現(xiàn)代生活不斷產(chǎn)生并需求大量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中心。伴隨著5G、無(wú)人駕駛、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等大數(shù)據(jù)的應(yīng)用,數(shù)據(jù)中心將會(huì)以驚人速度發(fā)展。眾所周知,數(shù)據(jù)中心是用電大戶,研究數(shù)據(jù)中心節(jié)能及節(jié)省電費(fèi)是數(shù)據(jù)中心建設(shè)的重點(diǎn),而數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)(UPS)的普遍使用為節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用提供了先天條件。因此,UPS儲(chǔ)能成為近年數(shù)據(jù)中心節(jié)能的熱門話題。本文在此分享數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域UPS+儲(chǔ)能聯(lián)合供電的新概念。
1 UPS與儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用和痛點(diǎn)
(1)UPS的應(yīng)用和痛點(diǎn)
①UPS的應(yīng)用
UPS是在停電時(shí)為重要設(shè)備供電,A級(jí)數(shù)據(jù)中心設(shè)有柴油發(fā)電機(jī)時(shí),UPS電池后備時(shí)間要求不低于15min,通常采用理士鉛酸電池。為了保證數(shù)據(jù)中心信息設(shè)備供電質(zhì)量和供電可靠性,UPS是必需的,與經(jīng)濟(jì)效益無(wú)關(guān)。
②UPS痛點(diǎn)
•由于很少停電,整個(gè)理士電池生命周期放電次數(shù)很少,電池變成睡資產(chǎn),形成資源浪費(fèi);
•UPS電池長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài),理士電池健康狀況不明;
•一般使用理士鉛酸電池,電池4～5年就要更換。
(2)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用和痛點(diǎn)
�、賰�(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用
儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是削峰填谷,利用峰谷電價(jià)差套利。儲(chǔ)能系統(tǒng)不是必需的,沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益就沒(méi)有安裝的價(jià)值。
�、趦�(chǔ)能系統(tǒng)的痛點(diǎn)
•各地峰谷電價(jià)不同,很多地方峰谷電價(jià)差小,設(shè)置理士電池儲(chǔ)能系統(tǒng)連投資成本都收不回來(lái),即使峰谷電價(jià)差大的地方,理士電池儲(chǔ)能投資收益也不是很高,所以很難引起大規(guī)模投資;
•一般純儲(chǔ)能項(xiàng)目的回本周期7～8年,用戶或投資方不愿意投資;
•由于深度放電會(huì)影響電池壽命,所以儲(chǔ)能系統(tǒng)理士電池要預(yù)留部分容量不能使用(鉛碳電池要留30%～40%),這也是一種資源浪費(fèi)。
2 SPS系統(tǒng)概念
UPS+儲(chǔ)能(Storage Power Supply)簡(jiǎn)稱SPS系統(tǒng),是指UPS和儲(chǔ)能相融合的系統(tǒng),它的概念是增加配置理士電池的容量,并且由鉛酸電池改用鉛碳電池,利用夜間低谷電價(jià)時(shí)充電,在白天高峰電價(jià)時(shí)放出部分電量,進(jìn)行峰谷套利,剩余電量作為UPS備電之用。偶爾停電時(shí),電池放電到80%～100%,對(duì)電池壽命影響不大。
(1)理士電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)組成
BESS主要由電池系統(tǒng)(Battery System,BS)、功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(Power Conversion System,PCS)、電池監(jiān)系統(tǒng)(Battery Monitoring System,BMS)、電能管理系統(tǒng)(Energy Management System,EMS)等4部分組成;同時(shí),在實(shí)際應(yīng)用中,為便于設(shè)計(jì)、管理及控制通常將電池系統(tǒng)、PCS、BMS重新組合成模塊化BESS,而EMS主要用于監(jiān)測(cè)、管理與控制一個(gè)或多個(gè)模塊化BESS。圖1為BESS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
