。

當(dāng)前數(shù)據(jù)中心大多采用在線式UPS為負載提供穩(wěn)定的供電保障。然而,數(shù)據(jù)中心內(nèi)除服務(wù)器、路由器、交換機等關(guān)鍵負載外,還配備照明、制冷、監(jiān)控、水循環(huán)系統(tǒng)等設(shè)備,設(shè)備情況復(fù)雜,對供電保障系統(tǒng)的過載能力、峰值因數(shù)等指標(biāo)也有較高要求,常規(guī)的在線式UPS現(xiàn)已很難滿足當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的需求。

(2)供電系統(tǒng)可靠性

從可靠性角度分析,在數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中,串聯(lián)級數(shù)越多,其故障節(jié)點就會增加,供電可靠性就會相應(yīng)降低。反之,并聯(lián)個數(shù)越多,其系統(tǒng)供電可靠性就會越高。目前大多數(shù)據(jù)中心的傳統(tǒng)在線式UPS系統(tǒng),采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)(見圖1),故障節(jié)點較多,因而具有較高的故障率和相對較低的可靠性。

因此,要保持供電系統(tǒng)的供電可靠性,除了保證供電系統(tǒng)自身的可靠性指標(biāo)外,還需要簡化系統(tǒng)串聯(lián)級數(shù)。儲能式UPS的誕生,則成為了改善數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu),可以從根本上減少設(shè)備的故障節(jié)點和故障率,使得儲能設(shè)備向著高穩(wěn)定性、智能化方向發(fā)展,設(shè)備運行安全可靠,在線維護更加方便。

(3)數(shù)據(jù)中心運營成本

隨著云計算的發(fā)展,數(shù)據(jù)中心的建設(shè)呈現(xiàn)向大型化發(fā)展的趨勢。超過100個機架的數(shù)據(jù)中心比例逐年上升,2016年預(yù)計達到61%。同時,大型數(shù)據(jù)中心的電力消耗也是相當(dāng)驚人,對企業(yè)來說,數(shù)據(jù)中心電費已成為很大一筆開支,大幅侵蝕著企業(yè)的經(jīng)營利潤。

以一個建設(shè)規(guī)模為1000個機架的數(shù)據(jù)中心為例,假設(shè)每個機架功率平均為3kW,1000個機架最終負荷為3000kW,每個小時耗電3000kWh,則全年電力能耗為:3000kW 24h 365天=26280000(kWh),按照1元/kWh計算,全年需花電費2628萬元,加上UPS供電設(shè)備、空調(diào)、照明、其他電力能耗等,對一個PUE值為2的數(shù)據(jù)中心而言,每年僅電費就高達5256萬元。

PUE是評價數(shù)據(jù)中心能源效率的指標(biāo),是指數(shù)據(jù)中心消耗的所有能源與IT負載消耗的能源之比,其越接近于1,表示一個數(shù)據(jù)中心的綠色化程度越高,越符合低碳、節(jié)能的標(biāo)準。而降低數(shù)據(jù)中心PUE的最有效手段就是壓縮非IT設(shè)備的能耗。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心通常采用在線式UPS作為關(guān)鍵負載不間斷供電的保障,在線式UPS的運行效率較低,在85%～95%之間,長期運行所帶來的電力損耗驚人,運行成本很高。因此,優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施,在數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)真正的綠色節(jié)能,進一步降低能耗、提升數(shù)據(jù)中心運營效率就是十分必要和緊迫的。儲能式UPS在效率上實現(xiàn)了這一突破,其效率高達98%,比傳統(tǒng)在線式UPS高出5%～10%,這使得運營成本大大降低。對于上述3MW的數(shù)據(jù)中心來說,供電效率每提高1%,一年節(jié)省電費就超過100萬元。儲能式UPS的跨越式突破,將大大減少數(shù)據(jù)中心的運營成本,為企業(yè)大幅度節(jié)省用電開支,也將成為未來數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)發(fā)展中最為重要的一環(huán)。

(4)后備時間保障

在數(shù)據(jù)中心建造過程中,后備供電時間的選擇問題正面臨兩難。若需保障較長的后備時間,則蓄電池首次投資成本很高,并且由于電池生命周期較短,每個周期都需進行再投資,是一筆不小的花費。若只保障較短的后備時間,電池投資成本可適當(dāng)降低,但市電中斷時可能會因未及時處理保存而導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)丟失損毀等嚴重后果。

