摘要：儲能式UPS的產生,表明儲能技術已從一個基本概念發展成為當前社會走向低碳經濟所不可或缺的技術前提,成為了推動能源轉型的必要條件。將儲能式產品與數據中心的運行現狀進行有機結合,針對數據中心所存在的問題進行改善,最大限度提高其節能程度和智能化管理水平,是數據中心當前迫在眉睫的需求。文中敘述了儲能UPS的原理和特點以及在數據中心的應用。

1 背景及需求概述

數據中心(DataCenter),通常是指在一個物理空間內實現信息的集中處理、存儲、傳輸、交換和管理。數據中心是一整套復雜的設施,不僅包括計算機、服務器、網絡、存儲等核心設備,還包含供電、制冷、機柜、消防和監控系統等關鍵物理基礎設施。

近年來,隨著移動互聯網、物聯網、云計算等數據業務需求的爆炸式增長及IT技術的迅速發展,數據中心正在發展成為一個具有戰略意義的新興產業,成為新一代信息產業的重要組成部分。在電子信息及制造技術飛速提升的前提下,數據中心機房的建設規模及設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,設備的智能化程度缺乏等原因,數據中心也正在呈現著諸如能耗過大、負載量激增、主設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的應運而生,表明儲能技術已從一個基本概念發展成為當前社會走向低碳經濟所不可或缺的技術前提,成為了推動能源轉型的必要條件。將儲能式產品與數據中心的運行現狀進行有機結合,針對數據中心所存在的問題進行改善,最大限度地提高節能和智能化管理程度,是數據中心當前迫在眉睫的需求。

(1)數據中心負載特性

近年來,在金融、通信、電力、工業自動化控制等領域,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器、路由器、交換機、磁盤陣列機被集中安放在同一數據中心機房內,這樣的機房必須具備向用戶提供大數據吞吐量、高數據傳輸率的連續工作能力。顯然,穩定、可靠、純凈的電源是數據中心各種設備連續、正常、高效運行的重要前提,供電系統不僅要為機房設備提供不間斷供電,還必須確保在網絡上運行的數據、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成為數據中心內不可或缺的必要設備。

當前數據中心大多采用在線式UPS為負載提供穩定的供電保障。然而,數據中心內除服務器、路由器、交換機等關鍵負載外,還配備照明、制冷、監控、水循環系統等設備,設備情況復雜,對供電保障系統的過載能力、峰值因數等指標也有較高要求,常規的在線式UPS現已很難滿足當前數據中心的需求。

(2)供電系統可靠性

從可靠性角度分析,在數據中心供電系統中,串聯級數越多,其故障節點就會增加,供電可靠性就會相應降低。反之,并聯個數越多,其系統供電可靠性就會越高。目前大多數據中心的傳統在線式UPS系統,采用串聯式結構(見圖1),故障節點較多,因而具有較高的故障率和相對較低的可靠性。

因此,要保持供電系統的供電可靠性,除了保證供電系統自身的可靠性指標外,還需要簡化系統串聯級數。儲能式UPS的誕生,則成為了改善數據中心供電系統可靠性的關鍵。采用并聯式結構,可以從根本上減少設備的故障節點和故障率,使得儲能設備向著高穩定性、智能化方向發展,設備運行安全可靠,在線維護更加方便。

(3)數據中心運營成本

隨著云計算的發展,數據中心的建設呈現向大型化發展的趨勢。超過100個機架的數據中心比例逐年上升,2016年預計達到61%。同時,大型數據中心的電力消耗也是相當驚人,對企業來說,數據中心電費已成為很大一筆開支,大幅侵蝕著企業的經營利潤。

以一個建設規模為1000個機架的數據中心為例,假設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供電設備、空調、照明、其他電力能耗等,對一個PUE值為2的數據中心而言,每年僅電費就高達5256萬元。

PUE是評價數據中心能源效率的指標,是指數據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,表示一個數據中心的綠色化程度越高,越符合低碳、節能的標準。而降低數據中心PUE的最有效手段就是壓縮非IT設備的能耗。

傳統數據中心通常采用在線式UPS作為關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,優化數據中心的基礎設施,在數據中心實現真正的綠色節能,進一步降低能耗、提升數據中心運營效率就是十分必要和緊迫的。儲能式UPS在效率上實現了這一突破,其效率高達98%,比傳統在線式UPS高出5%～10%,這使得運營成本大大降低。對于上述3MW的數據中心來說,供電效率每提高1%,一年節省電費就超過100萬元。儲能式UPS的跨越式突破,將大大減少數據中心的運營成本,為企業大幅度節省用電開支,也將成為未來數據中心供電系統發展中最為重要的一環。

