1、背景及需求概述
数据中心(DataCenter),通常是指在一个物理空间内实现信息的集中处理、存储、传输、交换和管理。数据中心是一整套复杂的设施,不仅包括计算机、服务器、网络、存储等核心设备,还包含供电、制冷、机柜、消防和监控系统等关键物理基础设施。
近年来,随着移动互联网、物联网、云计算等数据业务需求的爆炸式增长及IT技术的迅速发展,数据中心正在发展成为一个具有战略意义的新兴产业,成为新一代信息产业的重要组成部分。在电子信息及制造技术飞速提升的前提下,数据中心机房的建设规模及设备密度都取得了长足的增长。
然而由于能效管理的不尽完善,设备的智能化程度缺乏等原因,数据中心也正在呈现着诸如能耗过大、负载量激增、主设备运行故障等一系列问题,并且变得越来越严峻。
与此同时,储能式UPS的应运而生,表明储能技术已从一个基本概念发展成为当前社会走向低碳经济所不可或缺的技术前提,成为了推动能源转型的必要条件。将储能式产品与数据中心的运行现状进行有机结合,针对数据中心所存在的问题进行改善,最大限度地提高节能和智能化管理程度,是数据中心当前迫在眉睫的需求。
(1)数据中心负载特性
近年来,在金融、通信、电力、工业自动化控制等领域,总电源功率需求量达1200～3000kVA的大型机房已屡见不鲜。多台大型主机及大量的服务器、路由器、交换机、磁盘阵列机被集中安放在同一数据中心机房内,这样的机房必须具备向用户提供大数据吞吐量、高数据传输率的连续工作能力。显然,稳定、可靠、纯净的电源是数据中心各种设备连续、正常、高效运行的重要前提,供电系统不仅要为机房设备提供不间断供电,还必须确保在网络上运行的数据、语音和图像等信息资源能高效、可靠、安全地进行远程处理、存储和传输,这都使得不间断的供电保障系统成为数据中心内不可或缺的必要设备。
当前数据中心大多采用在线式UPS为负载提供稳定的供电保障。然而,数据中心内除服务器、路由器、交换机等关键负载外,还配备照明、制冷、监控、水循环系统等设备,设备情况复杂,对供电保障系统的过载能力、峰值因数等指标也有较高要求,常规的在线式UPS现已很难满足当前数据中心的需求。
(2)供电系统可靠性
从可靠性角度分析,在数据中心供电系统中,串联级数越多,其故障节点就会增加,供电可靠性就会相应降低。反之,并联个数越多,其系统供电可靠性就会越高。目前大多数据中心的传统在线式UPS系统,采用串联式结构(见图1),故障节点较多,因而具有较高的故障率和相对较低的可靠性。
因此,要保持供电系统的供电可靠性,除了保证供电系统自身的可靠性指标外,还需要简化系统串联级数。储能式UPS的诞生,则成为了改善数据中心供电系统可靠性的关键。采用并联式结构,可以从根本上减少设备的故障节点和故障率,使得储能设备向着高稳定性、智能化方向发展,设备运行安全可靠,在线维护更加方便。
(3)数据中心运营成本
随着云计算的发展,数据中心的建设呈现向大型化发展的趋势。超过100个机架的数据中心比例逐年上升,2016年预计达到61%。同时,大型数据中心的电力消耗也是相当惊人,对企业来说,数据中心电费已成为很大一笔开支,大幅侵蚀着企业的经营利润。
以一个建设规模为1000个机架的数据中心为例,假设每个机架功率平均为3kW,1000个机架最终负荷为3000kW,每个小时耗电3000kWh,则全年电力能耗为:3000kW×24h×365天=26280000(kWh),按照1元/kWh计算,全年需花电费2628万元,加上UPS供电设备、空调、照明、其他电力能耗等,对一个PUE值为2的数据中心而言,每年仅电费就高达5256万元。