(2)UPS儲(chǔ)能系統(tǒng)(SPS,Storage Power Supply)
�、賁PS是將UPS及儲(chǔ)能系統(tǒng)(UPS+BESS)融合在一起,是完美的儲(chǔ)能備電結(jié)合;
�、赟PS概念是在新建的UPS系統(tǒng),采用優(yōu)化后適合經(jīng)常放電的UPS系列,并增加UPS的理士電池容量,不采用鉛酸電池而改用鉛碳電池,利用峰谷電價(jià)充放電,每天放出部分電池電量進(jìn)行套利,馀下電量滿足UPS的后備時(shí)間要求;
�、叟紶柾ｋ姇r(shí)放電到80%～100%,對(duì)電池壽命影響不大;
�、芤糟U碳電池50%+30%DOD(兩充兩放),可循環(huán)3,300天計(jì)算,每天使用,可使用9年,比一般鉛酸電池壽命長(zhǎng)一倍。
(3)SPS系統(tǒng)與理士電池儲(chǔ)能系統(tǒng)比較
�、賁PS的UPS優(yōu)化后,具有UPS及PCS功能,UPS優(yōu)化成本遠(yuǎn)比一個(gè)PCS便宜;
�、谠瓉�(lái)UPS要用2組理士鉛酸電池(舉例),現(xiàn)改用4組鉛碳電池,只增加兩組電池的成本,比儲(chǔ)能系統(tǒng)要投資4組鉛碳電池少很多;
③由于UPS一般有理士電池房間,所以不用單設(shè)集裝箱,節(jié)省投資;
�、躑PS與理士電池房間已設(shè)有空調(diào),所以不需要再額外裝設(shè);
�、軺PS與理士電池房間空調(diào)電費(fèi)已計(jì)入原有成本,不會(huì)在儲(chǔ)能收益扣除。
由此可見(jiàn),SPS系統(tǒng)所增加的投資(2組鉛碳電池和UPS優(yōu)化費(fèi)用)比電池儲(chǔ)能系統(tǒng)少很多。SPS系統(tǒng)與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)比較見(jiàn)表1。
(4)SPS存在問(wèn)題及解決方法
①SPS存在問(wèn)題
理士電池大功率放電會(huì)嚴(yán)重影響鉛酸/鉛碳電池的壽命;
理士電池大功率放電放出的容量遠(yuǎn)低于鉛酸/鉛碳
理士電池的額定容量;
理士電池容量增加,SPS充電能力要加大;
理士電池每天多次轉(zhuǎn)換充放電模式,可能影響SPS的可靠性。
②SPS解決方法
•SPS的UPS要有與市電聯(lián)合供電的功能。
SPS電池固定以0.1C功率向負(fù)載供電,不足的負(fù)載功率由市電供應(yīng)。這樣可以降低理士電池的放電功率,保持電池的循環(huán)壽命及提高電池的可放電容量;
•增加SPS充電能力;
•UPS廠家需要優(yōu)化UPS,控制策略分為儲(chǔ)能模式和應(yīng)急模式,設(shè)備既要適合天天放電及每天多次充放電轉(zhuǎn)換,又要保持UPS原來(lái)的安全可靠性。
3 SPS最佳理士電池容量配置計(jì)算方法
SPS的理士電池容量配置是根據(jù)儲(chǔ)能放電深度(DOD)與UPS需要的備電時(shí)間來(lái)計(jì)算。計(jì)算方法及原理如下:
UPS備電要求:備電15min,按鉛酸電池標(biāo)準(zhǔn),理士電池壽命末期放電容量余下80%,等于備電12min;若以50%DOD計(jì)算,SPS要滿足理士電池末期放電12min,SPS電池容量配置是40min。
計(jì)算原理:
SPS理士電池容量按40min配置,SPS每天以0.1C放電50%,相當(dāng)于滿功率放電20min,理士電池剩余滿功率備電時(shí)間20min;在電池末期,電池滿功率可放電總時(shí)間是32min(80%),每天仍以0.1C放電50%(相當(dāng)于滿功率放電20min),余下滿功率備電時(shí)間12min。
4 SPS的附加效益分析和經(jīng)濟(jì)收益計(jì)算
(1)SPS附加效益
�、偃缟蟂PS配置40min電池,在放電前備電后備時(shí)間是40min,儲(chǔ)能放電后,備電時(shí)間是20min,兩者都多于15min備電的要求;
②UPS不加儲(chǔ)能時(shí)電池在浮充使用,理士電池健康狀況不明。而SPS天天充放電,由理士電池放電的電壓可以準(zhǔn)確知道電池的健康狀況,這是最有用的非經(jīng)濟(jì)價(jià)值;
�、劾梅骞入妰r(jià)差套利,除了可以收回設(shè)備增加的成本外,還有很佳的節(jié)省電費(fèi)的收益;
�、茔U碳電池以50%DOD充放電,可以使用10年,是鉛酸電池壽命的兩倍。壽命周期內(nèi)可以節(jié)省一次更換電池的費(fèi)用。
(2)鉛碳電池經(jīng)濟(jì)分析實(shí)例(見(jiàn)表2)
依據(jù)以下條件:
•UPS按500kVA計(jì)算;
•電價(jià)以江蘇省峰谷平均電價(jià)計(jì)算;
•理士電池每天以50%+30%兩充兩放方式(首高峰放電50%,平段充電30%,次高峰放電30%),電池可以使用3,300天(9年);
•按滿功率放電與0.1C放電作比較。