(4)后備時間保障

在數據中心建造過程中,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降低,但市電中斷時可能會因未及時處理保存而導致關鍵數據丟失損毀等嚴重后果。

此外,如圖2所示,數據中心通常采用可靠的2N供電體系,大多情況下電網穩定性良好,加之數據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,會產生發熱和效率損耗,影響電池的使用性能和壽命。據統計,2014年,中國鉛酸蓄電池產量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時,既希望關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度。儲能式UPS化被動為主動,通過應用新型儲能電池,對其進行充分調動,使得設備和電池的充放電行為成為工作常態,從而避免了電池閑置,也解決了用戶因擔心投資浪費而導致的電池配備容量小、設備后備時間過短的問題。

(5)峰谷用電現狀

為鼓勵錯峰用電,我國自1993年在上海市實行峰谷分時電價,引導用戶錯峰用電,以均衡電力負荷,實現供需平衡,優化資源配置,并產生錯峰價值,提高整體經濟效益。儲能式UPS的應用,能對電網的合理使用起“削峰填谷”作用,即通過儲存電網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據中心來說,通過儲能式UPS,合理利用峰谷差價,可以節約巨額的電費開銷。

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。電力生產的穩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,通過分時電價調節需求,實現供求平衡。

以河北省南部為例,一般工商業及其他用電(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,假設一個數據中心配備了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,僅通過儲能設備削峰填谷節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“節能、綠色、環保”理念而推出的一款產品,其不僅具備在線式UPS的全部功能,為關鍵負載提供穩定的電力保障,還可優化UPS性能,節省油機、無功補償設備和穩壓設備的投入。同時還可通過儲能電池,對電網削峰填谷,利用峰谷電價為企業創收,實現整套系統的主動式工作,并可實現對新能源的綜合利用。廣泛適用于數據中心、交通、金融、醫療、通信等行業。

SPS儲能式不間斷電源系統采用并聯式結構,可實現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的正常運行,相比于傳統UPS的串聯式結構,其線路中任一處故障都會影響系統的正常輸出,儲能式UPS具備了更高的可靠性。

此外,系統還采用模塊化的結構方式,模塊的電子件置于模塊內部,配合系統上的定位銷,使得各模塊均可實現在線熱插拔,用戶可根據實際需要配置模塊數量,無需一次性完全投資,節省設備初期投資,可實現隨需擴展、動態成長。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,出現問題的模塊會自動退出系統,并可通過在線熱插拔迅速交付于維修人員進行檢修,最大限度確保了設備的可靠性和使用便捷性。

主要特點:

·完整的UPS功能:SPS相當于完整的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可與電網并行輸出,在市電供電狀態下,SPS可達到2倍的額定負載功率輸出,并長期穩定運行;

·削峰填谷、創造價值: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進行設定,系統可利用峰谷差價,對電網進行削峰填谷,以進一步降低用電成本;

·減少油機污染和設備投資:減少油機設備、無功補償設備、穩壓設備的投入,降低因油機所產生的噪音污染、廢氣污染和燃油浪費,并可將油機的投資轉移到電池上,在延長關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;

·優異的性能參數:AC/AC轉換效率98%以上(節能模式轉換效率可達到99%以上),DC/AC轉換效率98%以上;系統負載功率因數為1,峰值系數為5:1,可滿足電機、電感、電容等多諧波、非線性負載的應用;

儲能式UPS可配套采用集裝箱式一體化解決方案(見圖4),將儲能設施、消防設施、監控以及溫控系統集成于集裝箱內,保證整套系統的功能完整性及適用性。同時,標準化、模塊化、集成化的系統,可有效地保證工程一致性,不由施工團隊的技術水平決定項目質量。建設周期短,安裝施工過程簡單,后期維護方便,產品生產成本低,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,可實現快速靈活部署,是一套標準的、集成的一體化解決方案。