此外,如圖2所示,數(shù)據(jù)中心通常采用可靠的2N供電體系,大多情況下電網(wǎng)穩(wěn)定性良好,加之?dāng)?shù)據(jù)中心的雙路供電保障,電池則長期備用,利用率很低,造成很大一部分投資浪費,且電池長期處于浮充狀態(tài),會產(chǎn)生發(fā)熱和效率損耗,影響電池的使用性能和壽命。據(jù)統(tǒng)計,2014年,中國鉛酸蓄電池產(chǎn)量22069.77萬千伏安時,同比2013年增長4.58%。而這些電池大多都未被很好的利用,是一種巨大的能源浪費。

用戶在配置供電系統(tǒng)時,既希望關(guān)鍵負載可以保持較長的后備時間,也希望降低電池成本,減少投資浪費,而由于傳統(tǒng)電池后備供電時間和成本之間的矛盾問題,用戶在投資電池時也一直持審慎態(tài)度。儲能式UPS化被動為主動,通過應(yīng)用新型儲能電池,對其進行充分調(diào)動,使得設(shè)備和電池的充放電行為成為工作常態(tài),從而避免了電池閑置,也解決了用戶因擔(dān)心投資浪費而導(dǎo)致的電池配備容量小、設(shè)備后備時間過短的問題。

(5)峰谷用電現(xiàn)狀

為鼓勵錯峰用電,我國自1993年在上海市實行峰谷分時電價,引導(dǎo)用戶錯峰用電,以均衡電力負荷,實現(xiàn)供需平衡,優(yōu)化資源配置,并產(chǎn)生錯峰價值,提高整體經(jīng)濟效益。儲能式UPS的應(yīng)用,能對電網(wǎng)的合理使用起 削峰填谷 作用,即通過儲存電網(wǎng)夜間用電低谷時充足的閑余電能,到白天用電高峰時反饋輸出,對于電量消耗很大的數(shù)據(jù)中心來說,通過儲能式UPS,合理利用峰谷差價,可以節(jié)約巨額的電費開銷。

一天的用電高峰多分布于8時至22時,而用電低谷則集中在23時至次日7時。電力生產(chǎn)的穩(wěn)定性與需求波動性矛盾決定了實施分時電價成為最佳的選擇,通過分時電價調(diào)節(jié)需求,實現(xiàn)供求平衡。

以河北省南部為例,一般工商業(yè)及其他用電(電壓等級:不滿1kV)分時電價情況為尖峰時段(8～11時、16～21時):1.1213元/kWh;

峰時段(8～11時、16～21時):0.9863元/kWh;

平時段(6～8時、11～16時、21～22時):0.7162元/kWh;

谷時段(22時～次日6時):0.4461元/kWh

注:每年7月1日至9月30日期間執(zhí)行尖峰時段電價

簡單算一筆賬,從電價角度來看,每度電峰谷電價差為0.7元左右,假設(shè)一個數(shù)據(jù)中心配備了600kWh的儲能電池,每天在電價低谷時段儲存電量,高峰時段放出供負載使用,電池的生命周期為8～10年,則兩個生命周期內(nèi),僅通過儲能設(shè)備削峰填谷節(jié)省的電費支出就可達將近200萬元。

2 儲能式UPS

儲能式UPS(又稱SPS,儲能式不間斷電源),是先控電氣遵循 節(jié)能、綠色、環(huán)保 理念而推出的一款產(chǎn)品,其不僅具備在線式UPS的全部功能,為關(guān)鍵負載提供穩(wěn)定的電力保障,還可優(yōu)化UPS性能,節(jié)省油機、無功補償設(shè)備和穩(wěn)壓設(shè)備的投入。同時還可通過儲能電池,對電網(wǎng)削峰填谷,利用峰谷電價為企業(yè)創(chuàng)收,實現(xiàn)整套系統(tǒng)的主動式工作,并可實現(xiàn)對新能源的綜合利用。廣泛適用于數(shù)據(jù)中心、交通、金融、醫(yī)療、通信等行業(yè)。

SPS儲能式不間斷電源系統(tǒng)采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)AC/AC和DC/AC的并行輸出,如圖3所示,因此某一線路中單個部件損壞并不會影響整個系統(tǒng)的正常運行,相比于傳統(tǒng)UPS的串聯(lián)式結(jié)構(gòu),其線路中任一處故障都會影響系統(tǒng)的正常輸出,儲能式UPS具備了更高的可靠性。