PUE是评价数据中心能源效率的指标,是指数据中心消耗的所有能源与IT负载消耗的能源之比,其越接近于1,表示一个数据中心的绿色化程度越高,越符合低碳、节能的标准。而降低数据中心PUE的最有效手段就是压缩非IT设备的能耗。
传统数据中心通常采用在线式UPS作为关键负载不间断供电的保障,在线式UPS的运行效率较低,在85%～95%之间,长期运行所带来的电力损耗惊人,运行成本很高。因此,优化数据中心的基础设施,在数据中心实现真正的绿色节能,进一步降低能耗、提升数据中心运营效率就是十分必要和紧迫的。储能式UPS在效率上实现了这一突破,其效率高达98%,比传统在线式UPS高出5%～10%,这使得运营成本大大降低。对于上述3MW的数据中心来说,供电效率每提高1%,一年节省电费就超过100万元。储能式UPS的跨越式突破,将大大减少数据中心的运营成本,为企业大幅度节省用电开支,也将成为未来数据中心供电系统发展中最为重要的一环。
(4)后备时间保障
在数据中心建造过程中,后备供电时间的选择问题正面临两难。若需保障较长的后备时间,则蓄电池首次投资成本很高,并且由于电池生命周期较短,每个周期都需进行再投资,是一笔不小的花费。若只保障较短的后备时间,电池投资成本可适当降低,但市电中断时可能会因未及时处理保存而导致关键数据丢失损毁等严重后果。
此外,如图2所示,数据中心通常采用可靠的2N供电体系,大多情况下电网稳定性良好,加之数据中心的双路供电保障,电池则长期备用,利用率很低,造成很大一部分投资浪费,且电池长期处于浮充状态,会产生发热和效率损耗,影响电池的使用性能和寿命。据统计,2014年,中国铅酸蓄电池产量22069.77万千伏安时,同比2013年增长4.58%。而这些电池大多都未被很好的利用,是一种巨大的能源浪费。
用户在配置供电系统时,既希望关键负载可以保持较长的后备时间,也希望降低电池成本,减少投资浪费,而由于传统电池后备供电时间和成本之间的矛盾问题,用户在投资电池时也一直持审慎态度。储能式UPS化被动为主动,通过应用新型储能电池,对其进行充分调动,使得设备和电池的充放电行为成为工作常态,从而避免了电池闲置,也解决了用户因担心投资浪费而导致的电池配备容量小、设备后备时间过短的问题。
(5)峰谷用电现状
为鼓励错峰用电,我国自1993年在上海市实行峰谷分时电价,引导用户错峰用电,以均衡电力负荷,实现供需平衡,优化资源配置,并产生错峰价值,提高整体经济效益。储能式UPS的应用,能对电网的合理使用起“削峰填谷”作用,即通过储存电网夜间用电低谷时充足的闲余电能,到白天用电高峰时反馈输出,对于电量消耗很大的数据中心来说,通过储能式UPS,合理利用峰谷差价,可以节约巨额的电费开销。
一天的用电高峰多分布于8时至22时,而用电低谷则集中在23时至次日7时。电力生产的稳定性与需求波动性矛盾决定了实施分时电价成为最佳的选择,通过分时电价调节需求,实现供求平衡。
以河北省南部为例,一般工商业及其他用电(电压等级:不满1kV)分时电价情况为尖峰时段(8～11时、16～21时):1.1213元/kWh;
峰时段(8～11时、16～21时):0.9863元/kWh;
平时段(6～8时、11～16时、21～22时):0.7162元/kWh;
谷时段(22时～次日6时):0.4461元/kWh
注:每年7月1日至9月30日期间执行尖峰时段电价
简单算一笔账,从电价角度来看,每度电峰谷电价差为0.7元左右,假设一个数据中心配备了600kWh的储能电池,每天在电价低谷时段储存电量,高峰时段放出供负载使用,电池的生命周期为8～10年,则两个生命周期内,仅通过储能设备削峰填谷节省的电费支出就可达将近200万元。
2、储能式UPS