　　3 儲能電池

傳統數據中心后備電池的應用,以鉛酸蓄電池最為突出,其結構簡單、價格低廉,性價比高,但由于循環壽命較短,使用過程受到一定限制。鉛碳電池從傳統的鉛酸電池演化而來,是鉛酸電池和超級電容器的結合體,擁有非常好的充放電性能,和數倍于鉛酸電池的循環壽命。鋰電池同樣很好地彌補了鉛酸電池的不足,不僅具有優異的循環使用壽命指標,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,循環充放電次數可達鋰電池的雙倍。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,現將兩種電池的優缺點詳述如下:

(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,發展至今已有150多年歷史,是最早規模化使用的二次電池。鉛酸電池的技術很成熟,結構簡單、儲能成本低,但由于鉛酸電池的循環壽命短(150～300次),能量密度低(30～50Wh/kg),使用溫度范圍窄,使其后期的應用和發展受到了很大的限制。

近年來,全球很多企業致力于開發性能更加優良、能滿足各種使用要求的改性鉛酸電池,其中值得強調的就是鉛碳電池。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合體,既發揮了超級電容瞬間大容量充電的特點,也發揮了鉛酸電池的比能量優勢,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,其性能遠遠優于傳統的鉛酸蓄電池,具有與傳統鉛酸電池相近的低廉價格優勢及成熟的工業制造基礎,同時自身具有高使用壽命和高能量密度比,在各種應用領域都有著極強的競爭力優勢,已是當前儲能設備的首選,可應用于新能源車輛中,如混合動力汽車、電動自行車等領域,也可用于儲能領域,如削峰填谷儲能、風光發電儲能等。

(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,放電時間達數小時,在50%淺度放電情況下,循環使用壽命可達6000次以上,響應快速,是電池中能量最高的實用性電池。近年來技術也在不斷地升級,正負極材料也有多種應用。

但由于其價格依然偏高,有時會因過充電而導致發熱、燃燒等安全問題,有一定的風險,所以使用過程仍有一定限制,需要通過過充電保護來解決。鋰電池技術仍然在不斷地開發中,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、負極材料的開發上。

(3)小結

儲能電池是儲能系統中至關重要的環節,占據了整套儲能系統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的高效運行。從投資者角度來看,作為儲能式UPS的關鍵環節,儲能電池的循環使用壽命和投資成本成為選擇過程中最受關注的層面。當前儲能式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劣,實際應用情況還有待評估。與此同時,更多先進的技術和新型電池也在不斷投入研發,用以更好的匹配儲能式設備,輔助數據中心朝更加高效、節能、智能化的方向發展。

4 結束語

數據中心的負載特性、運營成本、可靠性等,都給儲能式UPS帶來了新的發展機遇。儲能技術是一項將會對未來能源系統發展及運行帶來革命性變化的技術。新型高效的儲能裝置及配套設備、關鍵材料,特別是大容量儲能技術與動力電池產業化,降低成本等方面,仍在不斷加大研制力度和示范應用。

在眾多儲能技術中,作為技術進步最快、投資收益比最高,以鉛碳電池、鋰電池等為主導的電化學儲能技術,在安全性、能量轉換效率和經濟性等方面也均在不斷研發并取得重大突破,極具產業化應用前景。儲能式UPS作為電化學儲能技術的代表產品,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勢,已成為當前數據中心的不二選擇。隨著各種技術不斷發展進步,一些高性能的儲能電池還將不斷涌現,儲能式設備也會在數據中心及其他領域得到更廣泛的應用。

與此同時,先控電氣也秉承綠色、節能、環保的產品理念,秉承專注領先的精神,以前沿的電子電路技術和放眼未來的眼光,不斷地研發新型的智能節能化的儲能式產品,為用戶提供更安全、更便捷、更經濟的供電解決方案,用更優質的產品和服務來回饋客戶,回饋社會!

作者簡介

陳冀生(1969-),男,先控捷聯電氣股份有限公司總裁，現任中國電源學會常務理事，中國電源學會標準化工作委員會委員，燕山大學電子工程專業研究生導師。1991年開始從事電力電子技術工作，擁有“順位主從同步控制電路”、“低差無主均流技術”、“高效率三相三電平正弦波控制技術”等數十項技術專利，在電力電子行業具有強烈的創新意識和深邃的行業洞察力，2003年帶領團隊創立先控電氣前身石家莊聯力創佳科技有限公司，先后推出了三大系列模塊化UPS電源，全系列新能源電動汽車充電樁產品，并在雙向儲能并網裝置、鋰電池成組應用方面實現技術突破，填補了行業多個領域的空白，為國內電力電子、新能源行業的加速創新發展做出突出貢獻。