此外,系統(tǒng)還采用模塊化的結(jié)構(gòu)方式,模塊的電子件置于模塊內(nèi)部,配合系統(tǒng)上的定位銷,使得各模塊均可實現(xiàn)在線熱插拔,用戶可根據(jù)實際需要配置模塊數(shù)量,無需一次性完全投資,節(jié)省設(shè)備初期投資,可實現(xiàn)隨需擴展、動態(tài)成長。此外,各模塊之間具有故障隔離功能,使得單個模塊損壞不會影響其他模塊的正常工作,出現(xiàn)問題的模塊會自動退出系統(tǒng),并可通過在線熱插拔迅速交付于維修人員進行檢修,最大限度確保了設(shè)備的可靠性和使用便捷性。

主要特點:

完整的UPS功能:SPS相當(dāng)于完整的UPS,具備在線式UPS的功能,市電與電池工作相互切換時間0ms,輸出穩(wěn)壓精度小于1%,全面保障負載不間斷供電;

雙倍額定功率輸出:SPS可與電網(wǎng)并行輸出,在市電供電狀態(tài)下,SPS可達到2倍的額定負載功率輸出,并長期穩(wěn)定運行;

削峰填谷、創(chuàng)造價值:可在任意時間對電池進行充放電,放電時間和放電深度可通過系統(tǒng)進行設(shè)定,系統(tǒng)可利用峰谷差價,對電網(wǎng)進行削峰填谷,以進一步降低用電成本;

減少油機污染和設(shè)備投資:減少油機設(shè)備、無功補償設(shè)備、穩(wěn)壓設(shè)備的投入,降低因油機所產(chǎn)生的噪音污染、廢氣污染和燃油浪費,并可將油機的投資轉(zhuǎn)移到電池上,在延長關(guān)鍵負載后備時間的同時,通過儲能電池存儲電量增加更多收益;

優(yōu)異的性能參數(shù):AC/AC轉(zhuǎn)換效率98%以上(節(jié)能模式轉(zhuǎn)換效率可達到99%以上),DC/AC轉(zhuǎn)換效率98%以上;系統(tǒng)負載功率因數(shù)為1,峰值系數(shù)為5:1,可滿足電機、電感、電容等多諧波、非線性負載的應(yīng)用;

儲能式UPS可配套采用集裝箱式一體化解決方案(見圖4),將儲能設(shè)施、消防設(shè)施、監(jiān)控以及溫控系統(tǒng)集成于集裝箱內(nèi),保證整套系統(tǒng)的功能完整性及適用性。同時,標(biāo)準化、模塊化、集成化的系統(tǒng),可有效地保證工程一致性,不由施工團隊的技術(shù)水平?jīng)Q定項目質(zhì)量。建設(shè)周期短,安裝施工過程簡單,后期維護方便,產(chǎn)品生產(chǎn)成本低,供貨周期短,具有高可靠性、高安全性、高集成度、低成本、低能耗的特點,可實現(xiàn)快速靈活部署,是一套標(biāo)準的、集成的一體化解決方案。

3 儲能電池

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心后備電池的應(yīng)用,以鉛酸蓄電池最為突出,其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉,性價比高,但由于循環(huán)壽命較短,使用過程受到一定限制。鉛碳電池從傳統(tǒng)的鉛酸電池演化而來,是鉛酸電池和超級電容器的結(jié)合體,擁有非常好的充放電性能,和數(shù)倍于鉛酸電池的循環(huán)壽命。鋰電池同樣很好地彌補了鉛酸電池的不足,不僅具有優(yōu)異的循環(huán)使用壽命指標(biāo),還具有很高的能量密度和功率密度。而全釩液流電池在使用壽命上較鋰電池又有更新的突破,循環(huán)充放電次數(shù)可達鋰電池的雙倍。鈉硫電池則在比能量方面具有突出貢獻。

儲能式UPS主要采用鉛碳電池和鋰電池作為儲能電池,現(xiàn)將兩種電池的優(yōu)缺點詳述如下:

(1)鉛碳電池

鉛碳電池是一種新型的超級電池,從傳統(tǒng)的鉛酸電池演變而來。鉛酸電池是指以鉛及其氧化物為電極、硫酸溶液為電解液的一種二次電池,發(fā)展至今已有150多年歷史,是最早規(guī)?；褂玫亩坞姵?。鉛酸電池的技術(shù)很成熟,結(jié)構(gòu)簡單、儲能成本低,但由于鉛酸電池的循環(huán)壽命短(150～300次),能量密度低(30～50Wh/kg),使用溫度范圍窄,使其后期的應(yīng)用和發(fā)展受到了很大的限制。