储能式UPS(又称SPS,储能式不间断电源),是先控电气遵循“节能、绿色、环保”理念而推出的一款产品,其不仅具备在线式UPS的全部功能,为关键负载提供稳定的电力保障,还可优化UPS性能,节省油机、无功补偿设备和稳压设备的投入。同时还可通过储能电池,对电网削峰填谷,利用峰谷电价为企业创收,实现整套系统的主动式工作,并可实现对新能源的综合利用。广泛适用于数据中心、交通、金融、医疗、通信等行业。
SPS储能式不间断电源系统采用并联式结构,可实现AC/AC和DC/AC的并行输出,如图3所示,因此某一线路中单个部件损坏并不会影响整个系统的正常运行,相比于传统UPS的串联式结构,其线路中任一处故障都会影响系统的正常输出,储能式UPS具备了更高的可靠性。
此外,系统还采用模块化的结构方式,模块的电子件置于模块内部,配合系统上的定位销,使得各模块均可实现在线热插拔,用户可根据实际需要配置模块数量,无需一次性完全投资,节省设备初期投资,可实现随需扩展、动态成长。此外,各模块之间具有故障隔离功能,使得单个模块损坏不会影响其他模块的正常工作,出现问题的模块会自动退出系统,并可通过在线热插拔迅速交付于维修人员进行检修,最大限度确保了设备的可靠性和使用便捷性。
主要特点:
•完整的UPS功能:SPS相当于完整的UPS,具备在线式UPS的功能,市电与电池工作相互切换时间0ms,输出稳压精度小于1%,全面保障负载不间断供电;
•双倍额定功率输出:SPS可与电网并行输出,在市电供电状态下,SPS可达到2倍的额定负载功率输出,并长期稳定运行;
•削峰填谷、创造价值:可在任意时间对电池进行充放电,放电时间和放电深度可通过系统进行设定,系统可利用峰谷差价,对电网进行削峰填谷,以进一步降低用电成本;
•减少油机污染和设备投资:减少油机设备、无功补偿设备、稳压设备的投入,降低因油机所产生的噪音污染、废气污染和燃油浪费,并可将油机的投资转移到电池上,在延长关键负载后备时间的同时,通过储能电池存储电量增加更多收益;
•优异的性能参数:AC/AC转换效率98%以上(节能模式转换效率可达到99%以上),DC/AC转换效率98%以上;系统负载功率因数为1,峰值系数为5:1,可满足电机、电感、电容等多谐波、非线性负载的应用;
储能式UPS可配套采用集装箱式一体化解决方案(见图4),将储能设施、消防设施、监控以及温控系统集成于集装箱内,保证整套系统的功能完整性及适用性。同时,标准化、模块化、集成化的系统,可有效地保证工程一致性,不由施工团队的技术水平决定项目质量。建设周期短,安装施工过程简单,后期维护方便,产品生产成本低,供货周期短,具有高可靠性、高安全性、高集成度、低成本、低能耗的特点,可实现快速灵活部署,是一套标准的、集成的一体化解决方案。
3、储能电池
传统数据中心后备电池的应用,以铅酸蓄电池最为突出,其结构简单、价格低廉,性价比高,但由于循环寿命较短,使用过程受到一定限制。铅碳电池从传统的铅酸电池演化而来,是铅酸电池和超级电容器的结合体,拥有非常好的充放电性能,和数倍于铅酸电池的循环寿命。锂电池同样很好地弥补了铅酸电池的不足,不仅具有优异的循环使用寿命指标,还具有很高的能量密度和功率密度。而全钒液流电池在使用寿命上较锂电池又有更新的突破,循环充放电次数可达锂电池的双倍。钠硫电池则在比能量方面具有突出贡献。
储能式UPS主要采用铅碳电池和锂电池作为储能电池,现将两种电池的优缺点详述如下:
(1)铅碳电池
铅碳电池是一种新型的超级电池,从传统的铅酸电池演变而来。铅酸电池是指以铅及其氧化物为电极、硫酸溶液为电解液的一种二次电池,发展至今已有150多年历史,是最早规模化使用的二次电池。铅酸电池的技术很成熟,结构简单、储能成本低,但由于铅酸电池的循环寿命短(150～300次),能量密度低(30～50Wh/kg),使用温度范围窄,使其后期的应用和发展受到了很大的限制。
近年来,全球很多企业致力于开发性能更加优良、能满足各种使用要求的改性铅酸电池,其中值得强调的就是铅碳电池。其以常用的超级电容器碳电极材料部分或全部取代铅阳极,是铅酸电池和超级电容器的结合体,既发挥了超级电容瞬间大容量充电的特点,也发挥了铅酸电池的比能量优势,且拥有非常好的充放电性能。而且由于加了碳(石墨烯),阻止了负极硫酸盐化现象,改善了过去电池失效的一个因素,更延长了电池寿命,在50%～80%的放电率情况下,充放电寿命可达3000～5000次。
铅碳电池作为新型的铅酸电池,由于使用了铅碳技术,其性能远远优于传统的铅酸蓄电池,具有与传统铅酸电池相近的低廉价格优势及成熟的工业制造基础,同时自身具有高使用寿命和高能量密度比,在各种应用领域都有着极强的竞争力优势,已是当前储能设备的首选,可应用于新能源车辆中,如混合动力汽车、电动自行车等领域,也可用于储能领域,如削峰填谷储能、风光发电储能等。
(2)锂电池
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池是电池中比能量最高的实用型电池,有多种材料可用于它的正极和负极(钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂等)。锂电池的效率可达95%以上,放电时间达数小时,在50%浅度放电情况下,循环使用寿命可达6000次以上,响应快速,是电池中能量最高的实用性电池。近年来技术也在不断地升级,正负极材料也有多种应用。
但由于其价格依然偏高,有时会因过充电而导致发热、燃烧等安全问题,有一定的风险,所以使用过程仍有一定限制,需要通过过充电保护来解决。锂电池技术仍然在不断地开发中,目前的研究主要集中在进一步提高它的使用寿命和安全性,降低成本以及新的正、负极材料的开发上。
(3)小结
储能电池是储能系统中至关重要的环节,占据了整套储能系统投资的三分之二以上。储能电池的运行效率、可靠度、可用性、易维护性等,很大程度上影响着储能系统的高效运行。从投资者角度来看,作为储能式UPS的关键环节,储能电池的循环使用寿命和投资成本成为选择过程中最受关注的层面。当前储能式UPS多以铅碳电池和锂电池为主,二者在使用寿命和投资成本方面各有优劣,实际应用情况还有待评估。与此同时,更多先进的技术和新型电池也在不断投入研发,用以更好的匹配储能式设备,辅助数据中心朝更加高效、节能、智能化的方向发展。
4、结束语
数据中心的负载特性、运营成本、可靠性等,都给储能式UPS带来了新的发展机遇。储能技术是一项将会对未来能源系统发展及运行带来革命性变化的技术。新型高效的储能装置及配套设备、关键材料,特别是大容量储能技术与动力电池产业化,降低成本等方面,仍在不断加大研制力度和示范应用。
在众多储能技术中,作为技术进步最快、投资收益比最高,以铅碳电池、锂电池等为主导的电化学储能技术,在安全性、能量转换效率和经济性等方面也均在不断研发并取得重大突破,极具产业化应用前景。储能式UPS作为电化学储能技术的代表产品,具备在线式UPS的全部功能,并有着在线式UPS难以比拟的高效率、高可靠性和低运营成本等优势,已成为当前数据中心的不二选择。随着各种技术不断发展进步,一些高性能的储能电池还将不断涌现,储能式设备也会在数据中心及其他领域得到更广泛的应用。
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