近年來,全球很多企業(yè)致力于開發(fā)性能更加優(yōu)良、能滿足各種使用要求的改性鉛酸電池,其中值得強調(diào)的就是鉛碳電池。其以常用的超級電容器碳電極材料部分或全部取代鉛陽極,是鉛酸電池和超級電容器的結(jié)合體,既發(fā)揮了超級電容瞬間大容量充電的特點,也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量優(yōu)勢,且擁有非常好的充放電性能。而且由于加了碳(石墨烯),阻止了負極硫酸鹽化現(xiàn)象,改善了過去電池失效的一個因素,更延長了電池壽命,在50%～80%的放電率情況下,充放電壽命可達3000～5000次。

鉛碳電池作為新型的鉛酸電池,由于使用了鉛碳技術(shù),其性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池,具有與傳統(tǒng)鉛酸電池相近的低廉價格優(yōu)勢及成熟的工業(yè)制造基礎(chǔ),同時自身具有高使用壽命和高能量密度比,在各種應(yīng)用領(lǐng)域都有著極強的競爭力優(yōu)勢,已是當(dāng)前儲能設(shè)備的首選,可應(yīng)用于新能源車輛中,如混合動力汽車、電動自行車等領(lǐng)域,也可用于儲能領(lǐng)域,如削峰填谷儲能、風(fēng)光發(fā)電儲能等。

(2)鋰電池

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。鋰電池是電池中比能量最高的實用型電池,有多種材料可用于它的正極和負極(鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等)。鋰電池的效率可達95%以上,放電時間達數(shù)小時,在50%淺度放電情況下,循環(huán)使用壽命可達6000次以上,響應(yīng)快速,是電池中能量最高的實用性電池。近年來技術(shù)也在不斷地升級,正負極材料也有多種應(yīng)用。

但由于其價格依然偏高,有時會因過充電而導(dǎo)致發(fā)熱、燃燒等安全問題,有一定的風(fēng)險,所以使用過程仍有一定限制,需要通過過充電保護來解決。鋰電池技術(shù)仍然在不斷地開發(fā)中,目前的研究主要集中在進一步提高它的使用壽命和安全性,降低成本以及新的正、負極材料的開發(fā)上。

(3)小結(jié)

儲能電池是儲能系統(tǒng)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié),占據(jù)了整套儲能系統(tǒng)投資的三分之二以上。儲能電池的運行效率、可靠度、可用性、易維護性等,很大程度上影響著儲能系統(tǒng)的高效運行。從投資者角度來看,作為儲能式UPS的關(guān)鍵環(huán)節(jié),儲能電池的循環(huán)使用壽命和投資成本成為選擇過程中最受關(guān)注的層面。當(dāng)前儲能式UPS多以鉛碳電池和鋰電池為主,二者在使用壽命和投資成本方面各有優(yōu)劣,實際應(yīng)用情況還有待評估。與此同時,更多先進的技術(shù)和新型電池也在不斷投入研發(fā),用以更好的匹配儲能式設(shè)備,輔助數(shù)據(jù)中心朝更加高效、節(jié)能、智能化的方向發(fā)展。

4 結(jié)束語

數(shù)據(jù)中心的負載特性、運營成本、可靠性等,都給儲能式UPS帶來了新的發(fā)展機遇。儲能技術(shù)是一項將會對未來能源系統(tǒng)發(fā)展及運行帶來革命性變化的技術(shù)。新型高效的儲能裝置及配套設(shè)備、關(guān)鍵材料,特別是大容量儲能技術(shù)與動力電池產(chǎn)業(yè)化,降低成本等方面,仍在不斷加大研制力度和示范應(yīng)用。

在眾多儲能技術(shù)中,作為技術(shù)進步最快、投資收益比最高,以鉛碳電池、鋰電池等為主導(dǎo)的電化學(xué)儲能技術(shù),在安全性、能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟性等方面也均在不斷研發(fā)并取得重大突破,極具產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。儲能式UPS作為電化學(xué)儲能技術(shù)的代表產(chǎn)品,具備在線式UPS的全部功能,并有著在線式UPS難以比擬的高效率、高可靠性和低運營成本等優(yōu)勢,已成為當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的不二選擇。隨著各種技術(shù)不斷發(fā)展進步,一些高性能的儲能電池還將不斷涌現(xiàn),儲能式設(shè)備也會在數(shù)據(jù)中心及其他領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

與此同時,先控電氣也秉承綠色、節(jié)能、環(huán)保的產(chǎn)品理念,秉承專注領(lǐng)先的精神,以前沿的電子電路技術(shù)和放眼未來的眼光,不斷地研發(fā)新型的智能節(jié)能化的儲能式產(chǎn)品,為用戶提供更安全、更便捷、更經(jīng)濟的供電解決方案,用更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)來回饋客戶,回饋社會!

文章編輯：CobiNet(寧波)  
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